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Computer in der Ausbildung Verwendete Lehrstrategien und Beispiele Hilfesysteme Lernergesteuerte Systeme Trainingssysteme Tutorielle Systeme Simulationssysteme Spielesysteme Problemlösungssysteme TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 1 Was ist E-Learning? TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 2 Was ist E-Learning entzieht sich formaler Definition, da … junge Disziplin (ca. 1998) Praxisbegriff, der oft ganz unterschiedliche Dienstleistungen beschreibt entwickelt sich rasant [Minass2002] in der Literatur findet man keine (de) oder sehr unterschiedliche Definitionen (engl.) Gemeinsamkeiten: Systeme, die Lernen ermöglichen und Lerninhalte darbieten Örtliche Unabhängigkeit Individuelles und Gruppenbezogenes Lernen Nicht Einheitlich: Zeitliche Synchronität vs. Asynchronität Ausmaß der Technologie (www, internet, netzwerk, digitale techn., elektronische techn.) Reine Lernkomponenten oder Zusatzfunktionalität TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 3 Was ist E-Learning "E-Learning sind Systeme, die zeit- und ortsunabhängig Lerninhalte mittels digitaler Medien an Gruppen und Individuen vermitteln." [Minass 2002, S.27] Schreibweise: E-Learning, e-Learning, eLearning, E-learning Synonyme: First Term Second Term Third Term Computer Assisted Aided Based Enhanced Mediated Interactive Instruction Learning Education Training Teaching Study siehe [Minass 2002, S. 27] oder [Schulmeister 2002] TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 4 Wissensvermittlung kontra Wissensverwaltung Lernumgebung Kursumgebung TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 5 Wissensvermittlung kontra Wissensverwaltung Lernumgebung Administration Kurseinschreibungen Finanzen Statistiken Rechtevergabe … Kursumgebung Content Managment Lehrtexte Onlinebibliothek Materialsammlungen … TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt Skill Managment Expertennetzwerk Projekterfahrungen Besuchte Kurse Yellow Pages … Community Chat Foren FAQ Blog Wiki Eventbase Homepages … 6 Wissensvermittlung kontra Wissensverwaltung Lernumgebung Administration Kurseinschreibungen Finanzen Statistiken Rechtevergabe … Kursumgebung Skill Managment Expertennetzwerk Projekterfahrungen Besuchte Kurse Yellow Pages … Kursplaner Study/Training Center Content Managment Lehrtexte Onlinebibliothek Materialsammlungen … TS - WS 06/07 Virtuelles Klassenzimmer Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt Community Chat Foren FAQ Blog Wiki Eventbase Homepages … 7 Wissensvermittlung kontra Wissensverwaltung Lernumgebung Administration Kurseinschreibungen Finanzen Statistiken Rechtevergabe … Kursumgebung Kursplaner Skill Managment Expertennetzwerk Projekterfahrungen Besuchte Kurse Yellow Pages … Hier steckt die (K)I der TS Study/Training Center Content Managment Lehrtexte Onlinebibliothek Materialsammlungen … TS - WS 06/07 Virtuelles Klassenzimmer Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt Community Chat Foren FAQ Blog Wiki Eventbase Homepages … 8 Wie kann man TS klassifizieren? TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 9 Kriterien für die Klassifikation Steuerung des Lernprozesses Programmgesteuert Adaptiv Adaptiv beratend Adaptierbar Lernergesteuert Selbststeuerbarkeit Lernziel Kognitive Lernziel Wissen, Verstehen, Anwenden, Analysieren, Synthetisieren, Evaluieren Affektive Lernziele Aufnehmen, Werten, Reagieren, Werte ordnen, Durch Werte bestimmt sein Psychomotorische Lernziele Imitieren, Manipulieren, Präzisieren, Handlungen gliedern, Naturalisieren TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 10 Kriterien für die Klassifikation Lehrinhalte Fakten und kontextfreie Regeln Kontextabhängige Regeln Problemlösung Komplexe Situation Gestalt- und Mustererkennung Subjektivitätsgrad Prolog lernen Syntax Semantik Pragmatik Schemas Beispiel Aufgabe Methodik [Bodendorf1990] Lernen durch Hinweis Selbstgesteuertes Lernen Lernen durch Übung Angeleitetes Lernen Entdeckendes Lernen Unterhaltendes Lernen Learning by Doing Sokratisches Lernen TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 11 Klassifizierung Die Klassifizierung von Lernersoftware orientiert sich an der prinzipiellen Methodik Hilfesysteme (passive und aktive) Lernergesteuerte Systeme Trainingssysteme Tutorielle Systeme (passive und aktive) Simulationssysteme Spielsysteme Problemlösungssysteme Neben der Klassifizierung spielen auch die Fragen nach der Effizienz der Ausbildung sowie Kosten-/Nutzenkriterien eine Rolle bei der Beurteilung von Lernersoftware. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 12 Hilfesysteme TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 13 Hilfesystem –Allgemein Ein wesentliches Kriterium der Benutzerfreundlichkeit von Dialogsystemen ist die Selbsterklärungsfähigkeit. Hilfesysteme haben die vorrangige Aufgabe, Informationen über die Handhabung und Nutzung der Software bereitzustellen und Handlungsfehler seitens des Benutzers zu beheben bzw. zu vermeiden. Unter pädagogischen Gesichtspunkt können man ein Lehrziel wie folgt definieren: Herausbilden des Verstehens und Beherrschen einer gegebenen Anwendungssoftware. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 14 Hilfesysteme – Passiv Viele Programme liefern ein einführendes Tutorial mit, um dem Benutzer einen ersten Überblick zu verschaffen Videopräsentationen Hypertext-Dokumente Kommentierte Trainingsbeispiele (z.B. Flash MX) Oftmals besitzen Programme einen sogenannten LaienModus bzw. "Tip-des-Tages"-Modus. Dabei wird das Hilfesystem nicht erst auf Anforderung gestartet, sondern eine "Erklärungshülle" um das Programm gebildet. Eine Verbesserung der Hilfesysteme erhofft man sich durch die Verwendung natürlichsprachlicher Interfaces. Dabei erfolgt die Auswahl der Informationen nicht mehr ausschließlich über Menüs, sondern es wird mit Hilfe dynamischer Formulierungen kommuniziert. (Microsoft) TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 16 Hilfesysteme – Passiv TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 17 Hilfesysteme – Aktiv Systeme, die Probleme bzw. inkorrektes Verhalten des Benutzers erkennen und diagnostizieren können, nennt man aktive Hilfesysteme. Wurde ein Fehlverhalten erkannt, schaltet sich das Programm selbstständig ein und präsentiert Hilfen oder Tipps. Bsp.: Ein Benutzer markiert einen Textabschnitt, versetzt den Textcursor an eine andere Stelle und betätigt die Funktion "Einfügen" – natürlich passiert nichts bzw. nicht das Richtige. Erfolgen diese Aktionen mehrmals hintereinander, könnte das Programm annehmen, das der Vorgang des Kopierens nicht beherrscht wird und eventuell eine Hilfe vorschlagen. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 18 Hilfesysteme – Aktiv Wird auch der Kontext (z.B. vorhergehende Hilfeleistungen) und das aktuelle Verhalten des Benutzers mit einbezogen, dann spricht man von adaptiven Systemen. Je nach Situationsanalyse (z.B. durch Auswertung von Aktionsprotokollen) werden die Erklärungen den Vorkenntnissen und Bedürfnissen des Benutzers angepasst. Bsp.: Der Benutzer erhielt erste Informationen zum Kopieren mittels Menü. Allerdings kopiert er sehr häufig Text. Durch Analyse des Verhaltens erkennt das Programm dies (z.B. Anzahl der Kopiervorgänge in einem Betrachtungszeitraum). Deshalb schlägt es dem Benutzer andere Wege vor: Kopieren durch Drag-und-Drop, mittels Tastenkombination oder Kontextmenü. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 19 Hilfesysteme – Wissensbasiert Fortgeschrittene Formen von Hilfesystemen, bei denen der Anwender durch eine Art Tutor bekleidet wird, der kontrolliert, berät und auch lehrt, bezeichnet man als intelligente bzw. wissensbasierte Hilfesysteme. In der Regel umfassen sie die folgenden Komponenten: Anwendungsmodell: Informationen über Funktion und Anwendung des Anwendungsprogramms. Benutzermodell: Individuelle Informationen über jeden Benutzer (personalisierte Menüsysteme bzw. Desktop-Einstellungen). Vermittlungswissen: Didaktische und pädagogische Regeln für die Hilfepräsentation. Monitor: Beobachten des Benutzerverhaltens, Erkennen der Intentionen, entscheiden, welche Hilfen eventuell anzubieten sind, Erweitern des Benutzermodells ( Aktionsprotokoll) Berater: Realisierung der vom Monitor oder Benutzer angeforderten Hilfefunktion. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 20 Hilfesysteme – Wissensbasiert 1. 2. 3. 4. 5. 