Neuer Typ von E-Learning auf Basis eines wissensbasierten Simulators

Es soll eine webbasierte Informationsplattform zur Verfügung gestellt werden, die es ermöglicht, interaktive Wenn-Dann-Simulationen gedachter und realer Prozesse durchzuführen. Über das Internet ist das zugrundeliegende Wissen prinzipiell jedem zugänglich, kann beliebig modifiziert, erweitert und kommentiert werden. Aufgrund einer neuartigen theoretischen Basis für die Wissensrepräsentation ist das Wissen zudem in separaten Modulen organisiert und frei miteinander kombinierbar. Als Beispiel wird eine Anwendung im Rahmen einer neuartigen Form interaktiven E-Learnings vorgestellt. Die Technologie ist aber aufgrund ihres generischen Charakters auch direkt nutzbar für andere Anwendungen wie der Unterstützung von Planungsprozessen, der Überwachung von kritischen Parametern komplexer Abläufe, sowie z.B. als Basis für anspruchsvolle Diagnose- und Therapiemodelle in der Medizin. Aufgrund der konsequenten Nutzung von Opensource-Software wie auch von Opensource-Entwicklungsmethoden ist diese Wissensplattform allen interessierten Schulen, Hochschulen, öffentlichen Einrichtungen, Wirtschaftsunternehmen sowie jedem/r BürgerIn frei zugänglich. Aufgrund dieser Offenheit besteht zumindest die Möglichkeit, dass sich --analog vielen der mittlerweile mehr als 50.000 internationalen Opensource-Projekten-- auch dieses Projekt möglicherweise als neuer weltweiter Standard etabliert.

Ziele des Projektes; innovativer Charakter

Das Projekt verfolgt ein allgemeines Forschungsziel und ein spezielles Anwendungsziel. Das allgemeines Forschungsziel besteht darin, diverse Grundlagenarbeiten aus den letzten 8 Jahren aus dem Institut für Neue Medien sowie der beteiligten Professoren im Projekt eines generischen wissensbasierten Simulators zusammenzuführen und für die Allgemeinheit in neuer Weise nutzbar zu machen. Das spezielle Anwendungsziel nimmt die Situation der Wissensvermittlung an der Fachhochschule Frankfurt --prototypisch für Situationen in den meisten Schulen und Hochschulen-- zum Anlass, um zu zeigen, wie man diese neuartige Wissenstechnologie nutzen kann, um die Vermittlung von komplexen Modellen zur Wirklichkeitserklärung im Rahmen von Gruppen --interaktiv und experimentell, auch über das Internet-- mit neuer Qualität zu ermöglichen. Aufgrund der konsequent genutzten Opensource-Software und -Methodologie können sich auch schon während der Projektlaufzeit andere Wissenschaftler oder sonstige interessierte Personen an dem Projekt beteiligen.

Das Projekt ist so angelegt, dass es --die entsprechenden Betriebsmittel vorausgesetzt-- 'rund um die Uhr' 24 Stunden weltweit über das Internet für jeden Interessierten zugänglich ist Die Nutzung der neuen computergestützten Wissenstechnologie für andere Anwendungsszenarien über das E-Learning hinaus ist im Projekt nur durch das vereinbarte Projektziel eingeschränkt. Die zugrundeliegende Technologie erlaubt nahezu beliebig viele weitere Anwendungsszenarien. Um die Besonderheit des vorliegenden Projektes zu würdigen, muss man zwei Kontexte berücksichtigen:
(i) den theoretischen Kontext im Bereich computergestützter Wissenstechnologien und
(ii) den Kontext der praktischen Nutzung von Wissenstechnologie.
Der theoretische Kontext unter der Überschrift 'Wissensrepräsentation' und 'Expertensysteme' ist sehr umfangreich. Man kann aber ganz allgemein feststellen, dass es nach Wissen der Autoren bis heute keine computergestützten Systeme zur Unterstützung von Wissensprozessen gibt, die als elementare Bausteine komplette Theorien in Form von Systemen benutzen und deren 'interner Mechanismus' der Wissensverarbeitung aus elementaren Operationen mit solchen Systemen besteht. Hier eröffnet sich ein Nutzungspotential, das theoretisch von der Mathematik, theoretischen Physik, Systemtheorie und Wissenschaftstheorie der zweiten Hälfte des 20.Jahrhunderts vorbereitet worden ist. Allerdings wurde die praktische Nutzung dieser theoretischen Grundlagen bislang nur in allerersten Ansätzen geleistet. Der Kontext der praktischen Nutzung ist gegeben durch Themen wie computergestütztes Wissensmanagement, computergestütztes wissensbasiertes Lernen, computergestützte modellbasierte Diagnose/Kontrolle und Therapie/ Entscheidungsunterstützung. Zu all diesen Themen gibt es Verfahren, aber keines von diesen benutzt in vollem Sinne die zuvor erwähnten theoretischen Konzepte. Das Projekt soll dazu dienen, dieses Desiderat zu beheben und unter Rückgriff auf die verfügbaren theoretischen Grundlagen einen neuen praktischen Nutzen zu generieren. Das Projekt beabsichtigt, anhand von ausgewählten Beispielen aus den Bereichen Betriebswirtschaft, Volkswirtschaft, Regionalplanung sowie Pflegemanagement zu zeigen, wie sich die Erarbeitung von geeigneten theoretischen Modellen sowie deren interaktive Erprobung nutzbringend in die Lehre integrieren lässt.

