Studiengang Diplom-Informatik

 

DIPLOMARBEIT

 

 

Webbasiertes exploratives Tutorial

zur Lehrveranstaltung EIS

"Funktionsweise des MOS-Transistors"

 

 

Vorgelegt

von

Kai Janssen

Am Markt 11

26345 Bockhorn

Matrikelnummer 4162830

 

Erstprüfer:

Prof. Dr. Peter Gorny

Zweitprüfer:

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nebel

Betreuer:

Dipl.-Inf. Nils Faltin

 

Bockhorn, 1. November 1999


 

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung *

1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit *

1.2 Inhaltsübersicht *

 

2. Thema: Wie arbeitet ein MOS – Transistor? *

2.1 Abstraktionsebenenmodell und Schalterebene *

2.1.1 Abstraktionsebenenmodell *

2.1.2 Schalterebene *

2.1.3 Transistor auf der Schalterebene *

2.2 Elektrische Ebene *

2.2.1 Eigenschaften der elektrischen Ebene *

2.2.2 Transistor auf der elektrischen Ebene *

2.2.3 Exkurs: Halbleiter und Dotieren *

2.2.4 Transistorzerlegung in Dioden und Kondensator *

2.3 Diode oder p-n Übergang *

2.3.1 Der unbeschaltete p-n Übergang *

2.3.2 Der beschaltete p-n Übergang *

2.3.3 Kennlinie der Stromstärke *

2.3.4 Zusammenfassung *

2.4 MOS - Kondensator *

2.4.1 Der unbeschaltete MOS-Kondensator *

2.4.2 Zustände des beschalteten Kondensators *

2.4.3 Zusammenfassung *

2.5 MOS - Transistor *

2.5.1 Herstellung eines NMOS -Transistors *

2.5.2 Dioden im MOS-Transistor *

2.5.3 MOS-Kondensator im MOS-Transistor *

2.5.4 Stromfluß und Kanalform im NMOS - Transistor *

2.5.5 Zusammenfassung *

2.6 Kennlinien des NMOS-Transistors *

2.6.1 Der Sperrbereich *

2.6.2 Der Triodenbereich / linearer Bereich *

2.6.3 Der Sättigungsbereich *

2.6.4 Dimensionierung des Transistors *

2.6.5 Flächenladung *

2.6.6 Der Bodyeffekt *

2.7 MOS-Transistor-Arten *

2.7.1 Anreicherungstypen *

2.7.2 Verarmungstypen *

2.8 Zusammenfassung *

 

3. Recherche und Bewertung bestehender Lernmedien *

3.1 Wie wird das Thema in Lehrbüchern behandelt? *

3.1.1 Buch 1 : "Rechnergestützter Entwurf hochintegrierter MOS-Schaltungen" *

3.1.2 Buch 2 : "Fundamentals of Mos Digital Integrated Circuits" *

3.1.3 Buch 3: "Principles of CMOS VLSI Design" *

3.2 Wie behandelt die Vorlesung das Thema? *

3.2.1 Vorlesung: "Entwurf integrierter Schaltungen" *

3.3 Wie wird das Thema durch Software behandelt? *

3.3.1 Programm 1: PSpice V5.3. *

3.3.2 Programm 2: MSK/PROF V5.1e *

3.3.3 Programm 3: Educational Applets in Solid State Materials *

3.4 Zusammenfassung *

 

4. Methoden und Konzepte *

4.1 Methoden und Konzepte der Software-Ergonomie *

4.1.1 Rapid-Prototyping *

4.1.2 Slow and Principled Prototyping *

 

4.2 Methoden und Konzepte der Didaktik *

4.2.1 Lernparadigmen *

4.2.2 Unterrichtskonzepte und Methoden *

4.2.3 Mediendidaktik und Lernsoftware *

 

5. Lernsoftware "weT EiS" *

5.1 Bedarfsanalyse *

5.1.1 Pädagogische Zielsetzung *

5.1.2 Zielgruppe *

5.1.3 Umgebung *

5.2 Auswahl der alternativen Lösungsmöglichkeiten *

5.3 Produktion *

5.3.1 Planung *

5.3.2 Entwurf *

5.3.3 Implementierung *

5.4 Anwendung und Evaluation *

 

6. Zusammenfassung *

6.1 Überblick über den Verlauf der Arbeit *

6.2 Ausblick auf wünschenswerte Weiterentwicklungen *

6.3 Schlußwort *


 

  1. Einleitung
  2.  

    Problemstellung und Ziel der Arbeit

      Die Entwicklung des MOS-Transistors ist einer der Meilensteine der Mirkoelektronik [vgl. Nebel 98a, S. 3]. Durch seine Entwicklung wurde es möglich, kostengünstige Chips zu entwickeln, die wesentlich kleiner sind, als die bis dahin durch Relais und Elektronenröhren entwickelten Schaltungen. Durch die ständig fortschreitende Entwicklung der Integrationskapazität können immer mehr Transistoren auf einem Schaltungselement realisiert werden. Es ist möglich, komplette Rechner, die noch vor 50 Jahren aufgrund ihrer Größe mehrere Fabrikhallen gefüllt haben, in einen einzigen Chip der Größe eines Fingernagels zu integrieren [vgl. CW 78; CW 84].

