Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Kantwerk, Boris

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Inhaltsangabe:
Die vorliegende Diplomarbeit Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten beschäftigt sich mit der Aufgabe, aus Lernobjekten bestehende Netzwerke zu visualisieren und in ihnen zu navigieren. Hierbei werden aktuelle Ansatze aus der Informationsvisualisierung auf Verwendbarkeit untersucht.
Unter Lernobjekt versteht man in diesem Zusammenhang jedes beliebige Medium im Gesamtzusammenhang des computerunterstutzten Lehrens und Lernens. Diese Lernobjekte sind hierarchisch untergliedert. Relationen dienen dazu, diese miteinander zu verbinden. Die durch die Verbindung entstehenden Lernnetzwerke können groß und komplex sein.
Visualisierung ist aus Sicht des Menschen eine der natürlichsten Möglichkeiten, komplexe Strukturen darzustellen, da unsere hoch entwickelten Fähigkeiten zur zwei- und dreidimensionalen Mustererkennung uns erlauben, Bilddaten schnell und effizient aufzunehmen und zu verarbeiten. Die Informationsvisualisierung stellt Methoden bereit, um netzwerkartig organisierte Daten, wie Lernnetzwerke, grafisch darzustellen. Interaktion ermöglicht ein umfassendes und leistungsfähiges Zusammenspiel zwischen Mensch und Computer. Auf diese Art und Weise können Navigationsmethoden innerhalb der visualisierten Modelle bereitgestellt werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine angemessene Visualisierungstechnik für Lernnetzwerke zu erstellen. Durch die Verwendung von Interaktions- und Navigationstechniken soll dem Benutzer eine geeignete Navigationsmöglichkeit innerhalb der Lernnetzwerke gegeben werden.

Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung1
2.Einordnung der Arbeitsziele4
2.1Hypertext und Hypermedia4
2.1.1Einführung4
2.1.2Gründe für Hypermedia im Lehr-Lern-Kontext5
2.1.3Lernprobleme bei der Nutzung von Hypermedia7
2.2Interaktion8
2.2.1Einführung8
2.2.2Interaktionsaufgaben9
2.2.3Direkte Manipulation10
2.3Metadaten12
2.3.1Einführung12
2.3.2Konzepte für Metadaten im Internet13
2.3.3Dublin Core 15
2.3.4Learning Object Metadata16
2.4Aufbau des hypermedialen Netzwerkes19
2.4.1Einführung20
2.4.2Hierarchiestufen20
2.4.3Relationen21
2.4.4Beispielnetzwerk24
2.5Konkretisierung der Problemstellung25
3.Visualisierung26
3.1Einführung26
3.2Taxonomien in der Informationsvisualisierung28
3.3Fokus + Kontext Techniken30
3.4Visualisierungstechniken31
3.4.1Zweidimensionale Visualisierungstechniken32
3.4.1.1Treemap32
3.4.1.2Hyperbolic […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

ID 6174

Kantwerk, Boris: Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Hamburg: Diplomica GmbH, 2002

Zugl.: Universität Paderborn, Diplomarbeit, 2002

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Diplomica GmbH

http://www.diplom.de, Hamburg 2002

Printed in Germany

Abstract

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit ,,Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von

Lernobjekten" beschäftigt sich mit der Aufgabe, aus Lernobjekten bestehende Netzwerke zu

visualisieren und in ihnen zu navigieren. Hierbei werden aktuelle Ansätze aus der Informati-

onsvisualisierung auf Verwendbarkeit untersucht.

Unter Lernobjekt versteht man in diesem Zusammenhang jedes beliebige Medium im Ge-

samtzusammenhang des computerunterstützten Lehrens und Lernens. Diese Lernobjekte sind

hierarchisch untergliedert. Relationen dienen dazu, diese miteinander zu verbinden. Die durch

die Verbindung entstehenden Lernnetzwerke können groß und komplex sein.

Visualisierung ist aus Sicht des Menschen eine der natürlichsten Möglichkeiten, komplexe

Strukturen darzustellen, da unsere hoch entwickelten Fähigkeiten zur zwei- und dreidimensi-

onalen Mustererkennung uns erlauben, Bilddaten schnell und effizient aufzunehmen und zu

verarbeiten. Die Informationsvisualisierung stellt Methoden bereit, um netzwerkartig organi-

sierte Daten, wie Lernnetzwerke, grafisch darzustellen. Interaktion ermöglicht ein umfassen-

des und leistungsfähiges Zusammenspiel zwischen Mensch und Computer. Auf diese Art und

Weise können Navigationsmethoden innerhalb der visualisierten Modelle bereitgestellt wer-

den.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine angemessene Visualisierungstechnik für Lernnetzwerke zu

erstellen. Durch die Verwendung von Interaktions- und Navigationstechniken soll dem Be-

nutzer eine geeignete Navigationsmöglichkeit innerhalb der Lernnetzwerke gegeben werden.

Stichwörter: Hypermedia, Visualisierung, Informationsvisualisierung, Interaktion, Hyper-

bolic Browser, Hypertree, Fokus + Kontext, Learning Object Metadata, LOM, OR-World,

Java.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite II

Abstract

Abstract

This diploma thesis which is entitled "Interactive visualization of networks by example of

learning networks" aims to identify suitable state of the art visualization and navigation tech-

niques for special networks which consist of learning objects.

A learning object is any media in a computer based learning environment. Learning objects

may be associated with each other and therefore build networks which can be of arbitrary size

and complexity.

Due to human's exceptional talent to efficiently process two- and three-dimensional patterns,

graphic is the most natural way to recognize complex structures. Information visualisation

theory proposes methods for visualizing structured data. Navigation and visualization allows a

comprehensive and powerful communication between computers and humans.

In the first part of this thesis requirements for an adequate representation of learning objects

are given. After that, several visualization approaches are explained and compared. Finally,

the most effective method amongst them becomes identified and implemented.

Keywords: Hypermedia, Visualization, Information visualization, Interaction, Hyperbolic

Browser, Hypertree, Focus + Context, Learning Object Metadata, LOM, OR-World, Java.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite III

