De simulatie-editor 'MacSimAuthor' voor het ontwikkelen van MacTHESIS software
Een onderzoek naar nieuwe gereedschappen voor het bouwen van leeromgevingen voor simulaties
Door Rik Min, Frank van Doorn en Ben Reimerink
De volgende onderdelen komen aan de orde: simulatie-editors, tools voor simulaties, MacTHESIS software, JavaTHESIS software, ontwerpgericht-onderzoek, programmeertaal-vrij ontwerpen, het MacTHESIS systeem, MacSimAuthor & MacSimBuilder.
Inleiding
Computersimulatieprogramma's kunnen worden gebruikt als leermiddel. Dergelijke leermiddelen kunnen worden ingezet in het onderwijs op school, bij bedrijfstrainingen of bij het buitenschoolse leren. De computersimulatieprogramma's hebben tegenwoordig allemaal het uiterlijk van een volwaardig multimedia product; in die zin dat graphics, animaties, hyperteksten, video en andere digitale dynamische elementen daarbij een grote rol spelen. Simulatiesystemen die dit type programma's kunnen maken, dienen al deze elementen aan te kunnen. De Universiteit Twente heeft - in het kader van een aantal ontwerpgeorienteerd-onderzoeken - in de loop van 10 jaar een aantal van dergelijke systemen ontwikkeld: o.a. het MacTHESIS systeem. Recent ontwikkelde ook een platformonafhankelijk simulatiesysteem voor het ontwikkelen van simulatie applets op het WEB: JavaTHESIS.
Tot voor kort was het probleem dat onze simulatie-systemen op een hogere programmeertaal gebaseerd was. Welliswaar hoefde een ontwikkelaar niet elk programma van de grond af op te bouwen, maar om een simulatieprogramma te ontwikkelen was het wel nodig om enige kennis van Pascal te hebben. De studenten van onze faculteit hadden die kennis tot 1995. Na 1995 verdween Pascal uit het curriculum en ging men over op een andere taal. Dat was een mooie aanleiding om ons onderzoek - het geheel pascal-vrij maken van het simulatie-ontwikkelsysteem - versneld door te zetten. In het onderzoek - dat in 1993 door F. van Doorn werd gestart - hebben we gekeken hoe we het gebruik van een programmer-omgeving Pascal totaal konden elimineren door een eenvoudig te gebruiken editor te ontwikkelen. Het speuren naar die mogelijkheden heeft B. Reimerink in 1995 uiteindelijk een goed werkend prototype voor het maken van simulatieprogramma's gemaakt: de simulatie-editor 'MacSimAuthor'. (Zie figuur 1 met een screendump van de hoofd-pagina.) De faculteit heeft ons hiervoor helaas niet de middelen gegeven om dit systeem volledig te beproeven, maar we zijn er toch in geslaagd een werkend systeem af te leveren. Het kon in ieder geval in onze practica gebruikt worden.
METHODE
Simulatie
Anno 1986 zag het eerste volwaardige simulatie-ontwerp-systeem voor zeer grote wiskundige modellen het licht (het MacTHESIS systeem) en in 1996 werden experimenten met het MacTHESIS systeem, versie 5.0x, intelligente simulaties, met videofragmenten als onderwijskundig verantwoorde feedback, succesvol afgerond. Programma's ontworpen en gemaakt met dat systeem kunnen nu, technisch gesproken, als een soort interactieve video (IV) worden opgevat. Er zijn twee programma's met versie 5.0x gemaakt.
Modelling
Het maken van kant en klare simulaties die direct en student-vriendelijk kunnen worden gebruikt, is software-technisch een moeilijke zaak. Met modelvormings-systemen gaat het niet. Modelvormings-systemen zijn over het algemeen uitstekend geschikt om modellen te ontwerpen, maar niet geschikt om als leermiddel in het onderwijs te gebruiken. Modelvormings-systemen zoals Stella, LabView en TUTSIM zijn uit de aard van hun betekenis open en derhalve veelal niet geschikt voor de doeleinden waar men nabootsingen van de werkelijkheid voor wil gebruiken. Modelling systemen hebben voor dit type leeromgevingen waarmee wij onderzoek doen, te veel vrijheidsgraden. De student wordt afgeleid van de probleem waar hij voor staat. Hij hoeft niet alles te weten van stroomdiagrammen, bedieningspanelen, etc. In ons onderzoek willen we simulatieprogramma's waarmee we puur alleen het leergedrag willen bestuderen - in relatie tot bepaalde ontwerpvariabelen en/of condities - waar weinig of geen wiskunde kennis of bedieningsinzicht voor nodig is. Ons onderzoek wil kale simulatieprogramma's kunnen testen, in een verder aangekleden leeromgeving, waar goed geleerd kan worden en de lerende gevraagd kan worden opdrachten uit te voeren of problemen, die op het beeldscherm worden aangeboden, op te lossen. Daarvoor dient er in dit type leeromgevingen goede instructie-mogelijkheden te bestaan. Dat is bij modelling systemen een derde probleem. Tenzij je zeer strikt en consequent het parallellisme concept invoerd. Maar dat is een heel ander verhaal. (In het kader van advieswerk voor de Universiteit Delft, voor een europees project, heb ik wel eens geadviseerd om aparte instructie-systemen parallel aan hun eigen modelling systemen te nemen. Er waren toen echter nog geen goede multi-windowing en multi-processing systemen waar dat mogelijk bij was. Later hebben we in het kader van een samenwerkingsproject met de Universiteit van Southampton ook een dergelijk advies gegeven. Dat advies is toen wel grotendeels opgevolgd.)
