Nr. 2  2003    

 

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E-Learning im Bereich Strukturberechnung

 

E-Learning wird immer wichtiger und beschränkt sich schon lange nicht mehr nur auf Schulen und Universitäten. Dieser Bericht betrachtet die aktuellen Möglichkeiten der Eelektronischer Lehre und zeigt die Probleme dieser Plattformen im Bereich der Strukturberechnung. Die Entwicklung von Lehrprogrammen wird genauso betrachtet wie die Schwierigkeiten, die sich beim Transport dieser Systeme zu komplexen interaktiven Internet-Anwendungen ergeben.
Abschließend nehmen wir einen Blick auf die SCOOP-Plattform, die einen Großteil der erwähnten Ansätze implementiert.

Einleitung

In den letzten zwanzig Jahren wurde eine enorme Anzahl von Software-Systemen im CAE-Bereich entwickelt. So gut wie alle Gebiete sind ausreichend mit professionellen Programmen und Simulationen verschiedenster Prozesse ausgefüllt. Leider wurde die Entwicklung von Lehrwerkzeugen für Studenten und junge Ingenieure nicht so schnell und nicht in diesem Ausmaß vorangetrieben. Wenn man die verschiedenen Simulationssysteme genauer betrachtet, findet man meistens ein einleitendes Tutorial für die Bedienung der Programme und manchmal auch noch eine kurze Zusammenfassung des theoretischen Hintergrundes bezüglich des Simulationskerns. Was komplett fehlt ist eine Art anleitender elektronischer Tutor mit anspruchsvollen didaktischen Konzepten, der die modernen technischen Möglichkeiten graphischer Visualisierung mit der Kommunikation via Internet verbindet.
Dieser Bericht zeigt die Forschungsergebnisse eines E-Learning-Systems, das nicht nur als Lehranwendung konzipiert wurde, sondern als einbettende virtuelle Plattform mit modernen Lehrtechniken innerhalb des World Wide Web. Dabei wird ersichtlich, wie sich das System von einem allein stehenden Lehrprogramm zu einer webbasierten Umgebung für “Computer Aided Distance Learning“ entwickelt.

1. Stand der Technik

Wenn man vom Stand der Technik im Bereich E-Learning spricht, muss man zunächst zwischen Computer Based Training und Web Based Training unterscheiden. Web-basierte Plattformen unterstützen virtuelle Kursumgebungen mit meist statischem Inhalt, während CBT-Anwendungen installierbare Programme auf dem PC des Benutzers sind, die multimediales Lehrmaterial, meist auf CD, bereitstellen. Der Versuch, beide Ansätze zu kombinieren, wurde bis jetzt nicht in letzter Konsequenz realisiert.

1.1 Computer Based Training (CBT)

Als der “Personal Computer” vor gut zehn Jahren nahezu alle Bereiche des täglichen Lebens eroberte, begannen die Entwickler dieser Programme neben der Verbesserung der Funktionalität ihrer Applikationen auch Hintergrundinformation zur Simulation zu vermitteln. Zu Beginn beschränkte sich dieser Versuch auf unterstützende Hilfesysteme, aber schnell kam die Idee auf, auch Lehrmaterial elektronisch aufzubereiten und in Lehrprogrammen zu implementieren. In diesem Zusammenhang musste man feststellen, dass die konventionellen didaktischen Lehrmethoden nicht so einfach auf das neue elektronische Medium zu überführen waren. Also begannen einige Forschungsteams, sich mit der Entwicklung von Lehrkonzepten für Computer-Programme zu beschäftigen. Eines dieser Teams war die SoftED-Gruppe.