Inhalt

Inhalt

Einleitung ... 1

Einordnung der Arbeitsziele ... 4

2.1

Hypertext und Hypermedia ... 4

2.1.1

Einführung... 4

2.1.2

Gründe für Hypermedia im Lehr-Lern-Kontext ... 5

2.1.3

Lernprobleme bei der Nutzung von Hypermedia ... 7

2.2 Interaktion ... 8

2.2.1

Einführung... 8

2.2.2

Interaktionsaufgaben... 9

2.2.3

Direkte Manipulation ... 10

2.3 Metadaten ... 12

2.3.1

Einführung... 12

2.3.2

Konzepte für Metadaten im Internet... 13

2.3.3

Dublin Core... 15

2.3.4

Learning Object Metadata ... 16

2.4

Aufbau des hypermedialen Netzwerkes... 19

2.4.1

Einführung... 19

2.4.2

Hierarchiestufen... 19

2.4.3

Relationen... 20

2.4.4

Beispielnetzwerk... 23

2.5

Konkretisierung der Problemstellung... 24

Visualisierung ... 25

3.1 Einführung... 25

3.2

Taxonomien in der Informationsvisualisierung ... 27

3.3

Fokus + Kontext Techniken ... 29

3.4 Visualisierungstechniken ... 30

3.4.1

Zweidimensionale Visualisierungstechniken... 31

3.4.1.1 Treemap... 31

3.4.1.2 Hyperbolic

Browser ... 34

3.4.1.3 Cheops-Hierarchie... 38

3.4.2

Dreidimensionale Visualisierungstechniken ... 42

3.4.2.1 Cone & Cam Tree ... 42

3.4.2.2 Dreidimensionale Hyperbolische Graphen (H3)... 44

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite V

Inhalt

3.4.2.3 Selbstorganisierende

Graphen... 47

3.5 Zusammenfassung... 49

Konzeption der Anwendung... 50

4.1 Informationsstruktur

Lernnetzwerken... 50

4.2

Bewertung der Visualisierungstechniken in Bezug auf Lernnetzwerke ... 52

4.2.1

Bewertungskriterien ... 52

4.2.1.1 Strukturiertheit ... 53

4.2.1.2 Prägnanz ... 54

4.2.1.3 Lokalität ... 54

4.2.1.4 Auswahlpräsentation ... 54

4.2.2

Beispielnetzwerke ... 54

4.2.3

Anwendung der vorgestellten Visualisierungstechniken... 57

4.2.3.1 Treemap... 58

4.2.3.2 Hyperbolic

Browser ... 60

4.2.3.3 Cheops-Hierarchie... 60

4.2.3.4 Cone

Tree ... 61

4.2.3.5 H3 ... 63

4.2.3.6 Selbstorganisierende

Graphen... 64

4.2.4

Zusammenfassung und Bewertung ... 66

4.3 Gegebene

Systemumgebung ... 70

4.3.1

Systemüberblick OR-World ... 70

4.3.2

DBLom Editor ... 71

4.3.3

OR-World Portal ... 72

4.4 Entwurfsprinzipien

interaktiver

Benutzungsschnittstellen... 74

4.4.1

Aufgabenangemessenheit ... 75

4.4.2

Selbstbeschreibungsfähigkeit ... 75

4.4.3

Steuerbarkeit ... 76

4.4.4

Erwartungskonformität ... 76

4.4.5

Fehlerrobustheit ... 77

4.4.6

Adaptivität ... 78

4.4.7

Erlernbarkeit ... 78

4.5

Anforderungen an die Software ... 79

Implementierung der Anwendung... 81

5.1

Konzepte der Entwicklungsumgebung... 81

5.1.1

Java Entwicklungsumgebung ... 81

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite VI

Inhalt

5.1.2

Konfigurierbarkeit... 83

5.1.3

Internationalisierung... 84

5.2 Paketstruktur... 87

5.3 Hypertree

Komponente ... 87

5.3.1

Hypertree Java Bibliothek... 88

5.3.2

Aufbau und Implementierung der Hypertree Java Bibliothek ... 89

5.3.3

Erweiterung der Hypertree Java Bibliothek ... 90

5.4 Datenbank... 92

5.4.1

Implementierung einer Datenbankschnittstelle... 92

5.4.2

Änderung des Datenbankmodells... 93

5.4.3

Klassenstruktur des hypermedialen Netzwerkes ... 95

5.5 Grafische

Benutzeroberfläche ... 98

5.5.1

Menü und Color Panel ... 98

5.5.2

Hypertree Panel ... 100

5.5.3

Kontextmenü... 101

5.5.4

Weitere Klassen... 103

Zusammenfassung, Bewertung und Ausblick ... 105

Literaturverzeichnis... 108

Anhang A

Herstellerverzeichnis... 116

Anhang B

Klassendiagramme in UML ... 117

Anhang C

LOM Datenbankmodell... 121

Anhang D

Generierte Netzwerke ... 132

Anhang E

Hyperbolische Geometrie ... 134

Anhang F

Inhalt der beiliegenden CD... 138

Anhang G

Bedienungs- und Installationshinweise ... 139

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite VII

Abbildungen

Abbildungen

Abbildung 2-1: Schematische Hypertextstruktur... 4

Abbildung 2-2: MMK-Modell ... 8

Abbildung 2-3: Hierarchische Ansicht eines LOM Elementes... 17

Abbildung 2-4: Netzwerk mit theoretisch möglichen Relationen zwischen Lernobjekten ... 23

Abbildung 3-1: Minard's ,,March of the Napoleon Army" ... 26

Abbildung 3-2: Visualisierung 5-dimensionaler Daten mit VisDB ... 28

Abbildung 3-3: Unverzerrter Graph und Fisheye View... 30

Abbildung 3-4: Beispielhierarchiebaum ... 31

Abbildung 3-5: Venn-Diagramm ... 32

Abbildung 3-6: Treemap ohne innere Knoten (non-nested) ... 32

Abbildung 3-7: Treemap mit inneren Knoten (nested) ... 33

Abbildung 3-8: Treemap der Nutzung des Usenets ... 34

Abbildung 3-9: Circle Limit IV (Heaven and Hell) (M.C. Escher, 1960) ... 35

Abbildung 3-10: Hyperbolic Browser... 36

Abbildung 3-11: Hyperbolic Browser nach Fokusänderung... 37

Abbildung 3-12: Inxight Sitemap mit Star Tree Studio ... 38

Abbildung 3-13: Standardhierarchie ... 39

Abbildung 3-14: Cheops-Hierarchie ... 39

Abbildung 3-15: Cheops Hierarchie mit überlappenden Knoten... 40

Abbildung 3-16: Cheops Anpassung der Darstellung nach Knotenselektion ... 41

Abbildung 3-17: Cheops botanische Klassifikation für Bäume... 42

Abbildung 3-18: Cone Tree vertikale Ausrichtung... 43

Abbildung 3-19: Cone Tree horizontale Ausrichtung (Cam Tree) ... 43

Abbildung 3-20: Cone Tree Schematischer Fokuswechsel... 44

Abbildung 3-21: H3 WWW-Dokumentstrukturgraph ... 45

Abbildung 3-22: Knoten mit 54 Nachkommen als Cone Tree und als H3 ... 46

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite VIII

Abbildungen

Abbildung 3-23: H3 Hemisphäre eines Knotens... 46

Abbildung 3-24: Touchgraph Initiale Darstellung ... 47

Abbildung 3-25: Touchgraph Darstellung nach Änderungen ... 48

Abbildung 4-1: Strukturformen hypermedialer Netzwerke ... 50

Abbildung 4-2: Umwandlung eines DAG zum Baum durch Knotenverdoppelung ... 51

Abbildung 4-3: Erzeugung eines zusammenhängenden Graphen... 52

Abbildung 4-4: Kognitiv schwer zu verarbeitender Graph... 55

Abbildung 4-5: Theoretisch basiertes Beispielnetzwerk für die Bewertung... 56

Abbildung 4-6: Praktisch basiertes Beispielnetzwerk für die Bewertung... 57

Abbildung 4-7: Theoretisch basiertes Beispielnetzwerk als Treemap ... 58

Abbildung 4-8: Praktisch basiertes Beispielnetzwerk als Treemap ... 59

Abbildung 4-9: Beispielnetzwerke als Hyperbolic Browser... 60

Abbildung 4-10: Beispielnetzwerke als Cheops-Hierarchie ... 61

Abbildung 4-11: Theoretisch basiertes Beispielnetzwerk als Cone Tree ... 62

Abbildung 4-12: Praktisch basiertes Beispielnetzwerk als Cone Tree ... 62

Abbildung 4-13: Beispielnetzwerke als H3 ... 63

Abbildung 4-14: Informationsverstopfung beim H3... 64

Abbildung 4-15: Theoretisch basiertes Beispielnetzwerk als selbstorganisierender Graph ... 65

Abbildung 4-16: Praktisch basiertes Beispielnetzwerk als selbstorganisierender Graph ... 65

Abbildung 4-17: Systemüberblick OR-World ... 70

Abbildung 4-18: DBLom Editor ... 71

Abbildung 4-19: OR-World Portal... 73

Abbildung 5-1: Anordnung von Komponenten im BorderLayout... 82

Abbildung 5-2: Paketstruktur der Anwendung ... 87

Abbildung 5-3: Hypertree aus Beispielverzeichnis... 88

Abbildung 5-4: Funktionen der Klasse HtAction ... 92

Abbildung 5-5: Überblick über die grafische Benutzeroberfläche ... 98

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite IX

Abbildungen

Abbildung 5-6: Dynamisch gefülltes Netzwerk-Menü ... 99

Abbildung 5-7: Abhängigkeit zwischen Menü und Forschrittsanzeige ... 99

Abbildung 5-8: Verschiedene Knotenabstände im Hypertree... 100

Abbildung 5-9: Kontextmenü zu aufgeklappten Knoten ... 102

Abbildung 5-10: Kontextmenü auf eingeklappten Knoten ... 102

Abbildung 5-11: Aufruf von Dokumenten aus dem Kontextmenü... 103

Abbildung 7-1: UML-Diagramm Paket com.orworld.dblom ... 117

Abbildung 7-2: UML-Diagramm Paket hypertree ... 118

Abbildung 7-3: UML-Diagramm Paket com.orworld.hypertree ... 119

Abbildung 7-4: UML Diagramm Paket com.orworld.tools ... 120

Abbildung 7-5: UML Diagramm Paket com.orworld.dblom.tools... 120

Abbildung 7-6: LOM Datenbankmodell Grundtabellen ... 121

Abbildung 7-7: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,General" ... 122

Abbildung 7-8: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,Lifecycle"... 123

Abbildung 7-9: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,Meta Metadata"... 124

