2.4 Beispielhafte TUI-Systeme
2.4.6 BUILD-IT
Abb. 2.31: BUILD-ITNutzung in der Gruppe, beidh¨andige Interaktion
BUILD-IT (Rauterberg et al. 1997; Fjeld et al. 1997; Fjeld et al. 1999; Fjeld et al.
2002) ist ein interaktiver Planungstisch zur Modellierung von Fabrikanlagen, der CAD-Daten verarbeiten und erzeugen kann. Damit verwirklichte die Forschungsgruppe die Vor-stellung eines
”Natural User Interface“ (NUI) (Rauterberg und Steiger 1996; Rauterberg 1997). NUIs bestehen aus einer Mischung von realen und virtuellen Objekten, verstehen menschliche Handlungen (Sprache, Handschrift, Gesten) und multimodale Eingaben (frei w¨ahlbar) und geben multimodale Ausgaben. Im Unterschied zu den meisten Tangible In-terfaces werden bei BUILD-IT nur wenige reale Bausteine verwendet, welche als greifbare
”Handles“ (Griff/Henkel) tempor¨ar an auf den Tisch projizierte Objekte gebunden wer-den. Es gibt zwei Repr¨asentationen des Modells: eine Plansicht, die auf den Tisch projiziert wird, sowie eine auf einer Leinwand gezeigte 3D Ansicht. Ein Baustein dient als virtuelle Kamera und bestimmt die Perspektive der 3D-Ansicht. Die greifbaren Handles werden je-weils mit Objekten der Plansicht verkn¨upft, um diese zu manipulieren und zu ver¨andern.
Je nach gerade gew¨ahltem Interaktionsmodus kann diese Manipulation sowohl einzelne Objekte betreffen (Verschieben) wie die gesamte Ansicht (Zoom).
Am Rand des Tisches ist eine Art
”Taskleiste“, d.h. eine Reihe von Symbolen f¨ur Werkzeugtypen, wie obiger Kamera. Wird der reale Baustein auf ein solches Symbol ge-legt, ¨ubernimmt er die Funktion des Werkzeugs und w¨ahlt einen Interaktionsmodus aus.
Durch die Beschr¨ankung auf wenige Interaktionsbausteine lassen sich Interaktionstech-niken einsetzen, die aus dem Bereich der Virtual Reality oder graphischer Oberfl¨achen
stammen. Um einen Ausschnitt des Modells zu vergr¨oßern (oder zu verkleinern), selek-tiert man das Zoom-Werkzeug, legt zwei Bausteine auf das Modell (verankern). Bewegt man die Bausteine auseinander, vergr¨oßert sich die Darstellung in dem Maße, in dem die Bausteine sich voneinander entfernen. Im allgemeinen reichen zwei Handle-Bausteine aus.
Im engeren Sinne ist BUILD-IT kein Tangible User Interface, da die Bausteine nur eine tempor¨are Repr¨asentationsfunktion besitzen und alsuniversellesEingabeger¨at dienen.
Dennoch wird es deren Umfeld zugerechnet, da besonderer Wert auf intuitive Manipulation mit greifbaren Handles gelegt wird und die Forschergruppe ihren Ansatz den
”graspable interfaces“ zuordnet und als
”brick-based augmented reality“ bezeichnet (Fjeld et al.
1999).
2.4.7 Der Real Reality Ansatz
Ungef¨ahr zeitgleich zu den ersten Projekten in den USA und angeregt durch Diskussionen
¨uber Virtual und Augmented Reality entstand in einer Arbeitsgruppe am Bremer For-schungszentrum artec ein eigener Ansatz greifbarer Schnittstellen (Bruns 1993).23Als Mit-glied von artec hatte ich Teil an der Weiterentwicklung des Ansatzes und der Entwicklung von Systemen. Die Interpretation dieses Ansatzes als Konzept f¨ur Computer-Schnittstellen ist allerdings nachtr¨aglich und l¨aßt einige Besonderheiten außer Acht. Von der urspr¨ ungli-chen Motivation her handelt es sich um anwendungsbezogene Modellierungswerkzeuge f¨ur das synchrone Modellieren im Realen und Virtuellen. Beide Sichtweisen sind gleicherma-ßen richtig. Als anwendungsbezogenes Modellierungswerkzeug besitzt Real Reality (kurz:
RR) im Rahmen der Tangible User Interfaces gewisse Besonderheiten.