1.1.1 SoftED – Lehrsoftware für Strukturberechnungen

Die Entwicklung didaktischer Konzepte für Lehrsoftware startete 1993 mit dem COMETT-Projekt der Europäischen Union. Das “International Centre for Numerical Methods in Engineering“ (CIMNE) der Polytechnischen Universität von Katalonien in Barcelona / Spanien gründete und leitete die SoftED-Gruppe, die in diesem Zusammenhang die Lehrprogramme ED-Beams und ED-Frames [1] entwickelte. Diese Entwicklung führte zu einer internationalen Kooperation der technischen Universitäten von Barcelona (Spanien), Stuttgart (Deutschland), Padova (Italien) und Swansea (Wales) in diesem Bereich, meist innerhalb entsprechender Projekte der Europäischen Union. Ergebnis dieser Kooperation waren schließlich die Lehrprogramme ED-Tridim [2] und ED-Elas2D [3], die einen praktischen Einstieg in Finite-Elemente-Methode (FEM), eines der meist genutzten Werkzeuge im Bereich der Strukturberechnung, vermitteln.
Die FEM ermöglicht dem Ingenieur die Lösung eines breiten Spektrums von Problemen auf der einen Seite, zeigt aber auf der anderen Seite auch die Gefährlichkeit im Umgang mit numerischen Werkzeugen. So ist nicht nur die Handhabung von FEM-Programmen entscheidend, sondern vor allem die richtige Interpretation und Abschätzung der Ergebnisse. Hierfür benötigt der Ingenieur grundlegendes Verständis des theoretischen Hintergrundes. Und genau dies ist das Ziel der beiden Lehrprogramme ED-Tridim und ED-Elas2D. Ihre Struktur ist unterteilt in die vier Module Theorie, Bibliothek, Beispiele und Übungen. Die ersten Versionen dieser Programme kamen 1997 (ED-Tridim) bzw. 1998 (ED-Eals2D) heraus. Ihr Konzept hat sich bewährt und war ein erster Schritt, die leistungsfähigen Möglichkeiten des Computers als interaktiver Tutor zu nutzen.
ED-Tridim, ein Lehrprogramm für dreidimesionale Balken- und Stabtragwerke beginnt die Erklärung der komplexen Finite-Elemente-Methode durch eine Einführung in die sogenannte Matrixmethode, der Basis jeder FE-Rechnung.


Abb. 1.1: ED-Tridim: Zusammenbau der Steifigkeitsmatrix


ED-Elas2D, ein Lehrprogramm zur Analyse von zweidimensionalen Festkörpern und Strukturen, vervollständigt die Finite-Elemente-Methode durch die Einführung des Diskretisierungsschrittes und der Erklärung des Prä- und Postprozessors.


Abb 1.2: ED-Elas2D: Postprozessor


Die grundlegende Idee dieser Programme ist es, den Benutzer Schritt für Schritt durch den Berechnungprozess zu führen. Der Tutor leiten den Benutzer an, indem er stets den nächsten Schritt im Ablauf bereithält, den Zweck des Berechnungsschrittes erklärt, Hinweise bezüglich der Lösungsmöglichkeiten gibt und einen direkten Link zum theoretischen Hintergrund an der aktuellen Position zur Verfügung stellt.


Abb. 1.3: Der anleitende Tutor


Die Module jedes Schrittes wiederum ermöglichen einen Blick „hinter die Kulissen“ des Berechnungsprozesses. Dabei kann sich der Benutzer direkt die Zusammenhänge zwischen den theoretischen Formulierungen der mathematischen Ableitungen und der numerischen Umsetzung in einem Finite-Element-Löser interaktiv aneignen. Dabei wird er durch graphische Illustrationen und Formeln mit optional symbolischer oder numerischer Ausgabe unterstützt.


Abb. 1.4: Blick hinter die Kulissen

1.2 Web Based Training (WBT)

Web Based Training beinhaltet ein vollständiges Kursmanagement System von der Liste der angebotenen Kurse über die Registration, die Kurs- und Teilnehmerverwaltung, Test- und Prüfungsanalyse bis hin zur Zertifizierung erfolgreicher Teilnehmer [9]. Dies ist jedoch nur der eine Teil einer E-Learning-Plattform. Der andere Teil ist die Lernumgebung an sich, die jegliches Lehrmaterial beinhaltet und die Werkzeuge zur Verfügung stellt, um die Lehrinhalte einzugeben und/oder zu modifizieren. Leider handelt es sich bei den aktuellen Inhalten meist lediglich um herunterladbare Skripte, statische HTML-Kurse mit Screen Shots und – auf sehr hohem Level – einigen Animationen. Aber all diese Versuche sind weit von dem Ziel entfernt interaktives und dynamisches Training zu ermöglichen, wie wir es von den CBT-Anwendungen gewohnt sind. Die Idee besteht nun darin, die Ansätze und Erfahrungen der allein stehenden Lehranwendungen mit den Konzepten und modernen Technologien des Internets zu verbinden.