Stand von Wissenschaft und Technik; bisherige Arbeiten

Grenzt man die Frage nach dem Stand von Wissenschaft und Technik auf das im Projekt angezielte Anwendungsbeispiel E-Learning ein, so kann man vor dem Hintergrund aktueller E-Learning-Plattformen feststellen, dass der Schwerpunkt des Projektes sich von den aktuellen Technologien und Strategien deutlich abhebt, bei Übereinstimmung in den Zielen. Während der Schwerpunkt der bisherigen E-Learning-Technologien auf der Bereitstellung von 'Wissensoberflächen' (Texte, Bilder, Klänge, Videos...) im Rahmen von tutoriellen Systemen liegt, zusätzlich unterstützt durch Kommunikationsmechanismen, Gruppenarbeit, Projektarbeit, liegt der Schwerpunkt des angezielten Projektes auf dem Prozess der Erzeugung von jenen impliziten Wissensstrukturen, die 'hinter' der Oberfläche von Texten und Bildern deren Bedeutung sie aber auch umschreiben, wenn er meint, er hätte eine bessere Lösung, er kann vorhandene Modelle zu größeren Modellen zusammensetzen lassen, er kann eine spezielle Simulation konfigurieren, kann Simulationen alleine oder in Gruppen ablaufen lassen, hat Kommunikationswerkzeuge (speziell auch für Fehlermeldungen) und er kann sich für ein Tutorium anmelden. Den Client, der über HTTP mit einem Controller kommuniziert. Der Client kann ein normaler menschlicher Benutzer sein oder eine automatische Sensor-Aktor-Einheit, die Daten sammelt bzw. Steuersignale umsetzt. Model, View und Simulator sind drei verschiedene Ausprägungen von Modellen. Der Simulator bildet den Kern des aktuellen Prozesses; im Model sind alle Benutzerfunktionalitäten zusammengefasst; im View wird das Erscheinungsbild verwaltet. Data repräsentiert alle Formen von Datenhaltung; in zukünftigen Anwendungen sicher größere Datenbanken, im Projektkontext textbasierte Datenstruktur. Dies empfiehlt sich, da die Repräsentation von Systemen ('logisches Modell, L-Modell' genannt) in Form von XML- formatigen Texten vorgenommen wird, die einer einfachen Syntax (abgelegt in DDT-Dateien) genügen. Der Simulator liest solche XML-Dateien als Input; ebenso kommuniziert der Controller mit dem Simulator mittels XML-formatigen Botschaften. Aufgrund der internen Struktur der Modelle und der XML-Darstellung ist der Simulator von vornherein auf verteilte Verarbeitung im Rahmen von Linux-Clustern ausgelegt. Für die Implementierung der Software im MVC-Design soll auf die Opensource-Software Tomcat sowie Struts zurückgegriffen werden. Tomcat ist eine standardisierte Ablaufumgebung für Java-Server-Pages (JSPs) sowie Servlets (siehe: http://jakarta.apache.org/tomcat/index.html). Struts ist ein allgemeines Framework speziell zur Unterstützung des MVC- Designs (siehe: http://jakarta.apache.org/struts/index.html). Diese Software wird integriert sein in eine offene Webplattform zur verteilten Entwicklung.

