Kostengünstige multimediale Lernprogramme zum Chip-Entwurf

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1 Kostengünstige multimediale Lernprogramme zum Chip-Entwurf Vom Fachbereich für Mathematik und Informatik der Technischen Universität Braunschweig eingereichte Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) von Tamer Çatalkaya aus Istanbul Eingereicht am 14. Juli Referent: Prof. Dr. Ulrich Golze 2. Referent: Prof. Dr. Stefan Fischer

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3 Für meinen Vater.

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5 Vorwort Vorwort Diese Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Abteilung Entwurf integrierter Schaltungen (E.I.S.) der Technischen Universität Braunschweig. Sie ist das Ergebnis einer mehrjährigen kontinuierlichen Entwicklung, basierend auf der ständigen fachlichen Auseinandersetzung mit Kollegen und Studierenden. An dieser Stelle möchte ich mich bei all denen bedanken, die sowohl direkt als auch indirekt zu dem Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Mein ganz besonderer Dank gilt dabei Herrn Prof. Dr. Ulrich Golze für die Anregung des interessanten und vielseitigen Themas, die ausgezeichnete Betreuung während ihres gesamten Verlaufs, seine ständige Bereitschaft zu fachlichen Diskussionen und die Ideen die er mir gab. Herrn Prof. Dr. Stefan Fischer danke ich für die bereitwillige Übernahme des Koreferats. Meinen Kollegen Dr. Andreas Koch, Helge Böhme, Jürgen Hanken-Illjes, Niko Kasprzyk und Gerrit Telkamp danke ich für zahlreiche Anregungen und Hinweise in Gesprächen, technische Unterstützung und freundschaftlichen Rat. Für die Unterstützung bei den alltäglichen organisatorischen Arbeiten danke ich unserer Sekretärin Frau Susanne Neugebauer. Danken möchte ich außerdem den Studentinnen und Studenten, mit denen ich in den letzten Jahren zusammenarbeiten konnte, insbesondere Heiko Buchholz, Wolfgang Fietzke, Oliver Heister, Karsten Kamm, Guido Kirschbaum, Martin Krosche, Patric Mielke, Thilo Mücke, Björn Schulz und Markus Stöbe. Im Rahmen ihrer Praktikums-, Studien- und Diplomarbeiten haben sie mit großem Engagement wichtige Beiträge zu dieser Arbeit geleistet.

6 vi Vorwort Außerhalb dieser Arbeit gilt es noch vielen weiteren Menschen zu danken, besonders danke ich meinen Eltern für ihre Erziehung, ihre Liebe und die Fürsorge, mit der sie uns aufgezogen haben. Danken möchte ich auch meiner Frau Süheyla, die mir durch ihr Verständnis und ihre Geduld den nötigen Rückhalt gab. Meinen Geschwistern und meinem Schwager Levent danke ich für die vielen Dinge des Lebens, die sie für die Familie und mich taten. Meinen Freunden danke ich für ihre Anteilnahme. Den Mitgliedern des türkischen Studentenvereins an der TU Braunschweig (Braunschweig Türk Öğrenci Birliği B.T.Ö.B.) danke ich für eine sehr freundschaftliche gemeinsame Zeit.

7 Kurzfassung Kurzfassung Multimediale Lernprogramme (CBTs) bieten unbestrittene Vorteile wie Unabhängigkeit von Ort, Zeit und Tutor, Förderung der Motivation, leichte Distributierbarkeit sowie Verringerung von Aus- und Weiterbildungskosten. Allerdings kann die CBT-Eigenproduktion sehr zeitintensiv und teuer werden. Diese Arbeit plädiert gleichwohl für die Eigenproduktion an Hochschulen, insbesondere für technische Institute zum Chip-Entwurf mit beschränktem Etat. Es werden Wege für eine kostengünstige CBT-Produktion erforscht, insbesondere wird ein universell verwendbares Referenzmodell präsentiert. Es handelt sich um eine noch inhaltsfreie CBT-Schablone unter dem Autorensystem Authorware mit vollständiger Inhaltshierarchie und Navigation mit Unterstützung von Sprache, Animation, Text und Interaktion. Es wird ergänzt um didaktische, stilistische und technische Hinweise für CBT-Designer. Unter Low-Cost-Low-Time werden neben dem Referenzmodell auch die Prinzipien von Modularität, Standardisierung, Design-Reuse, Team-Entwicklung und studentischer Beteiligung zusammengefasst. Die Praxistauglichkeit unseres Low-Cost-Low-Time-Konzepts wird durch zahlreiche Musteranwendungen im Bereich des Chip-Entwurfs demonstriert, insbesondere zur Hardware-Beschreibungssprache VERILOG, zur Logiksynthese, zu Parallelität und Zeit und zu einem vollständigen kleinen Chip-Entwurf. Anhand eines Feldtests mit 57 Teilnehmern wird diese Praxistauglichkeit weiter belegt. Als Besonderheit bei Fächern mit ohnehin vorhandener CAD-Unterstützung wird eine Kopplung des Lernprogramms mit dem fachlichen CAD-Werkzeug demonstriert.

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9 Abstract Abstract Computer based training (CBT) has undisputed advantages such as independence of learning from time, place and teacher, increased motivation, ease of distribution, and reduction of training costs. Nevertheless, self produced CBTs can be highly expensive and time-consuming. This thesis, however, is pleading for self-produced CBTs at universities, particularly for technical institutions with limited budgets. Therefore, low-cost lowtime CBT production is investigated, and the universally applicable reference model is presented. The reference model is a kind of template for CBT production, developed with Authorware. It gives functions supporting navigation, text, speech, and interaction. This reference model is augmented by didactical, stylistic and technical advice for CBT designers. The low-cost low-time production concept includes principals for modularity, standardization, design reuse, teamwork, and the participation of students in the development process. The reference model and its concept is demonstrated by many example CBTs within the area of chip design, it is in particular used to teach the hardware description language VERILOG, the logic synthesis, parallelism and time concepts, and for demonstration of a complete chip design flow. The practical orientation of the reference model is evaluated within a test by 57 participating students. As a distinctiveness, integration of CAD tools into CBTs is demonstrated.

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11 Inhalt Inhalt VORWORT...V KURZFASSUNG...VII ABSTRACT... IX INHALT... XI 1 EINLEITUNG BETRACHTUNGEN ZUM MODERNEN LERNEN ZEICHEN FÜR DEN BEDARF AN NEUEN LEHR- UND LERNFORMEN Anzeichen im wirtschaftlichen Umfeld Anzeichen im Umfeld der Hochschulen DIE ROLLE DER HOCHSCHULEN IN DER ZUKUNFT BETREUENDE TUTOREN IN DER ZUKUNFT E-LEARNING IN DER VLSI-AUSBILDUNG Entwurf digitaler Schaltungen E-Learning im Chip-Entwurf CBT-ENTWICKLUNG MIT LOW-COST-LOW-TIME EIGENENTWICKLUNG VON CBTS Nachteile der CBT-Eigenentwicklung Vorteile der CBT-Eigenentwicklung Notwendigkeit der CBT-Eigenentwicklung im Chip-Entwurf KLASSIFIZIERUNG VON LERNPROGRAMMEN Attribute Lerntheorien Methodische Grundtypen LOW-COST-LOW-TIME-PRODUKTIONEN IM UNIVERSITÄREN UMFELD Autorensysteme Bild- und Grafik-Bibliotheken Modularität Studenten entwickeln für Studenten Reuse von klassischen Lehrmaterialien DIDAKTISCHE KONZEPTE FÜR CBTS IM CHIP-ENTWURF Integration von CAD-Werkzeugen ins CBT CBT als virtueller Tutor Ansprechen von auditiv und visuell orientierten Lernern...34

12 xii Inhalt 3.5 LOW-COST-LOW-TIME-PRODUKTION AN DER ABTEILUNG E.I.S Autorensystem Authorware Standardisierung Design-Reuse und modularer Aufbau von CBTs Multimediale Lehre zur Einarbeitung ins Referenzmodell Lernen durch Lehren Eingesetzte Lerntheorien und methodische Grundtypen DAS REFERENZMODELL FÜR MULTIMEDIALE LERNPROGRAMME GRUNDLAGEN ZUM REFERENZMODELL Anforderungen Zielgruppen Voraussetzungen Komponenten Design-Empfehlungen Einsatz KONZEPTION DES REFERENZMODELLS Lernprogrammstruktur Module Modularität Modulaufbau Präsentationsfenster Navigation Hauptmenü Textfenster ZEITERSPARNIS BEIM CBT-ENTWURF DAS PROGRAMM DES REFERENZMODELLS PROGRAMMIEREN IN AUTHORWARE Programmierebenen Lineare und parallele Abläufe Funktionen, Variablen und Skriptsprache Programmieren in Authorware und dem RSK ERLÄUTERUNGEN ZUM RSK-PROGRAMM-CODE Aufbau des RSK-Programm-Codes Pause-Taste Skip-Taste Textfenster Automatischer Aufbau des Inhaltsverzeichnis Koppeln von Modulen zu Lernsystemen Lesezeichen Austauschverzeichnis DAS MULTIMEDIALE LERNSYSTEM VERIBOX VERIBOX UND ASSOZIIERTE LERNPROGRAMME VERILIOGisch eine Einführung in die HDL VERILOG Parallelität und Zeit Illusion FPGA-Entwurf eines Display-Controllers Logiksynthese Zur VeriBox assoziierte Lernprogramme CHIP- UND SYSTEM-ENTWURF Abstraktionsebenen im Chip-Entwurf Verhalten und Struktur EDA-Tools Synthese Simulation Parallelität und Zeit Tests...92

13 xiii Entwurfsstile Hardware-Software-Codesign FELDTEST ZUR LOGIKSYNTHESE DER VERIBOX Aufbau Durchführung Prognose Ergebnis ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK A B IMPLEMENTIERUNG DES RSK A.1 RSK-PROGRAMM-CODE A.1.1 Initialisierung A.1.2 Inhaltsverzeichnis und Login A.1.3 Hauptmenü A.1.4 Abschnitte A.2 HISTORY-APPLIKATION A.3 LESEZEICHEN-APPLIKATION A.4 COPYRIGHT-MECHANISMEN FELDTEST ZUR EVALUIERUNG B.1 AUSGETEILTE UNTERLAGEN B.1.1 Informationsbogen B.1.2 Zeiterfassungsbogen B.1.3 Fragebogen Klasse A B.1.4 Fragebogen Klasse B B.1.5 Fragebogen Klasse C B.1.6 Testklausur B.2 ERGEBNISSE DER TESTKLAUSUR B.3 AUSWERTUNG DER FRAGEBÖGEN B.3.1 Ankreuzfragen B.3.2 Auszufüllende Antworten B.4 ZUSAMMENFASSUNG LITERATUR INTERNET-SEITEN, CBT- UND DATEI-REFERENZEN LEBENSLAUF INDEX...153

14 xiv Inhalt

15 1 Einleitung Einleitung Die virtuelle Lehre reißt Löcher in die Uni-Kassen betitelt soeben die Computer Zeitung vom 30. Juni 2003, und weiter: Ohne Subventionen von Staat oder Land können mediengestützte Studiengänge kaum überleben. [ ] Die Investitionen rechnen sich nicht, Entwicklung und Betreibung sind teuer und aufwändig. Genau aus diesen Gründen erforschen wir in der vorliegenden Arbeit eine kostengünstige Produktion multimedialer Lernprogramme. E-Learning lässt hoffen, künftig Wissen On-Demand und unabhängig von Zeit, Ort und Tutoren verfügbar zu machen. Mit multimedialen Methoden wird Wissen anders als auf die klassische Art vermittelt durch die Kombination von Bild, Ton, Animation, Film, Sprache und Text zur Präsentation, Interaktion und Kopplung der Lernprogramme mit der realen Welt oder in vielen technischen Bereichen auch mit ihrer Simulation und anderer CAD-Software. Die Produkton von Lernprogrammen ist kostenintensiv, weil unter anderem viel manuelle Arbeit in der Produktion steckt und Standards fehlen. Bild 1.1 zeigt einen allgemeinen Design-Flow zur Entwicklung von Lernprogrammen. Häufig wird zunächst ein Konzept aufgestellt für das Lernprogramm und das zu vermittelnde Bild 1.1 Lernprogramm-Design-Flow Wissen. Daraus werden ein Drehbuch abgeleitet und die Spezifikation der Assets genannten multimedialen Komponenten eines Lernprogramms. Nach den Vorgaben des Drehbuchs werden die Assets dann produziert. Je nach Asset-Typ (Bild, Ton, Animation, Film etc.) kann die Produktion sehr zeitaufwändig und teuer werden. Schließlich werden die Assets und das Material zum fertigen Lernprogramm zusammengefügt, was wiederum viel Zeit kostet, abhängig vom Interaktionsgrad. Typischerweise wird ein Autorensystem verwendet

16 2 Kapitel 1. Einleitung zur Entwicklung interaktiver multimedialer Anwendungen. Da Lernprogramme keinem globalen Standard unterliegen, können die Konzepte beliebig stark voneinander abweichen. Ein Design-Reuse ist daher zunächst kaum möglich. In dieser Arbeit werden Regeln zur kostengünstigen und standardisierten Produktion von Lernprogrammen vorgestellt. Praktisch wird ein Referenzmodell entwickelt als Standardschablone für die Produktion. Es unterstützt auch die modulare Kopplung mehrerer Lernprogrammen zu Lernsystemen. Very Large Scale Integration oder kurz VLSI steht für die Höchstintegration von Schaltkreisen mit bis zu einer Milliarde Transistoren pro Chip. Alle Schritte zum Entwurf solch komplexer Chips werden heute an Computern durch die Anwendung spezieller, hochkomplexer CAD-Software ausgeführt, mit einem Lizenzwert von bis zu Euro. In der Lehre muss zum einen der Umgang mit diesen wertvollen Software-Werkzeugen vermittelt werden, zum anderen natürlich das Grundlagenwissen zu den Abläufen, Methoden, Techniken, Regeln und Empfehlungen. Für beide Felder, die Grundlagen und die Praxis, kann der ergänzende Einsatz multimedialer Lehre Kosteneinsparungen und Qualitätssteigerung bringen. Zum Beispiel können Studierende mit Lernprogrammen das Arbeiten mit den Chip- Entwurfswerkzeugen schneller, selbständiger und kostengünstiger erlernen. Den CAD- Werkzeugen zugrunde liegende Algorithmen und Prinzipien können durch animierte und interaktive Methoden anschaulicher als bisher vermittelt werden. Die Arbeit beginnt in Kapitel 2 mit Betrachtungen zum modernen Lernen. Es werden Entwicklungen sowohl im wirtschaftlichen als auch im universitären Umfeld aufgezeigt. Schließlich wird die Integration von E-Learning in die VLSI-Ausbildung diskutiert. Der Hauptteil der Arbeit besteht aus den folgenden vier Kapiteln. Kapitel 3 beginnt mit der Analyse von Vor- und Nachteilen von Eigenentwicklungen von Lernprogrammen im Gegensatz zu kommerziell verfügbaren oder in Auftragsproduktion entstandenen Lernprogrammen. Abschnitt 3.2 gibt einen Einblick in die Klassifizierung von Lernprogrammen nach Attributen, Lerntheorien und methodischen Grundtypen. Abschnitt 3.3 stellt zunächst unser Konzept zur kostengünstigen Produktion vor. Die Abschnitte 3.4 und 3.5 zeigen die von uns zum Chip-Entwurf umgesetzten Schritte des Konzepts aus Abschnitt 3.3. Im 4. Kapitel stellen wir das von uns entwickelte Referenzmodell für multimediale Lernprogramme vor, zunächst seine Spezifikation unterteilt nach Anforderungen, Zielgruppen, Voraussetzungen, Komponenten, Design-Empfehlungen und sein praktischer Einsatz. In Abschnitt 4.2 folgen Einzelheiten zur Umsetzung der Spezifikation. Der letzte Abschnitt 4.3 diskutiert kurz die mit dem Referenzmodell mögliche Zeitersparnis. Das 5. Kapitel baut auf dem 4. auf und erläutert die praktische Umsetzung des Referenzmodells mit Authorware. Dazu werden zunächst einige wesentliche, zum

17 Verständnis notwendige Details der Authorware-Programmierung erklärt und darauf aufbauend ausgewählte Details der Implementierung des Referenzmodells. Weitere Details sind im Anhang A dargestellt. Die praktische Anwendung des Referenzmodells beim Aufbau des Lernsystems VeriBox zum VLSI-Entwurf wird in Kapitel 6 dargestellt. In Abschnitt 6.1 werden die Module der VeriBox und weitere Lernprogramme vorgestellt. Abschnitt 6.2 gibt einen kompakten Überblick zu wesentlichem Wissen des Chip- und System-Entwurfs wieder und die Verzahnung und Umsetzung durch die VeriBox. Der letzte Abschnitt im Kapitel 6 stellt einen Feldtest zur Evaluierung eines unserer Lernprogramme auf der Basis des Referenzmodells vor. Alle Materialien und Ergebnisse zum Feldtest finden sich in Anhang B. 3

18 4 Kapitel 1. Einleitung

19 2 Betrachtungen zum modernen Lernen Betrachtungen zum modernen Lernen Lernen und Lehren verändern sich im Wandel von der Industriegesellschaft zur Informationsgesellschaft. Es sind sowohl technische als auch strukturelle Veränderungen, die die klassische Lehre in Frage stellen. Im folgenden werden zunächst Zeichen im Bereich der Wirtschaft, dann der Hochschulen aufgezeigt. Ganz wesentlich ist auch das veränderte Engagement der Lernenden, als Reflex auf Anforderungen der Neuzeit, vom Vorratslernen hin zum lebenslangen Lernen. Weiterführend werden Hochschullehrer als Teil des Hochschulsystems in diese Betrachtungen einbezogen. Über die Rolle der Tutoren lassen sich Veränderungen an den Hochschulen definieren. Schließlich folgt im Speziellen eine Betrachtung der Ausbildung zum Chip-Entwurf hinsichtlich des Lernens mit neuen Medien. 2.1 Zeichen für den Bedarf an neuen Lehr- und Lernformen Der Siegeszug des Personal Computers hat den Wandel zur Informationsgesellschaft forciert. Durch die kontinuierlich rasante Entwicklung der Computertechnik und vornehmlich der integrierten Schaltungen fanden die modernen Kommunikationswerkzeuge der Informationsgesellschaft Einzug ins Leben. Heute sind im Vergleich zu Mio. Mal mehr Speicherzellen auf einem Chip, Speicherzellen 4 Mio. Mal günstiger, 100 Mal feinere Strukturen auf den Chips und über Mal mehr Transistoren integriert, die Mal schneller schalten können [Infi02, S.2] schufen die Entwicklungen HTML, URL und HTTP eine weitere Revolution. Das Internet entstand als ein Instrument der akademischen Forschung, entwickelte sich jedoch schnell ausserhalb der Wissenschaft zu einem der einflussreichsten Kommunikationsmedien und zu einer wirtschaftlichen Triebfeder unserer Zeit. Die soziale und ökonomische Bedeutung des Internets ist vergleichbar mit der Industriellen Revolution oder der Erfindung von Telefon und Fernsehen [Booz00, S.6].

20 6 Kapitel 2. Betrachtungen zum modernen Lernen Die oben beschriebenen Entwicklungen sind mit Auslöser der Prozesse, die die Entwicklung von der Industrie- zur Informationsgesellschaft vorantreiben. Sie treten in der Wirtschaft wegen der stärkeren Konkurrenz deutlicher auf. Im folgenden werden diese Prozesse im Zusammenhang mit der Wirtschaft, den Unternehmen und anschließend im Rahmen der Hochschulen betrachtet Anzeichen im wirtschaftlichen Umfeld In Unternehmen werden Lernformen wie Ausbildung, Umschulung und Weiterbildung für die Zukunft eine noch stärkere Dominanz im Arbeitsleben haben, jedoch nicht in der klassisch bekannten Form, sondern auf eine neue Art, durch Integration von neuer Informationstechnologie. Variierende Allianzen zwischen den Unternehmen zwingen die Mitarbeiter beim Umgang mit Wissen flexibel zu handeln. Unternehmen stehen unter dem Druck, neue Methoden schnell in Produktivität umsetzen zu müssen. Die Halbwertzeit des Wissens ist so hoch, dass Wissen ganzer Berufszweige innerhalb von zehn Jahren völlig veraltet. Da Menschen sehr stark in wechselnden Projekten bei veränderten Anforderungen arbeiten, können sie potenziell auch alle zehn Jahre etwas Neues machen [Magn01, S.31]. Zeit für gemeinschaftliches Präsenzlernen wird immer knapper, das Selbstlernen rückt stärker in den Vordergrund. In immer kürzerer Zeit werden Produkte entwickelt, die auf immer neuen Methoden und Technologien basieren; mit der gestiegenen Innovationsrate sinkt auch die Halbwertzeit des Wissen. Lernen im Zeitwettbewerb bedeutet dabei immer auch kontinuierliches Entlernen, um Raum für neues Wissen zu schaffen. Angesichts der Tatsache, dass die Halbwertzeit des Wissens in vielen Bereichen auf unter drei Jahre gesunken ist und sich derzeit alle fünf Jahre das menschliche Wissen verdoppelt, eine Überlebensnotwendigkeit. Hinzu kommt, dass durch normale Fluktuation jährlich bereits fünf Prozent des Unternehmenswissens verloren gehen [Schw02, S.30]. Stark schwankende Nachfragen verlangen nach flexiblen Produktionszyklen, zu denen Mitarbeiter kurzfristig angelernt werden müssen. Mit klassischen Lehrmitteln und Methoden kann der Bedarf kaum befriedigt werden. Die Konstellation, dass während einer Präsenzschulung Kosten für Tutoren, Räumlichkeiten, Reisen u.v.m. anfallen und gleichzeitig durch die Abwesenheit der Mitarbeiter die Produktion ruht, erhöht den Bedarf an Lösungen, die mit der neuen Informationstechnologie näher rücken. Das ergibt deutliche Anforderungen an ein Lernen der Zukunft: es muss Wissen in Echtzeit liefern, modulare, genau auf individuellen Bedarf zugeschnittene Wissenspakete liefern und weltweit distributierbar sein [Magn01, S.27]. Die gestiegene Innovationsrate und die kürzer werdende Halbwertzeit von Wissen sind zwei Faktoren, die ein stärkeres ständiges Weiterlernen notwendig machen, das modern mit dem Begriff lebenslanges Lernen umschrieben wird. Das Tempo, in dem die Informationsmenge zunimmt, hat in den letzten Jahrzehnten eine atemberaubende

21 2.1 Zeichen für den Bedarf an neuen Lehr- und Lernformen 7 Höhe erreicht: Allein in den acht Jahren zwischen 1972 und 1980 wurden so viele Informationen gesammelt wie in den 2000 Jahren zuvor. Fünfzig Jahre nach dem Druck der ersten Gutenbergbibel waren rund zwei Millionen Druckerzeugnisse veröffentlicht; heute werden weltweit mehr als 3000 Bücher täglich publiziert, weit über eine Million im Jahr [Hase95, S.13]. Um diese Flut zu beherrschen, tritt eine Verlagerung von der Erstausbildung zur qualifizierten, kontinuierlichen Weiterbildung ein mit neuen Anforderungen an die Arbeitnehmer der Zukunft. Im 21. Jahrhundert, im Übergang vom Industrie- zum Informationszeitalter, werden qualifizierte und innovative Mitarbeiter und die Fähigkeit, kontinuierlich und schnell Kompetenz und Wissen aufzubauen, zu den wichtigsten Wettbewerbsfaktoren [Schw02, S.29]. Neue Anforderungen an die Unternehmen verdeutlichen, dass ein Bedarf an neuen Lehr- und Lernformen notwendig wird. In diesem Zusammenhang wird der Begriff des E-Learning als die Zukunft des Lernens angesehen. In [BaHM02, S.302] wird E-Learning umschrieben als: Ursprünglich Sammelbegriff für alle Formen elektronisch unterstützten Lernens. Eingeschlossen darin sind netz- und satellitengestütztes Lernen, Lernen per interaktivem TV, CD-ROM, Videobändern usw. Mehr und mehr wird der Begriff jedoch ausschließlich für Internet- bzw. Intranet-basiertes Lernen verwendet. In dieser Arbeit umfasst E-Learning alle Formen elektronischer Lehre, insbesondere software-basierte Lernprogramme. Gewöhnlich steht CBT für Computer-Based-Training, bei uns dagegen soll CBT für Computer-Based- Training-Lernprogramm stehen, und zwar für eines, das überwiegend offline läuft, also beispielsweise von einem lokalen Rechner aus. Entsprechend soll WBT (Web-Based- Training) stehen für ein Web-Based-Training-Lernprogramm, das überwiegend online arbeitet, etwa über einen Internet-Browser. Die Grenzen zwischen CBTs und WBTs sind offensichtlich fließend, indem CBTs beispielsweise gelegentlich auch auf andere entfernte Programme zugreifen. E-Learning wird als eine Antwort auf Fragen im Bereich der Aus- und Weiterbildung gesehen, mit denen sich Unternehmen in zunehmender Globalisierung konfrontiert sehen. Es ist aber auch bekannt, dass die Einführung des E-Learning zusätzliche Anstrengungen und einen Wandel in den Unternehmensstrukturen fordert. Die E-Kommunikation erfordert eine Veränderung der Kultur in den Unternehmen und einen Transfer in Richtung Selbst-Lernkultur und konsequenten Umgang mit Systemen zum Wissensmanagment. Ohne E-Learning, d.h. nur mit den herkömmlichen Instrumenten der Weiterbildung, werden Unternehmen diese Veränderungsprozesse kaum und schon gar nicht in der geforderten Zeit bewerkstelligen können [Neum02, S.17]. Investitionszahlen der US-Wirtschaft als Trend-Setter zeigen das Potenzial. E-Learning ist in den USA ein Wachstumsmarkt, der zunehmend auch das Interesse von Venture-Capital-Firmen findet, was die Entwicklungsdynamik noch weiter forciert. Schätzungen gehen von einer jährlichen Verdopplung der Investitionen von derzeit

22 8 Kapitel 2. Betrachtungen zum modernen Lernen etwa 2 Mrd. Dollar in diesem Bereich aus und betrachten den Bildungsbereich als den am stärksten wachsenden Dienstleistungssektor. Zwischen 1990 und 2000 haben Investoren wie eine Studie der Marktforschungsfirma Eduventures belegt rund 10 Mrd. Dollar in private E-Learning-Unternehmen investiert. Lagen die Aufwendungen der amerikanischen Wirtschaft im Jahre 1997 erst bei 197 Mio. Dollar und steckt die Entwicklung auch heute noch in den Kinderschuhen, so wird für das Jahr 2003 ein Marktvolumen von 11,3 Mrd. Dollar prognostiziert. Eine Entwicklung die so IDC International Data Corporation alle anderen Lernmethoden in den Schatten stellen wird [Schw02, S.42]. Eine Befragung von C-DAX-Unternehmen in Deutschland [Inno01, S.2] stellt heraus, dass bereits jetzt E-Learning in Unternehmen begonnen hat, sich zu etablieren. E-Learning hat bereits einen hohen Verbreitungsgrad erreicht. So führt bereits ein Drittel der Unternehmen elektronische Weiterbildungsmassnahmen durch, wobei über 90% davon Computer Based Training (CBT) einsetzen. Diese Unternehmen erwarten als Vorteile eine erhöhte Verfügbarkeit, Zeitersparnis, erhöhtes Selbstlernen sowie Kostenersparnis. Am ehesten erfüllt werden dabei die Erwartungen einer Zeitersparnis sowie einer erhöhten Verfügbarkeit, gefolgt von der Kostenersparnis. Weiter ergab die Befragung [Inno01, S.4]: Der Einsatz von E-Learning wird zukünftig steigen. So planen in der Gruppe der E-Learner 73% der Befragten eine Ausweitung des bestehenden Angebotes. Bei den Traditonellen Weiterbildern plant bzw. diskutiert über die Hälfte die Einführung von E-Learning. Die Unternehmen haben erkannt, dass der Bedarf, im 21. Jahrhundert die Ausbildung der Mitarbeiter schnell und effizient zu gestalten, ein das Überleben sichernder Schritt ist. Hierzu wird E-Learning als eine Lösung gesehen, und es wird in die Entwicklung und Integration neuer Lehr-/Lernformen investiert. Es ist zu erwarten, dass mit dem anhaltenden Einsatz von E-Learning in Unternehmen und privaten Haushalten die Akzeptanz weiter steigen wird. Dann wird das Benutzen von E-Learning, ähnlich wie Telefon, Fax, Computern und zunehmend auch Internet zum alltäglichen Einsatz führen. Die Zahl der Internet-Nutzer ist in weniger als einem Jahr um 2,9 Millionen Nutzer auf jetzt 23,2 Millionen gewachsen. Damit sind 45,7 Prozent der Bevölkerung [von allen potenziellen Internetnutzern in Deutschland] im Web [EPub02]. Ob es gleichzeitig die traditionellen Lehrformen verdrängen wird, ist kurzund mittelfristig zunächst zu bezweifeln. Langfristig hängt es entscheidend mit den Entwicklungen in der Zukunft ab, die E-Learning durchaus noch attraktiver machen könnten Anzeichen im Umfeld der Hochschulen Der Wandel zu einer Wissensgesellschaft äußert sich unter Anderem in den gestiegenen Studentenzahlen. Die 16. Sozialerhebung im Auftrag des Deutschen Studentenwerkes (DSW) vom belegt, dass seit 1975 bis 2000 die Anzahl

23 2.1 Zeichen für den Bedarf an neuen Lehr- und Lernformen 9 der Studierenden und Studienanfänger, mit Phasen des Rückgangs, gestiegen sind. Bild 2.1 veranschaulicht diese Zahlen. Bild 2.1 Deutsche und ausländische Studierende und Studienanfänger 1975 bis 2000 nach Geschlecht [DeSW01, Bild 2.1] In modernen Gesellschaften wird Bildung immer wichtiger und von immer mehr Menschen praktiziert. Prof. Wolter schreibt in [Wolt01, S.47]: Moderne Gesellschaften scheinen sich relativ konvergent zu einer Gesellschaft der langen oder immer längeren Bildungswege hinzuentwickeln. Als Anzeichen nennt er die Verlängerung von Pflichtschulzeiten und die Ausweitung beruflicher Erstausbildungszeiten sowie die Tatsache, dass ein immer größerer Teil der jüngeren Generationen Bildungswege präferiert, die traditionell schon immer länger waren (in Deutschland z.b. Gymnasium und Studium). Weiter schreibt er, dass sich diese Bildungszeiten zusätzlich aber auch noch z.b. durch eingeschobene andere Ausbildungsphasen oder durch Verlängerung der Verweildauer im Hochschulbereich immer weiter ausgedehnt haben. Die Statistik belegt dies z.b. in [Info02]. In zwölf der 20 beliebtesten Uni-Studiengänge hat sich die Fachstudiendauer seit 1993 weiter erhöht. Die Absolventen werden so zunehmend

24 10 Kapitel 2. Betrachtungen zum modernen Lernen älter: Waren sie 1980 noch 27,1 Jahre jung, so zählten sie im Jahr 2000 bereits 29 Lenze. Als Gründe für längere Studienzeiten sind natürlich auch überfüllte Hochschulen, fehlende Betreuer und ausbleibende Reformen zu nennen. Diese Fakten sind jedoch kein Widerspruch, sondern unterstreichen zusätzlich den Bedarf an neuen Lehr- und Lernformen, die offensichtlich ausschließlich mit klassischen Mitteln nicht gedeckt werden können. Der Drang nach Bildung durchzieht alle Schichten der Gesellschaft. Es wird bestärkt durch hohe Innovationsraten, kurze Halbwertzeit von Wissen, zunehmende Informationsflut durch klassische und neue Medien, dem stärkeren Wettbewerb durch Globalisierung, um hier einige Einflüsse zu nennen (vgl. Abschnitt 2.1.1). Hinzu kommt die Erkenntniss, dass Arbeitsplätze für unqualifizierte Arbeitnehmer zunehmend in der Gesellschaft geringer werden. Der beste Schutz gegen Arbeitslosigkeit ist Bildung dabei gilt: Je mehr, desto besser. [...] Dagegen wird Arbeitslosigkeit zunehmend zu einem Problem der Geringqualifizierten. War zu Beginn der 90er Jahre nur jeder Siebte ohne abgeschlossene Ausbildung arbeitslos, so fand im Jahr 2001 bereits jeder Vierte von ihnen keine Anstellung [Fors02]. An den Hochschulen ist zunehmend die Tendenz hin zum lebensbegleitenden Studium zu beobachten, dass durch die Flexibilisierung der Lern- und Lebensmodelle begünstigt wird. [Hanf01, S.10] berichtet über eine Befragung von Studenten, in der nach dem Stellenwert des Studiums im Leben gefragt wurde. Ein immer größerer Anteil von ihnen scheint den Job nicht lediglich als Quelle zum Gelderwerb zu sehen, sondern sich mit ihm zu identifizieren. Das Studium wird quasi zur Nebensache, notwendig, um einen akademischen Abschluss zu erlangen, aber nachrangig, wenn es um die Ausgestaltung der persönlichen Karriereperspektiven geht. Nach unseren Beobachtungen gibt es bei einer beachtlichen Anzahl von Studierenden eine Schwerpunktsverlagerung vom Studium zur Erwerbsarbeit, die dadurch begünstigt wird, dass die relativ großzügigen Gestaltungsfreiräume ein Studieren auf Teilzeitbasis ermöglichen. Eine stringentere Strukturierung der Studienorganisation wird daher von der Mehrheit der Studierenden abgelehnt. Lebensbegleitendes Lernen wird auch oft mit dem Begriff lebenslanges Lernen bezeichnet (vgl. Abschnitt 2.1.1). Ein Konzept des lebenslangen Lernens stellt Prof. Wolter sehr ausführlich und in allen Ausprägungen in [Wolt01, S.42] vor. Als Gründe für den expansiven Bedarf an lebenslangem Lernen nennt er: 1. Den Strukturwandel von Wirtschaft und Beschäftigung, in dem kürzere Innovationszyklen und der Bedarf, immer schneller und flexibler auf neue Anforderungen reagieren zu müssen, deutlich werden. 2. Die Dynamik der Wissens- und Wissenschaftsentwicklung, in der immer schneller Wissensbestände und Kompetenzen entwertet werden. Lebenslanges Lernen ist erforderlich, um in allen Handlungsfeldern die Handlungskompetenzen und Partizipationschancen zu erhalten oder zu vergrößern.

