Virtuelle Labore - Beitrag zur Fachtagung Virtueller ... - Virtual labs

Marco Schlattmann, Anja Hasler, Ralf Kuczewski
Werkzeuge und Methoden zur Entwicklung virtueller Labore
Einleitung
Gentechnische Praktika sind ein wesentlicher Baustein im Studium der Biologie,
Biochemie, Bioinformatik, Chemie und in naher Zukunft auch in der medizinischen
Ausbildung. Der hohe Bedarf an Ressourcen stellt dabei große Ansprüche
an Lehrende und Lernende. Die einen müssen für große Zahlen von Studierenden
akzeptable Arbeitsumgebungen schaffen, die anderen müssen oft über längere,
zusammenhängende Zeiträume im Labor präsent sein. Im Oldenburger Informatik-Institut
OFFIS wird deshalb schon seit mehreren Jahren die verstärkte
Nutzung von IuK-Technologien zur Ausbildung in den Biotechnologien erforscht.
Ausgangspunkt der Forschung war das dreijährige BMBF-Projekt "Mu ltimediales
Gentechnisches Praktikum" 1 (kurz „GenLab“), das im vergangenen
Jahr erfolgreich abgeschlossen wurde. In Kooperation mit Gentechnologen des
Instituts für Mikrobiologie der Universität Düsseldorf und Spektrum Akademischer
Verlag wurde ein virtuelles Experimentalpraktikum entwickelt, das die
Grundlagen des praktischen Arbeitens in der Gentechnologie vermittelt. Die
Projektergebnisse bieten zahlreiche Ansatzpunkte für weitere Forschungsarbeiten.
So ist die Entwicklung eines virtuellen Labors ausgesprochen aufwändig
und enorm kostspielig. Im DFG-Projekt "VirtLab" 2 werden deshalb seit Ende
2000 softwaretechnische Methoden und Werkzeuge für eine effizientere En twicklung
erforscht. Die Erstellung virtueller Labore auch für andere Bereiche
soll standardisiert und stärker automatisiert werden.
Dieser Beitrag zeigt zunächst am Beispiel des virtuellen Gen-Labors, wie Studenten
sich mit interaktiven Experimenten gezielter auf die praktische Laborarbeit
vorbereiten können. Die Probleme bei der Entwicklung solcher Anwendungen
werden diskutiert und spezielle Methoden und Werkzeuge (Vorgehensmodell,
Framework, interaktive Tools) vorgestellt, die die Entwicklung virtueller
Labore und Praktika quantitativ und qualitativ verbessern.
1 Das Projekt „GenLab“ wurde von 1998-2000 im Rahmen des BMBF-Fördermaßnahme
„Weiterentwicklung des wissenschaftlichen und technischen Buches zur multimedialen
Wissensrepräsentation“ unter dem Förderkennzeichen 08 C58 34 7 gefördert.
2 Das Projekt „VirtLab“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im
Schwerpunktprogramm „V3D2“ (Verteilte Verarbeitung und Vermittlung digitaler Dokumente)
gefördert.

Das GenLab-System
Gentechnische Versuche erfordern viel Betreuung und erhebliche Ressourcen,
sowohl an Reagenzien als auch an Geräten und Laborplätzen. Ein Praktikum in
einer virtuellen, multimedialen Rechnerumgebung erlaubt es Studierenden demgegenüber,
Erfahrungen im Umgang mit Geräten und Reagenzien zu gewinnen
und den Ablauf der Versuche zu erlernen, ohne materielle Ressourcen zu
verbrauchen. Die Durchführung realer Praktika kann damit effizienter gestaltet,
teuren Fehlversuchen kann vorgebeugt werden. Kernpunkt des "Multimedialen
Gentechnischen Praktikums" (GenLab) ist dabei die möglichst realitätsnahe
Repräsentation der Laborumgebung und der Arbeitsweise. Nur so können Studierende
die Praxis im Umgang mit Geräten und Reagenzien bereits am Rechner
einüben und gleichzeitig ein tiefes Verständnis für die gentechnischen Abläufe
entwickeln. Das GenLab-System besteht strukturell aus zwei Teilen, die inhaltlich
miteinander verbunden sind:
?? dem virtuellen Seminarraum und
?? dem virtuellen Gen-Labor.
