Kostengünstige multimediale Lernprogramme zum Chip-Entwurf
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<strong>Kostengünstige</strong><br />
<strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong> <strong>zum</strong><br />
<strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong><br />
Vom Fachbereich für Mathematik und Informatik<br />
der Technischen Universität Braunschweig<br />
eingereichte Dissertation<br />
zur Erlangung des Grades eines<br />
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)<br />
von<br />
Tamer Çatalkaya<br />
aus Istanbul<br />
Eingereicht am 14. Juli 2003<br />
1. Referent: Prof. Dr. Ulrich Golze<br />
2. Referent: Prof. Dr. Stefan Fischer
Für meinen Vater.
Vorwort<br />
Vorwort<br />
Diese Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher<br />
Mitarbeiter an der Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter Schaltungen (E.I.S.) der Technischen<br />
Universität Braunschweig. Sie ist das Ergebnis einer mehrjährigen kontinuierlichen<br />
Entwicklung, basierend auf der ständigen fachlichen Auseinandersetzung mit Kollegen<br />
und Studierenden.<br />
An dieser Stelle möchte ich mich bei all denen bedanken, die sowohl direkt als auch<br />
indirekt zu dem Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Mein ganz besonderer Dank<br />
gilt dabei Herrn Prof. Dr. Ulrich Golze für die Anregung des interessanten und<br />
vielseitigen Themas, die ausgezeichnete Betreuung während ihres gesamten Verlaufs,<br />
seine ständige Bereitschaft zu fachlichen Diskussionen und die Ideen die er mir gab.<br />
Herrn Prof. Dr. Stefan Fischer danke ich für die bereitwillige Übernahme des<br />
Koreferats.<br />
Meinen Kollegen Dr. Andreas Koch, Helge Böhme, Jürgen Hanken-Illjes, Niko<br />
Kasprzyk und Gerrit Telkamp danke ich für zahlreiche Anregungen und Hinweise in<br />
Gesprächen, technische Unterstützung und freundschaftlichen Rat. Für die<br />
Unterstützung bei den alltäglichen organisatorischen Arbeiten danke ich unserer<br />
Sekretärin Frau Susanne Neugebauer.<br />
Danken möchte ich außerdem den Studentinnen und Studenten, mit denen ich in den<br />
letzten Jahren zusammenarbeiten konnte, insbesondere Heiko Buchholz, Wolfgang<br />
Fietzke, Oliver Heister, Karsten Kamm, Guido Kirschbaum, Martin Krosche, Patric<br />
Mielke, Thilo Mücke, Björn Schulz und Markus Stöbe. Im Rahmen ihrer Praktikums-,<br />
Studien- und Diplomarbeiten haben sie mit großem Engagement wichtige Beiträge zu<br />
dieser Arbeit geleistet.
vi<br />
Vorwort<br />
Außerhalb dieser Arbeit gilt es noch vielen weiteren Menschen zu danken, besonders<br />
danke ich meinen Eltern für ihre Erziehung, ihre Liebe und die Fürsorge, mit der sie<br />
uns aufgezogen haben. Danken möchte ich auch meiner Frau Süheyla, die mir durch<br />
ihr Verständnis und ihre Geduld den nötigen Rückhalt gab. Meinen Geschwistern und<br />
meinem Schwager Levent danke ich für die vielen Dinge des Lebens, die sie für die<br />
Familie und mich taten.<br />
Meinen Freunden danke ich für ihre Anteilnahme. Den Mitgliedern des türkischen<br />
Studentenvereins an der TU Braunschweig (Braunschweig Türk Öğrenci Birliği –<br />
B.T.Ö.B.) danke ich für eine sehr freundschaftliche gemeinsame Zeit.
Kurzfassung<br />
Kurzfassung<br />
Multimediale <strong>Lernprogramme</strong> (CBTs) bieten unbestrittene Vorteile wie<br />
Unabhängigkeit von Ort, Zeit und Tutor, Förderung der Motivation, leichte<br />
Distributierbarkeit sowie Verringerung von Aus- und Weiterbildungskosten.<br />
Allerdings kann die CBT-Eigenproduktion sehr zeitintensiv und teuer werden.<br />
Diese Arbeit plädiert gleichwohl für die Eigenproduktion an Hochschulen,<br />
insbesondere für technische Institute <strong>zum</strong> <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> mit beschränktem Etat. Es<br />
werden Wege für eine kostengünstige CBT-Produktion erforscht, insbesondere wird<br />
ein universell verwendbares Referenzmodell präsentiert. Es handelt sich um eine noch<br />
inhaltsfreie CBT-Schablone unter dem Autorensystem Authorware mit vollständiger<br />
Inhaltshierarchie und Navigation mit Unterstützung von Sprache, Animation, Text und<br />
Interaktion. Es wird ergänzt um didaktische, stilistische und technische Hinweise für<br />
CBT-Designer.<br />
Unter Low-Cost-Low-Time werden neben dem Referenzmodell auch die<br />
Prinzipien von Modularität, Standardisierung, Design-Reuse, Team-Entwicklung und<br />
studentischer Beteiligung zusammengefasst.<br />
Die Praxistauglichkeit unseres Low-Cost-Low-Time-Konzepts wird durch<br />
zahlreiche Musteranwendungen im Bereich des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s demonstriert,<br />
insbesondere zur Hardware-Beschreibungssprache VERILOG, zur Logiksynthese, zu<br />
Parallelität und Zeit und zu einem vollständigen kleinen <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>. Anhand eines<br />
Feldtests mit 57 Teilnehmern wird diese Praxistauglichkeit weiter belegt.<br />
Als Besonderheit bei Fächern mit ohnehin vorhandener CAD-Unterstützung wird<br />
eine Kopplung des Lernprogramms mit dem fachlichen CAD-Werkzeug demonstriert.
Abstract<br />
Abstract<br />
Computer based training (CBT) has undisputed advantages such as independence of<br />
learning from time, place and teacher, increased motivation, ease of distribution, and<br />
reduction of training costs. Nevertheless, self produced CBTs can be highly expensive<br />
and time-consuming.<br />
This thesis, however, is pleading for self-produced CBTs at universities,<br />
particularly for technical institutions with limited budgets. Therefore, low-cost lowtime<br />
CBT production is investigated, and the universally applicable reference model is<br />
presented. The reference model is a kind of template for CBT production, developed<br />
with Authorware. It gives functions supporting navigation, text, speech, and<br />
interaction. This reference model is augmented by didactical, stylistic and technical<br />
advice for CBT designers.<br />
The low-cost low-time production concept includes principals for modularity,<br />
standardization, design reuse, teamwork, and the participation of students in the<br />
development process. The reference model and its concept is demonstrated by many<br />
example CBTs within the area of chip design, it is in particular used to teach the<br />
hardware description language VERILOG, the logic synthesis, parallelism and time<br />
concepts, and for demonstration of a complete chip design flow. The practical<br />
orientation of the reference model is evaluated within a test by 57 participating<br />
students.<br />
As a distinctiveness, integration of CAD tools into CBTs is demonstrated.
Inhalt<br />
Inhalt<br />
VORWORT...........................................................................................................................................................V<br />
KURZFASSUNG ...............................................................................................................................................VII<br />
ABSTRACT ........................................................................................................................................................ IX<br />
INHALT .............................................................................................................................................................. XI<br />
1 EINLEITUNG ...............................................................................................................................................1<br />
2 BETRACHTUNGEN ZUM MODERNEN LERNEN................................................................................5<br />
2.1 ZEICHEN FÜR DEN BEDARF AN NEUEN LEHR- UND LERNFORMEN ...............................................................5<br />
2.1.1 Anzeichen im wirtschaftlichen Umfeld...............................................................................................6<br />
2.1.2 Anzeichen im Umfeld der Hochschulen .............................................................................................8<br />
2.2 DIE ROLLE DER HOCHSCHULEN IN DER ZUKUNFT .....................................................................................11<br />
2.3 BETREUENDE TUTOREN IN DER ZUKUNFT .................................................................................................14<br />
2.4 E-LEARNING IN DER VLSI-AUSBILDUNG...................................................................................................16<br />
2.4.1 <strong>Entwurf</strong> digitaler Schaltungen .........................................................................................................17<br />
2.4.2 E-Learning im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> ...........................................................................................................18<br />
3 CBT-ENTWICKLUNG MIT LOW-COST-LOW-TIME .......................................................................21<br />
3.1 EIGENENTWICKLUNG VON CBTS...............................................................................................................21<br />
3.1.1 Nachteile der CBT-Eigenentwicklung..............................................................................................22<br />
3.1.2 Vorteile der CBT-Eigenentwicklung ................................................................................................23<br />
3.1.3 Notwendigkeit der CBT-Eigenentwicklung im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> ..........................................................24<br />
3.2 KLASSIFIZIERUNG VON LERNPROGRAMMEN..............................................................................................25<br />
3.2.1 Attribute ...........................................................................................................................................26<br />
3.2.2 Lerntheorien ....................................................................................................................................26<br />
3.2.3 Methodische Grundtypen.................................................................................................................28<br />
3.3 LOW-COST-LOW-TIME-PRODUKTIONEN IM UNIVERSITÄREN UMFELD.......................................................29<br />
3.3.1 Autorensysteme ................................................................................................................................30<br />
3.3.2 Bild- und Grafik-Bibliotheken .........................................................................................................31<br />
3.3.3 Modularität......................................................................................................................................31<br />
3.3.4 Studenten entwickeln für Studenten .................................................................................................31<br />
3.3.5 Reuse von klassischen Lehrmaterialien ...........................................................................................32<br />
3.4 DIDAKTISCHE KONZEPTE FÜR CBTS IM CHIP-ENTWURF ...........................................................................32<br />
3.4.1 Integration von CAD-Werkzeugen ins CBT .....................................................................................33<br />
3.4.2 CBT als virtueller Tutor...................................................................................................................33<br />
3.4.3 Ansprechen von auditiv und visuell orientierten Lernern................................................................34
xii<br />
Inhalt<br />
3.5 LOW-COST-LOW-TIME-PRODUKTION AN DER ABTEILUNG E.I.S. ..............................................................34<br />
3.5.1 Autorensystem Authorware..............................................................................................................34<br />
3.5.2 Standardisierung..............................................................................................................................37<br />
3.5.3 Design-Reuse und modularer Aufbau von CBTs .............................................................................37<br />
3.5.4 Multimediale Lehre zur Einarbeitung ins Referenzmodell ..............................................................38<br />
3.5.5 Lernen durch Lehren .......................................................................................................................38<br />
3.5.6 Eingesetzte Lerntheorien und methodische Grundtypen..................................................................38<br />
4 DAS REFERENZMODELL FÜR MULTIMEDIALE LERNPROGRAMME.....................................41<br />
4.1 GRUNDLAGEN ZUM REFERENZMODELL .....................................................................................................41<br />
4.1.1 Anforderungen .................................................................................................................................42<br />
4.1.2 Zielgruppen......................................................................................................................................43<br />
4.1.3 Voraussetzungen ..............................................................................................................................43<br />
4.1.4 Komponenten ...................................................................................................................................44<br />
4.1.5 Design-Empfehlungen......................................................................................................................45<br />
4.1.6 Einsatz .............................................................................................................................................47<br />
4.2 KONZEPTION DES REFERENZMODELLS ......................................................................................................48<br />
4.2.1 Lernprogrammstruktur ....................................................................................................................49<br />
4.2.2 Module.............................................................................................................................................51<br />
4.2.3 Modularität......................................................................................................................................52<br />
4.2.4 Modulaufbau....................................................................................................................................52<br />
4.2.5 Präsentationsfenster ........................................................................................................................53<br />
4.2.6 Navigation .......................................................................................................................................55<br />
4.2.7 Hauptmenü.......................................................................................................................................57<br />
4.2.8 Textfenster........................................................................................................................................58<br />
4.3 ZEITERSPARNIS BEIM CBT-ENTWURF .......................................................................................................59<br />
5 DAS PROGRAMM DES REFERENZMODELLS..................................................................................61<br />
5.1 PROGRAMMIEREN IN AUTHORWARE..........................................................................................................61<br />
5.1.1 Programmierebenen ........................................................................................................................61<br />
5.1.2 Lineare und parallele Abläufe .........................................................................................................62<br />
5.1.3 Funktionen, Variablen und Skriptsprache .......................................................................................64<br />
5.1.4 Programmieren in Authorware und dem RSK .................................................................................64<br />
5.2 ERLÄUTERUNGEN ZUM RSK-PROGRAMM-CODE.......................................................................................65<br />
5.2.1 Aufbau des RSK-Programm-Codes..................................................................................................65<br />
5.2.2 Pause-Taste......................................................................................................................................66<br />
5.2.3 Skip-Taste ........................................................................................................................................67<br />
5.2.4 Textfenster........................................................................................................................................67<br />
5.2.5 Automatischer Aufbau des Inhaltsverzeichnis .................................................................................67<br />
5.2.6 Koppeln von Modulen zu Lernsystemen ..........................................................................................69<br />
5.2.7 Lesezeichen ......................................................................................................................................69<br />
5.2.8 Austauschverzeichnis.......................................................................................................................71<br />
6 DAS MULTIMEDIALE LERNSYSTEM VERIBOX .............................................................................73<br />
6.1 VERIBOX UND ASSOZIIERTE LERNPROGRAMME ........................................................................................73<br />
6.1.1 VERILIOGisch – eine Einführung in die HDL VERILOG...............................................................74<br />
6.1.2 Parallelität und Zeit.........................................................................................................................74<br />
6.1.3 Illusion – FPGA-<strong>Entwurf</strong> eines Display-Controllers.......................................................................75<br />
6.1.4 Logiksynthese...................................................................................................................................76<br />
6.1.5 Zur VeriBox assoziierte <strong>Lernprogramme</strong>.........................................................................................77<br />
6.2 CHIP- UND SYSTEM-ENTWURF ..................................................................................................................79<br />
6.2.1 Abstraktionsebenen im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> ..............................................................................................79<br />
6.2.2 Verhalten und Struktur ....................................................................................................................82<br />
6.2.3 EDA-Tools .......................................................................................................................................83<br />
6.2.4 Synthese ...........................................................................................................................................85<br />
6.2.5 Simulation........................................................................................................................................88<br />
6.2.6 Parallelität und Zeit.........................................................................................................................89<br />
6.2.7 Tests .................................................................................................................................................92
6.2.8 <strong>Entwurf</strong>sstile ....................................................................................................................................94<br />
6.2.9 Hardware-Software-Codesign .........................................................................................................96<br />
6.3 FELDTEST ZUR LOGIKSYNTHESE DER VERIBOX.........................................................................................97<br />
6.3.1 Aufbau..............................................................................................................................................98<br />
6.3.2 Durchführung ..................................................................................................................................98<br />
6.3.3 Prognose..........................................................................................................................................99<br />
6.3.4 Ergebnis...........................................................................................................................................99<br />
7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK ...........................................................................................103<br />
A IMPLEMENTIERUNG DES RSK..........................................................................................................107<br />
A.1 RSK-PROGRAMM-CODE .....................................................................................................................107<br />
A.1.1 Initialisierung ................................................................................................................................108<br />
A.1.2 Inhaltsverzeichnis und Login .........................................................................................................109<br />
A.1.3 Hauptmenü.....................................................................................................................................110<br />
A.1.4 Abschnitte ......................................................................................................................................112<br />
A.2 HISTORY-APPLIKATION.......................................................................................................................113<br />
A.3 LESEZEICHEN-APPLIKATION................................................................................................................114<br />
A.4 COPYRIGHT-MECHANISMEN ...............................................................................................................114<br />
B FELDTEST ZUR EVALUIERUNG........................................................................................................117<br />
B.1 AUSGETEILTE UNTERLAGEN ...............................................................................................................117<br />
B.1.1 Informationsbogen.........................................................................................................................118<br />
B.1.2 Zeiterfassungsbogen ......................................................................................................................119<br />
B.1.3 Fragebogen Klasse A.....................................................................................................................120<br />
B.1.4 Fragebogen Klasse B.....................................................................................................................122<br />
B.1.5 Fragebogen Klasse C.....................................................................................................................123<br />
B.1.6 Testklausur.....................................................................................................................................125<br />
B.2 ERGEBNISSE DER TESTKLAUSUR.........................................................................................................130<br />
B.3 AUSWERTUNG DER FRAGEBÖGEN .......................................................................................................132<br />
B.3.1 Ankreuzfragen................................................................................................................................132<br />
B.3.2 Auszufüllende Antworten ...............................................................................................................134<br />
B.4 ZUSAMMENFASSUNG...........................................................................................................................139<br />
LITERATUR......................................................................................................................................................141<br />
INTERNET-SEITEN, CBT- UND DATEI-REFERENZEN..........................................................................147<br />
LEBENSLAUF...................................................................................................................................................151<br />
INDEX ................................................................................................................................................................153<br />
xiii
xiv<br />
Inhalt
Die virtuelle Lehre reißt Löcher in die Uni-Kassen<br />
1 Einleitung<br />
Einleitung<br />
betitelt soeben die Computer Zeitung vom 30. Juni 2003, und weiter: Ohne<br />
Subventionen von Staat oder Land können mediengestützte Studiengänge kaum<br />
überleben. […] Die Investitionen rechnen sich nicht, Entwicklung und Betreibung sind<br />
teuer und aufwändig. Genau aus diesen Gründen erforschen wir in der vorliegenden<br />
Arbeit eine kostengünstige Produktion <strong>multimediale</strong>r <strong>Lernprogramme</strong>.<br />
E-Learning lässt hoffen, künftig Wissen „On-Demand“ und unabhängig von Zeit,<br />
Ort und Tutoren verfügbar zu machen. Mit <strong>multimediale</strong>n Methoden wird Wissen<br />
anders als auf die klassische Art vermittelt durch die Kombination von Bild, Ton,<br />
Animation, Film, Sprache und Text zur Präsentation, Interaktion und Kopplung der<br />
<strong>Lernprogramme</strong> mit der realen Welt oder in vielen technischen Bereichen auch mit<br />
ihrer Simulation und anderer CAD-Software.<br />
Die Produkton von <strong>Lernprogramme</strong>n ist<br />
kostenintensiv, weil unter anderem viel<br />
manuelle Arbeit in der Produktion steckt und<br />
Standards fehlen. Bild 1.1 zeigt einen<br />
allgemeinen Design-Flow zur Entwicklung<br />
von <strong>Lernprogramme</strong>n. Häufig wird zunächst<br />
ein Konzept aufgestellt für das<br />
Lernprogramm und das zu vermittelnde<br />
Bild 1.1 Lernprogramm-Design-Flow<br />
Wissen. Daraus werden ein Drehbuch<br />
abgeleitet und die Spezifikation der Assets genannten <strong>multimediale</strong>n Komponenten<br />
eines Lernprogramms. Nach den Vorgaben des Drehbuchs werden die Assets dann<br />
produziert. Je nach Asset-Typ (Bild, Ton, Animation, Film etc.) kann die Produktion<br />
sehr zeitaufwändig und teuer werden. Schließlich werden die Assets und das Material<br />
<strong>zum</strong> fertigen Lernprogramm zusammengefügt, was wiederum viel Zeit kostet,<br />
abhängig vom Interaktionsgrad. Typischerweise wird ein Autorensystem verwendet
2<br />
Kapitel 1. Einleitung<br />
zur Entwicklung interaktiver <strong>multimediale</strong>r Anwendungen. Da <strong>Lernprogramme</strong><br />
keinem globalen Standard unterliegen, können die Konzepte beliebig stark<br />
voneinander abweichen. Ein Design-Reuse ist daher zunächst kaum möglich.<br />
In dieser Arbeit werden Regeln zur kostengünstigen und standardisierten<br />
Produktion von <strong>Lernprogramme</strong>n vorgestellt. Praktisch wird ein Referenzmodell<br />
entwickelt als Standardschablone für die Produktion. Es unterstützt auch die modulare<br />
Kopplung mehrerer <strong>Lernprogramme</strong>n zu Lernsystemen.<br />
Very Large Scale Integration oder kurz VLSI steht für die Höchstintegration von<br />
Schaltkreisen mit bis zu einer Milliarde Transistoren pro <strong>Chip</strong>. Alle Schritte <strong>zum</strong><br />
<strong>Entwurf</strong> solch komplexer <strong>Chip</strong>s werden heute an Computern durch die Anwendung<br />
spezieller, hochkomplexer CAD-Software ausgeführt, mit einem Lizenzwert von bis zu<br />
100.000 Euro. In der Lehre muss <strong>zum</strong> einen der Umgang mit diesen wertvollen<br />
Software-Werkzeugen vermittelt werden, <strong>zum</strong> anderen natürlich das<br />
Grundlagenwissen zu den Abläufen, Methoden, Techniken, Regeln und<br />
Empfehlungen.<br />
Für beide Felder, die Grundlagen und die Praxis, kann der ergänzende Einsatz<br />
<strong>multimediale</strong>r Lehre Kosteneinsparungen und Qualitätssteigerung bringen. Zum<br />
Beispiel können Studierende mit <strong>Lernprogramme</strong>n das Arbeiten mit den <strong>Chip</strong>-<br />
<strong>Entwurf</strong>swerkzeugen schneller, selbständiger und kostengünstiger erlernen. Den CAD-<br />
Werkzeugen zugrunde liegende Algorithmen und Prinzipien können durch animierte<br />
und interaktive Methoden anschaulicher als bisher vermittelt werden.<br />
Die Arbeit beginnt in Kapitel 2 mit Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen. Es<br />
werden Entwicklungen sowohl im wirtschaftlichen als auch im universitären Umfeld<br />
aufgezeigt. Schließlich wird die Integration von E-Learning in die VLSI-Ausbildung<br />
diskutiert.<br />
Der Hauptteil der Arbeit besteht aus den folgenden vier Kapiteln. Kapitel 3<br />
beginnt mit der Analyse von Vor- und Nachteilen von Eigenentwicklungen von<br />
<strong>Lernprogramme</strong>n im Gegensatz zu kommerziell verfügbaren oder in<br />
Auftragsproduktion entstandenen <strong>Lernprogramme</strong>n. Abschnitt 3.2 gibt einen Einblick<br />
in die Klassifizierung von <strong>Lernprogramme</strong>n nach Attributen, Lerntheorien und<br />
methodischen Grundtypen. Abschnitt 3.3 stellt zunächst unser Konzept zur<br />
kostengünstigen Produktion vor. Die Abschnitte 3.4 und 3.5 zeigen die von uns <strong>zum</strong><br />
<strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> umgesetzten Schritte des Konzepts aus Abschnitt 3.3.<br />
Im 4. Kapitel stellen wir das von uns entwickelte Referenzmodell für<br />
<strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong> vor, zunächst seine Spezifikation unterteilt nach<br />
Anforderungen, Zielgruppen, Voraussetzungen, Komponenten, Design-Empfehlungen<br />
und sein praktischer Einsatz. In Abschnitt 4.2 folgen Einzelheiten zur Umsetzung der<br />
Spezifikation. Der letzte Abschnitt 4.3 diskutiert kurz die mit dem Referenzmodell<br />
mögliche Zeitersparnis.<br />
Das 5. Kapitel baut auf dem 4. auf und erläutert die praktische Umsetzung des<br />
Referenzmodells mit Authorware. Dazu werden zunächst einige wesentliche, <strong>zum</strong>
Verständnis notwendige Details der Authorware-Programmierung erklärt und darauf<br />
aufbauend ausgewählte Details der Implementierung des Referenzmodells. Weitere<br />
Details sind im Anhang A dargestellt.<br />
Die praktische Anwendung des Referenzmodells beim Aufbau des Lernsystems<br />
VeriBox <strong>zum</strong> VLSI-<strong>Entwurf</strong> wird in Kapitel 6 dargestellt. In Abschnitt 6.1 werden die<br />
Module der VeriBox und weitere <strong>Lernprogramme</strong> vorgestellt. Abschnitt 6.2 gibt einen<br />
kompakten Überblick zu wesentlichem Wissen des <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong>s wieder<br />
und die Verzahnung und Umsetzung durch die VeriBox. Der letzte Abschnitt im<br />
Kapitel 6 stellt einen Feldtest zur Evaluierung eines unserer <strong>Lernprogramme</strong> auf der<br />
Basis des Referenzmodells vor. Alle Materialien und Ergebnisse <strong>zum</strong> Feldtest finden<br />
sich in Anhang B.<br />
3
4<br />
Kapitel 1. Einleitung
2 Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
Betrachtungen<br />
<strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
Lernen und Lehren verändern sich im Wandel von der Industriegesellschaft zur<br />
Informationsgesellschaft. Es sind sowohl technische als auch strukturelle<br />
Veränderungen, die die klassische Lehre in Frage stellen. Im folgenden werden<br />
zunächst Zeichen im Bereich der Wirtschaft, dann der Hochschulen aufgezeigt. Ganz<br />
wesentlich ist auch das veränderte Engagement der Lernenden, als Reflex auf<br />
Anforderungen der Neuzeit, vom Vorratslernen hin <strong>zum</strong> lebenslangen Lernen.<br />
Weiterführend werden Hochschullehrer als Teil des Hochschulsystems in diese<br />
Betrachtungen einbezogen. Über die Rolle der Tutoren lassen sich Veränderungen an<br />
den Hochschulen definieren. Schließlich folgt im Speziellen eine Betrachtung der<br />
Ausbildung <strong>zum</strong> <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> hinsichtlich des Lernens mit neuen Medien.<br />
2.1 Zeichen für den Bedarf an neuen Lehr- und<br />
Lernformen<br />
Der Siegeszug des Personal Computers hat den Wandel zur Informationsgesellschaft<br />
forciert. Durch die kontinuierlich rasante Entwicklung der Computertechnik und<br />
vornehmlich der integrierten Schaltungen fanden die modernen Kommunikationswerkzeuge<br />
der Informationsgesellschaft Einzug ins Leben. Heute sind im Vergleich zu 1970<br />
1 Mio. Mal mehr Speicherzellen auf einem <strong>Chip</strong>, Speicherzellen 4 Mio. Mal günstiger,<br />
100 Mal feinere Strukturen auf den <strong>Chip</strong>s und über 20.000 Mal mehr Transistoren<br />
integriert, die 20.000 Mal schneller schalten können [Infi02, S.2].<br />
1989 schufen die Entwicklungen HTML, URL und HTTP eine weitere<br />
Revolution. Das Internet entstand als ein Instrument der akademischen Forschung,<br />
entwickelte sich jedoch schnell ausserhalb der Wissenschaft zu einem der<br />
einflussreichsten Kommunikationsmedien und zu einer wirtschaftlichen Triebfeder<br />
unserer Zeit. Die soziale und ökonomische Bedeutung des Internets ist vergleichbar<br />
mit der Industriellen Revolution oder der Erfindung von Telefon und Fernsehen<br />
[Booz00, S.6].
6<br />
Kapitel 2. Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
Die oben beschriebenen Entwicklungen sind mit Auslöser der Prozesse, die die<br />
Entwicklung von der Industrie- zur Informationsgesellschaft vorantreiben. Sie treten in<br />
der Wirtschaft wegen der stärkeren Konkurrenz deutlicher auf. Im folgenden werden<br />
diese Prozesse im Zusammenhang mit der Wirtschaft, den Unternehmen und<br />
anschließend im Rahmen der Hochschulen betrachtet.<br />
2.1.1 Anzeichen im wirtschaftlichen Umfeld<br />
In Unternehmen werden Lernformen wie Ausbildung, Umschulung und Weiterbildung<br />
für die Zukunft eine noch stärkere Dominanz im Arbeitsleben haben, jedoch nicht in<br />
der klassisch bekannten Form, sondern auf eine neue Art, durch Integration von neuer<br />
Informationstechnologie. Variierende Allianzen zwischen den Unternehmen zwingen<br />
die Mitarbeiter beim Umgang mit Wissen flexibel zu handeln. Unternehmen stehen<br />
unter dem Druck, neue Methoden schnell in Produktivität umsetzen zu müssen. Die<br />
Halbwertzeit des Wissens ist so hoch, dass Wissen ganzer Berufszweige innerhalb von<br />
zehn Jahren völlig veraltet. Da Menschen sehr stark in wechselnden Projekten bei<br />
veränderten Anforderungen arbeiten, können sie potenziell auch alle zehn Jahre etwas<br />
Neues machen [Magn01, S.31].<br />
Zeit für gemeinschaftliches Präsenzlernen wird immer knapper, das Selbstlernen<br />
rückt stärker in den Vordergrund. In immer kürzerer Zeit werden Produkte entwickelt,<br />
die auf immer neuen Methoden und Technologien basieren; mit der gestiegenen<br />
Innovationsrate sinkt auch die Halbwertzeit des Wissen. Lernen im Zeitwettbewerb<br />
bedeutet dabei immer auch kontinuierliches Entlernen, um Raum für neues Wissen zu<br />
schaffen. Angesichts der Tatsache, dass die Halbwertzeit des Wissens in vielen<br />
Bereichen auf unter drei Jahre gesunken ist und sich derzeit alle fünf Jahre das<br />
menschliche Wissen verdoppelt, eine Überlebensnotwendigkeit. Hinzu kommt, dass<br />
durch normale Fluktuation jährlich bereits fünf Prozent des Unternehmenswissens<br />
verloren gehen [Schw02, S.30].<br />
Stark schwankende Nachfragen verlangen nach flexiblen Produktionszyklen, zu<br />
denen Mitarbeiter kurzfristig angelernt werden müssen. Mit klassischen Lehrmitteln<br />
und Methoden kann der Bedarf kaum befriedigt werden. Die Konstellation, dass<br />
während einer Präsenzschulung Kosten für Tutoren, Räumlichkeiten, Reisen u.v.m.<br />
anfallen und gleichzeitig durch die Abwesenheit der Mitarbeiter die Produktion ruht,<br />
erhöht den Bedarf an Lösungen, die mit der neuen Informationstechnologie näher<br />
rücken. Das ergibt deutliche Anforderungen an ein Lernen der Zukunft: es muss<br />
Wissen in Echtzeit liefern, modulare, genau auf individuellen Bedarf zugeschnittene<br />
Wissenspakete liefern und weltweit distributierbar sein [Magn01, S.27].<br />
Die gestiegene Innovationsrate und die kürzer werdende Halbwertzeit von Wissen<br />
sind zwei Faktoren, die ein stärkeres ständiges Weiterlernen notwendig machen, das<br />
modern mit dem Begriff lebenslanges Lernen umschrieben wird. Das Tempo, in dem<br />
die Informationsmenge zunimmt, hat in den letzten Jahrzehnten eine atemberaubende
2.1 Zeichen für den Bedarf an neuen Lehr- und Lernformen 7<br />
Höhe erreicht: Allein in den acht Jahren zwischen 1972 und 1980 wurden so viele<br />
Informationen gesammelt wie in den 2000 Jahren zuvor. Fünfzig Jahre nach dem<br />
Druck der ersten Gutenbergbibel waren rund zwei Millionen Druckerzeugnisse<br />
veröffentlicht; heute werden weltweit mehr als 3000 Bücher täglich publiziert, weit<br />
über eine Million im Jahr [Hase95, S.13]. Um diese Flut zu beherrschen, tritt eine<br />
Verlagerung von der Erstausbildung zur qualifizierten, kontinuierlichen Weiterbildung<br />
ein mit neuen Anforderungen an die Arbeitnehmer der Zukunft. Im 21. Jahrhundert,<br />
im Übergang vom Industrie- <strong>zum</strong> Informationszeitalter, werden qualifizierte und<br />
innovative Mitarbeiter und die Fähigkeit, kontinuierlich und schnell Kompetenz und<br />
Wissen aufzubauen, zu den wichtigsten Wettbewerbsfaktoren [Schw02, S.29].<br />
Neue Anforderungen an die Unternehmen verdeutlichen, dass ein Bedarf an<br />
neuen Lehr- und Lernformen notwendig wird.<br />
In diesem Zusammenhang wird der Begriff des E-Learning als die Zukunft des<br />
Lernens angesehen. In [BaHM02, S.302] wird E-Learning umschrieben als:<br />
Ursprünglich Sammelbegriff für alle Formen elektronisch unterstützten Lernens.<br />
Eingeschlossen darin sind netz- und satellitengestütztes Lernen, Lernen per<br />
interaktivem TV, CD-ROM, Videobändern usw. Mehr und mehr wird der Begriff<br />
jedoch ausschließlich für Internet- bzw. Intranet-basiertes Lernen verwendet.<br />
In dieser Arbeit umfasst E-Learning alle Formen elektronischer Lehre,<br />
insbesondere software-basierte <strong>Lernprogramme</strong>. Gewöhnlich steht CBT für<br />
„Computer-Based-Training“, bei uns dagegen soll CBT für Computer-Based-<br />
Training-Lernprogramm stehen, und zwar für eines, das überwiegend offline läuft, also<br />
beispielsweise von einem lokalen Rechner aus. Entsprechend soll WBT (Web-Based-<br />
Training) stehen für ein Web-Based-Training-Lernprogramm, das überwiegend online<br />
arbeitet, etwa über einen Internet-Browser. Die Grenzen zwischen CBTs und WBTs<br />
sind offensichtlich fließend, indem CBTs beispielsweise gelegentlich auch auf andere<br />
entfernte Programme zugreifen.<br />
E-Learning wird als eine Antwort auf Fragen im Bereich der Aus- und<br />
Weiterbildung gesehen, mit denen sich Unternehmen in zunehmender Globalisierung<br />
konfrontiert sehen. Es ist aber auch bekannt, dass die Einführung des E-Learning<br />
zusätzliche Anstrengungen und einen Wandel in den Unternehmensstrukturen fordert.<br />
Die E-Kommunikation erfordert eine Veränderung der Kultur in den Unternehmen und<br />
einen Transfer in Richtung Selbst-Lernkultur und konsequenten Umgang mit Systemen<br />
<strong>zum</strong> Wissensmanagment. Ohne E-Learning, d.h. nur mit den herkömmlichen<br />
Instrumenten der Weiterbildung, werden Unternehmen diese Veränderungsprozesse<br />
kaum und schon gar nicht in der geforderten Zeit bewerkstelligen können<br />
[Neum02, S.17].<br />
Investitionszahlen der US-Wirtschaft als Trend-Setter zeigen das Potenzial.<br />
E-Learning ist in den USA ein Wachstumsmarkt, der zunehmend auch das Interesse<br />
von Venture-Capital-Firmen findet, was die Entwicklungsdynamik noch weiter forciert.<br />
Schätzungen gehen von einer jährlichen Verdopplung der Investitionen von derzeit
8<br />
Kapitel 2. Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
etwa 2 Mrd. Dollar in diesem Bereich aus und betrachten den Bildungsbereich als den<br />
am stärksten wachsenden Dienstleistungssektor. Zwischen 1990 und 2000 haben<br />
Investoren – wie eine Studie der Marktforschungsfirma Eduventures belegt – rund 10<br />
Mrd. Dollar in private E-Learning-Unternehmen investiert. Lagen die Aufwendungen<br />
der amerikanischen Wirtschaft im Jahre 1997 erst bei 197 Mio. Dollar und steckt die<br />
Entwicklung auch heute noch in den Kinderschuhen, so wird für das Jahr 2003 ein<br />
Marktvolumen von 11,3 Mrd. Dollar prognostiziert. Eine Entwicklung die – so IDC<br />
International Data Corporation – alle anderen Lernmethoden in den Schatten stellen<br />
wird [Schw02, S.42].<br />
Eine Befragung von C-DAX-Unternehmen in Deutschland [Inno01, S.2] stellt<br />
heraus, dass bereits jetzt E-Learning in Unternehmen begonnen hat, sich zu etablieren.<br />
E-Learning hat bereits einen hohen Verbreitungsgrad erreicht. So führt bereits ein<br />
Drittel der Unternehmen elektronische Weiterbildungsmassnahmen durch, wobei über<br />
90% davon Computer Based Training (CBT) einsetzen. Diese Unternehmen erwarten<br />
als Vorteile eine erhöhte Verfügbarkeit, Zeitersparnis, erhöhtes Selbstlernen sowie<br />
Kostenersparnis. Am ehesten erfüllt werden dabei die Erwartungen einer Zeitersparnis<br />
sowie einer erhöhten Verfügbarkeit, gefolgt von der Kostenersparnis. Weiter ergab die<br />
Befragung [Inno01, S.4]: Der Einsatz von E-Learning wird zukünftig steigen. So<br />
planen in der Gruppe der „E-Learner“ 73% der Befragten eine Ausweitung des<br />
bestehenden Angebotes. Bei den „Traditonellen Weiterbildern“ plant bzw. diskutiert<br />
über die Hälfte die Einführung von E-Learning.<br />
Die Unternehmen haben erkannt, dass der Bedarf, im 21. Jahrhundert die<br />
Ausbildung der Mitarbeiter schnell und effizient zu gestalten, ein das Überleben<br />
sichernder Schritt ist. Hierzu wird E-Learning als eine Lösung gesehen, und es wird in<br />
die Entwicklung und Integration neuer Lehr-/Lernformen investiert. Es ist zu erwarten,<br />
dass mit dem anhaltenden Einsatz von E-Learning in Unternehmen und privaten<br />
Haushalten die Akzeptanz weiter steigen wird. Dann wird das Benutzen von<br />
E-Learning, ähnlich wie Telefon, Fax, Computern und zunehmend auch Internet <strong>zum</strong><br />
alltäglichen Einsatz führen. Die Zahl der Internet-Nutzer ist in weniger als einem Jahr<br />
um 2,9 Millionen Nutzer auf jetzt 23,2 Millionen gewachsen. Damit sind 45,7 Prozent<br />
der Bevölkerung [von allen potenziellen Internetnutzern in Deutschland] im Web<br />
[EPub02]. Ob es gleichzeitig die traditionellen Lehrformen verdrängen wird, ist kurzund<br />
mittelfristig zunächst zu bezweifeln. Langfristig hängt es entscheidend mit den<br />
Entwicklungen in der Zukunft ab, die E-Learning durchaus noch attraktiver machen<br />
könnten.<br />
2.1.2 Anzeichen im Umfeld der Hochschulen<br />
Der Wandel zu einer Wissensgesellschaft äußert sich unter Anderem in den<br />
gestiegenen Studentenzahlen. Die 16. Sozialerhebung im Auftrag des Deutschen<br />
Studentenwerkes (DSW) vom 19.08.2001 belegt, dass seit 1975 bis 2000 die Anzahl
2.1 Zeichen für den Bedarf an neuen Lehr- und Lernformen 9<br />
der Studierenden und Studienanfänger, mit Phasen des Rückgangs, gestiegen sind.<br />
Bild 2.1 veranschaulicht diese Zahlen.<br />
Bild 2.1 Deutsche und ausländische Studierende und<br />
Studienanfänger 1975 bis 2000 nach Geschlecht<br />
[DeSW01, Bild 2.1]<br />
In modernen Gesellschaften wird Bildung immer wichtiger und von immer mehr<br />
Menschen praktiziert. Prof. Wolter schreibt in [Wolt01, S.47]: Moderne Gesellschaften<br />
scheinen sich relativ konvergent zu einer Gesellschaft der langen oder immer längeren<br />
Bildungswege hinzuentwickeln. Als Anzeichen nennt er die Verlängerung von<br />
Pflichtschulzeiten und die Ausweitung beruflicher Erstausbildungszeiten sowie die<br />
Tatsache, dass ein immer größerer Teil der jüngeren Generationen Bildungswege<br />
präferiert, die traditionell schon immer länger waren (in Deutschland z.B. Gymnasium<br />
und Studium). Weiter schreibt er, dass sich diese Bildungszeiten zusätzlich aber auch<br />
noch – z.B. durch eingeschobene andere Ausbildungsphasen oder durch Verlängerung<br />
der Verweildauer im Hochschulbereich – immer weiter ausgedehnt haben. Die Statistik<br />
belegt dies z.B. in [Info02]. In zwölf der 20 beliebtesten Uni-Studiengänge hat sich die<br />
Fachstudiendauer seit 1993 weiter erhöht. Die Absolventen werden so zunehmend
10<br />
Kapitel 2. Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
älter: Waren sie 1980 noch 27,1 Jahre jung, so zählten sie im Jahr 2000 bereits<br />
29 Lenze. Als Gründe für längere Studienzeiten sind natürlich auch überfüllte<br />
Hochschulen, fehlende Betreuer und ausbleibende Reformen zu nennen. Diese Fakten<br />
sind jedoch kein Widerspruch, sondern unterstreichen zusätzlich den Bedarf an neuen<br />
Lehr- und Lernformen, die offensichtlich ausschließlich mit klassischen Mitteln nicht<br />
gedeckt werden können.<br />
Der Drang nach Bildung durchzieht alle Schichten der Gesellschaft. Es wird<br />
bestärkt durch hohe Innovationsraten, kurze Halbwertzeit von Wissen, zunehmende<br />
Informationsflut durch klassische und neue Medien, dem stärkeren Wettbewerb durch<br />
Globalisierung, um hier einige Einflüsse zu nennen (vgl. Abschnitt 2.1.1). Hinzu<br />
kommt die Erkenntniss, dass Arbeitsplätze für unqualifizierte Arbeitnehmer<br />
zunehmend in der Gesellschaft geringer werden. Der beste Schutz gegen<br />
Arbeitslosigkeit ist Bildung – dabei gilt: Je mehr, desto besser. [...] Dagegen wird<br />
Arbeitslosigkeit zunehmend zu einem Problem der Geringqualifizierten. War zu Beginn<br />
der 90er Jahre nur jeder Siebte ohne abgeschlossene Ausbildung arbeitslos, so fand im<br />
Jahr 2001 bereits jeder Vierte von ihnen keine Anstellung [Fors02].<br />
An den Hochschulen ist zunehmend die Tendenz hin <strong>zum</strong> lebensbegleitenden<br />
Studium zu beobachten, dass durch die Flexibilisierung der Lern- und Lebensmodelle<br />
begünstigt wird. [Hanf01, S.10] berichtet über eine Befragung von Studenten, in der<br />
nach dem Stellenwert des Studiums im Leben gefragt wurde. Ein immer größerer<br />
Anteil von ihnen scheint den Job nicht lediglich als Quelle <strong>zum</strong> Gelderwerb zu sehen,<br />
sondern sich mit ihm zu identifizieren. Das Studium wird quasi zur Nebensache,<br />
notwendig, um einen akademischen Abschluss zu erlangen, aber nachrangig, wenn es<br />
um die Ausgestaltung der persönlichen Karriereperspektiven geht. Nach unseren<br />
Beobachtungen gibt es bei einer beachtlichen Anzahl von Studierenden eine<br />
Schwerpunktsverlagerung vom Studium zur Erwerbsarbeit, die dadurch begünstigt<br />
wird, dass die relativ großzügigen Gestaltungsfreiräume ein Studieren auf Teilzeitbasis<br />
ermöglichen. Eine stringentere Strukturierung der Studienorganisation wird daher von<br />
der Mehrheit der Studierenden abgelehnt.<br />
Lebensbegleitendes Lernen wird auch oft mit dem Begriff lebenslanges Lernen<br />
bezeichnet (vgl. Abschnitt 2.1.1). Ein Konzept des lebenslangen Lernens stellt<br />
Prof. Wolter sehr ausführlich und in allen Ausprägungen in [Wolt01, S.42] vor. Als<br />
Gründe für den expansiven Bedarf an lebenslangem Lernen nennt er:<br />
1. Den Strukturwandel von Wirtschaft und Beschäftigung, in dem kürzere<br />
Innovationszyklen und der Bedarf, immer schneller und flexibler auf neue<br />
Anforderungen reagieren zu müssen, deutlich werden.<br />
2. Die Dynamik der Wissens- und Wissenschaftsentwicklung, in der immer schneller<br />
Wissensbestände und Kompetenzen entwertet werden. Lebenslanges Lernen ist<br />
erforderlich, um in allen Handlungsfeldern die Handlungskompetenzen und<br />
Partizipationschancen zu erhalten oder zu vergrößern.
2.2 Die Rolle der Hochschulen in der Zukunft 11<br />
3. Bildungszeiten müssen zugunsten der Weiterbildung umverteilt werden, da<br />
steigende Anforderungen an den Einzelnen, die immer häufigere Wahl von langen<br />
Ausbildungswegen und biographische Veränderungen, die zu einer<br />
kontinuierlichen Ausdehnung vorberuflicher Bildungs- und Ausbildungszeiten<br />
geführt haben, zur Unproduktivität führen. Man geht in diesem Zusammenhang<br />
davon aus, dass die kreativste Lebenszeit vor dem Arbeitsleben verbracht wird.<br />
4. Im lebenslangen Lernen wird auch ein Konzept aktiver Arbeitsmarkt- und<br />
Gesellschaftspolitik gesehen. Durch Verkürzung von Arbeitszeit wird Lebenszeit<br />
verfügbar, die durch lebenslanges Lernen aufgewertet wird. Dies dient in einem<br />
umfassenden Sinne dazu, Personen zu aktivieren oder Aktivitätspotenziale zu<br />
erhalten.<br />
5. Zur Entschärfung sozialer Problemlagen durch lebenslanges Lernen als Instrument,<br />
wodurch der soziale Zusammenhalt des Gemeinwesens gefördert wird. In diesem<br />
Zusammenhang dient lebenslanges Lernen zur Marginalisierung von Personenoder<br />
Problemgruppen sowie um gesellschaftlichen Spaltungstendenzen<br />
entgegenzuwirken und gesellschaftliche Integration zu fördern.<br />
Die Experten sind sich einig, dass die Ausbildung an Hochschulen durch neue<br />
Medien modernisiert werden muss. Anders, scheint es, kann man den veränderten<br />
Wissenskonsum in der Zukunft nicht befriedigen. Spätestens seit Mitte der 90er Jahre<br />
wird die Notwendigkeit des umfassenden Einsatzes von Computern und Neuen Medien<br />
an den Hochschulen als ein zentrales Thema der Hochschulpolitik in der<br />
Bundesrepublik thematisiert [BMBF02, S.5]. Der klassische Weg, dass ein Lehrer,<br />
Trainer oder Professor in einer Präsenzveranstaltung lehrt, ist wohl noch immer die<br />
ideale Lernumgebung. Diese Konstellation ist jedoch im Rahmen der gestiegenen<br />
Anzahl an Lernenden und des lebenslangen Lernens eine kostenintensive Form. But<br />
the possibility of having everyone tutored by a skilled teacher is not realistic, because<br />
of lack of skilled teachers and the cost involved [Bork92, S.3]. Neue Lehr- und<br />
Lernformen müssen durch moderne Konzepte entwickelt und angewendet werden.<br />
2.2 Die Rolle der Hochschulen in der Zukunft<br />
Mit der Weiterentwicklung der Technik werden neue Einsatzmöglichkeiten<br />
erschlossen. Man hat ausgerechnet, dass man durch Berechnen von 80 Mio. Polygonen<br />
pro Sekunde die normale Realität ununterscheidbar abbilden kann. Eine<br />
Spielekonsole, Playstation 2 von SONY, kann bereits 20 Mio. Polygone pro Sekunde<br />
berechnen [Magn01, S.50]. Nach der These von Moore, mit der Annahme, dass die<br />
Anzahl der berechneten Polygone parallel zu der Anzahl Transistoren auf einem <strong>Chip</strong><br />
steigt, wird man in drei Jahren die Realität ununterscheidbar abbilden können, und es<br />
werden sich dann ungeahnte neue Formen und Gestaltungsmöglichkeiten ergeben. Die
12<br />
Kapitel 2. Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
modernen Technologien mit ihren zunehmenden elektronischen Steuerungen und<br />
vernetzten Datenspeicherungen machen ständig neue selbständige Auswahl-,<br />
Erschließungs- und Verarbeitungsprozesse notwendig. Und zunehmende virtuelle<br />
Gestaltungs- und Kommunikationsmöglichkeiten bringen neue Herausforderungen an<br />
die konstruktive Lern- und Integrationsfähigkeit [BMBF01, S.14].<br />
Mit den veränderten Anforderungen an das Lernen der Zukunft (vgl.<br />
Abschnitt 2.1) ändert sich auch die Rolle der Bildungsanstalten. Nach [AlWa01, S.16]<br />
wird im Unterschied zu traditionellen Formen der akademischen Lehre die Moderne<br />
viel stärker von unterschiedlichen Interessen und Perspektiven beeinflusst. Im<br />
derzeitigen, noch überwiegend experimentellen Stadium der Entwicklung und<br />
Verbreitung von Multimedia und Telematik in der Hochschullehre spielen diese<br />
unterschiedlichen Interessen und Perspektiven teilweise eine wesentliche Rolle. [...]<br />
Eine zentrale Folgerung aus dieser Beobachtung von Interesse und Perspektiven ist,<br />
dass multimedial und telematisch gestützte Hochschullehre unvermeidlich zu neuen<br />
Mustern von Arbeitsteilung und Kooperation führen wird.<br />
Zu der Frage, wie die Entwicklung lebenslanges Lernen, Funktion und Bedeutung<br />
der Hochschule verändern wird, schreibt Prof. Wolter, dass sich Hochschulen im<br />
internationalen Maßstab tiefgreifend verändern werden müssen, um diesen neuen<br />
Anforderungen zu entsprechen. Wenn lebenslanges Lernen mehr umfasst als die<br />
sektorale Förderung von Weiterbildung, sondern den Blick auf Bildung als<br />
ganzheitliches und interdependentes System lenkt, dann ist es selbstverständlich auch<br />
auf der Ebene der Hochschule mit der Forderung nach mehr wissenschaftlicher<br />
Weiterbildung allein nicht getan. Vielmehr wird die Realisierung lebenslangens<br />
Lernens tief in die Strukturen der Zugänge, der Angebote, der Formen des Lehrens und<br />
Lernens und des Studiums eingreifen [Wolt01, S.57].<br />
Um ein alt etabliertes Hochschulsystem zu modernisieren, braucht es Kräfte, die,<br />
so scheint es, nur durch Kooperation der Anbieter hervorgebracht werden können. Die<br />
Herausforderung an uns liegt darin, diese weltweiten Wissensnetze aufzubauen [...]<br />
[Magn01, S.27]. Kooperationen dieser Art entstanden in den letzten Jahren. Der<br />
Virtuelle Campus 1 ist einer davon. Die Ursprünge und Anlässe fand sie in den<br />
folgenden drei Entwicklungen, die [AlWa01, S.81] entnommen sind:<br />
1. Es zeigt sich immer offensichtlicher, dass für bestimmte Studiengänge<br />
bzw. - angebote interessante oder notwendige Fachgebiete in der wünschenswerten<br />
Breite und Tiefe nicht an jedem fraglichen Hochschulstandort eingerichtet werden<br />
können. Daraus entsteht der Bedarf an hochschulübergreifenden Kombinationsund<br />
Ergänzungsmöglichkeiten.<br />
1 Das Projekt Virtueller Campus wird seit September 1997 in folgendem Verband von Instituten der<br />
Universitäten Hannover, Hildesheim und Osnabrück bearbeitet: Die Partner vertreten die Fachgebiete Informatik,<br />
Computerlinguistik, Kognitionswissenschaft sowie Informationswissenschaft und bringen diese in den Verbund<br />
ein.
