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1 Vortrag e-learning Symposium Berlin 1-2. Juni 2006 Sabina Jeschke Christian Thomsen Virtuelle Labore & Remote-Experimente in kooperativen virtuellen Wissensräumen

2 Inhaltsübersicht: I. Einleitung II. Virtuelle Labore & Remote Experimente III. Das NanoLab -Konzept IV. Das Medienzentrum MuLF TU Berlin

3 I Einleitung Dynamische Informationssysteme in elearning und eresearch TU Berlin

4 Informationssysteme in der eltr-technologie: Erste Generation: Next Generation: Informationsdistribution Dokumentmanagement Mehrheitlich passive, statische Objekte Einfache Trainingsszenaríen Isolierte Kommunikationstools Modulare, flexible Wissensbausteine Dynamische Kurskomposition Hohe Interaktivität und User-Adaptivität Komplexe Trainingsszenarien Unterstützung des Lernprozesses Unterstützung explorativer Lernprozesse Integrierte Kooperationsanwendungen Studienorganisation Blackboard Clix WebCT Ilias moodle Einsatz an vielen nationalen und internationalen Universitäten, i.a. nicht durchgängig Aktueller Forschungs- & Entwicklungsgegenstand

5 Content-zentriert versus Community-zentriert: Content-zentriert: Community-zentriert: Die Inhalte stehen im Mittelpunkt des Systemdesigns, kommunikative und kooperative Szenarien werden (gar nicht oder) um die Inhalte herum entwickelt. Abläufe, Kommunikation und Kooperation zwischen den Akteuren steht im Mittelpunkt des Systemdesigns, die Inhalte werden in diese Kooperationsinfrastruktur eingebettet. klassischer Ansatz, Grundlage der meisten gängigen elearning-plattformen Lernräume der Zukunft, CSCW bzw. CSCL-Ansatz, aktuelles Forschungsgebiet

6 Remote Experimente... Virtuelle Labore sind reale Experimente in realen Laboren, die remote (ferngesteuert) von einem Experimentator außerhalb des Labors durchgeführt werden.... sind virtuelle Räume, die realen Laboren nachempfunden sind, und in denen computergestützt Experimente entworfen, aufgebaut (erstellt) und durchgeführt werden können. Remote Experimente ermöglichen die Untersuchung realer physikalischer Systeme und den Gewinn von hands-on Erfahrung. Virtuelle Labore sind nicht auf die Durchführung eines Experiments beschränkt, sondern bilden auch den Prozess des Versuchsdesigns- und Versuchsaufbaus ab. Sie ermöglichen zusätzlich die direkte Integration externer Tools (Komponenten anderer Labore, CAS, numerische Tools, etc.).

7 Einsatz von Virtuellen Laboren & Remote Experimenten: in theoretischen Gebieten: Mathematik Theoretische Physik Theoretische Chemie Theoretische Gebiete der Ingenieurwissenschaften in experimentellen Gebieten: Experimentalphysik Experimentelle Chemie Experimentelle Gebiete der Ingenieurwissenschaften Experimenteller Zugang zu abstrakten Objekten Erfahrbarkeit abstrakter Konzepte Trial-and-Error-Zugang zu neuen Erkenntnissen Steigerung Versuchskapazität Verfügbarkeit zusätzlicher Experimente Sicherheitsaspekte Effekt in Reinform beobachtbar hands-on Erfahrung Permanenter Zugang (24/7) Unabhängigkeit vom Besitz eines speziellen Equipments Räumliche Unabhängigkeit

8 III Experimente in elearning & eresearch Kollaboratives Experimentieren in Virtuellen und Remote Laboren TU Berlin

9 eresearch Spektroskopie an Festkörpern Absorption: Kenntnis über die elektronische Bandstruktur Lumineszenz: Emissionseigenschaften von Lichtquellen Materialanalyse: Materialidentifikation, Homogeneität, Defekte Ramanspektroskopie als Forschungsfeld an der TU Berlin prominentes Beispiel: Sind Ihre Diamanten echt? Forschungsbeispiel: Kohlenstoffnanoröhren: wie sind sie gewickelt? Forschungsbeispiel: Wieviele Defekte hat ein Graphitkristall?