Abbildung 7-10: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,Technical"... 125

Abbildung 7-11: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,Educational"... 126

Abbildung 7-12: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,Rights" ... 127

Abbildung 7-13: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,Relation" (alt) ... 128

Abbildung 7-14: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,Relation" (neu)... 129

Abbildung 7-15: LOM Datenbankschema Kategorie ,,Annotation"... 129

Abbildung 7-16: LOM Datenbankmodell Kategorie ,,Classification"... 130

Abbildung 7-17: LOM Datenbankmodell Applikationsspezifische Tabellen... 131

Abbildung 7-18: Generiertes Netzwerk mit 9331 Elementen... 132

Abbildung 7-19: Parallele Geraden im hyperbolischen Raum... 135

Abbildung 7-20: Hyperbolisches Dreieck... 135

Abbildung 7-21: Geraden auf der Poincaré-Disc... 136

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite X

Abbildungen

Abbildung 7-22: Kopf eines durch den Flug einer nicht-euklidischen Fliege beunruhigten

Mannes (Max Ernst, 1947)... 137

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite XI

Tabellen

Tabellen

Tabelle 2-1: Vor- und Nachteile direkter Manipulation... 11

Tabelle 2-2: Dublic Core Elemente... 15

Tabelle 2-3: LOM Basiskategorien ... 18

Tabelle 2-4: Hierarchiestufen im hypermedialen Netzwerk ... 20

Tabelle 2-5: Relationen nach Dublin Core... 21

Tabelle 2-6: Mögliche Relationen zwischen Lernobjekten... 22

Tabelle 3-1: Data Type by Task Taxonomy... 27

Tabelle 3-2: Vergleich konventioneller Bäume mit Cheops-Hierarchien... 41

Tabelle 5-1: Aufschlüsselung der Relationen ... 94

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite XII

Abkürzungen

Abkürzungen

ARIADNE

Alliance of Remote Instructional Authoring and Distribution Networks for

Europe

AWT

Abstract Windowing Toolkit

BITs

Basic interaction tasks (grundlegende Interaktionsaufgaben)

CITs

Composite interaction tasks (zusammengesetzte Interaktionsaufgaben)

DAG

Directed acyclic graph (gerichteter azyklischer Graph)

Dublin Core

GUI

Graphical User Interface (grafische Benutzerschnittstelle)

Dreidimensionaler gerichteter Graph im hyperbolischen Raum

HCI

Human-Computer Interaction (Mensch-Machine Interaktion)

HTML

Hypertext Markup Language

IDE

Integrated Development Environment

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IMS

Instructional Management System

JDBC

Java Database Connectivity

JSP

Java Server Pages

LMML

Learning Material Markup Language

Learning Object (Lernobjekt)

LOM

Learning Object Metadata

LTSC

Learning Technology Standards Committee

MMK

Mensch-Maschine Kommunikation

NCSA

National Center for Supercomputing Applications

OCLC

Online Computer Library Center

OR/MS

Operations Research / Management Science

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite XIII

Abkürzungen

PARC

Palo Alto Research Center (Abteilung bei Xerox)

PDF

Portable Document Format

SQL

Structured Query Language (strukturierte Abfragesprache)

TTT

Data Type by Task Taxonomy

UML

Unified Modeling Language

URL

Uniform Resource Locator

VORMS

Virtual OR/MS

VRML

Virtual Reality Modeling Language

WWW

World Wide Web

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite XIV

Kapitel 1: Einleitung

1 Einleitung

In den 90er Jahren haben neue Technologien die Art zu kommunizieren revolutioniert. Heute

haben diese Technologien einen hohen Reifegrad, sowie eine große Akzeptanz in breiten

Schichten der Bevölkerung erreicht. Die neuen Kommunikationsmethoden wie Email, Video

Conferencing oder Chat werden nicht mehr ausschließlich beruflich, sondern auch immer

mehr privat eingesetzt. Diese Entwicklung ist nicht zuletzt auf die rasante Entwicklung des

World Wide Webs (WWW) sowie auf die preiswerte Verfügbarkeit schneller Hardware zu-

rückzuführen.

Die Welt, in der wir leben, wird täglich mit neuen Informationen zu allen denkbaren Themen

und Aufgabenstellungen bereichert. Diese Informationen sind oftmals im Internet zu finden

und dabei für jeden schnell verfügbar. Wir befinden uns im Wandel zur Informationsgesell-

schaft. Das hat auch Auswirkungen auf das Lernen in Schulen und Universitäten. Es entste-

hen immer mehr hypermediale Lernumgebungen, die gefüllt sind mit einer ständig wachsen-

den Anzahl digital verfügbarer Lerninhalte bzw. abstrakter Lernobjekte (LO).

Das laufende EU-Projekt OR-World stellt Rahmenbedingungen für eine hypermediale

Lernumgebung bereit. Das zu erstellende Framework konzentriert sich auf Bereitstellung von

Funktionalitäten, die das Erstellen, Speichern, Abfragen und Benutzen von LO, sowie der

Metadaten dieser LO ermöglichen. Ziel dieses Projektes ist es, Szenarien des aktiven Lernens

wie z. B. Animationen, Übungen oder Case Studies zu demonstrieren und mit beispielhaften

Inhalten aus dem Bereich Operations Research und Management Science (OR/MS) zu füllen.

Hierbei spielt es eine wichtige Rolle, die Wiederverwendbarkeit der LO zu ermöglichen.

Nachfolgeprojekte wie z. B. VORMS (Virtual OR/MS) konzentrieren sich darauf, mit dem

entwickelten Framework LO zu erstellen, einzupflegen und langfristig die Pflege, den

Support und die Verwendung des so entstandenen hypermedialen Lernsystems zu vermarkten

(vgl. [EU 99, VORMS 02]).

Wichtig bezüglich der LO ist hierbei, dass diese verschiedene Granularitäten oder

hierarchische Stufen haben. Das kleinste mögliche LO ist ein Media element und beschreibt

einen Sachverhalt sehr detailliert. Das größte mögliche LO heißt Thematic network und

enthält globalere Informationen. Diese Aufteilung ist mit der Struktur eines Buches

vergleichbar. Es enthält mehrere Kapitel die in Unterkapitel untergliedert sind, die wiederum

mehrere Abschnitte enthalten. Diese bestehen aus diversen Textabsätzen, Abbildungen oder

Tabellen. Durch Verknüpfung und Strukturierung von LO mittels Relationen werden somit

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 1

Kapitel 1: Einleitung

komplexe hierarchisch organisierte Strukturen bzw. hypermediale Netzwerke definiert. Diese

Grundlagen werden im zweiten Kapitel genauer behandelt.

Um in den soeben definierten hypermedialen Netzwerken einem ,,lost in hyperspace" Effekt

vorzubeugen, wird ein Werkzeug benötigt, das in der Lage ist, Lernnetzwerke angemessen

darzustellen. Ziel dieser Arbeit ist es, solch ein Werkzeug zu entwickeln und dem Benutzer

geeignete Navigationsmethoden bereitzustellen.

Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit dem Thema der Visualisierung. Nach einer Einführung

werden diverse effiziente und ergonomische Navigations- und Visualisierungskonzepte vor-

gestellt, die von Forschungsgruppen aus dem Bereich Mensch-Computer-Interaktion entwi-

ckelt worden sind. Diese dienen als Grundlage für die zu erstellende Software. Das Kapitel

schließt mit einer Zusammenfassung der Ansätze und Methoden.

Im vierten Kapitel wird eine Bewertung der vorgestellten Visualisierungstechniken in Bezug

auf Lernnetzwerke durchgeführt. Grundüberlegungen über die Informations- und Datenstruk-

tur von hypermedialen Netzwerken dienen als Basis dieser Bewertung. Nachdem die gegebe-

ne Systemumgebung und einige Entwurfsprinzipien für interaktive Benutzungsschnittstellen

vorgestellt werden, schließt das Kapitel mit der Formulierung der Anforderungen für die zu

erstellenden Software.

Das fünfte Kapitel behandelt ausschließlich die Implementierung der Anforderungen in einer

Software. Eine Hypertree Bibliothek in der Programmiersprache Java dient als Basis dieser

Software und wird nach den zuvor definierten Kriterien und Anforderungen erweitert. Hierfür

wird u. a. eine Datenbankschnittstelle beschrieben, die benötigt wird, um ein hypermediales

Netzwerk einzulesen. Die Java-Applikation ist in der Lage, die komplexen hierarchischen

Strukturen von Lernnetzwerken zu visualisieren und gibt dem Benutzer durch Bereitstellung

von Interaktionsmethoden geeignete Navigationsmöglichkeiten.