2.2 Die Rolle der Hochschulen in der Zukunft 13<br />
2. Lebenssituationen und Interessen von Studierenden verlangen zunehmend<br />
flexiblere Formen der Studienorganisation. Daraus entsteht ein Bedarf für<br />
produktive didaktische Vielfalt zur Gestaltung unterschiedlicher Lernzugänge für<br />
Studierende.<br />
3. Hochschulen müssen Wege finden bzw. Lösungen entwickeln, um für Studierende in<br />
einem Kontext zunehmender (teilweise auch international ausgeprägter)<br />
Konkurrenz attraktiv zu bleiben bzw. zu werden. Dadurch entsteht ein Bedarf für<br />
eine hohe Qualität virtueller Studienformen und für wettbewerbsfähige<br />
Kooperationsbündnisse.<br />
Um in Hochschulen übergreifendes E-Learning zu etablieren, werden diese<br />
Kooperationen zur Bündelung von Kräften und Kompetenzen als notwendig<br />
angesehen. Ferner wird damit auch der Forderung entsprochen, den Einsatz von<br />
Internet und anderen modernen Mitteln in die Lehre zu integrieren. Dies kann am<br />
besten mit kompetenten Partnern „in der Ferne“ umgesetzt werden. Das<br />
ELAN-Projekt 2 ist eine der jüngsten Kooperationen und definiert als Ziel: Es wird ein<br />
eLearning-Netzwerk an den beteiligten Hochschulen (Netzpiloten und Netzträger) in<br />
Niedersachsen implementiert. Dabei soll aus bereits vorhandenen Kompetenzen<br />
geschöpft werden, die das Netzwerk durch Synergien ausbauen und neue Elemente<br />
entstehen lassen [ELAN02].<br />
Hochschulen müssen auch die Lernenden auf das Leben und das damit<br />
verbundene Lernen nach dem Studium vorbereiten. Es kommt deshalb in Zukunft auf<br />
die Hochschulen die Aufgabe zu, Verstehens-, Orientierungs-, Handlungs- und<br />
Kompetenzgrundlagen für konstruktives und selbstgesteuertes Erschließen von neuem<br />
Wissen zu vermitteln. Das Bestreben, neue Medien in den Lehr- und Studienalltag zu<br />
integrieren, ist nicht nur ein Reflex auf externe Prozesse (Technologieentwicklung,<br />
beschleunigte Entwertung bzw. Erneuerung des Wissens, Notwendigkeit zur<br />
Verarbeitung wachsender Informationsmengen, Wandel der Anforderungen des<br />
Beschäftigungssystems, internationaler Wettbewerb, Globalisierung), sondern erfolgt<br />
auch in der Erwartung eines eigenständigen Beitrags zur Steigerung der Effizienz und<br />
Qualität von Forschung und Lehre an den Hochschulen und einer erhöhten<br />
Nachhaltigkeit des Kompetenzerwerbs als Ergebnis der Hochschulausbildung auch im<br />
Sinne einer Befähigung zu lebenslangem Lernen [BMBF02, S.9].<br />
Hochschulen müssen zukünftig durch Forschung und Entwicklung Wege finden,<br />
neue Medien in die Ausbildung zu integrieren. In diesem Sinne sind probeweise<br />
Bestrebungen wie z.B.:<br />
2 ELAN = eLearning Academic Network (Niedersachsen). Die ELAN-Netzpiloten in Hannover und<br />
Braunschweig haben die Aufgabe, als Spezialisten für den Einsatz von Multimedia in Lehre, Studium und<br />
Weiterbildung zu fungieren und ein Netzwerk für eLearning zu leiten. Das Ziel ist eine hochschulübergreifende<br />
Positionierung und Profilierung sowie eine nachhaltige Verbesserung von <strong>multimediale</strong>n Lehrformen. Dabei<br />
steht auch die wirtschaftlich tragfähige Entwicklung von eLearning-Services und -Angeboten im Vordergrund<br />
[ELAN02].
14<br />
Kapitel 2. Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
- der Import ergänzender Angebote, die am Ort nicht vorhanden sind<br />
- die Nutzung gemeinsam aufbereiteter <strong>multimediale</strong>r Lerneinheiten<br />
- das Anbieten von virtuellen Seminaren über Uni-Grenzen hinweg, jedoch mit<br />
Fachleuten vor Ort<br />
- die Virtualisierung von Vorlesungen durch „Presentation Recording“<br />
zu beobachten. Weiterführende Anwendungen wie z.B.:<br />
- Teleteaching im synchronen Hörsaal-zu-Hörsaal-Szenario<br />
- Import und Export kompletter Vorlesungen<br />
- kosten- und zeitaufwändige <strong>multimediale</strong> Inhaltsaufbereitung<br />
- virtuelle Praktika und Projekte<br />
werden derzeit noch als interessante, aber problematische Formen angesehen und<br />
bedürfen weiterer Forschung und Entwicklung.<br />
2.3 Betreuende Tutoren in der Zukunft<br />
Die Hochschulentwicklung durch neue Medien hat das Ziel, die Lehre zu verbessern<br />
und den Hochschulbetrieb effektiver zu gestalten. Diese oder ähnliche Definitionen<br />
können in vielen Verlautbarungen von Kultusbehörden und Ministerien vernommen<br />
werden. Bislang nehmen die Hochschullehrer eine wesentliche Stellung in der<br />
Ausbildung ein. Sie lehren und leiten die Studenten in Vorlesungen und Übungen,<br />
vornehmlich in Präsenzveranstaltungen. Sie sind Bezugsperson, wenn es um Fragen<br />
<strong>zum</strong> Lehrstoff oder Studium geht. Die Ressource Mensch ist jedoch auch hier die<br />
kostenintensivste Komponente, vor allem im Zusammenhang mit der Präsenzlehre.<br />
In der Lehrer-Lerner-Beziehung bezeichnen wir Lehrende allgemein als Tutor,<br />
unabhängig von ihrer Qualifikation. Es zählen demnach Professoren, Dozenten,<br />
wissenschaftliche Mitarbeiter und auch Hiwis dazu.<br />
Zu Beginn der Multimedia-Euphorie in den 90er Jahren wurden unterschiedliche<br />
Szenarien beschrieben, die man mit Hilfe der neuen Medien als machbar<br />
prognostizierte. Rationalisierung durch Qualitätssteigerung, denn man unterstellt, dass<br />
qualitativ hochwertiges Lernmaterial orts- und zeitunabhängiges und damit<br />
individuelles Lernen unterstützt. Soweit das erfolgreich möglich ist, kann eine partielle<br />
Ablösung vom Präsenzbetrieb erfolgen, d.h. die personale Interaktion zwischen<br />
Lehrenden und Lernenden wird durch die Interaktion mit der jeweiligen<br />
Lernumgebung ersetzt. Dadurch können mit Fernlehre und neuen Formen der<br />
Arbeitsteilung (virtuelle Studiengänge) neue „Kunden“ erschlossen und<br />
Personalaufwand reduziert werden [Slaw02, S.181].<br />
Ähnliche Ansätze entsprachen idealisierten Vorstellungen, die in der Umsetzung<br />
schnell Grenzen fanden. Es wurden die Kosten für solche notwendigen qualitativ
2.3 Betreuende Tutoren in der Zukunft 15<br />
hochwertigen Lernsysteme unterschätzt. Ein entsprechend hoher Aufwand an<br />
Kompetenz und Kosten ist dafür notwendig, weshalb der Aufbau solcher Lernangebote<br />
zunächst nur mit erheblicher Förderung erfolgen kann, die wiederum – um sich zu<br />
rechtfertigen – entsprechend hochwertige didaktische Konzepte und aufwändige<br />
Tauglichkeitsnachweise einfordern [Slaw02, S.181].<br />
Auch wenn durch längere Mehrfachnutzung eine relative Verbilligung eintritt,<br />
bleibt die Implementierung, Wartung und Erneuerung überwiegend nicht<br />
automatisierbare Arbeit. Das hochgradig interaktive Lernprogramm LernSTATS <strong>zum</strong><br />
Lernen der Statistik [...] hat bis heute etwa DM 180.000 gekostet, also bei 60<br />
Lernstunden weniger als DM/h 3.000, bei 60 Studierenden pro Jahrgang weniger als<br />
DM/h/Stud 50 [Schu01, S.369]. Mit der Annahme, dass die Halbwertzeit von Wissen<br />
stetig kleiner wird und gleichzeitig die Innovationsrate steigt (vgl. Abschnitt 2.1),<br />
werden Wartung und Erneuerung einen immer größeren Stellenwert einnehmen. Es<br />
kommt hinzu, dass künstliche Intelligenz nur sehr begrenzt zu realisieren ist, was<br />
wiederum <strong>Lernprogramme</strong> als Ersatz für Tutoren in Frage stellt. Zusätzlich bedarf das<br />
Lernen mit Computern ein verändertes Lernverhalten, das noch nicht in allen<br />
Disziplinen etabliert genug ist. Der Anspruch früherer <strong>Lernprogramme</strong> war es, das<br />
Lernen komplett einem medialen Träger anzuvertrauen, meistens einer CD-ROM oder<br />
einem Web-Angebot als Downloadfile. Dies bedeutet aber einen didaktischen Spagat:<br />
Eine Lernapplikation sollte einerseits ein umfassendes gut erschließbares Fachwissen<br />
bieten – auf der anderen Seite sollte sie den Stoff „einfühlsam“ vermitteln. Durch<br />
diesen Anspruch war die Lernapplikation <strong>zum</strong> Scheitern verurteilt – konnte sie doch<br />
nicht den Dozenten und das Buch gleichzeitig ersetzen [Goer02, S.45].<br />
E-Learning allein, ohne tutorielle Betreuung, bringt keine Effizienzsteigerung. Bei<br />
<strong>Lernprogramme</strong>n, die ohne Tutor auskommen und in denen nur die Maschine<br />
Hilfestellungen per Standards-Mails bietet, geht der Lernerfolg schnell gegen null. Für<br />
eine erfolgreiche Fortbildung müssen die Lernenden über soziale Bande – die auch<br />
virtuell geknüpft werden können – und Betreuung motiviert werden [Loos01]. Diese<br />
Erfahrungen wurden nicht nur an Hochschulen unter Forschungsbedingungen, sondern<br />
auch in der Wirtschaft gemacht, wo in der Regel ausgereifte kommerzielle<br />
<strong>Lernprogramme</strong> <strong>zum</strong> Einsatz kommen. Auch namhafte Konzerne haben die Erfahrung<br />
machen müssen, dass E-Learning ohne eine Betreuung der Lerner nicht die erwarteten<br />
Erfolge brachte. Es traten die gleichen Probleme wie beim herkömmlichen<br />
Selbstlernen auf. Der Mitarbeiter fühlte sich „allein“ gelassen oder er nahm die<br />
Angebote erst gar nicht wahr [Neum02, S.24].<br />
Die jüngsten Expertenmeinungen sind sich einig, dass derzeit E-Learning ohne<br />
Betreuung kaum Erfolgschancen hat. Zu oft wird E-Learning nur als Substitut für<br />
Präsenztrainings gesehen. E-Learning ist jedoch interaktives „Selbstlernen“ und<br />
ermöglicht die Schwächen der bisherigen Formen des Selbstlernen über Skripte,<br />
ausgedruckte Präsentationscharts, Literatur und Fachbücher oder von CD-ROMs<br />
auszugleichen [Neum02, S.19].
16<br />
Kapitel 2. Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
Zu Beginn unserer Forschung vermuteten wir bereits, dass E-Learning als<br />
vollwertiger Ersatz für die klassische Lehre kostengünstig kaum zu realisieren sein<br />
würde. Wir entschieden uns für die Erforschung des kombinierten Einsatzes mit Hilfe<br />
von selbst entwickelten CBTs. Our focus is the development and application of<br />
training programs in chip design in addition to the well-known teaching methods with<br />
lectures and labs [ÇaGo00].<br />
Fakt ist aber auch, dass mit E-Learning Möglichkeiten entstehen, die zuvor nicht<br />
vorhanden waren. Die Zukunft liegt darin, E-Learning in Kombination mit der von<br />
allen Lehrenden und Lernenden praktizierten, auf der Welt einheitlich etablierten<br />
klassischen Lehre, in der Tutoren eine ganz wesentliche Rolle einnehmen, zu<br />
kombinieren. Genau für diese Symbiose, die mit dem Begriff Blended Learning<br />
umschrieben wird, sind Tutoren vielleicht mehr als früher notwendig. Am effektivsten<br />
sind daher Möglichkeiten der Kombination von Selbststudium und Präsenzphasen, was<br />
inzwischen unter dem Begriff „Blended Leraning“ subsummiert wird: hier werden für<br />
einen Lerninhalt/Curriculum mehrere Lerneinheiten definiert, die teils über<br />
asynchrones WBT-Lernen <strong>zum</strong> Aufbau von Basiswissen, mittels [...] virtueller<br />
Seminare für Verständisfragen und mittels Präsenzphasen für Übungseinheiten<br />
verbunden werden [Neum02, S.20].<br />
Nach unserer Meinung werden Tutoren auch zukünftig Maßstäbe für Lernende<br />
setzen und als „Wegweiser“ dienen. Sie werden nicht kurzfristig bis mittelfristig von<br />
Lernsoftware zu ersetzen sein. Tutoren müssen sich jedoch mit den neuen Medien<br />
vertraut machen, um die Kompetenz in ihrer Rolle zu erfüllen. Der Lernende wird in<br />
Zukunft die Möglichkeit haben zu wählen wann, mit welchen Mitteln, mit welcher<br />
Intensität er lernen möchte und von welchen Tutoren er dabei Unterstützung haben<br />
will. Die Tutoren werden als Anbieter von Wissen ein größeres Angebot führen<br />
müssen, d.h. zukünftig auch die Aufgabe der Zusammenstellung, der Pflege und<br />
Integration des täglich zunehmenden E-Learning-Angebots betreuen müssen. Der<br />
Tutor [der Zukunft] ist Wissensvermittler und Arrangeur von Wissen [Neum02, S.25].<br />
2.4 E-Learning in der VLSI-Ausbildung<br />
Allgemein ist eine Tendenz zu beobachten, dass der Einsatz von E-Learning verstärkt<br />
in Bereichen der Telekommunikation und EDV <strong>zum</strong> Zuge kommt. Der Bedarf an<br />
E-Learning-Lösungen ist bei IT-Kräften aufgrund der hohen Innovationsgeschwindigkeit<br />
und der geringen Halbwertzeit des Wissens am größten. Hinzu kommt,<br />
dass diese Zielgruppe den Computer als Lernmedium von vornherein akzeptiert<br />
[Neum02, S.39].<br />
Im folgenden soll die Eignung der VLSI-Ausbildung für E-Learning diskutiert<br />
werden.
2.4 E-Learning in der VLSI-Ausbildung 17<br />
2.4.1 <strong>Entwurf</strong> digitaler Schaltungen<br />
Obwohl fast täglich neue Rekorde durch leistungsfähigere <strong>Chip</strong>s gebrochen werden,<br />
die Kapazitäten der Speicher ständig wachsen und die Leitungsstrukturen stetig kleiner<br />
werden, haben den <strong>Entwurf</strong> digitaler Schaltungen vor allem einige wenige<br />
Entwicklungen wesentlich beeinflusst:<br />
- Computer-Aided-Design-Werkzeuge (CAD-Tools);<br />
- Hardware-Beschreibungssprachen (Hardware Description Language, HDL),<br />
zur Beschreibung und zur Simulation von Schaltungen;<br />
- Synthese-Compiler zur automatischen Transformation von einer höheren auf<br />
eine niedrigere <strong>Entwurf</strong>sebene, insbesondere die Logiksynthese.<br />
Zweifellos sind Computer und CAD-Werkzeuge das unentbehrliche<br />
Handwerkszeug eines <strong>Chip</strong>-Designers. Mit exponenziell wachsender Zahl der<br />
Transistoren auf einem <strong>Chip</strong> (1960 zwei Transistoren, 2002 bereits eine Mrd. [Golz02,<br />
S.1-3]) wuchs auch der Einsatz von Computern beim <strong>Entwurf</strong> von digitalen<br />
Schaltungen. Heute sind Computer unentbehrlich und werden auf allen<br />
<strong>Entwurf</strong>sebenen mit unterschiedlichen Werkzeugen genutzt. With the advent of LSI<br />
(Large Scale Integration), designers could put thousands of gates on a single chip. At<br />
this point, design processes started getting very complicated, and designers felt the<br />
need to automate these processes. Computer Aided Design (CAD) techniques began to<br />
evolve [Paln96, S.3].<br />
Um den Nutzungsgrad des Computers beim <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> zu verdeutlichen, wird<br />
im folgenden ein möglicher Ablauf im VLSI-<strong>Entwurf</strong> kurz vorgestellt, ohne dabei ins<br />
Detail zu gehen.<br />
Ein möglicher Schaltungsentwurfsablauf<br />
Nach der Spezifikation einer Schaltung beginnt der Designer in der Regel seinen<br />
Top-Down-<strong>Entwurf</strong> zunächst als Verhaltensmodell in einer HDL. Dabei werden<br />
interne hardware-nahe Strukturen der Schaltung nicht betrachtet, lediglich das<br />
Verhalten nach außen modelliert. Das Verhaltensmodell wird am Computer<br />
eingegeben und anschließend simuliert und analysiert.<br />
Im nächsten Schritt wird ebenfalls in einer HDL ein Register-Transfer-Logik-<br />
Modell (RTL-Modell) entwickelt. Das RTL-Modell beschreibt die Schaltung in<br />
Abhängigkeit von später zu fertigenden Registern und kombinatorischer Logik. Die<br />
durch das RTL-Modell definierte Schaltungsstruktur wird in der Regel, sofern sie nicht<br />
durch Optimierungsprozesse verändert wird, in die Fertigung übernommen. Die<br />
wesentliche Schwierigkeit beim <strong>Entwurf</strong> des RTL-Modells ist, unbeabsichtigte<br />
Strukturen, die als Folge unsauberer Konstruktionen im RTL-Modell auftauchen<br />
können, zu vermeiden. Hierzu wurden z.B. an der Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter<br />
Schaltungen (E.I.S.) der TU Braunschweig Regeln und Empfehlungen aufgestellt,
18<br />
Kapitel 2. Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen<br />
deren kombinierte Anwendung in der Verantwortung des Designers steht. Das RTL-<br />
Modell wird, wie das Verhaltensmodell auch, am Computer entwickelt, simuliert und<br />
analysiert.<br />
Im nun folgenden Entwicklungsschritt wird das RTL-Modell mit Hilfe eines<br />
Compilers synthetisiert und in eine Gatternetzliste überführt. Einfluss nimmt der<br />
Designer auf die automatische Logiksynthese durch die Design-Constraints<br />
(Optimierungsziele) und die gewählte Technologiebibliothek. Ansonsten erfolgt die<br />
Umsetzung abgekoppelt vom Einfluss des Designers. Die Herausforderung hierbei<br />
besteht darin, die Design-Constraints „richtig“ anzugeben. Fehlende oder<br />
unrealistische Design-Constraints können zu schlecht optimierten Ergebnissen führen.<br />
Nach der Logiksynthese wird die Netzliste zur Fertigung an den <strong>Chip</strong>-Hersteller<br />
übergeben oder, wenn der Ablauf für ein FPGA (Field-Programmable Gate-Array –<br />
ein programmierbarer <strong>Chip</strong>) bestimmt war, entsprechend weiterverarbeitet. Zwischen<br />
allen Entwicklungsschritten sind Tests und Simulationen zur Sicherung der Integrität<br />
enthalten, die hier im einzelnen nicht erwähnt sind.<br />
2.4.2 E-Learning im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong><br />
Zur VLSI-Ausbildung sind Grundlagen der Informatik notwendig, und damit wird die<br />
VLSI-Ausbildung an Universitäten im wesentlichen im Hauptstudium angeboten. Die<br />
teilnehmenden Studenten verfügen, neben notwendigen technologischen und<br />
theoretischen Grundlagen aus dem Grundstudium, bereits auch über Fähigkeiten im<br />
Umgang mit dem Computer. Durch wiederholt notwendiges Studieren von<br />
elektronischen Handbüchern, Anleitungen zu Programmen oder auch schon das<br />
Programmieren als Disziplin besitzen sie Erfahrungen im Lernen am Computer, also<br />
mit Abläufen, die im E-Learning ähnlich auftauchen. Ein der eigentlichen Lernphase<br />
vorgeschaltetes Anleiten zur Arbeit oder dem Lernen am Computer kann somit oftmals<br />
entfallen.<br />
Die Informatik ist im Allgemeinen eine EDV-affine Disziplin mit entsprechend<br />
systematischem Wissen. Die Informatik eignet sich dazu [<strong>zum</strong> E-Learning] besonders<br />
gut, da in ihr viel systematisch aufgebautes Wissen vermittelt wird [Ottm02]). Die<br />
Inhalte der VLSI-Ausbildung im Speziellen sind zur Präsentation am Computer<br />
ebenfalls gut geeignet, weil die Anwendung des Gelernten im wesentlichen am<br />
Computer erfolgt (vgl. Abschnitt 2.4.1). Es ist z.B. mit <strong>Lernprogramme</strong>n möglich, dem<br />
Lernenden seine zukünftige Arbeitsumgebung und die Werkzeuge identisch und real<br />
zu vermitteln. Das Medium Buch (hier stellvertretend für alle geschriebenen Medien)<br />
kann den Umgang mit den CAD-Werkzeugen nicht dynamisch vermitteln. Die<br />
dynamische Wiedergabe von dynamischen Prozessen kann das Lerntempo erhöhen.<br />
Beim Lernen mit einem Buch müssen zunächst die Vorgänge vor dem inneren Auge<br />
eine imaginäre Dynamik bekommen. Diese subjektive Wirklichkeit kann auch bei<br />
falscher Vorstellung zu Fehlern oder falsch Gelerntem führen, das anschließend bei der
2.4 E-Learning in der VLSI-Ausbildung 19<br />
Arbeit mit den realen Tools wieder korrigiert werden muss. Mit E-Learning könnte<br />
hier vorgebeugt und gleich das „Richtige“ vermittelt werden.<br />
Lernende wollen oft die gelernte Theorie gleich durch praktische Anwendung<br />
erfahren und vertiefen. Dieses konstruktive Lernen, bei dem der Rezipient aktiv den<br />
Lernprozess mitgestaltet und nach dem Prinzip des entdeckenden Lernens arbeitet,<br />
wird auch durch die Lernpsychologie favorisiert. Ein derzeit stark propagiertes<br />
Reformkonzept ist der sog. Konstruktivismus. [...] Konstruktivistische Auffassungen<br />
unterstellen die Konstruktion einer subjektiven Wirklichkeit aufgrund eigener<br />
Erfahrungen durch den einzelnen Lerner [Edel00, S.287].<br />
Einen Anfänger ohne Unterstützung gleich an die im Einsatz hochkomplexen<br />
CAD-Werkzeuge zu stellen, kann aber auch zur Folge haben, dass der Lernende<br />
abgeschreckt wird. Diese Erfahrung haben wir z.B. im Umgang mit dem<br />
Synthese-Tool Design-Analyzer von Synopsys gemacht. Studenten berichteten, dass<br />
sie von der Kombinationsvielfalt der Einstellungen abgeschreckt wurden. Durch die<br />
virtuelle Darstellung von CAD-Werkzeugen, in die zu Beginn lediglich wesentliche<br />
Funktionen eingeblendet werden oder aktiviert sind, können diese ohne zu große<br />
Ablenkung gelehrt werden.<br />
Portabilität ist ein weiterer Vorteil. Während CAD-Werkzeuge <strong>zum</strong> <strong>Chip</strong>-Design<br />
kommerziell bis zu 100.000 Euro kosten und nicht ohne weiteres am heimischen PC<br />
verwendet werden können, kann ein Lernprogramm schon eher erschwinglich sein.<br />
Sind die <strong>Lernprogramme</strong> gar selbst entwickelt, können sie möglicherweise über das<br />
Internet an die Lernenden distribuiert werden. Hier sind weitere für die Lehre<br />
vorteilhafte, unterschiedliche Möglichkeiten denkbar. Die im Schaltungsentwurf<br />
eingesetzten CAD-Werkzeuge sind sowohl in der Benutzeroberfläche als auch im<br />
Einsatz hochkomplex. Mit einem großen Betreuungsaufwand werden die Studenten in<br />
der Lernphase an diesen Werkzeugen geschult. Komplexität, Wartungsaufwand sowie<br />
Lizenzbeschränkungen erlauben die Schulung nur ortsgebunden an institutseigenen<br />
Rechnern. Ein ortsunabhängiges Erlernen dieser Werkzeuge beispielsweise zuhause<br />
wäre von Vorteil [Çata01].<br />
Die hier diskutierten Vorteile von E-Learning im Zusammenhang mit den<br />
Entwicklungen zur Informationsgesellschaft rechtfertigen nach unserer Auffassung die<br />
Erforschung neuer Lehr- und Lernmethoden in der Lehre des <strong>Entwurf</strong>s digitaler<br />
Schaltungen.
20<br />
Kapitel 2. Betrachtungen <strong>zum</strong> modernen Lernen
3 CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
Dieses Kapitel erläutert den Bedarf an CBT-Eigenentwicklungen an Hochschulen im<br />
Rahmen kostensenkender Maßnahmen. Dazu werden zunächst Vor- und Nachteile der<br />
CBT-Eigenentwicklung aufgezeigt und ihre Notwendigkeit im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong><br />
begründet. Es folgt ein Überblick über Klassifizierung von <strong>Lernprogramme</strong>n. Vor<br />
allem wird das Konzept der Low-Cost-Low-Time-Produktion erklärt und seine<br />
Anwendung an der Abteilung E.I.S. vorgestellt.<br />
3.1 Eigenentwicklung von CBTs<br />
CBT-Entwicklung<br />
mit Low-Cost-Low-Time<br />
An Hochschulen lehren Tutoren entweder mit dem Material anderer Autoren oder mit<br />
selbst verfassten Werken. Ihre Entscheidung wird dabei durch das vorhandene<br />
Literaturangebot, die Qualität und die Kosten wesentlich beeinflusst. Bei CBTs könnte<br />
es sich künftig ähnlich verhalten.<br />
In CBTs sind Inhalte durch <strong>multimediale</strong> Elemente didaktisch aufbereitet und zu<br />
Lektionen zusammengestellt. Zur Produktion von CBTs wird in der Regel ein<br />
Autorensystem verwendet. Daten und Inhalte werden ähnlich wie bei<br />
Programmiersprachen zusammengefügt und in ihrem Verhalten programmiert. Im<br />
Gegensatz zu Programmiersprachen bieten Autorensysteme jedoch spezielle<br />
Funktionen an, die die Entwicklungszeit verkürzen.<br />
Das Multimediale ist eine Stärke der CBTs, aber gleichzeitig auch ein Nachteil,<br />
wenn es um die Eigenentwicklung geht, die extrem zeitaufwändig sein kann. Zu<br />
Beginn unserer Forschung haben wir die Erfahrung gemacht, dass die „herkömmliche“<br />
Produktion von CBTs, bei der alles von Grund auf neu entworfen, zusammengestellt<br />
und programmiert wird, extrem viel Zeit benötigt. Autorensysteme oder fertige<br />
Grafikbibliotheken können die Produktion zwar beschleunigen, doch im Gegensatz zu<br />
gekauften CBTs wird immer ein erheblicher Mehraufwand bleiben, den es zu<br />
rechtfertigen gilt.
22<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
Sowohl gekaufte als auch selber produzierte CBTs haben ihre Vor- und Nachteile,<br />
die es abzuwägen gilt. Im folgenden sollen diese aus Sicht eines Informatik-Instituts<br />
betrachtet werden.<br />
3.1.1 Nachteile der CBT-Eigenentwicklung<br />
Während man bei gekauften CBTs lediglich einen Computer <strong>zum</strong> Abspielen benötigt,<br />
muss man bei CBT-Eigenentwicklungen zunächst eine Produktionsausstattung<br />
anschaffen. Exemplarisch ist in Tabelle 3.1 eine Liste notwendiger Hard- und Software<br />
für einen einzelnen Multimedia-Arbeitsplatz zusammengestellt.<br />
Bezeichnung<br />
Hardware<br />
Beispiel Preis (€)<br />
PC-System (Win OS,<br />
marktüblicher Standard)<br />
AMD Athlon 2,5GHz 3.000,-<br />
Audio-Prozessor dbx 286A 350,-<br />
Mikrofon Behringer B2 200,-<br />
Kleinteile<br />
Software<br />
... 100,-<br />
Autorensystem Authorware 6.5 2.800,-<br />
Filmprogramm Premiere 6.5 750,-<br />
Sound-Programm SoundForge 6.0 400,-<br />
Zeichenprogramm Corel Draw 11.0 400,-<br />
Sound-Bibliothek<br />
(gemafrei, 10CDs)<br />
Highland Musikarchiv 200,-<br />
Grafikbibliothek Art Explosion 150,-<br />
Malprogramm Paint Shop Pro 7.04 100,-<br />
Film-Capture-Programm HyperCam 1.70 50,-<br />
Anfangsinvestition 8.500,-<br />
Tabelle 3.1 Eine beispielhafte einfache Ausstattung eines CBT-Entwicklers<br />
Die Liste aus Tabelle 3.1 lässt sich beliebig durch weitere Soft- und Hardware<br />
ergänzen, z.B.: Autoren-Tools (Flash, Director etc.), Compiler (C, VisualBasic,<br />
Delphi etc.), Datenbanken (Access, Oracle, My-SQL etc.), 3D-Tools (3Dfx,<br />
3D Studio Max etc.), ein Video-Schnittplatz, eine Videocamera oder ein Mischpult.<br />
Die Produktion von CBTs ist bekanntlich nicht nur irgendeine Kombination von<br />
Medien, sondern es müssen unter anderem das Design, die Didaktik und die Technik<br />
betreffende Fragen professionell gelöst werden. Im Entwicklungsprozess eines<br />
<strong>multimediale</strong>n Lernsystems müssen eine Vielzahl gestalterischer Elemente einbezogen<br />
und ihre Nutzungsaspekte für [...] Lernzwecke beachtet werden. Ein interdisziplinäres
3.1 Eigenentwicklung von CBTs 23<br />
Team erfasst die Vielzahl der miteinander in Beziehung stehenden Einflussfaktoren,<br />
bildet sie auf relevante Komponenten ab und leitet die Lernsoftware-Entwicklung in<br />
einem sowohl technisch als auch pädagogisch eingebetteten Designprozess [Tava02,<br />
S.179].<br />
Während die Anschaffungen zur CBT-Produktion lediglich eine Frage des Geldes<br />
sind, kommen also die Kosten für die Einarbeitung und Anwendung hinzu. Auch bei<br />
den von uns produzierten CBTs zeigt ein Vergleich der älteren zu den heutigen<br />
Lösungen, dass seit Beginn ein positives Wachsen von Erfahrung stattfand. Damit<br />
haben wir unsere CBTs optimiert und verfeinert. Schließlich benötigen auch die<br />
Pflege, das Aktualisieren und Ergänzen der eigens produzierten CBTs ein gewisses<br />
Engagement, das ebenfalls Kosten verursacht. Diese Kosten fallen bei gekauften CBTs<br />
nicht an.<br />
3.1.2 Vorteile der CBT-Eigenentwicklung<br />
CBTs etwa als Blended Learning müssen gewisse Ansprüche erfüllen. Sie müssen<br />
unter anderem in das Konzept der bestehenden Vorlesung passen, und die<br />
Präsentationsreihenfolge muss stimmen. Diese und ähnliche Ansprüche erfüllen auf<br />
dem Markt erhältliche CBTs in Kombination mit bereits bestehenden Vorlesungen in<br />
der Regel nicht.<br />
Curricula an Hochschulen sind oftmals individuell erarbeitet und<br />
zusammengestellt. Nicht alle Tutoren wollen oder können ihre bestehende Vorlesung<br />
umstrukturieren und an gekaufte CBTs ausrichten.<br />
Oftmals ist es schwer, fertige bedarfsgerechte CBTs zu finden, besonders in sehr<br />
speziellen Forschungsgebieten wie dem <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>. Oft wird die Vorlesung<br />
überarbeitet oder komplett neu angeboten. Kommerzielle CBTs können solch eine<br />
permanente Entwicklung schwer kostengünstig mitmachen [Zufe03]. Der Tutor, der<br />
gekaufte CBTs einsetzt, wäre von den Update-Zyklen der CBT-Hersteller abhängig,<br />
was die Lehre behindern würde. Diese Problematik ist nicht nur hochschulspezifisch,<br />
sondern taucht auch in anderen Bereichen auf, wo standardisierte <strong>Lernprogramme</strong><br />
eingesetzt werden sollen: Viele Firmen haben Angst, dass die standardisierten WBTs<br />
ihren firmenspezifischen Trainingsbedürfnissen nicht entsprechen [Neum02, S.22].<br />
Bei kommerziellen CBTs verhindern Lizenzrestriktionen die freie Weitergabe.<br />
Anschaffungskosten von mehreren hundert Euro pro CBT-Lizenz müssen für jede<br />
Kopie aufgebracht werden, was die gewünschte freie individuelle Nutzung behindert.<br />
Fehler können bei kommerziellen CBTs zu einem Problem werden, da aus dem<br />
Lehrmaterial auch Ansprüche für Prüfungen resultieren. Auf die Korrektur haben die<br />
Nutzer nur sehr beschränkten Einfluss, was die weitere Nutzung in Frage stellen kann.<br />
CBT-Eigenentwicklungen ermöglichen die freie und flexible Nutzung und sind,<br />
wenn sie auf Basis bestehender Vorlesungen entwickelt werden, zur Vorlesung<br />
kompatibel. Kleine Änderungen und Verbesserungen können schnell und
24<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
unkompliziert an den vorliegenden Sourcen durchgeführt werden. Updates können bei<br />
Bedarf synchron zur Anpassung der Vorlesung erfolgen. Lizenzrestriktionen sind kein<br />
Problem.<br />
Informatik-Institute haben zusätzlich den Vorteil, dass die zur CBT-Produktion<br />
benötigte Hard- und Software oftmals bereits in Teilen am Institut vorhanden ist<br />
(vgl. Tabelle 3.1), was die Kosten niedrig hält. Die Mitarbeiter sind oft auch im<br />
Umgang mit diesem Equipment vertraut, was zu kürzeren Einarbeitungszeiten führt.<br />
Dass der Einsatz von vorhandener Ausstattung sich kostenreduzierend auswirken<br />
kann, unterstreicht auch Prof. Schulmeister in [Schu01, S.368]. [..] das [...]<br />
Lernprogramm „Die Firma“ <strong>zum</strong> Lernen der Gebärdensprache hätte etwa<br />
200.000 DM gekostet, würde man alle Kosten einberechnen. Es hat aber nur knapp<br />
50.000 DM gekostet, weil die technische Ausstattung und das Personal bereits<br />
vorhanden waren. Interessant ist hier eine mögliche Reduktion auf ein Viertel der<br />
ursprünglichen Kosten.<br />
Eine dritte Variante ist die Fremdproduktion, wobei ein Multimedia-Unternehmen<br />
beauftragt wird. In [GlKu00, S.122] wird eine sehr ausführliche<br />
Kosten-Nutzen-Rechnung bezüglich der Fremd- und Eigenproduktion von virtuellen<br />
Studienangeboten durchgeführt. Auch wenn diese Kostenschätzung umfangreicher ist<br />
als eine lediglich für die CBT-Produktion notwendige, so favorisieren die Autoren<br />
trotzdem die Eigenproduktion. Folgt man diesen Kostenschätzungen, so erscheint die<br />
Produktion durch ein eigenes Multimedia-Zentrum deutlich günstiger als die Vergabe<br />
an externe Auftragnehmer. Das trifft auf die Auftragserteilung durch eine einzelne<br />
Universität ebenso zu wie auf die gemeinsame Vergabe durch mehrere Hochschulen.<br />
In [Schu01, S.368] wird diese Kostenschätzung kommentiert und auf zusätzlich<br />
Kostensenkendes hingewiesen. Was Glotz und Kubicek nicht berücksichtigen, sind<br />
Einsparungen aufgrund der vorhandenen Infrastruktur (Rechner, Server,<br />
Medienzentren), des vorhandenen Medienmaterials (Tondateien, Dias, Filme) und der<br />
vorhandenen Kompetenzen (Drehbuchskripte, didaktische Übungen).<br />
Auch in Unternehmen, wo dem Kostendruck bekanntlich viel leichter<br />
nachgegeben wird, zeichnet sich ein Trend zur eigenen Implementierung ab. Wir sehen<br />
den Trend, dass ergänzend zu den standardisierten WBTs in der Zukunft von Trainern,<br />
Tutoren und Führungskräften Inhalte selbst geschrieben werden. Diese Arbeit mit den<br />
Autoren-Tools der Lern-Management-Systeme sichert die firmenspezifische<br />
Aufbereitung der Lerninhalte [Neum02, S.22].<br />
3.1.3 Notwendigkeit der CBT-Eigenentwicklung im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong><br />
Der <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> ist ein sehr spezielles Wissensgebiet. Vorhandene CBTs sind teuer<br />
und die Auswahl ist sehr gering. Zum Beispiel ergab eine von uns durchgeführte<br />
Recherche zu VERILOG-CBTs lediglich die Titel aus Tabelle 3.2. Diese CBTs sind<br />
sicher <strong>zum</strong> Lernen von VERILOG (vgl. Abschnitt 6.2.3) unter anderen Umständen
3.2 Klassifizierung von <strong>Lernprogramme</strong>n 25<br />
geeignet. Jedoch erfüllen sie nicht unsere Ansprüche (Abschnitt 3.1.2) für ein<br />
Blended Learning im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>.<br />
Hersteller Titel Preis<br />
Doulos HDL PaceMaker 2.0 315,00 €<br />
Esperan Verilog MasterClass 2.0 672,00 €<br />
Xilinx Verilog CBT 344,00 €<br />
McGraw-Hill Verilog Computer-Based 199,95 €<br />
Professional Training Course<br />
Mabex RTL Verilog CookBook 240,00 €<br />
Aldec (NTU) Practical Verilog for Simulation 710,00 €<br />
(CD03011399) and Synthesis Series<br />
Aldec (NTU) Verilog Advanced Topics and 380,00 €<br />
(CD03011592) Synthesis<br />
Tabelle 3.2 Kommerzielle <strong>Lernprogramme</strong> zur HDL VERILOG<br />
Zur Lehre des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s gehört auch der praktische Umgang mit<br />
CAD-Werkzeugen. Die Kopplung von <strong>Lernprogramme</strong>n und CAD-Werkzeugen zur<br />
Implementierung von hoch interaktiven CBTs erfordert ein individuell angepasstes<br />
Vorgehen, das kostengünstig nur bei Eigenproduktionen möglich ist. Keines der<br />
<strong>Lernprogramme</strong> aus Tabelle 3.2 unterstützt die Anbindung an ein CAD-Werkzeug.<br />
Dagegen haben wir in einer Eigenentwicklung z.B. das CBT VERILOGisch mit einem<br />
VERILOG-Simulator erfolgreich verbunden (Abschnitt 6.1.1). Der Lernende kann<br />
direkt das Gelernte im Simulator anwenden und individuell weiterentwickeln. Das<br />
explorierende Lernen wird damit unterstützt.<br />
3.2 Klassifizierung von <strong>Lernprogramme</strong>n<br />
In der Literatur [z.B. RKFH02, S.68 f.; Blum98, S.34 f.; Jarz97, S.141 f.] findet man<br />
unterschiedliche Klassifizierungen von <strong>Lernprogramme</strong>n, die sich ähneln. Eine<br />
standardisierte, allgemein gültige Einteilung von Lernprogrammklassen ist jedoch<br />
nicht bekannt.<br />
Die fehlende Standardisierung und die Vielzahl an Klassifizierungen sind auch<br />
auf die nicht einfache Vergleichbarkeit von <strong>Lernprogramme</strong>n zurück zu führen. In<br />
diesem Kapitel erhalten Sie eine Übersicht über verschiedene [CBT] Formen, wobei<br />
die Zuordnung zu einer dieser Formen nicht immer eindeutig sein wird und auch<br />
sicherlich nicht sein muss [RKFH02, S.68].<br />
Zur Klassifizierung findet man unterschiedliche Ansätze. Die geläufigsten werden<br />
im folgenden kurz vorgestellt. Unsere Auswahl an Lernmodellen und methodischen<br />
Grundtypen sind dann in Abschnitt 3.5.6 beschrieben.