Nach dem Start betritt ein Nutzer zunächst den Seminarraum. Hier befindet sich
u.a. ein Computerarbeitsplatz, eine Leinwand und eine Bibliothek. Mit dem „virtuellen“
Computer lassen sich Experimentergebnisse auswerten. Auf der Leinwand
können zeitabhängige Medien präsentiert werden: Animationen die die
Grundlagen der Gentechnologie veranschaulichen oder interaktive Lerneinheiten.
In der Bibliothek befinden sich vier virtuelle Aktenordner. Die Ordner enthalten
textuell-graphische Informationen zu chemischen Substanzen, Laborzubehör,
Laborgeräten und den Grundlagen der Gentechnologie (Abb.1).
Abb. 1: Elektronischer Aktenordner mit Informationen zu Arbeitsgeräten im Labor

Kernstück der Anwendung ist aber das eigentliche „virtuelle“ Labor, das über
den Seminarraum betreten werden kann. Hierbei handelt es sich um die virtuelle
Umsetzung eines realen Gen-Labors. Das Labor inklusive der benötigten Geräte
und Chemikalien ist im Rechner modelliert und wird grafisch auf dem Bildschirm
präsentiert (Abb. 2). Benutzern wird die Möglichkeit gegeben, per
Maussteuerung gentechnische Experimente analog zu den Abläufen im realen
Labor durchzuführen. Nutzer können sich z.B. im Labor bewegen, Geräte bedienen
und Chemikalien pipettieren.
Abb. 2: Eine Arbeitsfläche im virtuellen Gen-Labor
Dabei kommen die Vorteile gegenüber realen Praktika in Form einer ständigen
Fehlerüberwachung, Steuerungs- und Korrekturmöglichkeiten sowie einer engen
Verknüpfung zur Informationskomponente zum Tragen. So kann die richtige
Bedienung der Geräte z.B. zuvor in einer interaktiven Bedienungsanleitung
Schritt für Schritt gelernt werden. Und um die in Aktenordnern im Seminarraum
abgelegten Informationen zu Geräten und Zubehör zu erreichen, genügt ein
Klick mit der rechten Maustaste auf einen Laborgegenstand. Damit der Nutzer
das angestrebte Versuchsergebnis erzielen kann, können bei Bedarf weitere
Ratschläge und Hinweise vom System eingeholt werden: Schwierige Arbeitsschritte
können z.B. animiert vorgeführt werden. Ist der Nutzer selbst aktiv, so
informiert die Fehlerüberwachung über den Stand des Experiments und verhindert
grobe Verstöße.
Technisches Konzept
GenLab wurde auf PCs unter Windows NT bzw. Windows 2000 entwickelt.
Von zentraler Bedeutung bei der Implementierung war das verwendete Autorensystem
Macromedia Director. Director, das derzeit verbreitetste Autorensystem,
ist aufgrund seines zeitachsen-basierten Ansatzes in Kombination mit der ob-

jektorientierten Programmiersprache Lingo hervorragend für die Erstellung
hochgradig interaktiver dynamischer multimedialer Anwendungen geeignet. Zur
Produktion bzw. Bearbeitung der Medienobjekte für die virtuelle 3D-Welt wurden
insbesondere die Produkte Adobe Photoshop und Maxon Cinema 4D eingesetzt.
Um umfangreiches, hochwertiges und schnell zugängliches Medienmaterial (Fotos,
Quicktime-VR Objekte, Animationen) in GenLab integrieren zu können,
wurde das System in erster Linie als CD-ROM-Anwendung entworfen. Macromedia
Director unterstützt mit Hilfe der Shockwave-Technologie jedoch auch
die Integration von Director-Anwendungen in WWW-Dokumente. Im Hinblick
auf eine optionale Online-Nutzung der GenLab-Inhalte – die insbesondere durch
die Anbindung der Universitäten an leistungsfähige Breitbandnetze auch für
Multimedia-Inhalte möglich ist - wurde dieser Aspekt bei der Konzeption und
Implementierung des Systems bereits berücksichtigt. So sind die enthaltenen
Lerneinheiten (Experimente, Animationen, interaktive Bedienungsanleitungen,...)
modular aufgebaut, einzeln lauffähig und Online distributierbar.
