Institut für Multimediale und Interaktive Systeme

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1 Institut für Multimediale und Interaktive Systeme Interdisziplinäre Frschung und Lehre im Bereich der interaktiven Medien Michael Herczeg Das Institut für Multimediale und Interaktive Systeme (IMIS) ist ein Institut der Technisch- Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Lübeck. Die Frschungsarbeiten swie die Lehrangebte (Medieninfrmatik) knzentrieren sich darauf, wie Kmmunikatin und Interaktin vn Menschen mit und über digitale Medien erflgt. Daraus resultieren Fragen, die sich mit den Schnittstellen zwischen Mensch, Technik und den einbettenden gesellschaftlichen und szialen Strukturen ergeben. Diese Fragen werden aktuell in die flgenden Frschungsbereiche am Institut abgebildet: Sftware-Ergnmie und Usability-Engineering zur Herstellung anwendungs- und menschengerechter Cmputersysteme vr allem im Bereich der Arbeit digitale Infrmatins- und Lernräume für Bildungsprzesse physikalische und digitale Räume und ihre Verknüpfung virtuelle Gemeinschaften und digitale Kperatinsräume emtinale Cmputersysteme und Experience-Design für erlebnisrientierte Mensch- Cmputer-Systeme sicherheitskritische Mensch-Maschine-Systeme wie Fahrzeuge und verfahrens- und energietechnische Anlagen Sftware-Ergnmie und Usability-Engineering Interaktive Cmputersysteme erlauben über ihre Benutzungsschnittstellen den Zugriff auf digitale und physikalische Ressurcen und Funktinen. Der Cmputer kann dabei je nach Anwendungsgebiet und Zielgruppe verschiedene Frmen bzw. Rllen annehmen, wie zum Beispiel Werkzeug, Assistent, Medium der Virtuelle Realität. Die benutzer- und anwendungsgerechte Gestaltung vn Benutzungsschnittstellen unter Berücksichtigung dieser Erscheinungsfrmen swie der Fähigkeiten, Erwartungen und Kntexte der Benutzer ist entscheidend für die effektive, effiziente und zufrieden stellende Nutzbarkeit der Systeme. Die Sftware-Ergnmie liefert hierzu Therien, Kriterien und Mdelle für interaktive Systeme. Sie bedient sich wahrnehmungs- und kgnitinspsychlgischer Erkenntnisse und schafft damit die Grundlage Cmputersysteme an ihre Benutzer anzupassen. Dies reicht bis zu Knzepten intelligenter Benutzungsschnittstellen, die durch maschinelle Wissensrepräsentatin (Künstliche Intelligenz) versuchen, Benutzer und ihre Kntexte zu mdellieren, um sich s unterstützend wie möglich verhalten zu können. Im Rahmen vn Usability-Engineering werden benutzerzentrierte Entwicklungsprzesse definiert, die es erlauben, interaktive Anwendungssysteme in systematischer und qualitätsgesicherter Weise nach sftware-ergnmischen Kriterien zu entwickeln. 1

2 Die Frschungsziele des IMIS in Bereich der Sftware-Ergnmie und des Usability- Engineering sind Weiterentwicklung vn Therien und Mdellbildungen für die Mensch-Cmputer- Kmmunikatin und Mensch-Cmputer-Interaktin zur verbesserten Analyse und Gestaltung multimedialer und interaktiver Anwendungssysteme, Entwicklungsprzesse für benutzer- und aufgabengerechte multimediale und interaktive Anwendungssysteme, Methden und Werkzeuge zur Unterstützung przessrientierter Systementwicklung, insbesndere Analyse- und Design-Repsitrien, werkzeugbasierte Benutzermdellierung als Grundlage für Analyse und Gestaltung benutzergerechter Systeme swie für die Adaptin vn Systemen an ihre Benutzer zur Systemlaufzeit swie intelligente Benutzungsschnittstellen mit explizit repräsentiertem Wissen über Benutzer, Kntexte und Systemfunktinalität für verbesserte Unterstützung der Benutzer. Das IMIS und