26<br />
3.2.1 Attribute<br />
Einige Eigenschaften von <strong>Lernprogramme</strong>n haben<br />
sich als Maß zur Klassifizierung etabliert.<br />
Tabelle 3.3 zeigt eine mögliche Auswahl an<br />
Attributen, die wiederholt in der Literatur zu<br />
diesem Zweck auftauchen. Eine einheitlich<br />
definierte Begriffsmenge für alle Quellen ist<br />
jedoch nicht bekannt. Viele Attribute wie z.B. der<br />
Interaktionsgrad sind unter Experten nicht<br />
eindeutig definiert. Schulmeister schlägt eine<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
Differenzierung nach dem Grad der Interaktionsfreiheit vor. [...] Diese Einteilung ist<br />
jedoch sehr problematisch. So stellen z.B. Guided Tours i. allg. keine eigene<br />
Programmklasse dar, sondern dienen als ein möglicher Zugriffsmodus in<br />
Hypertext/Hypermedia-Systemen [Blum98, S.35].<br />
3.2.2 Lerntheorien<br />
Jedem Lernprogramm liegt, <strong>zum</strong>indest theoretisch, eine Lerntheorie zugrunde. Dabei<br />
wird oft zwischen der behaviouristischen, kognitivistischen und konstruktivistischen<br />
Orientierung unterschieden. In jeder Lernsoftware schlägt sich ein theoretisches<br />
Lernmodell nieder. Egal ob dieser theoretische Ansatz nun von den Autoren auch<br />
tatsächlich expliziert worden ist oder nicht, spiegelt die Lernsoftware – angefangen<br />
vom behandelten Thema über den Aufbau bzw. die Struktur des Softwarepakets bis hin<br />
zur Benutzeroberfläche des Lernprogramms – ein pädagogisches und didaktisches<br />
Modell wieder, das in ihr implementiert wurde [Baum97, 244].<br />
Bahaviourismus – Lernen durch Verstärkung<br />
Attribute<br />
offline / online Nutzung<br />
Interaktionsgrad<br />
Komplexität<br />
Implementierungsaufwand<br />
Tabelle 3.3 Auswahl an Attributen<br />
zur Klassifizierung von<br />
<strong>Lernprogramme</strong>n<br />
Das Lernen erfolgt im Behaviourismus durch Konditionierung, d.h. durch eine Abfolge<br />
aus Reiz, Reaktion, Belohnung/Bestrafung. Mehrere Reiz-/Reaktionsmuster lassen sich<br />
verketten und erzeugen einen Gewöhnungseffekt, der von Vertretern der Theorie mit<br />
Lernerfolg gleichgesetzt wurde.<br />
So genannte Drill & Practice-Programme (z.B. Vokabel-Trainer) verwenden diese<br />
Lerntheorie. Inhalte werden wiederholt trainiert, bis ein Erfolg eintritt. Bereits kleine<br />
Lernschritte ermöglichen eine positive Rückkopplung, gleichzusetzen mit dem<br />
Verstärken des Gelernten. Dann kann zur nächsten Lernstufe übergegangen werden.<br />
Der Instruktionalismus ist eine Abwandlung des Behaviourismus. Bei<br />
<strong>Lernprogramme</strong>n nach dem instruktivem Modell wird der Lernprozess zentral<br />
organisiert und durch einen Lehrenden (z.B. Tutor oder CBT) gesteuert. Solche<br />
<strong>Lernprogramme</strong> sind stark lernzielorientiert und dienen primär der Aufgabenlösung
3.2 Klassifizierung von <strong>Lernprogramme</strong>n 27<br />
und Übung. Ein Verständnis der Sachverhalte oder die Fähigkeit zur eigenständigen<br />
Problemlösung wird meist nicht vermittelt.<br />
Kognitivismus – Lernen durch Einsicht, Modell des entdeckenden Lernens<br />
Beim Kognitivismus wird der Lernende im Gegensatz <strong>zum</strong> Behaviourismus als<br />
Individuum begriffen, das auf äußere Reize aktiv reagiert und nicht lediglich darüber<br />
gesteuert werden kann.<br />
Der Lernende stellt demnach einen aktiv agierenden Empfänger auf mediale<br />
Botschaften (Ton, Text, Bild, Film etc.) dar. Aufgrund seiner Erfahrung und seinem<br />
Wissen erfolgt nun eine Interpretation dieser Botschaften. Bei kognitivistisch<br />
orientierter Software muss die Überlegung beachtet werden, welche Abläufe zwischen<br />
Lernendem und Lehrmaterial, welche internen Prozesse beim Lernenden auslösen<br />
sollen.<br />
Obwohl bei kognitivistischer Orientierung der individuellen Interpretation eine<br />
Bedeutung zukommt, wird an der Wechselwirkungsannahme festgehalten, dass<br />
zwischen externer medialer Präsentation und internen Verarbeitungsprozessen ein<br />
direkter Zusammenhang besteht. Damit ist die Position verbunden, dass das Lernen<br />
durch Instruktion und Lernhilfen angeregt, unterstützt und in gewissem Umfang<br />
gesteuert werden kann.<br />
Konstruktivismus – Lernen durch Erleben und Interpretieren<br />
Im Konstruktivismus wird die Annahme, dass durch mediale Botschaften der Lernende<br />
beeinflusst wird, skeptischer eingeschätzt. Hier wird dem Einfluss der individuellen<br />
Wahrnehmung und Verarbeitung von Erfahrungen eine stärkere Bedeutung<br />
zugesprochen. Das Individuum strukturiert Situationen, in denen es sich befindet, und<br />
gestaltet gleichzeitig die Situation in Wahrnehmung und Handeln mit.<br />
Für die Entwicklung von <strong>Lernprogramme</strong>n bedeutet dies, dass anstelle von<br />
instruktiven Modellen im wesentlichen <strong>Lernprogramme</strong> als Informations- und<br />
Werkzeugangebote für selbstgestaltete Lernprozesse zu konzipieren sind.<br />
Das konstruktivistische Modell, bei dem der Rezipient aktiv den Lernprozess<br />
mitgestaltet und nach dem Prinzip des entdeckenden Lernens arbeitet, steht im<br />
Gegensatz <strong>zum</strong> instruktiven Modell. Konstruktivistische <strong>Lernprogramme</strong> sind jedoch<br />
kostenintensiver bei der Implementierung. Konstruktives Lernen ist maschinell<br />
schwieriger zu unterstützen, da die Lerninhalte auf die individuellen Präferenzen und<br />
Fragen des Lerners abgestimmt werden müssen [Jarz97, S.138].<br />
Der Radikale Konstruktivismus geht noch einen Schritt weiter und erklärt: Es gibt<br />
keine ontologische Realität. Ernst von Glasersfeld gilt als einer der Begründer des<br />
Radikalen Konstruktivismus. Interessant sind seine Thesen im Zusammenhang mit<br />
<strong>multimediale</strong>n <strong>Lernprogramme</strong>n. Wir können unsere Erfahrung mit niemandem teilen,<br />
wir können den Mitmenschen nur davon erzählen. Wenn wir dies tun, gebrauchen wir
28<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
Wörter, die wir mit unserer Erfahrung assoziieren. Was unsere Partner verstehen,<br />
wenn wir sprechen oder schreiben, das kann sich nur in den Bedeutungen<br />
verwirklichen, die sie aufgrund ihrer Erfahrung mit den Klangbildern der Wörter<br />
verknüpfen, die wir gebrauchen – und ihre Erfahrung ist nie identisch mit der unsrigen<br />
[Glas97, S.92]. Durch Multimedia steigt die Variation der Kodierungsmöglichkeiten,<br />
und damit kann Wissen neben Sprache und Schrift mit weiteren <strong>multimediale</strong>n Mitteln,<br />
möglicherweise genauer, vermittelt werden.<br />
Selten wird in <strong>Lernprogramme</strong>n nur eine einzige Lerntheorie umgesetzt, in der<br />
Praxis kommt es zu Vermischungen. Eine konkrete Einteilung allein nach Lerntheorien<br />
ist aufgrund von Überschneidungen nur schwer möglich.<br />
3.2.3 Methodische Grundtypen<br />
Eine weitere Klassifizierung ist die nach methodischen Grundtypen. Die verbreitetsten<br />
Typen sind tutorielle Systeme, intelligente tutorielle Systeme, Spiele und Mikrowelten.<br />
Teilweise führen Autoren auch Präsentationen, Simulationen und Hypermedien als<br />
Grundtypen ein [vgl. Blum98, S.38 f.].<br />
Der älteste Grundtyp ist das tutorielle System, ihm liegt der Behaviourismus als<br />
Lerntyp zugrunde. Bei tutoriellen Systemen wird in einer weitgehend linearen Abfolge<br />
das Wissen in Phasen präsentiert: Einführung, Wissensvermittlung, Wissensabfrage<br />
und Antwortanalyse mit Rückmeldung. Der Entwickler gibt dabei die<br />
Instruktionsreihenfolge vor, die der Lerner dann abarbeiten muss<br />
(Drill & Practice-Programme). Tutorielle Systeme finden noch heute begründete<br />
Anwendung in Fällen, wo es auf das bloße Memorieren von Wissen ankommt. Die<br />
weite Verbreitung wird unter anderem auf die einfache und kostengünstige<br />
Implementierbarkeit zurückgeführt.<br />
Die Weiterentwicklung von tutoriellen Systemen sind intelligente tutorielle<br />
Systeme (ITS), mit adaptiven Systemen als Vorstufe. Dabei bedeutet adaptiv die<br />
Anpassung des Lernprogramms an den Lernenden. Das Lernprogramm analysiert<br />
durch Diagnose-Algorithmen die Unterstützungsbedürftigkeit des Lernenden und<br />
versucht durch Variation von adaptiven Größen den Lernerfolg zu steigern. Mögliche<br />
adaptive Größen sind z.B. Lernweg, Lerndauer, Schwierigkeitsgrad und Antwortzeit.<br />
Durch Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz zur Adaption entstehen<br />
die intelligenten tutoriellen Systeme, auch als hochadaptive Systeme bekannt.<br />
Der Idealfall bei ITS ist die Anpassung, die auch ein Tutor dem Lernenden<br />
entgegenbringen könnte. Die Umsetzung von ITS hat sich jedoch als sehr schwierig<br />
erwiesen, da wesentliche Faktoren nicht erfasst und damit nicht berücksichtigt werden<br />
können. Als Beispiel sei hier ein Problem mit der Reaktionszeit genannt. Das System<br />
registriert, dass eine gewisse Zeit keine Eingabe erfolgt ist, jedoch bleibt ihm die
3.3 Low-Cost-Low-Time-Produktionen im universitären Umfeld 29<br />
Ursache unbekannt. Als Folge kann das System Entscheidungen treffen, die für den<br />
Benutzer nicht nachvollziehbar sind und zu Frustration führen können.<br />
Spiele sprechen eher jüngere Lernende an und gehen auf die konstruktivistische<br />
Lerntheorie zurück, dem Lernen durch Entdecken im Spiel. Sie erfordern allerdings ein<br />
hohes Maß an Selbstlenkung und sind damit weniger <strong>zum</strong> Vermitteln von Grundlagen<br />
geeignet. Ergänzend können Spiele z.B. zur Motivation, Auflockerung und<br />
Entspannung von konzentrierten Lernphasen eingesetzt werden.<br />
Durch Mikrowelten werden Realitäten partiell in die virtuelle Umgebung des<br />
Lernprogramms abgebildet. Dabei steht das Lernen durch Aktion-Reaktion im Vordergrund.<br />
Durch seinen Einfluss löst der Lernende Vorgänge aus und lernt über die<br />
Konsequenzen seines Handelns.<br />
Je konstruktiver das Lernprogramm<br />
wird, um so höher<br />
steigt der Implementierungsaufwand.<br />
Damit sind stark<br />
konstruktive <strong>Lernprogramme</strong><br />
zur CBT-Eigenproduktion eher<br />
ungeeignet. Tabelle 3.4 gibt<br />
eine mögliche Zusammenstellung<br />
von Lernprogramm-<br />
Modell Lernprogrammklassen<br />
instruktiv Präsentationen<br />
Hypermedien<br />
Tutorielle Systeme<br />
Intelligente tutorielle Systeme<br />
Spiele<br />
konstruktiv Mikrowelten<br />
Tabelle 3.4 Mögliche Lernprogrammklassen<br />
klassen nach Grundtypen, geordnet von instruktiven zu den konstruktiven<br />
Lernmodellen.<br />
Während Präsentationen im universitärem Umfeld ein gängiges Mittel zur<br />
Wissensvermittlung sind, kommen ITS kaum vor. Hypermedien, als Internet-Seiten<br />
wohl in der am meisten vorkommenden Form, haben sich ebenfalls etabliert. Ob<br />
Hypermedien instruktiver oder konstruktiver als tutorielle Systeme sind, hängt auch<br />
von der jeweiligen Implementierung ab.<br />
3.3 Low-Cost-Low-Time-Produktionen im<br />
universitären Umfeld<br />
Es ist allgemein bekannt und wird doch immer wieder unterschätzt, dass die<br />
Produktion von CBTs mit hohen Kosten verbunden ist. Technischen Instituten, die<br />
keine brauchbaren CBTs auf dem Markt finden, bleibt nur die CBT-Eigenproduktion,<br />
so auch in der Lehre des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s (Abschnitt 3.1.2). Jedoch kommt wegen den<br />
hohen Kosten höchstens die Produktion unter scharfen Randbedingungen in Frage.<br />
Um die Vorteile <strong>multimediale</strong>r <strong>Lernprogramme</strong> im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> nutzen zu<br />
können, streben wir die Low-Cost-Low-Time-Produktion (LCLT-Produktion) an:<br />
Die Produktion von <strong>Lernprogramme</strong>n darf den Produktionsaufwand klassischer<br />
Skripten nur um den Faktor zwei bis vier übersteigen. Mit dieser Obergrenze wird die
30<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
Optimierung der Produktionskosten im Gegensatz zur herkömmlichen<br />
CBT-Produktion gefordert.<br />
Die CBT-Eigenentwicklung haben wir 1997 begonnen und stetig<br />
weiterentwickelt. Dabei haben wir wesentliche Punkte erarbeitet, die die<br />
LCLT-Produktion von CBTs ermöglichen. Im folgenden werden diese Punkte<br />
zusammengefasst präsentiert.<br />
3.3.1 Autorensysteme<br />
Zur CBT-Produktion werden Autorensysteme den klassischen Programmiersprachen<br />
wie C, Java und Delphi vorgezogen. Da sie CBT-spezifische-Lösungen anbieten,<br />
verkürzen Autorensysteme die Entwicklungszeit. Bild 3.5 verdeutlicht diesen<br />
Zusammenhang.<br />
Bild 3.5 Merkmale von Autorenwerkzeugen [vgl. auch Jarz97, S.325, IsKl02, S.165]<br />
Auch unter den Autorensystemen gibt es allerdings Unterschiede (vgl. Bild 3.5),<br />
die zur Kostenminderung berücksichtigt werden sollten. Bei der Wahl eines<br />
Autorensystems zur LCLT-Produktion sollte auf folgende Punkte geachtet werden:<br />
- Kurze Einarbeitungszeit, da im universitären Umfeld nicht nur Stammpersonal,<br />
sondern eher wechselnde Nutzer wie Studenten, Hilfsassistenten oder<br />
wissenschaftliche Mitarbeiter das Autorensystem bedienen werden;<br />
- möglichst zukünftig garantierter Support, ein Wechsel des Autorensystems könnte<br />
die Überarbeitung aller bereits entwickelten CBTs notwendig machen;<br />
- hohe Benutzerfreundlichkeit, z.B. durch eine graphische Benutzeroberfläche, die<br />
parallel zu einer optionalen Skript-Sprache verwendet werden kann;<br />
- Erweiterbarkeit durch klassische Programmiersprachen, um komplexere Probleme<br />
zu implementieren;
3.3 Low-Cost-Low-Time-Produktionen im universitären Umfeld 31<br />
- großer Bekanntheitsgrad fördert den Zugang an Informationen und Lösungen, z.B.<br />
über Newsgroups oder das Internet; auch ist Literatur zu bekannten<br />
Autorensystemen vielfältiger im Angebot; dies kann die Entwicklungszeit<br />
verkürzen, da Lösungen oftmals bereits erarbeitet z.B. im Internet vorliegen; bei<br />
„Exoten“ ist man überwiegend auf die Handbücher und den Support beschränkt;<br />
- Eignung zur modularen Implementierung, damit Teams an einer CBT-Lösung<br />
parallel arbeiten können; dies spart Entwicklungszeit, und die später folgende<br />
Wartung und Pflege wird erleichtert.<br />
3.3.2 Bild- und Grafik-Bibliotheken<br />
Individuell produzierte Bilder oder Grafiken sind oftmals sehr teuer und erhöhen die<br />
Produktionszeit. Durch den Einsatz von Bild- und Grafik-Bibliotheken kann hier<br />
Abhilfe geschaffen werden. Dabei ist auf die möglichst lizenzfreie Nutzbarkeit zu<br />
achten.<br />
3.3.3 Modularität<br />
Bereits bei der Entwicklung der CBTs sollte auf eine Modularisierung und<br />
Austauschbarkeit geachtet werden. Dies erleichtert den zukünftigen Einsatz, indem<br />
bereits produzierte Stücke einfach durch neue CBTs ergänzt oder ersetzt werden<br />
können.<br />
Es ist allgemein bekannt, dass das Konzept des Design-Reuse die „erneute<br />
Erfindung des Rades“ verhindert und Einsparungen bringt. Nur wenn Modularität<br />
vorhanden ist, kann Design-Reuse effektiv eingesetzt werden.<br />
Wir haben mit einem wiederverwendbaren CBT-Gerüst versucht, das Konzept<br />
von Modularisierung und Design-Reuse auf die CBT-Eigenentwicklung zu übertragen.<br />
Dieses Konzept, seine Anwendung und alle zugehörigen <strong>Lernprogramme</strong> zusammen<br />
bezeichnen wir als Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong> oder kurz als<br />
Referenzmodell. Details <strong>zum</strong> Referenzmodell werden in Kapitel 4 vorgestellt.<br />
Mit Lerneinheit bezeichnet man eine in einem Lernprogramm dargestellte<br />
Wissensmenge. Sie kann auf anderen Lerneinheiten aufbauen oder eigenständig sein.<br />
Mit Granularität bezeichnet man die Größe einer Lerneinheit. Leider gibt es<br />
keine normierte Größe <strong>zum</strong> Messen der Granularität. Oft wird sie intuitiv nach<br />
pädagogisch-didaktischem Empfinden des Lehrenden festgelegt.<br />
3.3.4 Studenten entwickeln für Studenten<br />
Personalkosten belasten am stärksten die Entwicklungskosten, so auch bei der<br />
CBT-Entwicklung. Die Entwicklungszeiten beeinflussen die Personalzeiten, und die
32<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
sind der größte Brocken bei einer CBT/WBT-Produktion [RKFH02, S.109]. Zur<br />
Reduktion dieser Kosten haben Hochschulen ein besonders wertvolles<br />
Potenzial: Studenten.<br />
Dies soll auf keinen Fall das Ausbeuten von günstigen studentischen<br />
Arbeitskräften bedeuten, sondern es steckt die Idee des „Lernen durch Lehren“<br />
dahinter. Indem Studenten in Praktika, Studien- und Diplomarbeiten dazu ermuntert<br />
werden, <strong>Lernprogramme</strong> zu entwickeln, wechseln sie quasi die Rolle vom Lerner <strong>zum</strong><br />
Lehrer und sind motiviert, besonders gründlich zu lernen. Denn nur das, was man<br />
selber weiß und verstanden hat, kann man auch in CBTs umsetzen (Beim Lehren lernt<br />
man..., Lucius Annaeus Seneca, um 4 v. Chr. bis 65 n. Chr., römischer Philosoph,<br />
Staatsmann und Dichter).<br />
Dieser Ansatz ist auch insofern interessant, als die Ergebnisse aus studentischen<br />
Arbeiten sonst kaum zur Lehre wiederverwendet werden. Anders hier, besonders<br />
gelungene CBTs können ohne weiteres zur Lehre für jüngere Semester eingesetzt<br />
werden.<br />
3.3.5 Reuse von klassischen Lehrmaterialien<br />
Zu den Produktionskosten von CBTs gehört auch die Aufbereitung des Wissens als<br />
Rohmaterial. Die Inhalte müssen zusammengetragen, gegliedert und zu Kernaussagen<br />
zusammengefasst werden. Durch den Einsatz von bereits verfügbarem Lehrmaterial,<br />
auf dem die CBTs aufbauen, werden Kosten gespart. Hochschulen als Stätten der<br />
Bildung verfügen über genügend Rohmaterial. Bei CBT-Eigenproduktionen können<br />
damit die Lehrmaterialien aus der klassischen Lehre in CBTs umgesetzt werden. Die<br />
klassische Lehre gibt Gliederung und Kernaussagen vor, was eine zusätzliche<br />
Erleichterung bedeutet. Im Weiterbildungsbereich sucht man zunächst Träger von<br />
inhaltlichem Wissen, das als Rohmaterial eingekauft und von anderen Partnern<br />
didaktisch aufbereitet und von wiederum anderen technisch multimedial umgesetzt<br />
wird. [...] Anders an den Hochschulen: Hier verfügt das wissenschaftliche Personal<br />
über das fachlich-inhaltliche Wissen. Das Rohmaterial ist vorhanden [GlKu00, S.113].<br />
Durch den Einsatz von vorhandenem Lehrmaterial erhalten die CBTs zusätzlich<br />
eine starke Anlehnung an die bereits praktizierte Vorlesung.<br />
3.4 Didaktische Konzepte für CBTs im<br />
<strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong><br />
Im Rahmen der LCLT-Produktion ist die Entwicklung von komplexen intelligenten<br />
tutoriellen Systemen und höheren konstruktivistischen Grundtypen (Abschnitt 3.2)<br />
wegen der Kosten nicht möglich. Beschränkt man sich jedoch beim E-Learning nur auf<br />
die Präsentation von Fakten, wird kaum ein Lernender damit zu motivieren sein.
3.4 Didaktische Konzepte für CBTs im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> 33<br />
Im Bereich des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s haben wir versucht, durch besondere didaktische<br />
Konzepte die Attraktivität unserer CBTs zu steigern, ohne wesentlichen Mehraufwand<br />
zu produzieren.<br />
3.4.1 Integration von CAD-Werkzeugen ins CBT<br />
Zur Lehre der Hardware-Beschreibungssprache VERILOG haben wir einen frei<br />
verfügbaren kostenlosen Simulator in ein CBT integriert (Abschnitt 6.1.1). Lernende<br />
werden zunächst durch das CBT an die VERILOG-Sprachkonstrukte multimedial<br />
herangeführt. Parallel zu jeder Lektion können sie eine Experimentierwand aufrufen<br />
und dort Beispiele simulieren. Der integrierte vollwertige Simulator erlaubt sowohl die<br />
Ausführung von weiter modifiziertem Code als auch die Simulation von vollständig<br />
selbst entwickelten VERILOG-Programmen. Der Lernende kann das Gelernte direkt<br />
komfortabel explorieren, ohne Installationen durchführen und Handbücher wälzen zu<br />
müssen.<br />
Die Integration von CAD-Tools oder auch anderen Applikationen sehen wir als<br />
einen besonderen Vorteil von CBTs. In WBTs ist dies wegen Zugriffsrechten,<br />
Netzgeschwindigkeit, auf Grund der verteilten Systeme, Lizenzrestriktionen und<br />
weiterer Hürden schwieriger.<br />
3.4.2 CBT als virtueller Tutor<br />
Im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> kommen auch hochkomplexe CAD-Werkzeuge <strong>zum</strong> Einsatz. Der<br />
Umgang mit diesen Tools ist Teil der Ausbildung. Lernende müssen hier mit intensiver<br />
Betreuung geschult werden, ansonsten fühlen sie sich allein gelassen und überfordert,<br />
was zu Resignation führen kann. Wir haben zu diesem Zweck ein CBT entwickelt, das<br />
in die Arbeit mit solch einem komplexen Tool, dem Synopsys Design Analyzer,<br />
einführt.<br />
In diesem Zusammenhang definieren wir den Begriff der losen Kopplung als die<br />
Verbindung von CBT und realen Tools ohne eine programmierte Schnittstelle. Das<br />
CBT wird parallel zu dem Tool verwendet, wobei einzelne Schritte zunächst im CBT<br />
erklärt und interaktiv wiedergegeben werden. Zur Umsetzung wechselt der Lernende<br />
anschließend <strong>zum</strong> realen Tool und vollzieht die dort gerade gelernten Schritte. Damit<br />
fungiert das CBT quasi als Instruktor.<br />
Die Granularität der Lernschritte ist hier besonders klein gehalten, um Fehler am<br />
realen Tool zu vermeiden. Leider ist durch die lose Kopplung ein Feedback vom Tool<br />
ebenfalls nur manuell möglich. Allerdings wissen dies die Lernenden auch, und wir<br />
haben beobachtet, dass die Ausführung dann um so genauer befolgt wird. Die so<br />
erreichte höhere Aufmerksamkeit der Lernenden sehen wir als positive Motivation.
34<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
3.4.3 Ansprechen von auditiv und visuell orientierten Lernern<br />
Die Lerneinheiten in unseren CBTs werden von mindestens einem Sprecher<br />
kommentiert. Die Einbeziehung der auditiven Modalität in Multimediaanwendungen<br />
eröffnet attraktive Möglichkeiten. Gesprochene Sprache ist einprägsam, weckt<br />
Aufmerksamkeit und wirkt – auch persönlicher als gedruckte Sprache [Weid02, S.53].<br />
Der gesprochene Kommentar wird zusätzlich in einem Textfenster als Text<br />
dargestellt. Damit werden sowohl auditive als auch visuell orientierte Lerner<br />
unterstützt.<br />
Die sprachliche Kommentierung von CBTs kann sehr aufwändig werden und<br />
damit in Widerspruch zur LCLT-Produktion treten. Hier sind durch Abwägen von<br />
Kosten zur Qualität Entscheidungen zu treffen, um im Rahmen der LCLT-Produktion<br />
zu bleiben.<br />
3.5 Low-Cost-Low-Time-Produktion an der<br />
Abteilung E.I.S.<br />
Um mit Hilfe von CBTs die Lehre des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s zu ergänzen, haben wir die sonst<br />
sehr kostenintensive CBT-Eigenentwicklung optimiert und Konzepte für unsere<br />
LCLT-Produktion entwickelt. Mit diesen Konzepten ist es uns gelungen, die Kosten<br />
soweit zu senken, dass CBT-Eigenentwicklungen auch für einfache technische<br />
Institute möglich werden.<br />
3.5.1 Autorensystem Authorware<br />
Zu Beginn unserer Forschung stand die Wahl eines geeigneten Autorensystems. Nach<br />
einer Marktrecherche kamen die Produkte Director 5.0, Authorware 3.5 und<br />
ToolBook 4.0 in die engere Auswahl. Durch Tests mit Studenten fanden wir heraus,<br />
dass Authorware von diesen Autorensystemen am einfachsten zu erlernen ist und<br />
schnell zu Resultaten führt. Ohne Programmierkenntnisse [...] lassen sich sehr schnell<br />
einfache Anwendungen erstellen [vgl. GoPu97, S.38]. The heart of Authorware’s ease<br />
of use lies in the fact that it is truly a „What-You-See-Is-What-You-Get“ (WYSIWYG)<br />
authoring environment [WiTh02, S.2]. Diese Meinung teilen auch andere 3 .<br />
3 In der PCWeek vom 18.8.1997 fand eine Rezension statt, in der Herb Bethoney und 18 Juroren aus Hochschulen und<br />
Firmen folgende Programme verglichen: TopClass, LearningSpace, Authorware 4, QuestNet+, ToolBook II Assistant,<br />
ToolBook II Instructor, Phoenix for Windows, IconAuthor. Auf einer Skala von 0 bis 100 rangierten die getesteten Produkte<br />
im Bereich zwischen 82 und 98 Punkten. Mit einem Punkt Abstand hatte WBT Systems Inc.‘s TopClass die Nase vorn. Auf<br />
dem zweiten Platz landeten Lotus Development Corp.‘s LearningSpace und Macromedia Inc.‘s Authorware 4. An vierter<br />
Stelle plaziert wurde Allen Communication Inc,‘s QuestNet+; an fünfter Stelle gleichauf kamen Asymetrix Corp.‘s ToolBook<br />
II Assistant und ToolBook II Instructor und Pathlore Software Corp.‘s Phoenix for Windows. Von dieser Rezension erfuhren<br />
wir erst später durch [Schu00], jedoch fanden wir die Bestätigung unserer Wahl.
3.5 Low-Cost-Low-Time-Produktion an der Abteilung E.I.S. 35<br />
Unter Authorware kann der CBT-Designer mittels einer grafischen<br />
Benutzeroberfläche per Drag’n’drop sein CBT aufbauen. Dabei wird z.B. durch<br />
wiederholtes Platzieren von Icons entlang einer Flusslinie „programmiert“. Diese Art<br />
des Programmierens führt selbst Anfänger schnell zu Ergebnissen. With Authorware,<br />
you can easily create interactions that require that the learner becomes engaged in the<br />
learning process, without the use of programming [WiTh02, S.2]. Fortgeschrittene und<br />
Profis können mit der integrierten Skriptsprache oder in klassischen<br />
Programmiersprachen Feinheiten ausarbeiten oder besonders Komplexes lösen.<br />
Bild 3.6 zeigt einen Vergleich, wie Macromedia Authorware zu anderen eigenen<br />
Autorensystemen positioniert. Authorware‘s Stärken liegen in der Implementierung<br />
von Interaktionen (learning interactions), den geringen Anforderungen an den Autor<br />
(technical skills) und dem Aufzeichnen von Leistungen (student tracking).<br />
Bild 3.6 Vergleich von Authorware mit anderen Autorensystemen von Macromedia [Macr03]<br />
Authorware hat eine sehr aktive und hilfsbereite Nutzergemeinde (AWARE), die<br />
über das Web ([Auth03a]) oder über eine Mailing-Liste zu erreichen ist. AWARE<br />
besteht seit Februar 1994, ein Indiz für die Langlebigkeit. Nutzer finden hier kostenlos<br />
kompetente Hilfe, die von Ratschlägen bis zu programmierten Lösungen reicht. Dieser<br />
Service muss bei anderen Herstellern teuer bezahlt werden. Ebenfalls ein Indiz für die<br />
Qualität ist, dass auch Mitarbeiter von Macromedia hier teilnehmen, wie z.B.
36<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
Jamil Zainasheff 4 , Stefan van As 5 , Ed Skwarecki, um nur einige zu nennen. Weitere<br />
Profis, die Bücher über Authorware geschrieben haben und langjährige Erfahrungen<br />
vorweisen können, wie Joe Ganzi, Ron Lubensky, Jennie Thornton sind, unter vielen<br />
anderen Größen des Gebiets, ebenfalls dabei.<br />
Authorware ermöglicht den modularen Aufbau von CBTs auf unterschiedlichen<br />
Ebenen, was ein wesentlicher Vorteil ist. Sowohl Teile einer Applikation als auch<br />
ganze Applikationen können so in Teams entwickelt und später zusammengestellt<br />
werden. Diese Eigenschaft von Authorware haben wir ausgenutzt und ermöglichen<br />
den modularen Aufbau von Lernsystemen. Mehrere <strong>Lernprogramme</strong> auf Basis des<br />
Referenzmodells, die zusammen ein Lerngebiet lehren und miteinander verbunden<br />
sind, bezeichnen wir als Lernsystem. Diese <strong>Lernprogramme</strong> sind im Lernsystem<br />
modular und austauschbar. Durch Modularität wird die Erweiterbarkeit und die Pflege<br />
von Lernsystemen erleichtert. Neue Komponenten können kostengünstig eingefügt,<br />
vorhandene bei Bedarf ausgetauscht oder ganz entfernt werden.<br />
Obwohl heute weitere Autorensysteme verfügbar sind, bleibt Authorware, das<br />
mittlerweile in der Version 7 vorliegt, für die LCLT-Produktion nach unserer<br />
Einschätzung unübertroffen. Macromedia als Marktführer in diesem Segment<br />
gewährleistet den künftigen Support von Authorware.<br />
Eine detaillierte Einführung in Authorware würde den Rahmen dieser Arbeit bei<br />
weitem sprengen. Wir verweisen an dieser Stelle auf entsprechende Literatur<br />
([WiTh02, KeBh02, SAGK00, Tuck97, Robe97]) und Informationen aus dem Internet<br />
([Auth03a, Auth03b, Auth03c]). Im folgenden wollen wir einige wenige, für die<br />
Zukunft wichtige Punkte zu Authorware erwähnen.<br />
Authorware ist nicht nur für die Produktion von CBTs, sondern auch für WBTs<br />
geeignet. Although Authorware can be described as an authoring tool for creating<br />
multimedia and Web applications in general, its strength lies in its ability to create,<br />
deliver, and keep record of highly interactive learning/training applications that can<br />
be delivered on CD-ROM, LANs/WANs, company intranets, or over the internet<br />
[WiTh02, S.3]. Die heute als CBT entwickelten Kurse können später, wenn z.B.<br />
höhere Bandbreiten allgemein verfügbar sind, auf WBTs umgestellt werden, ohne<br />
dabei das Autorensystem wechseln zu müssen, die aufgebaute Kompetenz bleibt<br />
erhalten. Ab der Version 6 ist z.B. in Authoware das One-Button-Publishing integriert,<br />
mit dem eine Authoware-Applikation quasi per Tastendruck in eine Web-Applikation<br />
überführt werden kann. Zum Abspielen im Browser benötigt man lediglich ein<br />
kostenloses Authoware-Plugin, ähnlich wie das bekannte Flash- oder<br />
Shockwave 6 -Plugin. Allerdings sind hier einige Feinheiten zu beachten. Die<br />
4 Director of Product Engineering for Authorware at Macromedia.<br />
5 Software Engineer at Macromedia for Authorware.<br />
6 Das Shockwave-Plugin wird benötigt, um Macromedia Director Filme abzuspielen. Während das Flash-Plugin mittlerweile<br />
mit den gängigen Browsern ausgeliefert wird, müssen für Director und Authorware die Plugins extra installiert werden.
3.5 Low-Cost-Low-Time-Produktion an der Abteilung E.I.S. 37<br />
Umwandlung von bereits bestehenden CBTs in WBTs ist nicht uneingeschränkt<br />
möglich, z.B. in Fällen wo das CBT von lokalen Komponenten abhängig ist.<br />
XML (eXtensible Markup Language) hat sich als Daten-Beschreibungssprache<br />
etabliert. Auch Authorware unterstütz XML. The XMLParser Xtra allows Authorware<br />
pieces to read, parse, and make use of the contents of XML documents. Create<br />
dynamic, data-driven applications by importing external data stored in Web-standard<br />
XML files [Auth02a].<br />
Lern-Management-Systeme (LMS) dienen zur Distribution, Kontrolle und<br />
Verwaltung von Inhalten und Lernenden. Authorware kann nach mehreren Standards<br />
mit LMS kommunizieren, z.B. nach AICC (Aviation Industry CBT Committee) oder<br />
SCORM (Shareable Courseware Object Reference Model). Mehrere Beispiele findet<br />
man unter anderen Quellen auch auf der Installations-CD.<br />
Trotz aller Vorteile hat Authorware auch seine Schwächen, die nicht<br />
verschwiegen werden sollen. So bereiten Änderungen, die an mehreren Stellen im<br />
Programm durchzuführen sind, Probleme, da es keinen Batch-Modus gibt. Im<br />
Batch-Modus können Funktionsabläufe automatisch wiederholt werden. Zum Beispiel<br />
wird in Grafikprogrammen damit das Konvertieren von mehreren Bildern in ein<br />
anderes Grafikformat erleichtert. Da die Funktionalität in der Icon-Struktur verborgen<br />
ist, müssen teilweise erst mehrere Icons durch Anklicken geöffnet werden, bis die<br />
eigentliche Änderung vorgenommen werden kann.<br />
Die einfache Drag’n’drop-Bedienung verleitet gerade Anfänger dazu, den Einsatz<br />
von Icons zu übertreiben. Implementierungen für die ein Icon genügen würde, werden<br />
durch eine komplexere Struktur aufgebaut. Dies kann zu unnötig unübersichtlichen<br />
Programmen führen, die Performance bei der Ausführung sinkt und natürlich wird der<br />
Code unnötig groß. Während bei CBTs in der Regel genügend Resourcen die<br />
ineffiziente Programmierung ausgleichen, ist bei WBTs Ineffizienz inakzeptabel.<br />
3.5.2 Standardisierung<br />
Durch die Vielfalt der eingesetzten Medien spielt bei der CBT-Entwicklung Kreativität<br />
eine wesentliche Rolle. Während Profis aus Erfahrung ungünstige Kombinationen in<br />
der Umsetzung vermeiden, sind Anfänger oftmals überfordert. Die Suche nach<br />
Lösungen kann die Produktionskosten erhöhen. Durch maßvolle Vorgaben und<br />
Standardisierungen haben wir diese Kosten minimiert, ohne die Kreativität nach<br />
unserer Meinung zu beschneiden (vgl. Abschnitt 4.1.5 und 4.2).<br />
3.5.3 Design-Reuse und modularer Aufbau von CBTs<br />
Während der Entwicklung mehrerer CBTs ist uns aufgefallen, dass wiederholt Zeit und<br />
damit Kosten in die Entwicklung von wiederkehrenden Abläufen gesteckt wurde. Um
38<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time<br />
diese Kosten zu eliminieren, haben wir das Referenzmodell entwickelt und unseren<br />
CBTs damit eine modulare Struktur zugrunde gelegt.<br />
<strong>Lernprogramme</strong>, die auf dem Referenzmodells basieren, bekommen ein<br />
einheitliches Erscheinungsbild. Lernende müssen sich somit nicht jedesmal aufs Neue<br />
in eine Benutzeroberfläche einarbeiten, der Wiedererkennungswert steigt.<br />
<strong>Lernprogramme</strong> können zu Lernsystemen zusammengestellt werden. Mit dieser Option<br />
können einmal erstellte <strong>Lernprogramme</strong> als Teil von mehreren Lernsystemen<br />
wiederverwendet werden. Diesem Konzept liegt das Referenzmodell zugrunde. Es<br />
wird in Kapitel 4 detailliert beschrieben und soll an dieser Stelle nicht weiter erklärt<br />
werden.<br />
3.5.4 Multimediale Lehre zur Einarbeitung ins Referenzmodell<br />
Mit unseren <strong>Lernprogramme</strong>n auf Basis des Referenzmodells vermitteln wir Wissen<br />
aus dem Bereich des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s. Der Einsatz des Referenzmodells ist allerdings<br />
nicht nur auf dieses Gebiet beschränkt, sondern kann universell erfolgen. Wir nutzen<br />
es z.B. auch, um zukünftige CBT-Entwickler einzuarbeiten und um unsere<br />
Erfahrungen in der CBT-Produktion multimedial zu vermitteln.<br />
3.5.5 Lernen durch Lehren<br />
Um den Bedarf an CBT-Entwicklern zu decken, bieten wir qualifizierten Studenten<br />
Studien- und Diplomarbeiten an. Eine Qualifikation können Studenten z.B. in unserem<br />
Multimedia-Praktikum Multimediale Lehre im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> erlangen. Das Praktikum<br />
nutzen wir, um Studenten nach dem Prinzip des Lernen durch Lehren zu unterrichten<br />
(vgl. Abschnitt 3.3.4).<br />
Im Multimedia-Praktikum entwickeln Studenten zu ausgewählten Themen des<br />
<strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s <strong>Lernprogramme</strong> mit dem Referenzmodell unter Authorware. Es<br />
entstanden bereits mehrere Titel wie Built-In Logik Block Observer (BILBO),<br />
A Simple Instruction Computer (ASIC), Grobüberblick integrierter Schaltungen<br />
(GrobiS CBT) und Logiksynthese, um nur einige zu nennen. Gelungene Arbeiten<br />
werden gewöhnlich in Studien- und Diplomarbeiten noch verbessert oder ergänzt.<br />
Teile des Projekts VeriBox, das in Kapitel 6 beschrieben wird, entstanden ebenfalls mit<br />
der Unterstützung von Studenten. So werden gute Ergebnisse der studentischen<br />
Arbeiten zu Lehrzwecken wiederverwendet.<br />
3.5.6 Eingesetzte Lerntheorien und methodische Grundtypen<br />
Im Rahmen der Low-Cost-Low-Time-Produktion können sowohl behaviouristisch als<br />
auch kognitivistisch orientierte <strong>Lernprogramme</strong> entstehen. So zeigen viele von uns
3.5 Low-Cost-Low-Time-Produktion an der Abteilung E.I.S. 39<br />
entwickelte <strong>Lernprogramme</strong> z.B. in den enthaltenen Testaufgaben behaviouristische<br />
Züge, in denen durch die mehrfache Bearbeitung der Fragen eine Konditionierung<br />
entsteht.<br />
Sehr viel öfter wird in unseren <strong>Lernprogramme</strong>n der kognitivistische Ansatz<br />
verfolgt, indem Modelle interaktiv präsentiert werden. Durch Ausprobieren erlangt der<br />
Lernende Einsichten. Bild 3.7 zeigt eine Seite aus dem CBT Illusion (Abschnitt 6.1.3),<br />
in dem ein Modell die Bewegung des Elektronenstrahls erklärt.<br />
Bild 3.7 Modell <strong>zum</strong> Elektronenstrahl<br />
Konstruktivistische <strong>Lernprogramme</strong> sind schwieriger zu implementieren<br />
(vgl. Abschnitt 3.2.2). Im CBT VERILOGisch (Abschnitt 6.1.1) werden kurze<br />
VERILOG-Programme vorgestellt und können mit dem integrierten Simulator<br />
übersetzt und ausgeführt werden. Dem Lernende wird hier ermöglicht, durch Ergänzen<br />
der Programme selber weitere Erfahrungen zu sammeln. Damit dient das<br />
Lernprogramm eher als gestalterisches Element denn als instruktives. Diesen Ansatz<br />
haben wir im CBT Regeln und Empfehlungen zur Logiksynthese (REL) mit einem<br />
selbst entwickelten Parser erweitert (Abschnitt 6.1.5).<br />
Wegen dem exponentiell ansteigenden Entwicklungsaufwand bei intelligenten<br />
tutoriellen Systemen (ITS) zur integrierten Stoffmenge sind diese zur Low-Cost-Low-<br />
Time-Produktion ungeeignet.<br />
Bei Spielen und Mikrowelten (Abschnitt 3.2.3) gibt es ähnliche Probleme, auch<br />
wenn der Aufwand im Gegensatz zu ITS kleiner ist. Damit beschränkt sich die<br />
Entwicklung in Low-Cost-Low-Time-Produktionen überwiegend auf Tutorielle<br />
Systeme und Präsentationen.
40<br />
Kapitel 3. CBT-Entwicklung mit Low-Cost-Low-Time
4 Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong><br />
<strong>Lernprogramme</strong><br />
Das Referenzmodell für<br />
<strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
Dieses Kapitel stellt das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong> vor. Es<br />
wurde entwickelt, um die Produktion von CBTs zu erleichtern, zu beschleunigen und<br />
damit Kosten zu senken. Während der Entwicklung wurden viele kleine Tests und<br />
Versuche durchgeführt. Aus dieser Forschung entstanden mehrere Versionen bis zur<br />
aktuellen Version 5. Oft scheinen die Umsetzungen selbstverständlich und<br />
selbsterklärend. Die investierte Forschung erkennt man allerdings, wenn man unsere<br />
<strong>Lernprogramme</strong> mit bereits auf dem Markt vorhandenen CBTs vergleicht. Die positive<br />
Entwicklung spiegelt sich auch in den mehr als 30 <strong>Lernprogramme</strong>n wieder, die auf<br />
Basis des jeweils aktuellen Referenzmodells entstanden.<br />
In Fragen der Didaktik, Psychologie und Physiologie, also für uns fachfremden<br />
Disziplinen, stützten wir uns als Forschungseinrichtung der technischen Informatik auf<br />
Erkenntnisse, die wir aus entsprechender Literatur zusammengetragen haben, ohne<br />
diese zunächst selber zu erforschen.<br />
Im folgenden beginnen wir mit Grundlagen und stellen anschließend die<br />
Konzeption vor. Schließlich folgt eine Abschätzung der Zeitersparnis, die das<br />
Referenzmodell bringt.<br />
4.1 Grundlagen <strong>zum</strong> Referenzmodell<br />
In Ansätzen zur Kostensenkung sind Design-Reuse-Maßnahmen ein bewährtes Mittel.<br />
The design process in most engineering disciplines is based on component reuse<br />
[Somm01, S.307]. Im Software-Engineering und der IT-Branche (IT, Informations-<br />
Technologie) trifft man besonders häufig auf diesen Ansatz. Software should be<br />
considered as an asset and reuse of these assets is essential to increase the return on<br />
their development cost [Somm01, S.307].<br />
Windows bedient sich z.B. mit den Dynamic Link Librarys (DLL) dieses<br />
Ansatzes. Funktionen liegen zentral in DLLs und können von Applikationen durch<br />
Aufruf verwendet werden. Diese Funktionen müssen somit nicht jedesmal neu
42<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
programmiert werden, sondern stehen direkt zur Verfügung, und der eigene Code baut<br />
oftmals darauf auf.<br />
Im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> bezeichnet man mit Intellectual Property (IP) fertige<br />
Schaltungsmodule, die in anderen Schaltungen wiederverwendet werden. Eine<br />
Schaltung die z.B. unter Aufwand optimiert wurde, wird als „Geistiges Eigentum“<br />
geschützt und bringt ihr Return-on-Investment, indem sie von anderen lizensiert wird.<br />
Die Lizenznehmer ersparen sich dadurch die Zeit zur Entwicklung und die Kosten,<br />
weil die Lizenz oft günstiger ist. Ein Ableger von IPs sind <strong>Chip</strong>baukästen:<br />
<strong>Chip</strong>baukasten bringt Zeitgewinn: Grundidee: Die Entwickler greifen auf einen<br />
vorhandenen Baukasten von Schaltmodulen zurück und ergänzen den <strong>Chip</strong> dann um<br />
kundenspezifische Funktionen [Comp02a].<br />
Ähnliche Ansätze gibt es natürlich auch außerhalb der IT-Branche, z.B. in der<br />
Automobil-Industrie. Dr. Ferdinand Piëch beschreibt in seiner Autobiographie, wie<br />
durch die modulare Bauweise von Autoteilen und Einsatz in unterschiedlichen<br />
Konzernmarken eine Rationalisierung erreicht wurde. Die Rationalisierungseffekte<br />
bestehen einerseits in komplexen Modulen (bis zu Systemen), vor allem aber in einer<br />
Längsverkettung von Gleichteilen über die Hierarchie hinweg: Das oberste Federbein<br />
beim Polo könnte auch einen mittelmotorisierten Golf und einen niedermotorisierten<br />
Passat ausstatten [Piëc02ë, S.203]. Hier ist das Zusammenspiel von Standardisierung<br />
und Design-Reuse besonders deutlich zu erkennen. Standardisierte Komponenten<br />
werden einmal entworfen und wiederholt in unterschiedlichen Automobil-Modellen<br />
mit modellspezifischen Teilen verbaut.<br />
Ähnliche Rationalisierungseffekte können auch bei der CBT-Produktion<br />
ausgenutzt werden. Dazu haben wir das Referenzmodell entworfen, mit dem Ziel, die<br />
CBT-Produktion im Sinne von Low-Cost-Low-Time (Abschnitt 3.3) zu optimieren.<br />
Durch Design-Reuse, Standardisierungen und Vorgaben werden der<br />
Produktionsaufwand und die Entwicklungskosten reduziert. Das Referenzmodell<br />
basiert auf diesen bewährten Regeln und ist eine Anwendung zur kostengünstigen<br />
CBT-Produktion (Abschnitt 4.2).<br />
4.1.1 Anforderungen<br />
Zu Beginn der Entwicklung wurden Ziele, Ansprüche und Erwartungen definiert,<br />
denen das Referenzmodell genügen sollte:<br />
- Die Entwicklungszeit von CBTs soll verkürzt werden.<br />
- Ihre Wartung soll vereinfacht werden (Erweiterung, Anpassung und Pflege).<br />
- Die dazu gewählte Lernprogrammstruktur soll die Umsetzung eines Textskripts in<br />
ein CBT unterstützen und erleichtern. Man kann existierende Gliederungen<br />
übernehmen.
4.1 Grundlagen <strong>zum</strong> Referenzmodell 43<br />
- Der Einsatz soll nicht auf das universitäre Umfeld beschränkt sein, obwohl es<br />
zunächst hier eingesetzt werden soll.<br />
- Team-Arbeit bei der Implementierung von CBTs soll mit dem Referenzmodell<br />
gefördert werden.<br />
- Die Einarbeitungszeit 7 soll möglichst minimal sein.<br />
- Der Funktionsumfang soll die Navigation im Lernprogramm umfassen und das<br />
Lernen fördern.<br />
- Kommunikation zwischen Lernprogramm und anderen CAD-Tools soll möglich<br />
sein.<br />
- Multimedia-Anfänger, Amateure und Profis sollen das Referenzmodell gleichsam<br />
nutzen können.<br />
4.1.2 Zielgruppen<br />
Das Referenzmodell wendet sich an Dozenten, wissenschaftliche Mitarbeiter und<br />
andere Entwickler <strong>multimediale</strong>r <strong>Lernprogramme</strong> mit Sprachunterstützung. Da es ein<br />
offenes System ist, kann es beliebig adaptiert und für eigene Ansätze umprogrammiert<br />
werden und beschränkt sich nicht auf ein bestimmtes Wissensgebiet. Durch den<br />
Einsatz des Referenzmodells legt sich der CBT-Designer keinesfalls auf eine<br />
Lerntheorie oder einen der methodischen Grundtypen fest. Die Ausprägung, die sein<br />
CBT bekommt, hängt immer noch von seiner Umsetzung ab.<br />
Wir haben das Referenzmodell für anspruchsvolle Arbeiten bis hin zu Teilen<br />
dieser Dissertation (Kapitel 6) und sogar zur Selbstdarstellung des Referenzmodells<br />
(Abschnitt 4.1.4) verwendet. Dabei sind sowohl behavioristische als auch<br />
konstruktivistische <strong>Lernprogramme</strong> entstanden.<br />
4.1.3 Voraussetzungen<br />
Voraussetzungen für die eigene CBT-Entwicklung ist ein Standard-Windows-PC mit<br />
Authorware-Lizenz und dem Referenzmodell aus Abschnitt 4.1.4. Weitere Tools wie<br />
Grafik-, Musik-, Video- und Animationsprogramme werden je nach individuellem<br />
Bedarf zusätzlich benötigt. Das Referenzmodell ist mit Authorware implementiert, und<br />
es werden nur Kenntnisse in diesem Autorensystem vorausgesetzt.<br />
Das Referenzmodell wurde eher zur LCLT-Produktion von CBTs als von WBTs<br />
entwickelt. Es enthält zur Kopplung von CBTs Funktionen, die nicht uneingeschränkt<br />
7 Mit Einarbeitungszeit ist sowohl die Einarbeitung ins Referenzmodell als auch die Einarbeitung in dazu<br />
notwendige Tools gemeint.
