Java applets en leeromgevingen voor simulatie op het WEB.

Door Rik Min en Jacob Sikken

Computer-based simulaties hebben veel toepassingen in het hoger onderwijs. Ze kunnen worden gebruikt als leermiddel om inzicht te verkrijgen in bepaalde dynamische fenomenen die je op een andere manier onmogelijk of moeilijk in een klas of op een werkplek kunt demonstreren en bestuderen. Dergelijke interactieve leermiddelen kunnen op PC's worden ingezet in alle soorten onderwijs, bij bedrijfsopleidingen of in buitenschoolse leersituaties, zoals bij het LOI, de Open Universiteit of gewoon thuis op CD.ROM of zelfs CD-i. Maar de laatste tijd kunnen dit soort leermiddelen ook gewoon worden opgehaald of gebruikt vanaf de electronische snelweg: het world wide web.

Simulaties zijn pas compleet als er goede, aan een les aangepaste instructies en opdrachten bij zijn. De juiste balans tussen een open leeromgeving en een zekere mate van coaching is altijd een probleem geweest; zowel inhoudelijk als technisch. De opdrachten worden vaak gemaakt of geschikt gemaakt door een docent. De interactieve simulator zelf niet, die wordt ontwikkeld door een leermiddelenontwerper of een uitgever. Lesmateriaal dat niet door een docent aangepast kan worden, loopt de kans verder ongebruikt te blijven. Het WEB maakt het mogelijk deze twee ongelijke grootheden te combineren. De komst van de programmeertaal Java en de voor iedereen toegankelijke WEB-technieken geven de leermiddelenontwikkelaars, maar ook de individuele docent, ongekende mogelijkheden. Java maakt het mogelijk om computersimulatieprogramma's in WEB-pages op te nemen. Deze kale doch vrij complete computersimulatieprogramma's worden applets genoemd. Deze applets zijn over het algemeen interactief en/of event-driven. Dat geeft onderwijskundig de meeste mogelijkheden. Ze zijn vrij krachtig, ondanks dat de applets door een browser ge•nterpreteerd moet worden. Netscape 3.0 is zo'n browser. De 'performance' van een dergelijke simulator is dus vrij groot. Er komen nu browsers in de handel waarbij java code eerst wordt vertaald en daarna uitgevoerd.

Het World Wide Web

De WEB-pages, waarin applets zijn opgenomen, kunnen allerlei vormen van instructie en opdrachten bevatten. Deze combinatie van interactieve (dynamische) programma's en (statische) teksten is voor het onderwijs zeer geschikt. Een uitgever of een ontwerper kan een applet en een basis instructie met voorbeeldopdrachten maken, terwijl een docent kan beslissen hier volledig van af te wijken. Het afgelopen half jaar heeft de Universiteit Twente gekeken naar de mogelijkheden van Java applets, de Java-compiler en de performance van Java applets bij executie op het WEB en de mogelijkheid om nieuwe idee‘n van vorm en opzet van de leeromgeving toe te passen en af te tasten. Het speuren heeft recent geleid tot een werkend prototype voor een simulatiesysteem om op een handige manier model-driven simulaties te maken. Dat zijn simulaties gebaseerd op een wiskundig model van een bepaald fenomeen, vooral uit de biologie, de natuurkunde, de economie en de scheikunde. De producten die dit systeem in de vorm van applets kan aanleveren zijn platformonafhankelijk en kunnen derhalve op elke computer worden gedraaid. Ons team ontwikkelde een aantal programma's in Java: interactieve applets voor model-driven simulaties met het karakter van dynamische graphics. De applets kunnen ook als casus op het WEB worden aangeboden. Een leerling moet dan proberen binnen een redelijke tijd een probleem te analyseren en op te lossen. Hij mag daartoe alle informatie die zich op de betreffende pages of de site bevindt, gebruiken. De pages met de simulatieprogramma's erop werden zowel op een Macintosh als op een Wintel platform getest. De resultaten, die we met Java als programmeermethode hebben behaald, hebben we ook direct in de vorm van een electronische instructie op het WEB gezet. Na afloop kan desgewenst een toets worden afgenomen. De resultaten worden direct naar de docent gemaild. De locaties van de betreffende WEB-pages staan onderaan deze pagina. Vooralsnog zijn er alleen maar simulaties gebaseerd op kleine modellen ontwikkeld. Er is nog maar een beperkt hoeveelheid instructie en een beperkt aantal toetsen. Het is een prototypische omgeving. Het komende jaar zullen grotere modellen worden getest.