Abb. 2.32: Synchrone real-virtuelle Modellierung einer F¨orderbandanlage (Projekt RU-GAMS)
Durch eine Eins-zu-Eins Kopplung von realen und virtuellen Objekten k¨onnen die Be-nutzer ein stoffliches Modell aufbauen, w¨ahrend der Computer synchron das korrespondie-rende virtuelle Modell erstellt. Die virtuellen Elemente werden zur Simulation verwendet
23Die folgende Darstellung beruht weitestgehend auf der (ausf¨uhrlicheren) Schilderung in (Hornecker, Robben und Bruns 2001).
und erm¨oglichen den Zugriff auf verschiedene Repr¨asentationsebenen und Ansichten. In ironischer Entgegensetzung zur Virtual Reality wurde das Konzept
”Real Reality“ getauft, weil es einen Schwerpunkt auf die Verwendung realer Gegenst¨ande legt. Erm¨oglicht werden Uberg¨ange¨ zwischen verschiedenen
”Welten“ bzw. Repr¨asentationsarten - zwischen realen und virtuellen, konkreten, stofflichen und abstrakten Modellen.
Mit dem Begriff der Uberg¨ange¨ soll daran erinnert werden, daß jeder Transformation sowohl Bedeutung erh¨alt als auch ver¨andert. (Natur)Gesetze, die f¨ur real-stoffliche Mo-delle gelten, k¨onnen in der Simulation oft nur approximiert und vereinfacht werden. Das reale Modell ist widerst¨andig, weist eine eigene Logik auf. Diese Unterschiedlichkeit kann gewollt sein, wenn reale und virtuelle Modelle verschiedenartige, sich erg¨anzende oder auch konkurrierende Sichtweisen erm¨oglichen. Einen großen Stellenwert innerhalb des RR Ansatzes haben daher stoffliche Baukastensysteme, deren Elemente Verhalten und beob-achtbare Funktion besitzen und die auch ohne ihr virtuelles Gegenst¨uck ein funktionales Modell bilden (vgl. Brauer (1999, S.116-142)). Die stofflichen Modelle sollten so beschaffen sein, daß f¨ur sie dieselben Gesetze gelten wie f¨ur die Zielgegenst¨ande.”Uberg¨ange“ verweist¨ zudem darauf, daß diese gewollt sind, w¨ahrend
”Br¨uche“ fremdbestimmt sind. ¨Uberg¨ange sollen begrenzt, leicht und brauchbar sein, Lernprozesse und Erfahrungs¨uberg¨ange bei der Aneignung neuer Technik erm¨oglichen.
2.4.7.1 Hintergrund und Motivation
Inspiriert wurde das Real Reality Konzept durch die Studien des Arbeitspsychologen B¨ohle und seiner Gruppe (B¨ohle und Milkau 1988; B¨ohle und Rose 1992) (siehe auch (Hornecker 1997)) zur Rolle des
”subjektivierenden Arbeitshandeln“ in der Fabrik- und Fertigungs-arbeit. Das Personal an CNC-Werkzeugmaschinen, in Kontrollr¨aumen und Leitwarten geht nicht allein planerisch, logisch-strukturiert vor. Sinnliche Eindr¨ucke, Emotionen und k¨orperliche Gef¨uhle leiten ihr Verhalten ebenfalls. Diese Form des intuitiven Denkens und Handelns ist an die Person gebunden, prozesshaft, emphatisch, intuitiv, bezieht alle Sinne und den K¨orper ein, ohne deswegen irrational zu sein. Statt konzentriert und zielgerich-tet zu beobachten, schweift die Aufmerksamkeit und registriert offen und breitbandig,
”aus der Peripherie des Bewußtseins“ Unstimmigkeiten und sich anbahnende Probleme.
Diese Art des Vorgehens ist offenbar weniger anstrengend und effektiver als ein rein ra-tionales Vorgehen. Erfahrung zeichnet sich durch die F¨ahigkeit aus, situationsad¨aquat zwischen beiden Handlungsweisen wechseln zu k¨onnen. Computerisierte Kontrollr¨aume und Leitwarten abstrahieren jedoch von tats¨achlich ablaufenden Prozessen und erschwe-ren Entwicklung und Einsatz von Erfahrungswissen. Dies erh¨oht die Arbeitsbelastung und vergr¨oßert das Risiko, in Grenzsituationen falsch oder zu langsam zu reagieren. F¨ur Fach-arbeiter an hochtechnisierten Maschinen und Leitwarten ist dieses intuitive Wissen daher zwar erreichbar, aber schwierig zu erlangen. Arbeits- und Technikgestaltung sollten folg-lich Raum lassen f¨ur Erwerb und Einsatz von Erfahrungswissen, die direkte Erfahrung realer Ph¨anomene, multisensorische Wahrnehmung und erfahrungsorientiertes Vorgehen erm¨oglichen, aber zugleich deren formale Repr¨asentation in Rechnermodellen verst¨andlich und nachvollziehbar machen. Aus dieser ¨Uberlegung resultiert das Konzept,
”Uberg¨ange“¨ zwischen realen, begreifbaren, materiellen Modellen und korrespondierenden abstrakten computergest¨utzten Modellen bereitzustellen.
