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Thema

Konzeption, Entwicklung und Organisation einer webbasierten Lernumgebung für die ingenieur-technische Ausbildung am Beispiel Grundlagen der Elektrotechnik

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor - Ingenieur

Arbeit frei verfügbar über die Digitale Bibliothek Thüringen

Link: http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=15787

URN (NBN): urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000115

Abstrakt - Deutsch

In der vorliegenden Arbeit wird ein systematisches und durchgängiges Prozess- und Vorgehensmodell zur Entwicklung von webbasierten Lernumgebungen mit Fokus auf die Ingenieurwissenschaften beschrieben. In diesem Rahmen werden die Konzeption, Erstellung, Verarbeitung und Verwaltung von Lernobjekten mit einem Datenbankmanagementsystems nach dem LOM-Standard eingebettet. Die Arbeit lässt sich dabei in die Reihe der Forschungen am Fachgebiet Grundlagen der Elektrotechnik zu multimedialen und webbasierten Lernumgebungen einordnen. Am Beispiel GETsoft werden konkrete Problemstellung bei der Umsetzung von Komponenten einer Lernumgebung aufgezeigt und fachspezifische Lösungsmodelle angeboten.

Die Motivation und Zielsetzung, die Einordnung der Arbeit und die Vorgehensweise sowie eine Analyse von geleisteten Vorarbeiten sind im ersten Kapitel dargestellt. Neben einer umfassenden Analyse von Lernumgebungen in ingenieur-wissenschaftlichen Disziplinen ist die Konzeption eines adaptierbaren Prozess- und Vorgehensmodells zur Erstellung einer Lernumgebung bestehend aus Lernobjekten und Komponenten die Aufgabenstellung dieser Arbeit.

Mit den Grundlagen von webbasierten Lernumgebungen im ingenieur-wissenschaftlichen Bereich, E-Learning-Standards, Softwareentwicklungsprozessen und Datenbanktechnologien beschäftigt sich das zweite Kapitel. Bereits im Grundlagenkapitel wird die Idee eines Ebenenmodells für Lernumgebungen in Kombination mit einem speziellen Modell von Lernobjekten entwickelt.

Das dritte Kapitel analysiert anhand eines Kriterienkataloges den Stand der Technik auf dem Gebiet webbasierter Lernumgebungen in einigen ingenieur-wissenschaftlichen Grundlagenfächern. Es wird detailliert die aktuelle Situation in den Fächern Physik, Mathematik, Maschinenbau und Elektrotechnik analysiert. Daneben wird kurz auf Chemie und Medizin sowie den internationalen Sprachraum eingegangen.

Die medientechnische Analyse und Konzeption eines adaptierbaren Prozess- und Vorgehensmodells für die Entwicklung webbasierter Lernumgebungen wird im vierten Kapitel beschrieben. Evolutionäres Prototyping und objektorientierter Entwurf stehen hier im Mittelpunkt eines Vorgehensmodells zur ebenenbasierten System- und Lernobjektentwicklung.

Das fünfte Kapitel schildert konkrete Umsetzungen der allgemeinen Konzeption an Beispielen aus GETsoft. Anschauliche Umsetzungen der Mediengestaltungskonzepte überführen die Theorie in die Praxis. Die Funktionalitäten und Schnittstellen der GETsoft-Datenbank für standardisierte wiederverwendbare Lernobjekte und ihre Metadaten stellen hier einen Schwerpunkt dar.

Im Kapitel sechs werden Beispiele und Ansätze zum Transfer, der Vernetzung sowie zur Verbreiterung von GETsoft vorgestellt. Das letzte Kapitel stellt Überlegungen zu Erfolgsfaktoren von Lernumgebungen an, diskutiert kurz offene Wissensressourcen als Zukunftsmodell und bettet darüber Ideen zur Weiterentwicklung von GETsoft ein.



