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Das
LearningOnline Network with CAPA
(LON-CAPA)
Gerd Kortemeyer
Wolfgang Bauer, Deborah Kashy, Edwin
Kashy, Cheryl Speier
Michigan State University
Die Software:
Funktionalität
•LON-CAPA ist ein open-source Lehr- und Lernsystem
(GNU Public License)
•LON-CAPA sitzt auf einem verteilten Bibliothekssystem
zur Publizierung, Katalogisierung, Wiederverwendung und
Zusammenstellung von Lernbausteinen
•Nichtkommerzielles Gegenstück zu WebCT, Blackboard,
usw. Schwerpunkt: Naturwissenschaften und Mathematik
•Basiert auf vorangegangenen Projekten an MSU (CAPA
(1992) und LectureOnline (1997))
•Vorgängersysteme:7,600 Studenten/Semester an MSU,
lizensiert von über 90 Institutionen
Die Software: Lehrund Lernsystem
•Alle Funktionen web-basiert
•Funktionalität serverseitig, Benutzer (Lehrende und
Lernende) brauchen nur Webbrowser (Netscape oder IE
auf Windows, Mac oder Linux) – keine Plugins
•Zugriffskontrolle, Hausübungsverwaltung
•Schwarze Bretter, Spreadsheets zur Notenberechnung,
Kommunikation
•Lernbausteine: Seiten, Bilder, Filme, Applets, LaTeX
Dokumente, online Hausübungen, Tests, usw.
•Werkzeuge zur Kombination von Lernbausteinen zu
Lerneinheiten
•Lerneinheiten sind wiederum ihrerseits Lernbausteine
Dokumente: Handler
•Alle Lernbausteine sind durch systemweite serverunabhängige
URL-Pfade zugänglich
•Versionskontrolle
•Alle Bausteine können zwischen Serverplatte und Browser “onthe-fly” durch Dokumentgeneratoren (“Handler”) bearbeitet
werden
•Der Benutzer fordert einen Baustein an, das Softwaresystem
findet die benötigte Kette von Handlern, verarbeitet das
Dokument, und schickt das Präsentationsdokument ausgewertet
und im richtigen Ausgabeformat zum Browser.
•Kette von Handlern kann sich über mehrere Transaktionen
erstrecken. Beispiel: Benutzer fordert eine URL an, aber muß sich
zuerst einloggen und dann den Kurs auswählen.
•Alle Handler haben Zugriff auf die Sitzungsumgebung
Dokumentengesteuerte
Verarbeitung
•Beispiel: Benutzer fordert sample.xml an
my.style
Definiert Tags für
Ausgabeformat
sample.xml
Benutzt my.style
startet
XML Handler
Benutzer
läd
Präferenzen, SitzungsStatus umgebung
Dokumente:
XML/MathML/HTML
•Der XML handler ermöglicht die Umsetzung von XML
und HTML in die Ausgabeformate XML, HTML,
MathML, and LaTeX (zur Erstellung von PDF)
• Mathematische Darstellungen: LaTeX kann in XML und
HTML zwischen <m> und </m> Tags eingesetzt werden.
<h1>Identity</h1><img src=“circle.gif” align=“right”>
The <i>identity</i> <m>$\sin^2(\omega t)+
\cos^2(\omega t)=1$</m> allows us to…
•Mathematische Ausdrücke werden in HTML mit dem
symbolischen Zeichensatz für “normale” Browser
dargestellt, in MathML für MathML-fähige Browser
(tth/ttm), sowie in LaTeX belassen für die Ausgabe nach
PDF (dvipdf)
Dokumente:
Lernerfolgskontrolle
•Individualisierte Probleme: Verschiedene Zahlenwerte,
Abbildungen, Auswahlen
•“Individualisiert” nach Kurs/Vorlesung, Benutzer und
“Instance” (mehrmalige Einbindung des gleichen
Problems).
•Probleme sind als XML Dokumente abgelegt
•Werden mit webgestützten Editor erstellt und bearbeitet
•Programsegmente können in Probleme eingebaut werden
(Perl)
•Die meisten Problemtypen benötigen keine
Programmierkenntnisse zur Erstellung.
