Als we spreken van methoden en technieken bedoelen we methoden en technieken uit de computer science en de multimedia-wereld, die we willen onderzoeken op hun bruikbaarheid binnen de instrumentatietechnologie. Technieken zijn hierbij meestal zaken uit de informatica en methoden meestal zaken zoals: wat (?) en hoe (?) aangaande programmeertalen, auteurssystemen, e.d.
Aan de Universiteit Twente zijn in de periode 1985 - 1990 en daarna, een groot aantal experimenten uitgevoerd met computersimulatieprogramma's in het kader van het zoeken naar handzame, interactieve, effectieve leermiddelen. Dat onderzoek heeft, naast een groot aantal publicaties op het vakgebied van de educatieve instrumentatietechnologie, geleid tot een groot aantal soorten prototypes van computersimulatieprogramma's en tot algemeen toepasbare ontwerpsystemen om dergelijke simulatieprogramma's te maken: met name het MacTHESIS systeem en bijbehorende 'MacTHESIS filosofie' met betrekking tot ontwerpen van educatieve computersimulatieprogramma's. De onderzoeksfase is momenteel afgesloten. Het toepassen van dit ontwerpsysteem en het verspreiden van bevindingen, met name de ontwerp filosofie, is een doorlopende activiteit geworden.
Computersimulatieprogramma's kunnen om allerlei redenen niet met auteurssystemen worden gemaakt. Dat is het primaire probleempunt van het onderzoek en bij het ontwikkelen geweest. De Universiteit Twente heeft nu dan ook methoden en technieken ontwikkeld om het ontbreken van auteurssystemen voor simulaties te kunnen opvangen. Op de tweede plaats wilden zij onderwijskundige problemen met hun programma's en ontwerpsystemen kunnen oplossen. En ten derde wilden zij de voor- en nadelen van hun visie op educatieve instrumentatietechnologie en bijbehorende filosofie in de praktijk toetsen, enerzijds experimenteel, in hun laboratorium, en anderzijds op proefscholen en op de werkvloer van bedrijven.
De meest in gebruik zijnde leeromgevingen voor computersimulatie zijn 'model-driven' en worden vooral toegepast op bedrijven en universiteiten die voldoende geld en mankracht hebben om geschikte apparatuur te kopen en specifieke wiskundige modellen te kunnen ontwikkelen. De hardware van de leeromgevingen bestaan fysiek veelal uit een aantal gekoppelde monitoren met daarbij allerlei papieren begeleidings- en instructiemateriaal. Het simulatieprogramma, of simulator, wordt -onderwijskundig- als een open leeromgeving gezien, maar nooit losstaand van goede coachings-faciliteiten en begeleiding: in zeker opzicht nog steeds een ideale situatie voor de meeste lerenden.
Maar de komst van nieuwe media en moderne software ontwerpmethoden openden nieuwe wegen voor adequatere en compactere oplossingen en andere visies.
In 1985 ontwikkelde de Universiteit Twente de mogelijkheid om de bij simulaties functioneel gescheiden processen -van oudsher gepresenteerd op twee of meerdere monitoren- in twee of meerdere windows op een beeldscherm van een kleine, handzame en goedkope Macintosh computer te realiseren. Tegelijkertijd werd gepoogd het toetsenbord overbodig te maken. Dat bleek mogelijk door het gebruiken van moderne 'acceptatietechnieken', zoals 'input-animatie-technieken'.
Bij het onderzoek zijn de onderzoekers ervanuit gegaan dat simulatieprogramma's niet vergelijkbaar zijn met traditionele tutoriele courseware. Heeft tutoriele courseware een groot aantal na elkaar gepresenteerde frames op het beeldscherm, simulatieprogramma's hebben daar meestal geen behoefte aan. Een lerende wil tijdens een simulatie juist meestal alle processen tegelijkertijd kunnen overzien.
De ontwerp-filosofie die wij gebruiken is elders diverse malen beschreven. In het kort komt de filosofie op het volgende neer: maak gebruik van goede simulatie sistemen, maak gebruik van een goede sterke visualisatie, maak gebruik van windowing technieken, maak gebruik van video en audio, maak gebruik van multitasking, maak gebruik van inklikregio-technieken en schuifbalkjes, etc. We zullen hier een aantal aspecten de revu laten passeren.
Computersimulatieprogramma's ontworpen met onze THESIS systemen hebben over het algemeen minimaal twee, en maximaal vier of vijf pagina's, die naast en over elkaar op een beeldscherm kunnen worden gelegd. Het uiterlijk van onze eduactieve software kan het beste met de term 'multi-windowing leeromgeving' worden aangeduid. Applicaties zijn volledig interactief en muisgestuurd en de simulatie kan op elk gewenst moment worden onderbroken voor een interventie.
Visualisatie
De achterliggende wiskundige modellen van model-driven simulaties zijn op moderne computers moeiteloos door een tekening, een blokschema of anderszins te visualiseren. De leerling kan, op een sterk bij zijn belevingswereld passende manier, interveniëren in het proces en doet dat met de muis door in een zogenaamd 'inklik-regio' te klikken.