      Aufgrund der Bedeutung des MOS-Transistors wird er als ein Schwerpunktthema in der Stammvorlesung "Entwurf integrierter Schaltungen" an der Universität Oldenburg behandelt. Ausgehend von einer Beschreibung der historischen Entwicklung und den Spekulationen über die mögliche Technologieentwicklung wird versucht, dem Studenten die Funktion des MOS-Transistors zu vermitteln [vgl. Nebel 98a S. 2ff]. Dazu werden elektrotechnische Grundlagen aufgefrischt, um dann die Funktion des MOS-Transistors auf der elektrischen Ebene darzustellen. Die Vorgänge im MOS-Transistor hängen von mehreren Variablen ab, wie z.B. den verschiedenen Spannungen [vgl. Nebel 98a S. 50ff] oder der MOS-Transistorart [vgl. Nebel 98a S. 57]. Die Zusammenhänge zwischen den Variablen und den damit in Verbindung stehenden Effekten auf den MOS-Transistor sind sehr komplex, so daß die Vorgänge meiner Meinung nach durch die in der Vorlesung genutzten statischen Folien schwer nachzuvollziehen sind. Hieraus ergibt sich die Motivation für diese Arbeit. Es soll ein Weg entwickelt werden, der dem Lerner hilft, die komplizierten Vorgänge innerhalb des MOS-Transistors zu verstehen.

      Dieses Problem kann auf mehrere Weisen gelöst werden. Es könnte z.B. mehr Vorlesungszeit für die Erklärungen aufgewendet und dann die Vorgänge durch mehrere Folien verdeutlicht werden. Dies hätte jedoch den Nachteil, daß andere wichtige Themen nicht in der zur Verfügung stehenden Vorlesungzeit behandelt werden könnten. Eine andere Lösungsmöglichkeit wird im Projekt "MuSIK" aufgezeigt. Das Projekt MuSIK ist in der Abteilung "Computer Graphics und Software-Ergonomie" des Fachbereichs Informatik der Universität Oldenburg angesiedelt und befaßt sich mit der Entwicklung interaktiver Lernmaterialien, die von den Studierenden als Ergänzung zu den Vorlesungen und Übungen über das WWW verwendet werden können [vgl. MuSIK 97]. Ein handlungsorientiertes interaktives Umgehen mit dieser Lernsoftware soll die fehlende Interaktivität der Vorlesung ausgleichen. Eine interaktive Lernsoftware kann z.B. bei der Simulation von Prozessen oder der Visualisierung von Algorithmen eine Anwendung finden. Dies qualifiziert das Thema "Funktionweise des MOS-Transistors" für die Umsetzung innerhalb des Projektes MuSIK, da so die oben erwähnten komplexen Vorgänge, die von mehreren Variablen abhängig sind, visualisiert werden können. Die Einbindung in das Internet bietet dem Studenten einen plattform- und zeitunabhängigen Zugriff auf die Lernsoftware, so daß er selbständig entscheiden kann, wo und wann er lernen möchte.

      Aus diesen Gründen war meine Motivation eine Lernsoftware zu entwickeln, welche die Funktionsweise des MOS-Transistor verdeutlicht. Die Aufgabenstellung, die sich für meine Diplomarbeit daraus ergeben hat, gliedert sich in zwei Bereiche.

      Recherche

      Bei der Recherche sollen in einem ersten Schritt die fachlichen Inhalte des Themas "Funktionsweise des MOS-Transistors" herausgestellt werden. Dann soll eine Recherche bestehender Lösungen folgen. Abschließend sollen didaktische und softwareergonomische Methoden und Konzepte analysiert werden, die für eine Umsetzung einer Lernsoftware wichtig sein können.

      Entwicklung der Lernsoftware

      Es soll ein "webbasiertes exploratives Tutorial" unter den Rahmenbedingungen des Projekts MuSIK entwickelt werden, welches das Thema "Funktionsweise des MOS-Transistors" behandelt. Die Rahmenbedingungen des Projekts MuSIK fordern die Entwicklung einer interaktiven Visualisierung, die in eine hypermediale tutorielle Komponente eingebettet ist. Ein "webbasiertes explortives Tutorial" soll als ein Tutorium definiert werden, mit dem der Lerner handlungsorientiert und entdeckend mit einem Lernstoff umgehen kann.