25 2.2 Die Rolle der Hochschulen in der Zukunft Bildungszeiten müssen zugunsten der Weiterbildung umverteilt werden, da steigende Anforderungen an den Einzelnen, die immer häufigere Wahl von langen Ausbildungswegen und biographische Veränderungen, die zu einer kontinuierlichen Ausdehnung vorberuflicher Bildungs- und Ausbildungszeiten geführt haben, zur Unproduktivität führen. Man geht in diesem Zusammenhang davon aus, dass die kreativste Lebenszeit vor dem Arbeitsleben verbracht wird. 4. Im lebenslangen Lernen wird auch ein Konzept aktiver Arbeitsmarkt- und Gesellschaftspolitik gesehen. Durch Verkürzung von Arbeitszeit wird Lebenszeit verfügbar, die durch lebenslanges Lernen aufgewertet wird. Dies dient in einem umfassenden Sinne dazu, Personen zu aktivieren oder Aktivitätspotenziale zu erhalten. 5. Zur Entschärfung sozialer Problemlagen durch lebenslanges Lernen als Instrument, wodurch der soziale Zusammenhalt des Gemeinwesens gefördert wird. In diesem Zusammenhang dient lebenslanges Lernen zur Marginalisierung von Personenoder Problemgruppen sowie um gesellschaftlichen Spaltungstendenzen entgegenzuwirken und gesellschaftliche Integration zu fördern. Die Experten sind sich einig, dass die Ausbildung an Hochschulen durch neue Medien modernisiert werden muss. Anders, scheint es, kann man den veränderten Wissenskonsum in der Zukunft nicht befriedigen. Spätestens seit Mitte der 90er Jahre wird die Notwendigkeit des umfassenden Einsatzes von Computern und Neuen Medien an den Hochschulen als ein zentrales Thema der Hochschulpolitik in der Bundesrepublik thematisiert [BMBF02, S.5]. Der klassische Weg, dass ein Lehrer, Trainer oder Professor in einer Präsenzveranstaltung lehrt, ist wohl noch immer die ideale Lernumgebung. Diese Konstellation ist jedoch im Rahmen der gestiegenen Anzahl an Lernenden und des lebenslangen Lernens eine kostenintensive Form. But the possibility of having everyone tutored by a skilled teacher is not realistic, because of lack of skilled teachers and the cost involved [Bork92, S.3]. Neue Lehr- und Lernformen müssen durch moderne Konzepte entwickelt und angewendet werden. 2.2 Die Rolle der Hochschulen in der Zukunft Mit der Weiterentwicklung der Technik werden neue Einsatzmöglichkeiten erschlossen. Man hat ausgerechnet, dass man durch Berechnen von 80 Mio. Polygonen pro Sekunde die normale Realität ununterscheidbar abbilden kann. Eine Spielekonsole, Playstation 2 von SONY, kann bereits 20 Mio. Polygone pro Sekunde berechnen [Magn01, S.50]. Nach der These von Moore, mit der Annahme, dass die Anzahl der berechneten Polygone parallel zu der Anzahl Transistoren auf einem Chip steigt, wird man in drei Jahren die Realität ununterscheidbar abbilden können, und es werden sich dann ungeahnte neue Formen und Gestaltungsmöglichkeiten ergeben. Die

26 12 Kapitel 2. Betrachtungen zum modernen Lernen modernen Technologien mit ihren zunehmenden elektronischen Steuerungen und vernetzten Datenspeicherungen machen ständig neue selbständige Auswahl-, Erschließungs- und Verarbeitungsprozesse notwendig. Und zunehmende virtuelle Gestaltungs- und Kommunikationsmöglichkeiten bringen neue Herausforderungen an die konstruktive Lern- und Integrationsfähigkeit [BMBF01, S.14]. Mit den veränderten Anforderungen an das Lernen der Zukunft (vgl. Abschnitt 2.1) ändert sich auch die Rolle der Bildungsanstalten. Nach [AlWa01, S.16] wird im Unterschied zu traditionellen Formen der akademischen Lehre die Moderne viel stärker von unterschiedlichen Interessen und Perspektiven beeinflusst. Im derzeitigen, noch überwiegend experimentellen Stadium der Entwicklung und Verbreitung von Multimedia und Telematik in der Hochschullehre spielen diese unterschiedlichen Interessen und Perspektiven teilweise eine wesentliche Rolle. [...] Eine zentrale Folgerung aus dieser Beobachtung von Interesse und Perspektiven ist, dass multimedial und telematisch gestützte Hochschullehre unvermeidlich zu neuen Mustern von Arbeitsteilung und Kooperation führen wird. Zu der Frage, wie die Entwicklung lebenslanges Lernen, Funktion und Bedeutung der Hochschule verändern wird, schreibt Prof. Wolter, dass sich Hochschulen im internationalen Maßstab tiefgreifend verändern werden müssen, um diesen neuen Anforderungen zu entsprechen. Wenn lebenslanges Lernen mehr umfasst als die sektorale Förderung von Weiterbildung, sondern den Blick auf Bildung als ganzheitliches und interdependentes System lenkt, dann ist es selbstverständlich auch auf der Ebene der Hochschule mit der Forderung nach mehr wissenschaftlicher Weiterbildung allein nicht getan. Vielmehr wird die Realisierung lebenslangens Lernens tief in die Strukturen der Zugänge, der Angebote, der Formen des Lehrens und Lernens und des Studiums eingreifen [Wolt01, S.57]. Um ein alt etabliertes Hochschulsystem zu modernisieren, braucht es Kräfte, die, so scheint es, nur durch Kooperation der Anbieter hervorgebracht werden können. Die Herausforderung an uns liegt darin, diese weltweiten Wissensnetze aufzubauen [...] [Magn01, S.27]. Kooperationen dieser Art entstanden in den letzten Jahren. Der Virtuelle Campus 1 ist einer davon. Die Ursprünge und Anlässe fand sie in den folgenden drei Entwicklungen, die [AlWa01, S.81] entnommen sind: 1. Es zeigt sich immer offensichtlicher, dass für bestimmte Studiengänge bzw. - angebote interessante oder notwendige Fachgebiete in der wünschenswerten Breite und Tiefe nicht an jedem fraglichen Hochschulstandort eingerichtet werden können. Daraus entsteht der Bedarf an hochschulübergreifenden Kombinationsund Ergänzungsmöglichkeiten. 1 Das Projekt Virtueller Campus wird seit September 1997 in folgendem Verband von Instituten der Universitäten Hannover, Hildesheim und Osnabrück bearbeitet: Die Partner vertreten die Fachgebiete Informatik, Computerlinguistik, Kognitionswissenschaft sowie Informationswissenschaft und bringen diese in den Verbund ein.

27 2.2 Die Rolle der Hochschulen in der Zukunft Lebenssituationen und Interessen von Studierenden verlangen zunehmend flexiblere Formen der Studienorganisation. Daraus entsteht ein Bedarf für produktive didaktische Vielfalt zur Gestaltung unterschiedlicher Lernzugänge für Studierende. 3. Hochschulen müssen Wege finden bzw. Lösungen entwickeln, um für Studierende in einem Kontext zunehmender (teilweise auch international ausgeprägter) Konkurrenz attraktiv zu bleiben bzw. zu werden. Dadurch entsteht ein Bedarf für eine hohe Qualität virtueller Studienformen und für wettbewerbsfähige Kooperationsbündnisse. Um in Hochschulen übergreifendes E-Learning zu etablieren, werden diese Kooperationen zur Bündelung von Kräften und Kompetenzen als notwendig angesehen. Ferner wird damit auch der Forderung entsprochen, den Einsatz von Internet und anderen modernen Mitteln in die Lehre zu integrieren. Dies kann am besten mit kompetenten Partnern in der Ferne umgesetzt werden. Das ELAN-Projekt 2 ist eine der jüngsten Kooperationen und definiert als Ziel: Es wird ein elearning-netzwerk an den beteiligten Hochschulen (Netzpiloten und Netzträger) in Niedersachsen implementiert. Dabei soll aus bereits vorhandenen Kompetenzen geschöpft werden, die das Netzwerk durch Synergien ausbauen und neue Elemente entstehen lassen [ELAN02]. Hochschulen müssen auch die Lernenden auf das Leben und das damit verbundene Lernen nach dem Studium vorbereiten. Es kommt deshalb in Zukunft auf die Hochschulen die Aufgabe zu, Verstehens-, Orientierungs-, Handlungs- und Kompetenzgrundlagen für konstruktives und selbstgesteuertes Erschließen von neuem Wissen zu vermitteln. Das Bestreben, neue Medien in den Lehr- und Studienalltag zu integrieren, ist nicht nur ein Reflex auf externe Prozesse (Technologieentwicklung, beschleunigte Entwertung bzw. Erneuerung des Wissens, Notwendigkeit zur Verarbeitung wachsender Informationsmengen, Wandel der Anforderungen des Beschäftigungssystems, internationaler Wettbewerb, Globalisierung), sondern erfolgt auch in der Erwartung eines eigenständigen Beitrags zur Steigerung der Effizienz und Qualität von Forschung und Lehre an den Hochschulen und einer erhöhten Nachhaltigkeit des Kompetenzerwerbs als Ergebnis der Hochschulausbildung auch im Sinne einer Befähigung zu lebenslangem Lernen [BMBF02, S.9]. Hochschulen müssen zukünftig durch Forschung und Entwicklung Wege finden, neue Medien in die Ausbildung zu integrieren. In diesem Sinne sind probeweise Bestrebungen wie z.b.: 2 ELAN = elearning Academic Network (Niedersachsen). Die ELAN-Netzpiloten in Hannover und Braunschweig haben die Aufgabe, als Spezialisten für den Einsatz von Multimedia in Lehre, Studium und Weiterbildung zu fungieren und ein Netzwerk für elearning zu leiten. Das Ziel ist eine hochschulübergreifende Positionierung und Profilierung sowie eine nachhaltige Verbesserung von multimedialen Lehrformen. Dabei steht auch die wirtschaftlich tragfähige Entwicklung von elearning-services und -Angeboten im Vordergrund [ELAN02].

28 14 Kapitel 2. Betrachtungen zum modernen Lernen - der Import ergänzender Angebote, die am Ort nicht vorhanden sind - die Nutzung gemeinsam aufbereiteter multimedialer Lerneinheiten - das Anbieten von virtuellen Seminaren über Uni-Grenzen hinweg, jedoch mit Fachleuten vor Ort - die Virtualisierung von Vorlesungen durch Presentation Recording zu beobachten. Weiterführende Anwendungen wie z.b.: - Teleteaching im synchronen Hörsaal-zu-Hörsaal-Szenario - Import und Export kompletter Vorlesungen - kosten- und zeitaufwändige multimediale Inhaltsaufbereitung - virtuelle Praktika und Projekte werden derzeit noch als interessante, aber problematische Formen angesehen und bedürfen weiterer Forschung und Entwicklung. 2.3 Betreuende Tutoren in der Zukunft Die Hochschulentwicklung durch neue Medien hat das Ziel, die Lehre zu verbessern und den Hochschulbetrieb effektiver zu gestalten. Diese oder ähnliche Definitionen können in vielen Verlautbarungen von Kultusbehörden und Ministerien vernommen werden. Bislang nehmen die Hochschullehrer eine wesentliche Stellung in der Ausbildung ein. Sie lehren und leiten die Studenten in Vorlesungen und Übungen, vornehmlich in Präsenzveranstaltungen. Sie sind Bezugsperson, wenn es um Fragen zum Lehrstoff oder Studium geht. Die Ressource Mensch ist jedoch auch hier die kostenintensivste Komponente, vor allem im Zusammenhang mit der Präsenzlehre. In der Lehrer-Lerner-Beziehung bezeichnen wir Lehrende allgemein als Tutor, unabhängig von ihrer Qualifikation. Es zählen demnach Professoren, Dozenten, wissenschaftliche Mitarbeiter und auch Hiwis dazu. Zu Beginn der Multimedia-Euphorie in den 90er Jahren wurden unterschiedliche Szenarien beschrieben, die man mit Hilfe der neuen Medien als machbar prognostizierte. Rationalisierung durch Qualitätssteigerung, denn man unterstellt, dass qualitativ hochwertiges Lernmaterial orts- und zeitunabhängiges und damit individuelles Lernen unterstützt. Soweit das erfolgreich möglich ist, kann eine partielle Ablösung vom Präsenzbetrieb erfolgen, d.h. die personale Interaktion zwischen Lehrenden und Lernenden wird durch die Interaktion mit der jeweiligen Lernumgebung ersetzt. Dadurch können mit Fernlehre und neuen Formen der Arbeitsteilung (virtuelle Studiengänge) neue Kunden erschlossen und Personalaufwand reduziert werden [Slaw02, S.181]. Ähnliche Ansätze entsprachen idealisierten Vorstellungen, die in der Umsetzung schnell Grenzen fanden. Es wurden die Kosten für solche notwendigen qualitativ

29 2.3 Betreuende Tutoren in der Zukunft 15 hochwertigen Lernsysteme unterschätzt. Ein entsprechend hoher Aufwand an Kompetenz und Kosten ist dafür notwendig, weshalb der Aufbau solcher Lernangebote zunächst nur mit erheblicher Förderung erfolgen kann, die wiederum um sich zu rechtfertigen entsprechend hochwertige didaktische Konzepte und aufwändige Tauglichkeitsnachweise einfordern [Slaw02, S.181]. Auch wenn durch längere Mehrfachnutzung eine relative Verbilligung eintritt, bleibt die Implementierung, Wartung und Erneuerung überwiegend nicht automatisierbare Arbeit. Das hochgradig interaktive Lernprogramm LernSTATS zum Lernen der Statistik [...] hat bis heute etwa DM gekostet, also bei 60 Lernstunden weniger als DM/h 3.000, bei 60 Studierenden pro Jahrgang weniger als DM/h/Stud 50 [Schu01, S.369]. Mit der Annahme, dass die Halbwertzeit von Wissen stetig kleiner wird und gleichzeitig die Innovationsrate steigt (vgl. Abschnitt 2.1), werden Wartung und Erneuerung einen immer größeren Stellenwert einnehmen. Es kommt hinzu, dass künstliche Intelligenz nur sehr begrenzt zu realisieren ist, was wiederum Lernprogramme als Ersatz für Tutoren in Frage stellt. Zusätzlich bedarf das Lernen mit Computern ein verändertes Lernverhalten, das noch nicht in allen Disziplinen etabliert genug ist. Der Anspruch früherer Lernprogramme war es, das Lernen komplett einem medialen Träger anzuvertrauen, meistens einer CD-ROM oder einem Web-Angebot als Downloadfile. Dies bedeutet aber einen didaktischen Spagat: Eine Lernapplikation sollte einerseits ein umfassendes gut erschließbares Fachwissen bieten auf der anderen Seite sollte sie den Stoff einfühlsam vermitteln. Durch diesen Anspruch war die Lernapplikation zum Scheitern verurteilt konnte sie doch nicht den Dozenten und das Buch gleichzeitig ersetzen [Goer02, S.45]. E-Learning allein, ohne tutorielle Betreuung, bringt keine Effizienzsteigerung. Bei Lernprogrammen, die ohne Tutor auskommen und in denen nur die Maschine Hilfestellungen per Standards-Mails bietet, geht der Lernerfolg schnell gegen null. Für eine erfolgreiche Fortbildung müssen die Lernenden über soziale Bande die auch virtuell geknüpft werden können und Betreuung motiviert werden [Loos01]. Diese Erfahrungen wurden nicht nur an Hochschulen unter Forschungsbedingungen, sondern auch in der Wirtschaft gemacht, wo in der Regel ausgereifte kommerzielle Lernprogramme zum Einsatz kommen. Auch namhafte Konzerne haben die Erfahrung machen müssen, dass E-Learning ohne eine Betreuung der Lerner nicht die erwarteten Erfolge brachte. Es traten die gleichen Probleme wie beim herkömmlichen Selbstlernen auf. Der Mitarbeiter fühlte sich allein gelassen oder er nahm die Angebote erst gar nicht wahr [Neum02, S.24]. Die jüngsten Expertenmeinungen sind sich einig, dass derzeit E-Learning ohne Betreuung kaum Erfolgschancen hat. Zu oft wird E-Learning nur als Substitut für Präsenztrainings gesehen. E-Learning ist jedoch interaktives Selbstlernen und ermöglicht die Schwächen der bisherigen Formen des Selbstlernen über Skripte, ausgedruckte Präsentationscharts, Literatur und Fachbücher oder von CD-ROMs auszugleichen [Neum02, S.19].

30 16 Kapitel 2. Betrachtungen zum modernen Lernen Zu Beginn unserer Forschung vermuteten wir bereits, dass E-Learning als vollwertiger Ersatz für die klassische Lehre kostengünstig kaum zu realisieren sein würde. Wir entschieden uns für die Erforschung des kombinierten Einsatzes mit Hilfe von selbst entwickelten CBTs. Our focus is the development and application of training programs in chip design in addition to the well-known teaching methods with lectures and labs [ÇaGo00]. Fakt ist aber auch, dass mit E-Learning Möglichkeiten entstehen, die zuvor nicht vorhanden waren. Die Zukunft liegt darin, E-Learning in Kombination mit der von allen Lehrenden und Lernenden praktizierten, auf der Welt einheitlich etablierten klassischen Lehre, in der Tutoren eine ganz wesentliche Rolle einnehmen, zu kombinieren. Genau für diese Symbiose, die mit dem Begriff Blended Learning umschrieben wird, sind Tutoren vielleicht mehr als früher notwendig. Am effektivsten sind daher Möglichkeiten der Kombination von Selbststudium und Präsenzphasen, was inzwischen unter dem Begriff Blended Leraning subsummiert wird: hier werden für einen Lerninhalt/Curriculum mehrere Lerneinheiten definiert, die teils über asynchrones WBT-Lernen zum Aufbau von Basiswissen, mittels [...] virtueller Seminare für Verständisfragen und mittels Präsenzphasen für Übungseinheiten verbunden werden [Neum02, S.20]. Nach unserer Meinung werden Tutoren auch zukünftig Maßstäbe für Lernende setzen und als Wegweiser dienen. Sie werden nicht kurzfristig bis mittelfristig von Lernsoftware zu ersetzen sein. Tutoren müssen sich jedoch mit den neuen Medien vertraut machen, um die Kompetenz in ihrer Rolle zu erfüllen. Der Lernende wird in Zukunft die Möglichkeit haben zu wählen wann, mit welchen Mitteln, mit welcher Intensität er lernen möchte und von welchen Tutoren er dabei Unterstützung haben will. Die Tutoren werden als Anbieter von Wissen ein größeres Angebot führen müssen, d.h. zukünftig auch die Aufgabe der Zusammenstellung, der Pflege und Integration des täglich zunehmenden E-Learning-Angebots betreuen müssen. Der Tutor [der Zukunft] ist Wissensvermittler und Arrangeur von Wissen [Neum02, S.25]. 2.4 E-Learning in der VLSI-Ausbildung Allgemein ist eine Tendenz zu beobachten, dass der Einsatz von E-Learning verstärkt in Bereichen der Telekommunikation und EDV zum Zuge kommt. Der Bedarf an E-Learning-Lösungen ist bei IT-Kräften aufgrund der hohen Innovationsgeschwindigkeit und der geringen Halbwertzeit des Wissens am größten. Hinzu kommt, dass diese Zielgruppe den Computer als Lernmedium von vornherein akzeptiert [Neum02, S.39]. Im folgenden soll die Eignung der VLSI-Ausbildung für E-Learning diskutiert werden.

31 2.4 E-Learning in der VLSI-Ausbildung Entwurf digitaler Schaltungen Obwohl fast täglich neue Rekorde durch leistungsfähigere Chips gebrochen werden, die Kapazitäten der Speicher ständig wachsen und die Leitungsstrukturen stetig kleiner werden, haben den Entwurf digitaler Schaltungen vor allem einige wenige Entwicklungen wesentlich beeinflusst: - Computer-Aided-Design-Werkzeuge (CAD-Tools); - Hardware-Beschreibungssprachen (Hardware Description Language, HDL), zur Beschreibung und zur Simulation von Schaltungen; - Synthese-Compiler zur automatischen Transformation von einer höheren auf eine niedrigere Entwurfsebene, insbesondere die Logiksynthese. Zweifellos sind Computer und CAD-Werkzeuge das unentbehrliche Handwerkszeug eines Chip-Designers. Mit exponenziell wachsender Zahl der Transistoren auf einem Chip (1960 zwei Transistoren, 2002 bereits eine Mrd. [Golz02, S.1-3]) wuchs auch der Einsatz von Computern beim Entwurf von digitalen Schaltungen. Heute sind Computer unentbehrlich und werden auf allen Entwurfsebenen mit unterschiedlichen Werkzeugen genutzt. With the advent of LSI (Large Scale Integration), designers could put thousands of gates on a single chip. At this point, design processes started getting very complicated, and designers felt the need to automate these processes. Computer Aided Design (CAD) techniques began to evolve [Paln96, S.3]. Um den Nutzungsgrad des Computers beim Chip-Entwurf zu verdeutlichen, wird im folgenden ein möglicher Ablauf im VLSI-Entwurf kurz vorgestellt, ohne dabei ins Detail zu gehen. Ein möglicher Schaltungsentwurfsablauf Nach der Spezifikation einer Schaltung beginnt der Designer in der Regel seinen Top-Down-Entwurf zunächst als Verhaltensmodell in einer HDL. Dabei werden interne hardware-nahe Strukturen der Schaltung nicht betrachtet, lediglich das Verhalten nach außen modelliert. Das Verhaltensmodell wird am Computer eingegeben und anschließend simuliert und analysiert. Im nächsten Schritt wird ebenfalls in einer HDL ein Register-Transfer-Logik- Modell (RTL-Modell) entwickelt. Das RTL-Modell beschreibt die Schaltung in Abhängigkeit von später zu fertigenden Registern und kombinatorischer Logik. Die durch das RTL-Modell definierte Schaltungsstruktur wird in der Regel, sofern sie nicht durch Optimierungsprozesse verändert wird, in die Fertigung übernommen. Die wesentliche Schwierigkeit beim Entwurf des RTL-Modells ist, unbeabsichtigte Strukturen, die als Folge unsauberer Konstruktionen im RTL-Modell auftauchen können, zu vermeiden. Hierzu wurden z.b. an der Abteilung Entwurf integrierter Schaltungen (E.I.S.) der TU Braunschweig Regeln und Empfehlungen aufgestellt,

32 18 Kapitel 2. Betrachtungen zum modernen Lernen deren kombinierte Anwendung in der Verantwortung des Designers steht. Das RTL- Modell wird, wie das Verhaltensmodell auch, am Computer entwickelt, simuliert und analysiert. Im nun folgenden Entwicklungsschritt wird das RTL-Modell mit Hilfe eines Compilers synthetisiert und in eine Gatternetzliste überführt. Einfluss nimmt der Designer auf die automatische Logiksynthese durch die Design-Constraints (Optimierungsziele) und die gewählte Technologiebibliothek. Ansonsten erfolgt die Umsetzung abgekoppelt vom Einfluss des Designers. Die Herausforderung hierbei besteht darin, die Design-Constraints richtig anzugeben. Fehlende oder unrealistische Design-Constraints können zu schlecht optimierten Ergebnissen führen. Nach der Logiksynthese wird die Netzliste zur Fertigung an den Chip-Hersteller übergeben oder, wenn der Ablauf für ein FPGA (Field-Programmable Gate-Array ein programmierbarer Chip) bestimmt war, entsprechend weiterverarbeitet. Zwischen allen Entwicklungsschritten sind Tests und Simulationen zur Sicherung der Integrität enthalten, die hier im einzelnen nicht erwähnt sind E-Learning im Chip-Entwurf Zur VLSI-Ausbildung sind Grundlagen der Informatik notwendig, und damit wird die VLSI-Ausbildung an Universitäten im wesentlichen im Hauptstudium angeboten. Die teilnehmenden Studenten verfügen, neben notwendigen technologischen und theoretischen Grundlagen aus dem Grundstudium, bereits auch über Fähigkeiten im Umgang mit dem Computer. Durch wiederholt notwendiges Studieren von elektronischen Handbüchern, Anleitungen zu Programmen oder auch schon das Programmieren als Disziplin besitzen sie Erfahrungen im Lernen am Computer, also mit Abläufen, die im E-Learning ähnlich auftauchen. Ein der eigentlichen Lernphase vorgeschaltetes Anleiten zur Arbeit oder dem Lernen am Computer kann somit oftmals entfallen. Die Informatik ist im Allgemeinen eine EDV-affine Disziplin mit entsprechend systematischem Wissen. Die Informatik eignet sich dazu [zum E-Learning] besonders gut, da in ihr viel systematisch aufgebautes Wissen vermittelt wird [Ottm02]). Die Inhalte der VLSI-Ausbildung im Speziellen sind zur Präsentation am Computer ebenfalls gut geeignet, weil die Anwendung des Gelernten im wesentlichen am Computer erfolgt (vgl. Abschnitt 2.4.1). Es ist z.b. mit Lernprogrammen möglich, dem Lernenden seine zukünftige Arbeitsumgebung und die Werkzeuge identisch und real zu vermitteln. Das Medium Buch (hier stellvertretend für alle geschriebenen Medien) kann den Umgang mit den CAD-Werkzeugen nicht dynamisch vermitteln. Die dynamische Wiedergabe von dynamischen Prozessen kann das Lerntempo erhöhen. Beim Lernen mit einem Buch müssen zunächst die Vorgänge vor dem inneren Auge eine imaginäre Dynamik bekommen. Diese subjektive Wirklichkeit kann auch bei falscher Vorstellung zu Fehlern oder falsch Gelerntem führen, das anschließend bei der

33 2.4 E-Learning in der VLSI-Ausbildung 19 Arbeit mit den realen Tools wieder korrigiert werden muss. Mit E-Learning könnte hier vorgebeugt und gleich das Richtige vermittelt werden. Lernende wollen oft die gelernte Theorie gleich durch praktische Anwendung erfahren und vertiefen. Dieses konstruktive Lernen, bei dem der Rezipient aktiv den Lernprozess mitgestaltet und nach dem Prinzip des entdeckenden Lernens arbeitet, wird auch durch die Lernpsychologie favorisiert. Ein derzeit stark propagiertes Reformkonzept ist der sog. Konstruktivismus. [...] Konstruktivistische Auffassungen unterstellen die Konstruktion einer subjektiven Wirklichkeit aufgrund eigener Erfahrungen durch den einzelnen Lerner [Edel00, S.287]. Einen Anfänger ohne Unterstützung gleich an die im Einsatz hochkomplexen CAD-Werkzeuge zu stellen, kann aber auch zur Folge haben, dass der Lernende abgeschreckt wird. Diese Erfahrung haben wir z.b. im Umgang mit dem Synthese-Tool Design-Analyzer von Synopsys gemacht. Studenten berichteten, dass sie von der Kombinationsvielfalt der Einstellungen abgeschreckt wurden. Durch die virtuelle Darstellung von CAD-Werkzeugen, in die zu Beginn lediglich wesentliche Funktionen eingeblendet werden oder aktiviert sind, können diese ohne zu große Ablenkung gelehrt werden. Portabilität ist ein weiterer Vorteil. Während CAD-Werkzeuge zum Chip-Design kommerziell bis zu Euro kosten und nicht ohne weiteres am heimischen PC verwendet werden können, kann ein Lernprogramm schon eher erschwinglich sein. Sind die Lernprogramme gar selbst entwickelt, können sie möglicherweise über das Internet an die Lernenden distribuiert werden. Hier sind weitere für die Lehre vorteilhafte, unterschiedliche Möglichkeiten denkbar. Die im Schaltungsentwurf eingesetzten CAD-Werkzeuge sind sowohl in der Benutzeroberfläche als auch im Einsatz hochkomplex. Mit einem großen Betreuungsaufwand werden die Studenten in der Lernphase an diesen Werkzeugen geschult. Komplexität, Wartungsaufwand sowie Lizenzbeschränkungen erlauben die Schulung nur ortsgebunden an institutseigenen Rechnern. Ein ortsunabhängiges Erlernen dieser Werkzeuge beispielsweise zuhause wäre von Vorteil [Çata01]. Die hier diskutierten Vorteile von E-Learning im Zusammenhang mit den Entwicklungen zur Informationsgesellschaft rechtfertigen nach unserer Auffassung die Erforschung neuer Lehr- und Lernmethoden in der Lehre des Entwurfs digitaler Schaltungen.

34 20 Kapitel 2. Betrachtungen zum modernen Lernen

35 3 CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time Dieses Kapitel erläutert den Bedarf an CBT-Eigenentwicklungen an Hochschulen im Rahmen kostensenkender Maßnahmen. Dazu werden zunächst Vor- und Nachteile der CBT-Eigenentwicklung aufgezeigt und ihre Notwendigkeit im Chip-Entwurf begründet. Es folgt ein Überblick über Klassifizierung von Lernprogrammen. Vor allem wird das Konzept der Low-Cost-Low-Time-Produktion erklärt und seine Anwendung an der Abteilung E.I.S. vorgestellt. 3.1 Eigenentwicklung von CBTs An Hochschulen lehren Tutoren entweder mit dem Material anderer Autoren oder mit selbst verfassten Werken. Ihre Entscheidung wird dabei durch das vorhandene Literaturangebot, die Qualität und die Kosten wesentlich beeinflusst. Bei CBTs könnte es sich künftig ähnlich verhalten. In CBTs sind Inhalte durch multimediale Elemente didaktisch aufbereitet und zu Lektionen zusammengestellt. Zur Produktion von CBTs wird in der Regel ein Autorensystem verwendet. Daten und Inhalte werden ähnlich wie bei Programmiersprachen zusammengefügt und in ihrem Verhalten programmiert. Im Gegensatz zu Programmiersprachen bieten Autorensysteme jedoch spezielle Funktionen an, die die Entwicklungszeit verkürzen. Das Multimediale ist eine Stärke der CBTs, aber gleichzeitig auch ein Nachteil, wenn es um die Eigenentwicklung geht, die extrem zeitaufwändig sein kann. Zu Beginn unserer Forschung haben wir die Erfahrung gemacht, dass die herkömmliche Produktion von CBTs, bei der alles von Grund auf neu entworfen, zusammengestellt und programmiert wird, extrem viel Zeit benötigt. Autorensysteme oder fertige Grafikbibliotheken können die Produktion zwar beschleunigen, doch im Gegensatz zu gekauften CBTs wird immer ein erheblicher Mehraufwand bleiben, den es zu rechtfertigen gilt.