Im letzten Kapitel werden die Arbeitsergebnisse zusammengefasst. Die Software wird im

Projektumfeld OR-World eingesetzt. Ein Ausblick dient als Diskussions- oder Arbeitsgrund-

lage für weiterführende Projekte wie z. B. VORMS. Hier werden positive und negative As-

pekte, die während der Entwicklung oder innerhalb der Software aufgetreten sind, aufgegrif-

fen.

Der umfassende Anhang dieser Arbeit richtet sich primär an Entwickler. Ein Herstellerver-

zeichnis gibt einen Überblick über die verwendeten Softwareprodukte, die im Rahmen der

Arbeit eingesetzt wurden. Es sind hier auch alle Klassen- und Datenbankmodelle aufgeführt,

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 2

Kapitel 1: Einleitung

um einen vollständigen Systemüberblick zu geben. Da die Navigation auf hyperbolischer Ge-

ometrie basiert, behandelt ein weiterer Anhang eine kurze Einführung in dieses Thema.

Dieser Arbeit liegt eine CD bei, die neben der Entwicklungsumgebung, alle im Rahmen die-

ser Arbeit verwendeten Grafiken, digital verfügbare Literaturquellen, auch diese schriftliche

Ausarbeitung in mehreren Formaten enthält. Eine detaillierte Auflistung aller Komponenten

der CD befindet sich ebenfalls im Anhang.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 3

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

2 Einordnung

der

Arbeitsziele

Dieses Kapitel gibt einen kurzen Überblick über das behandelte Themenumfeld. Die vermit-

telten Grundlagen werden benötigt, um die Aufgabenstellung im letzten Teil dieses Abschnit-

tes zu konkretisieren.

2.1 Hypertext und Hypermedia

,,Die Grundidee von Hypertext besteht darin, daß informelle

Einheiten, in denen Objekte und Vorgänge des einschlägigen

Weltausschnittes auf textuelle, graphische oder audiovisuelle

Weise dargestellt werden, flexibel über Verknüpfungen mani-

puliert [im Originaltext kursiv] werden können."

[Kuhlen 91, S. 13]

2.1.1 Einführung

Die ersten Hypertextansätze wurden bereits 1945 von V. Bush in seinem Artikel ,,As We May

Think" beschrieben (vgl. [Bush 45]). Hypertext erlaubt eine komplexe Organisation darzustel-

lender Inhalte. Es erweitert herkömmlichen Text, der nur linear durchgegangen werden kann,

um so genannte Links. Diese Links bilden Referenzen zwischen verschiedenen Text-Blöcken

und ermöglichen das Hin- und Herspringen zwischen ihnen. Damit bildet Hypertext die Fä-

higkeit des menschlichen Gehirns nach, Informationen sprunghaft zu verarbeiten. Abbildung

2-1 (Quelle: [Nielsen 90]) zeigt eine schematische Ansicht einer Hypertextstruktur mit sechs

Knoten und neun Links, wobei jeder Knoten ein Dokument symbolisiert.

Abbildung 2-1: Schematische Hypertextstruktur

Hypertext behandelt also, nach traditioneller Definition, Textdokumente. Da aber z. B. Grafi-

ken und Videos im Laufe der Zeit an Bedeutung zunahmen, hat sich bei vielen Autoren die

Verwendung eines neuen Begriffes eingebürgert: Hypermedia. Der Begriff Hypermedia ent-

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 4

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

steht durch die Verknüpfung der Worte ,,Hyper" (Hypertext) und ,,Media" (Multimedia), und

soll den multimedialen Aspekt der Dokumente betonen (vgl. [Nielsen 90, Tergan 97]).

Für Nielsen ist eine Unterscheidung der Begriffe Hypertext und Hypermedia nicht notwendig,

da das Hypertext-Konzept nicht wesentlich erweitert wird. Nielson verwendet sie synonym,

bevorzugt aber Hypertext. Tergan hingegen verwendet den Begriff ,,Hypertext/Hypermedia",

,,um einerseits die grundsätzlich kongruente Form der Informationsrepräsentation [...] her-

vorzuheben sowie andererseits Unterschiede in der Kodierungsform [...] zum Ausdruck zu

bringen" ([Tergan 97, S. 124]). In dieser Arbeit wird einheitlich der Begriff Hypermedia ver-

wendet.

2.1.2 Gründe für Hypermedia im Lehr-Lern-Kontext

Hypermedia-Systeme werden heute in den verschiedensten Bereichen wie Wirtschaft, Wis-

senschaft und Industrie verwendet. In diesem Abschnitt werden Gründe aufgeführt, warum es

Sinn macht, Hypermedia im Lehr-Lern-Kontext zu verwenden.

Eine sehr treffende und kompakte Aussage in diesem Zusammenhang ist: ,,Hypertext scheint

unter der Annahme kognitiv plausibel zu sein, daß Wissen, dessen Erwerb allgemeines Ziel

von Lernen ist, im menschlichen Gehirn in vernetzten topologischen, nicht-linearen Struktu-

ren organisiert sei. Unter dieser Annahme könnte die Wissensaufnahme über eine vergleich-

bare Organisationsform, wie sie durch Hypertext gegeben ist, effizienter sein als eine Auf-

nahme, die den ,Umweg' [im Originaltext doppelte Anführungszeichen] über lineare Präsen-

tationsformen (Vorlesungen, Texte) nimmt" ([Kuhlen 91, S. 182]).

Begründungen für der Einsatz von Hypermedia im Lehr-Lern-Kontext orientieren sich an den

Anforderungen für eine funktionale und lerneffektive Gestaltung von Lernumgebungen. Die

hier wichtigen Komponenten sind: der Gegenstandsbereich (Lerninhalt), die Lerner-

Komponente, die pädagogisch-didaktische Komponente sowie der Technologie-Komponente

(vgl. [Tergan 97]).

Lerninhalte (der Gegenstandbereich) sind meistens sehr komplex, weisen keine klaren Gren-

zen auf, können aus verschiedenen Perspektiven behandelt werden und benötigen integrierte

Darstellungsformen mit z. B. Text, Ton oder Grafik. Außerdem sind sie flexibel in der Rei-

henfolge der Bearbeitung einzelner Bereiche. Hypermedia-Systeme sind geeignet, um solche

,,(un)struktrierte Gegenstandsbereiche abzubilden [...] und ihre kognitive Erschließung aus

unterschiedlichen Perspektiven zu ermöglichen" ([Tergan 97, S. 129]).

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

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Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

Typisch für die Lerner-Komponente ist, dass vorwiegend persönliche Interessen und Ziele

den Lernprozess steuern. Weitere Aspekte betreffen den eigenen Wissens- und Erfahrungs-

stand. Konkrete Anforderungssituationen sind z. B.:

· die Vertiefung und die Auffrischung von Wissen,

· das Lösen konkreter Probleme durch Zugriff auf bestimmte Informationen,

· eine kurze Einführung in neue Themenbereiche,

· die Illustration komplexer Aspekte mit Hilfe von Animation, Simulation und Video,

· das Probieren einer komplexen Tätigkeit an einem Modell.

Es wird von Hypermedia-Systemen erwartet, dass diese besser als die traditionellen Medien

wie z. B. das Buch die oben genannten Zielsetzungen entsprechen. Kognitive und situative

Bedingungen für erfolgreiches Lernen sind: kognitive Plausibilität, kontruktives Lernen, kon-

textgebundenes Lernen, kognitive Flexibilität und koorperatives Lernen.

Der Einsatz von Hypermedia-Lernumgebungen aus pädagogisch-didaktischer Sicht ist sinn-

voll, wenn selbstgesteuertes und konstruktives Lernen ermöglicht wird. Hier hat vor allem die

Interaktivität Bedeutung (vgl. hierzu Kapitel 2.2).

Die auf der Konzeption von Hypertext basierten Technologien bildeten Standards für die Ges-

taltung von computerbasierten Lernumgebungen, Informations- und Kommunikationssyste-

men. Daher ist z. B. die Existenz des WWW als technologisch orientierte Begründung für

hypermediale Lernumgebungen zu nennen (vgl. [Tergan 97]).