Die konkrete Motivation f¨ur Real Reality entstand aus Erfahrungen in partizipativen
Projekten zur Planung von Fabriken und Anlagen. Erprobt und analysiert wurde das Potential der Simulation als Methode experimentellen Systementwurfs in partizipativen Planungsprozessen (Bruns und Heimbucher 1992; Bruns 1995).24Die verf¨ugbaren Simula-tionssysteme erwiesen sich als zu abstrakt, unverst¨andlich und schwer bedienbar f¨ur Ferti-gungspraktiker (vgl. z.B. (Hofferberth et al. 1994)). Weil die eigentlichen Anwender kaum aktiv an den Modellierungsphasen teilhatten, konnten sie ihr Erfahrungswissen nur schwer einbringen. Insbesondere dynamische Vorg¨ange lassen sich umgangssprachlich schwer be-schreiben. Die Simulationsmodelle konnten nur von technischen Experten erstellt werden, waren aber i.d.R. nicht ohne weiteres verst¨andlich und ihre Glaubw¨urdigkeit nur schwer vermittelbar. Durch die Simulationssysteme wurden tendenziell Perspektiven/ Sichtwei-sen verengt und kreatives Explorieren behindert25. Zudem fehlte es an Unterst¨utzung f¨ur den kompletten Simulationszyklus (Modellierung, Experiment, Auswertung, Korrektur am Modell).
F¨ur die Diskussion in den heterogenen, aus Planern,
Abb. 2.33: Per Hand Vorma-chen von Transportabl¨aufen
Facharbeitern und Ingenieuren zusammengesetzten Grup-pen erwiesen sich gegenst¨andliche, greifbare Modelle als wertvoll, da sie anschaulich sind, einen intuitiven Umgang und kreatives, spielerisches Explorieren erm¨oglichen. Des-halb griff man f¨ur die Modellbildung und die Suche nach L¨osungsans¨atzen wiederholt auf solche greifbaren Modelle zur¨uck. Insbesondere zur Herausbildung eines gemeinsa-men Verst¨andnisses (speziell f¨ur dynamische Vorg¨ange) war das manuelle Vormachen am Modell f¨orderlich. Die Resultate des gegenst¨andlichen Modellierens (z.B. Topo-logien, Geometrien und Verhaltensregeln) mußten anschlie-ßend auf virtuelle Modelle ¨ubertragen werden, welche eine systematische Analyse und Variation erm¨oglichten. Ein erster Schritt zur Unterst¨utzung dieser ¨Ubertragung war die Videoaufzeichnung des Experimentierens und Vormachens schwieriger Phasen der Systemdynamik. Dieses Video wurde analysiert und die dynami-schen Abl¨aufe in die Notation des Simulationssystem ¨ubersetzt. Abbildung 2.33 zeigt ein Videostandbild der Transportplanung von Expreßpaketen.
Virtuelle Modelle bieten ebenfalls Vorteile (vgl. (Fischer und Boecker 1983)): sie erm¨ogli-chen die systematische Variation und Untersuchung des Systemverhaltens in Versuchs-serien, anschauliche Visualisierung, automatische Analyse und Archivierung. Simulation erleichtert es Komplexit¨at experimentell zu bew¨altigen, indem sie kreative, kommunikative Probehandlungen erm¨oglicht. Die Interpretation der Ergebnisse ist jedoch immer diskurs-bezogen und abh¨angig von Erfahrung (z.B. die Einsch¨atzung von Wechselwirkungen mit nicht modellierten Realit¨atsebenen).
Bruns und Heimbucher (1992) kamen zu dem Schluß, daß zuk¨unftige Simulations-systeme f¨ur experimentelles, partizipatives Systemdesign ein erfahrungsorientiertes Mo-dellierungswerkzeug bieten sollten, das m¨ogliche Perspektivenwechsel akzentuiert, einen Wechsel der Ebene erm¨oglicht und Simulation als Suchmethode unterst¨utzt. Als L¨osung des Problems separater erfahrungsorientierter greifbarer Modelle und Simulationsmodelle, die manuell miteinander synchronisiert werden m¨ussen, bot sich die Idee der Kopplung von realen und virtuellen Modellen an - und damit auch die Ausnutzung der Vorteile
24Suche nach Alternativen der Automatisierung und Arbeitsorganisation bei der Planung des Contai-nerterminals 3 in Bremerhaven (CT3); Getriebefertigung beim Bremer Vulkan; Projekt zu Alternativen der Produktionsstraßengestaltung bei der Kellogg’s Nahrungsmittelaufbereitung.
25Informatiker neigen dazu, auf die effektive Implementierung st¨orungsfreier Regelf¨alle zu achten.
Nachtr¨aglich von Praktikern w¨ahrend der Planungsprozesse sukzessive eingebrachte Ausnahmen und St¨orf¨alle stellen immer eine besondere Herausforderung, wenn nicht gar St¨orung dar.