Abstract - English

The presented dissertation describes a systematic and integrated process model for the development of a web-based learning environment, focusing particularly on engineering science. Explicating the cause of action, design, implementation, processing and administration with a database management system according to LOM standards are incorporated in the framework. The work can be counted towards a series of research endeavors at the Department of Fundamentals of Electrical Engineering on multimedia- and web-based learning environments. A case study of GETsoft illustrates tangible problems of implementing components of a learning environment and offers specialised solutions.

The first chapter includes motivation, goals, classification and procedures of the study as well as presenting an analysis of preliminary work leading to this dissertation. A detailed analysis of existing learning environments in different engineering disciplines is the first step, thus enabling the main purpose of the study. The author develops an adaptable process model and explains the approach for the construction of a learning environment including learning objects and components.

Fundamentals of web-based learning environments in engineering, e-learning standards, software development processes and database technologies are subjects of the second chapter. A model of learning environments consisting of multiple levels is combined with a specific model of learning objects.

The third chapter analyses the status quo of web-based learning environments in some basic courses of engineering disciplines using a list of criteria. The current situation in physical and mathematical science as well as mechanical and electrical engineering is thoroughly evaluated. In addition, chapter three gives short insights on the disciplines chemistry, medicine and some international best-practice learning environments.

The fourth chapter investigates the media technology prerequisites required to implement the adaptable process model for the development of web-based learning environments. Evolutionary prototyping and object-oriented drafts are the focus of the procedure model for the system and learning object development. Both models are driven by the level structure introduced in chapter two.

The concrete realization of the overall concept using examples of GETsoft is explained in chapter five. Theory is put into practice by the illustrative implementation of media design concepts. The emphasis is on the functionality and interfaces of the GETsoft database of standardized and reusable learning objects and their metadata.

The sixth chapter introduces examples and approaches for transfer, cross-linking and the spread of GETsoft. The final chapter sums thoughts on factors for success of learning environments. The dissertation closes with a short discourse on the future of learning environments, including open educational resources, and ideas for the further development of GETsoft.



Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

1.1 Motivation & Zielsetzung 1
1.2 Einordnung der Arbeit 2
1.3 Vorgehensweise 3

2 Grundlagen 5

2.1 Webbasierte Lernumgebung im ingenieur-wissenschaftlichen Bereich 5
2.2 Modell einer Lernumgebung für den ingenieur-wissenschaftlichen Bereich 9
2.3 E-Learning-Standards und ihre Relevanz für webbasierte Lernumgebungen 12
2.3.1 Publicly Available Specification (PAS) 12
2.3.2 Shareable Content Object Reference Model (SCORM) 12
2.3.3 Aviation Industry Metadata Description (AIMD) 14
2.3.4 Dublin Core (DC) 14
2.3.5 Learning Object Metadata (LOM) 15
2.3.6 Begriffsdifferenzierung über eine „Learning Object Terminology“ 17
2.3.7 Einordnung des RLO-Modells 20
2.4 Softwareentwicklungsprozess 21
2.4.1 Allgemeiner Softwareentwicklungsprozess 21
2.4.2 Prozessmodelle im Überblick 22
2.4.3 Objektorientiertes und komponentenbasiertes Programmieren 24
2.5 Datenbanktechnologien und ihre Eignung zur Speicherung von komplexen Lerninhalten 24
2.6 Contentproduktion 25
2.7 Lehr- und Lernformen im ingenieur-wissenschaftlichen Bereich 26
2.8 Kommunikations- und Kooperationstechnologien 30

3 Stand der Technik webbasierter Lernumgebungen in ingenieur-wissenschaftlichen Disziplinen 32

3.1 Kriterienkataloge 32
3.2 Entwicklung eines Kriterienkatalogs auf Basis des Schichtenmodells einer webbasierten Lernumgebung 34
3.2.1 Kriterien der Ebene Technik 34
3.2.2 Kriterien der Ebene Inhalte 35
3.2.3 Kriterien der Ebene Didaktik 36
3.2.4 Kriterien der Ebene Organisation 38
3.2.5 Kriterien der Ebene Präsentation 39
3.2.6 Kriterienkatalog für eine Untersuchung von webbasierten Lernumgebungen in ingenieur-wissenschaftlichen Disziplinen im Überblick 41
3.3 Analyse und Dokumentation der ausgewählten Lernumgebungen 41
3.3.1 Physik 42
3.3.2 Mathematik 45
3.3.3 Maschinenbau 50
3.3.4 Elektrotechnik 53
3.3.5 Chemie und Medizin 55
3.3.6 Webbasierte Lernumgebungen im internationalen Sprachraum 59
3.4 Zusammenfassung zum Stand der Technik 64