44<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
über ein Netz laufen. Lässt man diese weg, so kann das Referenzmodell auch in WBTs<br />
eingesetzt werden.<br />
Ferner werden natürlich Kenntnisse im Umgang mit Computern und ein gewisses<br />
Verständnis von Programmierprinzipien im Allgemeinen vorausgesetzt. Natürlich sind<br />
auch mediendidaktische Fähigkeiten sinnvoll.<br />
4.1.4 Komponenten<br />
Das Referenzmodell besteht aus mehrere Programmkomponenten und einem Konzept<br />
zur LCLT-Produktion von CBTs. Bild 4.1 zeigt alle Programmkomponenten des<br />
Referenzmodells.<br />
Bild 4.1 Programmkomponenten des Referenzmodells<br />
Das CBT-Gerüst Refmod-Starter-Kit (RSK) stellt die Ausgangsbasis für jedes<br />
Lernprogramm dar und liegt als Authorware-Source-Code vor. Es entspricht einem<br />
Lernprogramm ohne Inhalt, jedoch mit bereits vielen fertigen Funktionen wie<br />
Lesezeichen, Inhaltsverzeichnis und Navigation. In Abschnitt 4.1.6 wird der Einsatz<br />
des RSK beschrieben.<br />
Das Projekt-Linking-Tool (PLT) dient mit einer grafischen Benutzeroberfläche<br />
dem einfachen Koppeln von <strong>Lernprogramme</strong>n zu Lernsystemen. Das PLT entstand als<br />
zusätzliches Tool in einer Studienarbeit [Schu02].<br />
Um dem zukünftigen Referenzmodell-Anwender den Einstieg ins Konzept zu<br />
erleichtern, haben wir das Lernsystem Einführung ins Referenzmodell (EIR)<br />
entwickelt [ÇaSc02]. EIR besteht aus drei <strong>Lernprogramme</strong>n, die unterschiedliche Teile<br />
des Referenzmodells erklären und damit in das Konzept einführen.<br />
Mit dem Lernprogramm Vorstellung des Referenzmodells (VDR) wird zunächst<br />
eine allgemeine Einführung gegeben. VDR liefert einen Überblick über die<br />
Komponenten und eine Vorstellung, wie und wofür das Referenzmodell zu verwenden<br />
ist, ohne dabei ins Detail zu gehen.
4.1 Grundlagen <strong>zum</strong> Referenzmodell 45<br />
Das Lernprogramm RSK im Detail (RID) erklärt das Referenzmodell aus Sicht<br />
des CBT-Entwicklers. Sowohl Teile des Quellcodes als auch Techniken und<br />
Umsetzungen werden hier detailliert vorgestellt, und ein kleines Beispiel demonstriert<br />
die Anwendung.<br />
Informationen, Tipps und Empfehlungen <strong>zum</strong> Design werden im Lernprogramm<br />
Designer-Empfehlungen (DE) vermittelt. Auch mit diesem Teil soll der zukünftige<br />
CBT-Designer für offensichtliches und weniger offensichtliches sensibilisiert werden.<br />
Im nächsten Abschnitt 4.1.5 gehen wir auf DE genauer ein.<br />
Diese drei <strong>Lernprogramme</strong> sind in dem Lernsystem EIR zusammengefasst und<br />
geben das Konzept wieder. EIR erfüllt damit drei Funktionen und dient als tutorielle<br />
Einführung, <strong>multimediale</strong> Dokumentation und als ein Beispiel für eine mögliche<br />
Implementierung eines Lernsystems auf Basis des Referenzmodells, da es selbst<br />
ebenfalls mit dem Referenzmodell erstellt wurde. Durch Betrachten von EIR bekommt<br />
der zukünftige Entwickler eine Vorstellung, wie Lernsysteme mit dem Referenzmodell<br />
aufgebaut werden können, und kann diese Erfahrungen zur Planung eigener<br />
<strong>Lernprogramme</strong> oder Lernsysteme nutzen.<br />
4.1.5 Design-Empfehlungen<br />
Wiederholt haben wir festgestellt, dass die Missachtung teilweise recht offensichtlicher<br />
Designpunkte die Produktion verzögert oder das Resultat verschlechtert. Durch<br />
Vorgaben soll der CBT-Designer an diese Designpunkte erinnert werden und<br />
gleichzeitig auch einen Rahmen bekommen, in dem er seine Kreativität ausüben kann.<br />
Wir haben uns hierbei zunächst auf einige wenige Punkte, die für alle Produktionen<br />
anwendbar sind, beschränkt. Jedem Nutzer bleibt es überlassen, diese beliebig nach<br />
seinen Vorstellungen zu erweitern.<br />
Schriftarten und -größen<br />
Der übertriebene Einsatz von unterschiedlichen<br />
Schriftarten in unterschiedlichen Schriftgrößen<br />
erschwert oftmals das Lesen und damit die<br />
Informationsaufnahme. Die Suche nach einer<br />
passenden Schriftart bei der CBT-Entwicklung<br />
kann <strong>zum</strong> Zeitgrab werden, wenn eine Auswahl<br />
aus sehr vielen Fonts getroffen werden soll. Um<br />
hier vorzubeugen, haben wir die erlaubte Anzahl<br />
Arial<br />
Times New Roman<br />
System<br />
Courier<br />
Tabelle 4.2 In unseren CBTs<br />
erlaubte Schriftarten<br />
unterschiedlicher Fonts auf den Quasi-Standard in Tabelle 4.2 beschränkt.<br />
Neben der Zeitersparnis umgeht die Beschränkung auf Tabelle 4.2 weitere Kosten<br />
wie z.B. für Font-Lizenzen, da diese praktisch auf jedem Computer mit dem<br />
Betriebssystem installiert werden. Ferner werden Fehler zur Laufzeit verhindert, da die
46<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
unbedachte Auswahl einer auf dem Entwicklungssystem installierten Schriftart auf<br />
dem Benutzer-System Fehlermeldungen verursachen kann, wenn sie dort nicht<br />
installiert ist.<br />
Tipps zur Sprachaufnahme<br />
Die Feinheiten, die ein Tontechniker während einer Aufnahme beherrscht, können<br />
natürlich nicht von einem studentischen CBT-Entwickler verlangt werden. Allerdings<br />
kann heute jeder auf einfache Weise Sprachaufnahmen am PC machen.<br />
Sauber ausgesteuerte Aufnahmen sind das Resultat der richtig angewandten<br />
Technik. Um CBT-Entwickler zu schulen, präsentieren wir Demo-Aufnahmen wie in<br />
Bild 4.3, die Unterschiede wiedergeben. Damit vermeiden wir kostspielige Fehler und<br />
Doppelaufnahmen. Übrigens kommt hier eine wesentliche Stärke von CBTs zur<br />
Anwendung. Gute und schlechte Aufnahmen können in CBTs dem Lernenden einfach<br />
vorgespielt werden, was in Printmedien eben nicht möglich ist.<br />
Bild 4.3 Beispiel zur Aussteuerung von gesprochenen Aufnahmen<br />
Kontrast und dünne Linien auf hellem Hintergrund<br />
Zu Lehrzwecken werden unsere CBTs auch in der Vorlesung über einen Beamer<br />
betrachtet oder als Videoaufnahme in Präsentationen eingebunden. In diesen<br />
Vorführungen ohne Monitor sind die Lichtverhältnisse oft schlechter. Kontrastarme<br />
Darstellungen können das flüssige Lesen behindern. Schwach kontrastierter Text ist<br />
schwer zu lesen, besonders, wenn er auch noch winzig und in Kursivdruck steht<br />
[...][Niel00, S. 126].<br />
Wir sensibilisieren unsere studentischen CBT-Entwickler durch Beispiele und<br />
Hinweise, die exemplarisch in Bild 4.4 zusehen sind, und fördern so gute Resultate.
4.1 Grundlagen <strong>zum</strong> Referenzmodell 47<br />
4.1.6 Einsatz<br />
Bild 4.4 Design-Empfehlungen zu Linien und Kontrast<br />
Der mit dem Lernsystem EIR geschulte CBT-Designer legt zunächst eine Kopie vom<br />
RSK an und öffnet es in der Authorware-Programmierumgebung. Entsprechend dem<br />
Drehbuch zu seinem Lernprogramm dupliziert er die enthaltenen Musterabschnitts-<br />
Icons und Musterseiten-Icons nach Bedarf und baut so seine Lernprogrammstruktur<br />
auf. Im nächsten Schritt benennt er die Abschnitte und Seiten nach seinen<br />
Vorstellungen um, indem er die zugehörigen Icon-Namen ändert. Damit ist die<br />
RSK-Kopie für sein Lernprogramm vorbereitet, und die Umsetzung des Wissens kann<br />
beginnen. Im nächsten Schritt wird diese RSK-Kopie mit Inhalten gefüllt.<br />
Da das Duplizieren der Icons kaum Zeit beansprucht, fällt die Vorbereitungszeit<br />
einer RSK-Kopie in der gesamten Entwicklungszeit vernachlässigbar klein aus. Jedoch<br />
gewinnt der CBT-Designer viel Zeit, die er sonst zur Implementierung der im RSK<br />
enthaltenen Funktionen hätte aufbringen müssen (vgl. Abschnitt 4.3).<br />
Bild 4.5 zeigt Screenshots von fünf <strong>Lernprogramme</strong>n, die mit dem RSK<br />
entwickelt wurden. Das RSK-Fenster ist oben links im Bild zu sehen. Die<br />
Darstellungsbereiche der übrigen Fenster sind mit unterschiedlichen Darstellungen<br />
gefüllt. Der Wiedererkennungswert wird hier als einer der Vorteile deutlich. Lernende,<br />
die sich einmal in die Funktionalität eines der <strong>Lernprogramme</strong> eingearbeitet haben,
48<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
sind ohne weitere Einarbeitung in der Lage, die übrigen <strong>Lernprogramme</strong> gleich zu<br />
bedienen.<br />
Bild 4.5 Aus einer RSK-Kopie entstandene <strong>Lernprogramme</strong><br />
4.2 Konzeption des Referenzmodells<br />
Die beim Lernen intern ablaufenden kognitiven Prozesse müssen durch das<br />
Analysieren mit den Sinnesorganen quasi „befriedigt“ werden. Nur dann können<br />
Einzelheiten und Zusammenhänge entdeckt, verstanden und gelernt werden.<br />
Kognitionen sind solche Vorgänge, durch die die Person Kenntnis von ihrer Umwelt<br />
erlangt. Durch Kognitionen (z.B. Wahrnehmung, Vorstellung, Denken) wird Wissen<br />
erworben. Die Informationsverarbeitung kann man als aktiven, subjektiven<br />
Strukturierungsprozess begreifen [Edel00, S.113]. Wird die „Befriedigung“ gestört,<br />
kann dies das Lernen stören. Störungen können unterschiedliche Ursachen haben, unter<br />
anderem auch technische wie eine langsame Internet-Verbindung, mangelnde<br />
Navigationsfunktionen oder auch schlechte Tonqualität.<br />
Die Konzeption des Referenzmodells wurde zur kostengünstigen Produktion von<br />
CBTs mit dem RSK unter Einbeziehung didaktischer Aspekte entwickelt. Es wurden<br />
Details implementiert oder gewählt, die das Lernen fördern und Störungen verhindern<br />
sollen. Diese werden im folgenden vorgestellt.
4.2 Konzeption des Referenzmodells 49<br />
4.2.1 Lernprogrammstruktur<br />
Bücher sind in der Regel linear in Kapitel, Abschnitte und Seiten gegliedert. Das<br />
Medium Computer, auf dem für gewöhnlich <strong>Lernprogramme</strong> laufen, bietet<br />
<strong>multimediale</strong> Darstellungsformen und damit auch andere Gliederungsformen als bei<br />
Büchern an. Zum Beispiel sind Hypertexte typische Vertreter von <strong>Lernprogramme</strong>n,<br />
während sie in Printmedien kaum vorkommen. Hypertexte entziehen Texte und<br />
<strong>multimediale</strong>s Material der Linearität, die etwa bei traditionellen Texten gegeben ist.<br />
An die Stelle der Linearität wird die Vernetzung durch Querverweise gesetzt. In<br />
Multimedia-Anwendungen erlaubt das Benutzen eines Querverweises (eines so<br />
genannten Links) den automatischen Sprung zur vernetzten Einheit. Das WWW folgt<br />
dem Hypertextprinzip [BaBS02, S.66].<br />
Während die Gliederungsform bei Büchern klassisch, altbewährt und für viele<br />
Lernende beim strukturierten Lernen (zur ersten Wissensaufnahme) intuitiv zu<br />
bedienen ist, bieten Hypertexte gerade für unstrukturiertes Lernen (<strong>zum</strong> Nachlernen<br />
oder <strong>zum</strong> Informieren) Vorteile (und natürlich auch Nachteile). Um größtmögliche<br />
Flexibilität zu wahren, sollte das Lernprogramm sowohl strukturiertes als auch<br />
unstrukturiertes Lernen ermöglichen. In Hypertext-Systemen wird dies manchmal<br />
durch so genannte Guided Tours versucht, das sind vordefinierte Pfade durch das<br />
Lehrmaterial. Die Guided Tours sollen die Koherenzbildung unterstützen [Seeb03,<br />
S.143]. Zunächst wird der Lerner die Tour wählen, später jedoch seinem individuellen<br />
Lernpfad folgen.<br />
Im folgenden erläutern wir kurz gängige Lernprogrammstrukturen und stellen<br />
anschließend die Struktur des Referenzmodells vor. Gängige Strukturen für<br />
<strong>Lernprogramme</strong> sind Leiterstruktur, Baumstruktur und Netzwerkstruktur [FLSt97,<br />
S.51], die in Bild 4.6 schematisch dargestellt sind.<br />
Bild 4.6 Lernprogrammstrukturen nach [FLSt97, S.51]
50<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
Die Leiterstruktur repräsentiert am ehesten die Gliederung von Büchern. Wählt<br />
man diese Struktur für <strong>Lernprogramme</strong>, wird die Umsetzung z.B. von Text-Skripten in<br />
<strong>Lernprogramme</strong> ebenfalls vereinfacht. Bestenfalls kann man die Gliederung eines<br />
Skripts eins zu eins übernehmen. Dies ist ein Vorteil, wenn bestehendes Lehrmaterial<br />
in <strong>Lernprogramme</strong>n umgesetzt werden soll. Der Designer kann von den bereits<br />
didaktisch aufbereiteten Materialien profitieren und bei der Ausarbeitung des<br />
Drehbuchs <strong>zum</strong> Lernprogramm Zeit sparen.<br />
Für die Leiterstruktur spricht zusätzlich seine Übersichtlichkeit und sein einfacher<br />
Aufbau. Die Implementierung kann schnell und effizient erfolgen, da komplexe<br />
Verknüpfungen zwischen den Informationseinheiten, im Gegensatz z.B. zur<br />
Netzwerkstruktur, nicht eingerichtet und, was noch wesentlicher ist, verwaltet werden<br />
müssen. Eine komplexe Lernprogrammstruktur kann bei der Design-Findung gerade<br />
Anfänger und Amateure überfordern.<br />
Die Lehre in ihrer neuen Form als E-Learning ist eine relativ junge Disziplin.<br />
Viele Lernende müssen sich erst an das Lernen in dieser Form gewöhnen. Die<br />
Lernprogrammstruktur sollte den Aufwand nicht zusätzlich erhöhen. Während die<br />
Netzwerkstruktur die inhaltliche Gliederung dominiert und für Informations- und<br />
<strong>Lernprogramme</strong> thematische Vorkenntnisse, ein Selbstlernkonzept und ein hohes Maß<br />
an Selbstdisziplin beim Anwender voraussetzt (ähnlich wie bei Hypertexten), bietet die<br />
Leiterstruktur didaktische Vorteile. Obwohl dieses Modell [Leiterstruktur] die<br />
Beweglichkeit des Anwenders im Programm einschränkt, hat es gerade bei ungeübten<br />
Benutzern durchaus didaktische Vorteile: Es vermeidet Irritationen durch die<br />
Programmbedienung und unterstützt die Konzentration auf den Inhalt [FLSt97, S.51].<br />
Als Nachteil wird allerdings die eingeschränkte Bewegungsfreiheit angeführt. Beim<br />
Lernen kann es bekanntlich notwendig sein, bereits bearbeitete oder zukünftige<br />
Passagen im Lernprogramm auch mal direkt anspringen zu müssen. Eine dann<br />
vorhandene Navigationseinschränkung, z.B. wenn man die Seiten nur linear aufrufen<br />
kann, führt oftmals zu Motivationsverlusten und ist von Nachteil.<br />
Die Lernprogrammstruktur <strong>zum</strong> Referenzmodell baut auf der Leiterstruktur auf<br />
und ergänzt diese durch zusätzliche Navigationsfunktionen. Dadurch gewinnen wir die<br />
Vorteile der Leiterstruktur wie Übersichtlichkeit, Einfachheit, Vermeiden von<br />
Irritationen und Unterstützen der Konzentration. Diese erleichtern dem Lernenden den<br />
Zugang und helfen dem CBT-Designer, bei der Entwicklung Zeit zu sparen. Mit den<br />
zusätzlichen Navigationsfunktionen lösen wir das Problem der eingeschränkten<br />
Bewegungsfreiheit und ermöglichen die Navigation ähnlich wie in einer<br />
Netzwerkstruktur. Damit bietet das Referenzmodell größtmögliche Flexibilität.<br />
Durch die gewählte Leiterstruktur und die implementierten Navigationsfunktionen<br />
im RSK wurde versucht, sowohl strukturiertes als auch unstrukturiertes Lernen zu<br />
unterstützen. Der Lernende kann wahlweise den Stoff durch einfaches Blättern<br />
durchlaufen (vordefinierter Lernpfad) oder mit Hilfe der Navigationsfunktionen die<br />
Seiten auch mal direkt Anspringen (individueller Lernpfad).
4.2 Konzeption des Referenzmodells 51<br />
4.2.2 Module<br />
Ein Lernprogramm auf Basis einer RSK-Kopie heißt Modul. Module entstehen, wenn<br />
eine RSK-Kopie mit Inhalten gefüllt wird. Ein Modul stellt die kleinste selbständige<br />
Einheit dar. Module sind wie in Bild 4.7 in Abschnitte unterteilt, die aus Seiten<br />
bestehen.<br />
Bild 4.7 Aufbau eines Moduls<br />
Auf den Seiten wird das Wissen präsentiert. Aufeinander folgende Seiten, die<br />
einen engen Zusammenhang haben, können zu einer Seitengruppe zusammengefasst<br />
werden (Seiten 2.2 bis 2.4 in Bild 4.7).<br />
Die Gliederung in Module, Abschnitte, Seitengruppen und Seiten soll beim<br />
Lerner einen Bezug zur bekannten Struktur klassischer Lehrmittel (Bücher, Skripte<br />
etc.) schaffen und zu einer intuitiven Benutzerleitung führen.<br />
Seitengruppen<br />
Im Gegensatz zu anderen Autorensystemen wie Director oder Flash kann in<br />
Authorware nicht vor- oder zurückgespult werden. Daher ist es notwendig, die<br />
Seitendauer kurz zu halten, jedoch kann nicht jedes Wissen kurz präsentiert werden.<br />
Zur Lösung haben wir das Konzept der Seitengruppe erarbeitet.<br />
Lernsequenzen, die wegen ihrer Länge nicht auf eine Seite passen, werden auf<br />
mehrere Seiten aufgeteilt (Bild 4.7). Der Lernende erhält damit eine Möglichkeit zu<br />
einer Art Vor- und Rückspulen durch Springen in der Seitengruppe. Technisch<br />
unterscheiden sich Seitengruppen von Seiten lediglich, indem außer der ersten Seite<br />
einer Seitengruppe die restlichen nicht im Inhaltsverzeichnis erscheinen.<br />
Mit dem Konzept der Seitengruppe wird verhindert, dass zu lange Lernsequenzen<br />
das Lernen stören. Zusätzlich dient der Wechsel als Anregung der Aufmerksamkeit.<br />
Das Anspringen von Seiten ausser der ersten Seite einer Seitengruppe wird nicht<br />
gewährt, da sie dann in der Regel aus dem Zusammenhang gerissen wirken würden.
52<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
Der Lerner muss sie linear durchlaufen, kann dabei aber das Tempo bestimmen und<br />
Seiten auch durch schnelles Blättern überspringen.<br />
4.2.3 Modularität<br />
Die Vorteile von Modularität in Lehrmaterialien <strong>zum</strong> E-Learning werden in [Seeb03,<br />
S.61] als Wartbarkeit, Redundanz und Wiederverwendbarkeit genannt. Um diese<br />
Vorteile zu nutzen, wurden besondere Funktionen im RSK implementiert. Damit<br />
können Module durch einfaches Zusammenkopieren in ein Verzeichnis individuell zu<br />
Lernsystemen (Abschnitt 3.5.1) zusammengestellt werden. Ein modulübergreifendes<br />
Inhaltsverzeichnis, das automatisch generiert wird, verbindet dabei die Module<br />
(Abschnitt 5.2.6). Erst die Modularität mit diesem Automatismus ermöglicht den<br />
flexiblen und kostengünstigen Einsatz aus Bild 4.8. Die Module sollten allerdings<br />
kontextfrei implementiert sein, da nur dann eine beliebige Zusammenstellung möglich<br />
wird.<br />
4.2.4 Modulaufbau<br />
Bild 4.8 Aus dem Modul-Pool werden Module zusammengestellt<br />
Jedes Modul ist wie in Bild 4.9 prinzipiell gleich aufgebaut. Nach dem Benutzer-Login<br />
folgt der Vorspann, der für jedes Modul individuell sein kann. Das Hauptmenü<br />
verbindet alle Bereiche eines Lernsystems, und Seiten bzw. Seitengruppen aus allen<br />
Modulen können von hier direkt angesprungen werden. Zusätzlich können von hier der<br />
Vorspann, das Setup und die Hilfe des aktuellen Moduls erreicht werden. Vom<br />
Hauptmenü gelangt man zu allen anderen Teilen und zurück, vom Login dagegen nur<br />
<strong>zum</strong> Vorspann.<br />
Im Setup kann das Programmfenster auf dem Bildschirm zentriert, der Rahmen<br />
ein- und ausgeschaltet, ein Textfenster ein- und ausgeblendet sowie der Desktop<br />
optional verdeckt werden. In der Hilfe werden Erklärungen zu den Funktionen des<br />
Lernprogramms gegeben. Die Hilfe kann wahlweise auch vom Designer ergänzt oder<br />
beliebig verändert werden. Über das Ende verlässt man das Lernprogramm nach einer<br />
Bestätigung.
4.2 Konzeption des Referenzmodells 53<br />
4.2.5 Präsentationsfenster<br />
Bild 4.9 Aufbau eines Moduls<br />
Nach dem Anstarten läuft das Lernprogramm innerhalb eines Windows-Fensters, dem<br />
Präsentationsfenster in Bild 4.10 ab. Der Darstellungsbereich enthält die<br />
<strong>multimediale</strong>n Präsentationen. Der Navigationsbereich sowie das optional<br />
zuschaltbare Textfenster mit dem gerade gesprochenen Text sind optisch getrennt,<br />
was für eine klare Orientierung beim Lernen sorgt. Das Textfenster ist aus<br />
wahrnehmungsphysiologischen Gründen rechts angeordnet.<br />
Bild 4.10 Präsentationsfenster<br />
Der Navigationsbereich ist nach ergonomischen Regeln im unteren Fensterbereich<br />
angeordnet (Abschnitt 4.2.6).<br />
Ohne Textfenster hat der Darstellungsbereich mit dem Navigationsbereich<br />
zusammen eine Auflösung von 640x480 Pixel. Gängige Bildschirmauflösungen auf<br />
PC-Systemen sind heute z.B. 1024x768 Pixel oder höher. Für das Referenzmodell
54<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
wurde die VGA-Auflösung gewählt, um den Einsatz auch auf Systemen wie Beamer<br />
und digitalem Video gewährleisten zu können. Besonders die zuletzt genannten<br />
Systeme haben bei voller PAL-Auflösung 720x576 Pixel, hier wäre eine Super-VGA-<br />
Auflösung bereits zu groß.<br />
Nach den Anforderungen aus Abschnitt 4.1.1 soll das Referenzmodell nicht nur<br />
von professionellen Designern, sondern gerade auch von Anfängern und Amateuren<br />
nutzbar sein. Ein größerer Darstellungsbereich kann Anfänger und Amateure<br />
überfordern. Bei größerem Darstellungsbereich muss einfallsreicher gearbeitet werden,<br />
um leer wirkende Seiten zu vermeiden, somit kann die Design-Findung länger dauern<br />
und die LCLT-Produktion erschweren.<br />
Durch den begrenzten Platz im Gesamtfenster wird der CBT-Designer gefordert,<br />
sein Design signifikant zu halten, sich auf das Wesentliche zu begrenzen und<br />
„grafischen Müll“ zu vermeiden. In seinem 1983 erschienenen Buch „Die visuelle<br />
Anzeige von quantitativen Informationen“ ließ Edward Tufte seinem Zorn gegenüber<br />
aufgedunsenen und überladenen Unternehmens-Grafiken, die eine Menge Platz<br />
einnehmen und ein Minimum an Informationen bieten, freien Lauf. Tufte führte das<br />
Konzept der „Datentinte“ bezogen auf den Teil ein, der zur Darstellung unbedingt<br />
erforderlich war. Alles andere ist nach Tuftes Meinung „grafischer Müll“<br />
[Niel00, S. 27].<br />
Der Lernende kann eine kleine Fläche leichter überblicken und sich schneller<br />
orientieren, dies schafft Klarheit. Dieser Begründung folgen z.B. auch Erkenntnisse<br />
über Website-Design-Studien aus [ct14-02, Boss00], die hier ebenfalls begründete<br />
Anwendung finden. Einige grundsätzliche Usability-Aussagen wirken schon fast<br />
banal, sollten aber dennoch nicht ignoriert werden: Je einfacher eine Seite aufgebaut<br />
ist, desto leichter findet sich der Besucher zurecht. Zu viele Eindrücke auf einmal<br />
überfordern den Surfer [Lerner]. Besucher erkennen zusammenhängende Seiten an<br />
einheitlichen Merkmalen: Navigationsstruktur, Farbgebung, Logos. Je komplexer die<br />
Seite, desto stärker schrumpft die Zahl der potentiellen Besucher [ct14-02, S. 176].<br />
Beim Einsatz von <strong>Lernprogramme</strong>n kann es notwendig sein, dass z.B. zwei<br />
Programme nebeneinander betrachtet werden müssen, z.B. wenn das Lernprogramm<br />
mit einem CAD-Tool durch die lose Kopplung (Abschnitt 3.4.2) verbunden wird. Das<br />
Lernprogramm übernimmt dabei die Aufgabe eines Tutors, dessen Vorgaben direkt in<br />
dem zweiten Fenster von dem Lernenden umgesetzt werden müssen. Bei zwei kleinen<br />
Fenstern ist der möglicherweise sich überschneidende Bereich natürlich auch kleiner.<br />
Ein angenehmeres paralleles Arbeiten wird ermöglicht und z.B. das Vergleichen von<br />
Inhalten aus beiden Fenstern wesentlich erleichtert, wenn beide Fenster sich kaum<br />
überschneiden.<br />
Zu Präsentationszwecken kann es notwendig sein, das Lernprogramm auch mal<br />
abzufilmen. Die kleine Auflösung ermöglicht bei Sicht auf das gesamte<br />
Präsentationsfenster eine größere Frame-Rate. Ebenfalls ist die resultierende Video-<br />
Datei im Vergleich kleiner und handlicher (z.B. <strong>zum</strong> Verschicken über das Internet).
4.2 Konzeption des Referenzmodells 55<br />
Für zukünftige Überführungen unserer CBTs in WBTs bietet die VGA-Auflösung<br />
weitere Vorteile, denn die damit indirekt zusammenhängende Datenmenge ist natürlich<br />
geringer als mit größeren Auflösungen. Dies wirkt sich folglich positiv auf die<br />
Download-Zeit aus, die bekanntlich nicht klein genug sein kann. Die<br />
Download-Verzögerung verfolgt uns noch immer, und Benutzer mögen es nicht, zu<br />
browsen und dann durch unerwartete Downloads unterbrochen zu werden<br />
[Niel00, S. 131].<br />
Wir haben die Erfahrung gemacht, dass lediglich Bedarf für mehr Platz im<br />
Präsentationsfenster besteht, wenn z.B. größere Oberflächen von anderen Programmen<br />
im CBT dargestellt werden müssen. Hier ist das Können des Designers gefragt, der mit<br />
Auszügen nur notwendige Bereiche darstellen darf.<br />
4.2.6 Navigation<br />
Je intuitiver ein Lernprogramm zu bedienen ist, um so mehr kann sich der Lernende<br />
auf den Inhalt konzentrieren. Verwirrende oder unvollständige Navigationsfunktionen<br />
stören dagegen das Lernen. Die auf jeder Modul-Seite gleiche Navigationsleiste des<br />
Referenzmodells in Bild 4.11 ist nach ergonomischen Regeln im unteren<br />
Fensterbereich angeordnet. Oben würde es stärker auffallen und stören. Wir erfassen<br />
[...] das Obere schneller als das Untere [...]. Deshalb müssen solche<br />
Kontrastwirkungen [...] im Layout entsprechend berücksichtigt werden [FLSt97,<br />
S.224].<br />
Bild 4.11 Navigationsleiste des Referenzmodells<br />
Mit den Tasten der Navigationsleiste kann man unter anderem zu Seiten,<br />
Seitengruppen und Abschnitten springen. Dabei ist links die lokale Steuerung und<br />
rechts die Globalsteuerung untergebracht. Tasten in der Navigationsleiste, die temporär<br />
keine Funktion erfüllen, werden grau dargestellt, verschwinden also nicht vom<br />
Sichtfeld des Lernenden.
56<br />
Pause-Taste<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
Mit der Pause-Taste kann der aktuelle Ablauf jederzeit inklusive Ton angehalten<br />
werden, und der Lerner erhält die Möglichkeit, Abläufe im Detail zu betrachten.<br />
History-Liste<br />
Eine History-Liste protokolliert alle besuchten Seiten einer Sitzung. Damit bekommt<br />
der Lernende die Möglichkeit, auch in seinem Lernweg zurück zu laufen, ähnlich wie<br />
mit der Back-Taste eines Browsers. Zur Orientierung läuft in der Mitte der<br />
Navigationsleiste eine Fortschrittsanzeige, und es werden Seiten- und Abschnittstitel<br />
angezeigt. Die Fortschrittsanzeige wird vom RSK automatisch angepasst.<br />
Lesezeichen<br />
Mit Hilfe von Lesezeichen können einzelne Seitenverweise in einer Liste abgelegt und<br />
individuell benannt werden. Bild 4.12 zeigt das Lesezeichenfenster, das abgekoppelt<br />
vom Präsentationsfenster erscheint und beliebig auf dem Bildschirm platziert werden<br />
kann.<br />
Bild 4.12 Lesezeichen<br />
Im ersten <strong>Entwurf</strong> des Referenzmodells wurden die Lesezeichen im<br />
Präsentationsfenster dargestellt und verdeckten damit den Darstellungsbereich. Dieser<br />
<strong>Entwurf</strong> war zwar einfacher zu implementieren, jedoch aus genanntem Grund<br />
nachteilig. Diese entkoppelte Version wurde mit einer Art Interprozesskommunikation<br />
entworfen, die in Kapitel 5 vorgestellt wird.<br />
Die Lesezeichen werden benutzerspezifisch anhand des Login-Namens verwaltet.<br />
Damit können Benutzer unabhängig voneinander auf demselben PC-System arbeiten<br />
und ihre Lesezeichen getrennt speichern.<br />
Skip-Taste<br />
Auch wenn durch Textfenster und Seitengruppen Lernsequenzen in „verdaubare“<br />
Portionen unterteilt werden, haben wir beobachtet, dass beim Wiederholen oft nur das
4.2 Konzeption des Referenzmodells 57<br />
Schlussbild einer Seite interessiert, jedoch fehlt es aus technischen Gründen an der<br />
Vorspulfunktion (Seitengruppen in 4.2.2).<br />
Als Lösung haben wir die Skip-Taste entworfen, die das Überspringen des<br />
Aufbaus einer Seite ermöglicht. Der Lernende kann jederzeit über die Skip-Taste<br />
direkt <strong>zum</strong> Schlussbild springen. Lästiges Warten entfällt.<br />
Anzeige des Seitenendes<br />
Durch Tests mit Studierenden fanden wir heraus, dass das Ende eines dynamischen<br />
Seitenaufbaus nicht immer gleich erkannt wird. In der Annahme, dass noch was folgt,<br />
warten manche vergebens oder irren sich und blättern weiter, obwohl noch was folgt.<br />
Die Lernenden werden dadurch aus dem Lernrhythmus gerissen. Zur Lösung<br />
verwenden wir die Pause-Taste als Indikator, wir schalten sie am Schlussbild grau und<br />
zeigen so das Ende der Seite an.<br />
4.2.7 Hauptmenü<br />
Im Hauptmenü befindet sich das Inhaltsverzeichnis (Bild 4.13). Übersichtlich sind im<br />
linken Teilfenster die Abschnitte des gewählten Moduls aufgelistet. Der Modulname<br />
steht darüber. Im rechten Teilfenster stehen die zugehörigen Seiten bzw.<br />
Seitengruppen. Alternativ können links die Module des Lernsystems und rechts die<br />
zugehörigen Abschnitte angezeigt werden, was einer Lernsystem-Sicht entsprechen<br />
würde.<br />
Bild 4.13 Hauptmenü mit Inhaltsverzeichnis<br />
Das Hauptmenü kann von jeder Seite direkt aufgerufen werden. Von dem<br />
Inhaltsverzeichnis können alle anderen Seiten des Lernprogramms, sofern sie nicht als<br />
Teil einer Seitengruppe versteckt sind (Abschnitt 4.2.2), angesprungen werden. Dies
58<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
ermöglicht dem Lernenden mit wenigen Mausklicks auf jede Seite im Lernsystem zu<br />
navigieren. Das schnelle Auffinden von Wissen wird damit gewährleistet und störende<br />
Pausen verhindert.<br />
Wie bereits erwähnt wird das Inhaltsverzeichnis automatisch generiert. Diese<br />
bekanntlich fehleranfällige und zeitintensive Arbeit übernimmt ein Automatismus im<br />
RSK, was die Entwicklung beschleunigt und sicherer macht. Die Funktionen im RSK<br />
erkennen selbständig das Fehlen des Inhaltsverzeichnisses (Abschnitt 5.2.5) und<br />
erstellen es, der Designer wird dadurch von lästiger Verwaltungsarbeit entlastet.<br />
4.2.8 Textfenster<br />
Das Textfenster haben wir rechts vom Darstellungsbereich angeordnet, weil<br />
bekanntlich das rechte Sichtfeld von der linken Hirnhälfte verarbeitet wird und<br />
umgekehrt. Die linke Hirnhälfte ist auch für gesprochene und geschriebene Worte<br />
verantwortlich, während die rechte Hälfte unter anderem bildliche Wahrnehmung und<br />
Verarbeitung durchführt. Linke Hemisphären: Verbindung <strong>zum</strong> Bewusstsein,<br />
sprachlich, begrifflich, arithmetisch, analytisch und abstrakt. Rechte Hemisphären:<br />
ohne klares Bewusstsein, musikalisch, Bild und Mustererkennung, geometrisch,<br />
räumlich, einheitlich und konkret [Edel00, S.12].<br />
Wir haben beobachtet, dass mit permanent sichtbarem Textfenster der Lernende<br />
verleitet wird, das Gesprochene mitzulesen. Die Aufmerksamkeit wird damit vom<br />
Darstellungsbereich abgelenkt, wo wesentliche Dinge ablaufen. Ohne Textfenster steht<br />
das Gesprochene <strong>zum</strong> visuellen Nachlernen oder Analysieren nicht zur Verfügung. Es<br />
erschwert visuell orientierten Nutzern das Lernen. Unsere Alternative ist das optional<br />
ein- und ausklappbare Textfenster, das sich damit den Bedürfnissen des Lerners<br />
anpassen kann.<br />
Suchen im gesprochenen Text<br />
Oft kann sich ein Lerner nicht erinnern, ob er etwas im CBT selber gelesen oder nur<br />
gehört hat. Da in dem Textfenster exakt das Gesprochene steht, kann man auch nach<br />
gesprochenen Inhalten visuell suchen, ohne jeweils den gesprochenen Text anhören zu<br />
müssen.<br />
Begrenzung der Seitendauer<br />
Lerneinheiten dürfen nicht beliebig lang werden, das Lernen würde sonst erschwert.<br />
Diese Forderung ist allgemein verständlich, allerdings sind keine Regeln über die<br />
Mengen zur Begrenzung von Lerneinheiten bekannt. Diese sind offensichtlich auch<br />
schwer allgemein gültig aufzustellen. Es stellt sich somit die Frage, nach welchen<br />
Kriterien eine Lerneinheit begrenzt werden kann, wann ist sie klein und wann schon zu<br />
groß? Wir verwenden als Faustregel das Textfenster.
4.3 Zeitersparnis beim CBT-<strong>Entwurf</strong> 59<br />
Um die Dauer einer Seite überschaubar zu halten, ist das Textfenster für den<br />
CBT-Entwickler zugleich eine obere Grenze für die Länge des Gesprochenen (die<br />
Schriftattribute dürfen nicht verändert werden). Passt der gesprochene Text nicht mehr<br />
in das Textfenster, wird der Sachverhalt auf mehreren Seiten zu einer Seitengruppe<br />
zusammengefasst (Abschnitt 4.2.2). Zu lange, die Konzentration überfordernde<br />
Seitentexte werden damit unterbunden. Kernaussagen müssen kurz und prägnant<br />
formuliert werden, damit sie ins Textfenster passen.<br />
4.3 Zeitersparnis beim CBT-<strong>Entwurf</strong><br />
Wird das Referenzmodell zur Produktion von CBTs eingesetzt, kann der<br />
CBT-Designer gleich mit der Implementierung der Inhalte beginnen, indem er sie<br />
direkt in eine RSK-Kopie einsetzt. Er erspart sich die Entwicklung der vom RSK<br />
bereitgestellten Funktionalitäten und Vorgaben, indem er diese mit der Kopie einfach<br />
übernimmt. Bild 4.14 verdeutlicht den Vorsprung mit dem RSK, wobei die<br />
vollständige CBT-Entwicklungsdauer natürlich vom Umfang des jeweiligen CBTs<br />
abhängt.<br />
Neben der direkten Einsparung in der Entwicklung tritt eine weitere indirekte<br />
Einsparung durch viele Anwender auf. Dieses Kosten-Einsparungs-Potenzial erschließt<br />
erst ein Referenzmodell mit modularen Eigenschaften wie unseres (Abschnitt 4.2.3).<br />
Wenn <strong>zum</strong> Beispiel alle Teilnehmer im ELAN-Projekt (Abschnitt 2.2) das<br />
Referenzmodell verwenden würden, so wären die durch alle Teilnehmer produzierten<br />
Module untereinander austauschbar. Da Module beliebig zu Lernsystemen<br />
zusammengesetzt werden können, könnten Module fremder Produzenten auch in<br />
eigenen Lernsystemen Einsatz finden.<br />
Bild 4.14 Diagramm zur Zeitersparnis<br />
Ferner spart man Zeit bei der Zusammenstellung der Lernsysteme, da dies<br />
lediglich aus dem Zusammenkopieren der einzelnen Module besteht. Die benötigte<br />
Zeit ist damit vernachlässigbar klein. Dies gilt auch für spätere Wartungen, bei denen<br />
Module ausgetauscht werden.<br />
Die Effizienz des Referenzmodells haben wir z.B. in Praktika ausgenutzt. Dort<br />
entwickeln drei bis vier Studenten in einer Gruppe ein Lernprogramm zu einem von<br />
uns vorgegebenem Thema aus dem <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>. Die Entwicklung wird dabei in die
60<br />
Kapitel 4. Das Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
Phasen Konzept, Drehbuch, Realisierung und Evaluierung gegliedert. Während der<br />
Realisierung von neun Wochen implementieren die Gruppen ein vollständiges<br />
Lernprogramm. Das Referenzmodell nimmt den Studenten monotone, aber notwendige<br />
Arbeiten ab und gibt ihnen die Möglichkeit, sich auf das Wesentliche zu konzentrieren,<br />
nämlich die Umsetzung des Wissens mit <strong>multimediale</strong>n Mitteln. Ohne das<br />
Referenzmodell wäre die Entwicklung von CBTs wie hier in so kurzer Zeit nicht<br />
möglich..
5 Das Programm des Referenzmodells<br />
Das Refmod-Starter-Kit (RSK) ist die Programmierschablone des Referenzmodells<br />
(Abschnitt 4.1.4 und 4.1.6). Sie liegt als Authorware-Source-Code vor, ist in fast allen<br />
Teilen offen zugänglich und kann somit erweitert, angepasst und verändert werden. In<br />
diesem Kapitel werden Details der RSK-Implementierung vorgestellt. Zunächst folgen<br />
einige Erklärungen <strong>zum</strong> Programmieren in Authoware. Sie sollen die anschließend<br />
beschriebenen Details verstehen helfen. Im Anhang A werden weitere wesentliche<br />
Teile des RSK-Programm-Codes erklärt.<br />
5.1 Programmieren in Authorware<br />
Programmieren in Authorware ist das grafische Anordnen und Konfigurieren von<br />
Icons und das Ergänzen dieser Icons durch Skripte. Die 13 Icon-Typen sind im<br />
Handbuch vollständig erklärt [Auth01, S.38].<br />
5.1.1 Programmierebenen<br />
Das Programm des<br />
Referenzmodells<br />
Authorware ist ein Autorensystem mit einer grafischen Benutzeroberfläche. Zusätzlich<br />
bietet es unter anderem eine eingebaute Skriptsprache und die Möglichkeit zur<br />
Nutzung von Funktionen aus internen und externen Bibliotheken. Manche einfachen<br />
Assets können mit Authorware-eigenen Zeichenwerkzeugen erstellt werden.<br />
Komplexere Assets produziert man in der Regel mit externen Anwendungen wie<br />
SoundForge, Photoshop, 3D-Max oder Premiere und importiert sie dann in<br />
Authorware. Alle gängigen Medienformate werden dabei unterstützt (bmp, gif, tif, jpg,<br />
swa, wav, mov, avi etc.). Gegebenenfalls können auch ganze Teile des CBTs mit<br />
anderen Autorensystemen wie Flash oder Director erstellt und in Authorware<br />
eingebunden werden. Dabei profitiert man von den Vorteilen dieser Autorenwerkzeuge<br />
(z.B. skalierbare Vektorgrafiken).
62<br />
Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells<br />
Einen wesentlichen Vorteil von Authorware zeigt Tabelle 5.1, die Einteilung in<br />
drei Programmierebenen. Authorware bietet unterschiedlich qualifizierten Anwendern<br />
Zugang. Während Anfänger mit einfachen Drag’n’drop-Methoden arbeiten, können<br />
Profis flexibler mit Skripten programmieren.<br />
Anfänger Lineare Abläufe: Icons, Flusslinie,<br />
Drag’n’drop, Optionsauswahl<br />
Fortgeschrittene Zusätzlich parallele Abläufe:<br />
Skriptsprache, Variablen, eingebaute<br />
Funktionen, Bibliotheken, Sprünge<br />
Als Beispiel zeigt Bild 5.2 zwei Arten, in Authoware eine Linie zu zeichnen. Im<br />
linken Teilbild ist das Vorgehen mit der Linien-Funktion aus der Tool-Box und der<br />
Maus zu sehen. Dabei zeichnet der Benutzer die Linie mit der Maus im<br />
Präsentationsfenster, was in der Regel Anfänger bevorzugen. Rechts steht die Methode<br />
mit der Funktion Line, die in einem Calculation-Icon verwendet wird. Damit kann die<br />
Linie mit variablen Parametern im Programmablauf verändert werden, was links nicht<br />
möglich ist.<br />
Bild 5.2 Zwei Arten, in Authorware eine Linie zu zeichnen<br />
5.1.2 Lineare und parallele Abläufe<br />
Profis Zusätzlich externe Programmiersprachen<br />
und Autorensysteme: Eigene<br />
Bibliotheken oder Erweiterungen (dazu<br />
sind C++-, Delphi- oder<br />
VisualBasic-Kenntnisse notwendig)<br />
Tabelle 5.1 Authorware-Programmierebenen<br />
Authorware kann als imperative, funktionale Programmiersprache mit grafischer<br />
Benutzeroberfläche bezeichnet werden, ist jedoch nicht objektorientiert. Wie in<br />
Bild 5.3 besteht ein Authorware-Programm aus einer Folge von Icons entlang einer<br />
Flusslinie. Das Resultat wird im Präsentationsfenster angezeigt.
5.1 Programmieren in Authorware 63<br />
Nach dem Anstarten werden alle Icons auf der Flusslinie vom Fokus nacheinander<br />
von oben nach unten ausgeführt. Dieser lineare Durchlauf kann durch parallele<br />
Abläufe und Sprünge unterbrochen werden.<br />
Bild 5.3 zeigt das Authorware-Programm zu einem simulierten UND-Gatter.<br />
Durch Anklicken der Eingänge können diese gesetzt werden, der Ausgang verhält sich<br />
entsprechend der UND-Funktion.<br />
Die UND-Funktion ist im ersten Interaction-Icon als paralleler Ablauf<br />
implementiert. Die Parallelität erkennt man an der unterbrochenen Flusslinie, die mit<br />
Kringeln endet. Dabei zeichnet das linke Icon für A=TRUE & B=TRUE einen roten<br />
Ausgang. Für A=FALSE | B=FALSE wird dieser gelöscht.<br />
Bild 5.3 UND-Gatter in Authorware<br />
Nach dem Anstarten wird zunächst mit dem Display-Icon Bild UND-Gatter<br />
das UND-Gatter aus Bild 5.3 dargestellt. Der Fokus trifft anschliessend auf das erste<br />
Interaction-Icon und aktiviert den parallelen Ablauf. Anschliessend wird das zweite<br />
Interaction-Icon ausgeführt, und der Fokus wartet hier auf eine Eingabe. Klickt der<br />
Benutzer auf eines der Felder am Gattereingang im Präsentationsfenster, wird zunächst<br />
das zugehörige Icon A oder B am zweiten Interaction-Icon durchlaufen, und die<br />
gleichnamigen Variablen A oder B erhalten neue Werte, TRUE für gesetzte und FALSE<br />
für nicht gesetzte Felder. Immer wenn damit die Gleichungen am ersten<br />
Interaction-Icon wahr werden, werden die angehängten Icons durchlaufen und damit<br />
die Ausgangsleitung rot oder schwarz gefärbt. Der Fokus kehrt anschließend wieder<br />
<strong>zum</strong> zweiten Interaction-Icon zurück. Diesen Wechsel verwaltet Authorware<br />
automatisch.<br />
In der Regel verweilt der Fokus auf einem Icon, bis dessen Funktion vollständig<br />
abgearbeitet ist. Nach Default haben also alle Icons die Ausführungsart<br />
wait until done eingestellt. Bei manchen Icons kann die Ausführungsart geändert<br />
werden. Wählt man concurrent oder perpetual, so startet der Fokus dieses Icon<br />
und fährt mit dem nächsten Icon fort. Zum Beispiel kann das Sound-Icon dann einen<br />
Ton parallel zur Ausführung anderer Icons spielen.<br />
Segmente der Flusslinie können mit ihren Icons in Map-Icons gestellt werden,<br />
und dies rekursiv. Map-Icons dienen damit der hierarchischen Gruppierung der
64<br />
Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells<br />
Flusslinie. Die Hierarchietiefe wird dabei im Flusslinienfenster mit Level x<br />
angezeigt (Bild 5.3).<br />
5.1.3 Funktionen, Variablen und Skriptsprache<br />
Authorware bietet mehr als 300 fertige Funktionen und über 200 vorgegebene<br />
Variablen an. Die Funktion Line wurde beispielsweise in Abschnitt 5.1.1 vorgestellt.<br />
SystemSeconds ist beispielsweise eine Authorware-Variable für die Sekunden seit<br />
dem letzten Start des Computers. Im Gegensatz zu benutzerdefinierten Variablen<br />
werden Authorware-Variablen automatisch aktualisiert und können damit auch<br />
parallele Abläufe auslösen.<br />
Die Funktionen und Variablen werden in der Regel mit der<br />
Authorware-Skriptsprache in einem Calculation-Icon verwendet. Trifft der Fokus auf<br />
solch ein Icon, wird das in ihm enthaltene Skript ausgeführt. In der Skriptsprache<br />
findet man auch klassische Konstrukte wie if- oder do-while-Anweisungen.<br />
Individuelle Variablen werden, wie in Skriptsprachen üblich, mit der ersten<br />
Verwendung automatisch deklariert, ein Datentyp muss nicht explizit angegeben<br />
werden.<br />
Alle Variablen sind zunächst global. Arbeiten mehrere Entwickler an einem Code,<br />
kann es sein, dass sie denselben Variablennamen wählen. Damit werden Werte<br />
möglicherweise ungewollt überschrieben. Um solche Probleme zu vermeiden, sind alle<br />
Variablen des RSK mit dem Präfix rm gekennzeichnet und dürfen nur entsprechend<br />
ihrer Bestimmung verwendet werden. Zu vielen weiteren Authorware-Funktionen und<br />
Variablen verweisen wir auf das Handbuch [Auth01]. Wesentliche RSK-eigene<br />
Variablen werden im Lernsystem EIR erklärt [ÇaSc02, Modul RID, S.:8.4], das quasi<br />
das Handbuch <strong>zum</strong> Referenzmodell ist.<br />
5.1.4 Programmieren in Authorware und dem RSK<br />
Durch Duplizieren von Musterabschnitten und Musterseiten (quasi leere Map-Icons im<br />
RSK) wird zunächst Platz für die benötigte Anzahl an Abschnitten und Seiten<br />
geschaffen und anschließend mit Abschnitts- und Seitennamen betitelt. Dann werden<br />
Seiteninhalte in diese Icons eingefügt.<br />
Um dem Anwender den Zugang zu erleichtern, wurden die Icons des RSK mit<br />
Farben kodiert. Rote Icons enthalten Routinen zur Steuerung des RSK und dürfen nicht<br />
verändert werden. Weiße, blaue und grüne Icons dürfen beliebig benutzt werden.<br />
Gelbe Icons enthalten auch rote. Blaue Icons kann man individuell gestalten.<br />
Vorgefertigte Hilfs-Routinen sind grün kodiert. Sie können durch Duplizieren beliebig<br />
oft genutzt werden (Design-Reuse auf der untersten Ebene).