36 22 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time Sowohl gekaufte als auch selber produzierte CBTs haben ihre Vor- und Nachteile, die es abzuwägen gilt. Im folgenden sollen diese aus Sicht eines Informatik-Instituts betrachtet werden Nachteile der CBT-Eigenentwicklung Während man bei gekauften CBTs lediglich einen Computer zum Abspielen benötigt, muss man bei CBT-Eigenentwicklungen zunächst eine Produktionsausstattung anschaffen. Exemplarisch ist in Tabelle 3.1 eine Liste notwendiger Hard- und Software für einen einzelnen Multimedia-Arbeitsplatz zusammengestellt. Bezeichnung Beispiel Preis ( ) Hardware PC-System (Win OS, AMD Athlon 2,5GHz 3.000,- marktüblicher Standard) Audio-Prozessor dbx 286A 350,- Mikrofon Behringer B2 200,- Kleinteile ,- Software Autorensystem Authorware ,- Filmprogramm Premiere ,- Sound-Programm SoundForge ,- Zeichenprogramm Corel Draw ,- Sound-Bibliothek Highland Musikarchiv 200,- (gemafrei, 10CDs) Grafikbibliothek Art Explosion 150,- Malprogramm Paint Shop Pro ,- Film-Capture-Programm HyperCam ,- Anfangsinvestition 8.500,- Tabelle 3.1 Eine beispielhafte einfache Ausstattung eines CBT-Entwicklers Die Liste aus Tabelle 3.1 lässt sich beliebig durch weitere Soft- und Hardware ergänzen, z.b.: Autoren-Tools (Flash, Director etc.), Compiler (C, VisualBasic, Delphi etc.), Datenbanken (Access, Oracle, My-SQL etc.), 3D-Tools (3Dfx, 3D Studio Max etc.), ein Video-Schnittplatz, eine Videocamera oder ein Mischpult. Die Produktion von CBTs ist bekanntlich nicht nur irgendeine Kombination von Medien, sondern es müssen unter anderem das Design, die Didaktik und die Technik betreffende Fragen professionell gelöst werden. Im Entwicklungsprozess eines multimedialen Lernsystems müssen eine Vielzahl gestalterischer Elemente einbezogen und ihre Nutzungsaspekte für [...] Lernzwecke beachtet werden. Ein interdisziplinäres

37 3.1 Eigenentwicklung von CBTs 23 Team erfasst die Vielzahl der miteinander in Beziehung stehenden Einflussfaktoren, bildet sie auf relevante Komponenten ab und leitet die Lernsoftware-Entwicklung in einem sowohl technisch als auch pädagogisch eingebetteten Designprozess [Tava02, S.179]. Während die Anschaffungen zur CBT-Produktion lediglich eine Frage des Geldes sind, kommen also die Kosten für die Einarbeitung und Anwendung hinzu. Auch bei den von uns produzierten CBTs zeigt ein Vergleich der älteren zu den heutigen Lösungen, dass seit Beginn ein positives Wachsen von Erfahrung stattfand. Damit haben wir unsere CBTs optimiert und verfeinert. Schließlich benötigen auch die Pflege, das Aktualisieren und Ergänzen der eigens produzierten CBTs ein gewisses Engagement, das ebenfalls Kosten verursacht. Diese Kosten fallen bei gekauften CBTs nicht an Vorteile der CBT-Eigenentwicklung CBTs etwa als Blended Learning müssen gewisse Ansprüche erfüllen. Sie müssen unter anderem in das Konzept der bestehenden Vorlesung passen, und die Präsentationsreihenfolge muss stimmen. Diese und ähnliche Ansprüche erfüllen auf dem Markt erhältliche CBTs in Kombination mit bereits bestehenden Vorlesungen in der Regel nicht. Curricula an Hochschulen sind oftmals individuell erarbeitet und zusammengestellt. Nicht alle Tutoren wollen oder können ihre bestehende Vorlesung umstrukturieren und an gekaufte CBTs ausrichten. Oftmals ist es schwer, fertige bedarfsgerechte CBTs zu finden, besonders in sehr speziellen Forschungsgebieten wie dem Chip-Entwurf. Oft wird die Vorlesung überarbeitet oder komplett neu angeboten. Kommerzielle CBTs können solch eine permanente Entwicklung schwer kostengünstig mitmachen [Zufe03]. Der Tutor, der gekaufte CBTs einsetzt, wäre von den Update-Zyklen der CBT-Hersteller abhängig, was die Lehre behindern würde. Diese Problematik ist nicht nur hochschulspezifisch, sondern taucht auch in anderen Bereichen auf, wo standardisierte Lernprogramme eingesetzt werden sollen: Viele Firmen haben Angst, dass die standardisierten WBTs ihren firmenspezifischen Trainingsbedürfnissen nicht entsprechen [Neum02, S.22]. Bei kommerziellen CBTs verhindern Lizenzrestriktionen die freie Weitergabe. Anschaffungskosten von mehreren hundert Euro pro CBT-Lizenz müssen für jede Kopie aufgebracht werden, was die gewünschte freie individuelle Nutzung behindert. Fehler können bei kommerziellen CBTs zu einem Problem werden, da aus dem Lehrmaterial auch Ansprüche für Prüfungen resultieren. Auf die Korrektur haben die Nutzer nur sehr beschränkten Einfluss, was die weitere Nutzung in Frage stellen kann. CBT-Eigenentwicklungen ermöglichen die freie und flexible Nutzung und sind, wenn sie auf Basis bestehender Vorlesungen entwickelt werden, zur Vorlesung kompatibel. Kleine Änderungen und Verbesserungen können schnell und

38 24 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time unkompliziert an den vorliegenden Sourcen durchgeführt werden. Updates können bei Bedarf synchron zur Anpassung der Vorlesung erfolgen. Lizenzrestriktionen sind kein Problem. Informatik-Institute haben zusätzlich den Vorteil, dass die zur CBT-Produktion benötigte Hard- und Software oftmals bereits in Teilen am Institut vorhanden ist (vgl. Tabelle 3.1), was die Kosten niedrig hält. Die Mitarbeiter sind oft auch im Umgang mit diesem Equipment vertraut, was zu kürzeren Einarbeitungszeiten führt. Dass der Einsatz von vorhandener Ausstattung sich kostenreduzierend auswirken kann, unterstreicht auch Prof. Schulmeister in [Schu01, S.368]. [..] das [...] Lernprogramm Die Firma zum Lernen der Gebärdensprache hätte etwa DM gekostet, würde man alle Kosten einberechnen. Es hat aber nur knapp DM gekostet, weil die technische Ausstattung und das Personal bereits vorhanden waren. Interessant ist hier eine mögliche Reduktion auf ein Viertel der ursprünglichen Kosten. Eine dritte Variante ist die Fremdproduktion, wobei ein Multimedia-Unternehmen beauftragt wird. In [GlKu00, S.122] wird eine sehr ausführliche Kosten-Nutzen-Rechnung bezüglich der Fremd- und Eigenproduktion von virtuellen Studienangeboten durchgeführt. Auch wenn diese Kostenschätzung umfangreicher ist als eine lediglich für die CBT-Produktion notwendige, so favorisieren die Autoren trotzdem die Eigenproduktion. Folgt man diesen Kostenschätzungen, so erscheint die Produktion durch ein eigenes Multimedia-Zentrum deutlich günstiger als die Vergabe an externe Auftragnehmer. Das trifft auf die Auftragserteilung durch eine einzelne Universität ebenso zu wie auf die gemeinsame Vergabe durch mehrere Hochschulen. In [Schu01, S.368] wird diese Kostenschätzung kommentiert und auf zusätzlich Kostensenkendes hingewiesen. Was Glotz und Kubicek nicht berücksichtigen, sind Einsparungen aufgrund der vorhandenen Infrastruktur (Rechner, Server, Medienzentren), des vorhandenen Medienmaterials (Tondateien, Dias, Filme) und der vorhandenen Kompetenzen (Drehbuchskripte, didaktische Übungen). Auch in Unternehmen, wo dem Kostendruck bekanntlich viel leichter nachgegeben wird, zeichnet sich ein Trend zur eigenen Implementierung ab. Wir sehen den Trend, dass ergänzend zu den standardisierten WBTs in der Zukunft von Trainern, Tutoren und Führungskräften Inhalte selbst geschrieben werden. Diese Arbeit mit den Autoren-Tools der Lern-Management-Systeme sichert die firmenspezifische Aufbereitung der Lerninhalte [Neum02, S.22] Notwendigkeit der CBT-Eigenentwicklung im Chip-Entwurf Der Chip-Entwurf ist ein sehr spezielles Wissensgebiet. Vorhandene CBTs sind teuer und die Auswahl ist sehr gering. Zum Beispiel ergab eine von uns durchgeführte Recherche zu VERILOG-CBTs lediglich die Titel aus Tabelle 3.2. Diese CBTs sind sicher zum Lernen von VERILOG (vgl. Abschnitt 6.2.3) unter anderen Umständen

39 3.2 Klassifizierung von Lernprogrammen 25 geeignet. Jedoch erfüllen sie nicht unsere Ansprüche (Abschnitt 3.1.2) für ein Blended Learning im Chip-Entwurf. Hersteller Titel Preis Doulos HDL PaceMaker ,00 Esperan Verilog MasterClass ,00 Xilinx Verilog CBT 344,00 McGraw-Hill Verilog Computer-Based 199,95 Professional Training Course Mabex RTL Verilog CookBook 240,00 Aldec (NTU) Practical Verilog for Simulation 710,00 (CD ) and Synthesis Series Aldec (NTU) (CD ) Verilog Advanced Topics and Synthesis 380,00 Tabelle 3.2 Kommerzielle Lernprogramme zur HDL VERILOG Zur Lehre des Chip-Entwurfs gehört auch der praktische Umgang mit CAD-Werkzeugen. Die Kopplung von Lernprogrammen und CAD-Werkzeugen zur Implementierung von hoch interaktiven CBTs erfordert ein individuell angepasstes Vorgehen, das kostengünstig nur bei Eigenproduktionen möglich ist. Keines der Lernprogramme aus Tabelle 3.2 unterstützt die Anbindung an ein CAD-Werkzeug. Dagegen haben wir in einer Eigenentwicklung z.b. das CBT VERILOGisch mit einem VERILOG-Simulator erfolgreich verbunden (Abschnitt 6.1.1). Der Lernende kann direkt das Gelernte im Simulator anwenden und individuell weiterentwickeln. Das explorierende Lernen wird damit unterstützt. 3.2 Klassifizierung von Lernprogrammen In der Literatur [z.b. RKFH02, S.68 f.; Blum98, S.34 f.; Jarz97, S.141 f.] findet man unterschiedliche Klassifizierungen von Lernprogrammen, die sich ähneln. Eine standardisierte, allgemein gültige Einteilung von Lernprogrammklassen ist jedoch nicht bekannt. Die fehlende Standardisierung und die Vielzahl an Klassifizierungen sind auch auf die nicht einfache Vergleichbarkeit von Lernprogrammen zurück zu führen. In diesem Kapitel erhalten Sie eine Übersicht über verschiedene [CBT] Formen, wobei die Zuordnung zu einer dieser Formen nicht immer eindeutig sein wird und auch sicherlich nicht sein muss [RKFH02, S.68]. Zur Klassifizierung findet man unterschiedliche Ansätze. Die geläufigsten werden im folgenden kurz vorgestellt. Unsere Auswahl an Lernmodellen und methodischen Grundtypen sind dann in Abschnitt beschrieben.

40 26 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time Attribute Einige Eigenschaften von Lernprogrammen haben sich als Maß zur Klassifizierung etabliert. Tabelle 3.3 zeigt eine mögliche Auswahl an Attributen, die wiederholt in der Literatur zu diesem Zweck auftauchen. Eine einheitlich definierte Begriffsmenge für alle Quellen ist jedoch nicht bekannt. Viele Attribute wie z.b. der Interaktionsgrad sind unter Experten nicht eindeutig definiert. Schulmeister schlägt eine Attribute offline / online Nutzung Interaktionsgrad Komplexität Implementierungsaufwand Tabelle 3.3 Auswahl an Attributen zur Klassifizierung von Lernprogrammen Differenzierung nach dem Grad der Interaktionsfreiheit vor. [...] Diese Einteilung ist jedoch sehr problematisch. So stellen z.b. Guided Tours i. allg. keine eigene Programmklasse dar, sondern dienen als ein möglicher Zugriffsmodus in Hypertext/Hypermedia-Systemen [Blum98, S.35] Lerntheorien Jedem Lernprogramm liegt, zumindest theoretisch, eine Lerntheorie zugrunde. Dabei wird oft zwischen der behaviouristischen, kognitivistischen und konstruktivistischen Orientierung unterschieden. In jeder Lernsoftware schlägt sich ein theoretisches Lernmodell nieder. Egal ob dieser theoretische Ansatz nun von den Autoren auch tatsächlich expliziert worden ist oder nicht, spiegelt die Lernsoftware angefangen vom behandelten Thema über den Aufbau bzw. die Struktur des Softwarepakets bis hin zur Benutzeroberfläche des Lernprogramms ein pädagogisches und didaktisches Modell wieder, das in ihr implementiert wurde [Baum97, 244]. Bahaviourismus Lernen durch Verstärkung Das Lernen erfolgt im Behaviourismus durch Konditionierung, d.h. durch eine Abfolge aus Reiz, Reaktion, Belohnung/Bestrafung. Mehrere Reiz-/Reaktionsmuster lassen sich verketten und erzeugen einen Gewöhnungseffekt, der von Vertretern der Theorie mit Lernerfolg gleichgesetzt wurde. So genannte Drill & Practice-Programme (z.b. Vokabel-Trainer) verwenden diese Lerntheorie. Inhalte werden wiederholt trainiert, bis ein Erfolg eintritt. Bereits kleine Lernschritte ermöglichen eine positive Rückkopplung, gleichzusetzen mit dem Verstärken des Gelernten. Dann kann zur nächsten Lernstufe übergegangen werden. Der Instruktionalismus ist eine Abwandlung des Behaviourismus. Bei Lernprogrammen nach dem instruktivem Modell wird der Lernprozess zentral organisiert und durch einen Lehrenden (z.b. Tutor oder CBT) gesteuert. Solche Lernprogramme sind stark lernzielorientiert und dienen primär der Aufgabenlösung

41 3.2 Klassifizierung von Lernprogrammen 27 und Übung. Ein Verständnis der Sachverhalte oder die Fähigkeit zur eigenständigen Problemlösung wird meist nicht vermittelt. Kognitivismus Lernen durch Einsicht, Modell des entdeckenden Lernens Beim Kognitivismus wird der Lernende im Gegensatz zum Behaviourismus als Individuum begriffen, das auf äußere Reize aktiv reagiert und nicht lediglich darüber gesteuert werden kann. Der Lernende stellt demnach einen aktiv agierenden Empfänger auf mediale Botschaften (Ton, Text, Bild, Film etc.) dar. Aufgrund seiner Erfahrung und seinem Wissen erfolgt nun eine Interpretation dieser Botschaften. Bei kognitivistisch orientierter Software muss die Überlegung beachtet werden, welche Abläufe zwischen Lernendem und Lehrmaterial, welche internen Prozesse beim Lernenden auslösen sollen. Obwohl bei kognitivistischer Orientierung der individuellen Interpretation eine Bedeutung zukommt, wird an der Wechselwirkungsannahme festgehalten, dass zwischen externer medialer Präsentation und internen Verarbeitungsprozessen ein direkter Zusammenhang besteht. Damit ist die Position verbunden, dass das Lernen durch Instruktion und Lernhilfen angeregt, unterstützt und in gewissem Umfang gesteuert werden kann. Konstruktivismus Lernen durch Erleben und Interpretieren Im Konstruktivismus wird die Annahme, dass durch mediale Botschaften der Lernende beeinflusst wird, skeptischer eingeschätzt. Hier wird dem Einfluss der individuellen Wahrnehmung und Verarbeitung von Erfahrungen eine stärkere Bedeutung zugesprochen. Das Individuum strukturiert Situationen, in denen es sich befindet, und gestaltet gleichzeitig die Situation in Wahrnehmung und Handeln mit. Für die Entwicklung von Lernprogrammen bedeutet dies, dass anstelle von instruktiven Modellen im wesentlichen Lernprogramme als Informations- und Werkzeugangebote für selbstgestaltete Lernprozesse zu konzipieren sind. Das konstruktivistische Modell, bei dem der Rezipient aktiv den Lernprozess mitgestaltet und nach dem Prinzip des entdeckenden Lernens arbeitet, steht im Gegensatz zum instruktiven Modell. Konstruktivistische Lernprogramme sind jedoch kostenintensiver bei der Implementierung. Konstruktives Lernen ist maschinell schwieriger zu unterstützen, da die Lerninhalte auf die individuellen Präferenzen und Fragen des Lerners abgestimmt werden müssen [Jarz97, S.138]. Der Radikale Konstruktivismus geht noch einen Schritt weiter und erklärt: Es gibt keine ontologische Realität. Ernst von Glasersfeld gilt als einer der Begründer des Radikalen Konstruktivismus. Interessant sind seine Thesen im Zusammenhang mit multimedialen Lernprogrammen. Wir können unsere Erfahrung mit niemandem teilen, wir können den Mitmenschen nur davon erzählen. Wenn wir dies tun, gebrauchen wir

42 28 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time Wörter, die wir mit unserer Erfahrung assoziieren. Was unsere Partner verstehen, wenn wir sprechen oder schreiben, das kann sich nur in den Bedeutungen verwirklichen, die sie aufgrund ihrer Erfahrung mit den Klangbildern der Wörter verknüpfen, die wir gebrauchen und ihre Erfahrung ist nie identisch mit der unsrigen [Glas97, S.92]. Durch Multimedia steigt die Variation der Kodierungsmöglichkeiten, und damit kann Wissen neben Sprache und Schrift mit weiteren multimedialen Mitteln, möglicherweise genauer, vermittelt werden. Selten wird in Lernprogrammen nur eine einzige Lerntheorie umgesetzt, in der Praxis kommt es zu Vermischungen. Eine konkrete Einteilung allein nach Lerntheorien ist aufgrund von Überschneidungen nur schwer möglich Methodische Grundtypen Eine weitere Klassifizierung ist die nach methodischen Grundtypen. Die verbreitetsten Typen sind tutorielle Systeme, intelligente tutorielle Systeme, Spiele und Mikrowelten. Teilweise führen Autoren auch Präsentationen, Simulationen und Hypermedien als Grundtypen ein [vgl. Blum98, S.38 f.]. Der älteste Grundtyp ist das tutorielle System, ihm liegt der Behaviourismus als Lerntyp zugrunde. Bei tutoriellen Systemen wird in einer weitgehend linearen Abfolge das Wissen in Phasen präsentiert: Einführung, Wissensvermittlung, Wissensabfrage und Antwortanalyse mit Rückmeldung. Der Entwickler gibt dabei die Instruktionsreihenfolge vor, die der Lerner dann abarbeiten muss (Drill & Practice-Programme). Tutorielle Systeme finden noch heute begründete Anwendung in Fällen, wo es auf das bloße Memorieren von Wissen ankommt. Die weite Verbreitung wird unter anderem auf die einfache und kostengünstige Implementierbarkeit zurückgeführt. Die Weiterentwicklung von tutoriellen Systemen sind intelligente tutorielle Systeme (ITS), mit adaptiven Systemen als Vorstufe. Dabei bedeutet adaptiv die Anpassung des Lernprogramms an den Lernenden. Das Lernprogramm analysiert durch Diagnose-Algorithmen die Unterstützungsbedürftigkeit des Lernenden und versucht durch Variation von adaptiven Größen den Lernerfolg zu steigern. Mögliche adaptive Größen sind z.b. Lernweg, Lerndauer, Schwierigkeitsgrad und Antwortzeit. Durch Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz zur Adaption entstehen die intelligenten tutoriellen Systeme, auch als hochadaptive Systeme bekannt. Der Idealfall bei ITS ist die Anpassung, die auch ein Tutor dem Lernenden entgegenbringen könnte. Die Umsetzung von ITS hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, da wesentliche Faktoren nicht erfasst und damit nicht berücksichtigt werden können. Als Beispiel sei hier ein Problem mit der Reaktionszeit genannt. Das System registriert, dass eine gewisse Zeit keine Eingabe erfolgt ist, jedoch bleibt ihm die

43 3.3 Low-Cost-Low-Time-Produktionen im universitären Umfeld 29 Ursache unbekannt. Als Folge kann das System Entscheidungen treffen, die für den Benutzer nicht nachvollziehbar sind und zu Frustration führen können. Spiele sprechen eher jüngere Lernende an und gehen auf die konstruktivistische Lerntheorie zurück, dem Lernen durch Entdecken im Spiel. Sie erfordern allerdings ein hohes Maß an Selbstlenkung und sind damit weniger zum Vermitteln von Grundlagen geeignet. Ergänzend können Spiele z.b. zur Motivation, Auflockerung und Entspannung von konzentrierten Lernphasen eingesetzt werden. Durch Mikrowelten werden Realitäten partiell in die virtuelle Umgebung des Lernprogramms abgebildet. Dabei steht das Lernen durch Aktion-Reaktion im Vordergrund. Durch seinen Einfluss löst der Lernende Vorgänge aus und lernt über die Konsequenzen seines Handelns. Modell instruktiv konstruktiv Lernprogrammklassen Präsentationen Hypermedien Tutorielle Systeme Intelligente tutorielle Systeme Spiele Mikrowelten Tabelle 3.4 Mögliche Lernprogrammklassen Je konstruktiver das Lernprogramm wird, um so höher steigt der Implementierungsaufwand. Damit sind stark konstruktive Lernprogramme zur CBT-Eigenproduktion eher ungeeignet. Tabelle 3.4 gibt eine mögliche Zusammenstellung von Lernprogrammklassen nach Grundtypen, geordnet von instruktiven zu den konstruktiven Lernmodellen. Während Präsentationen im universitärem Umfeld ein gängiges Mittel zur Wissensvermittlung sind, kommen ITS kaum vor. Hypermedien, als Internet-Seiten wohl in der am meisten vorkommenden Form, haben sich ebenfalls etabliert. Ob Hypermedien instruktiver oder konstruktiver als tutorielle Systeme sind, hängt auch von der jeweiligen Implementierung ab. 3.3 Low-Cost-Low-Time-Produktionen im universitären Umfeld Es ist allgemein bekannt und wird doch immer wieder unterschätzt, dass die Produktion von CBTs mit hohen Kosten verbunden ist. Technischen Instituten, die keine brauchbaren CBTs auf dem Markt finden, bleibt nur die CBT-Eigenproduktion, so auch in der Lehre des Chip-Entwurfs (Abschnitt 3.1.2). Jedoch kommt wegen den hohen Kosten höchstens die Produktion unter scharfen Randbedingungen in Frage. Um die Vorteile multimedialer Lernprogramme im Chip-Entwurf nutzen zu können, streben wir die Low-Cost-Low-Time-Produktion (LCLT-Produktion) an: Die Produktion von Lernprogrammen darf den Produktionsaufwand klassischer Skripten nur um den Faktor zwei bis vier übersteigen. Mit dieser Obergrenze wird die

44 30 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time Optimierung der Produktionskosten im Gegensatz zur herkömmlichen CBT-Produktion gefordert. Die CBT-Eigenentwicklung haben wir 1997 begonnen und stetig weiterentwickelt. Dabei haben wir wesentliche Punkte erarbeitet, die die LCLT-Produktion von CBTs ermöglichen. Im folgenden werden diese Punkte zusammengefasst präsentiert Autorensysteme Zur CBT-Produktion werden Autorensysteme den klassischen Programmiersprachen wie C, Java und Delphi vorgezogen. Da sie CBT-spezifische-Lösungen anbieten, verkürzen Autorensysteme die Entwicklungszeit. Bild 3.5 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Bild 3.5 Merkmale von Autorenwerkzeugen [vgl. auch Jarz97, S.325, IsKl02, S.165] Auch unter den Autorensystemen gibt es allerdings Unterschiede (vgl. Bild 3.5), die zur Kostenminderung berücksichtigt werden sollten. Bei der Wahl eines Autorensystems zur LCLT-Produktion sollte auf folgende Punkte geachtet werden: - Kurze Einarbeitungszeit, da im universitären Umfeld nicht nur Stammpersonal, sondern eher wechselnde Nutzer wie Studenten, Hilfsassistenten oder wissenschaftliche Mitarbeiter das Autorensystem bedienen werden; - möglichst zukünftig garantierter Support, ein Wechsel des Autorensystems könnte die Überarbeitung aller bereits entwickelten CBTs notwendig machen; - hohe Benutzerfreundlichkeit, z.b. durch eine graphische Benutzeroberfläche, die parallel zu einer optionalen Skript-Sprache verwendet werden kann; - Erweiterbarkeit durch klassische Programmiersprachen, um komplexere Probleme zu implementieren;

45 3.3 Low-Cost-Low-Time-Produktionen im universitären Umfeld 31 - großer Bekanntheitsgrad fördert den Zugang an Informationen und Lösungen, z.b. über Newsgroups oder das Internet; auch ist Literatur zu bekannten Autorensystemen vielfältiger im Angebot; dies kann die Entwicklungszeit verkürzen, da Lösungen oftmals bereits erarbeitet z.b. im Internet vorliegen; bei Exoten ist man überwiegend auf die Handbücher und den Support beschränkt; - Eignung zur modularen Implementierung, damit Teams an einer CBT-Lösung parallel arbeiten können; dies spart Entwicklungszeit, und die später folgende Wartung und Pflege wird erleichtert Bild- und Grafik-Bibliotheken Individuell produzierte Bilder oder Grafiken sind oftmals sehr teuer und erhöhen die Produktionszeit. Durch den Einsatz von Bild- und Grafik-Bibliotheken kann hier Abhilfe geschaffen werden. Dabei ist auf die möglichst lizenzfreie Nutzbarkeit zu achten Modularität Bereits bei der Entwicklung der CBTs sollte auf eine Modularisierung und Austauschbarkeit geachtet werden. Dies erleichtert den zukünftigen Einsatz, indem bereits produzierte Stücke einfach durch neue CBTs ergänzt oder ersetzt werden können. Es ist allgemein bekannt, dass das Konzept des Design-Reuse die erneute Erfindung des Rades verhindert und Einsparungen bringt. Nur wenn Modularität vorhanden ist, kann Design-Reuse effektiv eingesetzt werden. Wir haben mit einem wiederverwendbaren CBT-Gerüst versucht, das Konzept von Modularisierung und Design-Reuse auf die CBT-Eigenentwicklung zu übertragen. Dieses Konzept, seine Anwendung und alle zugehörigen Lernprogramme zusammen bezeichnen wir als Referenzmodell für multimediale Lernprogramme oder kurz als Referenzmodell. Details zum Referenzmodell werden in Kapitel 4 vorgestellt. Mit Lerneinheit bezeichnet man eine in einem Lernprogramm dargestellte Wissensmenge. Sie kann auf anderen Lerneinheiten aufbauen oder eigenständig sein. Mit Granularität bezeichnet man die Größe einer Lerneinheit. Leider gibt es keine normierte Größe zum Messen der Granularität. Oft wird sie intuitiv nach pädagogisch-didaktischem Empfinden des Lehrenden festgelegt Studenten entwickeln für Studenten Personalkosten belasten am stärksten die Entwicklungskosten, so auch bei der CBT-Entwicklung. Die Entwicklungszeiten beeinflussen die Personalzeiten, und die

46 32 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time sind der größte Brocken bei einer CBT/WBT-Produktion [RKFH02, S.109]. Zur Reduktion dieser Kosten haben Hochschulen ein besonders wertvolles Potenzial: Studenten. Dies soll auf keinen Fall das Ausbeuten von günstigen studentischen Arbeitskräften bedeuten, sondern es steckt die Idee des Lernen durch Lehren dahinter. Indem Studenten in Praktika, Studien- und Diplomarbeiten dazu ermuntert werden, Lernprogramme zu entwickeln, wechseln sie quasi die Rolle vom Lerner zum Lehrer und sind motiviert, besonders gründlich zu lernen. Denn nur das, was man selber weiß und verstanden hat, kann man auch in CBTs umsetzen (Beim Lehren lernt man..., Lucius Annaeus Seneca, um 4 v. Chr. bis 65 n. Chr., römischer Philosoph, Staatsmann und Dichter). Dieser Ansatz ist auch insofern interessant, als die Ergebnisse aus studentischen Arbeiten sonst kaum zur Lehre wiederverwendet werden. Anders hier, besonders gelungene CBTs können ohne weiteres zur Lehre für jüngere Semester eingesetzt werden Reuse von klassischen Lehrmaterialien Zu den Produktionskosten von CBTs gehört auch die Aufbereitung des Wissens als Rohmaterial. Die Inhalte müssen zusammengetragen, gegliedert und zu Kernaussagen zusammengefasst werden. Durch den Einsatz von bereits verfügbarem Lehrmaterial, auf dem die CBTs aufbauen, werden Kosten gespart. Hochschulen als Stätten der Bildung verfügen über genügend Rohmaterial. Bei CBT-Eigenproduktionen können damit die Lehrmaterialien aus der klassischen Lehre in CBTs umgesetzt werden. Die klassische Lehre gibt Gliederung und Kernaussagen vor, was eine zusätzliche Erleichterung bedeutet. Im Weiterbildungsbereich sucht man zunächst Träger von inhaltlichem Wissen, das als Rohmaterial eingekauft und von anderen Partnern didaktisch aufbereitet und von wiederum anderen technisch multimedial umgesetzt wird. [...] Anders an den Hochschulen: Hier verfügt das wissenschaftliche Personal über das fachlich-inhaltliche Wissen. Das Rohmaterial ist vorhanden [GlKu00, S.113]. Durch den Einsatz von vorhandenem Lehrmaterial erhalten die CBTs zusätzlich eine starke Anlehnung an die bereits praktizierte Vorlesung. 3.4 Didaktische Konzepte für CBTs im Chip-Entwurf Im Rahmen der LCLT-Produktion ist die Entwicklung von komplexen intelligenten tutoriellen Systemen und höheren konstruktivistischen Grundtypen (Abschnitt 3.2) wegen der Kosten nicht möglich. Beschränkt man sich jedoch beim E-Learning nur auf die Präsentation von Fakten, wird kaum ein Lernender damit zu motivieren sein.

47 3.4 Didaktische Konzepte für CBTs im Chip-Entwurf 33 Im Bereich des Chip-Entwurfs haben wir versucht, durch besondere didaktische Konzepte die Attraktivität unserer CBTs zu steigern, ohne wesentlichen Mehraufwand zu produzieren Integration von CAD-Werkzeugen ins CBT Zur Lehre der Hardware-Beschreibungssprache VERILOG haben wir einen frei verfügbaren kostenlosen Simulator in ein CBT integriert (Abschnitt 6.1.1). Lernende werden zunächst durch das CBT an die VERILOG-Sprachkonstrukte multimedial herangeführt. Parallel zu jeder Lektion können sie eine Experimentierwand aufrufen und dort Beispiele simulieren. Der integrierte vollwertige Simulator erlaubt sowohl die Ausführung von weiter modifiziertem Code als auch die Simulation von vollständig selbst entwickelten VERILOG-Programmen. Der Lernende kann das Gelernte direkt komfortabel explorieren, ohne Installationen durchführen und Handbücher wälzen zu müssen. Die Integration von CAD-Tools oder auch anderen Applikationen sehen wir als einen besonderen Vorteil von CBTs. In WBTs ist dies wegen Zugriffsrechten, Netzgeschwindigkeit, auf Grund der verteilten Systeme, Lizenzrestriktionen und weiterer Hürden schwieriger CBT als virtueller Tutor Im Chip-Entwurf kommen auch hochkomplexe CAD-Werkzeuge zum Einsatz. Der Umgang mit diesen Tools ist Teil der Ausbildung. Lernende müssen hier mit intensiver Betreuung geschult werden, ansonsten fühlen sie sich allein gelassen und überfordert, was zu Resignation führen kann. Wir haben zu diesem Zweck ein CBT entwickelt, das in die Arbeit mit solch einem komplexen Tool, dem Synopsys Design Analyzer, einführt. In diesem Zusammenhang definieren wir den Begriff der losen Kopplung als die Verbindung von CBT und realen Tools ohne eine programmierte Schnittstelle. Das CBT wird parallel zu dem Tool verwendet, wobei einzelne Schritte zunächst im CBT erklärt und interaktiv wiedergegeben werden. Zur Umsetzung wechselt der Lernende anschließend zum realen Tool und vollzieht die dort gerade gelernten Schritte. Damit fungiert das CBT quasi als Instruktor. Die Granularität der Lernschritte ist hier besonders klein gehalten, um Fehler am realen Tool zu vermeiden. Leider ist durch die lose Kopplung ein Feedback vom Tool ebenfalls nur manuell möglich. Allerdings wissen dies die Lernenden auch, und wir haben beobachtet, dass die Ausführung dann um so genauer befolgt wird. Die so erreichte höhere Aufmerksamkeit der Lernenden sehen wir als positive Motivation.

48 34 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time Ansprechen von auditiv und visuell orientierten Lernern Die Lerneinheiten in unseren CBTs werden von mindestens einem Sprecher kommentiert. Die Einbeziehung der auditiven Modalität in Multimediaanwendungen eröffnet attraktive Möglichkeiten. Gesprochene Sprache ist einprägsam, weckt Aufmerksamkeit und wirkt auch persönlicher als gedruckte Sprache [Weid02, S.53]. Der gesprochene Kommentar wird zusätzlich in einem Textfenster als Text dargestellt. Damit werden sowohl auditive als auch visuell orientierte Lerner unterstützt. Die sprachliche Kommentierung von CBTs kann sehr aufwändig werden und damit in Widerspruch zur LCLT-Produktion treten. Hier sind durch Abwägen von Kosten zur Qualität Entscheidungen zu treffen, um im Rahmen der LCLT-Produktion zu bleiben. 3.5 Low-Cost-Low-Time-Produktion an der Abteilung E.I.S. Um mit Hilfe von CBTs die Lehre des Chip-Entwurfs zu ergänzen, haben wir die sonst sehr kostenintensive CBT-Eigenentwicklung optimiert und Konzepte für unsere LCLT-Produktion entwickelt. Mit diesen Konzepten ist es uns gelungen, die Kosten soweit zu senken, dass CBT-Eigenentwicklungen auch für einfache technische Institute möglich werden Autorensystem Authorware Zu Beginn unserer Forschung stand die Wahl eines geeigneten Autorensystems. Nach einer Marktrecherche kamen die Produkte Director 5.0, Authorware 3.5 und ToolBook 4.0 in die engere Auswahl. Durch Tests mit Studenten fanden wir heraus, dass Authorware von diesen Autorensystemen am einfachsten zu erlernen ist und schnell zu Resultaten führt. Ohne Programmierkenntnisse [...] lassen sich sehr schnell einfache Anwendungen erstellen [vgl. GoPu97, S.38]. The heart of Authorware s ease of use lies in the fact that it is truly a What-You-See-Is-What-You-Get (WYSIWYG) authoring environment [WiTh02, S.2]. Diese Meinung teilen auch andere 3. 3 In der PCWeek vom fand eine Rezension statt, in der Herb Bethoney und 18 Juroren aus Hochschulen und Firmen folgende Programme verglichen: TopClass, LearningSpace, Authorware 4, QuestNet+, ToolBook II Assistant, ToolBook II Instructor, Phoenix for Windows, IconAuthor. Auf einer Skala von 0 bis 100 rangierten die getesteten Produkte im Bereich zwischen 82 und 98 Punkten. Mit einem Punkt Abstand hatte WBT Systems Inc. s TopClass die Nase vorn. Auf dem zweiten Platz landeten Lotus Development Corp. s LearningSpace und Macromedia Inc. s Authorware 4. An vierter Stelle plaziert wurde Allen Communication Inc, s QuestNet+; an fünfter Stelle gleichauf kamen Asymetrix Corp. s ToolBook II Assistant und ToolBook II Instructor und Pathlore Software Corp. s Phoenix for Windows. Von dieser Rezension erfuhren wir erst später durch [Schu00], jedoch fanden wir die Bestätigung unserer Wahl.

49 3.5 Low-Cost-Low-Time-Produktion an der Abteilung E.I.S. 35 Unter Authorware kann der CBT-Designer mittels einer grafischen Benutzeroberfläche per Drag n drop sein CBT aufbauen. Dabei wird z.b. durch wiederholtes Platzieren von Icons entlang einer Flusslinie programmiert. Diese Art des Programmierens führt selbst Anfänger schnell zu Ergebnissen. With Authorware, you can easily create interactions that require that the learner becomes engaged in the learning process, without the use of programming [WiTh02, S.2]. Fortgeschrittene und Profis können mit der integrierten Skriptsprache oder in klassischen Programmiersprachen Feinheiten ausarbeiten oder besonders Komplexes lösen. Bild 3.6 zeigt einen Vergleich, wie Macromedia Authorware zu anderen eigenen Autorensystemen positioniert. Authorware s Stärken liegen in der Implementierung von Interaktionen (learning interactions), den geringen Anforderungen an den Autor (technical skills) und dem Aufzeichnen von Leistungen (student tracking). Bild 3.6 Vergleich von Authorware mit anderen Autorensystemen von Macromedia [Macr03] Authorware hat eine sehr aktive und hilfsbereite Nutzergemeinde (AWARE), die über das Web ([Auth03a]) oder über eine Mailing-Liste zu erreichen ist. AWARE besteht seit Februar 1994, ein Indiz für die Langlebigkeit. Nutzer finden hier kostenlos kompetente Hilfe, die von Ratschlägen bis zu programmierten Lösungen reicht. Dieser Service muss bei anderen Herstellern teuer bezahlt werden. Ebenfalls ein Indiz für die Qualität ist, dass auch Mitarbeiter von Macromedia hier teilnehmen, wie z.b.