seine Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind Mitbegründer der Fachgebiete Sftware-Ergnmie und Usability-Engineering. Es werden seit Jahren private und öffentliche Institutinen in der Entwicklung und Anwendung multimedialer und interaktiver Systeme in ihren Anwendungsbereichen wie beispielsweise kaufmännischer DV, CAD/CAE, Telekmmunikatin, Medizin und Kernkraft beraten. Auf der Sftware-Ergnmie und ihrer Theriebildungen gründen sich die meisten anderen Aktivitäten des IMIS: Wichtige Aspekte der Mensch-Cmputer-Kmmunikatin und Interaktin seitens Mensch und Cmputer lassen sich mit dem am IMIS entwickelten 6-Ebenen-Mdell der Mensch-Cmputer-Kmmunikatin beschreiben. Wichtige Elemente sind verschiedene Abstraktinsebenen der Interaktin hinsichtlich Handlung swie Wahrnehmung, mentale Mdelle, Antizipatin und Handlungsregulatin. Für die Knstruktin vn Benutzungsschnittstellen wurde ein Knstruktinsmdell für multimediale und interaktive Systeme entwickelt, das mehrstufig vn Kmmunikatinsparadigmen über Dialgparadigmen und Interaktinsfrmen bis hin zur zeichenbasierten und damit semitischen Infrmatinscdierung reicht und damit psychlgische, technische und kulturelle Aspekte verbindet. Für das Usability-Engineering wurden Analyse- und Designmdelle entwickelt, die werkzeug- und datenbankgestützt mit Hilfe des am IMIS entwickelten Werkzeug XMendeL den Entwicklungsprzess begleiten und dabei helfen, Designentscheidungen infrmiert zu treffen swie die Systeme bezgen auf Anfrderungen (Requirements) zu evaluieren. Im Rahmen der Ergnmiefrschung hat das IMIS als eines der ersten Institute ein umfassendes Ergnmiekriteriensystem für E-Learning entwickelt. Eine wesentliche Erweiterung des Ergnmiebegriffes entsteht durch einen weiter in die physikalische Welt hineinreichenden Interaktinsbegriff, der neben semantisch geprägter symblischer Kmmunikatin und metaphrischer Interaktin auch ästhetische Interpretatinen und weitergehende körperlich-immersive Interaktinen berücksichtigt. Dabei werden die physikalische und digitale Welt in Frm vn Mixed-Reality-Räumen verbunden. Hierfür werden neue Mdelle und Systembeispiele geschaffen, die jedch in engem Bezug zu den Befunden der Frschung zur Raumkgnitin stehen. Die klassische Ergnmiefrschung bezieht sich auf autnme Arbeitsplätze. Sbald durch Netzwerke Kmmunikatin und Kperatin praktiziert wird, entstehen unterschiedlichste 2

3 Frmen lse der eng gekppelter virtueller Gemeinschaften, bei denen neben den individuellen Arbeitsbedingungen auch identitätsbildende, sziale und arbeitsteilige Przesse eine entscheidende Rlle spielen. Über Analyse und Knstruktin vn Arbeitssystemen hinaus, entwickelt das IMIS auch Kriteriensysteme für emtinale und erlebnisrientierte multimediale und interaktive Anwendungssysteme. Ein Extrempunkt der Mensch-Cmputer-Systeme findet sich im Bereich der sicherheitskritischen Anwendungen. S werden seit Jahren Unternehmen in den Anwendungsfeldern Luftfahrt, Schifffahrt und Kerntechnik bei der Gestaltung vn Przessführungssystemen und der rganisatrischen Betriebsführung beraten. Infrmatins- und Lernräume Cmputerunterstütztes Lehren und Lernen, auch E-Learning genannt, blickt auf eine fast 40- jährige Geschichte mit unterschiedlichen technlgischen und gestalterischen Vraussetzungen hinsichtlich der jeweils verwendeten Lehr- und Lernmedien zurück. Gegenwärtig werden die Gestaltungsanfrderungen an cmputerunterstütztes Lehren und Lernen vr allem durch zwei Entwicklungen geprägt. Zum einen durch die hetergenen Anfrderungen und Bedingungen des lebenslangen Lernen und zum anderen durch die