Hochgradig interaktive Lernanwendungen

Das Explorationen-Projekt befasste sich mit einer neuen Form von interaktiven Lehrmaterialien, die es den Studierenden ermöglichen eigene Konstruktionen zu erstellen, um diese dann von der Lernanwendung simulieren bzw. auswerten zu lassen. Je nach zu behandelnder Problemstellung visualisiert die Lernanwendung die Berechnungsergebnisse als Graphen, Animationen oder zeigt analytische Berechnungswege auf. Zweck der Anwendungen ist, den Lernenden weitere Erkenntnisse über die durch ihre Konstruktion dargestellte Fragestellung und somit über das behandelte Themengebiet zu vermitteln.

Explorationen erlauben die Erstellung von eigenen Konstruktionen auf dem Bildschirm, deren mathematische Beschreibung und Berechnung von dem Programm durchgeführt wird. Diese Fähigkeit ist neu in Lernanwendungen und wurde erstmalig umgesetzt. Je nach zu behandelnder Problemstellung visualisiert die Lernanwendung die Berechnungsergebnisse in Form von Graphen oder Animationen und zeigt analytische Berechnungswege auf. Den Lernenden präsentiert sich ein sinnlich wahrnehmbares Handlungsfeld, das neben der freien Konstruktion zusätzliche, fachlich bedingte Rückmeldungen gibt. Es findet jedoch keine Festlegung einer bestimmten Vorgehensweise oder eines vorgezeichneten Lernweges statt, wodurch die Nutzung in verschiedenen Einsatzkontexten gewährleistet bleibt.

In Kooperation mit dem Laboratorium für Technische Mechanik der Universität Paderborn wurde eine Explorationen-Reihe zu Themen aus den Gebieten Statik, Festigkeitslehre und Dynamik entwickelt. Ein Beispiel aus der Dynamik ist in der Abbildung mit der Exploration Pipe dargestellt. In Pipe wird die geführte Bewegung von Massen in reibungsbehafteten Röhrensystemen behandelt. In der Exploration Swingx können Studierende Feder-Masse-Dämpfer-Systeme selbst konstruieren und die Zusammenhänge sowohl als Bewegungsabläufe durch Simulation und direkte Animation in der Konstruktionsskizze als auch auf der Ebene der analytischen Beschreibung des Systems erforschen. Die Abbildung zeigt die von der Exploration erstellte Herleitung der aus dem Konstruktionsplan gewonnenen Bewegungsgleichung.

Die hier gezeigte gekoppelte Präsentation verschiedener Darstellungsweisen eines Sachverhaltes im Wahrnehmungsfeld des Benutzers wird von uns als Mehrebenenrepräsentanz bezeichnet. Die Mehrebenenrepräsentanz, in Kombination mit der Möglichkeit, Veränderungen an der Anordnung der Bauelemente und ihrer Verknüpfung zueinander vorzunehmen, soll helfen, die im System herrschenden Zusammenhänge zu verdeutlichen. Aufgabe der Exploration ist es, sowohl die numerischen und die analytischen Modelle der Konstruktionen automatisiert aufzustellen als auch die verschiedenen Formen der Visualisierung zueinander synchron zu halten.