50 36 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time Jamil Zainasheff 4, Stefan van As 5, Ed Skwarecki, um nur einige zu nennen. Weitere Profis, die Bücher über Authorware geschrieben haben und langjährige Erfahrungen vorweisen können, wie Joe Ganzi, Ron Lubensky, Jennie Thornton sind, unter vielen anderen Größen des Gebiets, ebenfalls dabei. Authorware ermöglicht den modularen Aufbau von CBTs auf unterschiedlichen Ebenen, was ein wesentlicher Vorteil ist. Sowohl Teile einer Applikation als auch ganze Applikationen können so in Teams entwickelt und später zusammengestellt werden. Diese Eigenschaft von Authorware haben wir ausgenutzt und ermöglichen den modularen Aufbau von Lernsystemen. Mehrere Lernprogramme auf Basis des Referenzmodells, die zusammen ein Lerngebiet lehren und miteinander verbunden sind, bezeichnen wir als Lernsystem. Diese Lernprogramme sind im Lernsystem modular und austauschbar. Durch Modularität wird die Erweiterbarkeit und die Pflege von Lernsystemen erleichtert. Neue Komponenten können kostengünstig eingefügt, vorhandene bei Bedarf ausgetauscht oder ganz entfernt werden. Obwohl heute weitere Autorensysteme verfügbar sind, bleibt Authorware, das mittlerweile in der Version 7 vorliegt, für die LCLT-Produktion nach unserer Einschätzung unübertroffen. Macromedia als Marktführer in diesem Segment gewährleistet den künftigen Support von Authorware. Eine detaillierte Einführung in Authorware würde den Rahmen dieser Arbeit bei weitem sprengen. Wir verweisen an dieser Stelle auf entsprechende Literatur ([WiTh02, KeBh02, SAGK00, Tuck97, Robe97]) und Informationen aus dem Internet ([Auth03a, Auth03b, Auth03c]). Im folgenden wollen wir einige wenige, für die Zukunft wichtige Punkte zu Authorware erwähnen. Authorware ist nicht nur für die Produktion von CBTs, sondern auch für WBTs geeignet. Although Authorware can be described as an authoring tool for creating multimedia and Web applications in general, its strength lies in its ability to create, deliver, and keep record of highly interactive learning/training applications that can be delivered on CD-ROM, LANs/WANs, company intranets, or over the internet [WiTh02, S.3]. Die heute als CBT entwickelten Kurse können später, wenn z.b. höhere Bandbreiten allgemein verfügbar sind, auf WBTs umgestellt werden, ohne dabei das Autorensystem wechseln zu müssen, die aufgebaute Kompetenz bleibt erhalten. Ab der Version 6 ist z.b. in Authoware das One-Button-Publishing integriert, mit dem eine Authoware-Applikation quasi per Tastendruck in eine Web-Applikation überführt werden kann. Zum Abspielen im Browser benötigt man lediglich ein kostenloses Authoware-Plugin, ähnlich wie das bekannte Flash- oder Shockwave 6 -Plugin. Allerdings sind hier einige Feinheiten zu beachten. Die 4 Director of Product Engineering for Authorware at Macromedia. 5 Software Engineer at Macromedia for Authorware. 6 Das Shockwave-Plugin wird benötigt, um Macromedia Director Filme abzuspielen. Während das Flash-Plugin mittlerweile mit den gängigen Browsern ausgeliefert wird, müssen für Director und Authorware die Plugins extra installiert werden.

51 3.5 Low-Cost-Low-Time-Produktion an der Abteilung E.I.S. 37 Umwandlung von bereits bestehenden CBTs in WBTs ist nicht uneingeschränkt möglich, z.b. in Fällen wo das CBT von lokalen Komponenten abhängig ist. XML (extensible Markup Language) hat sich als Daten-Beschreibungssprache etabliert. Auch Authorware unterstütz XML. The XMLParser Xtra allows Authorware pieces to read, parse, and make use of the contents of XML documents. Create dynamic, data-driven applications by importing external data stored in Web-standard XML files [Auth02a]. Lern-Management-Systeme (LMS) dienen zur Distribution, Kontrolle und Verwaltung von Inhalten und Lernenden. Authorware kann nach mehreren Standards mit LMS kommunizieren, z.b. nach AICC (Aviation Industry CBT Committee) oder SCORM (Shareable Courseware Object Reference Model). Mehrere Beispiele findet man unter anderen Quellen auch auf der Installations-CD. Trotz aller Vorteile hat Authorware auch seine Schwächen, die nicht verschwiegen werden sollen. So bereiten Änderungen, die an mehreren Stellen im Programm durchzuführen sind, Probleme, da es keinen Batch-Modus gibt. Im Batch-Modus können Funktionsabläufe automatisch wiederholt werden. Zum Beispiel wird in Grafikprogrammen damit das Konvertieren von mehreren Bildern in ein anderes Grafikformat erleichtert. Da die Funktionalität in der Icon-Struktur verborgen ist, müssen teilweise erst mehrere Icons durch Anklicken geöffnet werden, bis die eigentliche Änderung vorgenommen werden kann. Die einfache Drag n drop-bedienung verleitet gerade Anfänger dazu, den Einsatz von Icons zu übertreiben. Implementierungen für die ein Icon genügen würde, werden durch eine komplexere Struktur aufgebaut. Dies kann zu unnötig unübersichtlichen Programmen führen, die Performance bei der Ausführung sinkt und natürlich wird der Code unnötig groß. Während bei CBTs in der Regel genügend Resourcen die ineffiziente Programmierung ausgleichen, ist bei WBTs Ineffizienz inakzeptabel Standardisierung Durch die Vielfalt der eingesetzten Medien spielt bei der CBT-Entwicklung Kreativität eine wesentliche Rolle. Während Profis aus Erfahrung ungünstige Kombinationen in der Umsetzung vermeiden, sind Anfänger oftmals überfordert. Die Suche nach Lösungen kann die Produktionskosten erhöhen. Durch maßvolle Vorgaben und Standardisierungen haben wir diese Kosten minimiert, ohne die Kreativität nach unserer Meinung zu beschneiden (vgl. Abschnitt und 4.2) Design-Reuse und modularer Aufbau von CBTs Während der Entwicklung mehrerer CBTs ist uns aufgefallen, dass wiederholt Zeit und damit Kosten in die Entwicklung von wiederkehrenden Abläufen gesteckt wurde. Um

52 38 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time diese Kosten zu eliminieren, haben wir das Referenzmodell entwickelt und unseren CBTs damit eine modulare Struktur zugrunde gelegt. Lernprogramme, die auf dem Referenzmodells basieren, bekommen ein einheitliches Erscheinungsbild. Lernende müssen sich somit nicht jedesmal aufs Neue in eine Benutzeroberfläche einarbeiten, der Wiedererkennungswert steigt. Lernprogramme können zu Lernsystemen zusammengestellt werden. Mit dieser Option können einmal erstellte Lernprogramme als Teil von mehreren Lernsystemen wiederverwendet werden. Diesem Konzept liegt das Referenzmodell zugrunde. Es wird in Kapitel 4 detailliert beschrieben und soll an dieser Stelle nicht weiter erklärt werden Multimediale Lehre zur Einarbeitung ins Referenzmodell Mit unseren Lernprogrammen auf Basis des Referenzmodells vermitteln wir Wissen aus dem Bereich des Chip-Entwurfs. Der Einsatz des Referenzmodells ist allerdings nicht nur auf dieses Gebiet beschränkt, sondern kann universell erfolgen. Wir nutzen es z.b. auch, um zukünftige CBT-Entwickler einzuarbeiten und um unsere Erfahrungen in der CBT-Produktion multimedial zu vermitteln Lernen durch Lehren Um den Bedarf an CBT-Entwicklern zu decken, bieten wir qualifizierten Studenten Studien- und Diplomarbeiten an. Eine Qualifikation können Studenten z.b. in unserem Multimedia-Praktikum Multimediale Lehre im Chip-Entwurf erlangen. Das Praktikum nutzen wir, um Studenten nach dem Prinzip des Lernen durch Lehren zu unterrichten (vgl. Abschnitt 3.3.4). Im Multimedia-Praktikum entwickeln Studenten zu ausgewählten Themen des Chip-Entwurfs Lernprogramme mit dem Referenzmodell unter Authorware. Es entstanden bereits mehrere Titel wie Built-In Logik Block Observer (BILBO), A Simple Instruction Computer (ASIC), Grobüberblick integrierter Schaltungen (GrobiS CBT) und Logiksynthese, um nur einige zu nennen. Gelungene Arbeiten werden gewöhnlich in Studien- und Diplomarbeiten noch verbessert oder ergänzt. Teile des Projekts VeriBox, das in Kapitel 6 beschrieben wird, entstanden ebenfalls mit der Unterstützung von Studenten. So werden gute Ergebnisse der studentischen Arbeiten zu Lehrzwecken wiederverwendet Eingesetzte Lerntheorien und methodische Grundtypen Im Rahmen der Low-Cost-Low-Time-Produktion können sowohl behaviouristisch als auch kognitivistisch orientierte Lernprogramme entstehen. So zeigen viele von uns

53 3.5 Low-Cost-Low-Time-Produktion an der Abteilung E.I.S. 39 entwickelte Lernprogramme z.b. in den enthaltenen Testaufgaben behaviouristische Züge, in denen durch die mehrfache Bearbeitung der Fragen eine Konditionierung entsteht. Sehr viel öfter wird in unseren Lernprogrammen der kognitivistische Ansatz verfolgt, indem Modelle interaktiv präsentiert werden. Durch Ausprobieren erlangt der Lernende Einsichten. Bild 3.7 zeigt eine Seite aus dem CBT Illusion (Abschnitt 6.1.3), in dem ein Modell die Bewegung des Elektronenstrahls erklärt. Bild 3.7 Modell zum Elektronenstrahl Konstruktivistische Lernprogramme sind schwieriger zu implementieren (vgl. Abschnitt 3.2.2). Im CBT VERILOGisch (Abschnitt 6.1.1) werden kurze VERILOG-Programme vorgestellt und können mit dem integrierten Simulator übersetzt und ausgeführt werden. Dem Lernende wird hier ermöglicht, durch Ergänzen der Programme selber weitere Erfahrungen zu sammeln. Damit dient das Lernprogramm eher als gestalterisches Element denn als instruktives. Diesen Ansatz haben wir im CBT Regeln und Empfehlungen zur Logiksynthese (REL) mit einem selbst entwickelten Parser erweitert (Abschnitt 6.1.5). Wegen dem exponentiell ansteigenden Entwicklungsaufwand bei intelligenten tutoriellen Systemen (ITS) zur integrierten Stoffmenge sind diese zur Low-Cost-Low- Time-Produktion ungeeignet. Bei Spielen und Mikrowelten (Abschnitt 3.2.3) gibt es ähnliche Probleme, auch wenn der Aufwand im Gegensatz zu ITS kleiner ist. Damit beschränkt sich die Entwicklung in Low-Cost-Low-Time-Produktionen überwiegend auf Tutorielle Systeme und Präsentationen.

54 40 Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time

55 4 Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme Dieses Kapitel stellt das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme vor. Es wurde entwickelt, um die Produktion von CBTs zu erleichtern, zu beschleunigen und damit Kosten zu senken. Während der Entwicklung wurden viele kleine Tests und Versuche durchgeführt. Aus dieser Forschung entstanden mehrere Versionen bis zur aktuellen Version 5. Oft scheinen die Umsetzungen selbstverständlich und selbsterklärend. Die investierte Forschung erkennt man allerdings, wenn man unsere Lernprogramme mit bereits auf dem Markt vorhandenen CBTs vergleicht. Die positive Entwicklung spiegelt sich auch in den mehr als 30 Lernprogrammen wieder, die auf Basis des jeweils aktuellen Referenzmodells entstanden. In Fragen der Didaktik, Psychologie und Physiologie, also für uns fachfremden Disziplinen, stützten wir uns als Forschungseinrichtung der technischen Informatik auf Erkenntnisse, die wir aus entsprechender Literatur zusammengetragen haben, ohne diese zunächst selber zu erforschen. Im folgenden beginnen wir mit Grundlagen und stellen anschließend die Konzeption vor. Schließlich folgt eine Abschätzung der Zeitersparnis, die das Referenzmodell bringt. 4.1 Grundlagen zum Referenzmodell In Ansätzen zur Kostensenkung sind Design-Reuse-Maßnahmen ein bewährtes Mittel. The design process in most engineering disciplines is based on component reuse [Somm01, S.307]. Im Software-Engineering und der IT-Branche (IT, Informations- Technologie) trifft man besonders häufig auf diesen Ansatz. Software should be considered as an asset and reuse of these assets is essential to increase the return on their development cost [Somm01, S.307]. Windows bedient sich z.b. mit den Dynamic Link Librarys (DLL) dieses Ansatzes. Funktionen liegen zentral in DLLs und können von Applikationen durch Aufruf verwendet werden. Diese Funktionen müssen somit nicht jedesmal neu

56 42 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme programmiert werden, sondern stehen direkt zur Verfügung, und der eigene Code baut oftmals darauf auf. Im Chip-Entwurf bezeichnet man mit Intellectual Property (IP) fertige Schaltungsmodule, die in anderen Schaltungen wiederverwendet werden. Eine Schaltung die z.b. unter Aufwand optimiert wurde, wird als Geistiges Eigentum geschützt und bringt ihr Return-on-Investment, indem sie von anderen lizensiert wird. Die Lizenznehmer ersparen sich dadurch die Zeit zur Entwicklung und die Kosten, weil die Lizenz oft günstiger ist. Ein Ableger von IPs sind Chipbaukästen: Chipbaukasten bringt Zeitgewinn: Grundidee: Die Entwickler greifen auf einen vorhandenen Baukasten von Schaltmodulen zurück und ergänzen den Chip dann um kundenspezifische Funktionen [Comp02a]. Ähnliche Ansätze gibt es natürlich auch außerhalb der IT-Branche, z.b. in der Automobil-Industrie. Dr. Ferdinand Piëch beschreibt in seiner Autobiographie, wie durch die modulare Bauweise von Autoteilen und Einsatz in unterschiedlichen Konzernmarken eine Rationalisierung erreicht wurde. Die Rationalisierungseffekte bestehen einerseits in komplexen Modulen (bis zu Systemen), vor allem aber in einer Längsverkettung von Gleichteilen über die Hierarchie hinweg: Das oberste Federbein beim Polo könnte auch einen mittelmotorisierten Golf und einen niedermotorisierten Passat ausstatten [Piëc02ë, S.203]. Hier ist das Zusammenspiel von Standardisierung und Design-Reuse besonders deutlich zu erkennen. Standardisierte Komponenten werden einmal entworfen und wiederholt in unterschiedlichen Automobil-Modellen mit modellspezifischen Teilen verbaut. Ähnliche Rationalisierungseffekte können auch bei der CBT-Produktion ausgenutzt werden. Dazu haben wir das Referenzmodell entworfen, mit dem Ziel, die CBT-Produktion im Sinne von Low-Cost-Low-Time (Abschnitt 3.3) zu optimieren. Durch Design-Reuse, Standardisierungen und Vorgaben werden der Produktionsaufwand und die Entwicklungskosten reduziert. Das Referenzmodell basiert auf diesen bewährten Regeln und ist eine Anwendung zur kostengünstigen CBT-Produktion (Abschnitt 4.2) Anforderungen Zu Beginn der Entwicklung wurden Ziele, Ansprüche und Erwartungen definiert, denen das Referenzmodell genügen sollte: - Die Entwicklungszeit von CBTs soll verkürzt werden. - Ihre Wartung soll vereinfacht werden (Erweiterung, Anpassung und Pflege). - Die dazu gewählte Lernprogrammstruktur soll die Umsetzung eines Textskripts in ein CBT unterstützen und erleichtern. Man kann existierende Gliederungen übernehmen.

57 4.1 Grundlagen zum Referenzmodell 43 - Der Einsatz soll nicht auf das universitäre Umfeld beschränkt sein, obwohl es zunächst hier eingesetzt werden soll. - Team-Arbeit bei der Implementierung von CBTs soll mit dem Referenzmodell gefördert werden. - Die Einarbeitungszeit 7 soll möglichst minimal sein. - Der Funktionsumfang soll die Navigation im Lernprogramm umfassen und das Lernen fördern. - Kommunikation zwischen Lernprogramm und anderen CAD-Tools soll möglich sein. - Multimedia-Anfänger, Amateure und Profis sollen das Referenzmodell gleichsam nutzen können Zielgruppen Das Referenzmodell wendet sich an Dozenten, wissenschaftliche Mitarbeiter und andere Entwickler multimedialer Lernprogramme mit Sprachunterstützung. Da es ein offenes System ist, kann es beliebig adaptiert und für eigene Ansätze umprogrammiert werden und beschränkt sich nicht auf ein bestimmtes Wissensgebiet. Durch den Einsatz des Referenzmodells legt sich der CBT-Designer keinesfalls auf eine Lerntheorie oder einen der methodischen Grundtypen fest. Die Ausprägung, die sein CBT bekommt, hängt immer noch von seiner Umsetzung ab. Wir haben das Referenzmodell für anspruchsvolle Arbeiten bis hin zu Teilen dieser Dissertation (Kapitel 6) und sogar zur Selbstdarstellung des Referenzmodells (Abschnitt 4.1.4) verwendet. Dabei sind sowohl behavioristische als auch konstruktivistische Lernprogramme entstanden Voraussetzungen Voraussetzungen für die eigene CBT-Entwicklung ist ein Standard-Windows-PC mit Authorware-Lizenz und dem Referenzmodell aus Abschnitt Weitere Tools wie Grafik-, Musik-, Video- und Animationsprogramme werden je nach individuellem Bedarf zusätzlich benötigt. Das Referenzmodell ist mit Authorware implementiert, und es werden nur Kenntnisse in diesem Autorensystem vorausgesetzt. Das Referenzmodell wurde eher zur LCLT-Produktion von CBTs als von WBTs entwickelt. Es enthält zur Kopplung von CBTs Funktionen, die nicht uneingeschränkt 7 Mit Einarbeitungszeit ist sowohl die Einarbeitung ins Referenzmodell als auch die Einarbeitung in dazu notwendige Tools gemeint.

58 44 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme über ein Netz laufen. Lässt man diese weg, so kann das Referenzmodell auch in WBTs eingesetzt werden. Ferner werden natürlich Kenntnisse im Umgang mit Computern und ein gewisses Verständnis von Programmierprinzipien im Allgemeinen vorausgesetzt. Natürlich sind auch mediendidaktische Fähigkeiten sinnvoll Komponenten Das Referenzmodell besteht aus mehrere Programmkomponenten und einem Konzept zur LCLT-Produktion von CBTs. Bild 4.1 zeigt alle Programmkomponenten des Referenzmodells. Bild 4.1 Programmkomponenten des Referenzmodells Das CBT-Gerüst Refmod-Starter-Kit (RSK) stellt die Ausgangsbasis für jedes Lernprogramm dar und liegt als Authorware-Source-Code vor. Es entspricht einem Lernprogramm ohne Inhalt, jedoch mit bereits vielen fertigen Funktionen wie Lesezeichen, Inhaltsverzeichnis und Navigation. In Abschnitt wird der Einsatz des RSK beschrieben. Das Projekt-Linking-Tool (PLT) dient mit einer grafischen Benutzeroberfläche dem einfachen Koppeln von Lernprogrammen zu Lernsystemen. Das PLT entstand als zusätzliches Tool in einer Studienarbeit [Schu02]. Um dem zukünftigen Referenzmodell-Anwender den Einstieg ins Konzept zu erleichtern, haben wir das Lernsystem Einführung ins Referenzmodell (EIR) entwickelt [ÇaSc02]. EIR besteht aus drei Lernprogrammen, die unterschiedliche Teile des Referenzmodells erklären und damit in das Konzept einführen. Mit dem Lernprogramm Vorstellung des Referenzmodells (VDR) wird zunächst eine allgemeine Einführung gegeben. VDR liefert einen Überblick über die Komponenten und eine Vorstellung, wie und wofür das Referenzmodell zu verwenden ist, ohne dabei ins Detail zu gehen.

59 4.1 Grundlagen zum Referenzmodell 45 Das Lernprogramm RSK im Detail (RID) erklärt das Referenzmodell aus Sicht des CBT-Entwicklers. Sowohl Teile des Quellcodes als auch Techniken und Umsetzungen werden hier detailliert vorgestellt, und ein kleines Beispiel demonstriert die Anwendung. Informationen, Tipps und Empfehlungen zum Design werden im Lernprogramm Designer-Empfehlungen (DE) vermittelt. Auch mit diesem Teil soll der zukünftige CBT-Designer für offensichtliches und weniger offensichtliches sensibilisiert werden. Im nächsten Abschnitt gehen wir auf DE genauer ein. Diese drei Lernprogramme sind in dem Lernsystem EIR zusammengefasst und geben das Konzept wieder. EIR erfüllt damit drei Funktionen und dient als tutorielle Einführung, multimediale Dokumentation und als ein Beispiel für eine mögliche Implementierung eines Lernsystems auf Basis des Referenzmodells, da es selbst ebenfalls mit dem Referenzmodell erstellt wurde. Durch Betrachten von EIR bekommt der zukünftige Entwickler eine Vorstellung, wie Lernsysteme mit dem Referenzmodell aufgebaut werden können, und kann diese Erfahrungen zur Planung eigener Lernprogramme oder Lernsysteme nutzen Design-Empfehlungen Wiederholt haben wir festgestellt, dass die Missachtung teilweise recht offensichtlicher Designpunkte die Produktion verzögert oder das Resultat verschlechtert. Durch Vorgaben soll der CBT-Designer an diese Designpunkte erinnert werden und gleichzeitig auch einen Rahmen bekommen, in dem er seine Kreativität ausüben kann. Wir haben uns hierbei zunächst auf einige wenige Punkte, die für alle Produktionen anwendbar sind, beschränkt. Jedem Nutzer bleibt es überlassen, diese beliebig nach seinen Vorstellungen zu erweitern. Schriftarten und -größen Der übertriebene Einsatz von unterschiedlichen Schriftarten in unterschiedlichen Schriftgrößen erschwert oftmals das Lesen und damit die Informationsaufnahme. Die Suche nach einer passenden Schriftart bei der CBT-Entwicklung kann zum Zeitgrab werden, wenn eine Auswahl aus sehr vielen Fonts getroffen werden soll. Um hier vorzubeugen, haben wir die erlaubte Anzahl Arial Times New Roman System Courier Tabelle 4.2 In unseren CBTs erlaubte Schriftarten unterschiedlicher Fonts auf den Quasi-Standard in Tabelle 4.2 beschränkt. Neben der Zeitersparnis umgeht die Beschränkung auf Tabelle 4.2 weitere Kosten wie z.b. für Font-Lizenzen, da diese praktisch auf jedem Computer mit dem Betriebssystem installiert werden. Ferner werden Fehler zur Laufzeit verhindert, da die

60 46 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme unbedachte Auswahl einer auf dem Entwicklungssystem installierten Schriftart auf dem Benutzer-System Fehlermeldungen verursachen kann, wenn sie dort nicht installiert ist. Tipps zur Sprachaufnahme Die Feinheiten, die ein Tontechniker während einer Aufnahme beherrscht, können natürlich nicht von einem studentischen CBT-Entwickler verlangt werden. Allerdings kann heute jeder auf einfache Weise Sprachaufnahmen am PC machen. Sauber ausgesteuerte Aufnahmen sind das Resultat der richtig angewandten Technik. Um CBT-Entwickler zu schulen, präsentieren wir Demo-Aufnahmen wie in Bild 4.3, die Unterschiede wiedergeben. Damit vermeiden wir kostspielige Fehler und Doppelaufnahmen. Übrigens kommt hier eine wesentliche Stärke von CBTs zur Anwendung. Gute und schlechte Aufnahmen können in CBTs dem Lernenden einfach vorgespielt werden, was in Printmedien eben nicht möglich ist. Bild 4.3 Beispiel zur Aussteuerung von gesprochenen Aufnahmen Kontrast und dünne Linien auf hellem Hintergrund Zu Lehrzwecken werden unsere CBTs auch in der Vorlesung über einen Beamer betrachtet oder als Videoaufnahme in Präsentationen eingebunden. In diesen Vorführungen ohne Monitor sind die Lichtverhältnisse oft schlechter. Kontrastarme Darstellungen können das flüssige Lesen behindern. Schwach kontrastierter Text ist schwer zu lesen, besonders, wenn er auch noch winzig und in Kursivdruck steht [...][Niel00, S. 126]. Wir sensibilisieren unsere studentischen CBT-Entwickler durch Beispiele und Hinweise, die exemplarisch in Bild 4.4 zusehen sind, und fördern so gute Resultate.

61 4.1 Grundlagen zum Referenzmodell 47 Bild 4.4 Design-Empfehlungen zu Linien und Kontrast Einsatz Der mit dem Lernsystem EIR geschulte CBT-Designer legt zunächst eine Kopie vom RSK an und öffnet es in der Authorware-Programmierumgebung. Entsprechend dem Drehbuch zu seinem Lernprogramm dupliziert er die enthaltenen Musterabschnitts- Icons und Musterseiten-Icons nach Bedarf und baut so seine Lernprogrammstruktur auf. Im nächsten Schritt benennt er die Abschnitte und Seiten nach seinen Vorstellungen um, indem er die zugehörigen Icon-Namen ändert. Damit ist die RSK-Kopie für sein Lernprogramm vorbereitet, und die Umsetzung des Wissens kann beginnen. Im nächsten Schritt wird diese RSK-Kopie mit Inhalten gefüllt. Da das Duplizieren der Icons kaum Zeit beansprucht, fällt die Vorbereitungszeit einer RSK-Kopie in der gesamten Entwicklungszeit vernachlässigbar klein aus. Jedoch gewinnt der CBT-Designer viel Zeit, die er sonst zur Implementierung der im RSK enthaltenen Funktionen hätte aufbringen müssen (vgl. Abschnitt 4.3). Bild 4.5 zeigt Screenshots von fünf Lernprogrammen, die mit dem RSK entwickelt wurden. Das RSK-Fenster ist oben links im Bild zu sehen. Die Darstellungsbereiche der übrigen Fenster sind mit unterschiedlichen Darstellungen gefüllt. Der Wiedererkennungswert wird hier als einer der Vorteile deutlich. Lernende, die sich einmal in die Funktionalität eines der Lernprogramme eingearbeitet haben,

62 48 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme sind ohne weitere Einarbeitung in der Lage, die übrigen Lernprogramme gleich zu bedienen. Bild 4.5 Aus einer RSK-Kopie entstandene Lernprogramme 4.2 Konzeption des Referenzmodells Die beim Lernen intern ablaufenden kognitiven Prozesse müssen durch das Analysieren mit den Sinnesorganen quasi befriedigt werden. Nur dann können Einzelheiten und Zusammenhänge entdeckt, verstanden und gelernt werden. Kognitionen sind solche Vorgänge, durch die die Person Kenntnis von ihrer Umwelt erlangt. Durch Kognitionen (z.b. Wahrnehmung, Vorstellung, Denken) wird Wissen erworben. Die Informationsverarbeitung kann man als aktiven, subjektiven Strukturierungsprozess begreifen [Edel00, S.113]. Wird die Befriedigung gestört, kann dies das Lernen stören. Störungen können unterschiedliche Ursachen haben, unter anderem auch technische wie eine langsame Internet-Verbindung, mangelnde Navigationsfunktionen oder auch schlechte Tonqualität. Die Konzeption des Referenzmodells wurde zur kostengünstigen Produktion von CBTs mit dem RSK unter Einbeziehung didaktischer Aspekte entwickelt. Es wurden Details implementiert oder gewählt, die das Lernen fördern und Störungen verhindern sollen. Diese werden im folgenden vorgestellt.

63 4.2 Konzeption des Referenzmodells Lernprogrammstruktur Bücher sind in der Regel linear in Kapitel, Abschnitte und Seiten gegliedert. Das Medium Computer, auf dem für gewöhnlich Lernprogramme laufen, bietet multimediale Darstellungsformen und damit auch andere Gliederungsformen als bei Büchern an. Zum Beispiel sind Hypertexte typische Vertreter von Lernprogrammen, während sie in Printmedien kaum vorkommen. Hypertexte entziehen Texte und multimediales Material der Linearität, die etwa bei traditionellen Texten gegeben ist. An die Stelle der Linearität wird die Vernetzung durch Querverweise gesetzt. In Multimedia-Anwendungen erlaubt das Benutzen eines Querverweises (eines so genannten Links) den automatischen Sprung zur vernetzten Einheit. Das WWW folgt dem Hypertextprinzip [BaBS02, S.66]. Während die Gliederungsform bei Büchern klassisch, altbewährt und für viele Lernende beim strukturierten Lernen (zur ersten Wissensaufnahme) intuitiv zu bedienen ist, bieten Hypertexte gerade für unstrukturiertes Lernen (zum Nachlernen oder zum Informieren) Vorteile (und natürlich auch Nachteile). Um größtmögliche Flexibilität zu wahren, sollte das Lernprogramm sowohl strukturiertes als auch unstrukturiertes Lernen ermöglichen. In Hypertext-Systemen wird dies manchmal durch so genannte Guided Tours versucht, das sind vordefinierte Pfade durch das Lehrmaterial. Die Guided Tours sollen die Koherenzbildung unterstützen [Seeb03, S.143]. Zunächst wird der Lerner die Tour wählen, später jedoch seinem individuellen Lernpfad folgen. Im folgenden erläutern wir kurz gängige Lernprogrammstrukturen und stellen anschließend die Struktur des Referenzmodells vor. Gängige Strukturen für Lernprogramme sind Leiterstruktur, Baumstruktur und Netzwerkstruktur [FLSt97, S.51], die in Bild 4.6 schematisch dargestellt sind. Bild 4.6 Lernprogrammstrukturen nach [FLSt97, S.51]

64 50 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme Die Leiterstruktur repräsentiert am ehesten die Gliederung von Büchern. Wählt man diese Struktur für Lernprogramme, wird die Umsetzung z.b. von Text-Skripten in Lernprogramme ebenfalls vereinfacht. Bestenfalls kann man die Gliederung eines Skripts eins zu eins übernehmen. Dies ist ein Vorteil, wenn bestehendes Lehrmaterial in Lernprogrammen umgesetzt werden soll. Der Designer kann von den bereits didaktisch aufbereiteten Materialien profitieren und bei der Ausarbeitung des Drehbuchs zum Lernprogramm Zeit sparen. Für die Leiterstruktur spricht zusätzlich seine Übersichtlichkeit und sein einfacher Aufbau. Die Implementierung kann schnell und effizient erfolgen, da komplexe Verknüpfungen zwischen den Informationseinheiten, im Gegensatz z.b. zur Netzwerkstruktur, nicht eingerichtet und, was noch wesentlicher ist, verwaltet werden müssen. Eine komplexe Lernprogrammstruktur kann bei der Design-Findung gerade Anfänger und Amateure überfordern. Die Lehre in ihrer neuen Form als E-Learning ist eine relativ junge Disziplin. Viele Lernende müssen sich erst an das Lernen in dieser Form gewöhnen. Die Lernprogrammstruktur sollte den Aufwand nicht zusätzlich erhöhen. Während die Netzwerkstruktur die inhaltliche Gliederung dominiert und für Informations- und Lernprogramme thematische Vorkenntnisse, ein Selbstlernkonzept und ein hohes Maß an Selbstdisziplin beim Anwender voraussetzt (ähnlich wie bei Hypertexten), bietet die Leiterstruktur didaktische Vorteile. Obwohl dieses Modell [Leiterstruktur] die Beweglichkeit des Anwenders im Programm einschränkt, hat es gerade bei ungeübten Benutzern durchaus didaktische Vorteile: Es vermeidet Irritationen durch die Programmbedienung und unterstützt die Konzentration auf den Inhalt [FLSt97, S.51]. Als Nachteil wird allerdings die eingeschränkte Bewegungsfreiheit angeführt. Beim Lernen kann es bekanntlich notwendig sein, bereits bearbeitete oder zukünftige Passagen im Lernprogramm auch mal direkt anspringen zu müssen. Eine dann vorhandene Navigationseinschränkung, z.b. wenn man die Seiten nur linear aufrufen kann, führt oftmals zu Motivationsverlusten und ist von Nachteil. Die Lernprogrammstruktur zum Referenzmodell baut auf der Leiterstruktur auf und ergänzt diese durch zusätzliche Navigationsfunktionen. Dadurch gewinnen wir die Vorteile der Leiterstruktur wie Übersichtlichkeit, Einfachheit, Vermeiden von Irritationen und Unterstützen der Konzentration. Diese erleichtern dem Lernenden den Zugang und helfen dem CBT-Designer, bei der Entwicklung Zeit zu sparen. Mit den zusätzlichen Navigationsfunktionen lösen wir das Problem der eingeschränkten Bewegungsfreiheit und ermöglichen die Navigation ähnlich wie in einer Netzwerkstruktur. Damit bietet das Referenzmodell größtmögliche Flexibilität. Durch die gewählte Leiterstruktur und die implementierten Navigationsfunktionen im RSK wurde versucht, sowohl strukturiertes als auch unstrukturiertes Lernen zu unterstützen. Der Lernende kann wahlweise den Stoff durch einfaches Blättern durchlaufen (vordefinierter Lernpfad) oder mit Hilfe der Navigationsfunktionen die Seiten auch mal direkt Anspringen (individueller Lernpfad).