Entwicklung multimedialer Systeme und leistungsfähiger Kmmunikatinsnetze. S sind insbesndere in den letzten Jahren wichtige rganisatrische und technlgische Grundlagen für neue Lehrund Lernfrmen geschaffen wrden (z.b. Teleseminare, multimediale Vrlesungen, verteilte Vrlesungen, web-basiertes Lernen, cmputerunterstütztes kperatives Lernen). Die unter den gegenwärtigen technlgischen Möglichkeiten entstandenen neuen Lehr- und Lernfrmen müssen durch geeignete didaktisch-pädaggische Knzepte und durch ergnmisch-gestalterische Knzepte untermauert werden. Grundlagen hierfür werden beim Aufbau interaktiver, multimedialer Lehr- und Lernumgebungen für das multimediale Fernstudium geschaffen. Darüber hinaus wird an der Entwicklung und Bereitstellung geeignet aufbereiteter Lehr- und Lernmaterialien in multiperspektivisch erschließbaren Wissensarchiven gearbeitet, die eine wichtige Vraussetzung für die Unterstützung verteilter Lerngruppen darstellen. Frschungsthemen des IMIS Bereich E-Learning sind: neue Methden des Instruktinsdesigns Entwicklungsprzesse für E-Learning Evaluatin und Qualitätssicherungsmaßnahmen für E-Learning-Systeme Das IMIS gestaltet und entwickelt seit mehreren Jahren E-Learning-Anwendungen. Dabei entstehen u.a. Fernstudiengänge, Beratungsangebte und Mdelle zum Blended-Learning, der wirkungsvllen Mischung vn Präsenzlehre und internet-basierten Lernangebten. Im Rahmen der Entwicklung vn E-Learning-Anwendungen wurden Entwicklungsprzesse für E-Learning-Anwendungen definiert und angewandt. Dabei sind Werkzeuge und Qualitätssicherungssysteme entstanden, die vn anderen Institutinen übernmmen und ebenfalls erflgreich eingesetzt wurden. Die größten Prjekte, an denen das IMIS maßgeblich beteiligt war, sind die BMBF-Prjekte Bundesleitprjekt Virtuelle Fachhchschule VFH mit insgesamt über alle Kperatinspartner über 150 Entwicklern, Medin (Fernstudium Medizinische Infrmatik) und WissPr (Prjektrientiertes Infrmatikstudium). Im Bereich des Instruktinsdesigns werden altbekannte und erflgreiche Methden der Narratin (Geschichtenerzählen) und Dramaturgie auf E-Learning-Systeme übertragen und in Frm des Digital Strytellings instrumentalisiert. 3

4 Physikalische und Digital Räume In unserer täglichen Welt vermischen sich zunehmend physikalische und digitale Systeme und damit reale und virtuelle Welten. In vielen Fällen wird der Unterschied kaum nch wahrgenmmen, während in anderen Fällen tiefe Gräben zwischen diesen Welten liegen. Künftige digitale Systeme müssen auf die physischen und psychischen Fähigkeiten ihrer Benutzer abgestimmte Erscheinungsfrmen und Anbindungen an die Welt ihrer Benutzer aufweisen. Unter dem Mtt Cnnecting Bits t Atms drückt sich die Visin einer tief gegründeten und eng verknüpften Beziehung unserer bisherigen physikalischen Welt mit der neuen digitalen Welt in Frm s genannte Tangible Media aus Frschung und Technlgien stehen hier nch ganz am Anfang einer beliebig weitreichenden neuen Welt, für die auch eine völlig neue Medienkmpetenz für Entwickler und Anwender geschaffen werden muss. Mixed, Augmented und Virtual Realities beschreiben verschiedene Frmen der Mischung aus physikalischer und digitaler Welt. Die Bezeichnungen sind dabei phänmenlgisch aus Sicht der Benutzer zu begreifen und nicht etwa aus Sicht der verwendeten Technlgien. Frschungsthemen des IMIS in der Verknüpfung aus physischer und digitaler Welt sind Therien und Mdellbildungen für eng verzahnte physische und virtuelle Realitäten, individuelle, sziale und gesellschaftliche Wahrnehmungen, Verhaltensweisen und Kultivierungen vn