Bei der technischen Konzeption wurde zudem berücksichtigt, dass an den Universitäten
keine Hochleistungs-Multimedia-PCs zur Visualisierung virtueller
Welten für die Studenten zur Verfügung stehen. Mit Hilfe vorgerenderter 3D-
Bilder und dem Einsatz von Datenreduktionstechniken ist das System deshalb
auch auf Standardrechnern bereits uneingeschränkt einsatzfähig. Das Programm
kann weiterhin ohne Installation direkt von der CD gestartet werden und erlaubt
so eine unproblematische Bereitstellung der Software.
Werkzeuge und Methoden
Interaktivität, Freiheitsgrade und eine fotorealistische Darstellung der Umgebung
sind wesentliche Eigenschaften des virtuellen Gen-Labors. Die Entwicklung
einer solchen multimedialen Anwendung ist aufwändig und enorm kostspielig.
Die Wiederverwendbarkeit bestehender Komponenten, die leichte Erweiterbarkeit
um neue Lerninhalte sowie die Übertragbarkeit des gewählten Lösungsansatzes
auf andere Naturwissenschaften aber auch auf andere Programmiersprachen
oder Distributionsmedien wie das Internet waren deshalb wichtige
Ziele beim softwaretechnischen Entwurf des virtuellen Gen-Labors. Es wurden
spezielle Entwurfs- und Implementierungshilfsmittel entwickelt und eingesetzt,
die den Entwicklungsaufwand reduzieren:

Framework für virtuelle Labore
Die Realisierung eines hochgradig interaktiven virtuellen Labors ist nicht mit
Hilfe von Director-Zeitleiste und Skriptprogrammierung sondern nur unter Einsatz
eines objektorientierten Programmieransatzes zu bewältigen. In objektorientiertem
Lingo wurde deshalb ein Framework entwickelt, das auf einer abstrakten
Ebene den Implementierungsrahmen eines virtuellen Labors vorgibt und so z.B.
die Erstellung und den Austausch von Laborgeräten und die Einbindung neuer
Experimente erleichtert (Abb. 3).
Abb. 3: Schichtenmodell des Frameworks
Das Framework beruht auf dem Model-View-Controller-Konzept (MVC, vgl.
[Gamma u. a. 1995]). Kernpunkt dieses Konzepts ist die Teilung der Anwendung
in Eingabe (Controller), Verarbeitung (Model) und Ausgabe (View). Der
Controller nimmt Benutzereingaben an, das Objekt Model speichert und
bearbeitet Daten unabhängig von ihrer Darstellung. Der View ist für die
grafische Ausgabe des Modelinhalts auf dem Bildschirm zuständig. Durch die
Entkopplung der drei Komponenten erhöht das MVC-Konzept die Flexibilität
und Wiederverwendbarkeit der Software. Das Framework ist nicht auf die
Realisierung gentechnischer Labore beschränkt sondern stellt ein Metamodell
für alle Arten naturwissenschaftlich-technischer Labore da und erlaubt somit
auch die Entwicklung neuer Labortypen etwa für die Physik oder Chemie.