4 Medientechnische Analyse und Konzeption eines adaptierbaren Prozess- und Vorgehensmodells für die Entwicklung webbasierter Lernumgebungen 65

4.1 Komponenten einer Lernumgebung 65
4.2 Evolutionäres Prototyping und Objektorientierter Entwurf als kombiniertes Vorgehensmodell zur System-Entwicklung 68
4.3 Phase Systemanalyse 70
4.3.1 Funktionelle Konzeption 71
4.3.2 Technische Konzeption 82
4.4 Phase Softwareentwicklung 92
4.5 Phase Softwareintegration 98
4.6 Begleitende Prozesse 101

5 Umsetzung der allgemeinen Konzeption am Beispiel GETsoft 102

5.1 GETsoft im Überblick 102
5.2 GETsoft-Komponenten 103
5.3 Systemanalyse von GETsoft 106
5.3.1 Funktionelle Konzeption von GETsoft 106
5.3.2 Technische Konzeption 122
5.4 Softwareentwicklung für GETsoft 132
5.4.1 Prototyp und Prototyping in der GETsoft-Entwicklung 132
5.4.2 Funktionalitäten und Schnittstellen der GETsoft-Datenbank 140
5.4.3 Lösungsansätze bei der Lokalisation von Lernobjekttypen 143
5.5 Softwareintegration von GETsoft 146
5.5.1 Systemeinführung 146
5.5.2 Evaluation 147
5.5.3 Wartung und Pflege 147
5.6 Blended Learning Einsatzszenarien mit GETsoft 150

6 Transfer-, Vernetzungs- und Verbreiterungsmodelle mit GETsoft 151

6.1 Transfer- und Vernetzungsmodelle 151
6.1.1 Vor-Ort-Verstetigung innerhalb der TU Ilmenau 151
6.1.2 Regionaler und überregionaler Transfer von GETsoft-Inhalten 152
6.1.3 Ansatz für ein bundesweites fachspezifisches Portal für ET 153
6.1.4 GETsoft als bundesweites Referenzbeispiel 154
6.1.5 GETsoft-Lernobjekte im europaweiten Kontext 154
6.2 Verbreiterungsmodelle 155
6.2.1 Berufsorientierung 155
6.2.2 Studienorientierung 156
6.2.3 Hochschulübergreifendes Verbreiterungsmodell in Hessen 157
6.2.4 Hochschulübergreifendes Verbreiterungsmodell in NRW 158
6.2.5 Hochschulübergreifendes Verbreiterungsmodell in Rumänien 158
6.2.6 VDE Seminarangebote als Ansatz für Weiterbildung 159
6.2.7 E-Learning Fortbildungskurse 159

7 Zusammenfassung und Ausblick 161

7.1 Zusammenfassung der Dissertation 161
7.2 Ausblick 162
7.3 Vision eines hochschulweiten technologiegestützten Campus-Management-Systems 167

8 Literaturverzeichnis 169

9
Anhang 182

9.1 Anhang zu Kapitel 3 - Erfassungsbögen Kriterienkatalog 182
3.3.1 Physik 183
3.3.2 Mathematik 192
3.3.3 Maschinenbau 202
3.3.4 Elektrotechnik 209
3.3.5 Chemie und Medizin 214
3.3.6 Webbasierte Lernumgebungen im internationalen Sprachraum 218
9.2 Anhang zu Kapitel 5 - Themenfelder Allgemeine Elektrotechnik 224