6. Benutzerschnittstelle Monitor Anforderung Beobachtung Nutzerverhalten Benutzerhistorie Anwendungsmöglichkeiten Tutorial Intervention der Beraters 2 Anwendung 1 6 Berater 5 Didaktikkomponente 4 3 Benutzer modell Anwendungsmodell Hilfesystem TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 21 Lernergesteuerte Systeme TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 22 Lernergesteuerte System Konzept lernergesteuerter Lehrsysteme beinhaltet drei Grundprinzipien: 1. 2. 3. Präsentation von Lehreinheiten durch das System: Zu den Elementen des Lehrstoffes können Faktenwissen, Prinzipien, Konzepte, Prozesserläuterungen, Beispiele, Übungen und Test gehören. Diese Einheiten sind meist nach thematischen Gesichtspunkten geordnet (Themen-DVD's). Auswahl der Lehreinheiten durch den Benutzer: Die Abfolge der Lehreinheiten wird vom Lernenden gesteuert, d.h., dieser legt die Sequenz der zu präsentierenden Einheiten selbst fest. Er bestimmt somit über die Art und den Umfang der Lektionen, über Beispiele und Test u.s.w. (WikiPedia) Auswahl der Lehreinheiten durch einen menschlichen Tutor: Die Abfolge der Lehreinheiten kann frei zusammengestellt werden, allerdings nur von einem Tutor. Er erstellt unter pädagogischen Gesichtspunkten einen Lehrplan und legt fest, was in welchem Umfang und in welcher Reihenfolge präsentiert wird. (FernUni) TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 23 Lernergesteuerte System – Beispiele Hilfesysteme und lernergesteuerte System verwenden immer häufiger Autorensysteme bzw. multimediataugliche Programmierumgebungen: Asymetrix Instructor (ToolBook): buchbasiertes Autorenwerkzeug Macromedia Authorware: Ablaufbasiertes Autorenwerkzeug Macromedia Director: filmbasiertes Autorenwerkzeug HTML: viele Browser sind in der Lage, multimediale Informationen bereitzustellen (Text, Bilder, Videos, Animationen, Audio) Weiterentwicklung sind "elektronische Bücher". Die Idee dabei ist, den Inhalt eines Lehrbuches (das Wissen) zusammen mit dem strukturellen Aufbau (Bilder, Grafiken, Beispiele ...) in Form einer vernetzten Datenbasis auf dem Computer bereitzustellen Lexika: z.B. Microsoft Encarta Plus 2001... Lehrbücher: z.B. WinFunktion Physik 9.0... Populärwissenschaftliche Bücher: z.B. Welt der Wunder ... TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 25 Lernergesteuerte System – Beispiel (2) TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 26 TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 27 Lernergesteuerte System – Fazit Positiv: Durch die Individualisierung des Unterrichtsablaufes, der durch den Benutzer vorgegeben wird, kann im allgemeinen eine besonders schlechte Stoffvermittlung (einseitig, unmotiviert bzw. "am Ziel vorbei") vermieden werden. Negativ: ein besonders gutes Selbststudium wird allerdings in vielen Fällen auch nicht erreicht; der Benutzer ist oft nicht in der Lage, eine günstige Lernsequenz aufzubauen und dafür geeignete Beispiel, Übungen und Tests einzubeziehen bzw. die Ergebnisse der Tests richtig auszuwerten. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 28 Trainingssysteme TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 29 Trainingssysteme Trainingssystem werden oft im Sinne "Drill and Practice" verwendet. Bei solch einem Programm geht man davon aus, das der Anwender schon ein gewisses Vorwissen besitzt, das es einzuüben gilt. Der Dialogverlauf ist dabei fast umgekehrt zu passiven Hilfesystemen: das Trainingssystem stellt Fragen und erwartet vom Lernenden eine passende Antwort. Ist dieser dazu nicht in der Lage, wird eine Erklärung geliefert. Zu Beachten: Es wird mit solchen Programmen keine ausführliche Wissensvermittlung erricht, sondern allenfalls werden Wissenslücken geschlossen. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 30 Trainingssysteme – Module: Einführung Nach dem Start ist es bei diesem System üblich, den Benutzer zu parametrisieren (Benutzermodell) Auswahl des Stoffgebietes Festlegung des Schwierigkeitsgrades Anzahl der Fragen Ausgefeiltere Systeme können diese Variationsmöglichkeiten über das Benutzermodell dynamisch entsprechend dem Dialogverlauf steuern. Ebenfalls kann es nötig sein, in der Einführungsphase mit der allgemeinen Bedienung vertraut zu machen bzw. Systemvoraussetzungen zu prüfen z.B. welche Grafikauflösung eingestellt ist oder welche Farbtiefe ist in Internet-Zugang vorhanden oder nicht ... existiert auf dem Computer ein ganz bestimmtes Programm TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 32 Trainingssysteme – Module: Frageselektion Es gibt verschieden Strategien, die Fragen auszuwählen und zu präsentieren, z.B. Zufallsauswahl: die Fragen werden nach einem verhältnismäßig leicht zu implementierenden Zufallsmechanismus ausgewählt. Diese Verfahren ist jedoch bezüglich des Trainingseffektes ineffizient: die Wiederholung von richtig beantworteten Fragen nimmt im Verhältnis zur Fragenanzahl zu, die Wiederholung falsch beantworteter Fragen nimmt ab. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 33 Zufallsprinzip Fragenpool Frageliste Falsch beantwortete bzw. neue Frage Schon einmal richtig beantwortetet Frage TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 34 Trainingssysteme – Module (3) Warteschlangentechnik: Durch geschickte Organisation einer Warteschlange versucht man, die Auswahl und Wiederholung von Fragen vom Antworterfolg abhängig zu machen Karteikartenprinzip Intervallmethode: Verfeinerung der Intervallmethode; alle Fragen sind zu Beginn mit n Wiederholungen zufällig in der Warteschlange verteilt; wird eine Frage falsch beantwortet, wird die Frage aus allen Positionen entfernt und dann in einem festen Intervallmuster wieder eingefügt. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 35 Karteikasten Ein Tag Nach einer Woche TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 36 Trainingssysteme – Module (4) Fragestellung, Antwortanalyse und Feedback Diese Punkte entsprechen den Gegebenheiten bei Tutoriellen Systemen und werden deshalb dort behandelt Abschluss: Für die Beendigung einer Trainingssitzung gibt es verschiedene Möglichkeiten: TS - WS 06/07 Abbruch durch den Benutzer; er kann das Programm an jeder beliebigen Stelle verlassen und gegebenenfalls wird ein Bookmark gesetzt. Richtige Beantwortung einer gewissen Anzahl von Fragen Richtige Beantwortung eines Mindestprozentsatzes der vorgegebenen Fragenserie Ablauf einer festgelegten Zeit Erreichen einesDiplm.-Inform. bestimmten Schwierigkeitsgrades 37 (FH) Thomas Wendt Trainingssysteme – Fazit Zur Leistungskontrolle sollten dem Benutzer entsprechende Daten zur Verfügung gestellt werden. Trainingsprogramme werden hauptsächlich eingesetzt, um Faktenwissen zu festigen bzw. zu erweitern Wortschatzübungen Definitionen und feste Daten Test wie z.B. Fahrschule ... Rechentests TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 38 Tutorielle Systeme TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 39 Tutorielle Systeme (TS) Im Gegensatz zu lernergesteuerten Systemen übernehmen Tutorielle System nicht nur die Präsentation von Informationseinheiten, sondern auch die Aufgabe eines Tutors (Lehrers) TS führen den Lernenden auf einem didaktisch vorgeplanten Weg durch das Stoffgebiet. Die Qualität der Umsetzung von "Lehrerwissen" und die Flexibilität des Systems in Bezug auf die Wissensvermittlung bilden eine Skala zur Bewertung und Klassifizierung von Tutoriellen Systemen. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 40 Tutorielle Systeme (Einteilung) "Einfache TS": behavioristisch motivierte Systeme, bei denen die Prinzipien des PU umgesetzt werden. "Adaptive TS": Auch Trainingssysteme kann man zu diesen "Einfachen TS" zählen: der Trainer (Coach) gibt Aufgaben in einer Reihenfolge vor, die ein "simples" Memorieren gestatten. Adaptierbare Systeme können durch einen externen Eingriff auf bestimmte Lernsituationen/-bedingungen angepasst werden. Adaptive Systeme passen sich intern durch Beobachten und Analyse des Lernerverhalten an. "Intelligente Tutorielle Systeme (ITS)": Systeme, die auf KI-Methoden aufsetzen und sowohl das Expertenwissen eines Tutors (Wie wird gelehrt) als auch das Wissens eines Experten der Lehrdomäne (Was wird gelehrt) enthält. Gleichzeitig passt sich dieses System – in Analogie zu einen menschlichen Lehrer – selbstständig an den Lerner an. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 41 Definition der Lernziele und Lerninhalte Inhaltsverzeichnis in Menüform/Sitemap Dialogführung und Systembedienung Durchführung eines Einstiegs- oder Einstufungstestes Komplexitätszunahme Tutorielle Systeme - Einführung "Einfache" TS Adaptive TS Intelligente TS Bezugnahme auf Vorwissen/Lerngeschichte TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 43 Tutorielle Systeme – Informationspräsentation Ein tutorielles System besitzt Generell unterscheidet man bei der Informationspräsentation zwei Arten: verschiedene Arten von Lerneinheiten: Erklärungen, Beispiele, Übungen, Tests Lehratome unterschiedliche Darstellungsformen: Text, Grafik, Video, Audiosequenzen, Animationen Introduction-Frame: die Einführung neuer Fakten Link-Frame: die Assoziierung mit bekannten Wissen Neben der Darstellung der Informationseinheiten ist der didaktische Aufbau eines Tutorials von Bedeutung. Dieser sollte den Prinzipien der nichtcomputerunterstützten Unterweisung folgen Lernpsychologie und Pädagogik Curriculum TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 44 Tutorielle Systeme – Informationspräsentation (2) Vorschläge zur Gestaltung (Auswahl) Länge der Textdarstellung: Grafiken und Animationen: Günstig für Erst- und Übersichtsinformationen Keine zu starke Detaillierung Gleichzeitiges Darstellen von Erklärungstexten Farbgestaltung: Aufteilung in möglichst kleine Abschnitte Max. sieben Items bei einer Aufzählung Möglichst keine Scrollen einer Bildschirmseite Farbe nur als Zusatz-, nicht als Kerninformation Nicht mehr als vier Farben gleichzeitig Vermeidung von direkten Rot/Blau, Grün/Blau, Rot/Grün und Blau/Gelb-Kombinationen Vermeidung von blinkenden und funkelnden Farbanimationen Handling: TS - WS 06/07 Kontrolliertes Vor- und Zurückblättern Einfache Eingabemöglichkeiten (Zielgruppe) Hilfefunktionen Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 45 Tutorielle Systeme – Fragestellung und Antwortanalyse Ein Merkmal eines TS ist, wie oft und in welcher Form Fragen an den Benutzer gestellt werden und wie die Konsequenzen aus den Antworten aussehen. Man unterscheidet im Allgemeinen zwei Formen von Fragen: Fragen mit Auswahlantworten: Vorgabe einer Reihe von Antwortmöglichkeiten, aus denen zu selektieren ist. Fragen mit freien Antworten: Unreglementierte Eingabe durch den Lernenden. Es erfordert einen relativ hohen Aufwand, um die Beherrschung eines Lehrstoffes zu prüfen. Um diesen Aufwand zu begrenzen, benutzen die meisten konventionellen TS Multiple Choise-, Ergänzungs- oder Kurzantworten. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 46 Tutorielle Systeme – Fragestellung und Antwortanalyse Die inhaltliche Antwortanalyse kann zu folgenden Ergebnissen kommen: Die Antwort ist korrekt. Die Antwort ist teilweise korrekt und enthält vorhergesehene Fehler. Die Antwort ist teilweise korrekt und enthält unerwartete Angaben. Die Antwort ist vollständig inkorrekt und enthält vorhergesehene Fehler. Die Antwort ist vollständig inkorrekt und enthält unerwartete Angaben. Die Antwort enthält eine Anforderung, z.B. mehr Informationen, Hilfefunktion aufrufen oder Zurückblättern ... Bei "einfachen" Trainingssystemen werden im allgemeinen nur Fehlerpunkte gesammelt. Bei TS sollte die Analyse der Antworten Einfluss auf die weitere Stoffpräsentation nehmen. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 47 Tutorielle Systeme – Fragestellung und Antwortanalyse Konnte die Fehleranalyse Aufgaben bewerten, ohne auf unerwartete Fehler zu stoßen, so lassen sich die Fehler klassifizieren in: R – Richtig Die Antwort stimmt mit den Vorgaben vollständig überein. U – Unvollständig Die Antwort enthält nur korrekte Angaben, aber nicht alle. T – Teilweise Die Antwort enthält korrekte und falsche Angaben. F – Die Antwort enthält in sämtlichen Teilen unrichtige Daten. Die unerwarteten Fehler werden der Klasse N (Nichtidentifizierbar) zugeordnet und lassen sich didaktisch oft nicht auswerten. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 48 Tutorielle Systeme – Fragestellung und Antwortanalyse Auswahlantworten: Alternativantworten: Treffen binärer Entscheidungen Multiple Choise-Antworten: Spezifikation einer oder mehrerer Antworten aus einem vorgegebenen Menü Zuordnungsantworten: Bildung von Zuordnungspaaren aus Elementen zweier Listen Markierungsantworten: Direkte Kennzeichnung von Elementen der Informationsdarstellung TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 49 Variation einer Aufgabe Gezeigt werden soll, wie sich die Typisierung bzw. Gestaltung einer Zuordnungsaufgabe in der Praxis auswirkt. An Hand eines einfachen Beispiels werden drei verschiedene Varianten durchgespielt und gezeigt, welche Auswirkungen die Gestaltung auf die Aussagekraft der Lernerantwort hat. Ausgangspunkt (Variante 1) ist eine klassische MultipleGraph Choise-Aufgabe "N aus 5" Welche der aufgeführten Ringgefährten sind Hobbits? Frodo Aragon Strukturmatrix Sam S = (10110) Pippin Gimli TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 50 Variation einer Aufgabe Profil von Variante 1: MC-Frage mit 5 Antwortmöglichkeiten, jede Antwort einzeln selektierbar 3-aus-5 – Frage (es sind immer drei richtige unter den fünf Antwortmöglichkeiten) Antwortraum besteht aus 31 Elementen (25-1) Sinnvolle Antwortwerte: TS - WS 06/07 R(ichtig): 1 U(nvollständig): 6 T(eileweise richtig): 21 F(alsch): 3 Wahrscheinlichkeitsverteilung der Antwortmenge bei zufälliger Auswahl (R = 0,032; U = 0,194; T = 0,677; F = 0,097) Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 51 Varianten einer Aufgabe Variante 2 wird als eine Folge von Alternativen betrachtet (Ja/Nein-Sequenze) Graph JA NEIN Welche der aufgeführten Ringgefährten sind Hobbits? Frodo JA NEIN Aragon JA NEIN Sam JA NEIN Pippin JA NEIN Gimli JA NEIN TS - WS 06/07 Strukturmatrix 1 0 1 1 0 S 0 1 0 0 1 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 52 Variation einer Aufgabe Profil von Variante 2: Antwortraum besteht aus 32 Elementen (25) Sinnvolle Antwortwerte kommen R(ichtig) (genau 1) T(eileweise richtig): 30 F(alsch) (genau 1) Wahrscheinlichkeitsverteilung der Antwortmenge bei zufälliger Auswahl (R = 0,031; T = 0,938; F = 0,031) TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 53 Varianten einer Aufgabe Variante 3 wird als eine Zuordnung durch Markierung aus einem begrenzten Vorrat realisiert Graph Welche der aufgeführten Ringgefährten sind Hobbits? Frodo Aragon Sam Pippin Gimli TS - WS 06/07 Strukturmatrix S 1 0 1 1 0 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 54 Variation einer Aufgabe Profil von Variante 3 ("3-aus-5"): Antwortraum besteht aus 10 Elementen Sinnvolle Antwortwerte kommen R(ichtig) (genau 1) T(eileweise richtig): 9 Keine Falsch-Antworten, da nur zwei falsche Möglichkeiten Wahrscheinlichkeitsverteilung der Antwortmenge bei zufälliger Auswahl (R = 0,1; T = 0,9) Variante 3b (es müssen nicht alle Elemente vergeben werden): Antwortraum nun 25 Elemente Wieder dabei U, F TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 55 Tutorielle Systeme – Fragestellung und Antwortanalyse Freie Antworten: Ergänzungsantworten: Meist Ausfüllen von Textlücken. Der Hobbit _______ war der Ringträger. Sein treuer Freund ______, seines Zeichen Gärtner, half ihm, wo er konnte. Kurzantworten: Angabe von Stichworten, Zahlen oder Symbolen Wann war die "Maueröffnung": ____________ Natürlichsprachliche Antworten: Eingabe frei formulierter Texte. Was ist KI: ??? TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 56 Tutorielle Systeme – Fragestellung und Antwortanalyse Um den Aufwand der Antwortanalyse weiter zu reduzieren, räumt man den Lernenden eine gewisse Freiheit bei der Beantwortung von Fragen ein: Akzeptieren unerwarteter Groß- oder Kleinschreibung: Mit was fuhr Frank auf den Markt? FaHrrad Tolerierung von Tippfehlern: Stromstärke == Stromstarke == Stromstörke Ausblenden von Füllwörtern sowie irrelevanten Leer- und Sonderzeichen: Durch die Stromstärke und die Spannung Stromstärke Spannung Erkennen richtiger Antwortteile Zulassen von Toleranzen bei numerischen Antworten: Wie groß ist PI? 4 (falsch) 3.1 (zu ungenau) 3.14 (okay) 3.14159 (okay) Akzeptieren ungefährer Rechenergebnisse Um welchen Faktor vermehrt sich die Population A? 5.6 (korrekt wäre 5.8, wird aber wegen 0.5 akzeptiert) TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 57 Tutorielle Systeme – Feedback Bei korrekten Antworten: positives, bestärkendes Echo Bei negativen Antworten (je nach Analyse): Dieselbe Frage wird in einer anderen Form präsentiert. Hinweise in verschiedenen Ausführlichkeitsstufen werden angeboten. Bei komplexen Fragestellungen können Teile der richtigen Antwort gezeigt werden. Es kann ein ähnliches, gelöstes Beispiel gezeigt werden. Es wird eine Musterlösung bzw. eine allgemeines Lösungsschema gezeigt. "Intelligente" Systeme können einen breiten Kontext an Informationen und das bisherige Verhalten des Lernenden in die Analyse der Antwort einfließen lassen und so ein individuelles und systematisches Fehlverhalten erkennen. Das Ergebnis der Analyse könnte dann zu einer Rückwärtsverzweigung und Wiederholung, einem Vorwärtssprung im Stoff, zur Präsentation von Zusatzlektionen oder weiteren, angepassten Tests u.