[Elfreich 1999] konnte nachweisen, dass sich der gewählte Ansatz auch auf
andere Programmiersprachen übertragen lässt. Folgende Aspekte sind im
Genlab-Framework berücksichtigt:
?? Simulation molekularbiologischer Prozesse
?? Animierte Vorführung vs. Freie Versuchsdurchführung
?? Basis GUI-Elemente
?? Transport von Objekten
?? Übernahme von Ergebnissen aus Teilversuchen
?? Drag & Drop
?? Konfigurieren von Interaktionsbeziehungen

?? Z-Order
?? Kollisionserkennung
?? Schwerkraft, Beleuchtung
?? Containment-Beziehungen
Aus Gründen der Performance verwendet der aktuelle GenLab-Prototyp ausschließlich
2D-Sprites und vorgerenderte Bitmaps, um einen dreidimensionalen
Eindruck der virtuellen Laborumgebung zu erzielen. Eine prototypischen Erweiterung
des Genlab-Frameworks unter Verwendung von in Echtzeit gerenderten
3D-Modellen wurde jedoch bereits entwickelt [Heuten 2001]. Bei der 3D-
Darstellung werden im Gegensatz zu der 2D-Darstellung erheblich höhere Anforderungen
an die Ressourcen des verwendeten Computer-Systems gestellt.
Dafür ist mit der 3D-Darstellung eine höhere Flexibilität in der Darstellung der
Laborgegenstände möglich.
Autorenwerkzeuge und Templates für den virtuellen Seminarraum
Die Erstellung des virtuellen Seminarraums ließ sich mit deutlich weniger Programmieraufwand
bewältigen. Hier ging es primär darum, Animationen zu
erstellen und die verschiedene Medien wie Bild, Ton und Text zu einem multimedialen
Beziehungsnetzwerk zusammenzufügen; ein Prozess der bereits durch
die Entwicklungshilfen und Konzepte von Multimedia Autorensysteme stärker
unterstützt wird. Dennoch wurde auch hier nach Möglichkeiten gesucht, diese
Vorgänge methodisch weiter zu vereinfachen und zu beschleunigen.
Bei der Verarbeitung von Text wurde insbesondere wurde auf den Einsatz und
die Verarbeitung der Standardformate HTML und XML gesetzt. Hier wurde mit
der „HTML-Toolbox“ eine Erweiterung für Macromedia Director entwickelt,
die u.a. Seitenumbruch und Layoutkontrolle, die Verwaltung von Hyperlinks
sowie die Aufbereitung des Buchmaterials für Drucker und CD-ROM automatisiert
und so die Erstellung und Integration elektronischer Bücher in den virtuellen
Seminarraum erheblich vereinfacht.
Weiterhin wurde zur Erstellung neuer Animationen für die virtuelle Leinwand
ein Template entwickelt. Das Template enthält bereits alle Grafiken und Skripte,
die für die Darstellung des Projektionsflächen-Hintergrundes und die Steuerung
der Animation mittels der virtuellen Fernbedienung nötig sind. Die eigentlichen
Inhalte der Animation können leicht in das bestehende Template eingefügt werden.
Dabei können vorgefertigte Grafiken zur Darstellung molekularbiologischer
Prozesse verwendet werden. Ziel dieses Ansatzes war es, Biologen mit
Grundkenntnissen der Multimedia-Entwicklung stärker in den Erstellungsprozess
mit einzubeziehen.

Vorgehensmodell
Ein Hauptproblem bei der Entwicklung virtueller Labore ist die Heterogenität
des Entwicklungsteams:
Informatiker sind für den technischen Entwurf und die Implementierung zuständig.
Fachexperten (Chemiker, Physiker, Gentechniker, ...) bringen ihr Wissen
über die Inhalte, die Laborausstattung und -benutzung sowie die teilweise sehr
komplexen Experimentabläufe ein. Weiterhin sind Didaktiker verantwortlich für
eine qualitativ hochwertige didaktische Aufbereitung und Nutzungsweise des
Inhalts. Besondere Probleme, die hier berücksichtigt werden müssen, sind die
Freiheiten der späteren Nutzer beim virtuellen Experimentieren: Inwieweit und
wann soll das System Hilfestellung geben? Sollen die Nutzer Fehler machen
dürfen und wie und wann reagiert das System darauf? Und Medien-Spezialisten
schließlich sorgen für eine ansprechende Gestaltung. Insbesondere sind 3D-
Modellierungsspezialisten für die Abbildung realer Labore in die virtuelle Realität
erforderlich. Animationsspezialisten kommt die Aufgabe zu, naturwissenschaftliche
Prinzipien und Vorgänge zu visualisieren und damit die Brücke zw ischen
Praxis und Theorie zu schlagen.