65 4.2 Konzeption des Referenzmodells Module Ein Lernprogramm auf Basis einer RSK-Kopie heißt Modul. Module entstehen, wenn eine RSK-Kopie mit Inhalten gefüllt wird. Ein Modul stellt die kleinste selbständige Einheit dar. Module sind wie in Bild 4.7 in Abschnitte unterteilt, die aus Seiten bestehen. Bild 4.7 Aufbau eines Moduls Auf den Seiten wird das Wissen präsentiert. Aufeinander folgende Seiten, die einen engen Zusammenhang haben, können zu einer Seitengruppe zusammengefasst werden (Seiten 2.2 bis 2.4 in Bild 4.7). Die Gliederung in Module, Abschnitte, Seitengruppen und Seiten soll beim Lerner einen Bezug zur bekannten Struktur klassischer Lehrmittel (Bücher, Skripte etc.) schaffen und zu einer intuitiven Benutzerleitung führen. Seitengruppen Im Gegensatz zu anderen Autorensystemen wie Director oder Flash kann in Authorware nicht vor- oder zurückgespult werden. Daher ist es notwendig, die Seitendauer kurz zu halten, jedoch kann nicht jedes Wissen kurz präsentiert werden. Zur Lösung haben wir das Konzept der Seitengruppe erarbeitet. Lernsequenzen, die wegen ihrer Länge nicht auf eine Seite passen, werden auf mehrere Seiten aufgeteilt (Bild 4.7). Der Lernende erhält damit eine Möglichkeit zu einer Art Vor- und Rückspulen durch Springen in der Seitengruppe. Technisch unterscheiden sich Seitengruppen von Seiten lediglich, indem außer der ersten Seite einer Seitengruppe die restlichen nicht im Inhaltsverzeichnis erscheinen. Mit dem Konzept der Seitengruppe wird verhindert, dass zu lange Lernsequenzen das Lernen stören. Zusätzlich dient der Wechsel als Anregung der Aufmerksamkeit. Das Anspringen von Seiten ausser der ersten Seite einer Seitengruppe wird nicht gewährt, da sie dann in der Regel aus dem Zusammenhang gerissen wirken würden.

66 52 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme Der Lerner muss sie linear durchlaufen, kann dabei aber das Tempo bestimmen und Seiten auch durch schnelles Blättern überspringen Modularität Die Vorteile von Modularität in Lehrmaterialien zum E-Learning werden in [Seeb03, S.61] als Wartbarkeit, Redundanz und Wiederverwendbarkeit genannt. Um diese Vorteile zu nutzen, wurden besondere Funktionen im RSK implementiert. Damit können Module durch einfaches Zusammenkopieren in ein Verzeichnis individuell zu Lernsystemen (Abschnitt 3.5.1) zusammengestellt werden. Ein modulübergreifendes Inhaltsverzeichnis, das automatisch generiert wird, verbindet dabei die Module (Abschnitt 5.2.6). Erst die Modularität mit diesem Automatismus ermöglicht den flexiblen und kostengünstigen Einsatz aus Bild 4.8. Die Module sollten allerdings kontextfrei implementiert sein, da nur dann eine beliebige Zusammenstellung möglich wird. Bild 4.8 Aus dem Modul-Pool werden Module zusammengestellt Modulaufbau Jedes Modul ist wie in Bild 4.9 prinzipiell gleich aufgebaut. Nach dem Benutzer-Login folgt der Vorspann, der für jedes Modul individuell sein kann. Das Hauptmenü verbindet alle Bereiche eines Lernsystems, und Seiten bzw. Seitengruppen aus allen Modulen können von hier direkt angesprungen werden. Zusätzlich können von hier der Vorspann, das Setup und die Hilfe des aktuellen Moduls erreicht werden. Vom Hauptmenü gelangt man zu allen anderen Teilen und zurück, vom Login dagegen nur zum Vorspann. Im Setup kann das Programmfenster auf dem Bildschirm zentriert, der Rahmen ein- und ausgeschaltet, ein Textfenster ein- und ausgeblendet sowie der Desktop optional verdeckt werden. In der Hilfe werden Erklärungen zu den Funktionen des Lernprogramms gegeben. Die Hilfe kann wahlweise auch vom Designer ergänzt oder beliebig verändert werden. Über das Ende verlässt man das Lernprogramm nach einer Bestätigung.

67 4.2 Konzeption des Referenzmodells 53 Bild 4.9 Aufbau eines Moduls Präsentationsfenster Nach dem Anstarten läuft das Lernprogramm innerhalb eines Windows-Fensters, dem Präsentationsfenster in Bild 4.10 ab. Der Darstellungsbereich enthält die multimedialen Präsentationen. Der Navigationsbereich sowie das optional zuschaltbare Textfenster mit dem gerade gesprochenen Text sind optisch getrennt, was für eine klare Orientierung beim Lernen sorgt. Das Textfenster ist aus wahrnehmungsphysiologischen Gründen rechts angeordnet. Bild 4.10 Präsentationsfenster Der Navigationsbereich ist nach ergonomischen Regeln im unteren Fensterbereich angeordnet (Abschnitt 4.2.6). Ohne Textfenster hat der Darstellungsbereich mit dem Navigationsbereich zusammen eine Auflösung von 640x480 Pixel. Gängige Bildschirmauflösungen auf PC-Systemen sind heute z.b. 1024x768 Pixel oder höher. Für das Referenzmodell

68 54 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme wurde die VGA-Auflösung gewählt, um den Einsatz auch auf Systemen wie Beamer und digitalem Video gewährleisten zu können. Besonders die zuletzt genannten Systeme haben bei voller PAL-Auflösung 720x576 Pixel, hier wäre eine Super-VGA- Auflösung bereits zu groß. Nach den Anforderungen aus Abschnitt soll das Referenzmodell nicht nur von professionellen Designern, sondern gerade auch von Anfängern und Amateuren nutzbar sein. Ein größerer Darstellungsbereich kann Anfänger und Amateure überfordern. Bei größerem Darstellungsbereich muss einfallsreicher gearbeitet werden, um leer wirkende Seiten zu vermeiden, somit kann die Design-Findung länger dauern und die LCLT-Produktion erschweren. Durch den begrenzten Platz im Gesamtfenster wird der CBT-Designer gefordert, sein Design signifikant zu halten, sich auf das Wesentliche zu begrenzen und grafischen Müll zu vermeiden. In seinem 1983 erschienenen Buch Die visuelle Anzeige von quantitativen Informationen ließ Edward Tufte seinem Zorn gegenüber aufgedunsenen und überladenen Unternehmens-Grafiken, die eine Menge Platz einnehmen und ein Minimum an Informationen bieten, freien Lauf. Tufte führte das Konzept der Datentinte bezogen auf den Teil ein, der zur Darstellung unbedingt erforderlich war. Alles andere ist nach Tuftes Meinung grafischer Müll [Niel00, S. 27]. Der Lernende kann eine kleine Fläche leichter überblicken und sich schneller orientieren, dies schafft Klarheit. Dieser Begründung folgen z.b. auch Erkenntnisse über Website-Design-Studien aus [ct14-02, Boss00], die hier ebenfalls begründete Anwendung finden. Einige grundsätzliche Usability-Aussagen wirken schon fast banal, sollten aber dennoch nicht ignoriert werden: Je einfacher eine Seite aufgebaut ist, desto leichter findet sich der Besucher zurecht. Zu viele Eindrücke auf einmal überfordern den Surfer [Lerner]. Besucher erkennen zusammenhängende Seiten an einheitlichen Merkmalen: Navigationsstruktur, Farbgebung, Logos. Je komplexer die Seite, desto stärker schrumpft die Zahl der potentiellen Besucher [ct14-02, S. 176]. Beim Einsatz von Lernprogrammen kann es notwendig sein, dass z.b. zwei Programme nebeneinander betrachtet werden müssen, z.b. wenn das Lernprogramm mit einem CAD-Tool durch die lose Kopplung (Abschnitt 3.4.2) verbunden wird. Das Lernprogramm übernimmt dabei die Aufgabe eines Tutors, dessen Vorgaben direkt in dem zweiten Fenster von dem Lernenden umgesetzt werden müssen. Bei zwei kleinen Fenstern ist der möglicherweise sich überschneidende Bereich natürlich auch kleiner. Ein angenehmeres paralleles Arbeiten wird ermöglicht und z.b. das Vergleichen von Inhalten aus beiden Fenstern wesentlich erleichtert, wenn beide Fenster sich kaum überschneiden. Zu Präsentationszwecken kann es notwendig sein, das Lernprogramm auch mal abzufilmen. Die kleine Auflösung ermöglicht bei Sicht auf das gesamte Präsentationsfenster eine größere Frame-Rate. Ebenfalls ist die resultierende Video- Datei im Vergleich kleiner und handlicher (z.b. zum Verschicken über das Internet).

69 4.2 Konzeption des Referenzmodells 55 Für zukünftige Überführungen unserer CBTs in WBTs bietet die VGA-Auflösung weitere Vorteile, denn die damit indirekt zusammenhängende Datenmenge ist natürlich geringer als mit größeren Auflösungen. Dies wirkt sich folglich positiv auf die Download-Zeit aus, die bekanntlich nicht klein genug sein kann. Die Download-Verzögerung verfolgt uns noch immer, und Benutzer mögen es nicht, zu browsen und dann durch unerwartete Downloads unterbrochen zu werden [Niel00, S. 131]. Wir haben die Erfahrung gemacht, dass lediglich Bedarf für mehr Platz im Präsentationsfenster besteht, wenn z.b. größere Oberflächen von anderen Programmen im CBT dargestellt werden müssen. Hier ist das Können des Designers gefragt, der mit Auszügen nur notwendige Bereiche darstellen darf Navigation Je intuitiver ein Lernprogramm zu bedienen ist, um so mehr kann sich der Lernende auf den Inhalt konzentrieren. Verwirrende oder unvollständige Navigationsfunktionen stören dagegen das Lernen. Die auf jeder Modul-Seite gleiche Navigationsleiste des Referenzmodells in Bild 4.11 ist nach ergonomischen Regeln im unteren Fensterbereich angeordnet. Oben würde es stärker auffallen und stören. Wir erfassen [...] das Obere schneller als das Untere [...]. Deshalb müssen solche Kontrastwirkungen [...] im Layout entsprechend berücksichtigt werden [FLSt97, S.224]. Bild 4.11 Navigationsleiste des Referenzmodells Mit den Tasten der Navigationsleiste kann man unter anderem zu Seiten, Seitengruppen und Abschnitten springen. Dabei ist links die lokale Steuerung und rechts die Globalsteuerung untergebracht. Tasten in der Navigationsleiste, die temporär keine Funktion erfüllen, werden grau dargestellt, verschwinden also nicht vom Sichtfeld des Lernenden.

70 56 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme Pause-Taste Mit der Pause-Taste kann der aktuelle Ablauf jederzeit inklusive Ton angehalten werden, und der Lerner erhält die Möglichkeit, Abläufe im Detail zu betrachten. History-Liste Eine History-Liste protokolliert alle besuchten Seiten einer Sitzung. Damit bekommt der Lernende die Möglichkeit, auch in seinem Lernweg zurück zu laufen, ähnlich wie mit der Back-Taste eines Browsers. Zur Orientierung läuft in der Mitte der Navigationsleiste eine Fortschrittsanzeige, und es werden Seiten- und Abschnittstitel angezeigt. Die Fortschrittsanzeige wird vom RSK automatisch angepasst. Lesezeichen Mit Hilfe von Lesezeichen können einzelne Seitenverweise in einer Liste abgelegt und individuell benannt werden. Bild 4.12 zeigt das Lesezeichenfenster, das abgekoppelt vom Präsentationsfenster erscheint und beliebig auf dem Bildschirm platziert werden kann. Bild 4.12 Lesezeichen Im ersten Entwurf des Referenzmodells wurden die Lesezeichen im Präsentationsfenster dargestellt und verdeckten damit den Darstellungsbereich. Dieser Entwurf war zwar einfacher zu implementieren, jedoch aus genanntem Grund nachteilig. Diese entkoppelte Version wurde mit einer Art Interprozesskommunikation entworfen, die in Kapitel 5 vorgestellt wird. Die Lesezeichen werden benutzerspezifisch anhand des Login-Namens verwaltet. Damit können Benutzer unabhängig voneinander auf demselben PC-System arbeiten und ihre Lesezeichen getrennt speichern. Skip-Taste Auch wenn durch Textfenster und Seitengruppen Lernsequenzen in verdaubare Portionen unterteilt werden, haben wir beobachtet, dass beim Wiederholen oft nur das

71 4.2 Konzeption des Referenzmodells 57 Schlussbild einer Seite interessiert, jedoch fehlt es aus technischen Gründen an der Vorspulfunktion (Seitengruppen in 4.2.2). Als Lösung haben wir die Skip-Taste entworfen, die das Überspringen des Aufbaus einer Seite ermöglicht. Der Lernende kann jederzeit über die Skip-Taste direkt zum Schlussbild springen. Lästiges Warten entfällt. Anzeige des Seitenendes Durch Tests mit Studierenden fanden wir heraus, dass das Ende eines dynamischen Seitenaufbaus nicht immer gleich erkannt wird. In der Annahme, dass noch was folgt, warten manche vergebens oder irren sich und blättern weiter, obwohl noch was folgt. Die Lernenden werden dadurch aus dem Lernrhythmus gerissen. Zur Lösung verwenden wir die Pause-Taste als Indikator, wir schalten sie am Schlussbild grau und zeigen so das Ende der Seite an Hauptmenü Im Hauptmenü befindet sich das Inhaltsverzeichnis (Bild 4.13). Übersichtlich sind im linken Teilfenster die Abschnitte des gewählten Moduls aufgelistet. Der Modulname steht darüber. Im rechten Teilfenster stehen die zugehörigen Seiten bzw. Seitengruppen. Alternativ können links die Module des Lernsystems und rechts die zugehörigen Abschnitte angezeigt werden, was einer Lernsystem-Sicht entsprechen würde. Bild 4.13 Hauptmenü mit Inhaltsverzeichnis Das Hauptmenü kann von jeder Seite direkt aufgerufen werden. Von dem Inhaltsverzeichnis können alle anderen Seiten des Lernprogramms, sofern sie nicht als Teil einer Seitengruppe versteckt sind (Abschnitt 4.2.2), angesprungen werden. Dies

72 58 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme ermöglicht dem Lernenden mit wenigen Mausklicks auf jede Seite im Lernsystem zu navigieren. Das schnelle Auffinden von Wissen wird damit gewährleistet und störende Pausen verhindert. Wie bereits erwähnt wird das Inhaltsverzeichnis automatisch generiert. Diese bekanntlich fehleranfällige und zeitintensive Arbeit übernimmt ein Automatismus im RSK, was die Entwicklung beschleunigt und sicherer macht. Die Funktionen im RSK erkennen selbständig das Fehlen des Inhaltsverzeichnisses (Abschnitt 5.2.5) und erstellen es, der Designer wird dadurch von lästiger Verwaltungsarbeit entlastet Textfenster Das Textfenster haben wir rechts vom Darstellungsbereich angeordnet, weil bekanntlich das rechte Sichtfeld von der linken Hirnhälfte verarbeitet wird und umgekehrt. Die linke Hirnhälfte ist auch für gesprochene und geschriebene Worte verantwortlich, während die rechte Hälfte unter anderem bildliche Wahrnehmung und Verarbeitung durchführt. Linke Hemisphären: Verbindung zum Bewusstsein, sprachlich, begrifflich, arithmetisch, analytisch und abstrakt. Rechte Hemisphären: ohne klares Bewusstsein, musikalisch, Bild und Mustererkennung, geometrisch, räumlich, einheitlich und konkret [Edel00, S.12]. Wir haben beobachtet, dass mit permanent sichtbarem Textfenster der Lernende verleitet wird, das Gesprochene mitzulesen. Die Aufmerksamkeit wird damit vom Darstellungsbereich abgelenkt, wo wesentliche Dinge ablaufen. Ohne Textfenster steht das Gesprochene zum visuellen Nachlernen oder Analysieren nicht zur Verfügung. Es erschwert visuell orientierten Nutzern das Lernen. Unsere Alternative ist das optional ein- und ausklappbare Textfenster, das sich damit den Bedürfnissen des Lerners anpassen kann. Suchen im gesprochenen Text Oft kann sich ein Lerner nicht erinnern, ob er etwas im CBT selber gelesen oder nur gehört hat. Da in dem Textfenster exakt das Gesprochene steht, kann man auch nach gesprochenen Inhalten visuell suchen, ohne jeweils den gesprochenen Text anhören zu müssen. Begrenzung der Seitendauer Lerneinheiten dürfen nicht beliebig lang werden, das Lernen würde sonst erschwert. Diese Forderung ist allgemein verständlich, allerdings sind keine Regeln über die Mengen zur Begrenzung von Lerneinheiten bekannt. Diese sind offensichtlich auch schwer allgemein gültig aufzustellen. Es stellt sich somit die Frage, nach welchen Kriterien eine Lerneinheit begrenzt werden kann, wann ist sie klein und wann schon zu groß? Wir verwenden als Faustregel das Textfenster.

73 4.3 Zeitersparnis beim CBT-Entwurf 59 Um die Dauer einer Seite überschaubar zu halten, ist das Textfenster für den CBT-Entwickler zugleich eine obere Grenze für die Länge des Gesprochenen (die Schriftattribute dürfen nicht verändert werden). Passt der gesprochene Text nicht mehr in das Textfenster, wird der Sachverhalt auf mehreren Seiten zu einer Seitengruppe zusammengefasst (Abschnitt 4.2.2). Zu lange, die Konzentration überfordernde Seitentexte werden damit unterbunden. Kernaussagen müssen kurz und prägnant formuliert werden, damit sie ins Textfenster passen. 4.3 Zeitersparnis beim CBT-Entwurf Wird das Referenzmodell zur Produktion von CBTs eingesetzt, kann der CBT-Designer gleich mit der Implementierung der Inhalte beginnen, indem er sie direkt in eine RSK-Kopie einsetzt. Er erspart sich die Entwicklung der vom RSK bereitgestellten Funktionalitäten und Vorgaben, indem er diese mit der Kopie einfach übernimmt. Bild 4.14 verdeutlicht den Vorsprung mit dem RSK, wobei die vollständige CBT-Entwicklungsdauer natürlich vom Umfang des jeweiligen CBTs abhängt. Neben der direkten Einsparung in der Entwicklung tritt eine weitere indirekte Einsparung durch viele Anwender auf. Dieses Kosten-Einsparungs-Potenzial erschließt erst ein Referenzmodell mit modularen Eigenschaften wie unseres (Abschnitt 4.2.3). Wenn zum Beispiel alle Teilnehmer im ELAN-Projekt (Abschnitt 2.2) das Referenzmodell verwenden würden, so wären die durch alle Teilnehmer produzierten Module untereinander austauschbar. Da Module beliebig zu Lernsystemen zusammengesetzt werden können, könnten Module fremder Produzenten auch in eigenen Lernsystemen Einsatz finden. Bild 4.14 Diagramm zur Zeitersparnis Ferner spart man Zeit bei der Zusammenstellung der Lernsysteme, da dies lediglich aus dem Zusammenkopieren der einzelnen Module besteht. Die benötigte Zeit ist damit vernachlässigbar klein. Dies gilt auch für spätere Wartungen, bei denen Module ausgetauscht werden. Die Effizienz des Referenzmodells haben wir z.b. in Praktika ausgenutzt. Dort entwickeln drei bis vier Studenten in einer Gruppe ein Lernprogramm zu einem von uns vorgegebenem Thema aus dem Chip-Entwurf. Die Entwicklung wird dabei in die

74 60 Kapitel 4. Das Referenzmodell für multimediale Lernprogramme Phasen Konzept, Drehbuch, Realisierung und Evaluierung gegliedert. Während der Realisierung von neun Wochen implementieren die Gruppen ein vollständiges Lernprogramm. Das Referenzmodell nimmt den Studenten monotone, aber notwendige Arbeiten ab und gibt ihnen die Möglichkeit, sich auf das Wesentliche zu konzentrieren, nämlich die Umsetzung des Wissens mit multimedialen Mitteln. Ohne das Referenzmodell wäre die Entwicklung von CBTs wie hier in so kurzer Zeit nicht möglich..

75 5 Das Programm des Referenzmodells Das Programm des Referenzmodells Das Refmod-Starter-Kit (RSK) ist die Programmierschablone des Referenzmodells (Abschnitt und 4.1.6). Sie liegt als Authorware-Source-Code vor, ist in fast allen Teilen offen zugänglich und kann somit erweitert, angepasst und verändert werden. In diesem Kapitel werden Details der RSK-Implementierung vorgestellt. Zunächst folgen einige Erklärungen zum Programmieren in Authoware. Sie sollen die anschließend beschriebenen Details verstehen helfen. Im Anhang A werden weitere wesentliche Teile des RSK-Programm-Codes erklärt. 5.1 Programmieren in Authorware Programmieren in Authorware ist das grafische Anordnen und Konfigurieren von Icons und das Ergänzen dieser Icons durch Skripte. Die 13 Icon-Typen sind im Handbuch vollständig erklärt [Auth01, S.38] Programmierebenen Authorware ist ein Autorensystem mit einer grafischen Benutzeroberfläche. Zusätzlich bietet es unter anderem eine eingebaute Skriptsprache und die Möglichkeit zur Nutzung von Funktionen aus internen und externen Bibliotheken. Manche einfachen Assets können mit Authorware-eigenen Zeichenwerkzeugen erstellt werden. Komplexere Assets produziert man in der Regel mit externen Anwendungen wie SoundForge, Photoshop, 3D-Max oder Premiere und importiert sie dann in Authorware. Alle gängigen Medienformate werden dabei unterstützt (bmp, gif, tif, jpg, swa, wav, mov, avi etc.). Gegebenenfalls können auch ganze Teile des CBTs mit anderen Autorensystemen wie Flash oder Director erstellt und in Authorware eingebunden werden. Dabei profitiert man von den Vorteilen dieser Autorenwerkzeuge (z.b. skalierbare Vektorgrafiken).

76 62 Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells Einen wesentlichen Vorteil von Authorware zeigt Tabelle 5.1, die Einteilung in drei Programmierebenen. Authorware bietet unterschiedlich qualifizierten Anwendern Zugang. Während Anfänger mit einfachen Drag n drop-methoden arbeiten, können Profis flexibler mit Skripten programmieren. Anfänger Lineare Abläufe: Icons, Flusslinie, Drag n drop, Optionsauswahl Fortgeschrittene Zusätzlich parallele Abläufe: Skriptsprache, Variablen, eingebaute Funktionen, Bibliotheken, Sprünge Profis Zusätzlich externe Programmiersprachen und Autorensysteme: Eigene Bibliotheken oder Erweiterungen (dazu sind C++-, Delphi- oder VisualBasic-Kenntnisse notwendig) Tabelle 5.1 Authorware-Programmierebenen Als Beispiel zeigt Bild 5.2 zwei Arten, in Authoware eine Linie zu zeichnen. Im linken Teilbild ist das Vorgehen mit der Linien-Funktion aus der Tool-Box und der Maus zu sehen. Dabei zeichnet der Benutzer die Linie mit der Maus im Präsentationsfenster, was in der Regel Anfänger bevorzugen. Rechts steht die Methode mit der Funktion Line, die in einem Calculation-Icon verwendet wird. Damit kann die Linie mit variablen Parametern im Programmablauf verändert werden, was links nicht möglich ist. Bild 5.2 Zwei Arten, in Authorware eine Linie zu zeichnen Lineare und parallele Abläufe Authorware kann als imperative, funktionale Programmiersprache mit grafischer Benutzeroberfläche bezeichnet werden, ist jedoch nicht objektorientiert. Wie in Bild 5.3 besteht ein Authorware-Programm aus einer Folge von Icons entlang einer Flusslinie. Das Resultat wird im Präsentationsfenster angezeigt.

77 5.1 Programmieren in Authorware 63 Nach dem Anstarten werden alle Icons auf der Flusslinie vom Fokus nacheinander von oben nach unten ausgeführt. Dieser lineare Durchlauf kann durch parallele Abläufe und Sprünge unterbrochen werden. Bild 5.3 zeigt das Authorware-Programm zu einem simulierten UND-Gatter. Durch Anklicken der Eingänge können diese gesetzt werden, der Ausgang verhält sich entsprechend der UND-Funktion. Die UND-Funktion ist im ersten Interaction-Icon als paralleler Ablauf implementiert. Die Parallelität erkennt man an der unterbrochenen Flusslinie, die mit Kringeln endet. Dabei zeichnet das linke Icon für A=TRUE & B=TRUE einen roten Ausgang. Für A=FALSE B=FALSE wird dieser gelöscht. Bild 5.3 UND-Gatter in Authorware Nach dem Anstarten wird zunächst mit dem Display-Icon Bild UND-Gatter das UND-Gatter aus Bild 5.3 dargestellt. Der Fokus trifft anschliessend auf das erste Interaction-Icon und aktiviert den parallelen Ablauf. Anschliessend wird das zweite Interaction-Icon ausgeführt, und der Fokus wartet hier auf eine Eingabe. Klickt der Benutzer auf eines der Felder am Gattereingang im Präsentationsfenster, wird zunächst das zugehörige Icon A oder B am zweiten Interaction-Icon durchlaufen, und die gleichnamigen Variablen A oder B erhalten neue Werte, TRUE für gesetzte und FALSE für nicht gesetzte Felder. Immer wenn damit die Gleichungen am ersten Interaction-Icon wahr werden, werden die angehängten Icons durchlaufen und damit die Ausgangsleitung rot oder schwarz gefärbt. Der Fokus kehrt anschließend wieder zum zweiten Interaction-Icon zurück. Diesen Wechsel verwaltet Authorware automatisch. In der Regel verweilt der Fokus auf einem Icon, bis dessen Funktion vollständig abgearbeitet ist. Nach Default haben also alle Icons die Ausführungsart wait until done eingestellt. Bei manchen Icons kann die Ausführungsart geändert werden. Wählt man concurrent oder perpetual, so startet der Fokus dieses Icon und fährt mit dem nächsten Icon fort. Zum Beispiel kann das Sound-Icon dann einen Ton parallel zur Ausführung anderer Icons spielen. Segmente der Flusslinie können mit ihren Icons in Map-Icons gestellt werden, und dies rekursiv. Map-Icons dienen damit der hierarchischen Gruppierung der

78 64 Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells Flusslinie. Die Hierarchietiefe wird dabei im Flusslinienfenster mit Level x angezeigt (Bild 5.3) Funktionen, Variablen und Skriptsprache Authorware bietet mehr als 300 fertige Funktionen und über 200 vorgegebene Variablen an. Die Funktion Line wurde beispielsweise in Abschnitt vorgestellt. SystemSeconds ist beispielsweise eine Authorware-Variable für die Sekunden seit dem letzten Start des Computers. Im Gegensatz zu benutzerdefinierten Variablen werden Authorware-Variablen automatisch aktualisiert und können damit auch parallele Abläufe auslösen. Die Funktionen und Variablen werden in der Regel mit der Authorware-Skriptsprache in einem Calculation-Icon verwendet. Trifft der Fokus auf solch ein Icon, wird das in ihm enthaltene Skript ausgeführt. In der Skriptsprache findet man auch klassische Konstrukte wie if- oder do-while-anweisungen. Individuelle Variablen werden, wie in Skriptsprachen üblich, mit der ersten Verwendung automatisch deklariert, ein Datentyp muss nicht explizit angegeben werden. Alle Variablen sind zunächst global. Arbeiten mehrere Entwickler an einem Code, kann es sein, dass sie denselben Variablennamen wählen. Damit werden Werte möglicherweise ungewollt überschrieben. Um solche Probleme zu vermeiden, sind alle Variablen des RSK mit dem Präfix rm gekennzeichnet und dürfen nur entsprechend ihrer Bestimmung verwendet werden. Zu vielen weiteren Authorware-Funktionen und Variablen verweisen wir auf das Handbuch [Auth01]. Wesentliche RSK-eigene Variablen werden im Lernsystem EIR erklärt [ÇaSc02, Modul RID, S.:8.4], das quasi das Handbuch zum Referenzmodell ist Programmieren in Authorware und dem RSK Durch Duplizieren von Musterabschnitten und Musterseiten (quasi leere Map-Icons im RSK) wird zunächst Platz für die benötigte Anzahl an Abschnitten und Seiten geschaffen und anschließend mit Abschnitts- und Seitennamen betitelt. Dann werden Seiteninhalte in diese Icons eingefügt. Um dem Anwender den Zugang zu erleichtern, wurden die Icons des RSK mit Farben kodiert. Rote Icons enthalten Routinen zur Steuerung des RSK und dürfen nicht verändert werden. Weiße, blaue und grüne Icons dürfen beliebig benutzt werden. Gelbe Icons enthalten auch rote. Blaue Icons kann man individuell gestalten. Vorgefertigte Hilfs-Routinen sind grün kodiert. Sie können durch Duplizieren beliebig oft genutzt werden (Design-Reuse auf der untersten Ebene).

79 5.2 Erläuterungen zum RSK-Programm-Code Erläuterungen zum RSK-Programm-Code In diesem Abschnitt werden Teile der RSK-Implementierung vorgestellt. Da nicht nur Profis, sondern auch Anfänger sich im RSK-Code zurechtfinden sollen, war eines der Herausforderungen, einfache und überschaubare Lösungen zu implementieren und Schwierigkeiten zu kapseln. Demnach scheinen einige der hier vorgestellten Wege auch sehr einfach und naheliegend, obgleich sie erst im zweiten Anlauf gelöst wurden Aufbau des RSK-Programm-Codes Der RSK-Programm-Code spiegelt die Struktur des CBTs wieder. Damit wird das Auffinden einer bestimmten Stelle im Programm-Code (z.b. beim Debuggen) erleichtert. Bild 5.4 zeigt den RSK-Programm-Code auf Level 1 und den Inhalt des Abschnitts-Map-Icons 1 Abschnitt, das zwei Seiten-Map-Icons enthält, auf Level 2. Will der Entwickler z.b. den Ablauf der zweiten Seite im ersten Abschnitt verändern, so öffnet er zunächst das zugehörige Abschnitts-Map-Icon und anschließend das entsprechende Seiten-Map-Icon, in dem sich der Programm-Code der Seite befindet. Nach dem Start werden zunächst Initialisierungen durchgeführt. Am Decision-Icon wird unterschieden, ob das Modul von einem Benutzer oder von einem anderen Modul aufgerufen wurde. Gegebenenfalls erscheint das Login-Fenster. Anschließend werden das Framework-Icon Lesson ausgeführt und damit das erste angehängte Map-Icon Vorspann - Intro und danach das nächste Map-Icon Hauptmenü durchlaufen. Aus dem Hauptmenü kann der Lernende ein Abschnitts-Map-Icon anspringen. Dadurch werden das Framework-Icon des Abschnitts auf Level 2 und damit eine der angehängten Seiten-Map-Icons ausgeführt. In Bild 5.4 kennzeichnet der grau dargestellte Pfad den Verlauf bis zur ersten Seite. Bild 5.4 RSK-Programm-Code

80 66 Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells Pause-Taste Wie in Abschnitt beschrieben, kann mit der Pause-Taste der dynamische Seitenaufbau unterbrochen werden. Die Pause-Taste wird durch einen parallelen Ablauf programmiert (Bild 5.5). Bild 5.5 Implementierung der Pause Es sei z.b. der Programmfokus auf einem dynamischen Aufbau einer Seite wie in Bild 5.5 im linken Fenster. Mit Betätigen der Pause-Taste während des linearen Ablaufs springt der Fokus in den parallelen Pause-Zweig (Fenster mit grauem Titelrahmen). Der Fokus bleibt in der Pause-Schleife bis zum nächsten Drücken der Pause-Taste. Die Rücksprungstelle merkt sich Authorware automatisch. Unterbrechen von Ton und Film Während beim dynamischen Seitenaufbau der Fokus von seiner aktuellen Position in die Pause-Schleife gezogen wird, können Ton oder Film, die concurrent laufen, so nicht pausiert werden. Ton wird in Authorware mit einem Sound-Icon abgespielt, digitale Filme mit einem Digital-Movie-Icon. Immer wenn der Fokus eines dieser Icons startet, wird der Icon-Namen in der Variablen rmton bzw. rmfilm gespeichert. Wenn der Fokus in die Pause-Schleife geht, wird mit der Funktion MediaPause und dem Icon-Namen der Ton oder Film angehalten und beim Austritt aus der Pause-Schleife fortgesetzt. Die Pause-Taste wird bei rmpausemoeglich=false gedimmt. Am Ende jeder Seite erfolgt diese Zuweisung und signalisiert das Ende des dynamischen Aufbaus. Dies geschieht in Bild 5.5 z.b. im Calculation-Icon disable Pause & Skip als letztes.

81 5.2 Erläuterungen zum RSK-Programm-Code Skip-Taste Zu Beginn jeder Seite wird in rmskipbuttonsprungziel das Sprungziel ans Ende der Seite gesetzt. Wird die Skip-Taste betätigt, so springt der Fokus in einen parallelen Zweig und von dort zum Seitenende. Der CBT-Entwickler muss dafür sorgen, dass am Sprungziel das Schlussbild der jeweiligen Seite erscheint. Die Skip-Taste wird gedimmt, wenn rmskipbuttonsprungziel leer ist Textfenster Der Koordinatenursprung des Präsentationsfensters befindet sich in der linken oberen Ecke. Objekte werden relativ zum Ursprung platziert und verschieben sich nicht, wenn das Präsentationsfenster skaliert wird. Bild 5.6 Das Präsentationsfenster zeigt einen Ausschnitt aller Objekte Das Präsentationsfenster des RSK und damit der sichtbare Bereich sind zunächst auf 640x480 Pixel eingestellt (Abschnitt 4.2.5). Jedoch können Objekte auch ausserhalb des sichtbaren Bereichs platziert werden wie das Textfenster. Mit der Textfenster-Taste wird lediglich die Breite des Präsentationsfensters verändert. Dies erweckt den Anschein, als ob das Textfenster auf- und zugeklappt wird. Die Texte sind also immer gegenwärtig, nur bei kleinem Präsentationsfenster eben nicht sichtbar. Bild 5.6 veranschaulicht diesen Vorgang Automatischer Aufbau des Inhaltsverzeichnis Nach dem Anstarten eines Moduls wird die Inhaltsangabe im Programmverzeichnis aus der Datei syslist.inh eingelesen. Ist diese Datei nicht vorhanden, wird sie automatisch generiert.