digitalen virtuellen Räumen, Objekten und Subjekten (Avatare, Virtual Humans), Verknüpfung und gegenseitige Abbildung physikalischer und digitaler Realitäten (Tangible Media, Mixed Reality, Augmented Reality) swie neue Frmen der Medienkmpetenz bei Kindern und Erwachsenen für die Nutzung und Gestaltung gemischter physischer und virtueller Räume. Das IMIS führt seit 2001 Frschungsprjekte im Bereich des Lehrens und Lernens im Bereich der Mixed- und Virtual Realities durch. Im Rahmen des BLK-Frschungsprjektes ArtDeCm wurden im Zeitraum Unterrichtsmdelle entwickelt, um das Gebiet im fachübergreifenden Schulunterricht zu vermitteln. Das Prjekt findet im Zeitraum vn seine Frtsetzung im Prjekt KiMM (Kids in Media and Mtin), bei dem die Unterrichtsmdelle in den regulären Schulbetrieb Lübecker und Flensburger Schulen übergeführt werden sllen. Das IMIS entwickelt im Rahmen dieser Prjekte in Schulen Mixed-Reality-Anwendungen zusammen mit Schülern und Lehrern und erprbt diese im schulischen Kntext. Dabei hat sich die besndere Bedeutung vn Mixed Reality und Prgrammierung vn Medien für naive Benutzer vn Cmputersystemen (z.b. Kinder ab 6 Jahre) gezeigt. Das enge Zusammenspiel vn Physikalität, Körperlichkeit, Ästhetik und prgrammierter digitaler Virtualität zeigt sich nicht nur als zukunftsrientiertes Gestaltungsknzept sndern muss als Grundlage einer wirkungsvlleren und natürlicheren Mensch-Cmputer-Beziehung angesehen werden. Dieses sehr grundlegende Mdell wird vm IMIS auch zum Rahmen für die Vermittlung vn infrmatischen und ästhetischen Bildungsinhalten erhben und in Schule und Hchschule vermittelt. In Frm vn künstlerischen Tangible-Media-Anwendungen wird im IMIS das Ptenzial vn Mixed-Reality-Anwendungen weiter ausgeltet. Dabei werden verschiedene statische und zeitbasierte Medien durch Prgrammierung gesteuert und mit der physischen Umgebung verknüpft. 4

5 Virtuelle Gemeinschaften und Kperatinsräume Durch die allgemeine Verfügbarkeit vn vernetzten Cmputersystemen besteht die Möglichkeit zur zeitlich und räumlich flexiblen Frm der Kmmunikatin, Krdinatin und Kperatin. Dies findet in vielfältiger Frm im Rahmen vn Arbeit, Bildung und Freizeit statt. Dabei entstehen mehr der weniger ffene sziale Strukturen, in denen Menschen gemeinsam arbeiten, lernen der spielen. Diese virtuellen Gemeinschaften und ihre digitalen Kmmunikatinsmittel sind ein Ausdruck neuer szialer Mdelle einer zunehmend glbalisierten Gesellschaft. Die Kmmunikatinsplattfrmen erlauben synchrne und asynchrne Kmmunikatin jenseits bekannter räumlicher und zeitlicher Begrenzungen. Die Auswirkungen virtueller Gemeinschaften ergänzend der im Ersatz zu lkalen Gemeinschaften verändern die Gesellschaft in vielfältiger Hinsicht. Dies reicht vn gravierenden wirtschaftlichen Auswirkungen bis hin ethischen Fragen grenzenlser und unkntrllierbarer Kmmunikatin. Die Entwicklung der Kmmunikatinsplattfrmen und Scialware setzt ein tiefes Verständnis szialer und rganisatrischer Przesse vraus. Frschungsthemen des IMIS sind hierbei vr allem Randbedingungen für das Entstehen und Auflösen vn wirkungsvllen Virtuellen Gemeinschaften, Gestaltung vn Kperatinssystemen, Kperatinsräumen und Scialware, Grup Awareness (Gewahrsein vn Gruppenmitgliedern im virtuelle Raum) swie gesellschaftliche Flgen glbaler virtueller Gemeinschaften. In mehreren Prjekten entwickelt das IMIS Kperatinsplattfrmen und Kperatinsanwendungen. Dabei werden insbesndere hinsichtlich ihrer Strukturiertheit ffene Cmmunities betrachtet, die sich laufend neu definieren und verändern und daher auch flexible Plattfrmen