10 eresearch Übersicht Laser Notchfilter Fokussierung Spektrometer Detektor Probe Darstellung und Bedienung

11 eresearch Experimenteller Ramanaufbau Probenteller: Probe kann ausgesucht werden Darstellung: auf einem Bildschirm Bedienknöpfe

12 eresearch Experimenteller Ramanaufbau Probenteller: Probe kann ausgesucht werden Bedienung: auch auf einem Bildschirm Bedienelemente

13 eresearch Dokumentation Anleitung:

14 Phasenübergänge, Ferromagnetismus, Ising-Modell Phasenübergang: plötzlicher qualitativer Wandel in einem Vielteilchensystem dabei: Wandel bei Über-/Unterschreiten bestimmter Schwellenwerte externer Parameter prominentes Beispiel: Gefrieren von Wasser bei 0 C (unter Normaldruck) Ferromagnetismus: Form des Magnetismus, der durch äußeres Feld initiiert wird, aber bestehen bleibt, wenn das Feld abgeschaltet wird Ferromagn. Materialien: Permanentmagneten (Eisen, Kobalt, Nickel) Hysterese: repräsentiert Gedächtnis eines physikalischen Systems Magnetisierung Ising-Spin-Modell: Modell: prominentestes Modell zur (qualitativen) Beschreibung von Ferromagnetismus Gittergasmodell, quadratisches Gitter, Nächste-Nachbar-Wechselwirkung Magnetfeld Frage: Abhängigkeit der Magnetisierung von Temperatur und externem Magnetfeld?

15 Remote Experiment 1 Versuchsaufbau: I Stromquelle Hall- Sonde Spule ferrom. Material zum WWW Heizquelle Browser Browser Browser Labview Interface V Voltmeter Spannung U ~ m RemoteFarm TU Berlin: Konzept Scheel/Thomsen

16 Remote Experiment 2 Einbindung in Labview: Hysterekurve eines ferromagnetischen Materials

17 VirtLab 1 konstantes Magnetfeld (H=0) später, und Temperatur nun deutlich höher später, Temp. weiter niedrig Start, Temp. niedrig Bilder aus dem VirtLab VideoEasel: Entwurf Richter/Seiler

18 VirtLab bei konstanter (niedriger) Temperatur Start, ext. Feld = 1 (niedrig) später, ext. Feld = 1 (niedrig) nun: ext. Feld = -1 (umgek. Richt.) viel später, ext. Feld weiter = -1 ext. Feld = -8 später, ext. Feld weiter = -8 viel später, ext. Feld weiter = -8 Bilder aus dem VirtLab VideoEasel: Entwurf Richter/Seiler

19 VirtLab 2 Spin-Spin-Wechselwirkung WIZARD

20 Kooperative Lernszenarien: Student Dozent/Kommilitone Session sharing zur Unterstützung durch den Lehrenden Session sharing von Experimenten zur gemeinsamen Versuchsdurchführung in Teams

21 Bildrekonstruktionsverfahren Anwendungsgebiet: Digitalphotographie, Medizin, Kunst, Bilddatenkompression Original verrauschte Kopie

22 Kantendetektierung Kombination von Ising-Modell mit Kantendetektierung (Kanten := Rand von Flächen) an den Kanten: Spin-Spin-Wechselwirkung wird durchschnitten

23 Rekonstruktion (entlang der Zeitachse)

24 Bildqualitätsermittelung PSNR = peak signal to noise ratio, Maß fuer Bildqualität 0 = Bilder vollständig verschieden, = Bilder identisch