5.2 Erläuterungen <strong>zum</strong> RSK-Programm-Code 65<br />
5.2 Erläuterungen <strong>zum</strong> RSK-Programm-Code<br />
In diesem Abschnitt werden Teile der RSK-Implementierung vorgestellt. Da nicht nur<br />
Profis, sondern auch Anfänger sich im RSK-Code zurechtfinden sollen, war eines der<br />
Herausforderungen, einfache und überschaubare Lösungen zu implementieren und<br />
Schwierigkeiten zu kapseln. Demnach scheinen einige der hier vorgestellten Wege<br />
auch sehr einfach und naheliegend, obgleich sie erst im zweiten Anlauf gelöst wurden.<br />
5.2.1 Aufbau des RSK-Programm-Codes<br />
Der RSK-Programm-Code spiegelt die Struktur des CBTs wieder. Damit wird das<br />
Auffinden einer bestimmten Stelle im Programm-Code (z.B. beim Debuggen)<br />
erleichtert. Bild 5.4 zeigt den RSK-Programm-Code auf Level 1 und den Inhalt des<br />
Abschnitts-Map-Icons 1 Abschnitt, das zwei Seiten-Map-Icons enthält, auf<br />
Level 2. Will der Entwickler z.B. den Ablauf der zweiten Seite im ersten Abschnitt<br />
verändern, so öffnet er zunächst das zugehörige Abschnitts-Map-Icon und<br />
anschließend das entsprechende Seiten-Map-Icon, in dem sich der Programm-Code der<br />
Seite befindet.<br />
Nach dem Start werden zunächst Initialisierungen durchgeführt. Am<br />
Decision-Icon wird unterschieden, ob das Modul von einem Benutzer oder von einem<br />
anderen Modul aufgerufen wurde. Gegebenenfalls erscheint das Login-Fenster.<br />
Anschließend werden das Framework-Icon Lesson ausgeführt und damit das erste<br />
angehängte Map-Icon Vorspann -–Intro und danach das nächste Map-Icon<br />
Hauptmenü durchlaufen. Aus dem Hauptmenü kann der Lernende ein<br />
Abschnitts-Map-Icon anspringen. Dadurch werden das Framework-Icon des Abschnitts<br />
auf Level 2 und damit eine der angehängten Seiten-Map-Icons ausgeführt. In<br />
Bild 5.4 kennzeichnet der grau dargestellte Pfad den Verlauf bis zur ersten Seite.<br />
Bild 5.4 RSK-Programm-Code
66<br />
5.2.2 Pause-Taste<br />
Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells<br />
Wie in Abschnitt 4.2.6 beschrieben, kann mit der Pause-Taste der dynamische<br />
Seitenaufbau unterbrochen werden. Die Pause-Taste wird durch einen parallelen<br />
Ablauf programmiert (Bild 5.5).<br />
Bild 5.5 Implementierung der Pause<br />
Es sei z.B. der Programmfokus auf einem dynamischen Aufbau einer Seite wie in<br />
Bild 5.5 im linken Fenster. Mit Betätigen der Pause-Taste während des linearen<br />
Ablaufs springt der Fokus in den parallelen Pause-Zweig (Fenster mit grauem<br />
Titelrahmen). Der Fokus bleibt in der Pause-Schleife bis <strong>zum</strong> nächsten Drücken der<br />
Pause-Taste. Die Rücksprungstelle merkt sich Authorware automatisch.<br />
Unterbrechen von Ton und Film<br />
Während beim dynamischen Seitenaufbau der Fokus von seiner aktuellen Position in<br />
die Pause-Schleife gezogen wird, können Ton oder Film, die concurrent laufen, so<br />
nicht pausiert werden.<br />
Ton wird in Authorware mit einem Sound-Icon abgespielt, digitale Filme mit<br />
einem Digital-Movie-Icon. Immer wenn der Fokus eines dieser Icons startet, wird der<br />
Icon-Namen in der Variablen rmTon bzw. rmFilm gespeichert. Wenn der Fokus in die<br />
Pause-Schleife geht, wird mit der Funktion MediaPause und dem Icon-Namen der<br />
Ton oder Film angehalten und beim Austritt aus der Pause-Schleife fortgesetzt.<br />
Die Pause-Taste wird bei rmPauseMoeglich=FALSE gedimmt. Am Ende jeder<br />
Seite erfolgt diese Zuweisung und signalisiert das Ende des dynamischen Aufbaus.<br />
Dies geschieht in Bild 5.5 z.B. im Calculation-Icon disable Pause & Skip als<br />
letztes.
5.2 Erläuterungen <strong>zum</strong> RSK-Programm-Code 67<br />
5.2.3 Skip-Taste<br />
Zu Beginn jeder Seite wird in rmSkipButtonSprungZiel das Sprungziel ans Ende<br />
der Seite gesetzt. Wird die Skip-Taste betätigt, so springt der Fokus in einen parallelen<br />
Zweig und von dort <strong>zum</strong> Seitenende. Der CBT-Entwickler muss dafür sorgen, dass am<br />
Sprungziel das Schlussbild der jeweiligen Seite erscheint.<br />
Die Skip-Taste wird gedimmt, wenn rmSkipButtonSprungZiel leer ist.<br />
5.2.4 Textfenster<br />
Der Koordinatenursprung des Präsentationsfensters befindet sich in der linken oberen<br />
Ecke. Objekte werden relativ <strong>zum</strong> Ursprung platziert und verschieben sich nicht, wenn<br />
das Präsentationsfenster skaliert wird.<br />
Bild 5.6 Das Präsentationsfenster zeigt einen Ausschnitt aller Objekte<br />
Das Präsentationsfenster des RSK und damit der sichtbare Bereich sind zunächst<br />
auf 640x480 Pixel eingestellt (Abschnitt 4.2.5). Jedoch können Objekte auch<br />
ausserhalb des sichtbaren Bereichs platziert werden wie das Textfenster. Mit der<br />
Textfenster-Taste wird lediglich die Breite des Präsentationsfensters verändert. Dies<br />
erweckt den Anschein, als ob das Textfenster auf- und zugeklappt wird. Die Texte sind<br />
also immer gegenwärtig, nur bei kleinem Präsentationsfenster eben nicht sichtbar.<br />
Bild 5.6 veranschaulicht diesen Vorgang.<br />
5.2.5 Automatischer Aufbau des Inhaltsverzeichnis<br />
Nach dem Anstarten eines Moduls wird die Inhaltsangabe im Programmverzeichnis<br />
aus der Datei syslist.inh eingelesen. Ist diese Datei nicht vorhanden, wird sie<br />
automatisch generiert.
68<br />
Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells<br />
Zu jedem Lernsystem existieren im Programmverzeichnis die Textdateien<br />
syslist.prj und syslist.mod. Sie können mit einem Editor inspiziert bzw.<br />
verändert werden. syslist.prj enthält den Namen des Lernsystems und<br />
syslist.mod die Namen aller Module des Lernsystems. Bild 5.7 zeigt diese<br />
Steuerdateien und ihren Inhalt exemplarisch <strong>zum</strong> Lernsystem „Einführung ins<br />
Referenzmodell“.<br />
Bild 5.7 Steuerdateien des RSK<br />
Mit Funktionen wie IconFirstChild und IconNext können sukzessiv alle<br />
Icons der Flusslinie durchlaufen werden. Da die Inhaltsangabe durch die Anordnung<br />
der Icons auf der Flusslinie repräsentiert wird (vgl. Abschnitt 5.2.1), kann sie einfach<br />
automatisch erfasst werden.<br />
Bild 5.8 Reihenfolge der Modulaufrufe <strong>zum</strong> Generieren der Inhaltsangabe zu EIR<br />
Fehlt die Datei syslist.inh, werden die Module aus der Datei syslist.mod<br />
nacheinander gestartet (vgl. Anhang A.1.2). Dieser Vorgang wird rekursiv bis <strong>zum</strong><br />
letzten Modul wiederholt, Authorware merkt sich dabei die Reihenfolge. Beim letzten<br />
Modul angelangt schreibt dieser nun seinen Inhalt in die Datei syslist.inh und ruft<br />
das vorige Modul auf (Bild 5.8). Dieser Vorgang wiederholt sich bis <strong>zum</strong> ersten<br />
Modul.<br />
Alle Seitennamen einer Seitengruppe ausser der ersten Seite sind am Ende durch<br />
„--+“ gekennzeichnet. Diese Seiten werden nicht erfasst und können somit auch nicht<br />
aus der Inhaltsangabe angesprungen werden. Der Aufwand zur Implementierung von<br />
Seitengruppen mit dem RSK besteht damit lediglich in dem Anhängen von „--+“.
5.2 Erläuterungen <strong>zum</strong> RSK-Programm-Code 69<br />
5.2.6 Koppeln von Modulen zu Lernsystemen<br />
Module werden über das Inhaltsverzeichnis zu einem Lernsystem verbunden. Dazu<br />
muss der Modulname in der Datei syslist.mod aufgeführt sein und alle Module im<br />
selben Verzeichnis liegen (vgl. Abschnitt 5.2.5).<br />
Vom Inhaltsverzeichnis können Seiten des aktuellen Moduls oder aus anderen<br />
Modulen des Lernsystems aufgerufen werden. Ein Modulwechsel ist das Starten eines<br />
Zielmoduls und das Beenden des ersten Moduls. Damit muss beim Aufruf einer<br />
Zielseite das aktuelle Modul dem Zielmodul die Zielseite und andere Aufrufparameter<br />
übergeben (Tabelle 5.9). Das Zielmodul übernimmt dann die Kontrolle und springt zu<br />
der Zielseite, während das erste Modul sich selbst beendet.<br />
rmModulList[rmModulNr] Modulname.<br />
UserName Der aktuelle Benutzername (AW-Variable).<br />
rmPageList[rmPageNr] Seitenname.<br />
rmTitelbarOnOff Zustand der Titelleiste.<br />
rmCovered Zustand des Hintergrunds (verdeckt/sichtbar)<br />
rmCentered Ist das Präsentationsfenster auf dem Bildschirm zentriert.<br />
rmTextWinOnOff Zustand des Textfensters (ein-/ausgeklappt)<br />
WindowTop Y-Koordinate des Präsentationsfensters (AW-Variable).<br />
WindowLeft X-Koordinate des Präsentationsfensters (AW-Variable).<br />
rmModulNr Nummer des Zeilmoduls.<br />
rmAppHNDL Windows-Handel das vom OS vergeben wird.<br />
Die Aufrufparameter teilen dem Zielmodul auch das Aussehen und die Position<br />
des Präsentationsfensters vom ersten Modul mit. Erscheint das Präsentationsfenster des<br />
Zielmoduls mit denselben Eigenschaften, sieht der Lernende den Modulwechsel<br />
lediglich als ein Aufflackern auf dem Bildschirm, was nicht weiter als störend<br />
empfunden wird.<br />
5.2.7 Lesezeichen<br />
Tabelle 5.9 Aufrufparameter des RSK beim Modulwechsel<br />
Der Modulwechsel aus dem vorigen Abschnitt ist ein unidirektionaler Aufruf mit<br />
Parameterübergabe. Anders ist es bei der Verwaltung der Lesezeichen. Bild 5.10 zeigt<br />
die bidirektionale Kommunikation. Das Modul startet die Lesezeichen-Applikation<br />
(LZA) und übergibt ihr Aufrufparameter. Bei einem Seitenwechsel wird die aktuelle<br />
Seite der LZA mitgeteilt. Andersherum teilt die LZA dem Modul mit, welche Seite<br />
angesprungen werden soll.
70<br />
Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells<br />
Bild 5.10 Kommunikationsfolge zwischen Modul und Lesezeichen-Applikation<br />
Die Kommunikation zwischen Modul und LZA ist eine<br />
Interprozesskommunikation (IPK). Zur Programmierung von IPKs bietet Windows<br />
unterschiedliche systemnahe Varianten wie Dynamic Data Exchange (DDE) oder<br />
Object Linking and Embedding (OLE). Das Programmieren von DDE- und OLE-<br />
Routinen setzt fundierte Windows-Kenntnisse voraus, was die Anpassbarkeit des RSK<br />
erschweren würde. Im Folgenden stellen wir unsere eigene Implementierung einer IPK<br />
aus Bild 5.11 vor, die sehr viel offener und zugänglicher ist.<br />
Bild 5.11 Kommunikation zwischen Modul und LZA über das Filesystem<br />
Die IPK erfolgt über das Filesystem. Windows vergibt für jedes Fenster einen<br />
Handle, eine Nummer, die dieses Fenster und damit den Prozess eindeutig identifiziert.<br />
Immer wenn eine Seite betreten wird, legt das Modul eine Textdatei .book<br />
mit Modulname, Abschnittsname und Seitennamen an. Beim Betreten einer neuen<br />
Seite wird diese Textdatei mit der dann aktuellen Textdatei überschrieben.<br />
Durch die Lesezeichentaste wird die LZA gestartet. Dabei ruft das Modul die<br />
Datei Bookmarks.exe mit Parametern auf. Eines der Parameter gibt das<br />
Austauschverzeichnis an, in dem unter anderem auch die Datei .book<br />
abgelegt wird. Bis hierhin ist dies der bekannte unidirektionale Aufruf.<br />
Drückt nun der Lernende in der LZA auf die Seite-aufnehmen-Taste, wird aus<br />
dem Austauschverzeichnis die Datei .book ausgelesen, und die LZA<br />
nimmt die Seite in ihre Liste auf.<br />
Wird eine Seite aus der Lesezeichenliste aufgerufen, schreibt die LZA die Datei<br />
.goto mit der Zielseite ins Austauschverzeichnis. Das Modul erkennt diese<br />
Datei, liest sie aus und führt einen Sprung (auch modulübergreifend) zu der Zielseite<br />
durch.
5.2 Erläuterungen <strong>zum</strong> RSK-Programm-Code 71<br />
5.2.8 Austauschverzeichnis<br />
Jeder Lernende muss einen Benutzernamen angeben. Das Lernsystem legt damit ein<br />
Austauschverzeichnis mit der zusammengesetzten Bezeichnung<br />
\ an. In diesem Verzeichnis werden<br />
die Lesezeichenliste und die History-Liste abgelegt. Zur IPK mit der LZA und der<br />
History-Applikation notwendige Dateien werden ebenfalls hier abgelegt. Das<br />
Austauschverzeichnis gewährleistet, dass zwei Kopien desselben Lernsystems mit<br />
unterschiedlichen Benutzernamen parallel betrieben werden können. Das<br />
Austauschverzeichnis liegt unterhalb des recordslocation, einem Verzeichnis, das<br />
von Authorware automatisch angelegt wird. Somit entfällt die Notwendigkeit weiterer<br />
Kontrollen, da Authorware die Verfügbarkeit des Verzeichnisses in<br />
recordslocation gewährleistet.
72<br />
Kapitel 5. Das Programm des Referenzmodells
6 Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Das <strong>multimediale</strong><br />
Lernsystem VeriBox<br />
Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox entstand ergänzend zur Lehre der<br />
VLSI-Ausbildung als Blended Learning. Es basiert auf dem Referenzmodell und<br />
demonstriert damit gleichzeitig dessen Einsatzfähigkeit.<br />
Die VeriBox wurde für Studenten der Studiengänge Informatik, Elektrotechnik,<br />
Informations-Systemtechnik und System-Design entwickelt, die nach dem Vordiplom<br />
im Bereich <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> eine Vertiefung anstreben.<br />
Dieses Kapitel stellt die VeriBox in den Kontext des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s. Hardware-<br />
Beschreibungssprachen (HDLs) spielen im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> eine wesentliche Rolle und<br />
werden an mehreren Stellen im Design-Zyklus eingesetzt. Die VeriBox lehrt<br />
vornehmlich die HDL VERILOG und die zugehörige Logiksynthese im<br />
Zusammenhang mit weiter gehendem Wissen. Neben den Modulen der VeriBox<br />
entstanden weitere „assoziierte“ CBTs. Sie gehen teils über den inhaltlich gesteckten<br />
Rahmen der VeriBox hinaus, teils genügen sie auch nicht ganz unseren<br />
Qualitätsstandards.<br />
Im folgenden stellen wir zunächst die Module der VeriBox kurz vor, danach die<br />
assoziierten CBTs. Im nächsten Abschnitt diskutieren wir den <strong>Chip</strong>- und System-<br />
<strong>Entwurf</strong> ausführlich und im Zusammenhang mit der VeriBox und den assoziierten<br />
CBTs. Im letzten Abschnitt 6.3 beschreiben wir einen Feldtest zur Evaluierung des<br />
CBTs LogiSyn (Abschnitt 6.1.4).<br />
6.1 VeriBox und assoziierte <strong>Lernprogramme</strong><br />
Das Lernsystem VeriBox besteht aus den vier Modulen VERILOGisch, Parallelität und<br />
Zeit (PuZ), Illusion und Logiksynthese (LogiSyn). Zusammen lehren sie einen<br />
zentralen Teilbereich des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s.
74<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
6.1.1 VERILIOGisch – eine Einführung in die HDL VERILOG<br />
VERILOGisch führt in die HDL VERILOG ein und präsentiert wesentliche Befehle<br />
und Konstrukte zu Datentypen, Operatoren, Bedingungen, Schleifen, Funktionen,<br />
Prozeduren und Instanzen. Ein erstes Mal folgt eine kurze Betrachtung von simulierter<br />
Parallelität und Zeit-Konstrukten. Bild 6.1 zeigt die Einführung der Selektion. Links<br />
im dreigeteilten Darstellungsbereich ist dazu als Beispiel ein VERILOG-Programm<br />
abgebildet. Rechts oben steht eine kurze Erläuterung, rechts unten die Ausgabe des<br />
Simulators.<br />
Bild 6.1 Selektion in VERILOGisch<br />
Als wesentliche Besonderheit wurde in VERILOGisch ein frei verfügbarer<br />
VERILOG-Simulator integriert. Parallel zu den präsentierten Konstrukten kann der<br />
Lernende auf einer Experimentierwand die Beispiele direkt im CBT simulieren und die<br />
Ausgaben betrachten. Wahlweise können die Beispiele beliebig ergänzt oder durch<br />
eigene Modelle ersetzt werden.<br />
VERILOGisch entstand zunächst als Studienarbeit [FiMü02] und wurde später<br />
überarbeitet und in die neueste Version des Referenzmodells integriert.<br />
Alle Schlüsselwörter im Präsentationsfenster sind per Hyperlink mit einem<br />
VERILOG-Lexikon verbunden, dessen Inhalt dem Vorlesungs-Skript [Golz02]<br />
entstammt.<br />
6.1.2 Parallelität und Zeit<br />
Das Modul PuZ [ÇaBH02] lehrt, mit welchen VERILOG-Konstrukten Parallelität<br />
modelliert werden kann (Bild 6.2) und wie es simuliert wird. Ferner welche Zeit-<br />
Konstrukte zur Simulation und Abfrage von Verzögerungen (z.B. Taktzeiten,<br />
Leitungs- und Gatterlaufzeiten) eingesetzt werden können.
6.1 VeriBox und assoziierte <strong>Lernprogramme</strong> 75<br />
Bild 6.2 VERILOG-Konstrukte zur Parallelität aus PuZ<br />
PuZ entstand zunächst als Studienarbeit [Buch99] und wurde später in einer<br />
zweiten Studienarbeit [Heis02] mit zusätzlichen Testaufgaben erweitert und<br />
schließlich in die neueste Version des Referenzmodells integriert.<br />
6.1.3 Illusion – FPGA-<strong>Entwurf</strong> eines Display-Controllers<br />
FPGAs (Field-Programmable Gate-Array) sind programmierbare Logikbausteine<br />
(Abschnitt 6.2.8). Illusion übt einen kompletten FPGA-<strong>Entwurf</strong> eines Display-Controllers<br />
über alle <strong>Entwurf</strong>sschritte bis zur Programmierung des FPGAs. Bild 6.3 zeigt den<br />
schematischen Aufbau der Schaltung.<br />
Bild 6.3 Strukturkomponenten des Display-Controllers
76<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
In Illusion wird das RTL-Modell manuell in ein Gattermodell umgesetzt, um vor<br />
der automatischen Logiksynthese (Abschnitt 6.2.3) ein Bewusstsein für die<br />
Komplexität des Problems zu schaffen. Weiter werden dort wichtige High-Level-<br />
Optimierungen wie die Verkürzung kritischer Pfade über Taktgrenzen hinweg geübt,<br />
die von der automatischen Logiksynthese nicht geleistet werden.<br />
Illusion als eines der ersten CBTs der Abt. E.I.S. entstand in einer Diplomarbeit<br />
[Çata97] auf einem Macintosh-System. In weiteren Arbeiten [Stöb99, Sche99] wurde<br />
es überarbeitet, erweitert und auf das Windows-System überführt. Schließlich wurde es<br />
in dieser Arbeit in die neuste Referenzmodell-Version integriert. Illusion steht damit<br />
als ein Beispiel für die Kompatibilität der Referenzmodell-Sourcen über Versionen und<br />
unterschiedliche Betriebssysteme hinweg.<br />
6.1.4 Logiksynthese<br />
Die automatische Logiksynthese (Abschnitt 6.2.3) ist ein wesentlicher Bestandteil des<br />
modernen <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s. Dort werden Modelle auf der Register-Transfer-Ebene in<br />
Gattermodelle überführt. Dabei kann der Designer im RTL-Modell gezielt Resultate<br />
im Gattermodell bewirken, andere nicht synthetisierbare Konstrukte darf er dagegen<br />
nicht verwenden.<br />
Das Lernprogramm LogiSyn [Kirs03] vermittelt zunächst die Schritte der<br />
automatischen Logiksynthese und grenzt die synthetisierbaren VERILOG-Konstrukte<br />
ein. Wesentliche Eigenschaften wie die zeitliche Lokalität von VERILOG-Variablen<br />
werden in einem eigenen Abschnitt behandelt, wo es in einem CBT besonders gut<br />
dynamisch geübt werden kann (Bild 6.4).<br />
Bild 6.4 Im CBT LogiSyn wird dynamisches Verhalten animiert
6.1 VeriBox und assoziierte <strong>Lernprogramme</strong> 77<br />
In drei Schaltungsbeispielen Vergleicher, Zero-Counter und Verkaufsautomat<br />
werden Effizienzvariation, Prä- und Post-Synthese-Unterschiede, Trennung von<br />
Zustand und Logik und vieles andere mehr nahe gebracht.<br />
6.1.5 Zur VeriBox assoziierte <strong>Lernprogramme</strong><br />
Der <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> ist ein komplexes Lehrgebiet, den die VeriBox nur<br />
<strong>zum</strong> Teil überdeckt. Es entstanden in dieser Arbeit zusätzliche CBTs, die weiteres<br />
Wissen aus dem Gebiet lehren. Diese zur VeriBox assoziierten CBTs werden teilweise<br />
ebenfalls in der Lehre eingesetzt.<br />
A Simple Instruction Computer (ASIC)<br />
ASIC [BFFM00] zeigt den <strong>Entwurf</strong> einer einfachen CPU auf drei unterschiedliche<br />
Arten (Verhaltens-Modell, Struktur-Modell und Pipeline-Modell). Der Lernende<br />
erfährt unter anderem, wie er in der Spezifikation den Befehlssatz der CPU festlegt, ein<br />
Prozessor-Phasen-Diagramm aufstellt und die Schaltung strukturiert. Anschließend<br />
werden Schritt für Schritt die VERILOG-Programme aufgebaut.<br />
Als besonderes didaktisches Mittel ist die Lehre des ASIC in einem Rollenspiel<br />
aus Sicht des Entwicklers dargestellt. Der Lernende in der Rolle des Entwicklers wird<br />
dabei zunächst mit typischen Fragestellungen konfrontiert und anschließend auf deren<br />
Lösungsweg geführt. Selbst gedrehte Video-Sequenzen geben das Rollenspiel wieder<br />
und sollen motivieren.<br />
Beispiele und Aufgaben (BuA) zur HDL VERILOG<br />
Das CBT BuA [Kros03] liefert zur Vertiefung einige einfache VERILOG-Beispiele<br />
(D-Flipflop, Multiplexer, ALU) und Aufgaben dazu. Zu jedem Beispiel wird ein<br />
VERILOG-Testmodul präsentiert und kann wie in VERILOGisch durch Aufrufen<br />
eines integrierten VERILOG-Simulators simuliert werden. Als weitere didaktische<br />
Besonderheit gibt es zu jedem Beispiel eine Seite, auf der alle Zeilen des VERILOG-<br />
Programms nach Anklicken erklärt werden.<br />
Regeln und Empfehlungen zur Logiksynthese (REL)<br />
Zur Vertiefung der in LogiSyn eingeführten Regeln und Empfehlungen werden diese<br />
im CBT REL [Grae03] zunächst mit Beispielen wiederholt, gefolgt von den fünf<br />
Aufgaben Bit-Counter, Fibonacci, Statischer-Calculator, Stack und CRC-Checker, die<br />
unter Anwendung der Regeln und Empfehlungen implementiert werden müssen.<br />
Als didaktische Besonderheit ist ein Parser integriert. Dazu wird dem Lernenden<br />
ein VERILOG-Modulrahmen vorgegeben und anschließend der VERILOG-Simulator<br />
gestartet. Erst fehlerfreie Simulationen werden dann mit dem Parser auf die Einhaltung<br />
der Regeln und Empfehlungen überprüft. Beim Parser mussten wir Kompromisse
78<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
eingehen und gewisse Einschränkungen erlauben. Diese sind bei Low-Cost-Low-<br />
Time-Implementierungen notwendig (Abschnitt 3.3), da der <strong>Entwurf</strong> eines<br />
vollständigen Parsers erheblichen Mehraufwand bedeutet hätte.<br />
Der Lernende kann sich nach drei Fehlversuchen eine Musterlösung präsentieren<br />
lassen und Unterschiede zu seiner Lösung selbst erarbeiten.<br />
Einführung in den Synopsys-Design-Analyzer (ESDA)<br />
Der Design-Analyzer ist das Front-End des Synthese-Werkzeugs Design-Compiler des<br />
Marktführers Synopsys. Das CBT ESDA [MiSc03] erleichtert den Einstieg in die<br />
Arbeit mit dem Design-Analyzer. Nach einer Einführung in die Benutzeroberfläche<br />
wird der Lernende mittels loser Kopplung mit dem Werkzeug (Abschnitt 3.4.2) durch<br />
einen Syntheselauf geführt.<br />
Built-In Logic Block Observer (BILBO)<br />
BILBO [Kamm00] behandelt den<br />
Selbsttest von Schaltungen. Es wird<br />
eine Implementierung einer BILBO-<br />
Schaltung ausführlich erläutert. Der<br />
Lernende kann die Schaltung<br />
interaktiv erforschen.<br />
In BILBO ist der gesprochene<br />
Text (Bild 6.5) noch im<br />
Präsentationsfenster selbst<br />
angeordnet, was den Darstellungsbereich<br />
zusätzlich einengt. Als<br />
Weiterentwicklung folgte später das<br />
ausklappbare Textfenster<br />
(Abschnitte 4.2.5 und 4.2.8).<br />
Grobüberblick über den Schaltungsentwurf (GrobiS)<br />
Es werden wesentliche Themen des <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s multimedial präsentiert. GrobiS<br />
CBT [GKLW02] soll Studenten zu Beginn des Semesters motivieren und ihre Neugier<br />
wecken, ohne dabei zu sehr ins Detail zu gehen. Als Eye-Catcher wurde das Quiz am<br />
Ende des CBTs im Design von „Wer wird Millionär?“ entworfen.<br />
Einführung in den VLSI-<strong>Entwurf</strong> (EVE)<br />
Bild 6.5 Interaktiv können über die Schalter die<br />
Leitungssignale bedient werden<br />
Auch EVE [GKSS02] entstand als Motivations-CBT und führt in wesentliche Teile des<br />
<strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>s ein. EVE wurde mit einfachen <strong>multimediale</strong>n Techniken realisiert, um<br />
eine spätere Transformation <strong>zum</strong> WBT zu ermöglichen.
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 79<br />
Hardware-Software-Codesign (HSC)<br />
Während in Hardware implementierte Funktionen meistens schneller laufen, sind<br />
Software-Implementierungen häufig flexibler und kostengünstiger. Das Hardware-<br />
Software-Codesign (Abschnitt 6.2.9) versucht die Vorteile von Hard- und Software zu<br />
kombinieren. Dazu muss der <strong>Entwurf</strong> parallel betrieben werden. HSC [JaMS02] führt<br />
in das Hardware-Software-Codesign ein.<br />
Kräftegesteuertes Scheduling<br />
Die High-Level-Synthese überführt Verhaltensmodelle in RTL-Modelle<br />
(Abschnitt 6.2.1). Das spezielle Verfahren des kräftegesteuerten Scheduling wird<br />
behandelt, in welchem Kontroll-Datenflussgraphen auf Fläche optimiert werden<br />
[Isen99].<br />
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong><br />
Anfang des 20. Jahrhunderts sprach man von Elektronik und meinte<br />
Schwachstromschaltungen mit Widerständen, Kondensatoren, Spulen und<br />
Elektronenröhren, die verbunden durch Drähte eine Schaltung ergaben. Die Röhren<br />
wurden später durch Transistoren abgelöst. 1958 gelang es dem heutigen<br />
Nobelpreisträger Jack Kilby, einen Transistor auf einem Halbleiterkristall zu<br />
entwickeln. Und seit es gelang, die Bauteile samt ihren Verbindungen auf ein<br />
Siliziumplättchen zu bringen, den <strong>Chip</strong>, spricht man von integrierten Schaltungen.<br />
Seitdem verdoppelt sich die Anzahl Transistoren je <strong>Chip</strong> etwa alle anderthalb Jahre.<br />
1960 entwickelte man <strong>Chip</strong>s mit überschaubaren zehn Transistoren, 1988 waren es<br />
etwa zehn Mio., und heute können bis zu einer Milliarde Transistoren auf einem <strong>Chip</strong><br />
integriert werden. Zur Bewältigung dieser Komplexität fanden unterschiedliche<br />
Entwicklungen statt, die wichtigsten werden im folgenden im Zusammenhang mit der<br />
VeriBox betrachtet.<br />
6.2.1 Abstraktionsebenen im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong><br />
Eine komplexe Schaltung mit Tausenden von Gattern auf Anhieb in seiner endgültigen<br />
Form zu entwerfen, ist kaum möglich. Komplexe Schaltungen werden deshalb auf<br />
unterschiedlichen Abstraktionsebenen oder durch Sichten beschrieben. Auf den<br />
höheren Ebenen werden durch Abstraktion Details zunächst außer Betracht gelassen<br />
und so die Gesamtkomplexität reduziert. Von einer höheren auf eine tiefere Ebene<br />
wird der <strong>Entwurf</strong> durch Transformationen (Synthese) detaillierter, bis der <strong>Entwurf</strong> in<br />
allen Details aufgelöst ist und das Ergebnis vorliegt. Dies können Programmierdaten<br />
für Logikbausteine, Layouts für Leiterplatten oder Maskenbänder für die IC-Fertigung<br />
sein. Im folgenden wird eine geläufige Aufteilung in Abstraktionsebenen vorgestellt.
80<br />
Verhaltensebene<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Auf der Verhaltensebene wird das System zunächst als Black-Box betrachtet. Auf<br />
Eingaben ins Verhaltensmodell folgen seine Ausgaben, die später in Hardware<br />
irgendwie berechnet werden sollen.<br />
Zur Beschreibung von Verhaltensmodellen kann z.B. die Programmiersprache C<br />
verwendet werden. Allerdings werden HDLs bevorzugt, da sie auch auf unteren<br />
Abstraktionsebenen eingesetzt werden. Der einheitliche Gebrauch einer Sprache<br />
verhindert unter anderem fehleranfällige Übersetzungen, das Lernen von Sprachen mit<br />
unterschiedlicher Semantik und unterschiedliche Werkzeuge, die gekauft und erlernt<br />
werden müssen.<br />
Systemebene<br />
Auf der Systemebene erfolgt die Beschreibung von großen Komponenten des Systems<br />
wie Speicher, Prozessoren oder Interface-Einheiten. Dabei werden formale oder<br />
verbale Beschreibungen verwendet und meistens durch Grafiken unterstützt. Die<br />
System-Beschreibung dient der Partitionierung des Gesamtsystems. In einem Flurplan,<br />
der Bestandteil der Beschreibung sein kann, wird eine erste meist vorläufige<br />
Unterteilung der <strong>Chip</strong>-Fläche vorgenommen.<br />
Register-Transfer-Ebene (RTL-Ebene)<br />
Auf der RTL-Ebene werden Register und Speicher betrachtet, zwischen denen eine<br />
Datenverarbeitung mittels kombinatorischer Logik stattfindet. Informationen über<br />
Takt- und Rücksetzsignale fließen in die Beschreibung mit ein. Die Berechnungen<br />
erfolgen abhängig von diesen Signalen, so dass die zeitliche Abhängigkeit schon<br />
relativ genau beschrieben ist.<br />
Der bevorzugte Einsatz von HDLs zur Beschreibung von RTL-Modellen erklärt<br />
sich durch ihre Simulierbarkeit (Abschnitt 6.2.5) und spätere automatische<br />
Synthetisierbarkeit (Abschnitt 6.2.4).<br />
Logik- oder Gatterebene<br />
Auf der Logikebene wird die Schaltung als Netz aus verbundenen Gattern und<br />
Registern (Gattermodell) dargestellt. Die Schaltung wird hier durch logische<br />
Verknüpfungen und ihr 0-1-Zeitverhalten repräsentiert.<br />
Schaltkreisebene<br />
Integrierte Schaltungen bestehen größtenteils aus Transistoren. Die Kanallänge und<br />
Kanalbreite eines Transistors bestimmt seine Schaltgeschwindigkeit, Platzbedarf und<br />
Leistungsaufnahme. Je breiter der Kanal bei gleicher Kanallänge wird, um so schneller
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 81<br />
arbeitet der Transistor mit steigendem<br />
Leistungsverbrauch, gleichzeitig wächst der<br />
Platzbedarf.<br />
Auf der Schaltkreisebene werden die auf<br />
der Logikebene gewählten Gatter durch<br />
Transistorschaltungen ersetzt (Bild 6.6) und<br />
ihre Dimensionen bestimmt. Gatterlaufzeiten<br />
können daher erst auf dieser Ebene genau<br />
bestimmt werden.<br />
Symbolische Layout-Ebene<br />
Die Schaltung auf einem <strong>Chip</strong> besteht in der Regel aus mehreren Schichten (Layern).<br />
Neben den Layern Polysilizium und Diffusion können eine oder mehrere Metallebenen<br />
vorhanden sein. Ohne ins Detail zu gehen, soll erwähnt werden, dass durch Kreuzen<br />
von Leitungen auf der Polysilizium- und Diffusions-Ebene Transistoren entstehen,<br />
während Verbindungsleitungen meist auf den Metall-Layern liegen.<br />
Die symbolische Layout-Ebene zeigt die Transistorschaltung als Abbildung auf<br />
die Layer (Topologie des <strong>Chip</strong>s). Hier ist die relative Lage der Transistoren zueinander<br />
und die Führung der Verschaltung auf den Layern dargestellt. Die Schaltung wird auf<br />
dieser Ebene meist durch so genannte Stick-Diagramme präsentiert, in denen Farben<br />
die Leitungs-Layer kennzeichnen. Leitungen derselben Farbe sind elektrisch<br />
miteinander verbunden, wenn sie sich in dem Stick-Diagramm kreuzen. Verbindungen<br />
zwischen den Layern werden durch Kontakte hergestellt, die durch ein Kreuz<br />
dargestellt sind.<br />
Geometrische Layout-Ebene<br />
Je nach Zieltechnologie müssen zur Fertigung<br />
gewisse geometrische <strong>Entwurf</strong>sregeln<br />
eingehalten werden. Überwiegend sind das<br />
Angaben zu Leitungsbreiten und<br />
Mindestabstände. Auf der geometrischen<br />
Layout-Ebene wird die Schaltung als<br />
zweidimensionales maßstabsgetreues Layout<br />
dargestellt (Bild 6.7). Die geometrischen<br />
Bild 6.6 Umsetzung eines AND-Gatters,<br />
Symbol und Transistorschaltung<br />
Bild 6.7 Umsetzung einer Transistorschaltung<br />
in ein Layout<br />
Angaben können hier zur Fertigung entnommen werden. Da nun die Leitungslängen<br />
und Breiten feststehen, können auch Leitungslaufzeiten mit in die Simulationen<br />
einfließen. Durch Platzierungs- und Verdrahtungsalgorithmen wird die Lage der<br />
Komponenten auf dem <strong>Chip</strong> bestimmt.
82<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Auch im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> werden große Strukturen zur Bewältigung zerlegt und<br />
hierarchisch organisiert. Diese Zerlegungshierarchie kann auf allen Abstraktionsebenen<br />
Anwendung finden.<br />
In der VeriBox wird die Bedeutung der Abstraktionsebenen in fast allen Modulen<br />
betont. In VERILOGisch werden die Transistor-, Logik- und RTL-Ebene vorgestellt.<br />
Illusion führt einen kompletten FPGA-<strong>Entwurf</strong> vom Verhaltensmodell bis <strong>zum</strong><br />
Gattermodell vor (Bild 6.8). LogiSyn und das assoziierte GrobiS CBT behandeln<br />
lediglich einen Auszug, nämlich die Synthese zwischen RTL-Modell und<br />
Gattermodell.<br />
Bild 6.8 Der Design-Zyklus wird in Illusion mit<br />
wesentlichen Schritten präsentiert<br />
Die Betonung der RTL- und Logik-Ebene in der VeriBox spiegelt die Bedeutung<br />
dieser Ebenen wieder. Während Ebenen unterhalb der Logik-Ebene meistens zur<br />
Fertigung interessant werden, beschäftigt sich der <strong>Chip</strong>-Designer überwiegend mit<br />
RTL-Modellen.<br />
6.2.2 Verhalten und Struktur<br />
Im Verhaltensmodell wird das Verhalten der Schaltung irgendwie als Black-Box<br />
beschrieben. Zerlegt man das Verhaltensmodell entsprechend einer zunächst groben<br />
Schaltungsstruktur, können die einzelnen Komponenten wiederum als<br />
Verhaltensmodelle irgendwie beschrieben werden. Diese Strukturierung kann<br />
wiederholt erfolgen, bis das Verhalten in den Strukturkomponenten zuletzt die<br />
Schaltung so detailliert beschreibt, dass sie möglichst automatisch gefertigt werden<br />
kann.<br />
Praktisch will man eine Schaltungsbeschreibung auf der Layout-Ebene erhalten.<br />
Während das funktionale Verhalten z.B. des UND-Gatters aus Bild 6.7 irgendwie
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 83<br />
beschrieben und automatisch in sein Layout zur Fertigung überführt werden kann,<br />
gelingt dies mit Verhaltensmodellen auf der Verhaltensebene nicht immer. Überführt<br />
man das Verhaltensmodell durch Strukturierung z.B. auf die RTL-Ebene, wird die<br />
automatische Transformation bis zur Layout-Ebene möglich. Die Entwicklung verläuft<br />
dabei hierarchisch vom „Was“ <strong>zum</strong> „Wie“. Diese drei Betrachtungsweisen<br />
Verhaltensaspekt, Strukturaspekt und geometrischer Aspekt wurden erstmals durch<br />
D. Gajski et al. im Gajski-Diagramm zusammengefasst [Jans01, S.35; Gajs88, Gajs92].<br />
VERILOG kann zur Beschreibung von Schaltungen auf unterschiedlichen<br />
Abstraktionsebenen eingesetzt werden. Wesentlich ist dabei das Modul-Konzept, das<br />
die Strukturierung einer Schaltung ermöglicht. Mit den übrigen<br />
VERILOG-Konstrukten wird dann irgendwie durch unterschiedliches Anwenden das<br />
Verhalten modelliert.<br />
Das Modul-Konzept wird in VERILOGisch gleich zu Beginn präsentiert. Wir<br />
führen dabei die Strukturierung Buttom-up vor und beginnen bei den Transistoren<br />
(Bild 6.9).<br />
Bild 6.9 Mehrere Transistoren bilden das Verhalten eines Gatters<br />
Dieser Aufbau von kleineren Strukturen, die zu größeren zusammengesetzt<br />
werden, entspricht einer allgemein vertrauteren Betrachtungsweise und soll das<br />
Verstehen erleichtern.<br />
6.2.3 EDA-Tools<br />
EDA steht für Electronic Design Automation und meint den automatisierten <strong>Entwurf</strong>,<br />
abgeleitet aus einer Spezifikation, bis hin <strong>zum</strong> serienproduzierbaren Ergebnis. Mit<br />
EDA-Tools werden Werkzeuge bezeichnet, die irgendwo in dieser Entwicklung<br />
eingesetzt werden, wie z.B. Hardware-Beschreibungssprachen, Schematic-Entry-<br />
Tools, Timing-Analyzer, Synthese-Compiler und viele andere.
84<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Zur Schaltungsbeschreibung unterscheidet man im wesentlichen zwei<br />
Werkzeugarten: textuelle und grafische Werkzeuge. VERILOG ist z.B. ein Vertreter<br />
der textuellen EDA-Tools, während ViewLogic oder Statemate ein Vertreter der<br />
grafischen Werkzeuge ist. Einige Werkzeuge arbeiten spezifisch auf einer<br />
Abstraktionsebene (z.B. ViewLogic zur Eingabe von Gattermodellen). Andere<br />
Werkzeuge können auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen verwendet werden.<br />
Which of these levels [Abstraktionsebenen] do you think VERILOG can be used for?<br />
The answer to this question varies, but VERILOG can definitely be used from the<br />
system level down to switches. [Lee97, S.3].<br />
HDLs haben sich auf fast allen Abstraktionsebenen zur Beschreibung etabliert.<br />
Oft nutzen grafische Tools HDLs <strong>zum</strong> Austausch oder zur Weiterverarbeitung. So<br />
kann z.B. Statemate seine Zustandsdiagramme auch als VERILOG-Programm<br />
ausgeben. Oder der Design-Compiler von Synopsys liest z.B. VERILOG-Programme<br />
ein und generiert daraus ein Gattermodell (das wahlweise wieder in VERILOG<br />
ausgegeben werden kann).<br />
Die HDL VERILOG<br />
Um den Bedarf zur Dokumentation von integrierten Schaltungen zu decken, wurde in<br />
einer Kooperation VHDL (VHSIC 8 Hardware Description Language) entwickelt.<br />
Unabhängig von VHDL wurde zur selben Zeit VERILOG zur Simulation von<br />
integrierten Schaltungen entwickelt. VERILOG war der erste Logik-Simulator, der<br />
nahtlos eine Hochsprachenbeschreibung und die Gatter-Simulation verband. Später<br />
gab es und gibt es noch weitere relativ unbedeutende HDLs, die hier nicht weiter<br />
betrachtet werden.<br />
Beide HDLs haben sich im Laufe der Zeit zur Dokumentation und Simulation<br />
durchgesetzt. Später kam noch die Synthese hinzu.<br />
1. Dokumentation: Durch Dokumentation wird eine Entwicklung transparent.<br />
Investitionen können z.B. durch Design-Reuse bewahrt werden.<br />
2. Simulation: Die in der Entwicklung relativ frühe Simulation kann Fehler aufdecken<br />
und gibt frühzeitig Hinweise auf Verbesserungen. Früher wurden dazu Prototypen<br />
entwickelt, die die Entwicklung verteuerten und verzögerten.<br />
3. Synthese: Durch die Synthese wird der abstrakte menschenwürdige <strong>Entwurf</strong><br />
ermöglicht, und Werkzeuge übernehmen dann die weitere Verarbeitung.<br />
Eine Tendenz zur weltweiten Dominanz von VERILOG ist zu beobachten, die<br />
durch zwei Punkte begünstigt wird. Zum einen ähnelt VERILOG der Programmiersprache<br />
C und gilt allgemein leichter zu erlernen als VHDL. Zum anderen wird die<br />
Entwicklung von EDA-Werkzeugen von amerikanischen Firmen dominiert.<br />
8 VHSIC = Very High Speed Integrated Circuit
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 85<br />
Während für VHDL die letzte Erweiterung 1993 (IEEE Std 1076-1993) stattfand,<br />
kam jüngst die Überarbeitung des VERILOG-Standards als IEEE 1364-2001<br />
VERILOG-2001 heraus, das ebenfalls ein Indiz für weitergehende Bemühungen ist. Er<br />
umfasst Erweiterungen um modernen Anforderungen gerecht zu werden. Zusätzlich<br />
wurde die Sprache weiter vereinfacht, um Fehlern vorzubeugen und den <strong>Entwurf</strong> zu<br />
beschleunigen. Today’s designs are very deep sub micron, with millions of gates in<br />
size. The enhancements in Verilog-2001 aid in modeling verifying designs of this size<br />
and speed. The enhancements include simple changes to make it easier to model large<br />
designs, changes to make modeling for synthesis more fool-proof, and changes to<br />
increase timing accuracy for very deep sub micron circuits [Suth02, S.4].<br />
Die in der VeriBox vorgestellten VERILOG-Beispiele basieren auf dem<br />
verbreiteten IEEE 1364-1995 Standard, da die Entwicklung von Synthese-Compilern,<br />
die IEEE 1364-2001 unterstützen, andauert. Für eine Einführung in VERILOG<br />
verweisen wir auf [Paln96, Lee97, Bhas97, Golz02] und die VeriBox [Çata03a].<br />
6.2.4 Synthese<br />
Mit Synthese wird im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong> allgemein die<br />
Transformation einer Schaltungsbeschreibung von<br />
einer höheren auf eine niedrigere Abstraktionsebene<br />
verstanden. Die High-Level- oder RTL-Synthese<br />
überführt ein Verhaltensmodell in ein RTL-Modell.<br />
Die Logiksynthese übersetzt das RTL-Modell in das<br />
Gattermodell und die Layout-Synthese das<br />
Gattermodell in das Layout. Bild 6.10 verdeutlicht<br />
diese Abfolge ohne die Rückschritte und Iterationen<br />
zu zeigen. Erfüllen die Ergebnisse nach der Synthese<br />
nicht die Anforderungen, so wird in der Regel ein<br />
Rückschritt gemacht, korrigiert und erneut<br />
synthetisiert.<br />
High-Level-Synthese<br />
Bild 6.10 Wesentliche Synthesen<br />
High-Level-Synthese-Compiler wie der Behavior-Compiler oder der Protocol-<br />
Compiler von Synopsys arbeiten auf Basis von HDL-Verhaltensmodellen. Diese<br />
Compiler werden allerdings nur in Spezialgebieten wie z.B. der Controller-Synthese<br />
eingesetzt, darüber hinaus sind sie nicht uneingeschränkt für jede Art von High-Level-<br />
Synthese geeignet.<br />
Bild 6.11 zeigt den Syntheselauf vom Statechart- und Behavior-Compiler-Modell.<br />
Das Verhaltensmodell wird zunächst in das RTL-Modell transformiert, bevor es mit<br />
weiteren Compilern ins Gattermodell überführt wird.