      Inhalt

    Das erste Teilziel der Diplomarbeit besteht zunächst darin, die wesentlichen Inhalte des Themas "Funktionsweise des MOS-Transistors" zu bestimmen. Vor diesem Hintergrund sollen die Inhalte des zu entwickelnden Tutorials hergeleitet werden. Durch eine Recherche, die festhalten soll, wie das Thema dem Studenten zur Zeit vermittelt wird, sollen Kriterien ermittelt werden, die bei der Entwicklung einer Lernsoftware in diesem Bereich beachtet werden sollten. Untersucht werden sollen dabei sowohl die üblichen Lernmittel wie Lehrbücher und Vorlesung, als auch Entwicklungen im Bereich des computer-unterstützten Lernens. Darauf folgt eine Bestimmung der ergonomischen und didaktischen Konzepte und Methoden, die für eine Lernsoftwaregestaltung angewendet werden können. Ausgehend von einer Untersuchung von ergonomischen Richtlinien, wie z.B. der ISO-Norm EN ISO 9241 [vgl. ISO9241-10 95] und den Style Guides der einzelnen Softwarefirmen, sollen die Begriffe "rapid"-Prototyping und "slow an principled"-Prototyping voneinander abgegrenzt werden. Nach einer Bestimmung der Lernparadigmen "Behaviorismus", "Kognitivismus" und "Konstruktivismus" sollen verschiedene Unterrichtskonzepte und Methoden untersucht werden, die für eine Umsetzung in einem Lernprogramm eine Bedeutung erlangen können. Dabei sollen speziell die Konzepte des handlungsorientierten, des entdeckenden und des programmierten Lernens beachtet werden. Abschließend sollen, nach der Bestimmung des Begriffs "Mediendidaktik", die Potentiale des multimedialen Lernens erkannt und mögliche Umsetzungen analysiert werden. Dazu wird untersucht, wie bestehende Lernsoftwaretypen diese Potentiale nutzen. Ausgehend von den Ergebnissen der Analysen soll die Lernsoftware "weT EiS" in einem methodischen Rahmen entwickelt werden. Die Entwicklung durchläuft iterativ die Phasen "Bedarfsanalyse", "Auswahl von Alternativen", "Produktion" und "Einsatz und Evaluation". Dabei werden Methoden aus den Bereichen der Softwareergonomie, der Didaktik und des Softwareengineerings angewendet. Die Arbeit soll mit einer kritischen Bewertung über den Verlauf der Untersuchungen und der Entwicklungen abschließen, um Ansatzpunkte für weitere Forschungen in diesem Bereich aufzuzeigen.

  3. Thema: Wie arbeitet ein MOS-Transistor
  4. In diesem Kapitel soll die Funktionsweise eines MOS-Transistors erläutert werden, um einen Einblick in die Themenaspekte der zu entwickelnden Lernsoftware zu erhalten. Die Ausführungen orientieren sich an dem Skriptum der Vorlesung "Entwurf integrierter Schaltungen" an der Universität Oldenburg und dem Buch von Rosenstiel [Nebel 98a; Rosenstiel 89]. Es wird zum Verständnis vorausgesetzt, daß der Leser im Bereich "elektrotechnischer Grundlagen" einige Vorkenntnisse besitzt.

    ...

    Zusammenfassung

    Dieses Kapitel sollte dem Leser die Funktionsweise des MOS-Transistor erklären. Meiner Meinung nach ist es sehr schwer, nur anhand von Formeln, Beschreibungen und Querschnitten komplexe Abläufe, die von mehreren verschiedenen Variablen (hier meist Spannungen) abhängen, zu verstehen. Dies ist ein Grund dafür, daß eine simulierende Lernsoftware für die Vermittlung dieser Vorgänge besser geeignet.

  5. Recherche und Bewertung bestehender Lernmedien
  6. Die Recherche soll Vorteile und Nachteile bestehender Lösungen herausstellen. Die daraus erhaltenen Erkenntnisse sollen bei der Entwicklung meines Lernprogramms berücksichtigt werden. Die Lernsoftware wird unter inhaltlichen Gesichtspunkten, sowie unter den Aspekten Didaktik und Ergonomie analysiert. Diese Aspekte wurden ausgewählt, da sie meiner Meinung nach Grundpfeiler einer Lernsoftware darstellen.

    Didaktik: Eine Lernsoftware sollte dem Lernenden helfen, ein bestimmtes Wissen individuell zu konstruieren, bzw. kognitive Schemata zu entwickeln oder zu modifizieren. Dabei beziehe ich mich auf die Lernparadigmen des Konstruktivismus [vgl. Thissen 97] und des Kognitivismus [vgl. Blumstengel 98, Kapitel 2.2]. Andere Paradigmen, wie z.B. der Behaviorismus, wären ebenfalls als Bemessungsmaßstab möglich. Aber unter der Beachtung des selbständigen Arbeitens mit Lernsoftware verfolge ich die Merkmale des handlungsorientierten und des entdeckenden Lernens, welche auf dem Konstuktivismus und dem Kognitivismus aufbauen [vgl. Blumstengel 98, Kapitel 2.2]. Eine genaue Abgrenzung der Paradigmen und der Unterrichtskonzepte ist im Kapitel 4.2 zu finden.