Dokumente:
Aufgaben/Probleme
•“Klassische” online Problemarten: Mehrfachauswahl (1
aus N; n aus N), Wortantworten, Zuordnung (N auf M),
Rankordnung, Imagemaps
•Zusätzlich Naturwissenschaften/Mathe: numerisch,
mehrkomponenten-numerisch, physikalische Einheiten,
Formelausdrücke, individualisierte Simulationen
•Kombination dieser Typen mit gegenseitiger
Abhängigkeit
•“Folgefragen”
•Unmittelbare antwortspezifische Rückmeldung
•Mehrere Anläufe/Versuche möglich
•Nicht automatisch ausgewertet: Essays
Dokumente: Beispiel
Problem
•Beispiel: Individualisierter Graph, numerische
Antwort
Documente: Probleme
•Beispiel:
Individualisierte
Bezeichnungen,
Antworten und
Antwortoptionen
Dokumente: Probleme
•Beispiel: Mehrkomponenten numerische Antwort,
individualisierte Simulation
Benutzer und Kurse
•Benutzern werden Kurse zugeordnet, nicht
umgekehrt
•Benutzer behalten ihren Benutzernamen,
Präferenzen, Leistungsdaten, etc,
semesterübergreifend
•Benutzer bekommen (zeitbegrenzte) Rollen
•Jeder Kurs in jedem Semester hat eigene interne
Identifikationsnummer, Daten bleiben erhalten
•Kein “Semesterübergang”
Rechtevergabe
•LON-CAPA hat eine Reihen von Rollen, die
Benutzern zugeteilt werden können
•Rollen können Anfangs- und Endzeitpunkte haben
•Jede Rolle hat bestimmte Kombination von
Rechten
Netzwerk Architektur:
Verteilung
•Das
LearningOnline
Network with
CAPA ist ein
ständig
verbundenes
Netzwerk
geografisch
verteilter Server
Netzwerk Architektur:
“Domains”
•Das Netzwerk ist logisch in “Domains”
aufgeteilt, z.B., “MSU”, “FSU” oder “Verlag X”
•Domains limitieren den Fluß von persönlicher
Benutzerinformation
•Domains können Grenzen für
Dokumentennutzungsrechte setzen
•Domains limitieren Benutzerrechte
•Dennoch: jeder Server im Netzwerk kann
Sitzungen für jeden Benutzer unterstützen
Netwerk Architektur:
Lastverteilung
•Server können abhängig von der eigenen
Rechenlast Sitzungen auf andere weniger
belastetete Server abschieben
•Zusätzliches “round robbin IP scheme” möglich
•MSU:
msu.lon-capa.org
Round Robbin
s1
s4
s2
Spares
Library Server
s3
Netzwerk Architektur:
Server Typen
•Zwei Serverklassen: Access
Servers and Library Servers
•Access Server: für
Benutzersitzungen
•Library Servers: jeder Benutzer
hat einen “Home Server” im
Netzwerk, auf dem alle
persönlichen Daten gespeichert
werden. Autoren zusätzlich:
Originalkopien aller ihrer
Lernbausteine
Netzwerk Architektur:
Dynamische Replikation
•Wenn ein lokal nicht vorhandenes Dokument das erste
Mal auf einem Server angefordert wird, findet das
System die Originalkopie im Netzwerk (Home Server
des Autors), kopiert sie im Hintergrund zwischen den
Servern, und hinterläßt ein “Abonement”
•Wenn die Originalkopie modifiziert wird, werden alle
Server mit Kopien benachrichtigt
•Abhängig vom letzten Zugriffsdatum auf die lokale
Kopie wird diese entweder gelöscht und “abbestellt”,
oder die neue Version hinüberkopiert.
•Feststellung einer Modifikation durch
“Veröffentlichung” einer neuen Version
Netzwerk:
Veröffentlichung
•Autoren haben einen privaten “Construction Space” zum
Editieren ihrer Dokumente
•Autoren veröffentlichen die Dokumente in das
Bibliothekssystem (“Resource Space”)
•Mehrere Schritte: Űberprüfen des Dokumentes,
Bestimmung aller Eingabeparameter und Ausgaben,
Katalogisierung (Metadatenerfassung), Erzeugen einer
neuen Version, Benachrichtigung der “Abonenten”
Construction Space
Publication Step
Metadata
Resource Space
Die Software:
Bibliothekssystem
•Alle Lehrbausteine werden in einem allen
Lehrenden zugänglichen Bibliothekssystem ablegt
•LON-CAPA stellt ein browsergestütztes
Werkzeug, das “Resource Assembly Tool” (RAT),
bereit, um diese Bausteine auf verschiedenen
Granularitätsniveaus zu “Kurspaketen”
zusammenzusetzen
•Wir arbeiten an der automatischer Verwaltung
von Autorenrechten, möglichen Zahlungsmechanismen, usw.