86<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Die automatische Transformation von High-Level-Verhaltensbeschreibungen ist<br />
äußerst schwer, da über die zu implementierende Hardware im Verhaltensmodell kaum<br />
Strukturinformationen vorhanden sind (vgl. Abschnitt 6.2.1). Mit der Entwicklung von<br />
neuen Werkzeugen soll zukünftig jedes Verhaltensmodell automatisch synthetisiert<br />
werden können. Dann könnten Optimierungsalgorithmen möglicherweise effizientere<br />
Ergebnisse liefern, da sie auf der Verhaltensebene über Taktgrenzen hinweg<br />
optimieren könnten.<br />
Logiksynthese<br />
Die Überführung eines RTL-Modells in ein optimiertes Gattermodell mit Compilern<br />
erfolgt im wesentlichen mit den Schritten Übersetzung, Optimierung und Mapping.<br />
1. Übersetzung: Das RTL-Modell wird in eine generische Netzliste konvertiert.<br />
Generisch bedeutet, dass die Netzliste in einer internen, unoptimierten,<br />
technologieunabhängigen Zwischendarstellung vorliegt.<br />
2. Optimierung: Alle Operationen werden zerlegt und durch Boole’sche Gleichungen<br />
beschrieben und optimiert (Logikoptimierung).<br />
3. Mapping: Die Boole’schen Ausdrücke werden durch einfache Gatter wie NAND,<br />
NOR, Inverter etc. ersetzt (Technology-Mapping) und miteinander verbunden.<br />
Neben dem RTL-Modell werden Design-<br />
Constraints (Zielvorgaben <strong>zum</strong> Design) und<br />
eine Technologie-Bibliothek zur Synthese<br />
benötigt (Bild 6.12). Aus der Technologie-<br />
Bibliothek entnimmt der Synthese-Compiler<br />
Angaben zu den Gattern des Herstellers, mit<br />
dem die Schaltung aufgebaut werden soll.<br />
Typische Design-Constraints sind unter<br />
anderem Vorgaben zu Zeit, Fläche und<br />
Leistung. Da eine gegenläufige Beziehung<br />
zwischen diesen drei Optimierungszielen<br />
Bild 6.12 Logiksynthese im Detail<br />
besteht, kann eine Forderung zur gleichzeitigen<br />
Optimierung nicht erfolgreich sein. Für die intelligente Auswahl von Design-<br />
Constraints bleibt damit der Designer verantwortlich.<br />
Voraussetzung für eine erfolgreiche Synthese sind nicht nur widerspruchsfreie<br />
Design-Constraints und effiziente Optimierungsalgorithmen, sondern zusätzlich auch<br />
ein synthetisierbares RTL-Modell. Eine Übereinkunft, aus welchen hochsprachlichen<br />
Konstrukten welche Hardware synthetisiert wird, fassen Synthese-Compiler-<br />
Herstellern in so genannten Style Guides zusammen. Einige der Regeln aus den Style<br />
Guides sind Compiler-spezifisch, andere scheinen dagegen allgemein gültig, weil sie<br />
von vielen unterstützt werden.
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 87<br />
Die Compiler zur Logiksynthese sind heute ausgereift und liefern gute bis sehr<br />
gute Ergebnisse. Für einen Designer gehört die Anwendung der Logiksynthese <strong>zum</strong><br />
Grundwissen. In der VeriBox wird deshalb mit dem Modul LogiSyn die Logiksynthese<br />
auf Basis von VERILOG-RTL-Modellen detailliert erklärt.<br />
Bild 6.13 Die Synthese von RTL-Modellen<br />
wird mit Beispielen veranschaulicht<br />
Alle präsentierten Gattermodelle (Bild 6.13) wurden real mit dem Design-<br />
Compiler synthetisiert. Der Lernende wird gleich mit den realen Resultaten<br />
konfrontiert und lernt das richtige Interpretieren. Das in LogiSyn Gelernte kann<br />
wiederum in dem assoziierten CBT REL angewendet werden. Dazu gibt der Lernende<br />
zu einer Aufgabenstellung eigene RTL-Modelle ein. Diese werden von einem<br />
VERILOG-Compiler und einem von uns entwickelten Parser überprüft und ein<br />
Feedback ausgegeben.<br />
Layout-Synthese<br />
Bei der Layout-Synthese wird das Gattermodell in ein entsprechendes Layout auf dem<br />
<strong>Chip</strong> überführt (Bild 6.11). Dazu werden im wesentlichen die folgenden vier Schritte<br />
durchlaufen:<br />
1. System-Partitioning: Die Schaltung wird in Teilschaltungen so zerlegt, dass die<br />
Verbindungen zwischen den Teilschaltungen, bei einer vorgegebenen<br />
Maximalgröße der Teilschaltungen, minimal wird.<br />
2. Floorplanning: Die Größen der Grundpartitionen (Zellen) werden berechnet und<br />
auf dem <strong>Chip</strong> so platziert, dass Zellen mit vielen Verbindungen dicht beieinander<br />
liegen.<br />
3. Platzieren: Die Gatter-Positionen und deren Verdrahtungswege werden in den<br />
Zellen bestimmt, mit dem Ziel, möglichst minimale <strong>Chip</strong>-Fläche und kurze<br />
Verdrahtungswege zu beanspruchen.
88<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
4. Verdrahtung: Die Verdrahtung teilt sich auf in globale und lokale Verdrahtung.<br />
Zunächst werden in der globalen Verdrahtung die Verdrahtungswege zu den Zellen<br />
bestimmt mit dem Ziel der minimalen Fläche. Anschließend wird in der lokalen<br />
Verdrahtung festgelegt, wo einzelne Leitungen in den Verdrahtungswegen<br />
verlaufen mit dem Ziel der kürzesten Leitungslänge.<br />
Diese Schritte werden weitgehend automatisiert durchgeführt. Die Layout-<br />
Synthese soll hier nicht weiter betrachtet werden, da sie eher in die Fertigungsphase<br />
fällt [Jans01, S.93].<br />
6.2.5 Simulation<br />
Bei der kurzen Halbwertzeit von integrierten Schaltungen sind die Time-to-Market und<br />
die Höhe der Fertigungskosten kritische Faktoren. Den Herstellern bleibt dabei keine<br />
Zeit, Prototypen zu entwerfen, um die Korrektheit der Schaltungen zu untersuchen. Oft<br />
haben sie nur einen Versuch, und es gilt das Prinzip des First-Time-Right, um<br />
konkurrenzfähig zu bleiben. Fehler nehmen aber auf diese harten Spielregeln keine<br />
Rücksicht und befallen die Schaltungen an unterschiedlichen Stellen im gesamten<br />
Design-Zyklus. Sie müssen durch entwicklungsbegleitende Simulationen und Tests<br />
(Abschnitt 6.2.7) gefunden und beseitigt werden. Dabei wird ein Fehler, je später er<br />
entdeckt wird, um so teurer. Das primäre Ziel der Simulation ist somit, Fehler<br />
frühzeitig zu entdecken. Darüber hinaus können Simulationsergebnisse auch zur<br />
Dokumentation dienen. Sie geben dann Aufschluss, an welcher Stelle Fehler sich<br />
eingeschlichen haben, oder dass die Schaltung die Spezifikationen erfüllt<br />
(möglicherweise mit unentdeckten Fehlern, vgl. Abschnitt 6.2.7).<br />
Die wichtigsten Simulationsschritte sind die Pre-Synthese-, Post-Synthese- und<br />
die Post-Layout-Simulation. Bild 6.14 zeigt allgemein die Simulationsschritte. Vor der<br />
Logiksynthese finden die so genannten Pre-Synthese-Simulationen statt. Das sind<br />
Verhaltens- oder Funktions-Simulationen. Das Gattermodell wird den Post-Synthese-<br />
Simulationen unterzogen, die oft als Logik-Simulation oder Timing-Analyse laufen.<br />
Das Layout-Modell wird mit den Post-Layout-Simulationen überprüft, in dem Switch-<br />
Level- und Transistor-Simulationen und auch Timing-Analysen stattfinden.<br />
Während der Entwicklung<br />
einer Schaltung verändert<br />
sich das Modell in der<br />
Regel vom Verhalten zur<br />
Struktur (vgl.<br />
Abschnitt 6.2.2). Diese<br />
Modelle können z.B.<br />
aufgrund ihrer unterschiedlichen<br />
Strukturanteile<br />
Bild 6.14 Die wichtigsten Simulationsschritte
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 89<br />
nicht immer miteinander verglichen werden. Statt dessen vergleicht man die<br />
Simulationsergebnisse aus unterschiedlichen Simulationsschritten.<br />
Ebenfalls wegen der Strukturanteile verlängert sich die Simulationsdauer, je tiefer<br />
die Abstraktionsebene des Modells ist. High-Level-Simulationen laufen schneller und<br />
sind kostengünstiger, allerdings dafür weniger genau. Zum Beispiel sind Fehler bei<br />
Leitungslaufzeiten, Gatterverzögerungen oder Transistordimensionen damit nicht<br />
auffindbar. Timing-Simulationen werden bei der Pre-Synthese-Simulation lediglich als<br />
diskrete logische Schaltzeiten simuliert. Hardware-nahe Simulationen sind<br />
zeitintensiver und verursachen mehr Kosten, sind dafür aber genauer.<br />
Es ist offensichtlich, dass die Simulation von Tausenden von Transistoren einen<br />
erheblichen Aufwand bedeutet. Um Simulationsergebnisse in dieser Genauigkeit zu<br />
bekommen, wird entsprechend teure Simulations-Software und -Hardware benötigt.<br />
Simulationsläufe können dabei trotzdem schon mal mehrere Wochen dauern.<br />
Oft sind die sehr komplexen Schaltungen mit mehreren Millionen Transistoren<br />
wegen dem Aufwand oder der Dauer der Simulation auf unteren Abstraktionsebenen<br />
nicht vollständig simulierbar. Alternativ werden dann andere Testverfahren (vgl.<br />
Abschnitt 6.2.7) eingesetzt (z.B. formale Verifikation) oder Mixed-Mode-Simulationen<br />
durchgeführt.<br />
Bei Mixed-Mode-Simulationen versucht man die Komplexität der Schaltung zu<br />
reduzieren, indem man Schaltungsteile in unterschiedlicher „Auflösung“ zur<br />
Simulation bereitstellt. Unkritische Teile werden eher als abstrakte Modelle eingesetzt,<br />
die durch die Simulation zu beobachtenden Teile dagegen eher als Low-Level-Modell.<br />
Zur Simulation werden sowohl HDL-Simulatoren als auch Analog-Simulatoren<br />
eingesetzt. Während die ersten auf den höheren Abstraktionsebenen vorkommen,<br />
werden die zweiten unterhalb des Gattermodells verwendet. Die HDL-Simulatoren<br />
simulieren Parallelität und bedienen sich einer abstrakten Zeitberechnung<br />
(Abschnitt 6.2.6). Die Analog-Simulatoren können recht detaillierte Aussagen über<br />
richtiges Laufzeitverhalten geben, dies allerdings oft nur mit Unterstützung der<br />
Hersteller, die als Lieferant der Technologie-Bibliotheken die notwendigen Daten<br />
besitzen.<br />
Die Bedeutung der Simulation wird in allen Modulen der VeriBox unterstrichen.<br />
In VERILOGisch ist ein VERILOG-HDL-Simulator integriert, den der Lernende zur<br />
Simulation der Beispiele nutzen kann. PuZ erklärt Zusammenhänge von zeitlichem und<br />
parallelem Verhalten in simulierten HDL-Modellen. Illusion stellt echte Ergebnisse<br />
von Timing-Analysen multimedial aufbereitet zur Verfügung, der Lernende kann diese<br />
betrachten und analysieren, ohne Simulationszeiten zu verbrauchen.<br />
6.2.6 Parallelität und Zeit<br />
Wie bereits erwähnt, können auf der Verhaltens-, RTL- und der Gatterebene Leitungsund<br />
Gatterlaufzeiten nicht vollständig vorhergesagt werden, da die
90<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Schaltungsdimensionen noch unbestimmt sind. Um bei Simulationen diese Werte<br />
näherungsweise zu überprüfen, können Zeitkontroll-Anweisungen in die Modelle<br />
eingebaut werden. In VERILOG gibt es dazu das #-Konstrukt und den Datentyp time.<br />
Dabei entspricht z.B. die Angabe #1 einer abstrakten Verzögerung, in der eine<br />
Unterbrechung von einer Zeiteinheit stattfindet.<br />
Zur Simulation von Parallelität wird manchmal die Ausführungsgeschwindigkeit<br />
des Computers ausgenutzt (z.B. beim Multitasking). Dies genügt einem Simulator, der<br />
echt parallel laufende Hardware simulieren soll, nicht. In VERILOG werden Gatter-<br />
Primitive, Modul-Instanzen, die assign-Anweisung, inital- und always-Blöcke,<br />
nichtblockende Zuweisungen und fork-join-Konstrukte sowie Mischformen dieser<br />
parallel simuliert [vgl. Golz02, S.3-1]. Dazu führt der VERILOG-Simulator eine<br />
globale Variable, die den Simulationszeitpunkt enthält. Er gibt einen diskreten Wert<br />
an, der bei der realen Schaltung der Zeit entspricht.<br />
Zu jedem Simulationszeitpunkt<br />
können mehrere so<br />
genannte Ereignisse anliegen.<br />
Zum Beispiel wird ein<br />
Anweisungsblock ohne Zeitkontroll-Anweisungen<br />
als ein<br />
Ereignis betrachtet. Erst wenn<br />
alle Ereignisse in dem<br />
Simulationszeitpunkt abgear-<br />
beitet sind, wird die<br />
Simulationszeit weiter<br />
geschaltet. Die Ereignisse zu<br />
Bild 6.15 Eine mögliche Ausführungsreihenfolge<br />
von Ereignissen im Simulator<br />
einem Simulationszeitpunkt werden zufällig in unbestimmter Reihenfolge ausgeführt.<br />
Ereignisse können allerdings weitere Ereignisse <strong>zum</strong> selben Simulationszeitpunkt oder<br />
zu folgenden Simulationszeitpunkten erzeugen. Bild 6.15 zeigt einen Ausschnitt einer<br />
Simulation. Der hier eingezeichnete Simulationspfad zeigt die Wahl einer möglichen<br />
Reihenfolge.<br />
In Beispiel 6.16 werden zwei initial-Blöcke parallel simuliert und erzeugen<br />
insgesamt drei Ereignisse. Die Ereignisse E1 und E3 liegen im selben<br />
Simulationszeitpunkt. Das Ereignis E2 liegt nach den anderen Ereignissen in einem<br />
späteren Simulationszeitpunkt. Ob nun zunächst das erste und anschließend das dritte<br />
Ereignis ausgeführt wird oder umgekehrt, entscheidet der Synthese-Compiler<br />
„zufällig“. Zufällig bedeutet hier, dass ein Simulator zwar deterministisch entscheidet,<br />
jedoch die Entscheidungen von Simulatoren unterschiedlicher Hersteller untereinander<br />
nichtdeterministisch sein dürfen, aber dennoch jede Ausführung korrekt ist. Demnach<br />
existieren zwei richtige Ergebnisse am Ende: A = 20 und B = 50 oder<br />
A = 10 und B = 50
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 91<br />
initial begin //inital-Blöcke werden parallel ausgeführt<br />
A = 10; //Ereignis E1<br />
#1 //Zeitkontroll-Anweisung<br />
B = 50; //Ereignis E2<br />
end<br />
initial begin<br />
A = 20; //Ereignis E3<br />
B = 60;<br />
end<br />
Beispiel 6.16 Durch zufällige Abarbeitung von Ereignissen<br />
wird in VERILOG Parallelität simuliert<br />
Dass ein Simulator die Ereignis-Abarbeitungs-Reihenfolge nicht wirklich zufällig<br />
wählt, kann in der Auswertung von Simulationsergebnissen zu Täuschungen führen.<br />
Während in diesem Beispiel dieses Parallelitäts-Problem trivial erkennbar ist, tauchen<br />
ähnliche Fälle in komplexeren Modellen nicht so offensichtlich erkennbar auf. Vom<br />
Designer wird daher gefordert, dass er sein HDL-Modell so entwirft, dass es von der<br />
Ereignis-Abarbeitungs-Reihenfolge unberührt korrekte Ergebnisse liefert (den auch in<br />
der Realität soll das Ergebnis nicht zufällig richtig sein). Mathematisch heißt das, dass<br />
die Berechnung konfluent ist und die Church-Rosser-Eigenschaft erfüllt. Praktisch<br />
erreicht man dies, indem man synchrone Schaltungen entwirft, die abhängig von einem<br />
Takt oder von anderen Steuersignalen (z.B. bei Zustandsautomaten) arbeiten. Bei<br />
asynchronen Schaltungen würde man sich Handshake-Signalen bedienen.<br />
Um die Lernenden für dieses Problem zu sensibilisieren, betonen wir, dass in der<br />
simulierten Parallelität die Ereignisse sequenziell abgearbeitet werden (Bild 6.17).<br />
Damit erreichen wir eine gedankliche Trennung zwischen dem Parallelitäts-Modell des<br />
VERILOG-Simulators und der wirklichen Parallelität.<br />
Bild 6.17 PuZ stellt hilfsweise die simulierte Parallelität<br />
als sequenzielle Abarbeitung dar
92<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Mit CBTs können übrigens diese sehr dynamischen Vorgänge der Ereignis-<br />
Abarbeitung ebenfalls dynamisch präsentiert werden. Zum Beispiel kann im<br />
Übungsteil der Lernende sich als Scheduler versuchen und Ereignisse selber anordnen<br />
(Bild 6.18).<br />
6.2.7 Tests<br />
Bild 6.18 Der Lernende muss hier selber als Scheduler arbeiten<br />
Die Herstellung von <strong>Chip</strong>s unter sehr hohem marktüblichem Zeitdruck begünstigt<br />
Fehler. Ein Anbieter hat heute nur eine Chance auf Gewinn, wenn er schnell und<br />
möglichst als einer der Ersten mit dem Produkt auf den Markt kommt. Der nach der<br />
Markteinführung einsetzende Preisverfall, bedingt durch konkurrierende Anbieter,<br />
Lernkurve und Massenproduktion, lässt den zweiten und dritten Marktteilnehmer nur<br />
noch halb so viel verdienen wie den Ersten [Jans01, S.29].<br />
Ein Rückschritt in der Entwicklung verursacht Kosten. Je weiter ein Rückschritt<br />
führt (im schlimmsten Fall vom Layout zurück zur Spezifikation), um so teurer wird<br />
er. Getestet wird daher auf allen Abstraktionsebenen, um die Korrektheit zu beweisen,<br />
z.B. durch Simulation (Abschnitt 6.2.5).<br />
Ein Korrektheitsbeweis könnte <strong>zum</strong> Beispiel dadurch geführt werden, dass alle<br />
möglichen Eingangswerte angelegt und die Ausgangswerte mit zu erwartenden<br />
Ergebnissen verglichen werden (Verifikation durch vollständige Simulation). Dies ist<br />
bei sehr einfachen Schaltungen durchaus denkbar, bei komplexen Schaltungen quasi<br />
unmöglich.<br />
In Fällen, wo die Verifikation durch vollständige Simulation nicht praktikabel ist,<br />
versucht man entweder durch Abstraktion das Modell zu vereinfachen (Mixed-Mode-<br />
Simulation) oder wählt eine andere Testmethode, z.B. formale Verifikation. Als<br />
Ergebnis [der formalen Verifikation] erhält man die Aussage, dass die Verifikation<br />
erfolgreich verlaufen ist, oder es wird eine Beispieleingabe generiert, bei der sich die
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 93<br />
verglichenen Schaltungen unterschiedlich verhalten bzw. die überprüften<br />
Eigenschaften nicht erfüllt sind [Jans01, S.348].<br />
Neben logischen <strong>Entwurf</strong>sfehlern treten Fehler auch in der Fertigung auf, <strong>zum</strong><br />
Beispiel durch Verunreinigungen auf dem Wafer (Silizium-Scheibe), durch<br />
Kurzschlüsse oder unterbrochene Leitungen. Tests werden daher bereits parallel zur<br />
Fertigung durchgeführt, <strong>zum</strong> Beispiel auf dem Wafer, um die Kosten für Verpackung<br />
in ein <strong>Chip</strong>-Gehäuse einzusparen.<br />
Nicht alle Transistoren können durch Anlegen von Stimuli von außen getestet<br />
werden. Durch testfreundliche Entwürfe kann man das Testen einer Schaltung<br />
erleichtern. In dem CBT Einführung in den VLSI-<strong>Entwurf</strong> werden Vorteile von<br />
testfreundlichen Schaltungen vorgestellt (Bild 6.19).<br />
Bild 6.19 Testfreundliche Schaltungen werden im CBT<br />
Einführung in den VLSI-<strong>Entwurf</strong> präsentiert<br />
Dabei implementiert man zusätzliche Hardware auf dem <strong>Chip</strong> und aktiviert diese<br />
zu Testzwecken z.B. beim Selbsttest und dem BILBO (Built-In Logic Block Observer)<br />
, der als assoziiertes CBT der VeriBox (Abschnitt 6.1.5) präsentiert wird. Mittels<br />
einem so genannten Scan-Path werden Stimuli in die BILBO-Register geschrieben, die<br />
sonst von außen nicht erreichbar wären. Im Testmodus generiert die BILBO-Schaltung<br />
Stimuli auf dem <strong>Chip</strong>, mit denen Berechnungen durchgeführt werden und eine Check-<br />
Summe (CRC) gebildet wird. Anschließend werden wiederum mittels Scan-Path die<br />
Register und die CRC ausgelesen und mit Sollwerten verglichen.<br />
Es gibt allerdings auch Schaltungsteile, die weder durch Stimuli von außen noch<br />
mittels Selbsttest erreicht werden können. Bei diesen Schaltungen macht man<br />
Annahmen über die Art der möglichen Fehler und stellt so genannte Fehlermodelle<br />
auf. Ein Fehlermodell legt fest, welche Fehler von einem Test erkannt werden müssen.<br />
Demnach gibt es unterschiedliche Fehlermodelle wie z.B. Stuck-at-Fehler,<br />
Zellenfehler, Hart-Bridging-Fehler, Parameterfehler (Gate-Delay-Fehler, Path-Delay-<br />
Fehler) etc.
94<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Fehlermodelle abstrahieren die Fehlerursache und beschreiben statt dessen die<br />
Auswirkung von Defekten. Ein Defekt kann z.B. als Kurzschluss einer Leitung mit der<br />
Masseleitung auftreten und hier einen permanenten logischen Null-Wert bewirken,<br />
oder aber durch eine unterbrochene Leitung entstehen. Im Fehlermodell würden beide<br />
als Stuck-at-0-Fehler behandelt werden.<br />
Die Qualität von Fehlermodellen wird mit der Fehlerüberdeckung bewertet. Die<br />
Fehlerüberdeckung gibt als Prozentsatz an, wie viele Fehler durch das Fehlermodell<br />
erkannt werden. Je mehr Fehler durch das Fehlermodell erkannt werden, um so höher<br />
wird der Testaufwand. Daher begnügt man sich oft mit einer<br />
Fehlerüberdeckung
6.2 <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> 95<br />
gefertigt. Für diese <strong>Chip</strong>s hat sich z.B. die Bezeichnung CBIC (Cell Based Integrated<br />
Circuit) durchgesetzt.<br />
Ist eine Technologie noch sehr neu und existiert dafür noch keine Bibliothek oder<br />
sind die Anforderungen so speziell, dass sie nicht mit vorhandenen Standardzellen<br />
gelöst werden können, muss zwangsläufig Full-Custom entworfen werden.<br />
Durch Einsatz von vorgefertigten Standardzellen kann im Semi-Custom-<strong>Entwurf</strong><br />
eine Schaltung zwar kostengünstiger gefertigt werden, doch noch günstiger geht es mit<br />
Gate-Arrays. Dabei sind die Transistoren vorgefertigt und lediglich die Verschaltung<br />
dieser wird auf mehreren Metall-Layern durch eine Maske bestimmt. Diese Gate-<br />
Arrays werden deshalb auch als maskenprogrammierbare Gate-Arrays (MPGA)<br />
bezeichnet. Auch hier werden jedoch Fertigungsanlagen (<strong>Chip</strong>-Fabriken) benötigt. Die<br />
Anfangsinvestitionen z.B. zur Fertigung der Masken lohnen sich daher erst bei<br />
größeren Stückzahlen.<br />
Programmable-Logic-Devices (PLDs) und Field-Programmable Gate-Arrays<br />
(FPGAs) sind programmierbare Logikbausteine, die ohne Fertigungsanlagen<br />
auskommen. Dieser Zusammenhang wird z.B. im CBT GrobiS sehr anschaulich<br />
präsentiert (Bild 6.20).<br />
FPGAs bestehen unter anderem aus einem zweidimensionalen Feld von<br />
Logikblöcken, die durch Verbindungsleitungen individuell verbunden werden können.<br />
Diese Verschaltung wird durch Aufladen eines Bit-Streams auf das FPGA<br />
vorgenommen. Bei rekonfigurierbaren FPGAs kann die Programmierung beliebig<br />
wiederholt werden. Diese Eigenschaft macht FPGAs besonders interessant, wenn es<br />
um die schnelle und kostengünstige Implementierung von z.B. Prototypen geht. Für die<br />
Massenfertigung sind FPGAs wegen der Stückkosten zu teuer, bieten nicht dieselben<br />
Kapazitäten wie CBICs oder MPGAs und sind oft langsamer. Der Design-Flow bis<br />
<strong>zum</strong> Gattermodell ist für alle <strong>Entwurf</strong>sstile im wesentlichen gleich, dies präsentiert<br />
auch das CBT Illusion.<br />
Bild 6.20 GrobiS CBT stellt den Zusammenhang<br />
zwischen MPGA und FPGA dar
96<br />
6.2.9 Hardware-Software-Codesign<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Mit Productivity-Gap ist die Lücke zwischen technologisch möglicher<br />
Implementierung und in realistischer Zeit entwerfbaren Designs gemeint. Diese Lücke<br />
wird mit schneller voranschreitender Technologie immer größer und kurz gesagt: „Die<br />
Designer bekommen die <strong>Chip</strong>s auf dem herkömmlichen Design-Weg nicht voll.“<br />
Durch die Verfügbarkeit von ausreichend <strong>Chip</strong>-Fläche wird dieser Faktor<br />
vernachlässigbarer, und man konzentriert sich auf den Faktor Time-to-Market, weshalb<br />
unter anderem automatisierter <strong>Entwurf</strong> durch High-Level-Synthese und System-Level-<br />
Design oder Design-Reuse größerer Komponenten (z.B. als IPs – Intellectual<br />
Propertys) wichtiger geworden sind.<br />
Durch Design-Reuse z.B. von Prozessorkernen, digitalen Signalprozessoren,<br />
Speichern oder FPGA-Kernen wird eine neue Komplexität erreicht, und die<br />
Funktionalität des <strong>Chip</strong>s hängt nicht mehr lediglich von seiner Hardware ab, sondern<br />
auch ganz wesentlich von der auf dem <strong>Chip</strong> implementierten Software. Diese<br />
gestiegene Komplexität verlangt die gleichzeitige und abgestimmte Entwicklung von<br />
Hardware und Software in einem Co-<strong>Entwurf</strong>, dem Hardware-Software-Codesign<br />
(HW-SW-Codesign).<br />
Bild 6.21 Idealisierter Ablauf beim HW-SW-Codesign [Golz02, S.11-5]<br />
Idealerweise spezifiziert der Entwickler beim HW-SW-Codesign seinen <strong>Entwurf</strong><br />
als High-Level-System (darin sind Hardware- und Software-Anforderungen<br />
gemeinsam enthalten). Durch so genannte Codesign-Tools wird der <strong>Entwurf</strong> in<br />
Hardware- und Software-Komponente partitioniert und entsprechend durch Compiler<br />
oder Synthese-Werkzeuge weiterverarbeitet und anschließend zu dem spezifizierten<br />
System zusammengesetzt (Bild 6.21). Die Herausforderung beim HW-SW-Codesing<br />
besteht dabei im wesentlichen in den folgenden Punkten:<br />
1. Effiziente Algorithmen und Verfahren zu finden, die die ausbalancierte und<br />
optimierte Unterteilung zwischen Hard- und Software vornehmen können.<br />
2. Die Schnittstellen zwischen Hard- und Software so zu gestalten, dass effizientes<br />
Zusammenarbeiten gewährleistet wird.
6.3 Feldtest zur Logiksynthese der VeriBox 97<br />
3. Wege zur Vereinbarkeit von Hard- und Software-Entwürfen zu finden, die derzeit<br />
noch durch verschiedene Entwicklungssprachen entworfen werden. Ein Ansatz ist<br />
dazu z.B. die Kombination von VERILOG und C zu SystemC oder System-<br />
VERILOG.<br />
Durch Integration von FPGA-Kernen in Schaltungs-Systeme wird die Anpassung<br />
von Hardware zur Laufzeit ermöglicht. Daraus resultieren die so genannten Adaptiven<br />
Systeme, die nach Anforderung ihre Rekonfigurierbarkeit zur optimalen Lösung<br />
während der Laufzeit einsetzen können.<br />
Zum Gebiet des HW-SW-Codesigns gehören auch eingebettete Systeme<br />
(Embedded Systems), System-on-<strong>Chip</strong> (SoC), Application-Specific Instruction<br />
Processors (ASIPs) und vieles andere mehr. Eine tiefere Ausführung des HW-SW-<br />
Codesigns würde hier den Rahmen dieser Arbeit bei weitem sprengen. Wir verweisen<br />
den interessierten Leser z.B. an [DeEW02] in dem interessante Paper zu diesem Gebiet<br />
gesammelt zu finden sind.<br />
Wegen der Bedeutung des HW-SW-Codesigns haben wir im SS02 zwei CBTs zu<br />
diesem Thema entwickelt und werden diese zukünftig noch ausarbeiten. Bild 6.22<br />
zeigt exemplarisch eine Seite aus [JaMS02], in der ein Überblick über Hardware-<br />
Software-Bausteine gegeben wird. Im aktuellen SS03 entstehen zwei weitere CBTs<br />
[BrBO03, ScWZ03] über JControl, eine Java-Realisierung für Microcontroller in<br />
eingebetteten Systemen, die vor allem für Steuerungsaufgaben konzipiert wurde.<br />
Bild 6.22 Die Partitionierung in Soft- und Hardware<br />
hängt wesentlich von den Anforderungen ab<br />
6.3 Feldtest zur Logiksynthese der VeriBox<br />
Dass Low-Cost-Low-Time-Produktionen von <strong>Lernprogramme</strong>n schneller gehen, ist<br />
offensichtlich (Abschnitt 3.3). Ob die CBTs dabei jedoch eine befriedigende Qualität<br />
erreichen, ist alles andere als selbstverständlich. Um uns selbst zu evaluieren und als
98<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
Grundlage für weitere Investitionen, haben wir das Modul LogiSyn der VeriBox einem<br />
Feldtest unterzogen. Dabei sollte auch die Qualität unserer CBTs im Vergleich zur<br />
klassischen Lehre ermittelt werden.<br />
6.3.1 Aufbau<br />
Die Inhalte der Logiksynthese sind in der Vorlesung und in LogiSyn annähernd gleich.<br />
Zwei Wochen lang wurden verschiedene Studentengruppen mit unterschiedlichen<br />
Kombinationen aus Vorlesung, Skript und CBT gelehrt und in einer anschließenden<br />
Kurzklausur getestet. Zusätzlich mussten die Studenten ihre Lernzeiten protokollieren<br />
und einen Fragebogen ausfüllen. Dies sollte einen tieferen Einblick in das<br />
Lernverhalten geben und mögliche Verzerrungen in der Auswertung erklären helfen.<br />
Alle Materialien des Feldtests wie Testfragen, Fragebogen, Testergebnisse und<br />
Antworten sind im Anhang B zusammengefasst.<br />
6.3.2 Durchführung<br />
Zur Durchführung wurden die Studenten anonymisiert und zufällig in die drei Klassen<br />
A, B und C der Tabelle 6.23 unterteilt. Studenten der Klasse C nahmen nicht an den<br />
Vorlesungen teil.<br />
Die Studenten wurden gebeten, sich<br />
strikt an die Spielregeln zu halten und z.B.<br />
keine Lehrmaterialien auszutauschen. Sie<br />
wurden gebeten, sich wie für eine übliche<br />
Scheinklausur vorzubereiten. Wo das<br />
Lernen und die Vorbereitung auf die<br />
Klausur aus persönlichen Gründen<br />
Klasse Versorgung<br />
A Vorlesung mit Skript und CBT<br />
B Vorlesung mit Skript<br />
C CBT<br />
Tabelle 6.23 Versorgung der Klassen<br />
<strong>zum</strong> Feldtest<br />
eingeschränkt war, sollte dies auf dem Fragebogen vermerkt werden. Diese Klausuren<br />
wurden nicht berücksichtigt, um Verzerrungen zu vermeiden.<br />
Wegen des freiwilligen und anonymen Feldtests konnte die Regeleinhaltung<br />
natürlich nur begrenzt kontrolliert werden. Wir sind jedoch der Meinung, dass gerade<br />
die Anonymität den Studenten keinen Grund <strong>zum</strong> Schummeln gab und die ehrliche<br />
Beteiligung gefördert hat. Die Ergebnisse des Feldtests und der Klausur wurden in<br />
einer späteren Vorlesung diskutiert. Später berichteten übrigens einige Studenten, dass<br />
die Klausur für sie eine willkommene Gelegenheit zur Überprüfung ihrer Leistung<br />
gewesen ist.
6.3 Feldtest zur Logiksynthese der VeriBox 99<br />
6.3.3 Prognose<br />
Wir gingen davon aus, dass A das beste Resultat erreichen würde, da sie alle Mittel zur<br />
Verfügung hatten. Weil wir vom Sinn <strong>multimediale</strong>r <strong>Lernprogramme</strong> allgemein und<br />
von der Qualität unserer CBTs überzeugt sind, favorisierten wir zunächst C vor B.<br />
Allerdings konnten wir uns aufgrund folgender Tatsachen nicht endgültig festlegen.<br />
1. Das Lernen mit CBTs ist im Gegensatz zu den anderen klassischen Formen noch<br />
gewöhnungsbedürftig. Immerhin lernt ein Student heute fast während seines<br />
gesamten Studiums in der klassischen Form, während die <strong>multimediale</strong> Lehre,<br />
wenn überhaupt, in der Freizeit stattfindet (PC-Spiele, PC-Lexikon, Internet etc.).<br />
2. Wie stark macht sich das Fehlen eines didaktisch erfahrenen Tutors in diesem<br />
Wissensgebiet bemerkbar? Sicher kann das CBT nicht auf alle individuell<br />
auftretenden Fragen eine Antwort geben. Möglicherweise sind einige Sachverhalte<br />
sogar unverständlich präsentiert und nur durch einen Tutor vermittelbar.<br />
Obwohl das CBT LogiSyn nach der Vorlage des Vorlesungsskripts entstanden ist,<br />
ist es keine einfache Kopie. Denn dort haben wir versucht, <strong>multimediale</strong> Ansprüche<br />
durch Interaktion und Kombination der Medien Bild, Ton, Animation etc. zu erfüllen.<br />
Die schriftlichen Darstellungen wurden dabei in erheblichem Maße durch<br />
<strong>multimediale</strong> Darstellungen abgelöst. Es wurden Umgestaltungen und Umordnungen<br />
vorgenommen, deren didaktische Korrektheit lediglich auf unseren Erfahrungen in der<br />
Lehre basieren. Ob hier die Erwartungen erfüllt werden, sollte schließlich dieser<br />
Feldtest zeigen.<br />
6.3.4 Ergebnis<br />
Insgesamt beteiligten sich 57 Studenten. Davon gaben 49 den Fragebogen zurück und<br />
50 nahmen an der Klausur teil. Das Ergebnis wurde als Mittelwert der erreichten<br />
Punkte im Test nach Klassen ermittelt. Es gab 13 Aufgaben zu lösen mit insgesamt 28<br />
Punkten. Insgesamt 8 Resultate wurden aus der Wertung genommen, weil die<br />
Studenten angaben, keine Zeit <strong>zum</strong> Lernen gehabt zu haben.<br />
Bild 6.24 gibt das Ergebnis wieder. Auf den ersten Blick fällt auf, dass die<br />
Ergebniswerte sehr dicht beieinander liegen. Damit konnte ein absolutes Versagen<br />
einer Lernform, insbesondere mit dem CBT, ausgeschlossen werden. Klasse A hatte im<br />
Mittel 65,31% (18,29 Punkte) richtige Antworten, B 66,07% (18,50 Punkte) und<br />
C 61,46% (17,21 Punkte).<br />
Klasse B war am erfolgreichsten, gefolgt von A und C. Bild 6.24 zeigt das<br />
bereinigte Ergebnis, das heißt, es wurden nur Teilnehmer der Klausur berücksichtigt,<br />
die den Fragebogen abgegeben und genug Lernzeit bestätigt hatten.<br />
Obwohl dieses Ergebnis nach unserer Meinung bereits ein Erfolg und ein Hinweis<br />
auf die Qualität unserer CBTs ist, gab die Betrachtung der Fragebögen und Lernzeiten
100<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
weitere Erkenntnisse. Zum Beispiel wurde die Beteiligung pro Vorlesung mit 1,5h<br />
gerechnet, die privaten Zeiten wurden nach Angaben der Studenten zusammengezählt.<br />
28,00<br />
24,00<br />
20,00<br />
16,00<br />
12,00<br />
8,00<br />
4,00<br />
0,00<br />
18,29<br />
Bereinigtes Ergebnis<br />
(durchschnittliche Punktezahl)<br />
18,5<br />
Bild 6.24 Durchschnittliche Punktezahl nach Klassen<br />
So hatte die Klasse C im Durchschnitt sehr viel weniger Zeit mit dem Lernen<br />
verbracht als die anderen beiden Klassen (A 5,82h; B 5,84h und C 2,76h). Daraus kann<br />
man auf die durchschnittliche Effizienz (Bild 6.25), als Ergebnis von durchschnittliche<br />
Punktezahl geteilt durch Lernzeit, schließen. Die Effizienz bei Klasse C liegt um fast<br />
50% höher als bei den anderen beiden Klassen.<br />
Interessant ist auch, dass A nicht mehr Zeit als B investiert hat, obwohl A eine<br />
größere Versorgung hatte als B und auch als C. Zu hinterfragen ist, ob bei A alle<br />
Lernmaterialien eingesetzt wurden. Auf die Frage „Wo lag Ihr Lernschwerpunkt?“<br />
antworteten lediglich 20% von A mit „auf beidem etwa gleich“, 27% hatten ihren<br />
Lernschwerpunkt beim CBT und 53% auf der Vorlesung mit Skript. Somit wurden in<br />
diesem Feldtest von den Studenten der Klasse A nicht alle Lernmöglichkeiten gleich<br />
intensiv genutzt.<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Klassen<br />
17,21<br />
Durchschnittliche Effizienz<br />
(erreichte Punktezahl pro Lernstunde)<br />
3,14 3,17<br />
Klassen<br />
6,24<br />
Bild 6.25 C hat effektiver gelernt als A und B<br />
A<br />
B<br />
C<br />
A<br />
B<br />
C
6.3 Feldtest zur Logiksynthese der VeriBox 101<br />
Das Diagramm zur durchschnittlichen Punktezahl pro Aufgabe nach Klassen<br />
(Bild 6.26) gibt Aufschluss, welche Aufgabe im CBT besser präsentiert wurde. Danach<br />
waren die Aufgaben 8, 9, 11 und 12 im CBT besser präsentiert und wurden öfter durch<br />
Studenten der Klasse C richtig beantwortet als von B.<br />
100<br />
90<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Bild 6.26 Erfolg pro Aufgabe und Klasse<br />
Auf die Frage im Fragebogen „Irgendwelche Kommentare <strong>zum</strong> CBT?“ schreibt<br />
ein Teilnehmer aus Klasse C: Ein CBT kann niemals eine VL ersetzen, da es keine<br />
Nach- oder Zwischenfragen an den Dozenten zuläßt. Und ein anderer Teilnehmer<br />
schreibt: Nett, aber für mich sind Rückfragen sehr wichtig! Daher gehe ich lieber zur<br />
VL. Als Ergänzung zur VL sehr gut, wegen der Abwechslung, aber als Ersatz einfach<br />
nicht motivierend genug. Die Rückfrage, welche Rolle die Vorlesung und welche die<br />
CBTs spielen, ergab, dass die Vorlesung bei den Studenten eine zentrale Bedeutung<br />
hat. CBTs werden lediglich als Beigabe / Ergänzung gesehen. Hier dominiert die<br />
klassische Lehre das Moderne, weshalb wir in unserer Prognose (Abschnitt 6.3.3) den<br />
Ausgang für die Klassen B und C auch nicht einschätzen konnten.<br />
Schlussfolgerung<br />
0<br />
Durchschnittliche Punktezahl pro Aufgabe in Prozent<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />
Dieser Feldtest wurde auf Basis einer kleinen Studentenzahl und lediglich auf Basis<br />
eines CBTs in einem recht knappen Zeitraum von zwei Wochen durchgeführt. Für eine<br />
Generalisierung müssten weit umfangreichere Versuche und Tests durchgeführt<br />
werden, beispielsweise mit einer größeren Verteilung über die CBTs und Zielgruppen.<br />
Dass die Klasse C, obwohl sie lediglich mit dem CBT gelernt hat, nicht<br />
wesentlich schlechter als die anderen beiden Klassen abgeschnitten hat, sehen wir als<br />
einen Hinweis auf die Qualität unserer Low-Cost-Low-Time-Produktionen.<br />
Auf die Frage „Was empfehlen Sie Ihren Nachfolgern?“ antworteten fast 94% mit<br />
„beides“. Dies bekräftigt die Annahme, dass von studentischer Seite Interesse an<br />
A<br />
B<br />
C
102<br />
Kapitel 6. Das <strong>multimediale</strong> Lernsystem VeriBox<br />
differenziert aufbereitetem Wissen besteht und abweichend von der einen oder anderen<br />
isolierten Methode ein Blended Learning befürwortet wird.
7 Zusammenfassung und Ausblick<br />
Zusammenfassung<br />
und Ausblick<br />
Die Betrachtungen zu modernem Lernen aus Kapitel 2 zeigen eine allgemeine<br />
Tendenz, in der klassische Präsenzlehre immer öfter durch E-Learning ergänzt wird,<br />
als Blended Learning. Heute sind überall leistungsfähige Computer-Systeme weit<br />
verbreitet, und die Fortschritte in der <strong>Chip</strong>-Entwicklung werden dies bei weiter<br />
steigender Leistung und weiter fallenden Preisen auch künftig unterstützen. Zusätzlich<br />
wurde mit dem Internet eine kostengünstige Vernetzung zur Kommunikation<br />
geschaffen und forcierte ebenfalls die weitere Entwicklung des E-Learning.<br />
Während die technischen Hürden von einst durch immer leistungsfähigere<br />
Hardware irrelevanter werden, verschiebt sich das Interesse auf andere Probleme wie<br />
eine kostengünstige Produktion von <strong>Lernprogramme</strong>n und die Suche nach mehr<br />
Qualität in der didaktischen und pädagogischen Gestaltung.<br />
Zur Durchführung von Blended Learning mit CBTs an Hochschulen können diese<br />
auf zwei Wegen bezogen werden, <strong>zum</strong> einen können <strong>Lernprogramme</strong> kommerziell<br />
fertig erworben oder selbst produziert werden. In Kapitel 3 haben wir die Vor- und<br />
Nachteile beider Möglichkeiten im Kontext der Lehre des <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong>s<br />
analysiert. Demnach fanden wir mehr Aspekte gegen die kommerziellen<br />
<strong>Lernprogramme</strong>, unter anderm den hohen Preis pro Lizenz, so dass eine<br />
Eigenproduktion sehr sinnvoll ist.<br />
Es wurde aufgezeigt, dass im universitären Umfeld zur Eigenproduktion von<br />
CBTs zunächst keine kostengünstige Alternative existiert. Bei Eigenproduktionen kann<br />
das Lehrmaterial <strong>zum</strong> Beispiel nach individuellen Bedürfnissen produziert werden,<br />
insbesondere können eigene Schwerpunkte gesetzt werden. Die Integration von<br />
fachspezifischen Werkzeugen (Compiler, Simulatoren, Messgeräte etc.) in die selbst<br />
produzierten <strong>Lernprogramme</strong> ist möglich, während diese von keinem uns bekannten<br />
kommerziellen Lernprogramm unterstützt wird.<br />
Eigenproduktionen sind allerdings nur möglich, wenn Sie kostengünstig erstellt<br />
werden können. Die Kosten hängen von unterschiedlichen Faktoren ab, im<br />
wesentlichen von dem implementierten methodischen Grundtyp, der Lerntheorie auf<br />
dem sie basieren und dem Umfang.