Im Rahmen des GenLab-Projektes wurde die Erfahrung gemacht, dass Monate
vergehen, ehe dieses interdisziplinäre Team eine gemeinsame Vorstellung vom
Entwicklungsprozess und dem geplanten Produkt hat. Es fehlen Modelle, die
definieren, wann welche Personen welche Aufgaben zu erledigen haben, und
spezielle einheitliche Notationen, die die Ergebnisse der Aktivitäten in einer für
alle Beteiligten verständlichen Form festhalten. In der ersten Teilphase des
VirtLab-Projekts wird deshalb zunächst auf Grundlage des Rational Unified
Process [Kruchten 2000] ein Vorgehensmodell zur Entwicklung virtueller Labore
erarbeitet, das den speziellen Anforderungen der Entwicklung solcher Softwaresysteme
gerecht wird. Das Vorgehensmodell erfüllt die folgende Anforderungen:
?? Unterteilung des Entwicklungsprozesses in mehrere Phasen mit fest
definierten Meilensteinen,
?? Identifikation der durchzuführenden Aktivitäten und der zu erzielenden Ergebnissen
(Dokumente, Software),
?? Zuordnen von Rollen zu den einzelnen Aktivitäten,
?? Bereitstellen von Anleitungen, Richtlinien und Methoden für die einzelnen
Aktivitäten,
?? Definition und Koordination von Workflows,
?? Integration einer Notation zur Repräsentation von Ergebnissen, Bereitstellen
von Guidelines, Templates, Handbüchern und Beispielen zur Anwendung
des Vorgehensmodells.

Ausblick
Mit unserem Ansatz, den Entwicklungsprozess für virtuelle Labore mit Werkzeugen
und Methoden stärker zu unterstützen und so die Produktion innovativer
Lernsoftware auch für sehr spezielle Zielgruppen für die Verlage wirtschaftlicher
und attraktiver zu machen, stehen wir noch am Anfang. Auf der Programmierebene
konnte der Entwicklungsprozess durch den Einsatz von Design-
Patterns und einem objektorientiertes Framework bereits handhabbarer gemacht
werden. Templates und Autorenhilfen erleichtern bereits die Integration von
theoretischen Hintergrundwissen in die Anwendung. Auf dieser Grundlage müssen
nun weitere visuelle Programmierumgebungen mit graphisch-interaktiven
Tools geschaffen werden, die den Naturwissenschaftlern selbst auch die Anpassung,
Erweiterung und Definition von Experimenten erlauben. So kann der Einsatz
virtueller Praktika in anderen Naturwissenschaften schneller ermöglicht
werden.
Literatur
[Elfreich 1999] Elfreich, Sigurd: Entwicklung eines Java-basierten objektorientierten Frameworks
für virtuelle naturwissenschaftliche Experimente im Internet. Oldenburg: Carl
von Ossietzky Universität Oldenburg, Fachbereich Informatik, Dezember 1999. Diplomarbeit.
[Gamma u. a. 1995] Gamma, Erich ; Helm, Richard ; Johnson, Ralph ; Vlissides, John: Design
Patterns : elements of reusable object-oriented software. Addison Wesley Longman,
Inc., 1995 (Addison-Wesley professional computing series).
[Heuten 2001] Heuten, Wilko: 3D Visualisierungskonzepte für virtuelle Labore. Oldenburg:
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Fachbereich Informatik, Februar 2001.
Diplomarbeit
[Kruchten 2000] Kruchten, Philippe: The Rational Unified Process : an introduction. 2nd
printing. Addison Wesley, 2000 (Addison-Wesley Object Technology Series)
Kontakt:
Marco Schlattmann
OFFIS e.V.
Escherweg 2
26121 Oldenburg
E-Mail: schlattmann@offis.de
URL: http://www.offis.de/genlab