Abb. 2.34: Planung einer Fabrikanlage am gegenst¨andlichen Modell (Scheel und Forster 1994)
von beiden (Bruns 1993). Da das Simulationsmodell automatisch erstellt wird, ist keine zus¨atzliche Arbeit erforderlich und entfallen damit verbundene Fehlerquellen.
Anf¨anglich sah die artec Forschungsgruppe in 3D-Visualisierungstechniken und Vir-tual Reality Methoden eine Option zur Veranschaulichung. Als Alternative zur Desktop-Metapher wurde die 3D-Werkstattmetapher diskutiert, sp¨ater die F¨orderung sinnlicher Wahrnehmung (multi-sensorische Interaktion) und Alternativen zur Virtualisierung. Wei-tere Diskussionen f¨uhrten zur Erkenntnis, daß eine ¨ubergangsgerechte Technikgestaltung, die an Bekanntem ansetzt, bei geringem Einstiegsaufwand ¨Uberg¨ange zu neuen, unbekann-ten Techniken und Lernprozesse erm¨oglichen kann. Das Leitbild ver¨anderte sich von der Bewahrung von Gewohnheiten hin zum Leitbild der (gewollten) Erfahrungs¨uberg¨ange.
Wenn wir heute ¨uber die Motivation des Real Reality Konzeptes sprechen, ist unsere Sichtweise differenzierter geworden. Eine Kritik graphischer Benutzungsschnittstellen muß heutzutage wesentlich differenzierter ausfallen als noch zu Beginn der 90er. Auch die Erfah-rungswelten der Benutzer haben sich ver¨andert. An Bedeutung gewonnen hat das Konzept derUberg¨ange, das Schaffen von ¨¨ Ubersetzungen sowie der engen Kopplung zwischen Rea-lem und VirtuelRea-lem. Die Frage, wann welches Medium besser ist und welche ¨Uberg¨ange jeweils bereitgestellt werden sollten, muß bei jeder Aufgabe neu beantwortet werden.
Bedingt durch die beschriebenen Erfahrungen in der partizipativen Fabrikplanung und die enge Zusammenarbeit mit Berufsp¨adagogen (Bruns, Heimbucher, M¨uller et al. 1997), haben bisherige Projekte das Real Reality (RR) Konzept vor allem zur Unterst¨utzung von Planungs- und Lernprozessen eingesetzt.
2.4.7.2 Real-virtuelle Planung von F¨orderbandanlagen
Im DFG-Projekt RUGAMS26 wurde als Einsatzbereich die Planung von F¨orderband-anlagen f¨ur die Produktion untersucht (Abb. 2.32). Dabei wird zun¨achst das statische Layout des F¨orderbandsystems entworfen und danach dessen dynamisches Verhalten be-stimmt. Vergleichende Studien zur Simulation und Modellierung von Hallenlayouts mit F¨orderb¨andern, Verzweigungen und Bearbeitungsstationen hatten gezeigt, daß verschie-dene Personen mit verschieverschie-denen Simulatoren jeweils verschieverschie-dene Ergebnisse erzielen.
Dies lag zum einen an Unklarheiten der Aufgabenstellung, zum anderen an unterschied-lichen Implementierungen der Simulationsbausteine. Vermutet wurde, daß solche Fehler und Unstimmigkeiten beim Vormachen des gew¨unschten Verhaltens an stofflichen Modell-anlagen eher bemerkt werden. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist die Anschaulichkeit, einfache Benutzbarkeit sowie die M¨oglichkeit intuitiver, spielerischer Herangehensweisen.
Es wurden Datenhandschuhe verwendet, um
Abb. 2.35: Entnahme realer und virtu-eller Objekte aus der ObjectBox Handbewegungen und -gesten der Anwender zu
registrieren und so indirekt eine Kopplung zwi-schen realem und virtuellem Modell zu erreichen.
Position und Orientierung der Hand werden ¨uber ein elektromagnetisches Trackingsystem erkannt und Gesten anhand charakteristischer Verformun-gen der Handschuhe identifiziert. Wird der Ob-jectBox ein Element entnommen, wird das ent-sprechende virtuelle Zwillingsobjekt vom Com-puter erzeugt (Abb. 2.35).
Die realen Objekte k¨onnen abgelegt und sp¨ater erneut positioniert werden. Die virtu-ellen Zwillingsobjekte werden dementsprechend im virtuvirtu-ellen Modell plaziert. Durch die Auswahl einer ObjectBox wird zwischen verschiedenen Typen realer Gegenst¨ande gew¨ahlt.
Der Abstraktionsgrad des realen und virtuellen Modells m¨ussen nicht ¨ubereinstimmen.