    Ergonomie: Ein Tutorium sollte nach ergonomischen Richtlinien gestaltet werden [Daldrup 87, S. 44ff]. Es existiert zur Zeit keine normierte Bewertungsgrundlage für Lernsoftware. Die untersuchte Software wird in Anlehnung an die Bewertungskriterien für arbeitsorientierte Software durchgeführt [vgl. Gorny 98; ISO9241-10 95]. Ein Überblick auf einige Konzepte und Methoden der Softwareergonomie wird in Kapitel 4.1 gegeben.

    Die Recherche bezieht zusätzlich das Buch und die Vorlesung als klassische Lehrmittel mit ein. Sie behandeln das Thema "Funktionsweise des MOS-Transistors" in unterschiedlicher Quantität und Qualität. Bei der Bewertung dieser Quellen kann der Punkt Ergonomie der Benutzungsoberfläche vernachlässigt werden. An seine Stelle tritt die Bewertung des Seiten- bzw. Folienlayouts und der Grafiken. Um eine gemeinsame Bewertungsgrundlage für die Lehrmedien bzgl. der Erreichbarkeit zu schaffen, wurde die Recherche auf Medien eingeschränkt, die dem Studenten in angemessener Zeit zugänglich sind.

    ...

    Zusammenfassung

    Die Zusammenfassung soll zeigen, welche Vor- bzw. Nachteile eine bestimmte Lösung bietet, um beurteilen zu können, wo sie eingesetzt werden sollte. Die Bewertungspunkte beziehen sich auf ergonomische Normen [vgl. ISO9241-10 95] und didaktische Einordnungen. Die Programme werden in Abhängigkeit von dem Thema "Funktionsweise des MOS-Transistors" bewertet und nicht in der gesamten Funktionsvielfalt betrachtet.

    Die folgende Tabelle stellt die einzelnen Medien einander gegenüber und zeigt die Stärken und Schwächen der einzelnen Lösungen. Die Ergebnisse basieren auf einer möglichst objektiven Beurteilung, angelehnt an Ergebnisse eines Seminars "Entwicklung von Lernsoftware" an der Universität-Oldenburg. Ein anderer Evaluator könnte andere Punkte als wichtig betrachten, da normierte Bewertungsverfahren für Lernsoftware noch im Forschungsstadium sind. Ein weiteres Problem stellt die Bewertung unterschiedlicher Medien dar.

    Die Bücher und die Vorlesung behandeln das Thema am ausführlichsten (Inhalt und Tutorium), wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht. Die Software hingegen bietet dem Lerner interaktive Elemente, mit denen z.B. Simulationen durchgeführt werden können. Der Lerner kann durch das explorative Lernen eher Wissen konstruieren [Thissen], d.h., Wissen wird schneller angeeignet. Eine Komponente zur Wissensfestigung ist nur bei der CAMP Applet-Sammlung in Planung. Die Qualität der verwendeten Grafiken ist zur Zeit bei den gedruckten Medien besser, da der Entwicklungsaufwand bei animierten Grafiken höher ist. Die getesteten Programme zeigten alle im Bereich der Benutzungsoberflächengestaltung einige Mängel. Im Bezug auf die Erreichbarkeit stellt die plattformunabhängige Programmsammlung CAMP über das Internet eine sehr gute Lösung dar.

     

     

     

     

    Rosenstiel

    Uyemura

    Weste / Eshraghian

    Vorlesung / Übung

    Pspice

    MSK/PROF

    CAMP Applets

    Erreichbarkeit

    sehr gut

    gut

    gut

    mittel

    schlecht

    sehr schlecht

    sehr gut

    Ergonomie

                 

    Grafiken

    mittel

    sehr gut

    sehr gut

    mittel

    schlecht

    mittel

    gut

    Texte

    sehr gut

    gut (englisch)

    sehr gut (englisch)

    sehr gut

    keine

    keine

    in Arbeit

    Benutzungs- oberfläche

    keine

    keine

    keine

    keine

    schlecht

    mittel

    mittel

    Didaktik

                 

    Tutorium

    ja

    ja

    ja

    ja

    nein

    nein

    in Arbeit

    Interaktive Elemente

    nein

    nein

    nein

    nein

    ja

    ja

    ja

    Erfolgs- prüfung

    nein

    nein

    nein

    ja

    nein

    nein

    in Arbeit

    Inhalt

                 

    Abstraktions -ebene

    nein

    nein

    nein

    ja

    nein

    nein

    nein

    Halbleiter

    ja

    ja

    ja

    ja

    nein

    nein

    ja

    Diode

    ja

    ja

    ja

    ja

    ja

    ja

    ja

    Kondensator

    ja

    ja

    ja

    ja

    ja

    nein

    ja

    Transistor

    ja

    ja

    ja

    ja

    ja

    ja

    ja

    Bewertungskala: sehr gut – gut – mittel – schlecht – sehr schlecht

    Tabelle .1 Gegenüberstellung der einzelnen Lösungen

    Als Ergebnis meiner Recherche halte ich fest, daß viele Möglichkeiten zum Wissenserwerb zur Verfügung stehen, aber keine davon alle Gestaltungsmöglichkeiten optimal ausnutzt. Für meine Lernsoftware ergibt sich daraus, daß ich bei ihrer Entwicklung die positiven Ansätze weiter verfolgen sollte, wie z.B. die Erreichbarkeit des Internets und die Übersichtlichkeit der Lehrbuchgraphiken. Die Lernsoftware sollte interaktive und tutorielle Elemente enthalten und verbinden. In die Entwicklung sollten auch Aspekte mit einbezogen werden, die von keinem der untersuchten Medien ausreichend beachtet worden sind, wie z.B. eine Lernerfolgsprüfung und eine ergonomische Benutzungsoberflächengestaltung.