De dynamische visualisatie-technieken en mogelijkheden werden steeds beter. In 1987 werd de mogelijkheid gecreeerd computersimulatieprogramma's te voorzien van afbeeldingen en foto's in kleur en naast de grafische presentatieweergavevormen 'model-driven animaties' in kleur over de afbeeldingen te laten bewegen. De presentatie mogelijkheden werden niet alleen beter, ook de feedback met de lerende werd geoptimaliseerd. Dit onderzoek leverde een groot aantal prototypes op.
Messages
Naast visuele feedback, zoals de hele grafische user-interface feitelijk functioneerde, werden de mogelijkheden van tekstuele feedback onderzocht en uitgebreid. Deze methode van model gestuurde, tekstuele feedback worden 'messages' genoemd.
Al deze ontwikkelingen in onze THESIS software, brachten met zich mee dat aan de Universiteit Twente het aantal toepassingen en de interesse voor de ontwikkelde simulatiemethoden en animatietechnieken gestaag toenam.
Een groot aantal programma's kon vanaf dat moment snel, goed en succesvol ontwikkeld worden voor een aantal doelgroepen, instellingen en bedrijven.
Coaching
Vanaf 1988 werd de mogelijkheid onderzocht om een computersimulatieprogramma, als onderdeel van een les, in gewone courseware op te nemen: als een module met een specifieke leermethode, binnen een instructieprogramma. Het instructieprogramma kan dan de rol van 'coach' op zich nemen en vormt tegelijkertijd een geheel met de simulatie. De ontwikkelde methode maakte dat de aansluiting tussen de afzonderlijke delen 'naadloos' geschiedt.
De leerling kan dan op het moment dat hij goed genoeg 'geinstrueerd' is of goed genoeg op de hoogte is gekomen van de inhoudelijke (domein)kennis die nodig is om het programma te gebruiken, besluiten om de simulatiemodule op te zoeken om na verloop van tijd weer terug te kunnen komen in het instructieprogramma om een eventuele controle-test, bijvoorbeeld een 'inzichts-toets', te doorlopen.
Het instructie-deel is een traditionele COO-les. Hier wordt in dit verband ook wel gesproken van 'coaching materials'. De coaching van de leerling in een open leeromgeving, zoals bij simulatie, is immers doorslaggevend voor het succes van een dergelijk leerpakket. Sommige onderwijsmensen en trainers uit opleidingsinstituten willen om diverse redenen een medium en een integrale aanpak. Zij willen de rol van het papieren begeleidingsmateriaal bij bepaalde toepassingen minimaliseren. Men beseft ook wel dat het papieren instructie-materiaal dat bij de simulaties wordt gebruikt vooralsnog niet weg te denken is. Onderzoek aan de Universiteit Twente toonde dat ook aan. Maar een research groep dient nu eenmaal steeds nieuwe methoden en technieken op hun onderwijskundige waarde te onderzoeken.
Losse pagina's.
We gaan altijd uit van de oorspronkelijke 'desktop-filosofie' van Apple: geef een serie naast of over elkaar gelegde windows op een beeldscherm fundamenteel dezelfde rol als een serie losse papieren of een meer compleet, makkelijk in te bladeren, werkboek op een bureau.
Sterke visualisatie.
Visualiseer het onderliggende wiskundige model van het gesimuleerde proces. Dit maakt meer duidelijk dan welke instructiemethode dan ook. U mag kiezen uit geheel abstracte vorm van visualisatie (blokschema of formule) tot en met een erg concrete vorm (bijvoorbeeld een foto, computeranimatie of video beelden). Kijk goed naar de doelgroep, daar hangt het sterk van af.
Instructiematriaal.
Gebruik voor de doelgroep geschikt coachingsmateriaal: de ene doelgroep kan niet zonder papieren begeleidingsmateriaal de andere gebruikt een simulatie die gestuurd wordt door CBT-instructiemateriaal en weer een andere doelgroep is het meest gebaat bij 'parallelle instructie aanbiedings-methodes'. Recentelijk heeft deze methode geleid tot een theorie aangaande enkele essentiele instructiekenmerken bij goed functionerende simulatie-leeromgevingen: de 'parallelle instructie' theorie.
Input-animatie technieken.
Gebruik moderne acceptatietechnieken. Een toetsenbord hoeft bij dit type instrumentaties meestal niet. De muis heeft vele functies van het toetsenbord overgenomen. Maak gebruik van 'scroll-bars', 'duimwielschakelaars' of andere 'input-animatie-technieken'.
Animatie-objecten.
Computersimulatieprogramma's kunnen uitstekend worden uitgerust met bepaalde animatie-objecten, die onder invloed van veranderingen in het model bewegen of veranderen ('model-driven, interactieve animatie'). Dit soort animatie, als visuele feedback-vorm, mag geen versiering worden, maar moet wel functioneel blijven. Animatie-objecten kunnen op zich varieren van zeer realistisch (een klein bewegend plaatje, een foto, e.d.) tot heel eenvoudig (bijvoorbeeld een bewegend streepje op een schaalverdeling).