Abb. 2.36: (links) Programmieren durch Vormachen: Erzeugen der Regel f¨ur einen alter-nativen Pfad
(rechts) Projektion der Simulation auf die Bausteine des realen Modells
26Rechnergest¨utzte ¨Uberg¨ange zwischen gegenst¨andlichen und abstrakten Modellen produktionstechni-scher Systeme BR 1556/2-1. (Sch¨afer 1998; Ernst, Sch¨afer und Bruns 1999; Hornecker und Sch¨afer 1999)
Die Anwender bauen zun¨achst das Layout der F¨orderb¨ander auf. Bereits nach die-ser statischen Modellierung ist eine ereignisorientierte Simulation m¨oglich. Jeder virtuelle Baustein besitzt ein charakteristisches Vorgabeverhalten. Die topologische Analyse des virtuellen Modells verkn¨upft die einzelnen Bausteine zu einem simulationsf¨ahigen Ge-samtmodell. In der folgenden Phase wird das Verhalten des Modells genauer spezifiziert.
Man demonstriert das erw¨unschte Verhalten, indem man die Bewegung der Objekte – bzw. die Regeln daf¨ur – manuell vormacht. Eine solche Regel w¨are z.B., daß Container eines bestimmten Typs auf einem bestimmten Pfad transportiert werden und bestimm-te Bearbeitungsschritbestimm-te durchlaufen. Zudem k¨onnen Verzweigungsregeln definiert werden.
Sensoren, die diese Regeln ausl¨osen, werden durch Marken gekennzeichnet, um dann al-ternative Wege zu demonstrieren (Abb. 2.36 links).
Dieses
”Programmieren durch Vormachen“
er-Abb. 2.37: Ein funktionales Modell: Fi-schertechnikanlage mit Sensoren und Aktoren, die SPS-Code ausf¨uhren kann zeugt Code, der in SPS-Programme ¨ubersetzt
und zur Steuerung eines Simulationsmodells ver-wendet werden kann. Die Simulation ist mit dem virtuellen 3D-Modell verbunden und erzeugt ei-ne 3D-Animation. Das SPS-Programm kann ein funktionales (und daher recht großes) Fischer-technik-Modell der Anlage steuern. Eine Projek-tion des simulierten Anlageverhaltens auf den Arbeitstisch schafft eine weitere Dimension der Anschauung (Abb. 2.36 rechts). Farbige Objekte scheinen ¨uber die F¨orderb¨ander zu laufen, verlei-hen der Simulation Konkretheit und halten die Funktion des realen Arbeitsbereichs als Ort der Diskussion aufrecht.
Hier wird der Stellenwert funktionaler
Mo-delle innerhalb dieses Ansatzes deutlich. Es kann aus mehreren Modell-Ebenen gew¨ahlt werden. Holzbausteine bieten eine abstrakte Repr¨asentation und dienen als greifbare Sym-bole. Deutlich mehr Platz ben¨otigen die Fischertechnikmodelle, die in Abbildung 2.32 zu sehen sind und in ihrer Form den realen Gegenst¨ucken ¨ahneln, also ikonische Symbole sind. Idealvorstellung des Real Reality Ansatzes ist jedoch die Verwendung funktionaler Fischertechnikmodelle (Abb. 2.37) mit Sensoren und Aktoren, die mit SPS-Programmen gesteuert werden k¨onnen. Dies sind verkleinerte, funktionsf¨ahige Modelle der geplanten Real-Anlage. Solche funktionalen Modelle gibt es bislang nur innerhalb des Real Reality Ansatzes.
2.4.7.3 Hybride Lernumgebungen f¨ur den Pneumatikunterricht
Die abnehmende Konkretheit von Produktionsprozessen hat auch Folgen f¨ur die Ausbil-dung. Auszubildende kommen in der betrieblichen Praxis nur noch selten mit den eigentli-chen Prozessen in Ber¨uhrung. Daher muß die Berufsschule vermehrt eine
”handgreifliche“
Erfahrung realer, in betrieblicher Praxis nicht mehr zug¨anglicher Ph¨anomene erm¨oglichen
(Robben und Hornecker 1998). Im DFG-Projekt EUGABE27 wurde der Prototyp einer Lernumgebung f¨ur den Berufsschulunterricht in Pneumatik entwickelt (Robben und Hor-necker 1998; HorHor-necker und Sch¨afer 1999; HorHor-necker und Robben 1999).
Pneumatik spielt eine wichtige Rolle in der industriellen Produktion und dient zur Steuerung von Maschinen und ¨Ubertragung von Kraft. Daher ist es in der Ausbildung wichtig, ein Verst¨andnis sowohl f¨ur die realen Ph¨anomene, als auch f¨ur den logischen Auf-bau solcher Steuerungen zu vermitteln und Berufssch¨uler zu bef¨ahigen, die verschiedenen Repr¨asentationen aufeinander zu beziehen. Die Lernumgebung koppelt daher die pneu-matische Schalttafel mit computergenerierten Modellen und Diagrammen. ¨Uber eine syn-chrone Verbindung kann man mittels einfacher Gesten das Simulationssystem ansteuern, Information bzw. Hilfe zu einzelnen Bauteilen anfordern oder die Simulation starten.