104<br />
Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick<br />
In dieser Arbeit wurde die Eigenproduktion von CBTs zu Themen des <strong>Chip</strong>- und<br />
System-<strong>Entwurf</strong>s untersucht. Dazu wurde zunächst der Begriff Low-Cost-Low-Time-<br />
Produktion zur Kostenabgrenzung eingeführt. Nur wenn die Produktion von<br />
<strong>Lernprogramme</strong>n den Produktionsaufwand klassischer Skripten um nicht mehr als den<br />
Faktor vier übersteigt, bleiben Eigenproduktionen erschwinglich. Zur Low-Cost-Low-<br />
Time-Produktion gehören für uns ein geeignetes Autorensystem, Standardisierungen,<br />
bereits vorhandenes Lehrmaterial etwa als Skript, ein modulares Konzept, das<br />
Design-Reuse ermöglicht, und intensive studentische Beteiligung an der Produktion<br />
(„Lernen durch Lehren“).<br />
Zur Low-Cost-Low-Time-Produktion wurde in dieser Arbeit ein Referenzmodell<br />
für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong> entwickelt. Es vereinigt die Forderungen zur<br />
kostengünstigen CBT-Produktion an Hochschulen und bietet als Authorware-<br />
Source-Code ein offenes Konzept, das individuell angepasst und erweitert werden<br />
kann. Weiter enthält es fertige Prozeduren als Source-Code für interne Programmier-<br />
Lösungen (z.B. Ablaufsynchronisation), Lesezeichen, History-Liste, eine automatisch<br />
generierte Inhaltsangabe und Navigationsfunktionen, eine modulare Schnittstelle <strong>zum</strong><br />
Aufbau von Lernsystemen aus mehreren CBTs, Standardisierungen zu Fonts, Kontrast<br />
und Ton und quasi als Handbuch eine <strong>multimediale</strong> Einführung in den Einsatz des<br />
Referenzmodells.<br />
Mit dem Referenzmodell wurde in dieser Arbeit das Lernsystem VeriBox als<br />
größeres Projekt entwickelt. Es lehrt im wesentlichen in vier Modulen die HDL<br />
VERILOG und die Logiksynthese. Damit wird <strong>zum</strong> einen die Einsatzfähigkeit des<br />
Referenzmodells demonstriert und <strong>zum</strong> anderen exemplarisch eine Möglichkeit<br />
gezeigt, wie CBTs in die Lehre als Blended Learning integriert werden können.<br />
Vorteile der <strong>multimediale</strong>n Lehre werden in der VeriBox ausgenutzt. Zum<br />
Beispiel werden dynamische Vorgänge durch dynamische Darstellungen<br />
veranschaulicht, die sonst schwer vorstellbar sind (z.B. die Arbeit des Ereignis-<br />
Schedulers im VERILOG-Simulator). In dieser Form ist eine Interaktivität nur mit<br />
<strong>Lernprogramme</strong>n möglich. In die <strong>Lernprogramme</strong> integrierte CAD-Tools wie ein<br />
VERILOG-Simulator ermöglichen experimentelles und realitätsbezogenes Lernen.<br />
Dort wo die Integration zu schwierig oder nicht möglich ist, verbinden wir per loser<br />
Kopplung Lernprogramm und CAD-Tool. Dabei instruiert das Lernprogramm den<br />
Lernenden zur Arbeit an dem CAD-Tool, die dort erarbeiteten Lösungen werden in das<br />
Lernprogramm als Antwort eingegeben. Sonst zeit- und kostenintensive Vorgänge<br />
werden im CBT durch Simulationen dargestellt und können interaktiv erprobt werden<br />
(z.B. Schaltungs-Simulation). Allgemein bekannte Drag’n’drop-, Ausfüll- und<br />
Multiple-Choice-Interaktionen werden an vielen Stellen verteilt eingesetzt.<br />
Über die VeriBox hinaus hat sich das Referenzmodell in weiteren zur VeriBox<br />
„assoziierten“ CBT-Projekten, in Studien- und Diplomarbeiten und vor allem auch in<br />
Multimedia-Praktika bewährt.
Durch den Einsatz von CBTs im <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong> können Sachverhalte<br />
anschaulicher präsentiert werden, etwa das Verhalten einer Schaltung, der Ablauf einer<br />
Simulation oder die Darstellung der Benutzeroberfläche von CAD-Werkzeugen zur<br />
Synthese. Diese Dinge konnten vorher nur an den realen Tools anschaulich vorgeführt<br />
werden, wo zuvor eine intensive und aufwändige Einarbeitung absolviert werden<br />
musste. Mit dem Einsatz von CBTs zur Einführung in CAD-Werkzeuge verringert sich<br />
der Aufwand in den praktischen Übungen, da die Studierenden, geschult durch das<br />
CBT, ein Vorwissen haben. Sie werden durch die CBTs dabei von frustrierenden<br />
Fehlern an den sehr komplexen CAD-Werkzeugen abgehalten, allerdings sind diese<br />
CBTs auch aus diesem Grund kein voller Ersatz. Die Erfahrungen an den realen<br />
CAD-Werkzeugen können nicht ersetzt werden.<br />
Indem wir zur Low-Cost-Low-Time-Produktion studentische Hilfe in Anspruch<br />
nehmen, arbeiten sich Studenten sichtbar mit einer höheren Motivation in ein<br />
Themengebiet des <strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong>s ein. Im Gegensatz zur direkten<br />
Motivation durch Multimedia wirkt sich hier die Herausforderung, ein CBT zu<br />
implementieren, als motivierend aus.<br />
Schließlich wurde in einem Feldversuch die Qualität der Low-Cost-Low-Time-<br />
Produktionen ein erstes Mal analysiert. Die Ergebnisse bestätigten unsere<br />
Erwartungen. Zur Ergänzung der Lehre können mit dem Referenzmodell CBTs als<br />
Low-Cost-Low-Time-Produktionen realisiert werden. Diese CBTs können Studenten<br />
motivieren und bieten Abwechslung zu der klassischen Lehre. Sie können teilweise<br />
auch Sachverhalte anschaulicher vermitteln als mit klassischen Lehrmitteln. Eine<br />
Lehre ausschließlich mit CBTs wird jedoch von den Studierenden abgelehnt.<br />
Teilnehmer, die im Feldversuch lediglich mit dem CBT gelernt hatten, schnitten nicht<br />
wesentlich schlechter ab als andere Teilnehmer. Allerdings müssen für allgemein<br />
gültige Aussagen weitere und intensivere Langzeittests durchgeführt werden.<br />
Zum Referenzmodell ist weiterer funktionaler Ausbau sinnvoll, um seine<br />
Attraktivität zu steigern. Dazu führen wir folgende Ideen kurz an:<br />
- Eine Text-Suchfunktion wäre denkbar, die zwischen Textfenster und<br />
Darstellungsbereich unterscheidet.<br />
- Lernen durch Karteikarten ist eine bewährte Methode. Dieses Konzept könnte<br />
aufgegriffen werden, indem Lernenden die Möglichkeit gegeben wird, auf den<br />
Seiten des CBTs eigene Fragen und Antworten zu formulieren. Das so gesammelte<br />
Wissen könnte das CBT später abfragen. Der Lernende kann so durch das<br />
Formulieren der Fragen seinen Lernschwerpunkt individuell bestimmen.<br />
- Im Setup-Bereich könnten Attribute formuliert werden für das einfache<br />
Zusammenstellen von Lernsystemen aus einem größeren CBT-Pool.<br />
- Während das Verlinken im Inhaltsverzeichnis automatisiert läuft und durch das<br />
Referenzmodell standardisiert ist, kann das Verlinken von Seiten aus dem<br />
Darstellungsbereich durch Authorware auf unterschiedliche Arten realisiert werden.<br />
105
106<br />
Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick<br />
Diese müssen dann aufwändig angepasst werden. Wünschenswert wäre eine<br />
Authorware-Lösung, die dies vereinfacht.<br />
- Die Vertonung der CBTs ist ein aufwändiger Prozess. Da das Gesprochene bereits<br />
im Textfenster steht, könnte zukünftig der Einsatz von Leserobotern interessant<br />
werden. Von uns durchgeführte Experimente wurden jedoch abgebrochen, da<br />
erschwingliche Sprachsynthese zur Zeit nicht annähernd die motivierenden<br />
Qualitäten eines normalen Sprechers erreicht.<br />
- E-Learning über das Internet durch WBTs wird in Zukunft weiter an Bedeutung<br />
gewinnen. In diesem Zusammenhang wäre ein Internet-Referenzmodell<br />
wünschenswert, das stärker die Vorteile einer Netzanbindung unterstützt.<br />
Die Integration von <strong>Lernprogramme</strong>n in Lern-Managment-Systeme, die<br />
hochschulübergreifend Wissensmodule distributieren, könnte zukünftig größere<br />
Bedeutung erlangen, wenn ungelöste Kernfragen Antworten finden. Was passiert,<br />
wenn Studierende vor einer Prüfung nicht lernen können, weil der Server ausfällt?<br />
Neben diesen eher technischen Problemen sind auch politische Antworten gefragt.<br />
Zum Beispiel müssen die Hochschulen bei zentralem Lehrmaterial Leistungen<br />
gegenseitig akzeptieren.<br />
Abschließend ist bei aller Bescheidenheit zu hoffen, dass künftig negative<br />
Schlagzeilen wie zu Beginn unserer Einleitung seltener werden.
A Implementierung des RSK<br />
Der Authorware-Programm-Code <strong>zum</strong> Refmod-Starter-Kit (RSK) besteht aus<br />
356 Icons mit sehr vielen Einstellungen und vielen Programm-Zeilen, die in<br />
Calculation-Icons enthalten sind.<br />
Wegen der Authorware-Programmierung durch Icons entlang einer Flusslinie und<br />
hierarchischer Verschachtelung von Icons kann hier kein klassisches Listing<br />
präsentiert werden. Eine vollständige Darstellung aller RSK-Flusslinienteile wäre<br />
äußerst unübersichtlich und daher nicht sinnvoll. Wir beschränken uns im Folgenden<br />
auf besonders interessante Passagen. Das vollständige RSK-Quellprogramm ist als<br />
Authorware-Code in [Çata03b] enthalten.<br />
Dieser Abschnitt setzt Kenntnisse in der Authorware-Programmierung voraus.<br />
A.1 RSK-Programm-Code<br />
Öffnet man das RSK in der Authorware-<br />
Programmierumgebung, so erscheint die<br />
Flusslinie aus Bild A.1 auf Level 1.<br />
Nach dem Anstarten des RSK wird<br />
zunächst in den ersten drei Icons eine<br />
Initialisierung durchgeführt. Hier werden<br />
Konstanten definiert und Eckwerte<br />
berechnet (Abschnitt A.1.1). Zum Beispiel<br />
wird dort die Variable rmUserStart<br />
ermittelt, ob das RSK aus einem anderen<br />
Modul aufgerufen wurde (Abschnitt 5.2.6).<br />
Das Decision-Icon userStart? führt<br />
abhängig von rmUserStart das erste oder<br />
Implementierung des RSK<br />
Bild A.1 RSK-Programm-Code auf Level 1
108<br />
Kapitel A. Implementierung des RSK<br />
zweite angehängte Icon aus. Im ersten Icon userStart=FALSE wird das als<br />
Aufrufparameter (vgl. Tabelle 5.9) übergebene Sprungziel in rmJumpToPage<br />
angesprungen.<br />
Im zweiten Map-Icon ist die Login-Routine implementiert. Wurden beim Aufruf<br />
keine Parameter übergeben (userStart=TRUE), so wird dieses Icon ausgeführt und<br />
das Login durchlaufen.<br />
Das fünfte Icon auf der<br />
Hauptflusslinie ist das Framework-Icon<br />
Lesson. An ihm sind<br />
vier Map-Icons angehängt. Das<br />
Framework-Icon Lesson ist so<br />
eingestellt, dass nach seinem<br />
Aufruf gleich das erste Map-Icon<br />
Vorspann --Intro gestartet<br />
wird.<br />
In Vorspann --Intro ist<br />
der Vorspann eines Moduls<br />
implementiert. Ein Klick während<br />
des Vorspanns im Präsentations- Bild A.2 RSK-Ablauf nach dem Anstarten<br />
fenster springt das zweite Map-Icon Hauptmenü an, wo das Hauptmenü mit dem<br />
Inhaltsverzeichnis implementiert ist. Wählt der Lernende aus dem Inhaltsverzeichnis<br />
eine Seite aus, erfolgt ein Sprung zu der gewählten Seite. Die Abschnitte eines Moduls<br />
hängen jeweils als Map-Icon an Lesson nach Hauptmenü.<br />
Wird ein anderes Modul aus dem Inhaltsverzeichnis gewählt, so beginnt der hier<br />
beschriebene Ablauf nach dem Modulaufruf dort. Bild A.2 gibt diesen Ablauf als<br />
klassisches Flussdiagramm wieder.<br />
Das letzte grüne Map-Icon auf der Hauptflusslinie (Bild A.1) wird im<br />
Programmfluss nie erreicht. In diesem Map-Icon sind Hilfs-Routinen enthalten, die in<br />
eigenen Applikationen eingesetzt werden können und nicht direkt <strong>zum</strong> Ablauf<br />
gehören.<br />
A.1.1 Initialisierung<br />
Wesentliche Initialisierungen werden in dem zweiten<br />
Icon Initial aus Bild A.1 ausgeführt, dessen Inhalt<br />
Bild A.3 zeigt.<br />
Im ersten Calculation-Icon werden Konstanten<br />
deklariert. Im nächsten wird unter anderem der<br />
Projektname aus der Datei syslist.prj eingelesen.<br />
Im dritten und vierten Icon wird das Präsentationsfenster<br />
so skaliert, dass der Darstellungsbereich<br />
Bild A.3 Inhalt von Initial
A.1 RSK-Programm-Code 109<br />
640x480 Pixel enthält. Im fünften Icon wird die Datei syslist.mod ausgelesen. In<br />
dem Map-Icon Aufrufargumente wird ermittelt, ob Parameter übergeben wurden<br />
und gegebenenfalls diese den entsprechenden Variablen zugewiesen. Im letzten<br />
Calculation-Icon wird das ActiveX-Control TCListbox.ocx beim Betriebsystem<br />
registriert.<br />
A.1.2 Inhaltsverzeichnis und Login<br />
Wurde ein Modul aus einem anderen Modul aufgerufen, so wird davon ausgegangen,<br />
dass die Inhaltsangabe bereits erstellt ist. Nur wenn ein Benutzer das Modul startet,<br />
muss überprüft werden, ob die Datei syslist.inh vorhanden ist.<br />
Im Map-Icon userStart=TRUE (Bild A.1) wird zunächst kontrolliert, ob die<br />
Datei syslist.inh existiert. Fehlt sie, wird sie erzeugt, ansonsten erscheint gleich<br />
das Login-Fenster. Mit dem Benutzernamen wird dann im letzten Calculation-Icon aus<br />
Bild A.4 ein Austauschverzeichnis (Abschnitt 5.2.8) angelegt.<br />
Bild A.4 Inhalt des Icons userStart=TRUE<br />
Das Inhaltsverzeichnis wird in dem Map-Icon am<br />
Decision-Icon aus Bild A.4 erstellt. Bild A.5 zeigt das<br />
Innere dieses Map-Icons. Zunächst wird die<br />
Information „Creating list of contents“ auf dem<br />
Bildschirm ausgegeben. Sofern das Modul nicht das<br />
letzte aller Module des Lernsystems war, wird das<br />
nächste Modul aufgerufen. Sonst ist das<br />
Rekursionsende erreicht, und die Aufrufe werden<br />
wieder zurückverfolgt (Abschnitt 5.2.5). Dabei werden<br />
in den folgenden Icons zunächst alle Abschnitte und<br />
dann alle Seiten der Abschnitte ermittelt und in<br />
sysList.inh geschrieben.<br />
Mit dem letzten Decision-Icon Pfade wird<br />
erkannt, ob die rekursiven Aufrufe wieder am<br />
Bild A.5 Rekursive Aufrufe <strong>zum</strong><br />
Erstellen des<br />
Inhaltsverzeichnisses<br />
Ausgangsmodul angelangt sind. Für diesen Fall wird in dem ersten angehängten<br />
Map-Icon start Modul das aktuelle Lernprogramm gestartet.
110<br />
A.1.3 Hauptmenü<br />
Kapitel A. Implementierung des RSK<br />
Das Hauptmenü (Abschnitt 4.2.7) ist innerhalb des gleichnamigen Map-Icons am<br />
Framework-Icon Lesson (Bild A.1) implementiert. Bild A.6 zeigt den Inhalt dieses<br />
Map-Icons.<br />
Bild A.6 Inhalt des Icons Hauptmenü<br />
Zunächst wird in einem Display-Icon der Hintergrund dargestellt. Anschließend<br />
werden die linke und die rechte Liste des Inhaltsverzeichnis angezeigt. Die beiden<br />
Icons left Listbox und right Listbox installieren jeweils eine Instanz das<br />
ActiveX-Controls TCListbox.ocx. Schließlich wird in dem vierten Icon der Inhalt<br />
der Dateien syslist.mod und syslist.inh ausgelesen und jeweils in der linken<br />
und rechten Liste präsentiert.<br />
Das Interaction-Icon Inhaltsangabe enthält jeweils einen Anhang für jede<br />
mögliche Hauptmenü-Interaktion. Zum Beispiel kontrolliert das erste Calculation-Icon<br />
left Clicked ein Klick in die linke Liste. In diesem Calculation-Icon wird dann<br />
Code A.7 ausgeführt.<br />
if rmLeftListboxShowsModules = 1 then<br />
-- links die Module und rechts die Abschnitte<br />
-- determine the index, index starts at 0, so add one to the index<br />
rmModulNr := CallSprite(@"left Listbox"; #ItemIndex) + 1<br />
rmChapterNr := 1<br />
-- clear right Listbox<br />
CallSprite(@"right Listbox";#ClearAll)<br />
-- read in all chapter names out of the file "syslist.inh"<br />
-- according to the module name modulList[ modulNr ]<br />
rmChapterList := []<br />
rmHelfer := ReadExtFile( FileLocation ^ "syslist.inh" )<br />
rmCounter := 1
A.1 RSK-Programm-Code 111<br />
repeat while rmCounter
112<br />
end repeat<br />
exit repeat<br />
end if<br />
rmCounter := rmCounter + 1<br />
end repeat<br />
-- set the focus in the right Listbox<br />
CallSprite(@"right Listbox";#setfocusat; 0)<br />
end if<br />
end if<br />
Code A.7 Code nach einem Klick in die linke Inhaltsliste<br />
Kapitel A. Implementierung des RSK<br />
Während ein Sprung zu einer Seite innerhalb des Moduls direkt ausgeführt wird,<br />
führt ein Sprung zu einer Seite in einem anderen Modul über das letzte Calculation-<br />
Icon JumpOutModule. Von hier wird ein Modulaufruf mit Aufrufparametern, wie es<br />
in Abschnitt 5.2.6 beschrieben wurde, ausgeführt.<br />
A.1.4 Abschnitte<br />
Durch Vervielfältigen eines der Abschnitts-Map-Icons am Framework-Icon Lesson<br />
(Bild A.1) werden zusätzliche Abschnitte bei Bedarf erzeugt. Bild A.8 zeigt den Inhalt<br />
solch eines Abschnitts-Map-Icons.<br />
Bild A.8 Inhalt des Abschnitts-Map-Icons<br />
Hier ist lediglich ein Framework-Icon mit weiteren angehängten Map-Icons<br />
enthalten. Jedes dieser Map-Icons enthält jeweils den Aufbau einer Seite im Abschnitt.<br />
Um weitere Seiten in diesen Abschnitt einzufügen, wird eines der Map-Icons kopiert<br />
und irgendwo an das Framework-Icon angehängt. Die Namen dieser Map-Icons<br />
repräsentieren die Seitennamen, die in dem Inhaltsverzeichnis und in der<br />
Navigationsleiste erscheinen.<br />
Das Erzeugen von neuen Abschnitten und Seiten durch Vervielfältigen ist ratsam,<br />
da an diesen Icons Calculations zur Steuerung hängen (angezeigt durch das<br />
Gleichheitszeichen oben links z.B. am Map-Icon in Bild A.8). Indem man eines dieser<br />
Icons kopiert, erspart man sich die recht aufwändige erneute Platzierung dieser<br />
Calculations.
A.2 History-Applikation 113<br />
Das Framework-Icon eines Abschnitts enthält die Funktionen der jeweiligen<br />
Navigationsleiste. Öffnet man dieses Framework-Icon per Doppelklick, kommt der<br />
Inhalt aus Bild A.9 <strong>zum</strong> Vorschein.<br />
Bild A.9 Inhalt des Framework-Icons 1 Abschnitt<br />
mit den Funktionen der Navigationsleiste<br />
Immer wenn ein Abschnitt betreten wird, wird dieser Teil der RSK-Flusslinie<br />
einmal durchlaufen. Dabei wird zunächst der so genannte Watchdog (Timer)<br />
initialisiert. Anschließend wird der Hintergrund für den Abschnitt, für das Textfenster<br />
und für die Navigationsleiste angezeigt. Im fünften Icon werden lokale Variablen<br />
deklariert. Schließlich folgt das Interaction-Icon mit den angehängten Icons. Diese<br />
Icons werden parallel ausgeführt (Abschnitt 5.1.2). Zum Beispiel wird das erste Icon<br />
an diesem Interaction-Icon immer dann ausgeführt, wenn der Timer des Watchdogs<br />
anschlägt und die Datei rmGotoPageFile im Austauschverzeichnis (Abschnitt 5.2.8)<br />
existiert. Genau dann wird ein Sprung zu einer Seite ausgeführt.<br />
Die übrigen Icons werden dann ausgeführt, wenn in der Navigationsleiste eine der<br />
Tasten betätigt wird (vgl. Abschnitte 5.2.2 und 5.2.3).<br />
A.2 History-Applikation<br />
Die History-Applikation ist ein eigenständiges<br />
Authorware-Programm. Sie wird über ein Modul<br />
mit Aufrufparametern gestartet. Fehlen die<br />
Aufrufparameter, so beendet sich die History-<br />
Applikation selbst und nichts passiert.<br />
Im wesentlichen besteht die History-<br />
Applikation aus einer Liste, Bild A.10 zeigt die<br />
Authorware-Implementierung dazu. Nach dem<br />
Anstarten werden zunächst die Aufrufargumente<br />
ausgewertet. Im zweiten Icon wird die History-<br />
Bild A.10 History-Applikation
114<br />
Kapitel A. Implementierung des RSK<br />
Liste aus der Datei historyFile ausgelesen. Nach weiteren Initialisierungen wird im<br />
fünften Icon eine Instanz des ActivX-Controls TCListbox.ocx erzeugt und in dem<br />
nächsten Icon mit der History-Liste gefüllt. Am Interaction-Icon sind die Funktionen<br />
der History-Applikation implementiert. Mit der Taste Gehe zu, wird die in der Liste<br />
markierte Seite angesprungen. Wahlweise kann die Seite in der Liste per Doppelklick<br />
gewählt werden, in diesem Fall wird das dritte Icon am Interaction-Icon ausgeführt.<br />
Schließen beendet die History-Applikation. Das vierte Icon status wird<br />
regelmäßig durchlaufen und ermittelt, ob eine neue Seite betreten worden ist. Der<br />
Seitentitel wird dann in die History-Liste aufgenommen.<br />
Das Zusammenspiel zwischen Modul und History-Applikation erfolgt über<br />
Dateien im Austauschverzeichnis (Abschnitt 5.2.8).<br />
A.3 Lesezeichen-Applikation<br />
Die Lesezeichen-Applikation ist wie die History-Applikation ein eigenständiges<br />
Authorware-Programm. Auch sie wird über ein Modul mit Aufrufparametern gestartet.<br />
Fehlen die Aufrufparameter, so beendet sie sich selbst und nichts passiert.<br />
Die Lesezeichen-Applikation besteht<br />
ebenfalls im wesentlichen aus einer Liste und<br />
ist sehr ähnlich wie die History-Applikation<br />
aufgebaut.<br />
Nach dem Anstarten werden zunächst<br />
die Aufrufargumente ausgewertet<br />
(Bild A.11). Im zweiten Icon wird die<br />
Lesezeichen-Liste aus der<br />
benutzerspezifischen Lesezeichen-Datei<br />
ausgelesen. Nach weiteren Initialisierungen<br />
wird im fünften Icon eine Instanz des<br />
ActivX-Controls TCListbox.ocx erzeugt<br />
und in dem nächsten Icon mit der<br />
Lesezeichen-Liste gefüllt. Am Interaction- Bild A.11 Lesezeichen-Applikation<br />
Icon sind die Funktionen der Lesezeichen-<br />
Applikation implementiert.<br />
A.4 Copyright-Mechanismen<br />
Der Source-Code des RSK ist im wesentlichen in allen Teilen offen zugänglich und<br />
kann beliebig für eigene Bedürfnisse angepasst werden. Leider wird die Umgehung<br />
des Copyrights damit erleichtert.
A.4 Copyright-Mechanismen 115<br />
Macromedia führte mit Authorware 5 so genannte KOs (Knowledge Objects) ein.<br />
Ein KO besteht aus einem Stück Authorware-Code, das in einem Map-Icon verpackt<br />
ist und wahlweise auch abgeschlossen werden kann. Abgeschlossen heisst, dass das<br />
Innere eines KOs nach dem Packen (entspricht dem Compilieren) nicht zugänglich ist.<br />
Wird ein Doppelklick <strong>zum</strong> Öffnen des KOs ausgeführt, so kann z.B. eine Exe-Datei<br />
gestartet werden, die einen Copyright-Hinweis zeigt.<br />
Diesen Mechanismus haben wir uns zu Nutze gemacht und zwei wesentliche<br />
Teile im RSK abgeschlossen. Diese sind einmal die Initialisierung und einmal das<br />
Login, beide KO-Icons sind in Bild A.1 zusehen. Ein Doppelklick <strong>zum</strong> Öffnen auf<br />
eines dieser KO-Icons präsentiert unseren Copyright-Hinweis aus Bild A.12. Ein Klick<br />
auf die URL unter dem E.I.S.-Logo öffnet ein Browser-Fenster mit der E.I.S.-<br />
Homepage.<br />
Bild A.12 Copyright-Hinweis beim Versuch, ein KO-Icon zu öffnen<br />
Dies ist natürlich kein 100%iger Copyright-Schutz, jedoch ein dezenter Hinweis. Als<br />
zusätzlicher Schutz werden die Sourcen der History- und Lesezeichen-Applikation im<br />
RSK nicht mit ausgeliefert
116<br />
Kapitel A. Implementierung des RSK
B Feldtest zur Evaluierung<br />
Dieses Kapitel beschreibt detailliert die Unterlagen, Antworten und Auswertungen<br />
<strong>zum</strong> Feldtest aus Abschnitt 6.3. Er wurde zur Evaluierung von CBTs durchgeführt, die<br />
unter LCLT-Bedingungen produziert werden. Die Beschreibung <strong>zum</strong> Testaufbau, zur<br />
Durchführung, eine Prognose <strong>zum</strong> Ergebnis und das interpretierte Ergebnis gaben wir<br />
bereits in Abschnitt 6.3.<br />
In Abschnitt B.1 werden zunächst alle ausgeteilten Unterlagen kurz vorgestellt<br />
und sind abgebildet. Im Abschnitt B.2 folgen die zusammengefassten Ergebnisse der<br />
Testklausur und schließlich in Abschnitt B.3 die Auswertung der Fragebögen.<br />
B.1 Ausgeteilte Unterlagen<br />
Feldtest zur Evaluierung<br />
Zu Beginn des Feldtests wurde den Studenten mit dem Informationsbogen (B.1.1) der<br />
Ablauf, die Zeiten und vor allem zu Beachtendes mitgeteilt. Auf dem<br />
Zeiterfassungsbogen (B.1.2) sollten die Teilnehmer ihre Lernzeiten notieren. Dabei<br />
wurde jede besuchte Vorlesung in der Auswertung mit 1,5h angerechnet.<br />
Jedem Teilnehmer der drei Klassen (A, B und C) wurde jeweils einer der<br />
Fragebögen B.1.3, B.1.4 und B.1.5 ausgegeben. Das gelernte Wissen wurde schließlich<br />
mit der Testklausur B.1.6 geprüft.
118<br />
B.1.1 Informationsbogen<br />
Technische Universität Braunschweig<br />
Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter<br />
Schaltungen (E.I.S.)<br />
Prof. Dr. Ulrich Golze<br />
Tamer Çatalkaya<br />
Vorlesung Einführung in den VLSI-<strong>Entwurf</strong><br />
Multimediales Lernprogramm zur Logiksynthese<br />
Unsere Forschung beschäftigt sich auch mit <strong>multimediale</strong>n<br />
<strong>Lernprogramme</strong>n (CBTs) als Ergänzung, eventuell auch als<br />
Alternative zur klassischen Hörsaal-Vorlesung mit einem<br />
Papierskript. Speziell <strong>zum</strong> Kapitel E Logiksynthese der<br />
Vorlesung Einführung in den VLSI-<strong>Entwurf</strong> haben wir das<br />
CBT LogiSyn entwickelt, dessen Effizienz wir „an Ihnen“<br />
ausprobieren möchten. Wir möchten Sie also herzlich bitten,<br />
uns als Versuchskaninchen zwei Wochen lang tatkräftig zu<br />
unterstützen. Nebenbei lernen Sie diesen wichtigen Stoff so<br />
garantiert besser als andere Kapitel.<br />
Dazu werden Sie jeweils mit Ihrer ganzen Übungsgruppe<br />
zufällig in eine der folgenden drei Klassen eingeteilt:<br />
A Sie erhalten Skript und CBT und nehmen an der Vorlesung<br />
teil.<br />
B Sie erhalten nur das Skript und nehmen an der Vorlesung<br />
teil.<br />
C Sie erhalten nur das CBT und nehmen nicht an der Vorlesung<br />
teil.<br />
Der Zeitplan sieht für die Vorlesungen jeweils 15-16.30 Uhr<br />
so aus:<br />
Di 27.11. Rest Kapitel D (für alle)<br />
Erläuterungen <strong>zum</strong> Experiment (für alle)<br />
Vorlesung Logiksynthese I<br />
(Pflicht für Klassen A und B,<br />
Verbot für Klasse C)<br />
Do 29.11. Vorlesung Logiksynthese II<br />
(nur Klassen A und B)<br />
Di 04.12. Vorlesung Logiksynthese III<br />
(nur Klassen A und B)<br />
Do 06.12. Vorlesung für alle<br />
(notfalls vorher Rest Logiksynthese IV für A und B)<br />
Di 11.12. Einsammeln der Fragebögen und Formulare;<br />
kleine anonyme Klausur (Pflicht für alle);<br />
Präsentation von Forschungsschwerpunkten und<br />
Praktika im SS 02<br />
Außerdem beginnen alle ab 03.12. mit den Rechnerübungen<br />
zur Logiksynthese; hierfür müssen Sie das praktische<br />
Skriptkapitel I Logiksynthese mit Synopsys vorbereiten.<br />
Praktischer Ablauf:<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
D Mit dieser Einführung erhalten Sie neben dem Skript bzw.<br />
CBT auch einen Bogen zur Zeiterfassung und passend zu<br />
Ihrer Klasse ein paar Hinweise und Fragen. Ihre<br />
persönliche Nr. (A1, A2, …, C1, C2, …) ist anonym und<br />
dient dazu, Ihren Fragebogen und Ihre Klausur<br />
zusammenzuführen.<br />
D Bitte tauschen Sie Ihr Lernmaterial bis zur Klausur nicht<br />
untereinander aus. Danach erhalten Sie selbstverständlich<br />
auch das jeweils fehlende Material.<br />
D Wie lange sollen Sie arbeiten? Grundsätzlich sollen Sie so<br />
lange arbeiten, bis Sie sich im Sinne einer Diplomprüfung<br />
für diesen Stoff „prüfungsreif“ fühlen. Es wäre schade,<br />
wenn Sie sich für die Klausur nicht oder zu wenig<br />
vorbereiten, weil wir dann keine sinnvollen Ergebnisse<br />
erhalten. Sollte dieser Fall aber eintreten, vermerken Sie<br />
ihn bitte ehrlich (anonym!).<br />
D Wie sollen Sie arbeiten? Finden Sie Ihren eigenen<br />
Arbeitsstil (alles auf einmal, kontinuierlich, …) und<br />
vermerken Sie ihn kurz auf dem Fragebogen. Für die<br />
meisten dürften eigene Notizen hilfreich sein, auch beim<br />
Arbeiten mit dem CBT LogiSyn.<br />
D Fragebogen: Studieren Sie Ihren Fragebogen gleich mal<br />
zu Anfang. Beantworten Sie die Fragen während Ihrer<br />
Arbeit oder bis spätestens zur Klausur, wo der Bogen<br />
eingesammelt wird. Nennen Sie auch scheinbar<br />
nebensächliche Details. Bitte seien Sie nicht nett und<br />
höflich, sondern versuchen Sie, uns möglichst objektives<br />
Feedback zu geben.<br />
D Zeiterfassung: es ist für unsere Auswertung besonders<br />
wichtig, dass Sie Ihre Arbeitszeiten genau und ehrlich<br />
erfassen – keine Sorge, es bleibt anonym! Auch sollten<br />
Sie während dieser Zeit nicht abgelenkt sein (oder<br />
„träumen“).<br />
D Klausur: Diese ist kurz. Anhand Ihrer persönlichen<br />
(anonymen) Nummer erfahren Sie später auch Ihr<br />
Ergebnis.<br />
D Für den Evaluierungszeitraum stehe ich Ihnen gern für<br />
Fragen zur Verfügung:<br />
Tamer Çatalkaya<br />
Informatikzentrum, Raum 318<br />
Tel. 0 531 / 391 – 2386<br />
Email: catalkay@eis.cs.tu-bs.de<br />
Schon jetzt danken wir Ihnen ganz herzlich für Ihre Mitarbeit!
B.1 Ausgeteilte Unterlagen 119<br />
B.1.2 Zeiterfassungsbogen<br />
Persönliche Nummer (z.B. B8):_______<br />
Lernzeiten zur Logiksynthese<br />
Notieren Sie vor Lernbeginn Datum und Anfangszeit, am Ende die Schlusszeit. Kreuzen Sie die<br />
Methode an mit der Sie gearbeitet haben.<br />
Lernzeit Methode<br />
Datum Anfangszeit Schlusszeit Vorlesung Skript CBT
120<br />
B.1.3 Fragebogen Klasse A<br />
Technische Universität Braunschweig<br />
Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter<br />
Schaltungen (E.I.S.)<br />
Hinweise<br />
Prof. Dr. Ulrich Golze<br />
Tamer Çatalkaya<br />
Fragebogen zur Evaluierung der Logiksynthese:<br />
Klasse A<br />
An der Vorlesung müssen Sie teilnehmen. Dort wird<br />
das Skript besprochen. Wir überlassen es Ihnen, ob<br />
Sie den Stoff anschließend erst mit dem Skript oder<br />
erst mit dem CBT vertiefen.<br />
Da Sie als einzige Klasse beide Methoden anwenden,<br />
ist uns Ihr Vergleich besonders wichtig.<br />
Uns interessiert, ob Sie das CBT oder das Skript mit<br />
Vorlesung nützlicher finden. Notieren Sie bitte<br />
Abschnitte oder Themen, die Sie besonders gut mit<br />
CBT oder mit Skript und Vorlesung verstanden haben.<br />
Die folgenden Fragen beziehen sich auf das CBT<br />
LogiSyn und das Skript Kapitel E mit Vorlesung dazu.<br />
Falls der Platz für Ihre Antwort auf diesem Bogen<br />
nicht reicht, notieren Sie ihre Antwort auf einem extra<br />
Blatt. Vergessen Sie nicht die Nummer der Frage und<br />
Ihre persönliche Nummer ebenfalls dort zu notieren.<br />
Übrigens, die Nummerierung der Fragen ist nicht<br />
fortlaufend.<br />
Dieser Fragebogen wird am 11.12. eingesammelt.<br />
Fragen<br />
F1: Lief das CBT LogiSyn auf Ihrem System technisch<br />
befriedigend, oder hatten Sie Probleme? Welche<br />
Probleme?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F2: Haben Sie eher kontinuierlich oder mehr einmalig<br />
gelernt?<br />
❑ kontinuierlich<br />
❑ einmalig<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
Abteilung E.I.S.<br />
V L S I<br />
F3: Waren Sie bei allen Vorlesungen zur<br />
Logiksynthese anwesend?<br />
❑ Ja<br />
...... mal gefehlt<br />
F4: Haben Sie sich mit dem Skript befasst?<br />
❑ etwas<br />
❑ mittel<br />
❑ gründlich<br />
F5: Haben Sie sich mit dem CBT befasst?<br />
❑ etwas<br />
❑ mittel<br />
❑ gründlich<br />
F6: Wo lag Ihr Lernschwerpunkt?<br />
❑ CBT<br />
❑ Skript mit Vorlesung<br />
❑ auf beidem etwa gleich<br />
F7: Womit haben Sie zuerst gearbeitet?<br />
❑ CBT<br />
❑ Skript<br />
❑ gemischt<br />
F8: Mit welcher Methode haben Sie lieber gelernt?<br />
❑ CBT<br />
❑ Skript mit Vorlesung<br />
❑ mit beiden gleich gern<br />
F9: Wie schwierig war das CBT?<br />
❑ zu leicht<br />
❑ ok<br />
❑ zu schwer<br />
F10: Wie schwierig waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ zu leicht<br />
❑ ok<br />
❑ zu schwer<br />
F11: Wie präzise war das CBT?<br />
❑ zu unscharf/verbal<br />
❑ ok<br />
❑ zu formal
B.1 Ausgeteilte Unterlagen 121<br />
F12: Wie präzise waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ zu unscharf/verbal<br />
❑ ok<br />
❑ zu formal<br />
F13: Wie ausführlich war das CBT?<br />
❑ zu ausführlich<br />
❑ ok<br />
❑ zu knapp<br />
F14: Wie ausführlich waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ zu ausführlich<br />
❑ ok<br />
❑ zu knapp<br />
F15: Wie interessant war das CBT?<br />
❑ eher langweilig<br />
❑ ok<br />
❑ interessant<br />
F16: Wie interessant waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ eher langweilig<br />
❑ ok<br />
❑ interessant<br />
F17: Wie motivierend war das CBT?<br />
❑ eher weniger<br />
❑ ok<br />
❑ sehr motivierend<br />
F18: Wie motivierend waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ eher weniger<br />
❑ ok<br />
❑ sehr motivierend<br />
F19: Was fehlt in dem CBT LogiSyn, was haben Sie<br />
vermisst?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F20: Was fehlt in dem Skript, was haben Sie<br />
vermisst?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F21: Was war im CBT schwierig, zweideutig,<br />
unverständlich oder falsch?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F22: Was war im Skript schwierig, zweideutig,<br />
unverständlich oder falsch?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F23: Was empfehlen Sie Ihren Nachfolgern?<br />
❑ nur Skript mit Vorlesung<br />
❑ nur CBT<br />
❑ beides<br />
F28: Irgendwelche Kommentare zu Skript mit<br />
Vorlesung?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F29: Irgendwelche Kommentare <strong>zum</strong> CBT?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................
122<br />
B.1.4 Fragebogen Klasse B<br />
Technische Universität Braunschweig<br />
Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter<br />
Schaltungen (E.I.S.)<br />
Hinweise<br />
Prof. Dr. Ulrich Golze<br />
Tamer Çatalkaya<br />
Fragebogen zur Evaluierung der Logiksynthese:<br />
Klasse B<br />
An der Vorlesung müssen Sie teilnehmen. Dort wird<br />
das Skript besprochen. Anschließend sollen Sie den<br />
Stoff mit dem Skript vertiefen.<br />
Uns interessiert, welche Teile der Vorlesung oder des<br />
Skriptes Sie unverständlich, schwierig oder gut<br />
fanden.<br />
Die folgenden Fragen beziehen sich auf das Skript<br />
Kapitel E mit Vorlesung dazu.<br />
Falls der Platz für Ihre Antwort auf diesem Bogen<br />
nicht reicht, notieren Sie ihre Antwort auf einem extra<br />
Blatt. Vergessen Sie nicht die Nummer der Frage und<br />
Ihre persönliche Nummer ebenfalls dort zu notieren.<br />
Übrigens, die Nummerierung der Fragen ist nicht<br />
fortlaufen.<br />
Dieser Fragebogen wird am 11.12. eingesammelt.<br />
Fragen<br />
F2: Haben Sie eher kontinuierlich oder mehr einmalig<br />
gelernt?<br />
❑ kontinuierlich<br />
❑ einmalig<br />
F3: Waren Sie bei allen Vorlesungen zur<br />
Logiksynthese anwesend?<br />
❑ Ja<br />
...... mal gefehlt<br />
F4: Haben Sie sich mit dem Skript befasst?<br />
❑ etwas<br />
❑ mittel<br />
❑ gründlich<br />
F10: Wie schwierig waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ zu leicht<br />
❑ ok<br />
❑ zu schwer<br />
F12: Wie präzise waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ zu unscharf/verbal<br />
❑ ok<br />
❑ zu formal<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
Abteilung E.I.S.<br />
V L S I<br />
F14: Wie ausführlich waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ zu ausführlich<br />
❑ ok<br />
❑ zu knapp<br />
F16: Wie interessant waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ eher langweilig<br />
❑ ok<br />
❑ interessant<br />
F18: Wie motivierend waren Skript mit Vorlesung?<br />
❑ eher weniger<br />
❑ ok<br />
❑ sehr motivierend<br />
F20: Was fehlt in dem Skript, was haben Sie<br />
vermisst?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F22: Was war im Skript schwierig, zweideutig,<br />
unverständlich oder falsch?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F28: Irgendwelche Kommentare zu Skript mit<br />
Vorlesung?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................
B.1 Ausgeteilte Unterlagen 123<br />
B.1.5 Fragebogen Klasse C<br />
Technische Universität Braunschweig<br />
Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter<br />
Schaltungen (E.I.S.)<br />
Hinweise<br />
Prof. Dr. Ulrich Golze<br />
Tamer Çatalkaya<br />
Fragebogen zur Evaluierung der Logiksynthese:<br />
Klasse C<br />
Sie brauchen (und dürfen) nicht zur Vorlesung<br />
kommen. Das CBT LogiSyn kann als Ersatz für die<br />
Vorlesung dienen. In der Klausur kommt auch nur<br />
dieser Stoff dran.<br />
Verschaffen Sie sich zunächst einen Überblick und<br />
vertiefen Sie dann nach ihren Vorstellungen. Machen<br />
Sie Notizen.<br />
Uns interessiert, welche Teile von LogiSyn Sie<br />
unverständlich, schwierig oder gut fanden.<br />
Falls der Platz für Ihre Antwort auf diesem Bogen<br />
nicht reicht, notieren Sie ihre Antwort auf einem extra<br />
Blatt. Vergessen Sie nicht die Nummer der Frage und<br />
Ihre persönliche Nummer ebenfalls dort zu notieren.<br />
Übrigens, die Nummerierung der Fragen ist nicht<br />
fortlaufen.<br />
Dieser Fragebogen wird am 11.12. eingesammelt.<br />
Fragen<br />
F1: Lief das CBT LogiSyn auf Ihrem System technisch<br />
befriedigend, oder hatten Sie Probleme? Welche<br />
Probleme?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F2: Haben Sie eher kontinuierlich oder mehr einmalig<br />
gelernt?<br />
❑ kontinuierlich<br />
❑ einmalig<br />
F5: Haben Sie sich mit dem CBT befasst?<br />
❑ etwas<br />
❑ mittel<br />
❑ gründlich<br />
F9: Wie schwierig war das CBT?<br />
❑ zu leicht<br />
❑ ok<br />
❑ zu schwer<br />
F11: Wie präzise war das CBT?<br />
❑ zu unscharf/verbal<br />
❑ ok<br />
❑ zu formal<br />
F13: Wie ausführlich war das CBT?<br />
❑ zu ausführlich<br />
❑ ok<br />
❑ zu knapp<br />
F15: Wie interessant war das CBT?<br />
❑ eher langweilig<br />
❑ ok<br />
❑ interessant<br />
F17: Wie motivierend war das CBT?<br />
❑ eher weniger<br />
❑ ok<br />
❑ sehr motivierend<br />
Abteilung E.I.S.<br />
V L S I<br />
F19: Was fehlt in dem CBT LogiSyn, was haben Sie<br />
vermisst?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F21: Was war im CBT schwierig, zweideutig,<br />
unverständlich oder falsch?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................
124<br />
F24: Welchen Teil haben Sie in LogiSyn besonders<br />
schnell gelernt?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
F25: War es ungewohnt, nur ein Lernprogramm zu<br />
haben?<br />
❑ Ja<br />
❑ Nein<br />
❑ etwas<br />
F26: Haben Sie das Arbeiten mit dem Skript vermisst?<br />
❑ Ja<br />
❑ Nein<br />
❑ etwas<br />
F27: Konnte das Lernprogramm für Sie grundsätzlich<br />
eine Vorlesung mit Skript ersetzen?<br />
❑ Ja<br />
❑ Nein<br />
❑ etwas<br />
F29: Irgendwelche Kommentare <strong>zum</strong> CBT?<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
.....................................................................................<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung
B.1 Ausgeteilte Unterlagen 125<br />
B.1.6 Testklausur<br />
Technische Universität Braunschweig<br />
Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter<br />
Schaltungen (E.I.S.)<br />
Prof. Dr. Ulrich Golze<br />
Tamer Çatalkaya<br />
Klausur zur Logiksynthese<br />
Persönliche Nr._____________<br />
Abteilung E.I.S.<br />
V L S I<br />
Anleitung:<br />
1. Tragen Sie zunächst Ihre persönliche Nr. ein.<br />
2. Die Klausur besteht aus 13 Aufgaben.<br />
3. Die meisten Aufgaben sind Multiple-Choice. Es kann mehrere richtige Alternativen geben, die<br />
Sie alle finden sollen.<br />
4. Sie haben 25 Minuten Zeit.<br />
5. Insgesamt können Sie 28 Punkte erreichen.<br />
Aufgabe 1 (2 Punkte): Welche der folgenden VERILOG-Register sind potenzielle Register?<br />
module regs(C,D,A,B);<br />
input A,B;<br />
output C,D;<br />
reg C,D;<br />
always @(A or B) begin<br />
C=A+B;<br />
D=C+1;<br />
end<br />
endmodule<br />
Antwort: Potenzielle Register sind<br />
❑ A<br />
❑ B<br />
❑ C<br />
❑ D<br />
Aufgabe 2 (2 Punkte): Welche der folgenden VERILOG-Register sind vollständig?<br />
module voll(OUT1,OUT2,OUT3,IN1,IN2,IN3);<br />
input IN1,IN2,IN3;<br />
output OUT1,OUT2,OUT3;<br />
reg TMP,OUT1,OUT2,OUT3;<br />
always @(IN1 or IN2 or IN3) begin<br />
TMP=~(IN1 | IN2);<br />
OUT3=(IN1 | IN2);<br />
if (TMP==1) begin<br />
OUT1=TMP & IN3;<br />
OUT2=IN2 & IN3;<br />
end<br />
else begin<br />
OUT3=TMP & IN1;<br />
OUT2=IN2 & IN1;<br />
end<br />
end<br />
endmodule<br />
Antwort: Vollständig sind:<br />
❑ TMP<br />
❑ OUT1<br />
❑ OUT2<br />
❑ OUT3
126<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
Aufgabe 3 (2 Punkte): Welche der folgenden VERILOG-Register sind lokal und welche nur räumlich lokal?<br />
module loc(OUT1,OUT2,CLK,IN1,IN2);<br />
input CLK,IN1,IN2;<br />
output OUT1,OUT2;<br />
reg OUT1,OUT2,TMP1,TMP2;<br />
always @(posedge CLK) begin<br />
TMP2=IN1 & IN2;<br />
OUT1
B.1 Ausgeteilte Unterlagen 127<br />
Aufgabe 6 (2 Punkte): Nennen Sie zwei Vorteile der automatischen Logiksynthese gegenüber der manuellen.<br />
Antwort:<br />
1:________________________ 2:________________________<br />
Aufgabe 7 (2 Punkte): Nennen Sie zwei nicht synthetisierbare oder in der Synthese ignorierte VERILOG-<br />
Befehle.<br />
Antwort:<br />
1:________________________ 2:________________________<br />
Aufgabe 8 (1 Punkt): Bekanntlich werden #-Anweisungen eines RTL-Modells bei der Synthese ignoriert. Was<br />
gilt für das synthetisierte Gattermodell?<br />
❑ Im Gattermodell lässt sich kein Zeitverhalten mehr simulieren.<br />
❑ Das Gattermodell hat nur dann ein Zeitverhalten, wenn #-Anweisungen nachträglich manuell<br />
eingefügt werden.<br />
❑ RTL-Modell und Gattermodell haben in der Simulation unterschiedliches zeitliches Verhalten.<br />
❑ Durch die Technologie-Bibliothek erhält das Gattermodell normalerweise ein zeitliches Verhalten.<br />
Aufgabe 9 (4 Punkte): Wodurch unterscheiden sich (a) das Prä-Synthese-, (b) das Post-Synthese- und (c)<br />
das Post-Layout-Modell? Kreuzen Sie alle zutreffenden Felder an.<br />
Modell<br />
(a) (b) (c)<br />
Das Zeitverhalten des Prä-Synthese-Modells (a) wird berücksichtigt im... ❑ ❑ ❑<br />
Die Gatterlaufzeiten der Technologie-Bibliothek werden berücksichtigt im... ❑ ❑ ❑<br />
Die Laufzeiten der Leitungen werden berücksichtigt im... ❑ ❑ ❑<br />
Die Taktgrenzen des Prä-Synthese-Modells (a) werden berücksichtigt im... ❑ ❑ ❑<br />
Aufgabe 10 (1 Punkt): Wie wird eine assign-Anweisung synthetisiert?<br />
❑ Immer durch kombinatorische Logik.<br />
❑ In Abhängigkeit von der Lokalität als Register oder kombinatorische Logik.<br />
❑ Immer durch Register.<br />
❑ Durch eine Mischung aus Register und kombinatorischer Logik.