ä. führen. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 58 Tutorielle Systeme – Feedback (2) Es werden mehrere Stufen bei der Ablaufsteuerung in einem TS unterschieden: 1. 2. 3. 4. Response Insensitive: Verzweigungen basieren ausschließlich auf der letzten Antwort des Lernenden; das Ablaufschema ist fest vorgegeben. Response Sensitive: Das System bildet sich aufgrund der bisherigen Antwort ein Modell von der Stoffbeherrschung des Lernenden und verzweigt flexibel. Ideographic: Zur Steuerung des Unterrichts werden zusätzliche Charakteristika des Lernenden hinzugezogen, wie z.B. Neigung, Lerngewohnheiten, Alter oder Vorbildung (meist explizit) (Adaptierbare Systeme). Student Model: Mit wissensbasierten Methoden wird ein umfangreiches Modell des Lernenden abgeleitet, das zur Bestimmung einer individuellen Lehrstrategie dient (meist implizit) (Adaptive Systeme). TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 59 Tutorielle Systeme – Abschluss Daten der Dialogsitzung werden für eine spätere Sitzung gespeichert Zusammenfassung des behandelten Stoffes Erfolgsstatistik des zu behandelten Stoffes Empfehlungen für die nächste Anwendung TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 60 Simulationssysteme TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 61 Simulationsmodelle Hauptziel von Simulationsmodellen ist es, dem Lernenden ein mentales Modell eines realen Objektes oder Prozesses zu vermitteln sowie ein aktives Verhalten, Manipulieren und Testen dieses Modells vorzusehen. Dabei wird das Lernen durch Entdecken und die Möglichkeit, mit erworbenen Wissen zu hantieren, favorisiert. Einführung Szenariopräsentation Aktionsanstoss Abschluss Reaktion Aktion (Lernender) TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 62 Simulationsmodelle – Typen Objektmodell: ein gegebenes Objekt, z.B. eine Maschine, ein Vulkan, der Mensch ..., wird als abstrahiertes Modell mittels Computer dargestellt. Das Modell gestattet eine interaktive Untersuchung des Aufbaus, des Verhaltens und des Zusammenwirkens der Einzelkomponenten Oft ist eine gleichartige Untersuchung des realen Objektes nicht möglich ( Voxel-Man) TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 63 Simulationsmodelle – Typen Prozessmodell: Mittels Computer wird ein Prozessablauf dargestellt und oft auch visualisiert, der im Realen oft nicht beobachtbar wäre. Der Lernende kann mittels Eingabeparameter Einfluss auf den Prozess nehmen und so durch Experimentieren ein Verständnis für den Prozess gewinnen. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 64 Simulationsmodelle – Typen Aktionsmodelle: Hauptaugenmerk bei diesen Simulationen ist die Vermittlung von Fähigkeiten. Der Computer simuliert reale Objekte und Verhältnisses, die aktiv beeinflusst und beherrscht werden müssen. Beispiele: Flugsimulatoren, Fahrsimulatoren, Virtuelle Maschinen, Virtuelle Operationen an Virtuellen Patienten u.s.w. ... Charakteristisch für Aktionsmodelle ist, das auf jede Aktion des Benutzers sofort eine Reaktion des Modells erfolgt (meist in Echtzeit), die zu einer neuen Situation führt, die eine andere Aktion erzwingt u.s.w. ... TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 65 Simulationsmodelle – Typen Mikrowelten: Eine weitere Art von Modellen beschreibt ein Szenario, in dem der Lernenden integriert ist, er spielt eine bestimmte Rolle und wird dadurch zu einem handelnden Bestandteil des System, z.B. der Qualitätskontrolleur in einer Modellfabrik, der Entscheidungen über die Art, den Umfang und die Häufigkeit der Kontrollen treffen muss. Im Gegensatz zu Aktionsmodellen wird hier meist nicht in Echtzeit gehandelt. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 66 Simulationssysteme – Beispiele 1 VisualBEFORE (UfZ Leipzig-Halle GmbH, Fr. Cindy Löther) Simulation und Visualisierung eines naturbelassenen Ökosystems – des Buchenurwaldes "Das Simulatuionsmodell BEFORE stellt die Entwicklung eines Buchenurwaldes in Form eines Mosaiks der Entwicklungsstadien dar (zellulärer Automat) zu rein wissenschaftlichen Zwecken. VisualBEFORE dagegen soll einen 3D Film der Entwicklung des Buchenurwaldes zeigen, der es auch Laien ermöglicht, diese Entwicklung nachzuvollziehen" [Löther, 2003] TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 67 Simulationssysteme – Beispiele 2 Simulation dynamischer Systeme: Fuchs und Hase In einem begrenzten Ökosystem liefern sich Fuchs und Hase einen Überlebenskampf. Verschiedene Parameter haben Auswirkungen auf diesen Kampf: z.B. Geburtenrate, Mutationsrate, Nahrungsbedarf … Ziel ist es, zum Beispiel eine Gleichgewicht des Systems zu erlagen. Die Frage ist: Gelingt das und wie müssen die Parameter eingestellt sein. Verschiedene Herangehensweisen an die Simulation: TS - WS 06/07 Diffenzialgleichungen Evolutionäre Algorithmen Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 68 Simulationssysteme – Beispiele 3 / 4 Simulation von Logischen Schaltungen Simulation von Suchverfahren in Graphen TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 69 Spielesysteme TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 70 Spielsysteme Spielsysteme haben große Ähnlichkeit mit Simulationssystemen; allerdings überwiegt bei ihnen oft der Unterhaltungswert – durch eine Konkurrenz- bzw. Wettkampfsituation wird der Benutzer dazu gebracht, seine Leistungen ständig zu verbessern. "Gegner" können dabei entweder der Computer oder auch andere Mitspieler sein. Einführung Szenariopräsentation Abschluss Reaktion TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt Aktionsanstoss Aktion (Gegenspieler) Aktion (Lernender) 71 Spielsysteme (2) Einführung: enthält Zieldefinition, Spielregeln, Bedienungshinweise und die Einstellung der Anfangsparameter. Szenariopräsentation / Aktionsanstoß: Das System stellt eine Ausgangssituation her. Aktion (Lernender): Der Benutzer trifft nun bzgl. der vorgegeben Situation Entscheidungen. Dabei müssen oft die potentiellen Handlungen der Konkurrenten in die Überlegung einbezogen werden. ( Strategiespiele, Schach, GO ...) Abschluss: Auswertung der gezeigten Leistungen in Form von Ranglisten; liefern von Kritiken und Verbesserungsvorschlägen TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 72 Spielsysteme (3) Der Unterschied der Spielsysteme zu "klassischen" Computerspielen liegt im didaktischen Konzept. Beispiele: Unternehmensplanspiele: als Leiter einer virtuellen Firma muss man sich zwar auf dem "Weltmarkt behaupten" und Profit anhäufen, allerdings dient solch ein Spiel meist dazu, betriebswirtschaftliches Fakten- und Handlungswissen zu vermitteln bzw. zu üben. Aufbaustrategie (Völker, Age of Empire, Culture ...): Diese Spiele besitzen zwar einen überwiegenden Unterhaltungswert und benutzen meist Fantasy-Welten, jedoch lehren sie grundlegenden Konzepte Ohne Ackerbau kein Getreide – ohne Getreide keine Nahrungsmittel – ohne Nahrungsmittel keine Wirtschaft – ohne Wirtschaft keine finanzielle Stabilität ... Adventure-Spiele: viele dieser Spiele basieren auf den Entdecken und Lösen logischer Rätsel. Bei guten Spielen können diese Rätsel aus "realen" Naturgesetzen beruhen ( Physikus, Informaticus, Chaos am Set?) oder üben ganz allgemein das logische Denkvermögen. TS - WS 06/07 Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 73 Problemlösungssysteme Problemlösungssysteme behandeln komplexe Fragestellungen, zu deren Lösung Zusammenhangswissen und integratives Denken (Vernetztes Denken) notwendig ist. Dabei können folgende Zielrichtungen unterschieden werden: Synthetischer Ansatz: Ein Ziel wird exakt beschrieben und ein "Baukasten" mit Bauteilen und Instrumenten vorgegeben. Z.B. Vorgabe eine Problems Entwicklung eines Problemlösungsalgorithmus und Realisierung in einer Programmiersprache ( Mindstrom-Roboterspielzeug) Analytischer Ansatz: Ein Problem wird vorgegeben, das analysiert werden muss, um eine Lösung zu finden. TS - WS 06/07 Z.B. Auffinden von Gerätefehlern oder medizinische Diagnostik Diplm.-Inform. (FH) Thomas Wendt 74