Abb. 2.38: Verschiedene Repr¨asentationsformen pneumatischer Schaltungen und Elemente
Reale Pneumatikschaltungen und der Umgang mit ihnen haben eine wichtige mo-tivationspsychologische Wirkung. Mit einigen Handgriffen eine greifbare, h¨orbare und funktionierende Automationssequenz zu erzeugen, liefert st¨arkere Erfolgserlebnisse als die funktional richtige Positionierung und Verkn¨upfung von Symbolen am Bildschirm. Die Materialit¨at der Bauteile und der Druckluft-Ph¨anomene steigert die Eindr¨ucklichkeit des Lernerlebnisses.
Ein weiteres Ziel des Projekts war die Unterst¨utzung
Abb. 2.39: CLEAR im Unter-richt
kooperativen Lernens, des gemeinsamen Diskutierens ¨uber Probleme, Ideen und L¨osungen. Dies wird durch den bei der Arbeit an traditionellen Schalttafeln und Experimen-tiertischen entstehenden gemeinsamen Interaktionsraum erleichtert. In fr¨uhen Phasen des Nachfolgeprojektes BRE-VIE war das Lernsystem noch nicht mit der Schalttafel ge-koppelt. Unterrichtsbeobachtungen zeigten, daß die Ler-nenden oft mehr mit der Ansteuerung und Konfiguration des Rechners sowie anderen Programmen besch¨aftigt wa-ren als mit der Lernumgebung. Zudem b¨urgerte sich in einigen Gruppen eine relativ feste Arbeitsteilung ein: Ei-ne Person war vorwiegend daf¨ur zust¨andig, die virtuelle Schaltung nachzubauen, Hilfen aufzurufen, sowie die Ergebnisse mitzuteilen.
Im EU-Projekt BREVIE (Brauer et al. 2000; Schmudlach et al. 2000) wurde die obi-ge Anwendung in enobi-ger Zusammenarbeit mit vier europ¨aischen berufsbildenden Schulen zu einem im Schulbetrieb verwendbaren Prototyp (CLEAR) weiterentwickelt und
evalu-27Erfahrungsorientierte ¨Uberg¨ange zwischen gegenst¨andlichen und abstrakten Modellen technischer Sy-steme zur beruflichen Qualifizierung BR 1556/ 3-2
Abb. 2.40: ¨Uber Hyperbonds verteilte Schaltung
iert. Zur Erh¨ohung von Stabilit¨at und Ergonomie wurde Bilderkennung von Strichcodes eingesetzt. Das Institut f¨ur Arbeitspsychologie der ETH Z¨urich f¨uhrte eine begleitende Evaluation durch (Grund und Grote 1999; Grund und Grote 2001). Diese l¨aßt vermuten, daß der Umgang mit dem realen Unterrichtsgegenstand wichtiger f¨ur den Lernprozeß ist als die Simulation. Dies wird auch daran deutlich, daß der Anteil der Interaktion mit den realen Schaltungen w¨ahrend des Unterrichts ein zuverl¨assiger Prognosefaktor f¨ur die Leistung im Endtest war (pers¨onliche Mitteilung von Sven Grund).
Im EU-Projekt DERIVE wurde der Ansatz auf das verteilte, gemischt real-virtuelle Modellieren erweitert. Die Schaltung wird in mehrere Teile aufgeteilt, die an verschie-denen Orten aufgebaut und ¨uber ein virtuelles Simulationsmodell miteinander verkn¨upft werden. Eine Reihe sogenannterHypertubes verbindet Schalttafel und virtuelles Simulati-onsmodell (hintere Reihe der Schalttafel im Bild). Wird ein Schlauch mit einem Hypertube verbunden, erkennt das System den anliegenden Luftdruck und wandelt ihn in Signale f¨ur den angeschlossenen virtuellen Schlauch um. Digitale Signale werden in realen Luftdruck umgesetzt. So k¨onnen Teile einer Schaltung ins Virtuelle ausgelagert werden, man kann auf fertige Teill¨osungen zur¨uckgreifen, reale Teil-Schaltungen zu einer Tele-Schaltung zu-sammenkoppeln oder eine reale Anlage mit einer realen Pneumatikschaltung fernsteuern.
Wegen der Option der halb-virtuellen Modellierung und der klaren Grenze zwischen Teil-schaltungen z¨ahlt das System vermutlich zum Bereich der
”Mixed Reality Boundaries“
(Koleva et al. 1999). Dies bezeichnet die Verbindung getrennter, aber angrenzender virtu-eller und realer R¨aume durch transparente, bidirektionale, durchl¨assige Fenster. Prinzipiell m¨oglich w¨are jedoch auch eine Projektion virtueller Schaltungselemente auf den Tisch und zwischen die realen Schaltungsbestandteile; dies wurde jedoch nicht als didaktisch sinnvoll eingestuft.