  7. Methoden und Konzepte

    Damit ein Lernprogramm nicht nur "als ‚add-on‘ zum konventionellen Unterricht" gesehen wird, sondern einen Beitrag zur Gestaltung von Lebens- und Lernwelten leistet, müssen nach Kerres die Konzepte der Informatik und Pädagogik zusammenfließen [vgl. Kerres 99, S. 9]. Um dieses zu erreichen, muß der Entwickler einer Lernsoftware Kenntnisse in den Bereichen Software-Ergonomie, Didaktik und Programmierung sowie zusätzlich tiefgehendes Wissen über den speziellen Lehrstoff besitzten. Wie das Ergebnis einer Studie an der Universität Oldenburg zeigte, befinden sich viele Programme im Einsatz, die Mängel aus software-ergonomischer oder didaktischer Sicht aufweisen [vgl. Seminar 95]. Aus diesem Grund werden im folgenden die grundlegenden Konzepte und Methoden der Software-Ergonomie und der Didaktik vorgestellt und analysiert.

    Methoden und Konzepte der Software-Ergonomie

    Die Software-Ergonomie "befaßt sich hauptsächlich mit dem Entwurf und der Evalution von Benutzungsoberflächen in Bezug auf die Handhabung von Softwaresystemen" [Gorny 98, S. 14]. Im Bereich arbeitsorientierter Software existieren einige Normen, die eine Benutzungsoberfläche erfüllen sollte. Da die Normen nur das derzeitige ergonomische Wissen widerspiegeln können [vgl. Dzida 94, S. 375], enthalten sie hauptsächlich Leitlinien statt feste Forderungen. Die wichtigste europäische Norm in diesem Bereich ist in der ISO-Norm EN ISO 9241 enthalten. Die Norm trägt in der deutschen Fassung den Titel "Mindestvorschriften bezüglich der Sicherheit und den Gesundheitsschutz bei der Arbeit an Bildschirmgeräten" [vgl. ISO9241-10 95]. Sie enthält Bestimmungen für die Hard- und Softwareergonomie. In dem Teil 10 der Norm werden die software-ergonomischen Leitlinien für die Gestaltung von Benutzungsoberflächen definiert.

    "Die folgenden sieben Grundsätze sind für die Gestaltung und Bewertung eines Dialogs als wichtig erkannt worden:

  8.  

    Diese Grundsätze können bei der Leistungsbeschreibung, Gestaltung und Bewertung von Dialogsystemen angewandt werden, jedoch nur als allgemeine Leitlinien. Die Art und Weise, in der jeder einzelne Grundsatz der Dialoggestaltung umgesetzt werden kann, hängt von den Merkmalen das Benutzers, für den das Dialogsystem gedacht ist, den Arbeitsaufgaben, der Arbeitsumgebung und der jeweils eingesetzten Dialogtechnik ab."[ISO9241-Teil10 95].

    Da die Leitlinien für arbeitsorientierte Software erstellt wurden, lassen sie sich nicht direkt auf Lernsoftware anwenden, weil z.B. keine pädagogischen Überlegungen in sie einfließen. Es ist aber "eine vorsichtige Übertragung der Ergebnisse in den Bereich Lernsoftware möglich." [Gorny 98, S. 16]. Bei der Anwendung der Leitlinien ist besonders der Kontext, in dem die Software später eingesetzt werden soll, von Bedeutung. Es existiert kein einheitlicher Softwareanwender und keine einheitliche Arbeitsumgebung [vgl. Dzida 94, S. 375]. Um die Gebrauchstauglichkeit einer Lernsoftware zu gewährleisten, gibt es daher verschiedene Konzepte für die Gestaltung von Benutzungsoberflächen. Diese Konzepte werden durch verschiedene Methoden umgesetzt. Seit einigen Jahren sollte der Softwareentwickler außerdem die Richtlinien der einzelnen Softwarefirmen befolgen, welche in Style-Guides festgehalten sind. Diese Regeln sollen gewährleisten, daß das Aussehen der Benutzungsoberflächen der einzelnen Programme nicht zu sehr variiert, damit der Benutzer nur eine kurze Einarbeitungsphase benötigt.

    Zwei sehr gegensätzliche Konzepte und ihre Methoden sollen im weiteren genauer betrachtet werden.

    ...