2. Die nächste Generation

Um die Vorteile der CBT-Anwendungen mit den Konzepten des Internets zu verbinden, gibt es zwei Möglichkeiten. Einerseits können existierende Anwendungen weiterentwickelt werden und durch Implementation von Kommunikationsschnittstellen mit dem Internet verbunden werden (applikations- orientierte Lösung). Andererseits existieren mittlerweile Werkzeuge für die Implementierung von webbasierten Anwendungen, die server-seitig ablaufen und komplett unabhängig von der Hard- und Software des Client PCs sind (server-orientierte Lösung). Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile, die in den folgenden Kapiteln diskutiert werden.
2.1 Applikations-orientierte Lösung
Die grundlegende Idee der applikations-orientierten Lösung ist die Kombination der Vorteile einer client-seitigen Anwendung mit den vielfältigen Möglichkeiten, die das Internet bietet. Im MOPLE- Projekt (Modular Open-Platform and Tools for Personalised Learning in Computational Engineering Methods) der Europäischen Union finden sich die meisten Partner der SoftEd-Gruppe wieder, um, ergänzt durch einige wichtige Industriepartner, die Weiterentwicklung der Lehr-Software im Sinne einer virtuellen Lehrplattform fortzuführen. Ein Teil des Gesamtprojekts beschäftigte sich mit der Entwicklung einer Applikation und den entsprechenden Schnittstellen, die die Kommunikation mit und eine gewisse Kontrolle durch die MOPLE-Plattform ermöglichen sollen.
Die MOPLE-Plattform ist unterteilt in Module, jeweils kontrolliert durch sogenannte Manager, die ihre spezifischen Aufgaben organisieren und die Koordination mit dem MOPLE Manager sicherstellen.


Abb. 2.1: Die MOPLE Plattform


Ziel des Applikationsmoduls ist die Integration von Simulationsprogrammen, die durch das MOPLE-System server-seitig zur Verfügung gestellt werden oder aber auf dem Client-Rechner des Benutzers ablaufen. Diese Integration bettet das Programm in das MOPLE-System ein und ermöglicht es, dass Benutzer, Anwendung und Internet-Plattform kontextbezogen interagieren.
Der Applikations-Manager ist in zwei Module unterteilt, den Server und den Client, die über das Internet miteinander verbunden sind. Um Problemen mit Firewalls, etc. vorzubeugen basiert die Kommunikation auf dem HTTP-Protokoll. Das Client-Modul ist verantwortlich für die Organisation des Datenflusses. Es kontaktiert das Server-Modul durch Anfragen (requests) und versorgt somit die Applikation mit den benötigten Daten. Die Verbindung zur Applikation hängt von den Möglichkeiten der Anwendung ab, von aussen kontrolliert zu werden.


Abb. 2.2: Das Applikationsmodul


Dazu wird die klassische Umgebung einer Applikation mit einer modernen graphischen Benutzerschnittstelle (GUI-Environment) durch Module erweitert, die nicht nur eine dynamische Kommunikation mit anderen Anwendungen ermöglicht (CORBA-Interface), sondern auch die Integration nativer Programme (Core Application) und den Online-Zugriff auf Datenbanken (ODBC-Interface).


Abb. 2.3: Module der Applikation


Die CORBA-Schnittstelle ist ebenfalls unterteilt in einen Server, der den Zugriff auf die Funktionen und Methoden der graphischen Benutzeroberfläche ermöglicht und den Client, der für die Anfragen an den Applikations-Manager im sogenannten MOPLE-Mode verantwortlich ist.


