VirtLab - Methoden und Werkzeuge zur Entwicklung virtueller multimedialer naturwissenschaftlicher Labore und Praktika

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1 MARCO SCHLATTMANN UND JOCHEN MEYER VirtLab - Methoden und Werkzeuge zur Entwicklung virtueller multimedialer naturwissenschaftlicher Labore und Praktika Motivation Im Rahmen des Förderschwerpunktes Elektronisches Publizieren und Multimedia wurde 1997 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Fördermaßnahme Weiterentwicklung des wissenschaftlichentechnischen Buches zur multimedialen Wissensrepräsentation (kurz: Multimedia Buch ) ausgeschrieben. Ziel der Fördermaßnahme war die Erweiterung der bisherigen statischen Ausdrucksform von Büchern zu dynamischen multimedialen Wissensrepräsentationen, in denen Text, Bild, Ton und Bewegung als integrierte Aussageelemente erscheinen und somit eine interessantere und vor allem effektivere Nutzung von Wissen in den Bereichen Naturwissenschaft, Technik und Medizin ermöglichen. Im Rahmen dieser Ausschreibung wurden seit 1997/ Multimediaprojekte mit einer Laufzeit von 2-3 Jahren gefördert. Im Projekt Genlab (Förderkennzeichen 08C58347) wurde dabei der konkreten Frage nachgegangen, wie die praktische Laborausbildung in den Naturwissenschaften durch den Einsatz von Multimedia unterstützt werden kann. Naturwissenschaftlich-technische Labore wie Chemie-, Physik- oder Gen- Labore stellen den Arbeitsplatz vieler Wissenschaftler und Techniker dar, die mit den im Labor vorhandenen Geräten und Materialien wissenschaftliche Experimente durchführen. Im Bereich der Aus- und Weiterbildung werden Labore für die Durchführung von Praktika genutzt. Praktika sind gerade im Bereich der Naturwissenschaft und Technik unerlässliche Bestandteile der Ausbildung. Sie vermitteln die Handhabung von Geräten und Materialien, sie lassen die Lernenden praktische Erfahrungen sammeln und fördern damit ganz wesentlich das "Begreifen" der zugrunde liegenden Theorie, sie demonstrieren Methoden der experimentellen Erfassung und Auswertung von Daten, und sie zeigen, inwieweit sich eine bestimmte Theorie der Realität nähert, wofür man sie anwenden kann und was man zu ihrer Vervollkommnung tun muss. Allerdings treten bei der Durchführung von naturwissenschaftlich-technischen Praktika bspw. an Universitäten in den letzten Jahren vermehrt Probleme auf. Viele Praktika sind völlig überlaufen. Ein gezieltes Eingehen auf spezielle 1

2 Fragen, Probleme und Bedürfnisse einzelner Studierender seitens der Lehrenden ist aus Zeitgründen kaum möglich. Auch werden häufig nicht allgemeine praktische Grundlagen und Fertigkeiten vermittelt, sondern es können lediglich Spezialgebiete der jeweiligen Institute behandelt werden, weil nur hierzu die erforderlichen Geräte und Materialien im Labor vorhanden sind. Darüber hinaus sind Laborausstattungen vielfach veraltet, so dass den Studierenden nur das Experimentieren mit nicht mehr zeitgemäßen Techniken und Geräten gezeigt kann. Gerade in Spezialgebieten wie bspw. der Gentechnologie sind die meisten Geräte und Materialien viel zu teuer, als dass sie in Großpraktika eingesetzt werden könnten. Die Vorbereitung der Studenten auf das Laborpraktikum mit Hilfe von Skripten, Versuchsprotokollen und Fachbüchern ist zudem praxisfern und wenig effizient. Fazit dieses Dilemmas ist, dass viele Naturwissenschaftler und Techniker nicht optimal vorbereitet aus der Universität in die Industrie entlassen werden. Im Rahmen des dreijährigen BMBF-Projekts GenLab entstand - in Zusammenarbeit des Oldenburger Informatik-Instituts OFFIS mit dem Institut für Mikrobiologie der Universität Düsseldorf und Spektrum Akademischer Verlag (Heidelberg) - ein virtuelles multimediales Gen-Labor, das durch den Einsatz neuer multimedialer digitaler Technologien versucht, diese Probleme zumindest teilweise zu lösen. Es kann als Ergänzung zu Vorlesungen und Praktika eingesetzt werden. Zur Zielgruppe von GenLab gehören in erster Linie Studierende der Biologie im Grundstudium. Ausgehend von den Erfahrungen in diesem Projekt werden im Projekt VirtLab, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Schwerpunktprogramm V3D2 (Verteilte Verarbeitung und Vermittlung digitaler Dokumente) gefördert wird, allgemeine Methoden und Werkzeuge zur Entwicklung virtueller Labore und Praktika erforscht. Virtuelle Labore am Beispiel des GenLab-Systems Was ist ein "virtuelles Gen-Labor"? Hierbei wird im Rechner ein Labor mit den benötigten Geräten und Chemikalien modelliert. Dieses Labor lässt sich dann grafisch auf dem Bildschirm präsentieren. Die Benutzer haben die Möglichkeit, mit Hilfe der Maus gentechnische Experimente durchzuführen analog zu den Abläufen in einem "wirklichen" realen Labor. Dabei können sie sich z.b. im Labor bewegen, Geräte bedienen und Chemikalien pipettieren. Das theoretische und praktische Wissen zur Bio- und Gentechnologie wird in 2