82 68 Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells Zu jedem Lernsystem existieren im Programmverzeichnis die Textdateien syslist.prj und syslist.mod. Sie können mit einem Editor inspiziert bzw. verändert werden. syslist.prj enthält den Namen des Lernsystems und syslist.mod die Namen aller Module des Lernsystems. Bild 5.7 zeigt diese Steuerdateien und ihren Inhalt exemplarisch zum Lernsystem Einführung ins Referenzmodell. Bild 5.7 Steuerdateien des RSK Mit Funktionen wie IconFirstChild und IconNext können sukzessiv alle Icons der Flusslinie durchlaufen werden. Da die Inhaltsangabe durch die Anordnung der Icons auf der Flusslinie repräsentiert wird (vgl. Abschnitt 5.2.1), kann sie einfach automatisch erfasst werden. Bild 5.8 Reihenfolge der Modulaufrufe zum Generieren der Inhaltsangabe zu EIR Fehlt die Datei syslist.inh, werden die Module aus der Datei syslist.mod nacheinander gestartet (vgl. Anhang A.1.2). Dieser Vorgang wird rekursiv bis zum letzten Modul wiederholt, Authorware merkt sich dabei die Reihenfolge. Beim letzten Modul angelangt schreibt dieser nun seinen Inhalt in die Datei syslist.inh und ruft das vorige Modul auf (Bild 5.8). Dieser Vorgang wiederholt sich bis zum ersten Modul. Alle Seitennamen einer Seitengruppe ausser der ersten Seite sind am Ende durch --+ gekennzeichnet. Diese Seiten werden nicht erfasst und können somit auch nicht aus der Inhaltsangabe angesprungen werden. Der Aufwand zur Implementierung von Seitengruppen mit dem RSK besteht damit lediglich in dem Anhängen von --+.

83 5.2 Erläuterungen zum RSK-Programm-Code Koppeln von Modulen zu Lernsystemen Module werden über das Inhaltsverzeichnis zu einem Lernsystem verbunden. Dazu muss der Modulname in der Datei syslist.mod aufgeführt sein und alle Module im selben Verzeichnis liegen (vgl. Abschnitt 5.2.5). Vom Inhaltsverzeichnis können Seiten des aktuellen Moduls oder aus anderen Modulen des Lernsystems aufgerufen werden. Ein Modulwechsel ist das Starten eines Zielmoduls und das Beenden des ersten Moduls. Damit muss beim Aufruf einer Zielseite das aktuelle Modul dem Zielmodul die Zielseite und andere Aufrufparameter übergeben (Tabelle 5.9). Das Zielmodul übernimmt dann die Kontrolle und springt zu der Zielseite, während das erste Modul sich selbst beendet. rmmodullist[rmmodulnr] UserName rmpagelist[rmpagenr] rmtitelbaronoff rmcovered rmcentered rmtextwinonoff WindowTop WindowLeft rmmodulnr rmapphndl Modulname. Der aktuelle Benutzername (AW-Variable). Seitenname. Zustand der Titelleiste. Zustand des Hintergrunds (verdeckt/sichtbar) Ist das Präsentationsfenster auf dem Bildschirm zentriert. Zustand des Textfensters (ein-/ausgeklappt) Y-Koordinate des Präsentationsfensters (AW-Variable). X-Koordinate des Präsentationsfensters (AW-Variable). Nummer des Zeilmoduls. Windows-Handel das vom OS vergeben wird. Tabelle 5.9 Aufrufparameter des RSK beim Modulwechsel Die Aufrufparameter teilen dem Zielmodul auch das Aussehen und die Position des Präsentationsfensters vom ersten Modul mit. Erscheint das Präsentationsfenster des Zielmoduls mit denselben Eigenschaften, sieht der Lernende den Modulwechsel lediglich als ein Aufflackern auf dem Bildschirm, was nicht weiter als störend empfunden wird Lesezeichen Der Modulwechsel aus dem vorigen Abschnitt ist ein unidirektionaler Aufruf mit Parameterübergabe. Anders ist es bei der Verwaltung der Lesezeichen. Bild 5.10 zeigt die bidirektionale Kommunikation. Das Modul startet die Lesezeichen-Applikation (LZA) und übergibt ihr Aufrufparameter. Bei einem Seitenwechsel wird die aktuelle Seite der LZA mitgeteilt. Andersherum teilt die LZA dem Modul mit, welche Seite angesprungen werden soll.

84 70 Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells Bild 5.10 Kommunikationsfolge zwischen Modul und Lesezeichen-Applikation Die Kommunikation zwischen Modul und LZA ist eine Interprozesskommunikation (IPK). Zur Programmierung von IPKs bietet Windows unterschiedliche systemnahe Varianten wie Dynamic Data Exchange (DDE) oder Object Linking and Embedding (OLE). Das Programmieren von DDE- und OLE- Routinen setzt fundierte Windows-Kenntnisse voraus, was die Anpassbarkeit des RSK erschweren würde. Im Folgenden stellen wir unsere eigene Implementierung einer IPK aus Bild 5.11 vor, die sehr viel offener und zugänglicher ist. Bild 5.11 Kommunikation zwischen Modul und LZA über das Filesystem Die IPK erfolgt über das Filesystem. Windows vergibt für jedes Fenster einen Handle, eine Nummer, die dieses Fenster und damit den Prozess eindeutig identifiziert. Immer wenn eine Seite betreten wird, legt das Modul eine Textdatei <Handle>.book mit Modulname, Abschnittsname und Seitennamen an. Beim Betreten einer neuen Seite wird diese Textdatei mit der dann aktuellen Textdatei überschrieben. Durch die Lesezeichentaste wird die LZA gestartet. Dabei ruft das Modul die Datei Bookmarks.exe mit Parametern auf. Eines der Parameter gibt das Austauschverzeichnis an, in dem unter anderem auch die Datei <Handle>.book abgelegt wird. Bis hierhin ist dies der bekannte unidirektionale Aufruf. Drückt nun der Lernende in der LZA auf die Seite-aufnehmen-Taste, wird aus dem Austauschverzeichnis die Datei <Handle>.book ausgelesen, und die LZA nimmt die Seite in ihre Liste auf. Wird eine Seite aus der Lesezeichenliste aufgerufen, schreibt die LZA die Datei <Handle>.goto mit der Zielseite ins Austauschverzeichnis. Das Modul erkennt diese Datei, liest sie aus und führt einen Sprung (auch modulübergreifend) zu der Zielseite durch.

85 5.2 Erläuterungen zum RSK-Programm-Code Austauschverzeichnis Jeder Lernende muss einen Benutzernamen angeben. Das Lernsystem legt damit ein Austauschverzeichnis mit der zusammengesetzten Bezeichnung \<Name des Lernsystems><Benutzername> an. In diesem Verzeichnis werden die Lesezeichenliste und die History-Liste abgelegt. Zur IPK mit der LZA und der History-Applikation notwendige Dateien werden ebenfalls hier abgelegt. Das Austauschverzeichnis gewährleistet, dass zwei Kopien desselben Lernsystems mit unterschiedlichen Benutzernamen parallel betrieben werden können. Das Austauschverzeichnis liegt unterhalb des recordslocation, einem Verzeichnis, das von Authorware automatisch angelegt wird. Somit entfällt die Notwendigkeit weiterer Kontrollen, da Authorware die Verfügbarkeit des Verzeichnisses in recordslocation gewährleistet.

86 72 Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells

87 6 Das multimediale Lernsystem VeriBox Das multimediale Lernsystem VeriBox Das multimediale Lernsystem VeriBox entstand ergänzend zur Lehre der VLSI-Ausbildung als Blended Learning. Es basiert auf dem Referenzmodell und demonstriert damit gleichzeitig dessen Einsatzfähigkeit. Die VeriBox wurde für Studenten der Studiengänge Informatik, Elektrotechnik, Informations-Systemtechnik und System-Design entwickelt, die nach dem Vordiplom im Bereich Chip-Entwurf eine Vertiefung anstreben. Dieses Kapitel stellt die VeriBox in den Kontext des Chip-Entwurfs. Hardware- Beschreibungssprachen (HDLs) spielen im Chip-Entwurf eine wesentliche Rolle und werden an mehreren Stellen im Design-Zyklus eingesetzt. Die VeriBox lehrt vornehmlich die HDL VERILOG und die zugehörige Logiksynthese im Zusammenhang mit weiter gehendem Wissen. Neben den Modulen der VeriBox entstanden weitere assoziierte CBTs. Sie gehen teils über den inhaltlich gesteckten Rahmen der VeriBox hinaus, teils genügen sie auch nicht ganz unseren Qualitätsstandards. Im folgenden stellen wir zunächst die Module der VeriBox kurz vor, danach die assoziierten CBTs. Im nächsten Abschnitt diskutieren wir den Chip- und System- Entwurf ausführlich und im Zusammenhang mit der VeriBox und den assoziierten CBTs. Im letzten Abschnitt 6.3 beschreiben wir einen Feldtest zur Evaluierung des CBTs LogiSyn (Abschnitt 6.1.4). 6.1 VeriBox und assoziierte Lernprogramme Das Lernsystem VeriBox besteht aus den vier Modulen VERILOGisch, Parallelität und Zeit (PuZ), Illusion und Logiksynthese (LogiSyn). Zusammen lehren sie einen zentralen Teilbereich des Chip-Entwurfs.

88 74 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox VERILIOGisch eine Einführung in die HDL VERILOG VERILOGisch führt in die HDL VERILOG ein und präsentiert wesentliche Befehle und Konstrukte zu Datentypen, Operatoren, Bedingungen, Schleifen, Funktionen, Prozeduren und Instanzen. Ein erstes Mal folgt eine kurze Betrachtung von simulierter Parallelität und Zeit-Konstrukten. Bild 6.1 zeigt die Einführung der Selektion. Links im dreigeteilten Darstellungsbereich ist dazu als Beispiel ein VERILOG-Programm abgebildet. Rechts oben steht eine kurze Erläuterung, rechts unten die Ausgabe des Simulators. Bild 6.1 Selektion in VERILOGisch Als wesentliche Besonderheit wurde in VERILOGisch ein frei verfügbarer VERILOG-Simulator integriert. Parallel zu den präsentierten Konstrukten kann der Lernende auf einer Experimentierwand die Beispiele direkt im CBT simulieren und die Ausgaben betrachten. Wahlweise können die Beispiele beliebig ergänzt oder durch eigene Modelle ersetzt werden. VERILOGisch entstand zunächst als Studienarbeit [FiMü02] und wurde später überarbeitet und in die neueste Version des Referenzmodells integriert. Alle Schlüsselwörter im Präsentationsfenster sind per Hyperlink mit einem VERILOG-Lexikon verbunden, dessen Inhalt dem Vorlesungs-Skript [Golz02] entstammt Parallelität und Zeit Das Modul PuZ [ÇaBH02] lehrt, mit welchen VERILOG-Konstrukten Parallelität modelliert werden kann (Bild 6.2) und wie es simuliert wird. Ferner welche Zeit- Konstrukte zur Simulation und Abfrage von Verzögerungen (z.b. Taktzeiten, Leitungs- und Gatterlaufzeiten) eingesetzt werden können.

89 6.1 VeriBox und assoziierte Lernprogramme 75 Bild 6.2 VERILOG-Konstrukte zur Parallelität aus PuZ PuZ entstand zunächst als Studienarbeit [Buch99] und wurde später in einer zweiten Studienarbeit [Heis02] mit zusätzlichen Testaufgaben erweitert und schließlich in die neueste Version des Referenzmodells integriert Illusion FPGA-Entwurf eines Display-Controllers FPGAs (Field-Programmable Gate-Array) sind programmierbare Logikbausteine (Abschnitt 6.2.8). Illusion übt einen kompletten FPGA-Entwurf eines Display-Controllers über alle Entwurfsschritte bis zur Programmierung des FPGAs. Bild 6.3 zeigt den schematischen Aufbau der Schaltung. Bild 6.3 Strukturkomponenten des Display-Controllers

90 76 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox In Illusion wird das RTL-Modell manuell in ein Gattermodell umgesetzt, um vor der automatischen Logiksynthese (Abschnitt 6.2.3) ein Bewusstsein für die Komplexität des Problems zu schaffen. Weiter werden dort wichtige High-Level- Optimierungen wie die Verkürzung kritischer Pfade über Taktgrenzen hinweg geübt, die von der automatischen Logiksynthese nicht geleistet werden. Illusion als eines der ersten CBTs der Abt. E.I.S. entstand in einer Diplomarbeit [Çata97] auf einem Macintosh-System. In weiteren Arbeiten [Stöb99, Sche99] wurde es überarbeitet, erweitert und auf das Windows-System überführt. Schließlich wurde es in dieser Arbeit in die neuste Referenzmodell-Version integriert. Illusion steht damit als ein Beispiel für die Kompatibilität der Referenzmodell-Sourcen über Versionen und unterschiedliche Betriebssysteme hinweg Logiksynthese Die automatische Logiksynthese (Abschnitt 6.2.3) ist ein wesentlicher Bestandteil des modernen Chip-Entwurfs. Dort werden Modelle auf der Register-Transfer-Ebene in Gattermodelle überführt. Dabei kann der Designer im RTL-Modell gezielt Resultate im Gattermodell bewirken, andere nicht synthetisierbare Konstrukte darf er dagegen nicht verwenden. Das Lernprogramm LogiSyn [Kirs03] vermittelt zunächst die Schritte der automatischen Logiksynthese und grenzt die synthetisierbaren VERILOG-Konstrukte ein. Wesentliche Eigenschaften wie die zeitliche Lokalität von VERILOG-Variablen werden in einem eigenen Abschnitt behandelt, wo es in einem CBT besonders gut dynamisch geübt werden kann (Bild 6.4). Bild 6.4 Im CBT LogiSyn wird dynamisches Verhalten animiert

91 6.1 VeriBox und assoziierte Lernprogramme 77 In drei Schaltungsbeispielen Vergleicher, Zero-Counter und Verkaufsautomat werden Effizienzvariation, Prä- und Post-Synthese-Unterschiede, Trennung von Zustand und Logik und vieles andere mehr nahe gebracht Zur VeriBox assoziierte Lernprogramme Der Chip- und System-Entwurf ist ein komplexes Lehrgebiet, den die VeriBox nur zum Teil überdeckt. Es entstanden in dieser Arbeit zusätzliche CBTs, die weiteres Wissen aus dem Gebiet lehren. Diese zur VeriBox assoziierten CBTs werden teilweise ebenfalls in der Lehre eingesetzt. A Simple Instruction Computer (ASIC) ASIC [BFFM00] zeigt den Entwurf einer einfachen CPU auf drei unterschiedliche Arten (Verhaltens-Modell, Struktur-Modell und Pipeline-Modell). Der Lernende erfährt unter anderem, wie er in der Spezifikation den Befehlssatz der CPU festlegt, ein Prozessor-Phasen-Diagramm aufstellt und die Schaltung strukturiert. Anschließend werden Schritt für Schritt die VERILOG-Programme aufgebaut. Als besonderes didaktisches Mittel ist die Lehre des ASIC in einem Rollenspiel aus Sicht des Entwicklers dargestellt. Der Lernende in der Rolle des Entwicklers wird dabei zunächst mit typischen Fragestellungen konfrontiert und anschließend auf deren Lösungsweg geführt. Selbst gedrehte Video-Sequenzen geben das Rollenspiel wieder und sollen motivieren. Beispiele und Aufgaben (BuA) zur HDL VERILOG Das CBT BuA [Kros03] liefert zur Vertiefung einige einfache VERILOG-Beispiele (D-Flipflop, Multiplexer, ALU) und Aufgaben dazu. Zu jedem Beispiel wird ein VERILOG-Testmodul präsentiert und kann wie in VERILOGisch durch Aufrufen eines integrierten VERILOG-Simulators simuliert werden. Als weitere didaktische Besonderheit gibt es zu jedem Beispiel eine Seite, auf der alle Zeilen des VERILOG- Programms nach Anklicken erklärt werden. Regeln und Empfehlungen zur Logiksynthese (REL) Zur Vertiefung der in LogiSyn eingeführten Regeln und Empfehlungen werden diese im CBT REL [Grae03] zunächst mit Beispielen wiederholt, gefolgt von den fünf Aufgaben Bit-Counter, Fibonacci, Statischer-Calculator, Stack und CRC-Checker, die unter Anwendung der Regeln und Empfehlungen implementiert werden müssen. Als didaktische Besonderheit ist ein Parser integriert. Dazu wird dem Lernenden ein VERILOG-Modulrahmen vorgegeben und anschließend der VERILOG-Simulator gestartet. Erst fehlerfreie Simulationen werden dann mit dem Parser auf die Einhaltung der Regeln und Empfehlungen überprüft. Beim Parser mussten wir Kompromisse

92 78 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox eingehen und gewisse Einschränkungen erlauben. Diese sind bei Low-Cost-Low- Time-Implementierungen notwendig (Abschnitt 3.3), da der Entwurf eines vollständigen Parsers erheblichen Mehraufwand bedeutet hätte. Der Lernende kann sich nach drei Fehlversuchen eine Musterlösung präsentieren lassen und Unterschiede zu seiner Lösung selbst erarbeiten. Einführung in den Synopsys-Design-Analyzer (ESDA) Der Design-Analyzer ist das Front-End des Synthese-Werkzeugs Design-Compiler des Marktführers Synopsys. Das CBT ESDA [MiSc03] erleichtert den Einstieg in die Arbeit mit dem Design-Analyzer. Nach einer Einführung in die Benutzeroberfläche wird der Lernende mittels loser Kopplung mit dem Werkzeug (Abschnitt 3.4.2) durch einen Syntheselauf geführt. Built-In Logic Block Observer (BILBO) BILBO [Kamm00] behandelt den Selbsttest von Schaltungen. Es wird eine Implementierung einer BILBO- Schaltung ausführlich erläutert. Der Lernende kann die Schaltung interaktiv erforschen. In BILBO ist der gesprochene Text (Bild 6.5) noch im Präsentationsfenster selbst angeordnet, was den Darstellungsbereich zusätzlich einengt. Als Weiterentwicklung folgte später das ausklappbare Textfenster (Abschnitte und 4.2.8). Bild 6.5 Interaktiv können über die Schalter die Leitungssignale bedient werden Grobüberblick über den Schaltungsentwurf (GrobiS) Es werden wesentliche Themen des Chip-Entwurfs multimedial präsentiert. GrobiS CBT [GKLW02] soll Studenten zu Beginn des Semesters motivieren und ihre Neugier wecken, ohne dabei zu sehr ins Detail zu gehen. Als Eye-Catcher wurde das Quiz am Ende des CBTs im Design von Wer wird Millionär? entworfen. Einführung in den VLSI-Entwurf (EVE) Auch EVE [GKSS02] entstand als Motivations-CBT und führt in wesentliche Teile des Chip-Entwurfs ein. EVE wurde mit einfachen multimedialen Techniken realisiert, um eine spätere Transformation zum WBT zu ermöglichen.

93 6.2 Chip- und System-Entwurf 79 Hardware-Software-Codesign (HSC) Während in Hardware implementierte Funktionen meistens schneller laufen, sind Software-Implementierungen häufig flexibler und kostengünstiger. Das Hardware- Software-Codesign (Abschnitt 6.2.9) versucht die Vorteile von Hard- und Software zu kombinieren. Dazu muss der Entwurf parallel betrieben werden. HSC [JaMS02] führt in das Hardware-Software-Codesign ein. Kräftegesteuertes Scheduling Die High-Level-Synthese überführt Verhaltensmodelle in RTL-Modelle (Abschnitt 6.2.1). Das spezielle Verfahren des kräftegesteuerten Scheduling wird behandelt, in welchem Kontroll-Datenflussgraphen auf Fläche optimiert werden [Isen99]. 6.2 Chip- und System-Entwurf Anfang des 20. Jahrhunderts sprach man von Elektronik und meinte Schwachstromschaltungen mit Widerständen, Kondensatoren, Spulen und Elektronenröhren, die verbunden durch Drähte eine Schaltung ergaben. Die Röhren wurden später durch Transistoren abgelöst gelang es dem heutigen Nobelpreisträger Jack Kilby, einen Transistor auf einem Halbleiterkristall zu entwickeln. Und seit es gelang, die Bauteile samt ihren Verbindungen auf ein Siliziumplättchen zu bringen, den Chip, spricht man von integrierten Schaltungen. Seitdem verdoppelt sich die Anzahl Transistoren je Chip etwa alle anderthalb Jahre entwickelte man Chips mit überschaubaren zehn Transistoren, 1988 waren es etwa zehn Mio., und heute können bis zu einer Milliarde Transistoren auf einem Chip integriert werden. Zur Bewältigung dieser Komplexität fanden unterschiedliche Entwicklungen statt, die wichtigsten werden im folgenden im Zusammenhang mit der VeriBox betrachtet Abstraktionsebenen im Chip-Entwurf Eine komplexe Schaltung mit Tausenden von Gattern auf Anhieb in seiner endgültigen Form zu entwerfen, ist kaum möglich. Komplexe Schaltungen werden deshalb auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen oder durch Sichten beschrieben. Auf den höheren Ebenen werden durch Abstraktion Details zunächst außer Betracht gelassen und so die Gesamtkomplexität reduziert. Von einer höheren auf eine tiefere Ebene wird der Entwurf durch Transformationen (Synthese) detaillierter, bis der Entwurf in allen Details aufgelöst ist und das Ergebnis vorliegt. Dies können Programmierdaten für Logikbausteine, Layouts für Leiterplatten oder Maskenbänder für die IC-Fertigung sein. Im folgenden wird eine geläufige Aufteilung in Abstraktionsebenen vorgestellt.

94 80 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Verhaltensebene Auf der Verhaltensebene wird das System zunächst als Black-Box betrachtet. Auf Eingaben ins Verhaltensmodell folgen seine Ausgaben, die später in Hardware irgendwie berechnet werden sollen. Zur Beschreibung von Verhaltensmodellen kann z.b. die Programmiersprache C verwendet werden. Allerdings werden HDLs bevorzugt, da sie auch auf unteren Abstraktionsebenen eingesetzt werden. Der einheitliche Gebrauch einer Sprache verhindert unter anderem fehleranfällige Übersetzungen, das Lernen von Sprachen mit unterschiedlicher Semantik und unterschiedliche Werkzeuge, die gekauft und erlernt werden müssen. Systemebene Auf der Systemebene erfolgt die Beschreibung von großen Komponenten des Systems wie Speicher, Prozessoren oder Interface-Einheiten. Dabei werden formale oder verbale Beschreibungen verwendet und meistens durch Grafiken unterstützt. Die System-Beschreibung dient der Partitionierung des Gesamtsystems. In einem Flurplan, der Bestandteil der Beschreibung sein kann, wird eine erste meist vorläufige Unterteilung der Chip-Fläche vorgenommen. Register-Transfer-Ebene (RTL-Ebene) Auf der RTL-Ebene werden Register und Speicher betrachtet, zwischen denen eine Datenverarbeitung mittels kombinatorischer Logik stattfindet. Informationen über Takt- und Rücksetzsignale fließen in die Beschreibung mit ein. Die Berechnungen erfolgen abhängig von diesen Signalen, so dass die zeitliche Abhängigkeit schon relativ genau beschrieben ist. Der bevorzugte Einsatz von HDLs zur Beschreibung von RTL-Modellen erklärt sich durch ihre Simulierbarkeit (Abschnitt 6.2.5) und spätere automatische Synthetisierbarkeit (Abschnitt 6.2.4). Logik- oder Gatterebene Auf der Logikebene wird die Schaltung als Netz aus verbundenen Gattern und Registern (Gattermodell) dargestellt. Die Schaltung wird hier durch logische Verknüpfungen und ihr 0-1-Zeitverhalten repräsentiert. Schaltkreisebene Integrierte Schaltungen bestehen größtenteils aus Transistoren. Die Kanallänge und Kanalbreite eines Transistors bestimmt seine Schaltgeschwindigkeit, Platzbedarf und Leistungsaufnahme. Je breiter der Kanal bei gleicher Kanallänge wird, um so schneller

95 6.2 Chip- und System-Entwurf 81 arbeitet der Transistor mit steigendem Leistungsverbrauch, gleichzeitig wächst der Platzbedarf. Auf der Schaltkreisebene werden die auf der Logikebene gewählten Gatter durch Transistorschaltungen ersetzt (Bild 6.6) und ihre Dimensionen bestimmt. Gatterlaufzeiten können daher erst auf dieser Ebene genau bestimmt werden. Bild 6.6 Umsetzung eines AND-Gatters, Symbol und Transistorschaltung Symbolische Layout-Ebene Die Schaltung auf einem Chip besteht in der Regel aus mehreren Schichten (Layern). Neben den Layern Polysilizium und Diffusion können eine oder mehrere Metallebenen vorhanden sein. Ohne ins Detail zu gehen, soll erwähnt werden, dass durch Kreuzen von Leitungen auf der Polysilizium- und Diffusions-Ebene Transistoren entstehen, während Verbindungsleitungen meist auf den Metall-Layern liegen. Die symbolische Layout-Ebene zeigt die Transistorschaltung als Abbildung auf die Layer (Topologie des Chips). Hier ist die relative Lage der Transistoren zueinander und die Führung der Verschaltung auf den Layern dargestellt. Die Schaltung wird auf dieser Ebene meist durch so genannte Stick-Diagramme präsentiert, in denen Farben die Leitungs-Layer kennzeichnen. Leitungen derselben Farbe sind elektrisch miteinander verbunden, wenn sie sich in dem Stick-Diagramm kreuzen. Verbindungen zwischen den Layern werden durch Kontakte hergestellt, die durch ein Kreuz dargestellt sind. Geometrische Layout-Ebene Je nach Zieltechnologie müssen zur Fertigung gewisse geometrische Entwurfsregeln eingehalten werden. Überwiegend sind das Angaben zu Leitungsbreiten und Mindestabstände. Auf der geometrischen Layout-Ebene wird die Schaltung als zweidimensionales maßstabsgetreues Layout dargestellt (Bild 6.7). Die geometrischen Bild 6.7 Umsetzung einer Transistorschaltung in ein Layout Angaben können hier zur Fertigung entnommen werden. Da nun die Leitungslängen und Breiten feststehen, können auch Leitungslaufzeiten mit in die Simulationen einfließen. Durch Platzierungs- und Verdrahtungsalgorithmen wird die Lage der Komponenten auf dem Chip bestimmt.

96 82 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Auch im Chip-Entwurf werden große Strukturen zur Bewältigung zerlegt und hierarchisch organisiert. Diese Zerlegungshierarchie kann auf allen Abstraktionsebenen Anwendung finden. In der VeriBox wird die Bedeutung der Abstraktionsebenen in fast allen Modulen betont. In VERILOGisch werden die Transistor-, Logik- und RTL-Ebene vorgestellt. Illusion führt einen kompletten FPGA-Entwurf vom Verhaltensmodell bis zum Gattermodell vor (Bild 6.8). LogiSyn und das assoziierte GrobiS CBT behandeln lediglich einen Auszug, nämlich die Synthese zwischen RTL-Modell und Gattermodell. Bild 6.8 Der Design-Zyklus wird in Illusion mit wesentlichen Schritten präsentiert Die Betonung der RTL- und Logik-Ebene in der VeriBox spiegelt die Bedeutung dieser Ebenen wieder. Während Ebenen unterhalb der Logik-Ebene meistens zur Fertigung interessant werden, beschäftigt sich der Chip-Designer überwiegend mit RTL-Modellen Verhalten und Struktur Im Verhaltensmodell wird das Verhalten der Schaltung irgendwie als Black-Box beschrieben. Zerlegt man das Verhaltensmodell entsprechend einer zunächst groben Schaltungsstruktur, können die einzelnen Komponenten wiederum als Verhaltensmodelle irgendwie beschrieben werden. Diese Strukturierung kann wiederholt erfolgen, bis das Verhalten in den Strukturkomponenten zuletzt die Schaltung so detailliert beschreibt, dass sie möglichst automatisch gefertigt werden kann. Praktisch will man eine Schaltungsbeschreibung auf der Layout-Ebene erhalten. Während das funktionale Verhalten z.b. des UND-Gatters aus Bild 6.7 irgendwie

97 6.2 Chip- und System-Entwurf 83 beschrieben und automatisch in sein Layout zur Fertigung überführt werden kann, gelingt dies mit Verhaltensmodellen auf der Verhaltensebene nicht immer. Überführt man das Verhaltensmodell durch Strukturierung z.b. auf die RTL-Ebene, wird die automatische Transformation bis zur Layout-Ebene möglich. Die Entwicklung verläuft dabei hierarchisch vom Was zum Wie. Diese drei Betrachtungsweisen Verhaltensaspekt, Strukturaspekt und geometrischer Aspekt wurden erstmals durch D. Gajski et al. im Gajski-Diagramm zusammengefasst [Jans01, S.35; Gajs88, Gajs92]. VERILOG kann zur Beschreibung von Schaltungen auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen eingesetzt werden. Wesentlich ist dabei das Modul-Konzept, das die Strukturierung einer Schaltung ermöglicht. Mit den übrigen VERILOG-Konstrukten wird dann irgendwie durch unterschiedliches Anwenden das Verhalten modelliert. Das Modul-Konzept wird in VERILOGisch gleich zu Beginn präsentiert. Wir führen dabei die Strukturierung Buttom-up vor und beginnen bei den Transistoren (Bild 6.9). Bild 6.9 Mehrere Transistoren bilden das Verhalten eines Gatters Dieser Aufbau von kleineren Strukturen, die zu größeren zusammengesetzt werden, entspricht einer allgemein vertrauteren Betrachtungsweise und soll das Verstehen erleichtern EDA-Tools EDA steht für Electronic Design Automation und meint den automatisierten Entwurf, abgeleitet aus einer Spezifikation, bis hin zum serienproduzierbaren Ergebnis. Mit EDA-Tools werden Werkzeuge bezeichnet, die irgendwo in dieser Entwicklung eingesetzt werden, wie z.b. Hardware-Beschreibungssprachen, Schematic-Entry- Tools, Timing-Analyzer, Synthese-Compiler und viele andere.

98 84 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Zur Schaltungsbeschreibung unterscheidet man im wesentlichen zwei Werkzeugarten: textuelle und grafische Werkzeuge. VERILOG ist z.b. ein Vertreter der textuellen EDA-Tools, während ViewLogic oder Statemate ein Vertreter der grafischen Werkzeuge ist. Einige Werkzeuge arbeiten spezifisch auf einer Abstraktionsebene (z.b. ViewLogic zur Eingabe von Gattermodellen). Andere Werkzeuge können auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen verwendet werden. Which of these levels [Abstraktionsebenen] do you think VERILOG can be used for? The answer to this question varies, but VERILOG can definitely be used from the system level down to switches. [Lee97, S.3]. HDLs haben sich auf fast allen Abstraktionsebenen zur Beschreibung etabliert. Oft nutzen grafische Tools HDLs zum Austausch oder zur Weiterverarbeitung. So kann z.b. Statemate seine Zustandsdiagramme auch als VERILOG-Programm ausgeben. Oder der Design-Compiler von Synopsys liest z.b. VERILOG-Programme ein und generiert daraus ein Gattermodell (das wahlweise wieder in VERILOG ausgegeben werden kann). Die HDL VERILOG Um den Bedarf zur Dokumentation von integrierten Schaltungen zu decken, wurde in einer Kooperation VHDL (VHSIC 8 Hardware Description Language) entwickelt. Unabhängig von VHDL wurde zur selben Zeit VERILOG zur Simulation von integrierten Schaltungen entwickelt. VERILOG war der erste Logik-Simulator, der nahtlos eine Hochsprachenbeschreibung und die Gatter-Simulation verband. Später gab es und gibt es noch weitere relativ unbedeutende HDLs, die hier nicht weiter betrachtet werden. Beide HDLs haben sich im Laufe der Zeit zur Dokumentation und Simulation durchgesetzt. Später kam noch die Synthese hinzu. 1. Dokumentation: Durch Dokumentation wird eine Entwicklung transparent. Investitionen können z.b. durch Design-Reuse bewahrt werden. 2. Simulation: Die in der Entwicklung relativ frühe Simulation kann Fehler aufdecken und gibt frühzeitig Hinweise auf Verbesserungen. Früher wurden dazu Prototypen entwickelt, die die Entwicklung verteuerten und verzögerten. 3. Synthese: Durch die Synthese wird der abstrakte menschenwürdige Entwurf ermöglicht, und Werkzeuge übernehmen dann die weitere Verarbeitung. Eine Tendenz zur weltweiten Dominanz von VERILOG ist zu beobachten, die durch zwei Punkte begünstigt wird. Zum einen ähnelt VERILOG der Programmiersprache C und gilt allgemein leichter zu erlernen als VHDL. Zum anderen wird die Entwicklung von EDA-Werkzeugen von amerikanischen Firmen dominiert. 8 VHSIC = Very High Speed Integrated Circuit

99 6.2 Chip- und System-Entwurf 85 Während für VHDL die letzte Erweiterung 1993 (IEEE Std ) stattfand, kam jüngst die Überarbeitung des VERILOG-Standards als IEEE VERILOG-2001 heraus, das ebenfalls ein Indiz für weitergehende Bemühungen ist. Er umfasst Erweiterungen um modernen Anforderungen gerecht zu werden. Zusätzlich wurde die Sprache weiter vereinfacht, um Fehlern vorzubeugen und den Entwurf zu beschleunigen. Today s designs are very deep sub micron, with millions of gates in size. The enhancements in Verilog-2001 aid in modeling verifying designs of this size and speed. The enhancements include simple changes to make it easier to model large designs, changes to make modeling for synthesis more fool-proof, and changes to increase timing accuracy for very deep sub micron circuits [Suth02, S.4]. Die in der VeriBox vorgestellten VERILOG-Beispiele basieren auf dem verbreiteten IEEE Standard, da die Entwicklung von Synthese-Compilern, die IEEE unterstützen, andauert. Für eine Einführung in VERILOG verweisen wir auf [Paln96, Lee97, Bhas97, Golz02] und die VeriBox [Çata03a] Synthese Mit Synthese wird im Chip-Entwurf allgemein die Transformation einer Schaltungsbeschreibung von einer höheren auf eine niedrigere Abstraktionsebene verstanden. Die High-Level- oder RTL-Synthese überführt ein Verhaltensmodell in ein RTL-Modell. Die Logiksynthese übersetzt das RTL-Modell in das Gattermodell und die Layout-Synthese das Gattermodell in das Layout. Bild 6.10 verdeutlicht diese Abfolge ohne die Rückschritte und Iterationen zu zeigen. Erfüllen die Ergebnisse nach der Synthese nicht die Anforderungen, so wird in der Regel ein Rückschritt gemacht, korrigiert und erneut synthetisiert. Bild 6.10 Wesentliche Synthesen High-Level-Synthese High-Level-Synthese-Compiler wie der Behavior-Compiler oder der Protocol- Compiler von Synopsys arbeiten auf Basis von HDL-Verhaltensmodellen. Diese Compiler werden allerdings nur in Spezialgebieten wie z.b. der Controller-Synthese eingesetzt, darüber hinaus sind sie nicht uneingeschränkt für jede Art von High-Level- Synthese geeignet. Bild 6.11 zeigt den Syntheselauf vom Statechart- und Behavior-Compiler-Modell. Das Verhaltensmodell wird zunächst in das RTL-Modell transformiert, bevor es mit weiteren Compilern ins Gattermodell überführt wird.