Vanwege al deze eisen die het moderne onderwijs aan de leerkrachten stelt, dient een volwaardige leeromgeving voor simulaties op een specifieke manier te worden ontworpen en gerealiseerd.
Aangezien simulatie snel moeten zijn is het nog steeds noodzakelijk dat software gecompileerd moet worden. Modelling systemen zijn altijd interpreter-systemen. Dat is nog een reden dat modelling systemen niet geschikt zijn voor het creeeren van een degelijke leeromgeving voor simulatie.
Editors / MacSimAuthur
Onderzoek aan de Universiteit Twente op het gebied van interactieve leermiddelen en handig te gebruiken ontwerp-tools, heeft recent tot een nieuw product geleid: een simulatie-editor, genaamd 'MacSimAuthor'.
De producten die deze simulatie-editor kan aanleveren zijn een vijftal losse bestanden die met een ander gereedschap - MacSimBuilder - kunnen worden omgezet tot bestanden waarmee uiteindelijk het MacTHESIS systeem (via de MPW compiler) stand alone simulatieprogramma's kan genereren. In 1995 zijn er tijdens een practicum een groot aantal simulatieproducten op deze manier gemaakt.
De kracht van de MacSimAuthor editor en het MacTHESIS systeem is dat het een gereedschap is, waarbij niet meer handmatig met een sjabloon gewerkt en geprogrammeerd hoeft te worden. Het systeem genereert met een druk op de knop de Pascal code. Door toepassing van een voortreffelijk compiler-systeem (MPW), verkrijgt het uiteindelijke multimediale simulatieproduct een zeer goede performance. Niet alleen is het programma bij grote ingewikkelde wiskundige modellen en snel, maar ook de intergratie met de instructie-materialen in relatie tot andere processen, die bij volwaardige leeromgevingen voor simulatie een rol spelen, is door deze ontwerpmethode zeer goed verzekerd.
RESULTATEN
Tijdens het studiejaar 1994/95 zijn er met de eerste versie van MacSimAuthor twee complete simulatieprogramma's gemaakt, incl. parallelle instructie met opdrachten e.d. De studenten konden toen zelf nog een nabehandeling met het MacTHESIS systeem doen, omdat de betrokken jaargroep nog volledig Pascal georienteerd was. Het jaar daarop, in het studiejaar 1995/96, kon dat niet meer. Toen is de hele practicum dan ook definitief in het teken gezet van het zelf ontwikkelen van een simulatieprogramma zonder programmeren, compileren en linken. In dat studiejaar hebben we met de versie van MacSimAuthor gewerkt, zoals die nu bestaat. Van af toen was het practicum 'Computersimulatie als leermiddel' volledig Pascal-vrij.
Figuur 1. Deze screendump van de hoofdmenu van onze simulatie-editor: MacSimAuthor. Deze screendump laat zien wat de hoofdonderdelen van dit type simulatieprogramma's zijn. In dit geval het model met alles wat daarbij hoort. Onder in beeld de andere instellingen die nodig zijn om een compleet simulatieprogramma te maken. Midden in beeld het wiskundig model, weergegeven als black-box. Rechts alle variabelen die het model heeft; boven alle startwaarden van het model; onder alle parameters van het model. Al deze grootheden dienen hier ingetypt te worden. Hier AORTA. U kunt al deze gegevens bewaren en steeds weer veranderen. Net zolang tot het programma werkt zoals het moet werken. MacSimAuthor is gemaakt met SuperCard.
We willen onze studenten totaal niet vermoeien met de in en outs van het MacTHESIS systeem. Daarom doen we aan uitbesteding. We hebben in dat practicumjaar een zodanig practicumprotocol ontwikkeld dat studenten, die met MacSimAuthor een simulatieprogramma ontwikkelen, en alle modelgegevens en data via MacSimAuthor invoeren, dit binnen redelijke tijd gecheckt, gecontroleerd, gecompileerd en gelinkt via ons laboratorium terug kunnen krijgen. Dat varieerde in Mei 1996 tussen de 15 minuten en 24 uur. Er zijn toen vier simulatieprogramma's gemaakt: TRANSISTOR, ZONNEBOILER, LEMMINGEN en RC-NETWERK.
Figuur 2. Deze screendump geeft een indruk van de WYSIWYG-simulatie-editor: MacSimAuthor. Deze screendump laat zien hoe je weergavevormen (uit een aantal van vooralsnog 12 stuks) kunt uitkiezen.
Figuur 3. Deze screendump laat een simulatie-product zien dat gemaakt is met het MacSimAuthor systeem en MacSimBuilder. Deze screendump is van het programma LEMMINGEN, een stukje MacTHESIS software, dat moeiteloos - en zonder programmeren - gemaakt is (en kan worden) met MacSimAuthor en MacSimBuilder.
Conclusies / aanbevelingen
Aangezien simulatie snel moeten zijn is het nog steeds noodzakelijk dat software gecompileerd moet worden. Bij JavaTHESIS sosftware is dat ook het geval.
De conclusies die getrokken kunnen worden is dat het mogelijk is een visueel georienteerde editor te maken waarmee studenten modelgegevens kunnen invoeren en ten slotte met een druk op de knop een simulatieprogramma kunnen genereren.
Derhalve zijn we bezig met een project-aanvraag om - gezien onze ervaringen en resultaten met die ervaringen - voor JavaTHESIS ook een dergelijke editor te maken. Het zou een geweldige stap vooruit zijn om een editor en programma-generator op het gebied van java te hebben. We houden u op de hoogte.
Enschede, 1997-2001; updated 2005.