    Methoden und Konzepte der Didaktik

    Als Didaktik wird die "Wissenschaft vom Lehren u. Lernen und ein Teilbereich der Pädagogik" bezeichnet, aber auch die "Methode des Unterrichtens" [Encarta 98]. "Eine Voraussetzung für eine Didaktik ist das hinter der Didaktik stehende Paradigma." [Thissen 97, S. 5]. Die Didaktik ist kein abgeschlossenes System [vgl. Strittmatter 95, S. 60], die Forschung und die technische Entwicklung weil den Bildungsinstituten immer neue Möglichkeiten zur Wissensvermittlung vorstellt. Damit entstehen neue Anforderungen im Bereich der Makro- und Mikrodidaktik [vgl. Strittmatter, S.48]. Seit einigen Jahren wurde die klassische Didaktik um den Teilbereich "Medien-Didaktik" erweitert. Diesem Teilbereich wird seit langer Zeit ein großes Potential nachgesagt, welches in der Realität nur sehr selten umgesetzt wird [vgl. Seminar 95]. Im folgenden wird zunächst der Zusammenhang zwischen Didaktik und Lernparadigmen hergestellt und dann unterschiedliche didaktische und insbesondere mediendidaktische Konzepte und Methoden erläutert.

    ...

  9. Die Lernsoftware "weT EiS"
     

    In den folgenden Kapiteln soll der Entwurfsprozeß meiner Lernsoftware "weT EiS" beschrieben werden. Wie in Kapitel 3 erwähnt wurde, existieren verschiedene systematische Modelle, um mediendidaktische Aspekte in das Softwareenginiering einzugliedern. Meine Untersuchungen der einzelnen Modelle führten mich zu den Modellen des ‚Instructional Design‘ (ID). "Die Hauptquelle der Entwicklungsmodelle für computerunterstützte Lernsysteme liegt im ‚Instructional Design‘ (ID)." [vgl. Blumstengel 98, Kapitel 3]. Die Entwicklungsschritte im ID sind stark sequentialisiert [vgl. Issing 95b, S. 202]. Dies führt dazu, daß die wechselseitigen Beeinflussungen vieler Entscheidungsbereiche nicht beachtet werden. Die ID-Modelle sind starker Kritik aus den Reihen der Konstruktivisten ausgesetzt, da sich die Modelle an dem behavioristischen Lernparadigma orientieren. Da die Modelle hauptsächlich zur Entwicklung von "Drill&Practice"-Programmen eingesetzt wurden, verstärkte sich die Kritik der Konstruktivisten dahin, daß mit diesen Programmen kein individuelles Wissen konstruiert werden kann. "Konstruktivisten machen Instruktionalisten den Vorwurf, einem erkenntnistheoretischen Objektivismus anheimzufallen, indem sie Lernziele als quasi-objektive Wahrheiten präsentieren. Für Konstruktivisten wird Wissen aktuell generiert und konstruiert. Diese Vorstellung zwingt zur Aufgabe der Orientierung der Instruktion an Lernzielen." [Schulmeister 96, S. 153].

    Bei meiner Lernsoftware-Entwicklung möchte ich mich an der Sichtweise des Kognitivismus orientieren, da sie meiner Meinung nach die positiven Punkte der anderen Paradigmen zusammenführt, wie z.B. der Existenz eines externen Wissens, der Abwendung vom Reduktionismus und der Zuwendung zum entdeckenden Lernen. Für bestimmte Lehrinhalte wäre, wie es der Konstruktivismus forder, die Einbindung in eine authentische Lernumgebung mit kommunikativen Elementen sinnvoll, aber für das Thema "Funktionweise des MOS-Transistors" sehe ich darin keinen zusätzlichen Nutzen. Da das Lernprogramm eine tutorielle Komponente enthalten soll, fließen auch behavioristische Aspekte in meine Überlegungen ein, wie z.B. der programmierte Unterricht.

     

    Bei der Entwicklung meiner Lernsoftware möchte ich mich an das Modell Blumstengels halten, welches ausgehend von den Aspekten des ID entwickelt wurde (siehe Abbildung 4.2.1). Dieses Modell verzichtet allerdings auf die starke Sequentialisierung der Entwurfschritte. Mit Blumstengels Modell ist es möglich, Lernsoftware basierend auf verschiedenen Lernparadigmen zu entwickeln [vgl. Blumstengel 98, Kapitel 3]. Blumstengel schafft eine Verbindung zwischen dem ID und den Phasenmodellen des Softwareenginering. Innerhalb der einzelnen Phasen beeinflussen sich die Faktoren wechselseitig, um eine optimalen Lösung zu entwickeln. Die einzelnen Phasen können sich gegenseitig überlappen und teilweise parallel bearbeitet werden. Blumstengel entwickelte dieses Modell speziell für hypermediale Systeme, daher eignet es sich meiner Meinung nach gut für die Umsetzung meiner webbasierten Lernsoftware.