25 III Das NanoLab-Konzept Vernetzte Labore für Forschung und Lehre TU Berlin

26 Forschungsschwerpunkt: Vernetzte Experimente Ziele erweiterter Zugang zu Experimenten für Lehre & Forschung Bereitstellung virtueller Labore & Remote Experimente für Mathematik, Natur- und Ingenieurwissenschaften Realisierung kooperativer Experimentierumgebungen für Lehre & Forschung Vernetzung bestehender experimenteller Ressourcen zu intelligenten Netzwerken Forschungsfragen und -projekte: Entwicklung virtueller Labore & Remote Experimente Integrationstechnologien (Web Services, Semantic Web) Intelligente Assistenten, User Guiding, Usage Mining bewilligt bzw. beantragt: VideoEasel (im DFG-Zentrum Matheon), Teile von Nemesis und Genesis in Vorbereitung: TubeSort, SpinWorld, NanoVision

27 NanoLab (Collaborative Working Environment for Virtual and Remote Nano-Experiments) Ausgangssituation: Nanowissenschaften und Nanotechnologien: Winzigkeit der untersuchten Objekte enormer Aufwand bei der Durchführung von Experimenten, mit den entsprechenden Kosten (z.b.: atomic force microscopes, Reinräume...) Ergebnis: Forschung beschränkt auf kleine scientific community Nanowissenschaften und Nanotechnologien: Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts Ziel: Steigerung Zugangsmöglichkeiten zu (nanonahem) exp. Equipment für breite Nutzergruppe Vernetzung und Integration verfügbarer virtueller und remote-kontrollierbarer Labore und Forschungsinformationen in einem kooperativen Wissensraum gleichzeitig: stärkere Vernetzung theoretischer und experimenteller Ansätze

28 Vernetzte Labore und Auswertungstools Service Broker Analyzer CH Analyzer E Analyzer D VirtLab CH AFM - SI Kooperative Nutzung von High-End-Devices (z.b. in der Nanotechnologie) VirtLab DK VirtLab - E TEM - UK SEM - D offenes Framework für Komponenten komplexer Experimente, vernetzt durch Web Services und Semantic Web Technologien technologische Integration inhaltliche Integration

29 IV Das Medienzentrum MuLF Eine Übersicht TU Berlin

30 MuLF (Multimediazentrum für Lehre und Forschung) Status: running Ziel: Koordination und Entwicklung von elearning, eteachung & eresearch (eltr-technologien) an der TU Berlin Information, Koordination, Verstetigung, Schulung, Demo-Labore Projekttyp: Kompetenzzentrum an der TU Berlin, Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften Konzeption: Thomsen/Jeschke/Seiler/Morgner Leitung: Jeschke/Thomsen Finanzvolumen: 0.3 Mio pro Jahr + Hörsaalausstattung Finanzierung durch: TU Förderzeitraum: zunächst 1/ /2007 (Evaluierungszeitraum, 3 Jahre)

31 MuLF Struktur Service & Dienstleistungen Forschung, Entwicklung & Lehre Information Entwicklung Koordination Integration Beratung Schulung TU-Medienzentrum für Lehre & Forschung econtent MM-Forschung Testlabor PR MM-Lehre Drittmittel Indust.-Koop. Organisation & Management

32 Genesis Ziel: Konzeption und Realisation gendersensitiver Nutzungsszenarien in elearning-, eteaching- und eresearch-umgebungen Schulung von Dozenten im Einsatz gendersensitiver Multimedia-Materialien und Einsatzszenarien Projekttyp: Projekt an der TU Berlin, Institut für Mathematik Konzeption & Leitung: Jeschke/Seiler Fördervolumen: 0.85 Mio (gesamt) Fördereinrichtung: ESF (Europäischer Sozialfonds) Förderzeitraum: (Gendersensitive Virtuelle Wissensräume für Mathematik & Naturwissenschaften) 01/ /2007 (3 Jahre) Status: running