für ihre Kmmunikatin und Zusammenarbeit benötigen. Zu diesem Zweck sind Kmmunikatins- und Kperatinssysteme mdelliert und entwickelt wrden, die in verschiedenen Kperatinssituatinen eingesetzt und erprbt wurden. S wurde im Bereich der Druck- und Medienindustrie in Zusammenarbeit mit der Telekmmunikatinsindustrie eine ffene Kperatinsplattfrm für Prduktinsketten mit mehreren Unternehmen erprbt. Emtinale Cmputersysteme und Experience-Design In vielen Anwendungsbereichen interaktiver Cmputersysteme spielen zunehmend Mtivatinen und Emtinen eine entscheidende Rlle. Dies gilt nicht nur für Cmputerspiele sndern beispielsweise auch für E-Cmmerce-Systeme. Die Benutzungsschnittstellen emtinaler Cmputersysteme adressieren swhl durch entsprechende semitische und ästhetische Mdelle als auch durch das besndere Verhalten dieser Systeme mtivatins- und emtinsgesteuerte Wahrnehmungs- und Verhaltensmuster, die nicht ntwendigerweise bewusst sein müssen. Die Kmmunikatin verläuft dabei auf mehreren Kmmunikatinsebenen gleichzeitig. Die systematische Adressierung menschlicher Mtivatinen und Emtinen kann erfahrungsgemäß über das Erzählen vn Geschichten erflgen. Unter Verwendung kultur- und medienhistrischer dramaturgischer Mdelle, können Benutzer über definierte Zeiträume zur Auseinandersetzung mit Cmputeranwendungen mtiviert werden. Digital Strytelling versucht diese bekannten Methden auch für die Ablaufsteuerung vn Cmputeranwendungen einzusetzen. Experience-Design für multimediale und interaktive Systeme möchte die Aufmerksamkeit der Individuen lenken und binden. Um diese Anfrderung zu erfüllen, übernimmt Experience- Design flgende Funktinen: 5

6 es ist erlebnisrientiert und ermöglicht individuelle Erfahrung, es öffnet sich der Erwartungshaltung des Benutzers über die Grenzen des Prdukts der der Dienstleistung hinaus, es schafft die interpersnale Beziehungen des Vertrauens und der Privatheit, es vermeidet Steretypen durch Persnalisierung, es zielt auf den kmmunikativen und handlungsrientierten Beziehungsaspekt einer Identifikatin in und mit der jeweiligen Cmmunity, es mtiviert Benutzer zum kmmunikativen und öknmischen Handeln, es bietet unmittelbares Feedback und direkt manipulative Operatren, um den Erlebnisstrm (Flw) nicht abreißen zu lassen, und es leistet die Funktin einer intuitiv verständlichen und intelligent angelegten Navigatin. Um dieses Ziel einer wirkungsvllen Wissensvermittlung und Verhaltenssteuerung zu erreichen, stützen sich die erarbeiten Methden auf eine interdisziplinär angelegte Frschung. Zu den wissenschaftlichen Disziplinen gehören Ansätze und Erkenntnisse der pädaggisch gestützten Dramaturgie, der Aufmerksamkeitsöknmie, der Narratin, der Wahrnehmungspsychlgie, des Spielens swie des Scial-Designs. Frschungsthemen des IMIS in diesem Bereich sind dabei Definitinen, Kriterien, Methden, Wirkungen und Anwendungsbereiche vn Experience-Design, narrative Systeme (Digital-Strytelling), steuerbare synthetische Charaktere und Plts (Cinematic-Cmputing) und emtinale cmputerbasierte Verhaltensmdelle (Affective-Cmputing). Im Bereich Experience-Design arbeitet das IMIS an Analysen und Methden, hinsichtlich der intensivierten und mtivierenden Vermittlung multimedialer Inhalte. Das Ziel besteht darin, Infrmatinen s aufzubereiten, dass es Anwendern ermöglicht ist, sich mit multimedial angebten Inhalten anhaltend und wirkungsvll zu beschäftigen. Neue Methden des Digital-Strytellings sllen im Bereich E-Learning in Abhängigkeit vm Wissens, vn den Zielen und vn den Kntexten der Benutzer mdularisierte und semantisch