Kuhlen sieht im wesentlichen vier Einsatzmöglichkeiten von Hypertext in der Ausbildung

(vgl. [Kuhlen 91]):

1. als Orientierungshilfe im Studienangebot, aber auch als Selbstdarstellungsmittel einer

Ausbildungseinrichtung,

2. als didaktische Unterstützung der Wissenspräsentation,

3. als Erweiterung der Ansätze in der computerunterstützten Ausbildung, als interaktive

und nichtlineare Mittel des Selbststudiums, als Ersatz oder Ergänzung zu traditionellen

linearen Vermittlungsformen,

4. als Lernmittel durch Modellieren, die Wissensaneignung durch den Aufbau von Hy-

pertextbasen zu bestimmten curricularen Objekten.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 6

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

2.1.3 Lernprobleme bei der Nutzung von Hypermedia

Trotz großem Nutzen von Hypermedia für den Lehr-Lern-Kontext wurden nach diversen

Analysen empirische Befunde über Lernprobleme identifiziert. Man unterscheidet hier zwi-

schen zwei Grundtypen von Problemen, die im Übrigen als Probleme von Hypertext allge-

mein klassifiziert werden können: Desorientierung und kognitive Überlast (vgl. [Kuhlen 91,

Tergan 97, Conklin 87]).

Desorientierung wurde von Conklin als ,,lost in hyperspace" bezeichnet. Je größer der Infor-

mationsraum ist, in dem sich der Benutzer bewegt, umso größer werden auch die Orientie-

rungsprobleme. Der Benutzer kann Probleme haben zu wissen, wo er sich im Netzwerk be-

findet. Außerdem weiß er eventuell nicht, wie er zu einem anderen Punkt innerhalb des Netz-

werkes findet. Eventuell existiert dieser Punkt auch gar nicht im entsprechenden Netzwerk.

Begünstigende Parameter für die Desorientierung sind z. B. (vgl. [Conklin 87]):

· große Knoten- oder Linkanzahl,

· sich häufig ändernde Netzwerke,

· langsames Reagieren auf Benutzeranfragen,

· unzureichende Differenzierung in der Kennzeichnung zwischen Knoten und Links.

Es kommt zur Desorientierung, falls der Benutzer nicht in der Lage ist, die semantische Be-

deutung innerhalb einer Hypermedia-Umgebung einer bereits vorhandenen Wissensstruktur

zuzuordnen. Er kann somit keine kohärente Wissensrepräsentation aufbauen (vgl.

[Tergan 97]).

Die kognitive Überlast wurde von Conklin als ,,cognitive overhead" bezeichnet. Um effektiv

zu lernen, muss der Lernende wissen, welche Knoten er bereits besucht hat und wie er zu ih-

nen gelangt ist, welchen Inhalt hatten diese Knoten, welche müssen noch aufgesucht werden,

usw. Zusätzlich ist es erforderlich zu wissen, an welchem Knoten welche Navigationsmög-

lichkeiten zu Verfügung stehen und welche zusätzlichen Funktionen durch weitere Navigati-

onsmittel erfüllt werden können. Die dadurch erforderliche zusätzliche Gedächtniskapazität

und Aufmerksamkeit kann zur kognitiven Überlast führen. Lernende können hierdurch von

einer tieferen Verarbeitung der Informationen abgehalten werden (vgl. [Tergan 97]).

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 7

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

2.2 Interaktion

,,Interaktion [lat.], Wechselbeziehung zwischen einander an-

sprechenden Partnern; Grundlage der Sozialisation"

[Das neue Duden Lexikon, 1999]

2.2.1 Einführung

Beim Versuch den Begriff Interaktion zu definieren, stößt man im Duden auf eine Erklärung,

in der Interaktion als ,,Wechselbeziehung zwischen einander ansprechenden Partnern" be-

schrieben wird. Das Wort leitet sich aus dem lateinischen ,,inter" für zwischen und ,,agere" für

Handeln ab. Eine Erweiterung dieses Begriffes, bei dem das ,,reale Nutzungsgeschehen zwi-

schen Mensch und Computer" ([Haack 97, S. 152]) mit einbezogen wird, führte in den acht-

ziger Jahren auch auf den Bereich der Mensch-Computer Interaktion (Human-Computer In-

teraction, HCI). Außerdem bezeichnet der Begriff auch einen Teilbereich der Informatik, der

sich mit der Beschreibung, Erklärung und Optimierung dieser Aktionen auseinandersetzt (vgl.

[Haack 97]).

Schnittstelle

Output

Kanäle

Mensch

Geräte

Computer

Kontrolle

Perzeption

Input

Output

Input

Abbildung 2-2: MMK-Modell

Eine weitere Bezeichnung für diesen Bereich ist die Mensch-Maschine Kommunikation

(MMK). Ein weit verbreitetes Modell befasst sich hier mit der menschlichen Interaktion mit-

tels technischer Systeme. Es handelt sich hierbei um das MMK-Modell, zu sehen in

Abbildung 2-2. Hier wird der Interaktionsprozess unterteilt in Perzeption (Wahrnehmung)

und Kontrolle. Im Kontrollprozess verwendet der Mensch einen oder mehrere seiner Aus-

gangskanäle (z. B. Tippen oder Sprechen) um die Anwendung zu manipulieren und zu steu-

ern. Eingabegeräte (z. B. Tastatur, Maus oder Mikrofon) nehmen diese Benutzeraktion auf

und setzen sie in Signale um. Diese Signale können dann vom Computer verarbeitet werden.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

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Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

Im Wahrnehmungsprozess nimmt der Mensch Rückmeldungen der Applikation mit Hilfe sei-

ner Sinne wie z. B. Hören oder Sehen war. Die Reizung des menschlichen Wahrnehmungsap-

parat geschieht hierbei durch geeignete Ausgabegeräte des Computers, wie z. B. Monitor oder

Lautsprecher (vgl. [Geiger 99]).

Der Begriff Interaktivität beschreibt somit in Bezug auf Computersysteme eine Eigenschaft

von Software, die dem Anwender Möglichkeiten eröffnet, die Software zu steuern und in sie

einzugreifen. Ein umfassender Überblick über HCI ist [Preece et al. 94].

Das Aussehen und Bedienung (look and feel) bei der MMK wird weitgehend durch die zur

Verfügung gestellten Interaktionstechniken innerhalb einer Anwendung bestimmt. Interakti-

onstechniken realisieren den hardwareabhängigen Teil einer Schnittstelle. Bibliotheken mit

Routinen für Interaktionstechniken erleichtern die Softwareentwicklung von interaktiven Sys-

temen durch Bereitstellung von Werkzeugen, den so genannten Toolkits. Selbst der Win-

dows-Manager innerhalb der grafischen Benutzeroberfläche (Graphical User Interface, GUI)

kann dieses Toolkit benutzen. So ist es zum Beispiel möglich, dass das Menü zur Auswahl

von Fensteroperationen innerhalb einer Applikation das gleiche Aussehen hat wie innerhalb

des Betriebsystems. Die Implementierung eines Toolkits basiert entweder auf der Grundlage

eines Grafikpaketes oder auf einem Windows-System. Menüs, Scrollbars, Dialogboxen usw.

können am einfachsten als Fenster implementiert werden, so dass Toolkits, die gerade aus

solchen Komponenten bestehen, meistens ein Windows-System als Grundlage verwenden

(vgl. [Foley et al. 94]).

2.2.2 Interaktionsaufgaben

Nach Foley et al. lassen sich Interaktionsaufgaben in folgenden grundlegende Basisinterakti-

onen (basic interaction tasks, BITs) unterteilen (vgl. [Foley et al. 94]):

· Positionierung: Bei dieser Interaktionsaufgabe wird der Applikation eine zwei- oder

dreidimensionale Position übergeben. Das kann mit Hilfe der Maus, über textuelle

Angabe einer Position oder durch Berührung einer Position auf dem Touchscreen rea-

lisiert werden.

· Auswahlinteraktion: Bei der Auswahlinteraktion werden aus einer gegebenen

Grundmenge ein oder mehrere Objekte selektiert. Diese Grundmenge kann konstant

sein (z. B. bei Menüauswahl von Kommandos) oder variabel (z. B. Selektion von Da-

teien in einem Verzeichnis). Die Auswahl wird entweder realisiert durch Zeigen

(Maus) oder durch Benennen (Tastatur).