2.4.7.4 Stufen der Gegenst¨andlichkeit
Real Reality legt besonderen Wert auf die Gegenstandsn¨ahe des Modells. Modelle unter-scheiden sich z.B. im Grad der ¨außeren ¨Ahnlichkeit mit dem Zielobjekt (Ikonizit¨at) so-wie im Ausmaß funktionaler ¨Ahnlichkeit. Funktionale Modelle sind experimentf¨ahig – sie
erm¨oglichen Simulationen eines Zielsystems und stellen so einen Zwischenschritt zwischen rechnerbasierten Simulationen und der Pr¨ufung unter Realbedingungen dar (Brauer 1999, S.99,122). Ein funktionales Modell, das ¨ahnliche Operationen ausf¨uhren kann wie das Zielobjekt, muß diesem dabei nicht zwangsl¨aufig ¨außerlich ¨ahneln. Umgekehrt hat ein iko-nisches Modell nicht automatisch dieselbe Funktionalit¨at. Im Rahmen von Diskussionen
¨uber den Grad der Gegenst¨andlichkeit verschiedener Modelle in Real Reality wurde die folgende, grobe Einteilung auf einem Kontinuum vorgeschlagen:
- Holzbausteine (abstrakte Symbole)
- Fischertechnik (¨außere ¨Ahnlichkeit, ikonisch)
- funktionale Fischertechnik (Funktions-Emulation) - funktionale Real-Modelle (verkleinerte Kopie)
- reale Zielgegenst¨ande
(Beschriftete) Holzbausteine sind rein abstrakte Repr¨asentationen ohne ¨außere ¨ Ahn-lichkeit mit den Referenzobjekten; sie fungieren als greifbare Symbole. Sind die verwen-deten Symbole den Anwendern vertraut, kann das Modell f¨ur diese dennoch anschaulich sein. Modellieren mit Holzbausteinen nutzt die Vorteile greifbarer Modelle und appelliert an die kindliche Erfahrung des Spielens mit Baukl¨otzen. Durch die Greifbarkeit erm¨oglicht es insbesondere spielerische, nicht-rationale Umgangsweisen. Wichtig ist, daß die Symbo-le f¨ur alle Beteiligten bedeutsam sind und sich die Bedeutungen hinreichend ¨uberdecken.
Mit Bedacht gew¨ahlte Symbole sowie Formen k¨onnen dazu beitragen, daß das Modell zum
”Boundary Object“, zum Grenzobjekt f¨ur die Diskussion verschiedener Praxisgemeinschaf-ten wird.
Aus Fischertechnik lassen sich relativ detailgetreue Modelle von z.B. F¨orderb¨andern und Bearbeitungsstationen zusammenbauen, die nur wenig gr¨oßer als Holzbausteine sind.
Die ¨Ahnlichkeit ist jedoch rein ¨außerlich. Solche Modelle orientieren sich an der Erfah-rungswelt der Facharbeiter und Bediener der Anlagen. Fischertechnikmodelle (oder mit anderen technischen Konstruktionssystemen erstellte Modelle) sind zwar ohne Verhalten, unterliegen aber vielen Naturgesetzen: Ein falsch konstruiertes Artefakt f¨allt z.B. um (Fi-scher und Boecker 1983).
Deutlich gr¨oßer sind funktionale Fischertechnikmodelle, die ¨uber eine Anlagensteue-rung mit SPS-Code gesteuert werden k¨onnen. Das Modell ist zwar verkleinert, unterliegt aber ann¨ahernd den gleichen Gesetzen wie das Zielobjekt. W¨ahrend z.B. in der Simulation Transportg¨uter ¨ubereinander laufen k¨onnen, wirft im funktionalen Modell ein Container den anderen vom Band oder blockiert das Band. In einer zu engen Kurve bleiben Container h¨angen oder fallen vom Band. Einschr¨ankungen im Grad der ¨Ubereinstimmung liegen dort vor, wo keine lineare Relation zwischen dem naturgesetzlichen Verhalten von Zielobjekt und Modell besteht.
Eine Zwischenstufe auf dem Weg zu den realen Zielgegenst¨anden stellen funktionale Real-Modelle dar, wie die Pneumatik-Lernumgebungen f¨ur den Berufsschulunterricht. Die dort verwendeten Zylinder und Schaltungselemente sind nicht die gleichen wie die in der industriellen Fertigung verwendeten, insbesondere sind sie deutlich kleiner. Dennoch sind sie in sich vollst¨andig und zeigen das gleiche Verhalten wie die Zielobjekte, Tests sind also verl¨aßlich.