128<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
Aufgabe 11 (3 Punkte): Zeichnen Sie die einzelnen Schritte und Vorgaben der Logiksynthese vom RTL- <strong>zum</strong><br />
Gattermodell.<br />
Aufgabe 12 (2 Punkte): Optimieren Sie das linke VERILOG-Modell rechts so, dass es in der<br />
Zwischendarstellung der Logiksynthese einen möglichst kurzen kritischen Pfad hat.<br />
module count(OUT,IN);<br />
input [7:0] IN;<br />
output [3:0] OUT;<br />
reg [3:0] OUT;<br />
integer I;<br />
Design-Compiler<br />
always @(IN) begin<br />
OUT=0;<br />
for (I=0; I
B.1 Ausgeteilte Unterlagen 129<br />
Aufgabe 13 (2 Punkte): Ergänzen Sie im folgenden RTL-Modell eines zu synthetisierenden<br />
Zustandsautomaten die Zuweisungen und die Aktivierungslisten der always-Blöcke.<br />
module state_machine (CLOCK, RESET, INPUT, STATE);<br />
input CLOCK, RESET, INPUT;<br />
output [6:0] STATE;<br />
reg [6:0] STATE;<br />
reg [6:0] DELTA;<br />
always @(___________________________________________________) begin<br />
end<br />
DELTA = STATE;<br />
if (INPUT == 1) DELTA STATE+1;<br />
if (DELTA > 100) DELTA 100;<br />
always @(___________________________________________________)<br />
if (RESET == 1) STATE 0;<br />
else STATE DELTA;<br />
endmodule
130<br />
B.2 Ergebnisse der Testklausur<br />
An der Vorlesung beteiligten sich<br />
insgesamt 57 Studenten. Auf Grund der<br />
freiwilligen Teilnahme am Feldtest<br />
entschieden sich einige, die Testklausur<br />
nicht mitzuschreiben. Andere wiederum<br />
gaben den Fragebogen nicht ab.<br />
Dadurch konnten nicht alle Antworten<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
berücksichtigt werden. Nur Teilnehmer, die die Klausur schrieben und den Fragebogen<br />
zurückgaben, wurden berücksichtigt. Damit wurde ein bereinigtes Ergebnis ermittelt.<br />
Tabelle B.1 gibt die Teilnehmerzahlen im Überblick wieder.<br />
Bild B.2 zeigt das Resultat der Testklausur nach Klassen mit durchschnittlich<br />
erreichter Punktzahl als Diagramm. B hat das beste Ergebnis, gefolgt von A und C.<br />
28,00<br />
24,00<br />
20,00<br />
16,00<br />
12,00<br />
8,00<br />
4,00<br />
0,00<br />
18,29<br />
Bild B.2 Durchschnittliche Punktezahl<br />
Das beste Ergebnis hatte ein Teilnehmer aus<br />
B mit 26,5 Punkten. Das schlechteste Ergebnis<br />
kommt aus A mit 9 Punkten. Tabelle B.3 zeigt die<br />
Punkte der besten und schlechtesten Ergebnisse.<br />
Es ist wohl ein Zufall, dass A und C hier fast<br />
dieselben Werte haben.<br />
Teilnehmer A B C Summe<br />
insgesamt 18 20 19 57<br />
Klausur 17 17 16 50<br />
Fragebogen 16 17 16 49<br />
Ausgewertet 16 17 16 49<br />
Bereinigtes Ergebnis<br />
(durchschnittliche Punktezahl)<br />
18,5<br />
Klassen<br />
Tabelle B.1 Teilnehmerzahlen<br />
Dass B am besten abgeschnitten hat, könnte auch daran liegen, dass dessen<br />
Teilnehmer besonders fleißig gewesen sind. Die Auswertung der Zeiterfassungsbögen<br />
ergibt das Diagramm aus Bild B.4. Demnach war B im Durchschnitt mit 5,84h<br />
Lerndauer am fleißigsten. A war fast genauso fleißig, während C lediglich im<br />
17,21<br />
A B C<br />
max. 24 26,5 24<br />
min. 9 11,5 9,5<br />
Tabelle B.3 Max. und min. Punkte<br />
A<br />
B<br />
C
B.2 Ergebnisse der Testklausur 131<br />
Durchschnitt 2,76h gelernt hat. Das ist weniger als halb so lang wie bei A und B. Bei<br />
dieser Auswertung wurde zwischen den Lernmethoden nicht unterschieden.<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Durchschnittliche Lerndauer in Stunden mit allen Methoden<br />
(Skript, CBT, Vorlesung)<br />
5,82 5,84<br />
Bild B.4 Durchschnittliche Lerndauer<br />
Berechnet man die Effizienz pro Stunde als Quotient zwischen der Punktezahl<br />
geteilt durch die Lerndauer, so erhält man das Diagramm in Bild B.5. Danach scheint<br />
das Lernen mit dem CBT effizienter.<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
Klassen<br />
Bild B.5 Durchschnittliche Effizienz<br />
Mit Bild B.6 schauen wir uns an, welche Klasse in welcher Aufgabe wie<br />
abgeschnitten hat. Zum Beispiel wurde die Antwort auf Aufgabe 5 auf die klassische<br />
Art möglicherweise besser vermittelt. Hier hat B im Durchschnitt besser abgeschnitten<br />
als A und C. Dagegen liegen bei Aufgabe 8 alle Werte sehr dicht beieinander.<br />
2,76<br />
Durchschnittliche Effizienz<br />
(erreichte Punktezahl pro Lernstunde)<br />
3,14 3,17<br />
Klassen<br />
6,24<br />
A<br />
B<br />
C<br />
A<br />
B<br />
C
132<br />
4,00<br />
3,50<br />
3,00<br />
2,50<br />
2,00<br />
1,50<br />
1,00<br />
0,50<br />
0,00<br />
Bild B.6 Durchschnittliche Punktezahl pro Aufgabe<br />
B.3 Auswertung der Fragebögen<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
Im folgenden wird die Auswertung der Ankreuzfragen präsentiert. Dabei wurden<br />
jeweils die Klassen mit entsprechenden Methoden betrachtet. Die Fragen <strong>zum</strong><br />
Ausfüllen folgen im Anschluss.<br />
B.3.1 Ankreuzfragen<br />
Durchschnittliche Punktezahl pro Aufgabe<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13<br />
F2: Haben Sie eher kontinuierlich oder mehr einmalig gelernt?<br />
Während bei A ein Drittel kontinuierlich gelernt hat (31% : 69%), fiel die Quote bei C<br />
auf etwa ein Fünftel (19% : 81%) und bei B unter 6% (5,9% : 94,1%). Insgesamt lag<br />
die Quote bei (18% : 82%).<br />
F3: Waren Sie bei allen Vorlesungen zur Logiksynthese anwesend?<br />
Aus Klasse A nahmen 56% an allen Vorlesungen teil, 44% fehlten einmal oder<br />
zweimal. Bei B lag die Quote bei (59% : 41%).<br />
F4: Haben Sie sich mit dem Skript befasst?<br />
Bei A haben sich 50% etwas mit dem Skript befasst, 38% mittel und lediglich 13%<br />
gründlich. Bei B waren es 59%, die sich etwas mit dem Skript befasst haben, 29%<br />
mittel und 12% gründlich.<br />
A<br />
B<br />
C
B.3 Auswertung der Fragebögen 133<br />
F5: Haben Sie sich mit dem CBT befasst?<br />
Bei A haben sich 44% etwas mit dem CBT befasst, 38% mittel und 19% sogar<br />
gründlich. Bei A haben also mehr mit dem CBT gelernt als mit dem Skript. Bei C<br />
haben sich 13% etwas mit dem CBT befasst, 56% mittel und 31% sogar gründlich.<br />
F6: Wo lag Ihr Lernschwerpunkt?<br />
Bei Klasse A lag der Lernschwerpunkt mit 25% auf dem CBT, 50% auf dem Skript mit<br />
Vorlesung und lediglich 19% auf allem etwa gleich.<br />
F7: Womit haben Sie zuerst gearbeitet?<br />
Bei Klasse A haben 38% zuerst mit dem CBT gelernt, 50% mit dem Skript und<br />
lediglich 12% gemischt.<br />
F8: Mit welcher Methode haben Sie lieber gelernt?<br />
In Klasse A haben 44% mit dem CBT lieber gelernt, 31% auf die klassische Art (Skript<br />
und Vorlesung) und 19% mit beidem gleich gern.<br />
F9: Wie schwierig war das CBT?<br />
Bei Klasse A fanden 19% das CBT zu leicht, 81% OK. Dagegen fanden bei B nur 6%,<br />
dass es zu leicht ist, und 94% OK. Keiner der Befragten fand das CBT zu schwer.<br />
F10: Wie schwierig waren Skript mit Vorlesung?<br />
Die klassische Lehre fanden bei A 6% zu leicht und 94% OK. Bei Klasse B fanden<br />
12% die Lehre zu leicht, 82% OK und 6% sogar zu schwer.<br />
F11: Wie präzise war das CBT?<br />
Bei Klasse A fanden lediglich 6%, dass im CBT zu unscharf/verbal formuliert wurde.<br />
81% dagegen fanden die Formulierungen OK. Bei B fanden sogar 94%, dass die<br />
Formulierungen OK sind, der Rest machte keine Angaben.<br />
F12: Wie präzise waren Skript mit Vorlesung?<br />
88% bei A fanden die Präzision OK, nur 13% zu formal. Bei B fanden 6% die<br />
Formulierungen im Skript zu unscharf/verbal, 82% OK und 12% sogar zu formal.<br />
F13: Wie ausführlich war das CBT?<br />
Bei A fanden 50% das CBT OK, 25% zu knapp. Zu ausführlich hat keiner angekreuzt.<br />
Bei B fanden 81% das CBT OK und nur 13% zu knapp. Auch hier hat keiner zu<br />
ausführlich angekreuzt.
134<br />
F14: Wie ausführlich waren Skript und Vorlesung<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
88% fanden bei A das Skript OK, keiner fand es zu ausführlich und nur 6% zu knapp.<br />
Bei B fanden 76% das Skript OK, 6% zu ausführlich und 12% zu knapp.<br />
F15: Wie interessant war das CBT?<br />
6% bei A fanden das CBT eher langweilig, 25% OK und sogar 56% interessant. Bei C<br />
waren langweilig und OK jeweils mit 25% vertreten und interessant mit 50%.<br />
F16: Wie interessant waren Skript und Vorlesung?<br />
Bei A fanden 19% das Skript mit Vorlesung langweilig, 50% fand es OK und 25%<br />
interessant. Bei B fanden je 6% das Skript langweilig und interessant, 88% OK.<br />
F17: Wie motivierend fanden Sie das CBT?<br />
6% fanden bei A das CBT weniger motivierend, 56% OK und 25% sogar sehr<br />
motivierend. Bei C fanden je 31% das CBT weniger motivierend und damit 38% OK.<br />
F18: Wie motivierend waren Skript und Vorlesung?<br />
25% fanden in Klasse A Skript und Vorlesung weniger motivierend, 63% OK und 13%<br />
sogar sehr motivierend. Bei B votierten 29% mit weniger motivierend, 71% mit OK<br />
und keiner mit sehr motivierend.<br />
F23: Was empfehlen Sie ihren Nachfolgern?<br />
Aus Klasse A würden lediglich 6% nur das Skript mit Vorlesung favorisieren und<br />
keiner nur das CBT, hingegen 94% beides.<br />
B.3.2 Auszufüllende Antworten<br />
F1: Wie lief das CBT LogiSyn auf ihrem System technisch befriedigend,<br />
oder hatten Sie Probleme? Welche Probleme?<br />
- Lief gut<br />
- Keine Probleme<br />
- Lief einwandfrei<br />
- Keine Probleme<br />
- Texte paßten teilweise nicht in<br />
Kästen; teilweise doppelte<br />
Buchstaben in Code-Beispielen<br />
(Bsp.: AA=BB) (bei farbig<br />
markiertem Text)<br />
- Keine Zeit <strong>zum</strong> Probieren<br />
- Es lief einwandfrei.<br />
- Es lief befriedigend.<br />
- Läuft auf einem Athlon 1400MHz<br />
einwandtfrei, schliesst sich nur
B.3 Auswertung der Fragebögen 135<br />
etwas langsam, ist aber nicht<br />
schlimm.<br />
- No Problem<br />
- Lief problemlos<br />
- Lief auf Athlon XP1600+<br />
einwandfrei.<br />
- CD-ROM lesen machte Probleme.<br />
Vielleicht sollte man die CDs<br />
nummerieren und jedem Studenten<br />
eine zuweisen für besseren Umgang<br />
damit.<br />
- Einwandfrei<br />
- Kein Problem<br />
- Lief alles OK<br />
- Keine Probleme<br />
- Stimme ein bisschen leise<br />
- War OK<br />
- Setup speichert nicht. Text <strong>zum</strong><br />
Mitlesen leider nicht bei 800x600.<br />
- Keine Probleme<br />
- Im Abschnitt 1.5 passiert nichts,<br />
wenn man auf RTL-Modell klickt!?<br />
- Es gab keine Probleme. Das CBT<br />
lief einwandfrei auf meinem<br />
Rechner (Celeron 500MHz).<br />
- Alles wunderbar.<br />
- OK<br />
- Keine Probleme<br />
- Keine Probleme<br />
- Keine Probleme<br />
- Die Scrollbars sind nicht komplett<br />
Funktionierend.<br />
- Fenster auf Bildschirm zu zentrieren<br />
führte fast immer <strong>zum</strong><br />
Systemabsturz. WinNT<br />
- Ja.<br />
F19: Was fehlte in dem CBT LogiSyn, was haben Sie vermisst?<br />
- Es kann halt nicht alle Fragen<br />
beantworten. Ich hätte z.B. noch<br />
einiges zur Lokalität gewusst.<br />
- Langzeitmotivation.<br />
- Evtl. eine Art Glossar mit den<br />
wichtigsten Begriffen.<br />
- Man könnte natürlich bei diesem<br />
Punkt und F20 sagen: "alles<br />
ausführlicher", aber das Denken<br />
können auch mehr Bsp. nicht<br />
abnehmen...<br />
- Habe selten damit gearbeitet, aus<br />
Zeitgründen.<br />
- Nicht wichtig, aber<br />
Zeitaufwandsschätzungen für jedes<br />
Kapitel wären schön.<br />
- Ein Bezug auf Synopsys.<br />
- Es könnten ein paar Beispiele mehr<br />
sein. Ausserdem könnte eine neue<br />
Stimme für Abwechslung sorgen.<br />
- Noch mehr Tricks zur Gatter-<br />
Optimierung.<br />
- Suchfunktion? Glossar? Text<br />
mitlesen bei 800x600. Extra Fenster<br />
<strong>zum</strong> selbst ausrichten. Erklärung mit<br />
ESC abbrechen -> schnell blättern<br />
ohne Animation abzuwarten: Falls
136<br />
Animation mit leerer Seite beginnt,<br />
sehe ich beim Blättern jene leere<br />
Seite.<br />
- Komplette Tastatursteuerung;<br />
Funktion <strong>zum</strong> durchgehenden<br />
Ablauf (wie ein Video abspielen,<br />
ohne Interaktionszwang, das nervt).<br />
- Die Nähe zu meinen Kommilitonen.<br />
- Testmöglichkeit wie bei VERILOG.<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
- Die Ansprechperson für offene<br />
Fragen fehlt.<br />
- Der "Zwang" sich damit zu<br />
beschäftigen.<br />
- Fullscreenmode.<br />
F20: Was fehlte in dem Skript, was haben Sie vermisst?<br />
- Ich hab's nicht gelesen.<br />
- ...bei mehrmaligem Lesen bzw.<br />
Anhören wird vieles klar.<br />
- Bsp. besser durchsprechen.<br />
- Keine Angaben, weil kaum genutzt.<br />
CBT hat das Nachlesen im Skript<br />
ersetzt.<br />
- Die alle kleine Bsp. habe ich<br />
vermisst. Die Zusammenfassung<br />
reicht für mich noch nicht.<br />
- Wichtige Begriffe deutlicher<br />
kennzeichnen.<br />
- Es sollten mehr kleine Tests<br />
integriert sein, oder auch größere,<br />
um von berieseln lassen auf, was<br />
hab ich gelernt, umzuschalten.<br />
- Wie ersetze ich notwendige #0-<br />
Anweisungen (Bsp. Bidirektionale<br />
Kommunikation).<br />
- Formale Def. der verwendeten<br />
Automatenmodells (nNAS).<br />
- Alles markiert, was ich für die<br />
Prüfung auswendig können...<br />
- Ich mag es gerne formal.<br />
- Cartoon<br />
- s<br />
F21: Was war im CBT schwierig, zweideutig, unverständlich oder falsch?<br />
- Nichts, was mir aufgefallen wäre.<br />
- Missverständlich in Kap. 4 beim<br />
Quiz werden falsche Antworten des<br />
Benutzers, nicht die falschen<br />
- statt Y und W. 1.5: RTL-Modell<br />
inaktiv (beim Anklicken)<br />
- Alles ok<br />
- falsch: 4.15-1; 4.15; 4.17.3<br />
vorgegebenen rot markiert. Es wäre<br />
gut, vorher darauf hinzuweisen.<br />
- falsch: 4.15.1 Reset und 4.15.2 und<br />
4.17.3: In case-Anweisung kam Y<br />
zweimal als Schreibvariable vor<br />
- Zu 1.5 Synthese-Ablauf mit<br />
Compiler (3. Ebene) fehlt die<br />
Erklärung <strong>zum</strong> Technologie-<br />
Mapping<br />
- 4.15.1/2 Nichtdeterminismus in Y?<br />
Warum (Zeichnung) statt
B.3 Auswertung der Fragebögen 137<br />
..(Zeichung).? Vielleicht in Setup<br />
auswählen welche Notation man<br />
möchte. / 2.4 UDPs / 4.14.3<br />
Ziemlich langer Satz :-)<br />
- 3.3.1: Soll der Knopf wirklich<br />
„ebne“ heißen? Was soll das<br />
bedeuten? / 5.15.1: Button für das<br />
Gattermodell wäre hilfreich! / 4.9.2:<br />
Die Zusammenhänge zwischen PR,<br />
zeitlich - bzw. räumlich lokalen und<br />
vollständigen Reg. wird aus den<br />
Def. nicht deutlich! Vor allem bleibt<br />
unklar wann im Test mehrfache<br />
Antw. richtig sind und warum! Die<br />
richtigen Antworten des Tests<br />
bleiben unverständlich!<br />
- Am schwierigsten im CBT war<br />
Abschnitt 4, aufgrund der vielen<br />
Definitionen. Dieses Kapitel sollte<br />
man mindestens zweimal<br />
durcharbeiten.<br />
- Der Test in Kap. 4 war<br />
unverständlich, was die Antworten<br />
anbelangte. Man wusste nie so<br />
genau was richtig war.<br />
- Bisschen zu ausführlich.<br />
- Einzeilige Kommentare sollen mit //<br />
anfangen oder mit */<br />
- beendet<br />
F22: Was war im Skript schwierig, zweideutig, unverständlich oder falsch?<br />
- Musste kurz wegen Logiksymbolen (XOR...) überlegen<br />
- Bsp. zu schnell.<br />
- Die Erklärung sind teilweise nicht so ausführlich wie bei CBT, z.B. über CL.<br />
- Man sollte schon bei der Modellierung des RTL-Modells auf die bevorstehende<br />
Synthese eingehen, damit man sich gleich bestimmte Design-Techniken angewöhnt.<br />
- Im Text angegebene Bilder bzw. Beispiele öfters zu suchen! (Seiten später!)<br />
- Die zu lernenden Merksätze sind über das gesamte Kapitel verteilt, eine komplette<br />
Zusammenfassung dieser wäre wünschenswert (falls diese nicht vom Studierenden<br />
selbst zu erarbeiten sind).<br />
F28: Irgendwelche Kommentare zu Skript mit Vorlesung?<br />
- Die Kombination aus beidem und ein Interesse an dem Stoff reichen an sich aus,<br />
um alles wichtige zu vermitteln.<br />
- Der Stil von Prof. Golze ist sehr in Ordnung. Es fällt leicht, zu folgen. Aber bischen<br />
mehr auf die Bsp'le eingehen.<br />
- Hilfreich bei Fragen, aber aufwändiger langsamer und anstrengender als CBT.<br />
- Bild aus CBT Abschnitt 4.11.6 hat sehr klar erklärt, das fehlt bei Skript.
138<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
- Mehrere male sind Bilder eines bestimmten Abschnitts in den nächsten gerutscht<br />
(Skript). Der Stoff der VL steht und fällt mit Prof. Golze.<br />
- Hat mir ehrlich gefallen.<br />
- Mit CBT wäre sicher besser gewesen. [Antwort aus B]<br />
- Zu sehr mit Bemerkungen überlasten.<br />
- Sehr gut erklärend.<br />
- An sich gute VL, weiter so.<br />
F29: Irgendwelche Kommentare <strong>zum</strong> CBT?<br />
- 640 x 490 sind eigentlich etwas klein. Mittlerweile sollte man eigentlich davon<br />
ausgehen können, dass jeder wenigstens 800 x 600 anzeigen lassen kann.<br />
Außerdem sind die Scrollleisten der Textfenster etwas zu empfindlich.<br />
- Wie wäre es mit einer Motivation zur regelmäßigen Verwendung?<br />
- Gut, als Ergänzung zur VL geeignet. Es könnte vielleicht mehr Quizfragen geben,<br />
die sich ähneln, aber unterschiedliche korrekte Antworten haben. Beim 2. und 3.<br />
Durchgang habe ich z. B. nur die ersten paar Worte einer Frage lesen müssen, um<br />
zu wissen, was anzuklicken war. Auch eine immer wieder zufällig neu erstellte<br />
Reihenfolge der Antworten wäre sinnvoll, da man sich sonst nur die Positionen der<br />
Antworten merkt, aber nicht die Antworten selbst.<br />
- Sehr gelungen, flexibel zu benutzen, sehr anschauliche Darstellungen,<br />
Texteinblendung rechts sehr hilfreich.<br />
- Alles OK<br />
- Wirklich angenehm <strong>zum</strong> Lernen.<br />
- Ich mag CBT nicht. Verspielte Generation! im Skript kann man schön blättern,<br />
markieren, reinschreiben und hat dabei einen viel besseren Überblick über Inhalt<br />
und Umfang des jeweiligen Stoffes.<br />
- Gut gemachte Ergänzung zur VL. MM ist einfach besser, da man sich bestimmte<br />
Passagen immer wieder anzeigen lassen kann, bis man sie verstanden hat. Was<br />
mich betrifft lerne ich effizienter und lieber von einem Skript als von einem<br />
Bildschirm.<br />
- PC ging kaputt, konnte nicht lernen.<br />
- Es fehlte der Humor von Prof. Golze [im CBT].<br />
- Ein CBT kann niemals eine VL ersetzen, da es keine Nach- oder Zwischenfragen an<br />
den Dozenten zuläßt.
B.4 Zusammenfassung 139<br />
- Nett, aber für mich sind Rückfragen sehr wichtig! Daher gehe ich lieber zur VL. Als<br />
Ergänzung zur VL sehr gut, wegen der Abwechslung, aber als Ersatz einfach nicht<br />
motivierend genug.<br />
- CBT kann eine echte Interaktion von zwei Personen<br />
(Prof.-Studi) nicht vollständig ersetzen.<br />
- Es ist teilweise etwas schwierig, die Gattermodelle zu überblicken/zu verstehen;<br />
hilfreich wäre es z. B. die Bedeutung der einzelnen Symbole nochmals per Klick<br />
anzeigen zu lassen und ggf. die Modelle leichter überschaubar zu machen - zu<br />
große, komplexe Darstellungen eines Gattermodells schrecken eher ab! (z. B. 3.55<br />
- absolut abschreckend!) - Die „Erkläre“-buttons (z. B. 4.8.1) sind sehr hilfreich,<br />
solche sollten öfter vorkommen.<br />
- Das Quiz im Abschnitt 1 und der Verständnistest in Abschnitt 4 gefielen mir gut.<br />
Vielleicht könnte man am Ende von Abschnitt 4 noch einen solchen Test einbauen.<br />
- Ich lerne immer nur mit Skript, ohne VL. Deshalb ist CBT sinnvolle Ergänzung.<br />
- Es ist eine gute Ergänzung zur VL, aber für mich kein vollständiger Ersatz.<br />
- Gute Arbeit!<br />
- Ein paar Diagramme (layout) waren nicht klar (Schrift nicht erkennbar)<br />
B.4 Zusammenfassung<br />
Das CBT lief auf den meisten Systemen ohne Probleme (F1). Eine Antwort zu Frage<br />
F29 weist auf ein im E-Learning allgemeines Problem hin: PC ging kaputt, konnte<br />
nicht lernen. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage: kann man Studenten<br />
<strong>zum</strong>uten, dass sie die Verantwortung übernehmen, wenn zuhause ihre Hardware<br />
ausfällt. Und wer trägt die Verantwortung, wenn ein Server, über den WBTs laufen,<br />
ausfällt? Solche Fragen müssten im Zusammenhang mit verstärktem<br />
E-Learning-Einsatz zukünftig geklärt werden.<br />
Enttäuschend ist, dass die Studenten weder mit Skript und Vorlesung noch mit<br />
dem CBT <strong>zum</strong> kontinuierlichen Lernen motiviert werden konnten (F2). Auch die<br />
Beteiligung an der Vorlesung ist im Schnitt mit etwa 58% nicht besonders hoch (F3).<br />
Verständlich ist allerdings, dass mitten im Semester das Motivieren <strong>zum</strong><br />
kontinuierlichen Lernen schwieriger ist als in den Semesterferien. Entsprechend muss<br />
man auch akzeptieren, dass die eine oder andere Vorlesung ausgelassen wird.<br />
Interessant ist, dass A mit dem CBT intensiver gelernt hat, als mit dem Skript (F4<br />
und F5). Bei C bedeutet dies, dass sich 13% schlecht auf die Testklausur vorbereitet<br />
haben, das könnte ebenfalls das etwas schlechtere Abschneiden begründen (F5).<br />
Aus Klasse A gaben lediglich 19% an, ihren Lernschwerpunkt auf beide<br />
Methoden gelegt zu haben (F6). Eine stärkere Ausnutzung der Methoden von mehr
140<br />
Kapitel B. Feldtest zur Evaluierung<br />
Teilnehmern wäre hier wünschenswert gewesen. Eventuell könnte man durch Erhöhen<br />
von Testanteilen im CBT dies fördern, da das Skript <strong>zum</strong> Durchführen von Tests<br />
ungeeigneter ist.<br />
Das Lernen mit dem CBT scheint A gefallen zu haben, denn 44% fanden es<br />
angenehmer als 31%, die klassisch vorgingen (F8). Etwa ein Fünftel (19%) lernt mit<br />
beiden Methoden gleich gern, was sich übrigens mit der Antwort aus F6 deckt. Das<br />
CBT als auch Skript und Vorlesung waren vom Umfang und Ausführung angemessen<br />
(F9 bis F16).<br />
Beim Lernen ausschließlich mit CBT wurde auf die fehlende Kommunikation mit<br />
dem Tutor verwiesen (F19). Viele schätzen es sehr, direkt individuelle Fragen stellen<br />
zu können, was beim LCLT-produziertem CBT nicht möglich ist. Daher fällt auch die<br />
Einschätzung <strong>zum</strong> CBT eher als Ergänzung zur klassischen Lehre aus (F28 und F29).<br />
Das Angebot von Wissen durch unterschiedliche Methoden empfanden viele als<br />
vorteilhaft und empfahlen ihren Nachfolgern beide Methoden (F23).
Literatur<br />
[AlWa01] Albrecht, R., Wagner E., Lehren und Lernen mit neuen Medien,<br />
Waxmann, Münster 2002<br />
[Auth01] Macromedia Authorware 6, Handbuch<br />
Literatur<br />
[BaBS02] Back, A., Bendel, O., Stoller-Schai, D., E-Lerning – Ein Wörterbuch;<br />
Über 100 Begriffe – schnell nachgeschlagen, Glossar aus: Back, A.,<br />
Bendel, O., Stoller-Schai, D.: E-Learning im Unternehmen: Grundlagen<br />
– Strategien – Methoden – Technologien; Achertäler Verlag; 2002<br />
[BaHM02] Baumgartner, P., Häfele, H., Maier-Häfele, K., E-Learning<br />
Praxishandbuch – Auswahl von Lernplattformen, Studien Verlag,<br />
Innsbruck 2002<br />
[Baum97] Baumgartner, P., Didaktische Anforderungen an (<strong>multimediale</strong>)<br />
Lernsoftware, in: Issing, L., Klimsa, P. (Hrsg.): Information und Lernen<br />
mit Multimedia, 2. überarbeitete Auflage; S. 241-252; Beltz Psychologie-<br />
Verlags-Union; Weinheim, Basel 1997<br />
[Bhas97] Bhasker, J., A Verilog HDL Primer, Star Galaxy Press, Allentown, PA,<br />
1997<br />
[Blum98] Blumstengel, A., Entwicklung hypermedialer Lernsysteme,<br />
Wissenschaftlicher Verlag, Berlin 1998<br />
[BMBF01] Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Das informelle<br />
Lernen – Die internationale Erschliessung einer bisher vernachlässigten<br />
Grundform menschlichen LErnens für das lebenslange Lernen aller,<br />
BMBF, Bonn 2001<br />
[BMBF02] Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF),<br />
Computernutzung und Neue Medien im Studium, BMBF, Bonn 2002
142<br />
Literatur<br />
[Booz00] Perrilieux, Dr. R., Bernnat, Dr. R., Bauer, M., Digitale Spaltung in<br />
Deutschland – Ausgangssituation, internationaler Vergleich,<br />
Handlungsempfehlungen, Booz Allen & Hamilton, 2000<br />
[Bork92] Bork, A., Learning in the Twenty-First Century: Interactive Multimedia<br />
Technology. in: Giardina, M. (Hrsg.): Interactive Multimedia Learning<br />
Environments: Human Factors,Technical Considerations on Design<br />
Issues; S.2-18; NATO ASI Series, Series F, Computer and Systems<br />
Sciences, vol. 93; Springer-Verlag; Berlin, Heidelberg, New York,<br />
London; 1992<br />
[ÇaGo00] Çatalkaya, T., Golze, U., Multimedia-Based <strong>Chip</strong> Design Education,<br />
Tagungsband International Conference on Engineering Education,<br />
Taipeh, Taiwan, 2000<br />
[Çata97] Çatalkaya, T., Multimediale Animation eines Lehrbeispiels <strong>zum</strong> <strong>Chip</strong>-<br />
<strong>Entwurf</strong>, Diplomarbeit, Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter Schaltungen,<br />
TU Braunschweig, Braunschweig 1997<br />
[Çata01] Çatalkaya, T., Multimediale Lehre im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>, Tagungsband 10.<br />
E.I.S.-Workshop, Dresden, 2001<br />
[ChKe03] Chinnery, D., Keutzer, K., Closing the Gap between ASIC & Custom –<br />
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Internet-Seiten, CBT- und Datei-Referenzen<br />
Internet-Seiten, CBT- und Datei-Referenzen<br />
[Auth02a] Macromedia Authorware 6, aus den mitgelieferten Hilfeseiten<br />
file:/C|/Programme/Macromedia/Authorware 6/Help/UsingAuthorware/h<br />
tml/01_WhatsNew10.html<br />
[Auth02b] Macromedia Authorware 6, aus den mitgelieferten Hilfeseiten<br />
file:/C|/Programme/Macromedia/Authorware 6/Commands/Online<br />
Resources/./goodies.htm<br />
[Auth03a] http://www.authorware.com, 02.01.03<br />
[Auth03b] http://listserv.cc.kuleuven.ac.be/archives/aware.html, 02.01.03<br />
[Auth03c] http://www.macromedia.com, 02.01.03<br />
[BFFM00] Bösch, H., Fietzke, U., Fietzke, W., Mücke, T, Valkama, J., A Simple<br />
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Braunscheig, Braunschweig 2002<br />
[ÇaFM02] Çatalkaya, T., Fietzke, W., Mücke, T., VERILOGisch – Eine Einführung<br />
in die HDL VERILOG, Multimediales Lernprogramm, Abt. Enwurf<br />
integrierter Schaltungen, TU Braunscheig, Braunschweig 2002<br />
[ÇaSc02] Çatalkaya, T., Schulz, B., Einführung ins Refernzmodell, Multimediales<br />
Lernprogramm, Abt. Enwurf integrierter Schaltungen, TU Braunscheig,<br />
Braunschweig 2002<br />
[Çata03a] Çatalkaya, T., VeriBox – Ein <strong>multimediale</strong>s Lernsystem zur HDL<br />
VERILOG und der Logiksynthese, Institutsbericht 030714, Abteilung<br />
<strong>Entwurf</strong> integrierter Schaltungen, Technische Universität Braunschweig,<br />
Braunschweig 2003<br />
[Çata03b] Çatalkaya, T., Refmod-Starter-Kit, Institutsbericht 030714b, Abteilung<br />
<strong>Entwurf</strong> integrierter Schaltungen, Technische Universität Braunschweig,<br />
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[ELAN02] Öffentliche Internetseite des ELAN-Projektes,<br />
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[EPub02] Entwicklung der Internetnutzung, E-Publishing-Infos, Ausgabe: 03/2002,<br />
www.ingram-macrotron.de/easy-growing,<br />
[GKLW02] Gotschalk, N., Kirschbaum, G., Lampke, L., Witte, L., GrobiS –<br />
Grobüberblick integrierter Schaltungen, Multimediales Lernprogramm,<br />
Praktikumsarbeit SS2002, Abt. Enwurf integrierter Schaltungen, TU<br />
Braunscheig, Braunschweig 2002<br />
[GKSS02] Graeff, D., Kirschner, M., Schönfelder, C., Sievers, C., Einführung in<br />
den VLSI-<strong>Entwurf</strong>, Multimediales Lernprogramm, Praktikumsarbeit<br />
SS2002, Abt. Enwurf integrierter Schaltungen, TU Braunscheig,<br />
Braunschweig 2002<br />
[Grae03] Graeff, D., Regeln und Empfehlungen zur Logiksynthese, Multimediales<br />
Lernprogramm, Abt. Enwurf integrierter Schaltungen, TU Braunscheig,<br />
Braunschweig 2003<br />
[Info02] Bummel-Studium, Informationsdienst des Instituts der deutschen<br />
Wirtschaft, www.iwkoeln.de, IWD 24, Jahrgang 28, 13.06.2002
[JaMS02] Jasper, A., Müller, J., Siebert, F., Hardware-Software-Codesign,<br />
Multimediales Lernprogramm, Praktikumsarbeit SS2002, Abt. Enwurf<br />
integrierter Schaltungen, TU Braunscheig, Braunschweig 2002<br />
[Macr03] http://webforums.macromedia.com/education/usersearchresults.cfm?<br />
keyword=Tom%20King, 23.06.2003<br />
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Lernprogramm, Praktikumsarbeit SS2003, Abt. Enwurf integrierter<br />
Schaltungen, TU Braunscheig, Braunschweig 2003<br />
149
150<br />
Internet-Seiten, CBT- und Datei-Referenzen
Name: Tamer Çatalkaya<br />
Geboren am: 14.07.1969 in Istanbul, Türkei<br />
Familienstand: verheiratet, Sohn (2 Jahre)<br />
Schulausbildung<br />
1976 - 1980 Grundschule I, Rinteln<br />
1980 - 1982 Orientierungsstufe, Rinteln<br />
1982 - 1986 Hildburg Realschule, Rinteln<br />
Qualifizierter Realschulabschluss<br />
1986 - 1989 Gymnasium Ernestinum, Rinteln<br />
Abitur<br />
Studium und Berufserfahrung<br />
1989 - 1997 Studium der Informatik an der TU Braunschweig<br />
1992 - 1993 Programmierer, Gebrüder Stövesandt AG, Rinteln<br />
Lebenslauf<br />
08/1994 – 06/1995 Datenbankprogrammierer, DataTex GmbH, Aschaffenburg<br />
11/1995 – 07/1996 Treiber-Entwicklung und WEB-Programmierung,<br />
Miro Computer Products AG, Braunschweig<br />
04/1996 – 01/1997 Studentische Hilfskraft, Institut für Programmiersprachen und<br />
Informationssysteme, TU Braunschweig<br />
1997 Informatik-Diplom<br />
Lebenslauf<br />
12/1997 – wissenschaftlicher Mitarbeiter,<br />
Abteilung <strong>Entwurf</strong> integrierter Schaltungen, TU Braunschweig<br />
Braunschweig, 14.07.2003
Abschnitt eines Lernprogramms ...........................51<br />
Abstraktionsebenen<br />
Geometrische Layout-Ebene ............................81<br />
Logik- oder Gatterebene...................................80<br />
Regeister-Transfer-Ebene.................................80<br />
Schaltkreisebene...............................................80<br />
Symbolische Layout-Ebene..............................81<br />
Systemebene.....................................................80<br />
Verhaltensebene ...............................................80<br />
adaptives System...................................................28<br />
assoziierte <strong>Lernprogramme</strong>...................................77<br />
A Simple Instruction Computer (ASIC) ...........77<br />
Beispiele und Aufgaben (BuA) ........................77<br />
Built-In Logic Block Observer (BILBO) .........78<br />
Einführung in den Synopsys-Design-Analyzer<br />
(ESDA) ........................................................78<br />
Einführung in den VLSI-<strong>Entwurf</strong> (EVE)..........78<br />
Grobüberblick über den Schaltungsentwurf<br />
(GrobiS) .......................................................78<br />
Hardware-Software-Codesign (HSC)...............79<br />
Kräftegesteuertes Scheduling ...........................79<br />
Regeln und Empfehlungen zur Logiksynthese<br />
(REL) ...........................................................77<br />
Aufbau des Inhaltsverzeichnises...........................67<br />
Austauschverzeichnis............................................71<br />
Authorware ...........................................................34<br />
AICC ................................................................37<br />
Funktionen........................................................64<br />
Nutzergemeinde AWARE ................................35<br />
parallele Abläufe ..............................................62<br />
Programmierebenen..........................................61<br />
Programmieren .................................................61<br />
Schwächen........................................................37<br />
SCORM............................................................37<br />
Skriptsprache....................................................64<br />
Variablen..........................................................64<br />
XML.................................................................37<br />
Autorensystem ..................................................1, 30<br />
Authorware.......................................................34<br />
Index<br />
Index<br />
Unterschiede.....................................................30<br />
Blended Learning .................................................16<br />
Built-In Logic Block Observer (BILBO)........78, 93<br />
CAD-Tools ...........................................................17<br />
CBT ........................................................................7<br />
CBT-Eigenentwicklung ........................................21<br />
Autorensystem..................................................21<br />
CBT-Gerüst......................................................31<br />
Grafikbibliotheken ...........................................21<br />
herkömmliche Produktion ................................21<br />
im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>...............................................24<br />
Lernen durch Lehren ..................................32, 38<br />
Lerntheorien .....................................................38<br />
Lizenzrestriktionen...........................................23<br />
Methodische Grundtypen .................................38<br />
Multimedia-Arbeitsplatz ..................................22<br />
Nachteile ..........................................................22<br />
Produktionsausstattung.....................................22<br />
Studenten entwickeln für Studenten .................31<br />
Vorteile ............................................................23<br />
CBT-Fremdproduktion .........................................24<br />
Cell Based Integrated Circuit (CBIC)...................95<br />
<strong>Chip</strong>- und System-<strong>Entwurf</strong><br />
Abstraktionsebenen ..........................................79<br />
EDA-Tools.......................................................83<br />
<strong>Entwurf</strong>sstile.....................................................94<br />
Hardware-Software-Codesign ..........................96<br />
Simulation ........................................................88<br />
Synthese ...........................................................85<br />
Test...................................................................92<br />
Verhalten und Struktur .....................................82<br />
<strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong><br />
EDV-affine.......................................................18<br />
Darstellungsbereich ..............................................53<br />
Defekte .................................................................94<br />
Defektüberdeckung...............................................94
154<br />
Design-Empfehlungen<br />
Kontrast............................................................46<br />
Linien ...............................................................46<br />
Schriftarten und -größen...................................45<br />
Sprachaufnahme ...............................................46<br />
Designer-Empfehlungen (DE) ..............................45<br />
EDA-Tools ...........................................................83<br />
Einführung ins Referenzmodell (EIR) ..................44<br />
E-Learning ..............................................................7<br />
als Blended Learning........................................16<br />
im <strong>Chip</strong>-<strong>Entwurf</strong>...............................................18<br />
in der Wirtschaft...............................................15<br />
kombinierter Einsatz.........................................16<br />
ohne Betreuung ................................................15<br />
Tutoren.............................................................16<br />
VLSI-Ausbildung .............................................16<br />
<strong>Entwurf</strong>sstile .........................................................94<br />
Full-Custom......................................................94<br />
Semi-Custom....................................................94<br />
Ereignis-Abarbeitungs-Reihenfolge......................91<br />
Ereignisse..............................................................90<br />
Fehlermodelle .......................................................94<br />
Fehlerüberdeckung ...............................................94<br />
Feldtest .................................................................97<br />
Aufbau..............................................................98<br />
Durchführung ...................................................98<br />
Ergebnis............................................................99<br />
Prognose...........................................................99<br />
Schlussfolgerung ............................................101<br />
Field-Programmable Gate-Array (FPGA).18, 75, 95<br />
formale Verifikation .............................................92<br />
Granularität...........................................................31<br />
Hardware-Beschreibungssprache (HDL)..............17<br />
Hardware-Software-Codesign...............................96<br />
High-Level-Synthese ............................................85<br />
Illusion – FPGA-<strong>Entwurf</strong> eines Display-Controllers<br />
..........................................................................75<br />
Intellectual Property..............................................42<br />
intelligentes tutorielles System (ITS)....................28<br />
konstruktives Lernen.............................................19<br />
Koppeln von Modulen zu Lernsystemen ..............69<br />
Kosten<br />
hochwertige Lernsysteme .................................14<br />
Zeitersparnis.....................................................59<br />
Layout-Synthese ...................................................87<br />
Lebenslanges Lernen ..............................................6<br />
Lerneinheit............................................................31<br />
Lern-Management-Systeme ..................................37<br />
<strong>Lernprogramme</strong><br />
Attribute ...........................................................26<br />
Design-Flow.......................................................1<br />
Index<br />
Design-Reuse .....................................................2<br />
Klassifizierung .................................................25<br />
Portabilität........................................................19<br />
Lernprogrammstruktur<br />
Baumstruktur....................................................49<br />
Leiterstruktur....................................................49<br />
Netzwerkstruktur..............................................49<br />
Lernsystem............................................................36<br />
Lerntheorien .........................................................26<br />
Bahaviourismus................................................26<br />
Kognitivismus ..................................................27<br />
Konstruktivismus..............................................27<br />
Lesezeichen ..........................................................69<br />
Logiksynthese.................................................76, 86<br />
LogiSyn ................................................................76<br />
Lose Kopplung ...............................................33, 54<br />
Low-Cost-Low-Time-Produktion ...................29, 42<br />
Methodische Grundtypen......................................28<br />
intelligentes tutorielles System.........................28<br />
Mikrowelten .....................................................29<br />
Spiele................................................................29<br />
tutorielles System .............................................28<br />
Mixed-Mode-Simulation ......................................92<br />
Modul ...................................................................51<br />
Modularität ...........................................................31<br />
Modulwechsel.......................................................69<br />
Navigation<br />
History-Liste ....................................................56<br />
Lesezeichen......................................................56<br />
Pause-Taste ......................................................56<br />
Seitenende-Anzeige..........................................57<br />
Skip-Taste ........................................................56<br />
Navigationsbereich ...............................................53<br />
neue Lehr- und Lernformen....................................5<br />
im Umfeld der Hochschulen...............................8<br />
im wirtschaftlichen Umfeld ................................6<br />
Parallelität und Zeit ..............................................89<br />
Parallelität und Zeit (PuZ) ....................................74<br />
Präsentationsfenster..............................................53<br />
Programmable-Logic-Device (PLD) ....................95<br />
Projekt-Linking-Tool (PLT).................................44<br />
Referenzmodell.....................................................31<br />
Abschnitt ..........................................................51<br />
Anforderungen .................................................42<br />
Einsatz..............................................................47<br />
Grundlage.........................................................41<br />
Hauptmenü .......................................................57<br />
Komponenten ...................................................44<br />
Konzept............................................................48<br />
Lernprogrammstruktur .....................................49<br />
Modul...............................................................51<br />
Modularität.......................................................52<br />
Modulaufbau ....................................................52<br />
Navigation........................................................55
Präsentationsfenster..........................................53<br />
Seite..................................................................51<br />
Seitengruppe.....................................................51<br />
Textfenster........................................................58<br />
Voraussetzungen ..............................................43<br />
Zeitersparnis.....................................................59<br />
Zielgruppen ......................................................43<br />
Referenzmodell für <strong>multimediale</strong> <strong>Lernprogramme</strong><br />
..........................................................................31<br />
Refmod-Starter-Kit (RSK)....................................44<br />
Aufrufparameter ...............................................69<br />
Austauschverzeichnis .......................................71<br />
Einsatz..............................................................64<br />
Inhaltsverzeichnis.............................................67<br />
Koppeln von Modulen......................................69<br />
Lernsysteme......................................................69<br />
Lesezeichen ......................................................69<br />
Pause-Taste ......................................................66<br />
Programm-Code ...............................................65<br />
Skip-Taste ........................................................67<br />
Textfenster........................................................67<br />
Register-Transfer-Logik .......................................17<br />
RSK im Detail (RID) ............................................45<br />
RTL-Modell..........................................................17<br />
Schaltungsentwurf.................................................17<br />
Seite eines Lernprogramms...................................51<br />
Seitengruppe .........................................................51<br />
Seitengruppe eines Lernprogramms......................51<br />
155<br />
Simulation.............................................................88<br />
Parallelität und Zeit..........................................89<br />
Simulationszeitpunkt........................................90<br />
Skip-Taste.............................................................57<br />
Synthese................................................................85<br />
Synthese-Compiler ...............................................17<br />
Test.......................................................................92<br />
Textfenster............................................................53<br />
Tutor.....................................................................14<br />
tutorielles System..................................................28<br />
Behaviourismus................................................28<br />
Drill & Practice-Programme ............................28<br />
VeriBox ................................................................73<br />
assoziierte <strong>Lernprogramme</strong> ..............................73<br />
Illusion – FPGA-<strong>Entwurf</strong> eines Display-<br />
Controllers ...................................................75<br />
Logiksynthese (LogiSyn) .................................76<br />
Parallelität und Zeit (PuZ)................................74<br />
VERILOGisch..................................................74<br />
VERILIOGisch.....................................................74<br />
VERILOG ............................................................84<br />
VLSI .......................................................................2<br />
vollständige Simulation ........................................92<br />
Vorstellung des Referenzmodells (VDR) .............44<br />
WBT.......................................................................7