Abb. 2.4: Die CORBA-Schnittstelle

Der CORBA-Server stellt die allgemeinen Schnittstellen bereit, über die sich jede entsprechende Anwendung mit dem Programm verbinden kann, um die Kontrolle von aussen bei entsprechender Berechtigung zu übernehmen. Dadurch erhält die Applikation eine Schnittstelle, die nicht nur auf das MOPLE-System beschränkt ist. Die MOPLE-Plattform benutzt diese Schnittstelle, um einzelne Befehle oder ganze Demonstrationen ablaufen zu lassen.
Der CORBA-Client bildet, in Verbindung mit dem Server, den MOPLE-spezifischen Teil der Verbindung. Der Client unterstützt die Funktionalität sich mit der Plattform zu verbinden und sendet aktive Anforderungen an den Applikations-Manager. Der Applikations-Manager seinerseit benutzt den CORBA-Server des Programms um ebenfalls aktiv die Verbindung zur Anwendung zu schließen. Durch diese Technologie wird die geforderte dynamische Interaktivität bereitgestellt.
Der Vorteil dieser Lösung ist die Möglichkeit, selbst High-end-Simulations-Software anzubinden. Nahezu jedes Programm kann entsprechend angepasst werden, je nachdem wieviel Aufwand man in die Entwicklung der Schnittstellen investieren möchte. Der Nachteil ist, dass die Software auf dem Computer des Benutzers installiert sein muss. Aus diesem Grund muss der Benutzer die entsprechenden Rechte und/oder Zugänge zum jeweiligen System haben.

2.2 Server-orientierte Lösung

Für die server-orientierte Lösung ist es notwending, das Simulationsprogramm komplett in die WebServer-Umgebung einzubinden. Dazu benötigt man die Implementierung einer Multitier-Architektur auf dem Server-System.
Ein weiteres Projekt des Instituts für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen (ISD), Universität Stuttgart, heißt OpenPSU. Kern dieses Projektes ist die Entwicklung eines netzwerkbasierenden Systems, dass den Studenten die Theorie und die parktische Anwendung numerischer Simulationsprogramme vermittelt. Hauptziel ist die Bereitstellung eines Systems, dass den Studenten erlaubt online in „kollaborativen Teams“ zusammenzuarbeiten, und dabei komplett unabhängig vom jeweiligen Client-System zu bleiben. OpenPSU basiert auf dem OpenSource- Kursmanagement System OpenUSS (Open University Support System) [10], das die geforderte Multitier-Architektur bereitstellt. OpenUSS basiert auf Enterprise Java Beans (EJB) und unterteilt die Prozeduren in drei Hauptschichten. Die Datenschicht besteht aus einer Datenbank und den entsprechenden Schnittstellen für den Zugriff. Die „Geschäftsschicht“ wickelt die Aktionen auf dem Server ab und versorgt die Präsentationsschicht mit den entsprechend aufbereiteten Daten. Die Präsentationsschicht ist verantwortlich für die korrekte Ausgabe der Daten.


Abb. 2.5: OpenPSU Environment

Das Kurs-Management des Systems wird erweitert durch eine Lernumgebung und ein sogenanntes FemLab, das online interaktives Arbeiten mit Prä- und Postprozessor erlaubt. Dadurch benötigen die Studenten nur einen Computer mit einem modernen Browser und den Zugang für den jeweiligen Kurs, um interaktiv mit ihrer Arbeit innerhalb des Systems zu beginnen.



Abb. 2.6: Pre- and Postprocessing inside the Browser


Das FemLab basiert auf Java3D und kann somit einfach in die EJB-Umgebung integriert werden. Es unterstützt den Entwickler auch durch die Bereitstellung der notwendigen Funktionalität für graphische Visualisierung im Internet. Somit ist der Benutzer in der Lage sein Problem online zu definieren, es auf dem Server berechnen und lösen zu lassen und die Visualisierung des Ergebnisses innerhalb des Browsers auszuwerten. Die Visualisierung des Lösungsschrittes (Prozessor) kann natürlich mit dem entsprechenden Lehrmodul ebenfalls visualisiert werden.
Vorteil dieser Lösung ist die absolute Unabhängigkeit von der Hard- und Software des benutzten Computers. Somit kann das System von überall in der Welt bedient werden. Der Nachteil ist, dass die Visualisierung komplexer Strukturen und Probleme die Performance des Systems herunterbremst oder sogar kollabieren lässt. Im Sinne kleinerer Lehrbeispiele ist das FemLab allerdings ein mächtges Werkzeug für ein interaktives Training online.