Messages.
Maak gebruik van de mogelijkheid van 'messages'. Naast tekst-messages kunnen, indien nodig, ook 'video-messages' (video-fragmenten) worden gebruikt. Deze messages kunnen door een variabele of een combinatie van variabelen en/of model-parameters worden beïnvloed en voor de lerende vaak heel effectief als een soort tekstuele of visuele feedback fungeren. Gesproken tekst kan als message ook heel functioneel zijn bij een simulatie. Al deze vormen van feedback zijn de eerste stap op weg naar intelligente computersimulatieprogramma's ('ICS-programma's').
Video.
Probeer als het mogelijk is allerlei weergavevormen. Probeer video fragmenten te maken. Verzamel ze in een video databank. Videofilmpjes kun je gebruiken als (kort) instructie-filmpje, als coach en als feedback; intelligente feedback (Min, 1994).
Multi-tasking
Door multi-tasking systemen zijn er meer toepassingen en variaties in het gebruik van THESIS software bijgekomen. Er is een methode die de lerende de mogelijkheid geeft om parallel aan een of meerdere computersimulatieprogramma's een instructieprogramma op te roepen; daarbij kunnen gegevens over en weer worden uitgewisseld. De beide applicaties kunnen dan geheel of gedeeltelijk onafhankelijk van elkaar gebruikt worden.
Meerdere beeldschermen
Het gebruik van meerdere beeldschermen bij simulatie wordt door de Universiteit Twente, uit instructietechnologisch oogpunt, de 'parallelle instructie aanbiedings-methode' genoemd. Dat in vergelijking met de 'sequentiele instructie aanbiedings-methode'. Er bestaat een variant, waarbij zowel de afzonderlijke windows van de simulator als het bijbehorende instructie-pakket, on-line, over drie beeldschermen verdeeld kan worden. Zie figuur 1.
Dit soort leeromgevingen met meerdere beeldschermen en meerdere windows, waarbij optimaal gebruik gemaakt wordt van de overzichtelijkheid van de multi-windowing aanpak, hebben onderwijskundig gezien geweldige voordelen. Een leerling zal bij deze aanpak minder snel verdwalen.
Communicatietechnieken
Zowel bij de 'sequentiele' als bij de 'parallelle instructie aanbiedings-methode' bestaat er een optie die het mogelijk maakt dat het instructieprogramma het simulatieprogramma beïnvloedt en omgekeerd de gegevens uit de simulator naar het instructiesysteem kan worden doorgegeven. Dit geschiedt doordat THESIS software parameterwaarden e.d. kan lezen en wegschrijven met het instructiesysteem.
De Universiteit Twente kan allerlei soorten en maten van computersimulatie- programmatuur op maat leveren: hele sober uitgevoerde simulatieprogramma's tot aan gecompliceerde computersimulaties voor bedrijfsopleidingen die instructie-sets bevatten, breed zijn uitgerust met drie (of meer) monitoren, in kleur, op een window computer, compleet met een apart functionerend instructie-systeem, incl. video, etc.
Desktop video
De projectgroep heeft inmiddels veel ervaring voor het gebruiken video. Deze speciale dimensie kan een uitstekende aanvulling geven op alle simulatie technieken. Doordat het wiskundig model de beelden stuurt, noemen wij deze techniek de 'model-driven video'. De term 'model-driven' is ontstaan om de tegenstelling met gewone interactieve video aan te geven.
QuickTime
De ontwikkelingen op video gebied is altijd 'QuickTime' geweest, dat is een concept van Apple voor video (Steve Jobs), dat werkt met gewone files met gedigitaliseerde videofragmenten, zonder een speciale grafische kaart. De video van Windows (Bill Gates) is tegenwoordig ook heel goed.
Het Web, HTML en Java.
De ontwikkelingen op web-gebied gaan rassend snel. Kleine applicaties, 'applets', worden in Java geschreven en in HTML ingebed. Ook kunnen kleine applicaties met 'Flash' gemaakt worden via 'ActionScript'.
Slotopmerking
Al deze ontwikkelingen zijn voor concrete leer- en trainingssituaties te realiseren met onze THESIS systemen: JavaTHESIS en MacTHESIS. De ideeen voor de inrichting daarvan zijn gebaseerd op inzichten uit onderzoek naar de impact van de 'parallelle instructie' theorie.
Indien men computersimulatieprogrammatuur wil ontwikkelen kan de Universiteit Twente of haar partners ('www.acone.nl'), adviseren om simulatie-leeromgevingen op maat maken. Men dient echter wel zelf de onderliggende wiskundige modellen aan te dragen. Het model moet in ruwe vorm wel al op een of andere manier op een systeem (het maakt niet uit welk) existeren. Anders worden de kosten onoverzienbaar. Ook dient men al redelijk goed op de hoogte te zijn van de mogelijkheden die het model voor educatief gebruik in zich heeft. De Universiteit Twente kan vervolgens met een advies of een voorstel komen voor het daadwerkelijk omzetten van een (kaal) model tot een volwaardig leermiddel.
Enschede, 1999; updated 2005.