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

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Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

· Eingabe numerischer Werte: Hier wird ein Wert innerhalb eines gegebenen Inter-

valls gewählt. Die Einstellung geschieht durch Eingabe eines Wertes oder durch Ein-

stellen eines Schiebereglers.

· Textinteraktion: Diese Form der Interaktion meint die Eingabe textueller Informatio-

nen, z. B. bei der Eingabe von Text in ein Textverarbeitungssystem. Hier hat die Ein-

gabe jedoch keine semantische Bedeutung innerhalb der Anwendung. Bei der Eingabe

von Kommandos in einen Befehlinterpreter (z. B. Unix-Shell) hat die Eingabe eine

semantische Bedeutung und es handelt sich somit um eine Auswahlinteraktion.

Diese Auflistung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, da es viele verschiedene Tech-

niken zur Interaktion gibt. Eine weitere Technik, die jedoch nur im dreidimensionalem Raum

Bedeutung hat, ist z. B. die Rotation. Hierunter versteht man die Objektorientierung im drei-

dimensionalen Raum. Es handelt sich dabei um eine Hilfskonstruktion, um dreidimensionale

Objekte auf dem zweidimensionalen Monitor darzustellen. Rotation steuert Parameter der

fehlenden dritten Dimension.

Kombiniert man nun eine Folge von BITs, so entstehen daraus zusammengesetzte Interakti-

onsaufgaben (composite interaction tasks, CITs). Um den Zusammenhang genauer zu erläu-

tern, bietet sich ein Vergleich aus der Chemie an. Stellt man sich die CITs als Moleküle vor,

so sind BITs die Atome. Die drei Hauptklassen von CITs sind: Dialogboxen zur Eingabe von

mehreren Informationseinheiten, Techniken zum Anlegen von Objekten, wo zwei oder mehr

Positionierungen möglich sind, sowie die Bearbeitung existierender Objekte.

In der Praxis hat man es mit einer Kombination mehrerer Interaktionsformen zu tun. Bei gra-

fischen Anwendungen kommt es bei Aufteilung der Funktionalität häufig zu Überschneidun-

gen, so dass die selbe Funktion über verschiedene Interaktionsformen ausgeführt werden kann

(vgl. [Geiger 99]).

2.2.3 Direkte Manipulation

Der Begriff der direkten Manipulation wurde von B. Shneiderman geprägt. Er bezeichnet

hiermit keine spezielle Interaktionsform, sondern kennzeichnet bestimmte Qualitäten und

Eigenschaften einer GUI. Er stellte z. B. fest, dass interaktive Systeme, die diese bestimmten

Eigenschaften aufweisen, eine sehr hohe Zufriedenheit beim Benutzer hervorrufen.

Das Konzept der direkten Manipulation basiert auf folgenden drei Prinzipien (vgl.

[Shneiderman 98a]):

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 10

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

1. ständige Darstellung von Objekten und Werkzeugen der Anwendung,

2. physikalische Aktionen (Zeigen, Ziehen, Positionieren) sowie die Auswahl und direk-

te Ausführung von Funktionen anstatt komplizierter Syntax,

3. die Ausführung von Funktionen auf Objekten ist unmittelbar sichtbar und reversibel.

Es lassen sich eine Reihe von Vor- und Nachteilen bei der Nutzung direkter Manipulation

nennen. Diese sind nachfolgend in Tabelle 2-1 aufgeführt (Quelle: [Stary 94, S. 137]).

Tabelle 2-1: Vor- und Nachteile direkter Manipulation

Vorteile

Nachteile

· Anfänger lernen die Grundfunk-

tionen schnell anlässlich einer

Demonstration.

· Der gelegentliche Benutzer kann

leicht operationale Konzepte er-

kennen und aktivieren.

· Fehlermeldungen werden nur sel-

ten benötigt.

· Der Benutzer erhält sofort eine

Bestätigung über den Erfolg sei-

ner Aktivität.

· Der Benutzer hat keine Berüh-

rungsängste, weil das Computer-

system für ihn transparent wird.

· Fehlerhafte Schritte können leicht

wieder rückgängig gemacht wer-

den.

· Die Reaktionen des Systems sind

vorhersehbar.

· Der Aufbau der Grafik benötigt

Zeit.

· Grafiken können doppeldeutig sein

und mit bekanntem Wissen interfe-

rieren.

· Die Benutzer müssen die Bedeu-

tung der graphischen Komponen-

ten (Symbole) erlernen.

· Der Wechsel der Handposition

zwischen Maus und Tastatur be-

hindern den Arbeitsvorgang.

· Der Vorteil der Anschaulichkeit ist

bei unpassenden Metaphern und

der damit verbundenen unpassen-

den Darstellung von Objekten nicht

gegeben. Die Bedienung der Be-

nutzerschnittstelle wird kontrapro-

duktiv, da das Verhalten des Com-

putersystems nicht den Erwartun-

gen des Benutzers entspricht.

Eine direkte Manipulation der Verzeichnisstruktur im Windows Explorer

ist z. B. möglich,

indem ein Verzeichnis per Drag and Drop in ein anderes verschoben oder kopiert wird. Wei-

Windows Explorer ist ein eingetragenes Warenzeichen der Microsoft Corp.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 11

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

terhin kann der Dateiname durch zweifachen Einfachklick auf das Dateiobjekt mit anschlie-

ßender Eingabe des neuen Dateinamens geändert werden.

2.3 Metadaten

,,Metadaten sind Informationen über andere Daten (Doku-

menten, Datensammlungen, Bilder, Server etc.), die in einer

Form gehalten werden, daß sie die Recherche, das Retrieval

und die Nutzung der Primärdokumente ermöglichen, erleich-

tern und ggf. bestimmen."

[Rusch-Feja 97]

2.3.1 Einführung

Die Vorsilbe Meta des Begriffes Metadaten stammt aus dem Griechischen und bedeutet:

,,zwischen, inmitten, nach, später". Laut obigem Zitat bezeichnet der Begriff Metadaten ganz

allgemein ,,Informationen über andere Daten".

Historisch existieren Metadaten schon seit der Zeit, in der Bibliothekare ihre Bücher in Tabel-

len und Listen eintrugen. So war es möglich, große Mengen von Literatur zu verwalten. Auch

Bibliotheksfremde fanden auf diese Art und Weise alle gewünschten Bücher. Jedes Dokument

konnte zusätzlich durch sorgfältig gepflegte Metadaten wie z. B. Name des Autors oder Titel

des Buches ohne fachkundige Hilfe lokalisiert werden.

Um zwischen den Bibliothekaren ein einheitliches Verständnis und eine einheitliche Anwen-

dung der Metadaten zu gewährleisten, war es im Laufe der Zeit notwendig, diese zu standar-

disieren. Ohne dieses Vorgehen hätte jeder individuelle Schwerpunkte und Merkmale defi-

niert und somit die Austauschbarkeit und eine übergreifende Verwendung erschwert. Eine

Standardisierung gewährleistet hingegen die Effektivität von Metadaten.

Das in den vergangenen Jahren explosionsartige Wachstum des Internets und des WWW hat

dazu geführt, dass eine Erweiterung der vorhandenen Verwaltungsmechanismen notwendig

wurde. Die tägliche Erweiterung und Änderung der vorhandenen digitalen Dokumenten- und

Ressourcenpools, die größten Teils nur in elektronischer Form vorliegen und nur über das

Internet zugänglich sind, kann nur teilweise in konventionellen Listen oder Katalogen aufge-

listet und nachgewiesen werden. Diese Informationsquellen sind also über die traditionellen

Wege nicht zu erschließen. Es stellt sich die Frage, wie und wer Metadaten für Internetdoku-

mente verwaltet. Der Einsatz von Suchmaschinen bietet oft den einzigen Weg um digitale

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 12

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

Informationsquellen zu finden. Dieser Weg liefert jedoch in der Regel kaum zufrieden stel-

lende Ergebnisse (vgl. [Capelleveen 97]).

Rusch-Feja führt aus, dass eine Recherche mit Suchmaschinen eine sehr große Anzahl an

Treffern liefern kann. Die Anzahl der Dokumente, die davon aber ,,für den Zweck der wissen-

schaftlichen Suche und in dem Niveau des gewünschten Informationsgehaltes" geeignet sind,

eher gering ist. Bei sehr spezifischen Fragen kann dieses Verhältnis nach Rusch-Feja lediglich

5% bis hin zu 0,005% der gesamten Menge an Dokumenten betragen (vgl. [Rusch-Feja 97]).