3. The SCOOP Environment

Die SCOOP-Plattform ist eine onjektorientierte Umgebung für Strukturberechnungen. Sie hat eine Java-basierte, plattformunabhängige graphische Benutzeroberfläche und einen modular-strukturierten nativen Solver implementiert in C++, um höchste Performance zu garantieren. Die Umgebung integriert ebenfalls die notwendigen Schnittstellen für die Kommunikation mit dem Internet und die Verbindung mit web-basierten Plattformen (Abbildung 2.3).
SCOOP ist unterteilt in drei Unteranwendungen:

  • SCOOP-ED vereinigt die verschiedenen Lehranwendungen in einer Umgebung. Die Funktionalität der einzelnen Programme können getrennt in den entsprechenden Modulen geladen werden. Dadurch werden die Ideen und Konzepte der Lehrprogramme eingebunden, erweitert und weiterentwickelt
  • SCOOP-RD ist eine flexible Forschungs- und Entwicklungsumgebung. Dem Entwickler wird ein mächtiges Instrument zur Implementierung und zum Test neuer Elemente, Solver, etc. bereitgestellt. Diese lassen sich dann sehr einfach in das System integrieren
  • SCOOP-AE ist die Berechnungsumgebung der Plattform. Sie beinhaltet einige Module zur Berechnung spezieller Probleme. Im Moment wird sie im Bereich der Membranberechnung eingesetzt.

SCOOP beinhaltet alle Möglichkeiten, die wir in Kapitel 2 beleuchtet haben. Dadurch wird der Benutzer von Beginn an in der Einarbeitung unterstützt (Education), kann die gewohnte Umgebung zu allgemeinen Berechnungen weiter nutzen (Application) und ist schließlich in der Lage eigene Objekte hinzuzufügen (Research & Development).

4. Zusammenfassung

So gut wie alle Universitäten und ausbildende Firmen haben begonnen das Internet zu nutzen, um ihre Kurse und Lehrmaterialien online bereitzustellen. Leider stellen die meisten nur textbasierte Plattformen zur Verfügung oder überfüllen ihre Seiten mit multimedialen Gimmicks.
Im Gegensatz dazu erlaubt die SCOOP-Umgebung wirkliches interaktives und interessantes online E-Learning bis hin zur Möglichkeit von Application Service Providing (ASP).

5. Referenzen

[1] ED-Beams and ED-Frames, Educational programs for matrix structural analysis, CIMNE, Barcelona (ES), 1995
[2] ED-Tridim, Educational program for the analysis of three-dimensional pin-joint structures, CIMNE, Barcelona (ES), 1997
[3] ED-Elas2D, Educational program for the analysis of two dimensional solids and structures, CIMNE, Barcelona (ES), 1998
[4] Jentsch, M., SCOPE - Entwicklung einer modularen Umgebung zur Berechnung komplexer Systeme mit Hilfe der Finiten Element Methode, ISD, Stuttgart (D), 1999
[5] Jentsch, M., Entwicklung einer modernen, anpassungsfähigen, modularen und plattform-unabhängigen graphischen Benutzeroberfläche im Umfeld multimedialer und heterogener Netzwerke, ISD, Stuttgart (D), 2001
[6] Schulmeister, R., Virtuelle Universität Virtuelles Lernen, Oldenbourg (D), 2001
[7] Seufert, S., Back, A., Häusler, M., E-Learning Weiterbildung im Internet, Institut für Wirtschaftsinformatik Universität St. Gallen, Kilchberg (CH), 2001
[8] Reimann, K., Gil, L., Jentsch, M., Sánchez, M.: SCOPE, a Framework of Objects to Develop Structural Analysis Programs in C++, Proceedings of CST, 2000
[9] Markus Fischer, Die Evolution multimedialen Lernens, Wissensmanagement Online, http://www.wissensmanagement.net/online/archiv/1999/Nov-Dez/EvolutionLernen.htm, 1999
[10] Blasius Lofi Dewanto, OpenUSS, Open University Support System,
http://www. openuss.de, 2000


[ Autor/en:  Michael Jentsch  Institut:  Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen  Link zum Projekt :  http://www.isd.uni-stuttgart.de/lehre/electure/index.htm] [ Druckversion ]




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