    Im Bereich der Produktion möchte ich mich beim Screendesign an die Methode MUSE II halten. Ich verwende ein methodisches Vorgehen beim Benutzungsoberflächenentwurf, da mir durch die Anonymität der Zielgruppe für ein Rapid-Prototyping nicht genügend Probanden zur Verfügung stehen. Das bedeutet, daß die Prototypen nur an einer kleinen Gruppe getestet werden können und die Ergebnisse keine Rückschlüsse auf die Zufriedenheit der späteren Zielgruppe zulassen. Das zeitaufwendigere, methodische Vorgehen soll helfen, Probleme bei der Entwicklung zu erkennen und zu umgehen, damit der Lerner die Lernsoftware effizient und effektiv nutzen kann.

  10.  

    Der Entwurfsprozeß ist iterativ, d.h. die einzelnen Phasen können bzw. müssen wiederholt durchlaufen werden, wenn es die Ergebnisse der nachfolgenden Phasen erfordern. Dies liegt zum Teil an der Parallelität, mit der die Teilschritte bearbeitet werden können. Die Parallelität wird meist durch interdiziplinäre Teams verstärkt, in denen die einzelnen Spezialisten parallel die Lernsoftwarekomponeten entwickeln. Abbildung 4.2.2 zeigt, daß die Lernsoftware bis zum Ende des Projekts in allen Phasen entwickelt wird.

    Im folgenden werde ich meine Überlegungen und Ergebnisse der Phasen erläutern, ohne aber auf die einzelnen Iterationen der Phasen einzugehen, die bei der eigentlichen Entwicklung auftraten.

    ...

    Damit endet die Beschreibung des Entwicklungsprozesses der Lernsoftware "weT EiS".

    Zur Zeit ist das Lernprogramm unter der folgenden Adresse abrufbar:

    http://www.informatik.uni-oldenburg.de/~munarki/

     

    Es soll in Kürze in die Sammlung des Projekts MuSIK eingefügt werden:

    http://www-cg-hci.informatik.uni-oldenburg.de/~musik/

     

    Es soll später auch auf meiner Homepage abrufbar sein:

    http://www.kjanssen.de/

     

  11. Zusammenfassung

    Überblick über den Verlauf der Arbeit

  12. Die Lernsoftware wurde daraufhin entwickelt, die Inhalte der Software den Inhalten der Vorlesung, dem Vorlesungsskript und dem Lehrbuch von Rosenstiel anzupassen [vgl. Nebel 98a, Rosenstiel 89]. Es wurden ähnliche Abbildungen und die Terminologie der Vorlesung verwendet, um den Einarbeitungssaufwand für den Lerner möglichst gering zu halten. Allerdings wurde nicht evaluiert, inwieweit dieser Effekt beim Einsatz der Lernsoftware eintritt. Der Bereich der Recherche nach bestehenden Lernmitteln, die das Thema "MOS-Transistor" behandeln, stellte sich im Bereich der Softwarelösungen als sehr aufwendig dar. Da dieses Thema sehr speziell ist, scheint kein großer Markt für professionelle Software zu existieren. Die untersuchten Softwarelösungen zeigten bei einer Bewertung der tutoriellen Komponenten alle sehr große Mängel. Daher hatte ich für die Einordnung der Güte meines Lernprogramms keine Anhaltspunkte.

    Ein Großteil der Zeit wurde aufgewendet, um Wissen im didaktischen Bereich aufzubauen. Ein Studium der Informatik bietet zu wenig Möglichkeiten, tiefere Kenntnisse in diesem Bereich zu entwickeln. Mir haben zwar Ergebnisse geholfen, die ich in einem Seminar über den "methodischen Entwurf von Lernsoftware" erlangt habe, doch waren mir anfangs die Zusammenhänge zwischen Paradigmen, Konzepten und Methoden nicht geläufig. Viele Lehrbücher grenzten diese Begriffe sehr gegensätzlich voneinander ab. Ich hoffe, daß ich das von Kerres geforderte interdisziplinäre Zusammenfließen von Konzepten der Informatik und Pädagogik erfüllen konnte [Kerres 99, S. 9].

    Im Bereich der graphischen Softwaregestaltung fehlte mir eine Unterstützung eines multidisziplinären Teams mit Designern oder einfach die Zeit. Der Entwurf eines ansprechenden grafischen Designs verlangt viel Kreativität und Kenntnisse, die z.B. in einer Ausbildung zum Grafik-Designer erlangt werden können. Bei der Entwicklung war ich auf meine eigene Kreativität angewiesen und oft mit meinen grafischen Entwürfen nicht zufrieden. Die Entwicklung der Navigationsleiste mit diversen grafischen Knöpfen wurde letztendlich zu Gunsten der Entwicklung der inhaltlichen Aspekte des Lernprogramms zurückgestellt.

    Für die Anwendung der Methode MUSE II stellt Gorny fest: "Dieses breite Wissen über die Arbeitswissenschaften, die Arbeits-, Kognitions- und Gestaltpsychologie sowie über das Software-Engineering kann weder beim Anwender noch bei den Software-Entwicklern vorausgesetzt werden. Daher ist die Methode praktisch nicht einsatzfähig, es sei denn, die Software-Entwicklung erfolgt in multidisziplinären Teams." [Gorny 97, S. 13]. Ich bin der Meinung, daß ich durch die ergonomische Gestaltung der Experimentiermodule und durch die Anlehnung an die Methode MUSE II Fehler vermeiden konnte, die bei einem Rapid-Prototyping aufgetreten wären.