2.4.8
”Augmented Paper“ - papierbasierte Tangibles
Zahlreiche ethnographische Studien des letzten Jahrzehnts zeigen die Bedeutung von Pa-pier als Arbeitsmaterial und dessen lange verkannten Eigenschaften, die das sog.
” Papier-lose B¨uro“ zur Illusion machen.28 Man kann, w¨ahrend man andere T¨atigkeiten verfolgt, handschriftliche Notizen machen. Diese Markierungen sind anhand von Handschrift, Far-be etc. gut unterscheidbar, heFar-ben sich vom Originaldokument ab und machen jedes Blatt einzigartig. Gleichzeitig ist Papier ein Medium, das
”at-a-glance information“ f¨ur andere Anwesende erlaubt. Das Medium ist statisch und ver¨andert sich auf vorhersehbare Weise.
Dokument und Medium sind eins. Papier wird auf sichtbare Weise transportiert und ge-lagert und daher oft als Erinnerungsst¨utze genutzt. Dss Weiterreichen eines Dokuments demonstriert h¨aufig einen symbolischen Transfer von Verantwortlichkeiten. Die Nutzungs-muster sind leicht adaptierbar, es erm¨oglicht die ad-hoc Erfindung neuer Objekte und Verwendungsweisen. Papier ist leicht transportabel und kann r¨aumlich arrangiert bzw.
ausgebreitet werden.
Viele Berufszweige weigern sich zu Recht, papierbasierte
Abb. 2.41: Designers’ Out-post
Arbeitsmethoden aufzugeben. Oft leidet die Effizienz und die Arbeitslast wird infolge der Ersetzung durch Computerme-dien gr¨oßer. Viele der erw¨ahnten Eigenschaften unterst¨utzen Kommunikation und Koordination in Arbeitsprozessen. Die Verlagerung in den Computer macht vieles, was vormals sicht-bar und beobachtsicht-bar war, unsichtsicht-bar. Aus situativ befolg-ten und adaptierbefolg-ten Konventionen werden starre Workflows.
H¨aufig entdecken Studien ein Nebeneinander von Papier und computerbasierten Arbeitsabl¨aufen, weil erstere nicht ersetz-bar sind. Eine wachsende Zahl von Projekten befaßt sich daher mit
”Augmented“ bzw.
”Interactive Paper“. Vorhan-dene Arbeitspraktiken dienen dabei als Ausgangspunkt. Tra-ditionelle Arbeitsmaterialien werden erhalten, medial erwei-tert, bzw. emuliert und ersetzt. Da manuelle
Arbeitsprakti-ken unterst¨utzt werden, lassen sich diese Systeme als in Bezug auf Dreidimensionalit¨at und haptisch-taktile Erfahrbarkeit eingeschr¨ankte Tangible Interfaces interpretieren.
Designers’ Outpost (Klemmer et al. 2000; Klemmer et al. 2000) orientiert sich an Ar-beitspraktiken von Webdesignern. Diese entwerfen die Architektur bzw. Verkn¨ upfungs-struktur von Webseiten auf großen Papierb¨ogen, sammeln Themen auf Klebezetteln und kategorisieren diese. Designers’ Outposterm¨oglicht es, aus dem Papierentwurf die Grund-struktur der Webseiten zu extrahieren. Als Arbeitsfl¨ache dient ein ber¨uhrungssensitives SmartBoard. Die zugeh¨origen Stifte werden zum Zeichnen der Verbindungslinien und An-merkungen verwendet. Klebezettel werden auf einem digitalen Tablet beschrieben. Kame-ras erkennen die Position der Klebezettel und identifizieren sie durch den Vergleich mit der digitalisierten Kopie.
Wendy Mackay untersuchte verschiedene papierbasierte Arbeitsmedien sowie deren Einsatzpraxis und M¨oglichkeiten ihrer Erweiterung: Ingenieurszeichnungen, Storyboards zum Entwurf von Videoclips und die
”Flight Strips“ der Fluglotsen (Mackay und Fayard 1999; Mackay 2000b). Einzelne Storyboard-Elemente (comic-artige Zeichnungen) werden w¨ahrend der Vorplanung eines Videos oft r¨aumlich arrangiert, bisweilen sogar auf dem
28z.B.: (Luff, Heath und Greatbatch 1992; Mackay und Fayard 1999; Mackay 2000b; Bellotti und Rogers 1997; Sellen und Harper 1997; Schmidt und Wagner 2002) und (Klemmer et al. 2000). Bis Mitte der 90er gab es keine Studien, die die Papiernutzung in den t¨aglichen Aktivit¨aten von Individuen innerhalb von Organisationen untersuchten, aber zahlreiche Marketingdaten ¨uber den Papierverbrauch (Sellen und Harper 1997).