100 86 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Die automatische Transformation von High-Level-Verhaltensbeschreibungen ist äußerst schwer, da über die zu implementierende Hardware im Verhaltensmodell kaum Strukturinformationen vorhanden sind (vgl. Abschnitt 6.2.1). Mit der Entwicklung von neuen Werkzeugen soll zukünftig jedes Verhaltensmodell automatisch synthetisiert werden können. Dann könnten Optimierungsalgorithmen möglicherweise effizientere Ergebnisse liefern, da sie auf der Verhaltensebene über Taktgrenzen hinweg optimieren könnten. Logiksynthese Die Überführung eines RTL-Modells in ein optimiertes Gattermodell mit Compilern erfolgt im wesentlichen mit den Schritten Übersetzung, Optimierung und Mapping. 1. Übersetzung: Das RTL-Modell wird in eine generische Netzliste konvertiert. Generisch bedeutet, dass die Netzliste in einer internen, unoptimierten, technologieunabhängigen Zwischendarstellung vorliegt. 2. Optimierung: Alle Operationen werden zerlegt und durch Boole sche Gleichungen beschrieben und optimiert (Logikoptimierung). 3. Mapping: Die Boole schen Ausdrücke werden durch einfache Gatter wie NAND, NOR, Inverter etc. ersetzt (Technology-Mapping) und miteinander verbunden. Neben dem RTL-Modell werden Design- Constraints (Zielvorgaben zum Design) und eine Technologie-Bibliothek zur Synthese benötigt (Bild 6.12). Aus der Technologie- Bibliothek entnimmt der Synthese-Compiler Angaben zu den Gattern des Herstellers, mit dem die Schaltung aufgebaut werden soll. Typische Design-Constraints sind unter anderem Vorgaben zu Zeit, Fläche und Leistung. Da eine gegenläufige Beziehung zwischen diesen drei Optimierungszielen Bild 6.12 Logiksynthese im Detail besteht, kann eine Forderung zur gleichzeitigen Optimierung nicht erfolgreich sein. Für die intelligente Auswahl von Design- Constraints bleibt damit der Designer verantwortlich. Voraussetzung für eine erfolgreiche Synthese sind nicht nur widerspruchsfreie Design-Constraints und effiziente Optimierungsalgorithmen, sondern zusätzlich auch ein synthetisierbares RTL-Modell. Eine Übereinkunft, aus welchen hochsprachlichen Konstrukten welche Hardware synthetisiert wird, fassen Synthese-Compiler- Herstellern in so genannten Style Guides zusammen. Einige der Regeln aus den Style Guides sind Compiler-spezifisch, andere scheinen dagegen allgemein gültig, weil sie von vielen unterstützt werden.

101 6.2 Chip- und System-Entwurf 87 Die Compiler zur Logiksynthese sind heute ausgereift und liefern gute bis sehr gute Ergebnisse. Für einen Designer gehört die Anwendung der Logiksynthese zum Grundwissen. In der VeriBox wird deshalb mit dem Modul LogiSyn die Logiksynthese auf Basis von VERILOG-RTL-Modellen detailliert erklärt. Bild 6.13 Die Synthese von RTL-Modellen wird mit Beispielen veranschaulicht Alle präsentierten Gattermodelle (Bild 6.13) wurden real mit dem Design- Compiler synthetisiert. Der Lernende wird gleich mit den realen Resultaten konfrontiert und lernt das richtige Interpretieren. Das in LogiSyn Gelernte kann wiederum in dem assoziierten CBT REL angewendet werden. Dazu gibt der Lernende zu einer Aufgabenstellung eigene RTL-Modelle ein. Diese werden von einem VERILOG-Compiler und einem von uns entwickelten Parser überprüft und ein Feedback ausgegeben. Layout-Synthese Bei der Layout-Synthese wird das Gattermodell in ein entsprechendes Layout auf dem Chip überführt (Bild 6.11). Dazu werden im wesentlichen die folgenden vier Schritte durchlaufen: 1. System-Partitioning: Die Schaltung wird in Teilschaltungen so zerlegt, dass die Verbindungen zwischen den Teilschaltungen, bei einer vorgegebenen Maximalgröße der Teilschaltungen, minimal wird. 2. Floorplanning: Die Größen der Grundpartitionen (Zellen) werden berechnet und auf dem Chip so platziert, dass Zellen mit vielen Verbindungen dicht beieinander liegen. 3. Platzieren: Die Gatter-Positionen und deren Verdrahtungswege werden in den Zellen bestimmt, mit dem Ziel, möglichst minimale Chip-Fläche und kurze Verdrahtungswege zu beanspruchen.

102 88 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox 4. Verdrahtung: Die Verdrahtung teilt sich auf in globale und lokale Verdrahtung. Zunächst werden in der globalen Verdrahtung die Verdrahtungswege zu den Zellen bestimmt mit dem Ziel der minimalen Fläche. Anschließend wird in der lokalen Verdrahtung festgelegt, wo einzelne Leitungen in den Verdrahtungswegen verlaufen mit dem Ziel der kürzesten Leitungslänge. Diese Schritte werden weitgehend automatisiert durchgeführt. Die Layout- Synthese soll hier nicht weiter betrachtet werden, da sie eher in die Fertigungsphase fällt [Jans01, S.93] Simulation Bei der kurzen Halbwertzeit von integrierten Schaltungen sind die Time-to-Market und die Höhe der Fertigungskosten kritische Faktoren. Den Herstellern bleibt dabei keine Zeit, Prototypen zu entwerfen, um die Korrektheit der Schaltungen zu untersuchen. Oft haben sie nur einen Versuch, und es gilt das Prinzip des First-Time-Right, um konkurrenzfähig zu bleiben. Fehler nehmen aber auf diese harten Spielregeln keine Rücksicht und befallen die Schaltungen an unterschiedlichen Stellen im gesamten Design-Zyklus. Sie müssen durch entwicklungsbegleitende Simulationen und Tests (Abschnitt 6.2.7) gefunden und beseitigt werden. Dabei wird ein Fehler, je später er entdeckt wird, um so teurer. Das primäre Ziel der Simulation ist somit, Fehler frühzeitig zu entdecken. Darüber hinaus können Simulationsergebnisse auch zur Dokumentation dienen. Sie geben dann Aufschluss, an welcher Stelle Fehler sich eingeschlichen haben, oder dass die Schaltung die Spezifikationen erfüllt (möglicherweise mit unentdeckten Fehlern, vgl. Abschnitt 6.2.7). Die wichtigsten Simulationsschritte sind die Pre-Synthese-, Post-Synthese- und die Post-Layout-Simulation. Bild 6.14 zeigt allgemein die Simulationsschritte. Vor der Logiksynthese finden die so genannten Pre-Synthese-Simulationen statt. Das sind Verhaltens- oder Funktions-Simulationen. Das Gattermodell wird den Post-Synthese- Simulationen unterzogen, die oft als Logik-Simulation oder Timing-Analyse laufen. Das Layout-Modell wird mit den Post-Layout-Simulationen überprüft, in dem Switch- Level- und Transistor-Simulationen und auch Timing-Analysen stattfinden. Während der Entwicklung einer Schaltung verändert sich das Modell in der Regel vom Verhalten zur Struktur (vgl. Abschnitt 6.2.2). Diese Modelle können z.b. aufgrund ihrer unterschiedlichen Strukturanteile Bild 6.14 Die wichtigsten Simulationsschritte

103 6.2 Chip- und System-Entwurf 89 nicht immer miteinander verglichen werden. Statt dessen vergleicht man die Simulationsergebnisse aus unterschiedlichen Simulationsschritten. Ebenfalls wegen der Strukturanteile verlängert sich die Simulationsdauer, je tiefer die Abstraktionsebene des Modells ist. High-Level-Simulationen laufen schneller und sind kostengünstiger, allerdings dafür weniger genau. Zum Beispiel sind Fehler bei Leitungslaufzeiten, Gatterverzögerungen oder Transistordimensionen damit nicht auffindbar. Timing-Simulationen werden bei der Pre-Synthese-Simulation lediglich als diskrete logische Schaltzeiten simuliert. Hardware-nahe Simulationen sind zeitintensiver und verursachen mehr Kosten, sind dafür aber genauer. Es ist offensichtlich, dass die Simulation von Tausenden von Transistoren einen erheblichen Aufwand bedeutet. Um Simulationsergebnisse in dieser Genauigkeit zu bekommen, wird entsprechend teure Simulations-Software und -Hardware benötigt. Simulationsläufe können dabei trotzdem schon mal mehrere Wochen dauern. Oft sind die sehr komplexen Schaltungen mit mehreren Millionen Transistoren wegen dem Aufwand oder der Dauer der Simulation auf unteren Abstraktionsebenen nicht vollständig simulierbar. Alternativ werden dann andere Testverfahren (vgl. Abschnitt 6.2.7) eingesetzt (z.b. formale Verifikation) oder Mixed-Mode-Simulationen durchgeführt. Bei Mixed-Mode-Simulationen versucht man die Komplexität der Schaltung zu reduzieren, indem man Schaltungsteile in unterschiedlicher Auflösung zur Simulation bereitstellt. Unkritische Teile werden eher als abstrakte Modelle eingesetzt, die durch die Simulation zu beobachtenden Teile dagegen eher als Low-Level-Modell. Zur Simulation werden sowohl HDL-Simulatoren als auch Analog-Simulatoren eingesetzt. Während die ersten auf den höheren Abstraktionsebenen vorkommen, werden die zweiten unterhalb des Gattermodells verwendet. Die HDL-Simulatoren simulieren Parallelität und bedienen sich einer abstrakten Zeitberechnung (Abschnitt 6.2.6). Die Analog-Simulatoren können recht detaillierte Aussagen über richtiges Laufzeitverhalten geben, dies allerdings oft nur mit Unterstützung der Hersteller, die als Lieferant der Technologie-Bibliotheken die notwendigen Daten besitzen. Die Bedeutung der Simulation wird in allen Modulen der VeriBox unterstrichen. In VERILOGisch ist ein VERILOG-HDL-Simulator integriert, den der Lernende zur Simulation der Beispiele nutzen kann. PuZ erklärt Zusammenhänge von zeitlichem und parallelem Verhalten in simulierten HDL-Modellen. Illusion stellt echte Ergebnisse von Timing-Analysen multimedial aufbereitet zur Verfügung, der Lernende kann diese betrachten und analysieren, ohne Simulationszeiten zu verbrauchen Parallelität und Zeit Wie bereits erwähnt, können auf der Verhaltens-, RTL- und der Gatterebene Leitungsund Gatterlaufzeiten nicht vollständig vorhergesagt werden, da die

104 90 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Schaltungsdimensionen noch unbestimmt sind. Um bei Simulationen diese Werte näherungsweise zu überprüfen, können Zeitkontroll-Anweisungen in die Modelle eingebaut werden. In VERILOG gibt es dazu das #-Konstrukt und den Datentyp time. Dabei entspricht z.b. die Angabe #1 einer abstrakten Verzögerung, in der eine Unterbrechung von einer Zeiteinheit stattfindet. Zur Simulation von Parallelität wird manchmal die Ausführungsgeschwindigkeit des Computers ausgenutzt (z.b. beim Multitasking). Dies genügt einem Simulator, der echt parallel laufende Hardware simulieren soll, nicht. In VERILOG werden Gatter- Primitive, Modul-Instanzen, die assign-anweisung, inital- und always-blöcke, nichtblockende Zuweisungen und fork-join-konstrukte sowie Mischformen dieser parallel simuliert [vgl. Golz02, S.3-1]. Dazu führt der VERILOG-Simulator eine globale Variable, die den Simulationszeitpunkt enthält. Er gibt einen diskreten Wert an, der bei der realen Schaltung der Zeit entspricht. Zu jedem Simulationszeitpunkt können mehrere so genannte Ereignisse anliegen. Zum Beispiel wird ein Anweisungsblock ohne Zeitkontroll-Anweisungen als ein Ereignis betrachtet. Erst wenn alle Ereignisse in dem Simulationszeitpunkt abgearbeitet sind, wird die Bild 6.15 Eine mögliche Ausführungsreihenfolge Simulationszeit weiter von Ereignissen im Simulator geschaltet. Die Ereignisse zu einem Simulationszeitpunkt werden zufällig in unbestimmter Reihenfolge ausgeführt. Ereignisse können allerdings weitere Ereignisse zum selben Simulationszeitpunkt oder zu folgenden Simulationszeitpunkten erzeugen. Bild 6.15 zeigt einen Ausschnitt einer Simulation. Der hier eingezeichnete Simulationspfad zeigt die Wahl einer möglichen Reihenfolge. In Beispiel 6.16 werden zwei initial-blöcke parallel simuliert und erzeugen insgesamt drei Ereignisse. Die Ereignisse E1 und E3 liegen im selben Simulationszeitpunkt. Das Ereignis E2 liegt nach den anderen Ereignissen in einem späteren Simulationszeitpunkt. Ob nun zunächst das erste und anschließend das dritte Ereignis ausgeführt wird oder umgekehrt, entscheidet der Synthese-Compiler zufällig. Zufällig bedeutet hier, dass ein Simulator zwar deterministisch entscheidet, jedoch die Entscheidungen von Simulatoren unterschiedlicher Hersteller untereinander nichtdeterministisch sein dürfen, aber dennoch jede Ausführung korrekt ist. Demnach existieren zwei richtige Ergebnisse am Ende: A = 20 und B = 50 oder A = 10 und B = 50

105 6.2 Chip- und System-Entwurf 91 initial begin //inital-blöcke werden parallel ausgeführt A = 10; //Ereignis E1 #1 //Zeitkontroll-Anweisung B = 50; //Ereignis E2 end initial begin A = 20; B = 60; end //Ereignis E3 Beispiel 6.16 Durch zufällige Abarbeitung von Ereignissen wird in VERILOG Parallelität simuliert Dass ein Simulator die Ereignis-Abarbeitungs-Reihenfolge nicht wirklich zufällig wählt, kann in der Auswertung von Simulationsergebnissen zu Täuschungen führen. Während in diesem Beispiel dieses Parallelitäts-Problem trivial erkennbar ist, tauchen ähnliche Fälle in komplexeren Modellen nicht so offensichtlich erkennbar auf. Vom Designer wird daher gefordert, dass er sein HDL-Modell so entwirft, dass es von der Ereignis-Abarbeitungs-Reihenfolge unberührt korrekte Ergebnisse liefert (den auch in der Realität soll das Ergebnis nicht zufällig richtig sein). Mathematisch heißt das, dass die Berechnung konfluent ist und die Church-Rosser-Eigenschaft erfüllt. Praktisch erreicht man dies, indem man synchrone Schaltungen entwirft, die abhängig von einem Takt oder von anderen Steuersignalen (z.b. bei Zustandsautomaten) arbeiten. Bei asynchronen Schaltungen würde man sich Handshake-Signalen bedienen. Um die Lernenden für dieses Problem zu sensibilisieren, betonen wir, dass in der simulierten Parallelität die Ereignisse sequenziell abgearbeitet werden (Bild 6.17). Damit erreichen wir eine gedankliche Trennung zwischen dem Parallelitäts-Modell des VERILOG-Simulators und der wirklichen Parallelität. Bild 6.17 PuZ stellt hilfsweise die simulierte Parallelität als sequenzielle Abarbeitung dar

106 92 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Mit CBTs können übrigens diese sehr dynamischen Vorgänge der Ereignis- Abarbeitung ebenfalls dynamisch präsentiert werden. Zum Beispiel kann im Übungsteil der Lernende sich als Scheduler versuchen und Ereignisse selber anordnen (Bild 6.18). Bild 6.18 Der Lernende muss hier selber als Scheduler arbeiten Tests Die Herstellung von Chips unter sehr hohem marktüblichem Zeitdruck begünstigt Fehler. Ein Anbieter hat heute nur eine Chance auf Gewinn, wenn er schnell und möglichst als einer der Ersten mit dem Produkt auf den Markt kommt. Der nach der Markteinführung einsetzende Preisverfall, bedingt durch konkurrierende Anbieter, Lernkurve und Massenproduktion, lässt den zweiten und dritten Marktteilnehmer nur noch halb so viel verdienen wie den Ersten [Jans01, S.29]. Ein Rückschritt in der Entwicklung verursacht Kosten. Je weiter ein Rückschritt führt (im schlimmsten Fall vom Layout zurück zur Spezifikation), um so teurer wird er. Getestet wird daher auf allen Abstraktionsebenen, um die Korrektheit zu beweisen, z.b. durch Simulation (Abschnitt 6.2.5). Ein Korrektheitsbeweis könnte zum Beispiel dadurch geführt werden, dass alle möglichen Eingangswerte angelegt und die Ausgangswerte mit zu erwartenden Ergebnissen verglichen werden (Verifikation durch vollständige Simulation). Dies ist bei sehr einfachen Schaltungen durchaus denkbar, bei komplexen Schaltungen quasi unmöglich. In Fällen, wo die Verifikation durch vollständige Simulation nicht praktikabel ist, versucht man entweder durch Abstraktion das Modell zu vereinfachen (Mixed-Mode- Simulation) oder wählt eine andere Testmethode, z.b. formale Verifikation. Als Ergebnis [der formalen Verifikation] erhält man die Aussage, dass die Verifikation erfolgreich verlaufen ist, oder es wird eine Beispieleingabe generiert, bei der sich die

107 6.2 Chip- und System-Entwurf 93 verglichenen Schaltungen unterschiedlich verhalten bzw. die überprüften Eigenschaften nicht erfüllt sind [Jans01, S.348]. Neben logischen Entwurfsfehlern treten Fehler auch in der Fertigung auf, zum Beispiel durch Verunreinigungen auf dem Wafer (Silizium-Scheibe), durch Kurzschlüsse oder unterbrochene Leitungen. Tests werden daher bereits parallel zur Fertigung durchgeführt, zum Beispiel auf dem Wafer, um die Kosten für Verpackung in ein Chip-Gehäuse einzusparen. Nicht alle Transistoren können durch Anlegen von Stimuli von außen getestet werden. Durch testfreundliche Entwürfe kann man das Testen einer Schaltung erleichtern. In dem CBT Einführung in den VLSI-Entwurf werden Vorteile von testfreundlichen Schaltungen vorgestellt (Bild 6.19). Bild 6.19 Testfreundliche Schaltungen werden im CBT Einführung in den VLSI-Entwurf präsentiert Dabei implementiert man zusätzliche Hardware auf dem Chip und aktiviert diese zu Testzwecken z.b. beim Selbsttest und dem BILBO (Built-In Logic Block Observer), der als assoziiertes CBT der VeriBox (Abschnitt 6.1.5) präsentiert wird. Mittels einem so genannten Scan-Path werden Stimuli in die BILBO-Register geschrieben, die sonst von außen nicht erreichbar wären. Im Testmodus generiert die BILBO-Schaltung Stimuli auf dem Chip, mit denen Berechnungen durchgeführt werden und eine Check- Summe (CRC) gebildet wird. Anschließend werden wiederum mittels Scan-Path die Register und die CRC ausgelesen und mit Sollwerten verglichen. Es gibt allerdings auch Schaltungsteile, die weder durch Stimuli von außen noch mittels Selbsttest erreicht werden können. Bei diesen Schaltungen macht man Annahmen über die Art der möglichen Fehler und stellt so genannte Fehlermodelle auf. Ein Fehlermodell legt fest, welche Fehler von einem Test erkannt werden müssen. Demnach gibt es unterschiedliche Fehlermodelle wie z.b. Stuck-at-Fehler, Zellenfehler, Hart-Bridging-Fehler, Parameterfehler (Gate-Delay-Fehler, Path-Delay- Fehler) etc.

108 94 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Fehlermodelle abstrahieren die Fehlerursache und beschreiben statt dessen die Auswirkung von Defekten. Ein Defekt kann z.b. als Kurzschluss einer Leitung mit der Masseleitung auftreten und hier einen permanenten logischen Null-Wert bewirken, oder aber durch eine unterbrochene Leitung entstehen. Im Fehlermodell würden beide als Stuck-at-0-Fehler behandelt werden. Die Qualität von Fehlermodellen wird mit der Fehlerüberdeckung bewertet. Die Fehlerüberdeckung gibt als Prozentsatz an, wie viele Fehler durch das Fehlermodell erkannt werden. Je mehr Fehler durch das Fehlermodell erkannt werden, um so höher wird der Testaufwand. Daher begnügt man sich oft mit einer Fehlerüberdeckung<100% und untersucht z.b. 97% aller vom Fehlermodell erfassten Fehler. Da Fehlermodelle als Vereinfachung nicht alle real möglichen Fehler abdecken, bedeutet eine hohe Fehlerüberdeckung nicht zwangsläufig eine hohe Defektüberdeckung. Die Fehlermodelle müssen so gewählt werden, dass die Fehlerüberdeckungen eine möglichst große Defektüberdeckung erreichen. Für die Fehlermodelle müssen entsprechende Test-Stimuli generiert werden. Diese können bei komplexen Schaltungen recht aufwändig sein und lange dauern. Das Generieren von Test-Stimuli können zwar Testmuster-Generatoren übernehmen, der Designer muss sie allerdings zuvor entsprechend konfigurieren, was die eigentliche Herausforderung darstellt Entwurfsstile Entsprechend den Anforderungen werden integrierte Schaltungen Full-Custom oder Semi-Custom entworfen. Beim Full-Custom-Entwurf kann der Designer auf alle Komponenten im Detail Einfluss nehmen und die Schaltung individuell optimieren. Dieser Entwurf ist entsprechend kostspielig und lohnt nur in Spezialfällen. When designing a [full] custom processor, the designer has a full range of choices in design style. These include architecture and microarchitecture, logic design, floorplanning and physical placement, and choice of logic family. Additionally, circuits can be optimized by hand and transistors individually sized for speed, lower power, and lower area [ChKe03, S.4]. Beim Semi-Custom-Entwurf wird die individuell entworfene Schaltung mittels Komponenten aus einer Technologie-Bibliothek mit Standardzellen des Herstellers zusammengestellt. In dieser Bibliothek sind die Standardzellen durch ihre Parameter charakterisiert, allerdings bleibt ihr genauer Aufbau dem Designer verborgen (weshalb detaillierte Optimierungen kaum möglich sind). Die Standardzellen unterliegen gewissen Normen, wodurch sie oft mittels Automation optimiert werden können. Beim Entwurf benutzt der Designer die Gatter aus der Bibliothek entsprechend ihrem Charakter. Die so entworfene Schaltung kann er logisch simulieren. Die an den Hersteller übergebene Netzliste wird dann mit den zugehörigen Inhalten gefüllt und

109 6.2 Chip- und System-Entwurf 95 gefertigt. Für diese Chips hat sich z.b. die Bezeichnung CBIC (Cell Based Integrated Circuit) durchgesetzt. Ist eine Technologie noch sehr neu und existiert dafür noch keine Bibliothek oder sind die Anforderungen so speziell, dass sie nicht mit vorhandenen Standardzellen gelöst werden können, muss zwangsläufig Full-Custom entworfen werden. Durch Einsatz von vorgefertigten Standardzellen kann im Semi-Custom-Entwurf eine Schaltung zwar kostengünstiger gefertigt werden, doch noch günstiger geht es mit Gate-Arrays. Dabei sind die Transistoren vorgefertigt und lediglich die Verschaltung dieser wird auf mehreren Metall-Layern durch eine Maske bestimmt. Diese Gate- Arrays werden deshalb auch als maskenprogrammierbare Gate-Arrays (MPGA) bezeichnet. Auch hier werden jedoch Fertigungsanlagen (Chip-Fabriken) benötigt. Die Anfangsinvestitionen z.b. zur Fertigung der Masken lohnen sich daher erst bei größeren Stückzahlen. Programmable-Logic-Devices (PLDs) und Field-Programmable Gate-Arrays (FPGAs) sind programmierbare Logikbausteine, die ohne Fertigungsanlagen auskommen. Dieser Zusammenhang wird z.b. im CBT GrobiS sehr anschaulich präsentiert (Bild 6.20). FPGAs bestehen unter anderem aus einem zweidimensionalen Feld von Logikblöcken, die durch Verbindungsleitungen individuell verbunden werden können. Diese Verschaltung wird durch Aufladen eines Bit-Streams auf das FPGA vorgenommen. Bei rekonfigurierbaren FPGAs kann die Programmierung beliebig wiederholt werden. Diese Eigenschaft macht FPGAs besonders interessant, wenn es um die schnelle und kostengünstige Implementierung von z.b. Prototypen geht. Für die Massenfertigung sind FPGAs wegen der Stückkosten zu teuer, bieten nicht dieselben Kapazitäten wie CBICs oder MPGAs und sind oft langsamer. Der Design-Flow bis zum Gattermodell ist für alle Entwurfsstile im wesentlichen gleich, dies präsentiert auch das CBT Illusion. Bild 6.20 GrobiS CBT stellt den Zusammenhang zwischen MPGA und FPGA dar

110 96 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Hardware-Software-Codesign Mit Productivity-Gap ist die Lücke zwischen technologisch möglicher Implementierung und in realistischer Zeit entwerfbaren Designs gemeint. Diese Lücke wird mit schneller voranschreitender Technologie immer größer und kurz gesagt: Die Designer bekommen die Chips auf dem herkömmlichen Design-Weg nicht voll. Durch die Verfügbarkeit von ausreichend Chip-Fläche wird dieser Faktor vernachlässigbarer, und man konzentriert sich auf den Faktor Time-to-Market, weshalb unter anderem automatisierter Entwurf durch High-Level-Synthese und System-Level- Design oder Design-Reuse größerer Komponenten (z.b. als IPs Intellectual Propertys) wichtiger geworden sind. Durch Design-Reuse z.b. von Prozessorkernen, digitalen Signalprozessoren, Speichern oder FPGA-Kernen wird eine neue Komplexität erreicht, und die Funktionalität des Chips hängt nicht mehr lediglich von seiner Hardware ab, sondern auch ganz wesentlich von der auf dem Chip implementierten Software. Diese gestiegene Komplexität verlangt die gleichzeitige und abgestimmte Entwicklung von Hardware und Software in einem Co-Entwurf, dem Hardware-Software-Codesign (HW-SW-Codesign). Bild 6.21 Idealisierter Ablauf beim HW-SW-Codesign [Golz02, S.11-5] Idealerweise spezifiziert der Entwickler beim HW-SW-Codesign seinen Entwurf als High-Level-System (darin sind Hardware- und Software-Anforderungen gemeinsam enthalten). Durch so genannte Codesign-Tools wird der Entwurf in Hardware- und Software-Komponente partitioniert und entsprechend durch Compiler oder Synthese-Werkzeuge weiterverarbeitet und anschließend zu dem spezifizierten System zusammengesetzt (Bild 6.21). Die Herausforderung beim HW-SW-Codesing besteht dabei im wesentlichen in den folgenden Punkten: 1. Effiziente Algorithmen und Verfahren zu finden, die die ausbalancierte und optimierte Unterteilung zwischen Hard- und Software vornehmen können. 2. Die Schnittstellen zwischen Hard- und Software so zu gestalten, dass effizientes Zusammenarbeiten gewährleistet wird.

111 6.3 Feldtest zur Logiksynthese der VeriBox Wege zur Vereinbarkeit von Hard- und Software-Entwürfen zu finden, die derzeit noch durch verschiedene Entwicklungssprachen entworfen werden. Ein Ansatz ist dazu z.b. die Kombination von VERILOG und C zu SystemC oder System- VERILOG. Durch Integration von FPGA-Kernen in Schaltungs-Systeme wird die Anpassung von Hardware zur Laufzeit ermöglicht. Daraus resultieren die so genannten Adaptiven Systeme, die nach Anforderung ihre Rekonfigurierbarkeit zur optimalen Lösung während der Laufzeit einsetzen können. Zum Gebiet des HW-SW-Codesigns gehören auch eingebettete Systeme (Embedded Systems), System-on-Chip (SoC), Application-Specific Instruction Processors (ASIPs) und vieles andere mehr. Eine tiefere Ausführung des HW-SW- Codesigns würde hier den Rahmen dieser Arbeit bei weitem sprengen. Wir verweisen den interessierten Leser z.b. an [DeEW02] in dem interessante Paper zu diesem Gebiet gesammelt zu finden sind. Wegen der Bedeutung des HW-SW-Codesigns haben wir im SS02 zwei CBTs zu diesem Thema entwickelt und werden diese zukünftig noch ausarbeiten. Bild 6.22 zeigt exemplarisch eine Seite aus [JaMS02], in der ein Überblick über Hardware- Software-Bausteine gegeben wird. Im aktuellen SS03 entstehen zwei weitere CBTs [BrBO03, ScWZ03] über JControl, eine Java-Realisierung für Microcontroller in eingebetteten Systemen, die vor allem für Steuerungsaufgaben konzipiert wurde. Bild 6.22 Die Partitionierung in Soft- und Hardware hängt wesentlich von den Anforderungen ab 6.3 Feldtest zur Logiksynthese der VeriBox Dass Low-Cost-Low-Time-Produktionen von Lernprogrammen schneller gehen, ist offensichtlich (Abschnitt 3.3). Ob die CBTs dabei jedoch eine befriedigende Qualität erreichen, ist alles andere als selbstverständlich. Um uns selbst zu evaluieren und als

112 98 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox Grundlage für weitere Investitionen, haben wir das Modul LogiSyn der VeriBox einem Feldtest unterzogen. Dabei sollte auch die Qualität unserer CBTs im Vergleich zur klassischen Lehre ermittelt werden Aufbau Die Inhalte der Logiksynthese sind in der Vorlesung und in LogiSyn annähernd gleich. Zwei Wochen lang wurden verschiedene Studentengruppen mit unterschiedlichen Kombinationen aus Vorlesung, Skript und CBT gelehrt und in einer anschließenden Kurzklausur getestet. Zusätzlich mussten die Studenten ihre Lernzeiten protokollieren und einen Fragebogen ausfüllen. Dies sollte einen tieferen Einblick in das Lernverhalten geben und mögliche Verzerrungen in der Auswertung erklären helfen. Alle Materialien des Feldtests wie Testfragen, Fragebogen, Testergebnisse und Antworten sind im Anhang B zusammengefasst Durchführung Zur Durchführung wurden die Studenten anonymisiert und zufällig in die drei Klassen A, B und C der Tabelle 6.23 unterteilt. Studenten der Klasse C nahmen nicht an den Vorlesungen teil. Die Studenten wurden gebeten, sich strikt an die Spielregeln zu halten und z.b. keine Lehrmaterialien auszutauschen. Sie wurden gebeten, sich wie für eine übliche Scheinklausur vorzubereiten. Wo das Lernen und die Vorbereitung auf die Klausur aus persönlichen Gründen Klasse A B C Versorgung Vorlesung mit Skript und CBT Vorlesung mit Skript CBT Tabelle 6.23 Versorgung der Klassen zum Feldtest eingeschränkt war, sollte dies auf dem Fragebogen vermerkt werden. Diese Klausuren wurden nicht berücksichtigt, um Verzerrungen zu vermeiden. Wegen des freiwilligen und anonymen Feldtests konnte die Regeleinhaltung natürlich nur begrenzt kontrolliert werden. Wir sind jedoch der Meinung, dass gerade die Anonymität den Studenten keinen Grund zum Schummeln gab und die ehrliche Beteiligung gefördert hat. Die Ergebnisse des Feldtests und der Klausur wurden in einer späteren Vorlesung diskutiert. Später berichteten übrigens einige Studenten, dass die Klausur für sie eine willkommene Gelegenheit zur Überprüfung ihrer Leistung gewesen ist.