Kurszusammenstellung
•Seiten können aus
Fragmenten und anderen
Seiten erstellt werden
•Seitenfolgen können aus
Fragmenten, Seiten und
anderen Seitenfolgen erstellt
werden
•Kurse zeigen auf
Seitenfolgen als “Kurspaket”
•So zusammengestellte
Seiten und Seitenfolgen sind
wiederum selbst Bausteine
RAT: Adaptivität
•Grafisches Resource Assembly Tool (RAT) um Seiten und Seitenfolgen
zu konstruieren
•Erlaubt Verzweigung der Pfade
abhängig von
Benutzerleistung,
-wahl oder -präferenzen
•Bedingssprache
an Verzweigungen
noch in der
Entwicklung
Programmierumgebung
•LON-CAPA läuft auf Linux (RedHat)
•Apache Webserver Software
•mod_perl für serverseitige Handler
•JavaScript for benutzerseitige
Funktionalität
•MySQL als Datenbank für Metadatensuche
(nur Cache)
•MuPAD für symbolische Algebra (geplant)
The Projekt
•“Investigation of a Model for Online Resource
Creation and Sharing in Educational Settings”
•Benutzt LON-CAPA als Modelsystem
•Fünf Jahre langes Projekt gefördert von der
amerikanischen National Science Foundation
(Information Technology Research Program)
Das Projekt:
Forschungsziele
•Open source Code-Entwicklungsprinzip für
Lehr- und Lernsysteme
•Gemeinsame Benutzung von online
Lehrmaterialen zwischen Fachbereichen,
Colleges, Universitäten und Schulen
•“Geschäftsmodel” für den Handel mit online
Lehrmaterialien
•Qualitätsmerkmale für Lehrmaterialien
•Anpassung der Kurspakete an Lernstile und Vorkenntnisse
Das Projekt:
Pilotbenutzer, Gremien
•Pilotbenutzer: 6 High Schools, 2 Community
Colleges, 1 Four-Year College, 12 Universitäten
•“Business advisory board”: McGraw-Hill,
Saunders, Wiley, Freeman/Worth, Dell, RedHat,
Apex Learning, Universitätsvertreter
•Vier High School Lehrer in Research
Experience for Teachers (RET) supplement
Das Projekt: National
SMETE Digital
Library
•Supplement zur Integration von LON-CAPA
und der NSF National SMETE Digital Library
•NSDL als LON-CAPA “domain” eingebunden
•LON-CAPA Büchereisystem als NSDL
“federated library”
•LON-CAPA kann als Lehr- und Lernsystem
für NSDL Dokumente verwendet
werden.
Das Projekt: Status
•Start: 2000
•Pilot User Meeting an MSU mit 50 Teilnehmern von anderen
Universitäten, nächstes Treffen: Florida State University
•Programmer Workshop an MSU im Sommer
•Zwei “Virtual University” Physik Vorlesungen, eine
Physikvorlesung mit online Hausübungen, ein Praktikum (Vortest)
at MSU (400 Studenten)
•Chemievorlesung an Simon Fraser University (Vancouver),
Physik Truckee Meadows Community College (Reno).
•Drei High School Klassen
•Mehrere Testinstallationen
•Volle Produktion, Umstellung aller Klassen aus
Vorgängersystem voraussichtlich Herbst 2002.
On the web ...
www.lon-capa.org
[email protected]
Implementation Details
Resources: LaTeX
•LaTeX files can be directly put onto the file system, and
will be automatically handled as if they had
one large
<m>…</m>
around them
Resources: Metadata
•Metadata is collected for every resource at
publication time
•Publication
handler
identifies
possible
keywords,
gets default
data
Data Structure:
Privileges
•Each role has a set of privileges
•Privileges on
system, domain,
and course level
•Allows for
coursecoordinator
defined custom
roles
Data Structure:
Courses
•Internally, courses are handled like users
without login privileges
•Each course has a unique ID, no semester
transition
•Course points to its top-level resource map
•Deadlines, spreadsheets, etc, can be associated
with the course
•Sections are part of course
•Homework and quiz performance data is
associated with user by course
Granularity
•LON-CAPA RAT allows to dynamically
combine content resources at several levels
of granularity by reference
•Lowest level: fragments. One GIF, one
paragraph of text, one applet, one problem
•Next level: Pages
•Next level: Sequences of pages
•Top-level: Maps for Courses (sequences)
Data Structure:
Authentication
•Course lists in CSV, tab-separated, and space separated
format can be uploaded (planned: XML)
•It is checked if the user already exists; if not, new user
is established on one of the library servers of the domain
•Role of student in that course is added
•Users are authenticated by their home server.
Authentication can currently be internal, UNIX, or
Kerberos. Authentication modular, other modes can be
added
•All authentication information is 56-bit (DES)
encrypted between client and server, and 128-bit
(IDEA) between servers. No certificates necessary.
Data Structure:
Resource parameters
•Deadlines, open dates, publish-answer dates, maximum number of
attempts, weight of problem parts, etc, can be independently set for
courses, sections and individual students
•Can cover all
resources, one
map, or only
one resource
•Resources
publish their
parameters in
metadata, no
predefined set
of parameters
Data Structure:
Locking, Offline
•To use LON-CAPA for exams, locking
mechanisms will be established: access to
resources, all communication can be locked
(planned, infrastructure in place)
•Role of Exam Proctor in system
•To facilitate paper based exams in offline mode,
individualized exam sheets can be printed and
“checked out” – bar code on top of page to
“check in” grades for that exam (planned,
infrastructure in place)
Data Structure:
Assessment data
•Only raw data is stored
•All attempts are stored
•Data is stored in non-randomized form to allow for item
analysis
•LON-CAPA provides
spreadsheet functionality
with sheets at
assessment, user, and
course level (exporting
into each other) to
calculate grades and
statistics