3 Form von Texten, Bildern, Animationen und Videos in einem ebenfalls begehbaren Seminarraum bereit gestellt. Das System besteht somit strukturell aus zwei Teilen, die inhaltlich miteinander verbunden sind: - der Informationskomponente und - der Laborkomponente. Die Informationskomponente stellt das für das Gentechnische Praktikum benötigte Wissen zur Verfügung und ist integriert in die Metapher eines virtuellen begehbaren Seminarraums. Der Seminarraum enthält einer realen Lernumgebung entnommene Elemente, die sich zur multimedialen Wissenspräsentation sowie zur Einbindung zusätzlicher Lernmodule eignen. Dazu gehören eine Bibliothek, die umfangreiche Informationseinheiten in Form von elektronischen Büchern enthält, eine Leinwand und ein virtueller Computerarbeitsplatz. Nutzern von GenLab wird ein wahlfreier Zugang zum Lernstoff gewährt. Sie können sich zunächst mit Hilfe von Text, Bildern und Animationen über die Grundlagen informieren, bevor sie sich ins virtuelle Labor wagen, oder sie können gleich mit dem virtuellen Experimentieren im Labor beginnen und bei Problemen gezielt nachschlagen. Abb. 1: Elektronischer Aktenordner mit Informationen zu Arbeitsgeräten im Labor 3

4 Die Laborkomponente bildet das Kernstück der Anwendung. Der Grundgedanke des Laborkonzeptes ist die Idee des freien Experimentierens. Die realitätsgetreu nachgebildeten Geräte sind über ihre Bedienelemente (z.b. Anund Ausschalter, Drehregler) vollständig nutzbar. Dabei kommen die Vorteile gegenüber realer Praktika in Form einer ständigen Fehlerüberwachung, Steuerungs- und Korrekturmöglichkeiten sowie einer engen Verknüpfung zur Informationskomponente zum Tragen. So kann die richtige Bedienung der Geräte z.b. zuvor in einer interaktiven Bedienungsanleitung Schritt für Schritt gelernt werden. Und um die in Aktenordnern im Seminarraum abgelegten Informationen zu Geräten und Zubehör zu erreichen, genügt ein Klick mit der rechten Maustaste auf einen Laborgegenstand. Um auf ein reales Labor-Praktikum vorbereitet zu sein, muss man aber nicht nur wissen, wie Geräte zu bedienen sind, sondern auch wie man sich im Labor zurechtfindet. Dies kann am Rechner geübt werden, indem man ein reales Labor virtuell nachbildet und es dem Nutzer mit Hilfe einer Navigationsfunktion ermöglicht, sich darin zu bewegen. Er lernt selbstständig zu erkennen, welche Geräte im Moment benötigt werden und wo diese zu finden sind. In der Praxis ist jedes Labor unterschiedlich aufgebaut. Durch die authentische Nachbildung eines Beispiel-Labors erlangt der Nutzer aber ein allgemeines Ver- Abb. 2: Eine Arbeitsfläche im virtuellen Gen-Labor 4

5 ständnis über Aufbau und Geräteanordnungen in einem gentechnischen Labor. Das Navigieren durch eine virtuelle Welt motiviert außerdem zur Beschäftigung mit dem Programm. Die in GenLab durchführbaren gentechnischen Experimente untergliedern sich in Module und Versuche. Versuche sind komplexe Experimente, die aus einer Kombination verschiedener Arbeitstechniken bestehen. Diese grundlegenden Arbeitstechniken, wie z.b. das selektive Zerschneiden von DNA (Restriktion), werden Module genannt und können im virtuellen Labor separat eingeübt werden. Module und Versuche werden hier zur Vereinfachung unter dem Begriff Experimente zusammengefasst. Die folgenden Experimente wurden für das GenLab-System vorgesehen: Versuche: Restriktionskartierung Genamplifizierung (am Beispiel des Gens für Humaninsulin) Genklonierung (am Beispiel des Gens für Humaninsulin) Heterologe Expression des Gens für Humaninsulin Western Blotting Module: Restriktion Gelelektrophorese (Agarose) Transformation Ligation Elution Genexpression Plasmidpräparation PCR Blotting Gelelektrophorese (SDS-Page) Proteinreinigung Diese Auswahl gewährleistet bereits eine breite Abdeckung der Anforderungen an die praktische gentechnologische Ausbildung an den Universitäten. Die Liste ist jedoch leicht erweiterbar bzw. flexibel konfigurierbar. D.h. es besteht jederzeit die Möglichkeit, bestimmte Experimente durch andere zu ersetzen und weitere Experimente für Spezialgebiete einzelner Institute zu ergänzen. Die bei der Durchführung dieser Experimente jeweils stattfindenden molekularbiologischen Prozesse werden im virtuellen Labor simuliert. Dazu gehören z.b. das Wachstum von Bakterienkolonien, das Zerschneiden von 5