113 6.3 Feldtest zur Logiksynthese der VeriBox Prognose Wir gingen davon aus, dass A das beste Resultat erreichen würde, da sie alle Mittel zur Verfügung hatten. Weil wir vom Sinn multimedialer Lernprogramme allgemein und von der Qualität unserer CBTs überzeugt sind, favorisierten wir zunächst C vor B. Allerdings konnten wir uns aufgrund folgender Tatsachen nicht endgültig festlegen. 1. Das Lernen mit CBTs ist im Gegensatz zu den anderen klassischen Formen noch gewöhnungsbedürftig. Immerhin lernt ein Student heute fast während seines gesamten Studiums in der klassischen Form, während die multimediale Lehre, wenn überhaupt, in der Freizeit stattfindet (PC-Spiele, PC-Lexikon, Internet etc.). 2. Wie stark macht sich das Fehlen eines didaktisch erfahrenen Tutors in diesem Wissensgebiet bemerkbar? Sicher kann das CBT nicht auf alle individuell auftretenden Fragen eine Antwort geben. Möglicherweise sind einige Sachverhalte sogar unverständlich präsentiert und nur durch einen Tutor vermittelbar. Obwohl das CBT LogiSyn nach der Vorlage des Vorlesungsskripts entstanden ist, ist es keine einfache Kopie. Denn dort haben wir versucht, multimediale Ansprüche durch Interaktion und Kombination der Medien Bild, Ton, Animation etc. zu erfüllen. Die schriftlichen Darstellungen wurden dabei in erheblichem Maße durch multimediale Darstellungen abgelöst. Es wurden Umgestaltungen und Umordnungen vorgenommen, deren didaktische Korrektheit lediglich auf unseren Erfahrungen in der Lehre basieren. Ob hier die Erwartungen erfüllt werden, sollte schließlich dieser Feldtest zeigen Ergebnis Insgesamt beteiligten sich 57 Studenten. Davon gaben 49 den Fragebogen zurück und 50 nahmen an der Klausur teil. Das Ergebnis wurde als Mittelwert der erreichten Punkte im Test nach Klassen ermittelt. Es gab 13 Aufgaben zu lösen mit insgesamt 28 Punkten. Insgesamt 8 Resultate wurden aus der Wertung genommen, weil die Studenten angaben, keine Zeit zum Lernen gehabt zu haben. Bild 6.24 gibt das Ergebnis wieder. Auf den ersten Blick fällt auf, dass die Ergebniswerte sehr dicht beieinander liegen. Damit konnte ein absolutes Versagen einer Lernform, insbesondere mit dem CBT, ausgeschlossen werden. Klasse A hatte im Mittel 65,31% (18,29 Punkte) richtige Antworten, B 66,07% (18,50 Punkte) und C 61,46% (17,21 Punkte). Klasse B war am erfolgreichsten, gefolgt von A und C. Bild 6.24 zeigt das bereinigte Ergebnis, das heißt, es wurden nur Teilnehmer der Klausur berücksichtigt, die den Fragebogen abgegeben und genug Lernzeit bestätigt hatten. Obwohl dieses Ergebnis nach unserer Meinung bereits ein Erfolg und ein Hinweis auf die Qualität unserer CBTs ist, gab die Betrachtung der Fragebögen und Lernzeiten

114 100 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox weitere Erkenntnisse. Zum Beispiel wurde die Beteiligung pro Vorlesung mit 1,5h gerechnet, die privaten Zeiten wurden nach Angaben der Studenten zusammengezählt. Bereinigtes Ergebnis (durchschnittliche Punktezahl) 28,00 24,00 20,00 18,29 18,5 17,21 16,00 12,00 A B C 8,00 4,00 0,00 Klassen Bild 6.24 Durchschnittliche Punktezahl nach Klassen So hatte die Klasse C im Durchschnitt sehr viel weniger Zeit mit dem Lernen verbracht als die anderen beiden Klassen (A 5,82h; B 5,84h und C 2,76h). Daraus kann man auf die durchschnittliche Effizienz (Bild 6.25), als Ergebnis von durchschnittliche Punktezahl geteilt durch Lernzeit, schließen. Die Effizienz bei Klasse C liegt um fast 50% höher als bei den anderen beiden Klassen. Interessant ist auch, dass A nicht mehr Zeit als B investiert hat, obwohl A eine größere Versorgung hatte als B und auch als C. Zu hinterfragen ist, ob bei A alle Lernmaterialien eingesetzt wurden. Auf die Frage Wo lag Ihr Lernschwerpunkt? antworteten lediglich 20% von A mit auf beidem etwa gleich, 27% hatten ihren Lernschwerpunkt beim CBT und 53% auf der Vorlesung mit Skript. Somit wurden in diesem Feldtest von den Studenten der Klasse A nicht alle Lernmöglichkeiten gleich intensiv genutzt. Durchschnittliche Effizienz (erreichte Punktezahl pro Lernstunde) ,14 3,17 6,24 A B C Klassen Bild 6.25 C hat effektiver gelernt als A und B

115 6.3 Feldtest zur Logiksynthese der VeriBox 101 Das Diagramm zur durchschnittlichen Punktezahl pro Aufgabe nach Klassen (Bild 6.26) gibt Aufschluss, welche Aufgabe im CBT besser präsentiert wurde. Danach waren die Aufgaben 8, 9, 11 und 12 im CBT besser präsentiert und wurden öfter durch Studenten der Klasse C richtig beantwortet als von B. Durchschnittliche Punktezahl pro Aufgabe in Prozent A B C Bild 6.26 Erfolg pro Aufgabe und Klasse Auf die Frage im Fragebogen Irgendwelche Kommentare zum CBT? schreibt ein Teilnehmer aus Klasse C: Ein CBT kann niemals eine VL ersetzen, da es keine Nach- oder Zwischenfragen an den Dozenten zuläßt. Und ein anderer Teilnehmer schreibt: Nett, aber für mich sind Rückfragen sehr wichtig! Daher gehe ich lieber zur VL. Als Ergänzung zur VL sehr gut, wegen der Abwechslung, aber als Ersatz einfach nicht motivierend genug. Die Rückfrage, welche Rolle die Vorlesung und welche die CBTs spielen, ergab, dass die Vorlesung bei den Studenten eine zentrale Bedeutung hat. CBTs werden lediglich als Beigabe / Ergänzung gesehen. Hier dominiert die klassische Lehre das Moderne, weshalb wir in unserer Prognose (Abschnitt 6.3.3) den Ausgang für die Klassen B und C auch nicht einschätzen konnten. Schlussfolgerung Dieser Feldtest wurde auf Basis einer kleinen Studentenzahl und lediglich auf Basis eines CBTs in einem recht knappen Zeitraum von zwei Wochen durchgeführt. Für eine Generalisierung müssten weit umfangreichere Versuche und Tests durchgeführt werden, beispielsweise mit einer größeren Verteilung über die CBTs und Zielgruppen. Dass die Klasse C, obwohl sie lediglich mit dem CBT gelernt hat, nicht wesentlich schlechter als die anderen beiden Klassen abgeschnitten hat, sehen wir als einen Hinweis auf die Qualität unserer Low-Cost-Low-Time-Produktionen. Auf die Frage Was empfehlen Sie Ihren Nachfolgern? antworteten fast 94% mit beides. Dies bekräftigt die Annahme, dass von studentischer Seite Interesse an

116 102 Kapitel 6. Das multimediale Lernsystem VeriBox differenziert aufbereitetem Wissen besteht und abweichend von der einen oder anderen isolierten Methode ein Blended Learning befürwortet wird.

117 7 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung und Ausblick Die Betrachtungen zu modernem Lernen aus Kapitel 2 zeigen eine allgemeine Tendenz, in der klassische Präsenzlehre immer öfter durch E-Learning ergänzt wird, als Blended Learning. Heute sind überall leistungsfähige Computer-Systeme weit verbreitet, und die Fortschritte in der Chip-Entwicklung werden dies bei weiter steigender Leistung und weiter fallenden Preisen auch künftig unterstützen. Zusätzlich wurde mit dem Internet eine kostengünstige Vernetzung zur Kommunikation geschaffen und forcierte ebenfalls die weitere Entwicklung des E-Learning. Während die technischen Hürden von einst durch immer leistungsfähigere Hardware irrelevanter werden, verschiebt sich das Interesse auf andere Probleme wie eine kostengünstige Produktion von Lernprogrammen und die Suche nach mehr Qualität in der didaktischen und pädagogischen Gestaltung. Zur Durchführung von Blended Learning mit CBTs an Hochschulen können diese auf zwei Wegen bezogen werden, zum einen können Lernprogramme kommerziell fertig erworben oder selbst produziert werden. In Kapitel 3 haben wir die Vor- und Nachteile beider Möglichkeiten im Kontext der Lehre des Chip- und System-Entwurfs analysiert. Demnach fanden wir mehr Aspekte gegen die kommerziellen Lernprogramme, unter anderm den hohen Preis pro Lizenz, so dass eine Eigenproduktion sehr sinnvoll ist. Es wurde aufgezeigt, dass im universitären Umfeld zur Eigenproduktion von CBTs zunächst keine kostengünstige Alternative existiert. Bei Eigenproduktionen kann das Lehrmaterial zum Beispiel nach individuellen Bedürfnissen produziert werden, insbesondere können eigene Schwerpunkte gesetzt werden. Die Integration von fachspezifischen Werkzeugen (Compiler, Simulatoren, Messgeräte etc.) in die selbst produzierten Lernprogramme ist möglich, während diese von keinem uns bekannten kommerziellen Lernprogramm unterstützt wird. Eigenproduktionen sind allerdings nur möglich, wenn Sie kostengünstig erstellt werden können. Die Kosten hängen von unterschiedlichen Faktoren ab, im wesentlichen von dem implementierten methodischen Grundtyp, der Lerntheorie auf dem sie basieren und dem Umfang.

118 104 Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick In dieser Arbeit wurde die Eigenproduktion von CBTs zu Themen des Chip- und System-Entwurfs untersucht. Dazu wurde zunächst der Begriff Low-Cost-Low-Time- Produktion zur Kostenabgrenzung eingeführt. Nur wenn die Produktion von Lernprogrammen den Produktionsaufwand klassischer Skripten um nicht mehr als den Faktor vier übersteigt, bleiben Eigenproduktionen erschwinglich. Zur Low-Cost-Low- Time-Produktion gehören für uns ein geeignetes Autorensystem, Standardisierungen, bereits vorhandenes Lehrmaterial etwa als Skript, ein modulares Konzept, das Design-Reuse ermöglicht, und intensive studentische Beteiligung an der Produktion ( Lernen durch Lehren ). Zur Low-Cost-Low-Time-Produktion wurde in dieser Arbeit ein Referenzmodell für multimediale Lernprogramme entwickelt. Es vereinigt die Forderungen zur kostengünstigen CBT-Produktion an Hochschulen und bietet als Authorware- Source-Code ein offenes Konzept, das individuell angepasst und erweitert werden kann. Weiter enthält es fertige Prozeduren als Source-Code für interne Programmier- Lösungen (z.b. Ablaufsynchronisation), Lesezeichen, History-Liste, eine automatisch generierte Inhaltsangabe und Navigationsfunktionen, eine modulare Schnittstelle zum Aufbau von Lernsystemen aus mehreren CBTs, Standardisierungen zu Fonts, Kontrast und Ton und quasi als Handbuch eine multimediale Einführung in den Einsatz des Referenzmodells. Mit dem Referenzmodell wurde in dieser Arbeit das Lernsystem VeriBox als größeres Projekt entwickelt. Es lehrt im wesentlichen in vier Modulen die HDL VERILOG und die Logiksynthese. Damit wird zum einen die Einsatzfähigkeit des Referenzmodells demonstriert und zum anderen exemplarisch eine Möglichkeit gezeigt, wie CBTs in die Lehre als Blended Learning integriert werden können. Vorteile der multimedialen Lehre werden in der VeriBox ausgenutzt. Zum Beispiel werden dynamische Vorgänge durch dynamische Darstellungen veranschaulicht, die sonst schwer vorstellbar sind (z.b. die Arbeit des Ereignis- Schedulers im VERILOG-Simulator). In dieser Form ist eine Interaktivität nur mit Lernprogrammen möglich. In die Lernprogramme integrierte CAD-Tools wie ein VERILOG-Simulator ermöglichen experimentelles und realitätsbezogenes Lernen. Dort wo die Integration zu schwierig oder nicht möglich ist, verbinden wir per loser Kopplung Lernprogramm und CAD-Tool. Dabei instruiert das Lernprogramm den Lernenden zur Arbeit an dem CAD-Tool, die dort erarbeiteten Lösungen werden in das Lernprogramm als Antwort eingegeben. Sonst zeit- und kostenintensive Vorgänge werden im CBT durch Simulationen dargestellt und können interaktiv erprobt werden (z.b. Schaltungs-Simulation). Allgemein bekannte Drag n drop-, Ausfüll- und Multiple-Choice-Interaktionen werden an vielen Stellen verteilt eingesetzt. Über die VeriBox hinaus hat sich das Referenzmodell in weiteren zur VeriBox assoziierten CBT-Projekten, in Studien- und Diplomarbeiten und vor allem auch in Multimedia-Praktika bewährt.

119 105 Durch den Einsatz von CBTs im Chip- und System-Entwurf können Sachverhalte anschaulicher präsentiert werden, etwa das Verhalten einer Schaltung, der Ablauf einer Simulation oder die Darstellung der Benutzeroberfläche von CAD-Werkzeugen zur Synthese. Diese Dinge konnten vorher nur an den realen Tools anschaulich vorgeführt werden, wo zuvor eine intensive und aufwändige Einarbeitung absolviert werden musste. Mit dem Einsatz von CBTs zur Einführung in CAD-Werkzeuge verringert sich der Aufwand in den praktischen Übungen, da die Studierenden, geschult durch das CBT, ein Vorwissen haben. Sie werden durch die CBTs dabei von frustrierenden Fehlern an den sehr komplexen CAD-Werkzeugen abgehalten, allerdings sind diese CBTs auch aus diesem Grund kein voller Ersatz. Die Erfahrungen an den realen CAD-Werkzeugen können nicht ersetzt werden. Indem wir zur Low-Cost-Low-Time-Produktion studentische Hilfe in Anspruch nehmen, arbeiten sich Studenten sichtbar mit einer höheren Motivation in ein Themengebiet des Chip- und System-Entwurfs ein. Im Gegensatz zur direkten Motivation durch Multimedia wirkt sich hier die Herausforderung, ein CBT zu implementieren, als motivierend aus. Schließlich wurde in einem Feldversuch die Qualität der Low-Cost-Low-Time- Produktionen ein erstes Mal analysiert. Die Ergebnisse bestätigten unsere Erwartungen. Zur Ergänzung der Lehre können mit dem Referenzmodell CBTs als Low-Cost-Low-Time-Produktionen realisiert werden. Diese CBTs können Studenten motivieren und bieten Abwechslung zu der klassischen Lehre. Sie können teilweise auch Sachverhalte anschaulicher vermitteln als mit klassischen Lehrmitteln. Eine Lehre ausschließlich mit CBTs wird jedoch von den Studierenden abgelehnt. Teilnehmer, die im Feldversuch lediglich mit dem CBT gelernt hatten, schnitten nicht wesentlich schlechter ab als andere Teilnehmer. Allerdings müssen für allgemein gültige Aussagen weitere und intensivere Langzeittests durchgeführt werden. Zum Referenzmodell ist weiterer funktionaler Ausbau sinnvoll, um seine Attraktivität zu steigern. Dazu führen wir folgende Ideen kurz an: - Eine Text-Suchfunktion wäre denkbar, die zwischen Textfenster und Darstellungsbereich unterscheidet. - Lernen durch Karteikarten ist eine bewährte Methode. Dieses Konzept könnte aufgegriffen werden, indem Lernenden die Möglichkeit gegeben wird, auf den Seiten des CBTs eigene Fragen und Antworten zu formulieren. Das so gesammelte Wissen könnte das CBT später abfragen. Der Lernende kann so durch das Formulieren der Fragen seinen Lernschwerpunkt individuell bestimmen. - Im Setup-Bereich könnten Attribute formuliert werden für das einfache Zusammenstellen von Lernsystemen aus einem größeren CBT-Pool. - Während das Verlinken im Inhaltsverzeichnis automatisiert läuft und durch das Referenzmodell standardisiert ist, kann das Verlinken von Seiten aus dem Darstellungsbereich durch Authorware auf unterschiedliche Arten realisiert werden.

120 106 Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick Diese müssen dann aufwändig angepasst werden. Wünschenswert wäre eine Authorware-Lösung, die dies vereinfacht. - Die Vertonung der CBTs ist ein aufwändiger Prozess. Da das Gesprochene bereits im Textfenster steht, könnte zukünftig der Einsatz von Leserobotern interessant werden. Von uns durchgeführte Experimente wurden jedoch abgebrochen, da erschwingliche Sprachsynthese zur Zeit nicht annähernd die motivierenden Qualitäten eines normalen Sprechers erreicht. - E-Learning über das Internet durch WBTs wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. In diesem Zusammenhang wäre ein Internet-Referenzmodell wünschenswert, das stärker die Vorteile einer Netzanbindung unterstützt. Die Integration von Lernprogrammen in Lern-Managment-Systeme, die hochschulübergreifend Wissensmodule distributieren, könnte zukünftig größere Bedeutung erlangen, wenn ungelöste Kernfragen Antworten finden. Was passiert, wenn Studierende vor einer Prüfung nicht lernen können, weil der Server ausfällt? Neben diesen eher technischen Problemen sind auch politische Antworten gefragt. Zum Beispiel müssen die Hochschulen bei zentralem Lehrmaterial Leistungen gegenseitig akzeptieren. Abschließend ist bei aller Bescheidenheit zu hoffen, dass künftig negative Schlagzeilen wie zu Beginn unserer Einleitung seltener werden.

121 A Implementierung des RSK Implementierung des RSK Der Authorware-Programm-Code zum Refmod-Starter-Kit (RSK) besteht aus 356 Icons mit sehr vielen Einstellungen und vielen Programm-Zeilen, die in Calculation-Icons enthalten sind. Wegen der Authorware-Programmierung durch Icons entlang einer Flusslinie und hierarchischer Verschachtelung von Icons kann hier kein klassisches Listing präsentiert werden. Eine vollständige Darstellung aller RSK-Flusslinienteile wäre äußerst unübersichtlich und daher nicht sinnvoll. Wir beschränken uns im Folgenden auf besonders interessante Passagen. Das vollständige RSK-Quellprogramm ist als Authorware-Code in [Çata03b] enthalten. Dieser Abschnitt setzt Kenntnisse in der Authorware-Programmierung voraus. A.1 RSK-Programm-Code Öffnet man das RSK in der Authorware- Programmierumgebung, so erscheint die Flusslinie aus Bild A.1 auf Level 1. Nach dem Anstarten des RSK wird zunächst in den ersten drei Icons eine Initialisierung durchgeführt. Hier werden Konstanten definiert und Eckwerte berechnet (Abschnitt A.1.1). Zum Beispiel wird dort die Variable rmuserstart ermittelt, ob das RSK aus einem anderen Modul aufgerufen wurde (Abschnitt 5.2.6). Das Decision-Icon userstart? führt abhängig von rmuserstart das erste oder Bild A.1 RSK-Programm-Code auf Level 1

122 108 Kapitel A. Implementierung des RSK zweite angehängte Icon aus. Im ersten Icon userstart=false wird das als Aufrufparameter (vgl. Tabelle 5.9) übergebene Sprungziel in rmjumptopage angesprungen. Im zweiten Map-Icon ist die Login-Routine implementiert. Wurden beim Aufruf keine Parameter übergeben (userstart=true), so wird dieses Icon ausgeführt und das Login durchlaufen. Das fünfte Icon auf der Hauptflusslinie ist das Framework-Icon Lesson. An ihm sind vier Map-Icons angehängt. Das Framework-Icon Lesson ist so eingestellt, dass nach seinem Aufruf gleich das erste Map-Icon Vorspann --Intro gestartet wird. In Vorspann --Intro ist der Vorspann eines Moduls implementiert. Ein Klick während des Vorspanns im Präsentationsfenster springt das zweite Map-Icon Hauptmenü an, wo das Hauptmenü mit dem Bild A.2 RSK-Ablauf nach dem Anstarten Inhaltsverzeichnis implementiert ist. Wählt der Lernende aus dem Inhaltsverzeichnis eine Seite aus, erfolgt ein Sprung zu der gewählten Seite. Die Abschnitte eines Moduls hängen jeweils als Map-Icon an Lesson nach Hauptmenü. Wird ein anderes Modul aus dem Inhaltsverzeichnis gewählt, so beginnt der hier beschriebene Ablauf nach dem Modulaufruf dort. Bild A.2 gibt diesen Ablauf als klassisches Flussdiagramm wieder. Das letzte grüne Map-Icon auf der Hauptflusslinie (Bild A.1) wird im Programmfluss nie erreicht. In diesem Map-Icon sind Hilfs-Routinen enthalten, die in eigenen Applikationen eingesetzt werden können und nicht direkt zum Ablauf gehören. A.1.1 Initialisierung Wesentliche Initialisierungen werden in dem zweiten Icon Initial aus Bild A.1 ausgeführt, dessen Inhalt Bild A.3 zeigt. Im ersten Calculation-Icon werden Konstanten deklariert. Im nächsten wird unter anderem der Projektname aus der Datei syslist.prj eingelesen. Im dritten und vierten Icon wird das Präsentationsfenster so skaliert, dass der Darstellungsbereich Bild A.3 Inhalt von Initial

123 A.1 RSK-Programm-Code x480 Pixel enthält. Im fünften Icon wird die Datei syslist.mod ausgelesen. In dem Map-Icon Aufrufargumente wird ermittelt, ob Parameter übergeben wurden und gegebenenfalls diese den entsprechenden Variablen zugewiesen. Im letzten Calculation-Icon wird das ActiveX-Control TCListbox.ocx beim Betriebsystem registriert. A.1.2 Inhaltsverzeichnis und Login Wurde ein Modul aus einem anderen Modul aufgerufen, so wird davon ausgegangen, dass die Inhaltsangabe bereits erstellt ist. Nur wenn ein Benutzer das Modul startet, muss überprüft werden, ob die Datei syslist.inh vorhanden ist. Im Map-Icon userstart=true (Bild A.1) wird zunächst kontrolliert, ob die Datei syslist.inh existiert. Fehlt sie, wird sie erzeugt, ansonsten erscheint gleich das Login-Fenster. Mit dem Benutzernamen wird dann im letzten Calculation-Icon aus Bild A.4 ein Austauschverzeichnis (Abschnitt 5.2.8) angelegt. Bild A.4 Inhalt des Icons userstart=true Das Inhaltsverzeichnis wird in dem Map-Icon am Decision-Icon aus Bild A.4 erstellt. Bild A.5 zeigt das Innere dieses Map-Icons. Zunächst wird die Information Creating list of contents auf dem Bildschirm ausgegeben. Sofern das Modul nicht das letzte aller Module des Lernsystems war, wird das nächste Modul aufgerufen. Sonst ist das Rekursionsende erreicht, und die Aufrufe werden wieder zurückverfolgt (Abschnitt 5.2.5). Dabei werden in den folgenden Icons zunächst alle Abschnitte und dann alle Seiten der Abschnitte ermittelt und in syslist.inh geschrieben. Mit dem letzten Decision-Icon Pfade wird erkannt, ob die rekursiven Aufrufe wieder am Bild A.5 Rekursive Aufrufe zum Erstellen des Inhaltsverzeichnisses Ausgangsmodul angelangt sind. Für diesen Fall wird in dem ersten angehängten Map-Icon start Modul das aktuelle Lernprogramm gestartet.

124 110 Kapitel A. Implementierung des RSK A.1.3 Hauptmenü Das Hauptmenü (Abschnitt 4.2.7) ist innerhalb des gleichnamigen Map-Icons am Framework-Icon Lesson (Bild A.1) implementiert. Bild A.6 zeigt den Inhalt dieses Map-Icons. Bild A.6 Inhalt des Icons Hauptmenü Zunächst wird in einem Display-Icon der Hintergrund dargestellt. Anschließend werden die linke und die rechte Liste des Inhaltsverzeichnis angezeigt. Die beiden Icons left Listbox und right Listbox installieren jeweils eine Instanz das ActiveX-Controls TCListbox.ocx. Schließlich wird in dem vierten Icon der Inhalt der Dateien syslist.mod und syslist.inh ausgelesen und jeweils in der linken und rechten Liste präsentiert. Das Interaction-Icon Inhaltsangabe enthält jeweils einen Anhang für jede mögliche Hauptmenü-Interaktion. Zum Beispiel kontrolliert das erste Calculation-Icon left Clicked ein Klick in die linke Liste. In diesem Calculation-Icon wird dann Code A.7 ausgeführt. if rmleftlistboxshowsmodules = 1 then -- links die Module und rechts die Abschnitte -- determine the index, index starts at 0, so add one to the index rmmodulnr := CallSprite(@"left Listbox"; #ItemIndex) + 1 rmchapternr := 1 -- clear right Listbox CallSprite(@"right Listbox";#ClearAll) -- read in all chapter names out of the file "syslist.inh" -- according to the module name modullist[ modulnr ] rmchapterlist := [] rmhelfer := ReadExtFile( FileLocation ^ "syslist.inh" ) rmcounter := 1

125 A.1 RSK-Programm-Code 111 repeat while rmcounter <= LineCount( rmhelfer ) rmzeile := GetLine( rmhelfer; rmcounter) if rmzeile = "["^ rmmodullist[ rmmodulnr ] ^"]" then rmcounter := rmcounter + 1 rmcounter2 := 1 repeat while rmcounter <= LineCount( rmhelfer ) if SubStr( GetLine( rmhelfer; rmcounter) ; 1 ; 1) = "[" then exit repeat end if rmchapterlist[ rmcounter2 ] := GetLine( rmhelfer; rmcounter) CallSprite(@"right Listbox";#additem; rmchapterlist[ rmcounter2 ]) rmcounter2 := rmcounter2 + 1 rmcounter := rmcounter + 1 end repeat exit repeat end if rmcounter := rmcounter + 1 end repeat -- set the focus in the right Listbox CallSprite(@"right Listbox";#setfocusat; 0) else -- links die Abschnitte und rechts die Seiten -- determine the index, index starts at 0, so add one to the index if rmchapternr <> CallSprite(@"left Listbox"; #ItemIndex) + 1 then rmchapternr := CallSprite(@"left Listbox"; #ItemIndex) clear left and right Listbox CallSprite(@"right Listbox";#ClearAll) -- read in pages out of the file "syslist.inh" -- according to the module name modullist[ modulnr ] and -- chapter name chapterlist[ chapternr ] rmpagelist := [] rmhelfer := ReadExtFile( FileLocation ^ "syslist.inh" ) rmcounter := 1 repeat while rmcounter <= LineCount( rmhelfer ) rmzeile := GetLine( rmhelfer; rmcounter) if rmzeile = "["^ rmmodullist[ rmmodulnr ] ^ rmchapterlist[ rmchapternr ] ^"]" then rmcounter := rmcounter + 1 rmcounter2 := 1 repeat while rmcounter <= LineCount( rmhelfer ) if SubStr( GetLine( rmhelfer; rmcounter) ; 1 ; 1) = "[" then exit repeat end if rmpagelist[ rmcounter2 ] := GetLine( rmhelfer; rmcounter) CallSprite(@"right Listbox";#additem; rmpagelist[ rmcounter2 ]) rmcounter2 := rmcounter2 + 1 rmcounter := rmcounter + 1

126 112 Kapitel A. Implementierung des RSK end repeat exit repeat end if rmcounter := rmcounter + 1 end repeat -- set the focus in the right Listbox CallSprite(@"right Listbox";#setfocusat; 0) end if end if Code A.7 Code nach einem Klick in die linke Inhaltsliste Während ein Sprung zu einer Seite innerhalb des Moduls direkt ausgeführt wird, führt ein Sprung zu einer Seite in einem anderen Modul über das letzte Calculation- Icon JumpOutModule. Von hier wird ein Modulaufruf mit Aufrufparametern, wie es in Abschnitt beschrieben wurde, ausgeführt. A.1.4 Abschnitte Durch Vervielfältigen eines der Abschnitts-Map-Icons am Framework-Icon Lesson (Bild A.1) werden zusätzliche Abschnitte bei Bedarf erzeugt. Bild A.8 zeigt den Inhalt solch eines Abschnitts-Map-Icons. Bild A.8 Inhalt des Abschnitts-Map-Icons Hier ist lediglich ein Framework-Icon mit weiteren angehängten Map-Icons enthalten. Jedes dieser Map-Icons enthält jeweils den Aufbau einer Seite im Abschnitt. Um weitere Seiten in diesen Abschnitt einzufügen, wird eines der Map-Icons kopiert und irgendwo an das Framework-Icon angehängt. Die Namen dieser Map-Icons repräsentieren die Seitennamen, die in dem Inhaltsverzeichnis und in der Navigationsleiste erscheinen. Das Erzeugen von neuen Abschnitten und Seiten durch Vervielfältigen ist ratsam, da an diesen Icons Calculations zur Steuerung hängen (angezeigt durch das Gleichheitszeichen oben links z.b. am Map-Icon in Bild A.8). Indem man eines dieser Icons kopiert, erspart man sich die recht aufwändige erneute Platzierung dieser Calculations.

127 A.2 History-Applikation 113 Das Framework-Icon eines Abschnitts enthält die Funktionen der jeweiligen Navigationsleiste. Öffnet man dieses Framework-Icon per Doppelklick, kommt der Inhalt aus Bild A.9 zum Vorschein. Bild A.9 Inhalt des Framework-Icons 1 Abschnitt mit den Funktionen der Navigationsleiste Immer wenn ein Abschnitt betreten wird, wird dieser Teil der RSK-Flusslinie einmal durchlaufen. Dabei wird zunächst der so genannte Watchdog (Timer) initialisiert. Anschließend wird der Hintergrund für den Abschnitt, für das Textfenster und für die Navigationsleiste angezeigt. Im fünften Icon werden lokale Variablen deklariert. Schließlich folgt das Interaction-Icon mit den angehängten Icons. Diese Icons werden parallel ausgeführt (Abschnitt 5.1.2). Zum Beispiel wird das erste Icon an diesem Interaction-Icon immer dann ausgeführt, wenn der Timer des Watchdogs anschlägt und die Datei rmgotopagefile im Austauschverzeichnis (Abschnitt 5.2.8) existiert. Genau dann wird ein Sprung zu einer Seite ausgeführt. Die übrigen Icons werden dann ausgeführt, wenn in der Navigationsleiste eine der Tasten betätigt wird (vgl. Abschnitte und 5.2.3). A.2 History-Applikation Die History-Applikation ist ein eigenständiges Authorware-Programm. Sie wird über ein Modul mit Aufrufparametern gestartet. Fehlen die Aufrufparameter, so beendet sich die History- Applikation selbst und nichts passiert. Im wesentlichen besteht die History- Applikation aus einer Liste, Bild A.10 zeigt die Authorware-Implementierung dazu. Nach dem Anstarten werden zunächst die Aufrufargumente ausgewertet. Im zweiten Icon wird die History- Bild A.10 History-Applikation

128 114 Kapitel A. Implementierung des RSK Liste aus der Datei historyfile ausgelesen. Nach weiteren Initialisierungen wird im fünften Icon eine Instanz des ActivX-Controls TCListbox.ocx erzeugt und in dem nächsten Icon mit der History-Liste gefüllt. Am Interaction-Icon sind die Funktionen der History-Applikation implementiert. Mit der Taste Gehe zu, wird die in der Liste markierte Seite angesprungen. Wahlweise kann die Seite in der Liste per Doppelklick gewählt werden, in diesem Fall wird das dritte Icon am Interaction-Icon ausgeführt. Schließen beendet die History-Applikation. Das vierte Icon status wird regelmäßig durchlaufen und ermittelt, ob eine neue Seite betreten worden ist. Der Seitentitel wird dann in die History-Liste aufgenommen. Das Zusammenspiel zwischen Modul und History-Applikation erfolgt über Dateien im Austauschverzeichnis (Abschnitt 5.2.8). A.3 Lesezeichen-Applikation Die Lesezeichen-Applikation ist wie die History-Applikation ein eigenständiges Authorware-Programm. Auch sie wird über ein Modul mit Aufrufparametern gestartet. Fehlen die Aufrufparameter, so beendet sie sich selbst und nichts passiert. Die Lesezeichen-Applikation besteht ebenfalls im wesentlichen aus einer Liste und ist sehr ähnlich wie die History-Applikation aufgebaut. Nach dem Anstarten werden zunächst die Aufrufargumente ausgewertet (Bild A.11). Im zweiten Icon wird die Lesezeichen-Liste aus der benutzerspezifischen Lesezeichen-Datei ausgelesen. Nach weiteren Initialisierungen wird im fünften Icon eine Instanz des ActivX-Controls TCListbox.ocx erzeugt und in dem nächsten Icon mit der Lesezeichen-Liste gefüllt. Am Interaction- Bild A.11 Lesezeichen-Applikation Icon sind die Funktionen der Lesezeichen- Applikation implementiert. A.4 Copyright-Mechanismen Der Source-Code des RSK ist im wesentlichen in allen Teilen offen zugänglich und kann beliebig für eigene Bedürfnisse angepasst werden. Leider wird die Umgehung des Copyrights damit erleichtert.

129 A.4 Copyright-Mechanismen 115 Macromedia führte mit Authorware 5 so genannte KOs (Knowledge Objects) ein. Ein KO besteht aus einem Stück Authorware-Code, das in einem Map-Icon verpackt ist und wahlweise auch abgeschlossen werden kann. Abgeschlossen heisst, dass das Innere eines KOs nach dem Packen (entspricht dem Compilieren) nicht zugänglich ist. Wird ein Doppelklick zum Öffnen des KOs ausgeführt, so kann z.b. eine Exe-Datei gestartet werden, die einen Copyright-Hinweis zeigt. Diesen Mechanismus haben wir uns zu Nutze gemacht und zwei wesentliche Teile im RSK abgeschlossen. Diese sind einmal die Initialisierung und einmal das Login, beide KO-Icons sind in Bild A.1 zusehen. Ein Doppelklick zum Öffnen auf eines dieser KO-Icons präsentiert unseren Copyright-Hinweis aus Bild A.12. Ein Klick auf die URL unter dem E.I.S.-Logo öffnet ein Browser-Fenster mit der E.I.S.- Homepage. Bild A.12 Copyright-Hinweis beim Versuch, ein KO-Icon zu öffnen Dies ist natürlich kein 100%iger Copyright-Schutz, jedoch ein dezenter Hinweis. Als zusätzlicher Schutz werden die Sourcen der History- und Lesezeichen-Applikation im RSK nicht mit ausgeliefert