Die Plattform wird folgende Dienste anbieten:
Hauptmenü konstituieren.
Die implizite Bedeutung von Wirklichkeit wird in Form von Modellen der Wirklichkeit sowie im Ausprobieren (Testen) dieser Modelle anhand verfügbarer Daten erarbeitet. Auch diese Aktivitüten sind eingebettet in kommunikative Prozesse, Gruppen- und Projektarbeit, tutorielle Systeme. Doch der Schwerpunkt auf der Erzeugung von Wissen in Form von Modellen/ Systemen/ Theorien verschiebt den Schwerpunkt des Lernens weg vom Rezipieren und Anwenden vorgefertigten Wissens auf den experimentellen Umgang mit eigenständig nacherfundener Wirklichkeit. Die theoretischen Voraussetzungen für solch einen Ansatz liegen in der Entkoppelung von Struktur und Inhalt, wie sie durch die moderne Mathematik als Strukturwissenschaft und die darauf aufbauenden Naturwissenschaften möglich geworden ist. Mit der Einführung des Konzepts der Berechenbarkeit und dessen technischer Realisierung in Form von Computern wurde es zudem möglich, das Konzept der Strukturwissenschaft in immer mehr angewandte alltagsnahe Bereiche hineinzutragen, auch in die Bereiche psychologischer und soziologischer Prozesse, bis hin zur Modellierung von menschlicher Erfahrung und menschlichem Wissen. Aufbauend auf Arbeiten u.a. aus den Gebieten dynamische Modellierung ('Dynamic Modelling, z.B. [Forrester 1971], [Meadows 1972], [Klir 1991], [Hannon 2001]), strukturalistische Theoriekonzepte ([Bourbaki 1970], [Sneed 1971/1979], [Ludwig 1978], [Balzer et al. 1987]) und modellbasierte Diagnostik ('Model-Based Diagnosis', [Bareiss 1989], [Hamscher et al. 1992], [Kolodner 1993], [Nejdl et al. 1997], [Schroeder 1998]) wurde unter Rückgriff auf die Möglichkeiten der Informatik ein Repräsentationskonzept entwickelt, das es erlaubt, große Teile der Wirklichkeitserfahrung sowie viele Wissensformen in Gestalt von Theorienetzen darzustellen. Theorien gefasst als Systeme lassen sich hierbei sowohl 'horizontal' wie auch 'vertikal' beliebig zu multimodalen und multidimensionalen Strukturen verknüpfen. Fachspezifische Abgrenzungen werden in dieser Darstellungsweise hinfällig; neuronale Strukturen, chemische Prozesse, psychologische Zustände wie physikalische Prozesse lassen sich gleicherweise in diesem Repräsentationsmedium darstellen; desgleichen betriebswirtschaftliche oder volkswirtschaftliche Sachverhalte, um nur einige potentielle Bereiche zu nennen.Die zugehörige Repräsentationssprache lehnt sich --analog der mengentheoretischen Sprache und dem objektorientierten Paradigma-- eng an die alltägliche Erfahrungsstruktur an und benötigt nur drei Grundbegriffe, um damit beliebig komplexe Strukturen beschreiben zu können. Dadurch ist es im Prinzip auch einem Nichtexperten möglich, sein Wissen mit Hilfe einer grafischen Oberfläche in ablauffähige Modelle zu übersetzen.