Grund für diese geringe Anzahl verwertbarer Informationen ist in der Arbeitsweise der Such-

maschinen zu finden. Diese basieren in der Regel auf der Volltextsuche. Somit ist es nicht

möglich, für das gesuchte Wort einen Kontext anzugeben. Die Frage ist also, was das an die

Suchmaschine übermittelt Wort überhaupt beschreibt. Ist es der Name des Autors, der Titel

des Dokumentes oder vielleicht etwas anderes? Das kann die Suchmaschine nicht wissen. Es

werden somit weitere Konzepte benötigt, um die Qualität der Rechercheergebnisse zu erhö-

hen.

2.3.2 Konzepte für Metadaten im Internet

Eine Qualitätsverbesserung für die Recherche im Internet ist zu erreichen, wenn Daten im

WWW ausreichend beschrieben, diese Beschreibungen geeignet aufgearbeitet und in die

Suchoptionen eingebunden werden können. Folgende grundlegende Bedingungen müssen

hierbei erfüllt werden (vgl. [Rusch-Feja 97]):

· Präzision bei der Beschreibung der Ressourcen in formalen und inhaltlichen Katego-

rien und Deskriptoren,

· Anwendung von internationalen Standards,

· Vermeidung von Sprachenproblemen,

· Multilingualität fordern und fördern,

· möglichst numerisch-basierte Klassifikationssysteme anwenden (um Internationalität

zu erreichen),

· einfache Anwendung und Verständnisstrukturen (um Abweichungen und Variationen

bei komplexen Systemen zu meiden),

· Präzision auch durch Kombination (Boolescher Operatoren) bei der Recherche errei-

chen,

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 13

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

· präzise Indexierung durch die Verfasser und Wissenschaftler selbst zumindest für die

fachlichen Aspekte der Indizierung.

Außerdem stellt sich die Frage, in welchem Kontext strukturierte Metadaten eingesetzt wer-

den können. Man kann hier zwischen vier verschiedenen Möglichkeiten unterscheiden. Meta-

daten können gespeichert werden (vgl. [Rusch-Feja 97]):

· Eingebettet in die Zielinformation des Headers des HTML-Dokumentes (Hypertext

Markup Language),

· in HTML-Dokumenten, die nur aus Metadaten bestehen, und die zu nicht-HTML-

Dokumenten (Bild-, Tondateien etc.), die sie beschreiben, verknüpft sind,

· im ,,Hintergrund" zu nicht-HTML- oder Textdokumenten, die sie beschreiben,

· in Datenbankstrukturen, die die Zielinformationen enthalten oder auch nicht.

In den ersten beiden Fällen kann das Sammeln von Metadaten durch Suchmaschinen ermög-

licht werden. Nachteil hierbei ist, dass nur HTML-Dokumente beschrieben werden können.

Audio- oder Portable Document Format- (PDF) Dokumente können somit nicht indiziert wer-

den. Bei Speicherung der Metadaten in einer Datenbank können nur ,,fachbezogene Roboter"

die Metadaten richtig interpretieren. Die angestrebte Qualitätssteigerung ist somit auch ab-

hängig von den Strukturen, die die Metadaten speichern.

Metadaten erfüllen verschiedene Funktionalitäten und Zwecke. Um die verschiedenen Meta-

daten-Komponenten zu gruppieren, definieren D. Bearman und K. Sochats sechs verschiede-

ne Schichten (vgl. [BeaSoc 95]):

1. Metadaten zur Identifikation und zu Nachweiszwecken,

2. Metadaten zu Zugangsbedingungen sowie Nutzungs- und Beschaffungskonditionen,

3. Metadaten zu strukturellen Aspekten,

4. Metadaten zum Kontext,

5. Metadaten zum Inhalt,

6. Metadaten zur Nutzungs- und Wirkungsgeschichte.

Diese sechs Gruppen von Metadaten sind übertragbar auf eine Systemumgebung wie das In-

ternet. Sie dienen mit als Grundlage des Dublic Core Metadatenstandards, der im folgenden

Abschnitt kurz vorgestellt wird.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 14

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

2.3.3 Dublin Core

Das National Center for Supercomputing Applications (NCSA) in Dublin, Ohio und das On-

line Computer Library Center (OCLC) veranstalteten den ersten Metadaten Workshop im

März 1995. Dort wurde zur Beschreibung digitaler Dokumente ein Kern (englisch: core) von

inhaltlichen und formalen Erschließungsmerkmalen erarbeitet. Ziel hierbei war die Komplet-

tierung vorhandener Ressourcenbeschreibungen, nicht die Ersetzung.

Die erste Version des Dublin Core (DC) wurde Ende 1996 veröffentlich. Eine deutsche Über-

setzung dieser Version ist unter [Rusch-Feja 96] verfügbar. Tabelle 2-2 bezieht sich auf die

aktuelle Version 1.1 vom 7. Juli 1999 (vgl. [DCMI 99]). Sie enthält eine Auflistung der 15

Elemente des DC Metadatenstandards inkl. einer Beschreibung im Kurzformat.

Tabelle 2-2: Dublic Core Elemente

DC Element

Beschreibung

DC.TITLE

Titel der Quelle

DC.CREATOR

Verfasser / Urheber, Person(en) oder Organisationen

DC.SUBJECT

Thema, Schlag- / Stichwort

DC.DESCRIPTION

Beschreibung, Abstract, etc.

DC.PUBLISHER

Verleger / Herausgeber

DC.CONTRIBUTORS Sonstige Beteiligte: Personen, Organisationen

DC.DATE

Datum der Ressource

DC.TYPE

Ressourcenart nach akzeptierten Formschlagworten

DC.FORMAT

Format, Dateiart

DC.IDENTIFIER

Identifikation der Ressource: z. B. URL

DC.SOURCE

Quelle, wenn davon abgeleitet

DC.LANGUAGE

Sprache des Werkes, Code

DC.RELATION

Beziehung zu anderen Ressourcen

DC.COVERAGE

Abgedeckter geografischer Raum / Zeitraum

DC.RIGHTS

Rechtliche Bedingungen

Die Erweiterung der Grundelemente um sogenannte Qualifier dient dazu, eine feinere Granu-

larität bezüglich der Semantik der Metadaten zu erreichen. Auf weitere Details soll hier nicht

eingegangen werden. Für eine Liste der offiziellen Qualifier, weitere Informationen über DC,

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 15

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

geschichtliche Entwicklung, Referenzen usw. sei auf die Dublic Core Metadata Initiative

(DCMI) Internetseite in [DCMI 02] hingewiesen.

DC ist als Kernsatz zu verstehen, der die wichtigsten Metadaten beinhaltet. Er bietet somit

,,keine 100 %-Lösung für alle Zwecke". Der ursprüngliche, minimalistische Ansatz, DC so

einfach und leicht anwendbar wie möglich zu halten, steht ständig im Konflikt mit Bemühun-

gen, die Flexibilität und Tiefe der Metadaten auszuschöpfen (vgl. [Rusch-Feja 97]).

2.3.4 Learning Object Metadata

Für eine eher spezialisierte Form der Metadaten stehen die Learning Object Metadata (LOM).

Dieser Standard wird entwickelt vom Learning Technologiy Standards Committee (LTSC),

einer Unterabteilung des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Die

Ursprünge dieses Standards liegen zum einen bei IMS (Instructional Management System)

Global Learning Consortium, Inc. und zum anderen beim europäischen Projekt ARIADNE

(Alliance of Remote Instructional Authoring and Distribution Networks for Europe).

IMS ist ein weltweiter Zusammenschluss aus Institutionen, Behörden und Entwicklern, die

versuchen, im Bereich Lernsoftware Standards zum Datenaustausch zu entwickeln.

ARIADNE beschäftigt sich primär mit der gemeinsamen Nutzung und Wiederverwendung

von elektronischem pädagogischem Material. Auf die beiden Projekte soll hier im Detail nicht

eingegangen werden (vgl. hierzu die Projektinternetseiten [ARIADNE 02] und [IMS 02]).

Der LOM Standard spezifiziert die Syntax und Semantik von LO durch Bereitstellung eines

Metadatensatzes. Unter LO versteht man in diesem Zusammenhang jedes beliebige digitale

oder nicht-digitale Medium, das im Gesamtzusammenhang des computerunterstützten Lehren

und Lernens verwendet, wiederverwendet oder referenziert werden kann. Dieser Standard

verfolgt folgende Ziele (vgl. [IEEE LTSC 02]):

· Das Suchen, Erfassen und Benutzen der LO durch Lehrende und Lernende soll

ermöglicht werden.