ausgezeichnete Lernmdule in bedarfsrientierte und mtivierende Zusammenhänge verketten. Sicherheitskritische Mensch-Maschine-Systeme Sicherheitskritische Technlgien sind inzwischen vielfältig mit unserem täglichen Leben verwben. Kmplexe Transprtmittel, medizintechnische Systeme, Telekmmunikatinssysteme swie verfahrens- und energietechnische Anlagen bestimmen unser tägliches Leben. Diese Technlgien basieren zunehmend direkt der indirekt auf Cmputersysteme. Wir müssen davn ausgehen können, dass all diese Systeme mit den höchst möglichen Sicherheitsstandards betrieben werden und dass über die gesellschaftlich kmmunizierten und akzeptierten Restrisiken hinaus keine vermeidbaren weiteren Risiken entstehen. Dies setzt vraus, dass die bei Herstellern und Betreibern, Zulieferern und Entsrgern, Zulassungsstellen, Aufsichtsbehörden beteiligten Persnen, deren Organisatinsstrukturen swie drt eingesetzten Technlgien geeignete Randbedingungen erfüllen. Viele Störfälle und Unfälle zeigen, dass diese Erwartungen nicht immer erfüllt werden und in Frm vn fälschlicherweise s genanntem menschlichem der technischem Versagen die 6

7 erwarteten Sicherheitsniveaus unterschritten und damit erwartete Restrisiken überschritten werden. Frschungsthemen des IMIS in Bereich sicherheitskritischer Mensch-Maschine-Systeme sind: rganisatrische Strukturen und Przesse für die Entwicklung und den Betrieb sicherheitskritischer Systeme, Situatinal Awareness für Operateure, diagnstische Przesse und Handlungsstrukturen bei Anmalien und Störfällen, kperatives Prblemlösen bei Anmalien und Störfällen, Supervisry Cntrl und andere Frmen der Arbeitsteilung zwischen Mensch und Maschine swie intelligente Assistenzfunktinen. Das IMIS berät und begutachtet seit Jahren Unternehmen, die Technlgien im Bereich sicherheitskritischer Anwendungen entwickeln (z.b. Systemhersteller), einsetzen (z.b. Luftfahrtunternehmen) der überwachen (z.b. Aufsichtsbehörden). Dabei werden die Analysen, Knzepte und Gutachten im Kntext vn Mensch, Technik und Organisatin erarbeitet. In jüngster Zeit wurden Störfallanalysen und Gutachten zum Betreiberverhalten (Human Factrs) im Bereich der Kernkraft durchgeführt. In Bezug auf die Mdelle der Mensch-Technik-Interaktin werden Knzepte für die Führung kmplexer Przesse auf der Grundlage hierarchischer Przessmdellierung entwickelt. Hierbei sind Mdellierungen und Benutzungsschnittstellen in verschiedenen Anwendungsbereichen entstanden. Für die diagnstische Phase der Przessführung wurde ein Repsitry für die kllabrative Bearbeitung vn Systemanmalien und Störfällen mdelliert, das swhl cmputergestützt als auch in Ntfällen manuell angewandt werden kann. Zusammenfassend lässt sich auf Grund der genannten Frschungsarbeiten und damit verbundener Prjekte feststellen, dass das Thema der interaktiven Medien und der damit verbundenen Mensch-Cmputer-Systeme nur durch barrierefreie interdisziplinäre Frschungsarbeiten zu erfassen und zu entwickeln ist. Des Weiteren bilden wir zurzeit mehr als 250 Studierende im Schwerpunkt Medieninfrmatik aus, die sich in praktisch allen Bereichen der Wirtschaft und der öffentlichen Verwaltungen hher Nachfrage erfreuen. Für Frschung und Lehre in diesem Gebiet müssen sehr unterschiedliche wissenschaftliche Methden und Technlgien zusammengeführt und immer an den Bezugspunkten Mensch und Gesellschaft gemessen und bewertet werden. Eine vr allem technlgiegetriebene Entwicklung geht nicht nur an menschlichen Bedürfnissen vrbei, sie erzeugt auch ein falsches Menschenbild und daraufhin eine wenig erstrebenswerte Gesellschaft. 7