    Leider wird Java1.1 von Webbrowsern unter MacOS schlecht unterstützt. Das Lernprogramm läuft nicht sicher auf dieser Plattform und ändert sein Verhalten bei jeder neuen Version. Auch die JavaSwingVersion zeigt bei verschiedenen Versionen unterschiedliche Effekte.

    Eine Bewertung der Lernsoftware wird erst durch den Einsatz möglich sein. Ich möchte mich an das Motto des Konditors R. Nehberg halten, der seine Waren mit dem Slogan "Es gibt schlechtere" anpreist [Nebel 98a, S. 405], d.h. eine Software kann nur besser als andere sein, aber nie optimal.

    Ausblick auf wünschenswerte Weiterentwicklungen

      Eine Phase im Entwicklungsprozeß ist die "der Anwendung und der Evalutation". Diese Phase behandelt auch Maßnahmen, die nach der Entwicklung durchgeführt werden müssen, wie z.B. die Betreuung der Software. Durch Evaluationen sollen während der Anwendung Fehler entdeckt und durch ein Redesign ausgebessert werden. Diese Maßnahmen sollten auch bei der Lernsoftware "weT EiS" ergriffen werden, damit sie nicht durch Entwicklungsfehler das angestrebte Lernziel verfehlt. Ich empfehle daher eine formelle Evaluation nach Methoden, wie sie z.B. von Oppermann und Reiterer beschrieben werden [vgl. Oppermann 94, S. 342ff].

      Die Verhaltensweisen der Lerner im Umgang mit dem Programm sollten ebenfalls erforscht werden. Es könnte ein Counter eingerichtet werden, der die Zugriffe zählt und Informationen über die verwendeten Hard- und Softwarekomponenten protokolliert. Diese Informationen können bei einem Redesign genutzt werden, um z.B. die maximale Bildschirmauflösung oder die zu unterstützenden Betriebssysteme festzulegen.

      Um eine bessere Betreuung zu gewährleisten, sollte ein Diskussionsbrett angelegt werden. Dort hätte der Lerner die Möglichkeit, Kritik und Verbesserungsvorschläge öffentlich mit anderen Lernern zu diskutieren. Zusätzlich kann er aber auch inhaltliche Fragen zur Diskussion stellen. Dies bietet für ein Redesign die Möglichkeit, Inhalte zu erkennen, mit denen die Lerner Probleme haben, um diese in der neuen Version zu berücksichtigen.

      Auch die Kritikpunkte, die ich in Kapitel 6.1 aufgeführt habe, sollten bei einer Weiterentwicklung berücksichtigt werden. Es sollte das grafische Design neu überdacht und eine stabile MacOS Version entwickelt werden. Durch eine Entwicklung in einem interdisziplinären Team könnten mögliche Fehler im Zusammenspiel der pädagogischen und softwaretechnischen Aspekte des Lernprogramms entdeckt werden.

      Da die Lernsoftware nur einen kleinen Bereich der Vorlesung "Entwurf integrierter Schaltungen" behandelt, sollte in Erwägung gezogen werden, andere Themen umzusetzen. Dieses Lernsoftware-Paket könnte dann dem Titel "weT EiS" (webbasiertes exploratives Tutorial zur Lehrveranstaltung Entwurf integrierter Schaltungen) eine globale Bedeutung geben. Ein Thema, welches bereits umgesetzt wurde, ist die "Interaktive Visualisierung des ESPRESSO-Algorithmus zur Logikminimierung" [vgl. MuSIK 97].

      Schlußwort

    Mit der Lernsoftware "weT EiS" wurde eine Software geschaffen, die dem Lerner die Möglichkeit bietet, selbständig die Funktionsweise des MOS-Transistors zu erforschen. Interaktive multimediale Elemente, mit denen ein handlungsorientiertes Lernen möglich ist, werden in einen hypermedialen tutoriellen Text eingefügt. Der Lerner kann die tutoriellen Webseiten, wie ein Lehrbuch nutzen oder die Experimentiermodule erforschen. Die Software kann den Vorlesungsbetrieb ergänzen, indem mit ihr z.B. Vorgänge visualisiert werden. Von der inhaltlichen und grafischen Gestaltung hält sich der tutorielle Text eng an die Vorlesung, so daß der Lerner, der die Vorlesung besucht hat, nur eine kurze Einarbeitungphase benötigt. Die Lernsoftware wurde mit HTML, Java und JavaScript realisiert und ermöglicht dem Lerner einen plattform- und zeitunabhängigen Zugriff auf das Lernprogramm.

    Ich hoffe, daß eine mögliche bessere Prüfungsleistung der Lerner, die diese Lernsoftware verwenden, auf das Ergebnis meiner Arbeit zurückzuführen ist. Eine formelle Evaluation könnte darüber genauere Erkenntnisse liefern.