· Das Teilen und Austauschen von LO über jede technisch unterstütze Lernplattform.

· Die Möglichkeit, LO in Einheiten zu entwickeln, die in sinnvoller Weise kombiniert

und wieder zerlegt werden können.

· Computeragenten sollen automatisch und dynamisch personalisierte Kurse für den

individuellen Lernenden zusammenstellen können.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 16

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

· Unterstützung und Ergänzung von anderen Standards, die sich mit Zusammenarbeit

verschiedener LO in offenen und verteilten Lernumgebungen beschäftigen.

· Die Dokumentation, Ergänzung und Anerkennung der Fertigstellung von neuen oder

bereits existierenden LO, soll dort, wo es erwünscht wird, ermöglicht werden.

· Die Unterstützung einer stark wachsenden Wirtschaft, der die kommerzielle und nicht-

kommerzielle Verbreitung von LO ermöglicht und realisiert.

· Private, öffentliche und staatliche Lerneinrichtungen sollen in die Lage versetzt

werden, Lerninhalte und Leistungsziele in einem standardisierten Format

bereitzustellen, das unabhängig vom Inhalt des LO ist.

· Entwickler sollen mit einem Standard unterstützt werden, der das Sammeln und Teilen

von Daten bezüglich der Anwendbarkeit und Effizienz eines LO ermöglicht.

· Der Standard soll nicht nur einfach aufgebaut, sondern auch leicht zu erweitern sein,

um so eine gute Akzeptanz in vielen Bereichen zu gewährleisten.

· Die notwendige Sicherheit und Authentifizierung für die Verteilung und Nutzung von

LO soll unterstützt werden.

Abbildung 2-3 illustriert an einem Beispiel, wie der LOM Standard eine Hierarchie definiert,

um so ein LO zu beschreiben. Am Anfang der Hierarchie steht das Wurzel-Element (Root),

das mehrere Unterelemente enthält. Unterelemente mit weiteren Unterelementen heißen

Verzweigungen (Branches), Unterelemente ohne weitere Unterelemente heißen Blätter

(Leaves).

Abbildung 2-3: Hierarchische Ansicht eines LOM Elementes

Das Basisschema des LOM Standards definiert neun Basiskategorien, die in Tabelle 2-3

aufgeführt sind. Jede dieser Kategorien beinhaltet eine unterschiedlichen Anzahl von

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 17

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

Datenelementen. Jedes dieser Datenelemente wird genauer spezifiziert wie z. B. durch einen

eindeutigen Namen, eine Beschreibung, die maximale Größe und den Datentyp. Einige

Datenelemente können nicht direkt Werte beinhalten, sondern beschreiben die Werte indirekt

durch ihre Unterelemente. Das Datenelement catalogentry z. B., beschreibt seinen Wert durch

die Unterwerte catalogue und entry (vgl. Abbildung 2-3).

Tabelle 2-3: LOM Basiskategorien

Kategorie

Beschreibung

1. General

Allgemeine, kontextunabhängige Informationen, die ein LO als Ganzes

beschreiben.

2. Lifecycle

Enthält Eigenschaften des LO, die den Lebenszyklus beschreiben. Hier-

zu gehören u. a. der Versionsstand, der Status (z. B. Entwurf) oder auch

an diesem LO beteiligte Personen.

3. Meta-Metadata Umfasst Informationen, die die Metadaten an sich betreffen und nicht

das eigentlich zu beschreibende LO.

4. Technical

Beinhaltet technische Anforderungen und Charakteristika des LO, wie

z. B. benötigte Systemressourcen oder -umgebung.

5. Educational

Fasst erzieherische und pädagogische Eigenschaften des LO zusammen.

Herunter fällt zum Beispiel der Grad der Interaktivität, oder eine Ziel-

gruppenangabe.

6. Rights

Beschreibt die Rechte am LO, wie zum Copyright-Vermerke oder anfal-

lende Kosten.

7. Relation

Enthält Angaben zur Beschreibung von Beziehungen zwischen mehre-

ren LO, wie z. B. IsRequiredBy oder IsVersionOf. Mit Hilfe von

HasPart- und IsPartOf-Beziehungen können mehrere LO zu einem hie-

rarchisch strukturierten Lernnetzwerk verbunden werden.

8. Annotation

Beschreibt, wann wer welchen Kommentar zu diesem Lernobjekt abge-

geben hat.

9. Classification

Beschreibt, wie das LO in Bezug auf ein bestimmtes Klassifikationssys-

tem einzuordnen ist.

Die neueste Version des LOM-Schemas (z.Zt. Version 6.4 vom 4. März 2002) ist unter

[IEEE LTSC 02] verfügbar. Der Standard für LOM ist am 13. Juni 2002 als IEEE Standard

anerkannt worden.

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

Seite 18

Kapitel 2: Einordnung der Arbeitsziele

2.4 Aufbau des hypermedialen Netzwerkes

Nachdem nun alle notwendigen Grundlagen behandelt worden sind, widmet sich dieser Ab-

schnitt dem Aufbau und der Struktur des hypermedialen Netzwerkes, das im Rahmen dieser

Arbeit visualisiert werden soll. Die folgenden Ausführungen orientieren sich an

[Düsterhöft 00, S. 40ff].

2.4.1 Einführung

Die Erstellung von multimedialen Lernmaterialien ist mit einem hohen Aufwand verbunden.

Dazu gehört auch die Erstellung von Beschreibungen, die das spätere Einordnen und Suchen

der Materialen ermöglichen sollen. Der dadurch entstehende hohe Zeit- und Kostenfaktor ist

nur dann gerechtfertigt, wenn die LO in möglichst vielen Umgebungen verwendet werden

können. Wiederverwendbarkeit ist hier das wichtige, entscheidende Wort. Auch der Aus-

tausch in andere Länder und damit auch in andere Sprachen ist anzustreben. Dabei sollten

Informationen direkt, ohne Umformatierungen nutzbar sein.

Die Basis eines hypermedialen Netzwerkes bilden kleine LO. Diese können durch individuel-

les Zusammenfügen zu neuen Kontexten zusammengefasst werden. Die Nutzung einzelner

LO in verschiedenen hypermedialen Netzwerken ist möglich. Es stehen fünf verschiedene

Hierarchiestufen sowie sechs verschiedene Relationstypenpaare zur Verfügung, um individu-

elle hypermediale Netzwerke zu definieren.

2.4.2 Hierarchiestufen

Die fünf verschiedenen Hierarchiestufen definieren verschiedene Granularitäten der in ihr

enthaltenden Elemente. LO in den unteren Stufen haben einen eher hohen Detaillierungsgrad.

Je weiter sich ein LO in den oberen Schichten der Hierarchie befindet, umso globaler werden

die beschriebenen Informationen. Diese Aufteilung ist mit der Struktur eines Buches ver-

gleichbar. Es enthält mehrere Kapitel die in Unterkapitel untergliedert sind. Die Unterkapitel

enthalten wiederum mehrere Abschnitte. Diese bestehen aus diversen Textabsätzen, Abbil-

dungen oder Tabellen. Je weiter in dieser Untergliederung nach unten gegangen wird, umso

detaillierter werden die Informationen.

Um die Übersichtlichkeit und den Aufbau innerhalb der hypermedialen Netzwerke zu ge-

währleisten, werden für die einzelnen Hierarchiestufen ungefähre Größenangaben der LO

definiert. Tabelle 2-4 definiert welche Informationsmenge für jede Hierarchiestufe zu erwar-

ten ist. Die Menge der Informationen, die ein LO beinhaltet, bezieht sich einmal auf die Inhal-

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

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Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Erscheinungsjahr: 2002
ISBN (eBook): 9783832461744
ISBN (Paperback): 9783838661742
DOI: 10.3239/9783832461744
Dateigröße: 4.5 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Universität Paderborn – Informatik / Wirtschaftsinformatik
Erscheinungsdatum: 2002 (Dezember)
Note: 2,0
Schlagworte: hypermedia informationsvisualisierung hyperbolic browser learning object metadaten
Produktsicherheit: Diplom.de

Autor

Boris Kantwerk (Autor:in)

Interaktive Visualisierung von Netzwerken am Beispiel von Lernobjekten

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Autor

Boris Kantwerk (Autor:in)