6 DNA in unterschiedlich lange DNA-Fragmente (Restriktion) oder das Wandern von DNA-Fragmenten durch ein Gel. Die Prozesse werden in Abhängigkeit von wichtigen Einflussfaktoren, wie Zeit, Temperatur und elektrische Spannung berechnet. Das Ziel des GenLab-Konzeptes: virtuelle Praktika so realitätsgetreu wie möglich durchzuführen und gleichzeitig den "Mehrwert" der multimedialen Technologien voll auszunutzen. GenLab ist kein multimediales Lernprogramm, das auf Frage-Antwort-Sequenzen basiert, um zum gewünschten Lernerfolg zu gelangen. Vielmehr verlangt es angelehnt an reale Praktika ein konstruktives selbständiges Erarbeiten der Materie nach dem trial-and-error - Prinzip. Zu den Lernzielen im GenLab-System gehört als erstes das Kennenlernen der theoretischen und praktischen Grundlagen der Gentechnologie. Hinzu kommt der Umgang mit Laborgeräten und schließlich die hochinteraktive Durchführung virtueller Experimente: hier geht es vor allem darum, Arbeitsabläufe einzuüben. Gerade in der Gentechnologie bestehen die Experimente oft aus Hunderten von Einzelschritten. Der Vorteil des GenLab-Systems liegt auf der Hand: jeder darf Fehler machen. Der Computer als "Leiter" des Praktikums korrigiert und erläutert geduldig. Damit können teure Fehlschläge eines Experimentes "in der Wirklichkeit" vermieden werden. Das entwickelte System bietet somit die Chance, dass neue Medien in der Hochschullehre gezielt bzw. in verbesserter Form eingesetzt werden können und damit die bestehende Lehre verbessert wird. Werkzeugunterstützung Die Entwicklung einer solchen multimedialen Anwendung ist aufwendig und enorm kostspielig. Ein Grund hierfür ist die Heterogenität des Entwicklungsteams, das u.a. aus Informatikern, Fachexperten (z.b. Chemikern, Physikern, Gentechnikern), Didaktikern, Graphik-Designern und Medienspezialisten besteht. Auch im Rahmen des GenLab-Projekts zeigte sich, dass Monate vergingen, ehe dieses interdisziplinäre Entwicklungsteam eine gemeinsame Grundvorstellung von dem Entwicklungsprozess und dem zu entwickelnden Produkt hatte. Die Wiederverwendbarkeit bestehender Komponenten, die leichte Erweiterbarkeit um neue Lerninhalte sowie die Übertragbarkeit des gewählten Lösungsansatzes auf andere Naturwissenschaften, aber auch auf andere Programmiersprachen oder Distributionsmedien wie das Internet, waren deshalb 6

7 wichtige Ziele beim softwaretechnischen Entwurf des virtuellen Gen-Labors. Auf der Ebene der Laborkomponente konnte dieses durch die Entwicklung eines objektorientierten Frameworks erreicht werden, das sich in ein Standard- Multimedia-Autorensystem integrieren lässt. Das Framework gibt auf einer abstrakten Ebene den Implementierungsrahmen eines virtuellen Labors vor und erleichtert so z.b. den Austausch von Laborgeräten, die Einbindung neuer Experimente oder auch die Entwicklung neuer Labortypen etwa für die Physik oder Chemie. Die Informationskomponente setzt insbesondere auf den Einsatz und die Verarbeitung der Standardformate HTML und XML. Hier wurden Autorenwerkzeuge entwickelt, die u.a. Seitenumbruch und Layoutkontrolle, die Verwaltung von Hyperlinks sowie die Aufbereitung des Buchmaterials für Drucker und CD-ROM automatisieren und so die Erstellung und Integration elektronischer Bücher in den virtuellen Seminarraum erheblich vereinfachen. Ausgehend von diesen Ergebnissen des Genlab-Projekts werden im VirtLab- Projekt derzeit weitere Methoden und Werkzeuge erforscht, die die Entwicklung virtueller Labore und Praktika quantitativ und qualitativ verbessern. Insbesondere arbeiten wir an einem Vorgehensmodell, das beschreibt, wann bei der Entwicklung virtueller Labore welche Entwickler welche Aktivitäten wie durchzuführen haben, an einer graphische Notationsform auf der Basis der UML, mit der die Ergebnisse der Aktivitäten festgehalten werden, und an einer Spezifikationssprache für die Definition von Aufbau und Durchführung virtueller Experimente. Ziel ist es, diese Methoden in graphisch-interaktiven Tools zu integrieren, die den Naturwissenschaftlern selbst das Entwickeln und Anpassen virtueller Labore gestatten. 7

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