33 BeLearning Ziel: Erweiterung der Standards für barrierefreien Zugang zu Virtuellen Wissensräumen Konzeption von Lernumgebungen für Menschen mit Handicaps Schulung von Dozenten zur Entwicklung barrierefreier Multimedia-Materialien und deren Einsatz im Unterricht Projekttyp: Projekt an der TU Berlin, Institut für Mathematik Fördervolumen: 0.75 Mio (gesamt) Fördereinrichtung: ESF (Europäischer Sozialfonds) Förderzeitraum: 10/ /2007 (3 Jahre) (Barrierefreies elearning in Status: running Natur- & Ingenieurwissenschaften)

34 MOSES (Mobile Service for Students - NotebookUniversity) Ziel: Entwicklung mobiler Lernszenarien für Mathematik, Natur- & Ingenieurwissenschaften Ausbau der Infrastruktur für NotebookUniversities (insb. WLAN) Hörsaalausstattung mit neuen Technologien (ekreide, Smartboards) Projekttyp: Fakultätsübergreifendes Projekt an der TU Berlin Antragstellung: Jeschke/Oeverdieck/Zorn; Sprecher: Steinbach; Projektleiter: Seiler/Thomsen Fördervolumen: 1.1 Mio (gesamt) Fördereinrichtung: BMBF, Programm NotebookUniversity Förderzeitraum: Status: finished 07/ /2004 (1½ Jahre + Verlängerung)

35 Nemesis (New Media Support & Infrastructure) Ziel: Verstetigung ReUsability Integration von elearning an der TU Berlin Koordination und Kooperation der einzelnen elearning-initiativen der TU Projekttyp: Fakultätsübergreifendes Projekt an der TU Berlin Antragstellung: Thomsen/Jeschke; Sprecher: Thomsen, Vize: Jeschke, Seiler Fak. I: Hendricks, Fak. II: Seiler, Thomsen, Fak. III: Müller, Fak. VI: Rückert, IBI, PRZ, UB, ZEK Fördervolumen: 1.7 Mio (gesamt) Fördereinrichtung: BMBF, Programm elearning Integration Förderzeitraum: 07/ /2008 (3 Jahre) Status: running

36 Ceres (Classroom elearning & eresearch Support) Ziel: Ausbau der technologischen Infrastruktur für mobiles Lernen an der TU Berlin Einsatz mobiler Classroom-Technologie Einsatz von Tablet-PCs in der Physik- und Mathematikausbildung Projekttyp: HP Technology for Teaching, 2005 University Grants Program Antragstellung: Jeschke/Piens Leitung: Jeschke/Thomsen Fördervolumen: Sachspenden in Höhe von 50 T (einmalig) Fördereinrichtung/Sponsor: HP USA Förderzeitraum: 08/ /2006 (1 Jahr) Status: running

37 Projekteinbettung - MuLFs Projekte bewilligt in Vorbereitung/ Bezugachtung eresearch koop. Wissenssysteme koop. verteilte Experimente Technologiedesign & Testbeds ecluster-organisation escience PrePrint Server Lizenzserver Digital Library Gridcomputing Mumie/JEM Genesis zusätzlich: Members PolySkript NanoLab elearning BeLearning Moses Lernportale für neue Wissensvermittlungsmodelle Experimentierumgebungen kooperative Wissensräume Übungsumgebungen eprüfungen (Fachprüfungen) Nemesis Ceres Scripta eadmin(stud) Plattformen für Studienorganisationsmanagement Immatrikulation & Rückmeldung Tutorienseinteilung Prüfungsverwaltung Studienzugangs- & Eignungstests einfo Plattformen für universitäres Informationsmanagement, Intranet, Zentralaccount (single sign on) TU im Internet, fach- und zielgruppenorientiert Hörsaalausstattung, Laptopfinanzierungskonzepte, Ausbildung mit CAS,...

38 The End! TU Berlin

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