Lernen für Nichtexperten geschieht anhand intuitiver Beispiele in Form der Nachahmung und der Analogiebildung; eine mehr abstrakte, theoretische Darstellung für den Experten ist natürlich auch verfügbar. Direktes Ausprobieren (Testen) mit unmittelbarer Rückmeldung (Feedback) ermöglicht ein schnelles Kennenlernen der impliziten Eigenschaften der Repräsentationssprache und der darin formulierten Modelleigenschaften. Die drei Antragsteller bringen unterschiedliche Expertise in dieses Projekt mit ein.
- Döben-Henisch beschäftigt sich seit über 20 Jahren mit Fragen des Wissens, der Analyse und Repräsentation von Wissen samt deren Darstellbarkeit im Kontext berechenbarer Prozesse. Speziell hat er auch umfangreiche Untersuchungen zur Anwendbarkeit von Strukturkonzepten auf psychologische und biologische Sachverhalte vorgenommen, insbesondere auch zur Formalisierung neurobiologischer Erkenntnisse des menschlichen Gehirns und deren Repräsentation im Rahmen von Algorithmen.
- Schrader hat u.a. die Anwendung von Strukturkonzepten und deren algorithmische Fassung im Kontext von pflegerischem und medizinischem Wissen untersucht und in konkreten Projekten umgesetzt.
- Wagner besitzt eine starke Expertise im Bereich physikalischer Strukturen sowie der Realisierung von Modellen in sicherheitskritischen Kontexten (für Details siehe weiter unten).
Alle drei Antragsteller sind davon überzeugt, dass eine konsequente algorithmische Nutzung von Strukturkonzepten im Kontext der Modellierung von Wissen ein großes Potential besitzt. Die generelle Machbarkeit konnte in verschiedenen Vorstudien erwiesen werden. Im angezielten Projekt geht es darum, die bislang gesammelten Erfahrungen erstmalig in einem größeren Lernzusammenhang einzusetzen, in dem diejenigen, die das dynamische Wissenssystem nutzen, Studenten und Professoren aus anderen Fachgebieten sind, die den theoretischen Hintergrund des Simulators nicht kennen, sondern dieses Medium nutzen wollen, um ihre eigenen Erfahrung ohne spezielle Programmierkenntnisse in ablaufbare und damit erlebbare Modelle zu übersetzen. Aus diesem Grund soll die Auswahl der 'Modellierenden' auch möglichst kurzfristig und ohne spezielle Vorbereitung geschehen; es ist wesentlich für das Projekt, dass die Nutzung dieser neuen Wissenstechnologie ohne Spezialkenntnisse möglich ist.

Die für das Projekt zu verwendende Software hat zwar für den theoretischen Projektinhalt direkt keine Bedeutung, wohl aber für den tatsächliche praktischen Einsatz. Deswegen soll die zur Verwendung kommende Softwaretechnologie hier kurz geschildert werden. Ausgangspunkt ist ein Anwendungsszenario ('Use Case'), in dem der künftige Benutzer in vorhandenen Wissensmodellen detailliert suchen kann. Er kann dann passende Modelle für seine Zwecke benutzen, er kann Sie kommentieren, er kann Neuer Typ von E-LEARNING auf Basis eines wissensbasierten Simulators.

Die Umsetzung dieses Anwendungsszenarios soll im Kontext eines MVC-Designs geschehen (MVC := Model, View, Controller; siehe z.B. http://java.sun.com/blueprints/guidelines/designing_enterprise_applications_2e/web-tier/web-tie r5.html ) geschehen. Für den vorliegenden Fall kann man dazu grob die folgenden Komponenten unterscheiden:
- Synchrone Kommunikation: kollaborative Umgebung zum gemeinsamen Editieren von Texten, Chat, Diskussion
- Versionsverwaltung aller Dateien (basierend auf cvs (siehe z.B.: http://www.loria.fr/~molli/cvs/doc/cvs_toc.html ) Download/ Upload von Dateien
- Bugreport (Basierend auf bugzilla (siehe: http://www.bugzilla.org/)
- Contentmanagement-System für projektbezogene Dokumente
- Projektverwaltung
- Benutzerfunktionen für E-Learning mittels interaktiver Modelle (abhängig vom Projektfortschritt) Ausblick in die Zukunft.

Für die Zeit nach dem Projekt lassen sich mehrere Szenarien denken. Wichtigster Aspekt dürfte wohl der sein, dass aufgrund des Umstandes, dass das Projekt vollständig als Opensource-Projekt konzipiert ist und als wesentlichen Bestandteil eine offene Webplattform mit Entwicklungsumgebung enthält, mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit von einem Fortbestand des Projektes ausgegangen werden kann, auch wenn keine zusätzlichen öffentlichen Gelder investiert werden. Da davon auszugehen ist, dass das INM die Verfügbarkeit der Plattform auch über die Projektlaufzeit hinaus sichern kann, können sowohl die zum Projektabschluss erreichten Leistungen abgerufen als auch Weiterentwicklungen von beliebig Interessierten betrieben werden.