Vanwege al de eisen die het moderne onderwijs aan de leerkrachten stelt, dient een volwaardige leeromgeving voor simulaties op een specifieke manier te worden ontworpen, gerealiseerd en gedistribueerd te worden. We komen dan uit op leeromgevingen - op het WEB - die gebaseerd zijn op recente inzichten van parallellisme voor leeromgevingen (Min, 1994 - 1996). Het net heeft echter zijn beperkingen. Onderzoek is nodig om te kijken of deze beperkingen desondanks tot het type leeromgevingen kunnen leiden die wij willen hebben. We hebben daartoe een ontwerp-gericht onderzoek gestart. Binnen dit ontwerp-gericht onderzoek hebben we gekeken naar de specifieke mogelijkheden en voordelen van Java applets, de Java-compiler en de performance van Java-applets bij executie op het WEB en de mogelijkheid om parallellisme toe te passen en af te tasten. Het speuren heeft geleid tot een prototype van een simulatie-systeem voor het WEB: JavaTHESIS. De producten die dit systeem kan aanleveren zijn platformonafhankelijk en kunnen derhalve op elke computer worden gedraaid. De universiteit Twente is op het gebied van programmeren jarenlang Pascal-georienteerd geweest. Studenten, zowel als research-medewerkers programmeerden in TurboPascal of MPW-Pascal, naar gelang het platform dat men gebruikte. En omdat simulaties met interpreters - vanwege snelheidsproblemen - (nog) niet voldoen is er voortgebouwd op systemen die gecompileerd kunnen worden. Dat gaf ook de gelegenheid om open systemen te maken, waar de wetenschapper of de docent zelf ook nog iets aan toe kon voegen. Anno 1986 zag het eerste volwaardige, op Pascal geori‘nteerde simulatie-ontwerp-systeem voor zeer grote wiskundige modellen het licht (het MacTHESIS systeem) (Min, 1996). In 1996 werden experimenten met dat systeem, versie 5.0x, voor intelligente simulaties, met videofragmenten als onderwijskundig verantwoorde feedback, succesvol afgerond.

Problemen met de verspreiding van software

Het type leeromgevingen, zoals hierboven getypeerd, willen we ook op het net, wereldwijd, tot onze beschikking krijgen. Momenteel geschiedt de verspreiding van onze producten zowel via CD.ROM alsmede via het world wide web, maar dan wel via de wat onhandige manier van down-loading; terwijl de simulaties - uit de aard van haar ontstaansgeschiedenis - nog steeds platform-afhankelijk zijn. De performance op CD.ROM is zeer goed, maar die van het WEB is momenteel vrij laag. Toch wegen anno 1997 de voordelen van het WEB op tegen de nadelen. Iedereen kan met onze producten werken. Dat is en blijft zeer aantrekkelijk voor elke ontwerper of onderzoeker. Je kunt in een keer een groot marktsegment veroveren. Natuurlijk bleef het probleem van het interpreteren, door een browser, recht overeind, maar het simpele feit te gaan van het werken met Java, loste twee andere problemen op het gebied van simulatie-omgevingen radicaal op: een soepele en natuurlijke wijze van verspreiding van eigengemaakte software en de relatieve afhankelijkheid van platforms.

Java applets als oplossing

Ons team ontwikkelde een aantal programma's in Java: interactieve applets voor model-driven simulaties met het karakter van animatie. We gebruikten de Java Developers Kit Version 1.0.2 voor de Macintosh computer, ontwikkeld door Sun Microsystems Inc. (1992-96). Netscape3.0 werd gebruikt om de applets af te kunnen spelen. De pages werden zowel op een Macintosh als op een Wintel platform getest.

Vanaf het begin gebruikten we re‘le en beproefde simulatie-modellen, zodat we precies wisten waar we mee bezig waren. Maar vooralsnog alleen kleine voorbeelden. Zo gebruiken we hier de wiskundige modellen waar we veel onderzoeks- en onderwijservaring mee hebben opgedaan. De grote modellen bewaren we voor een latere fase in ons onderzoek. We willen daar onze eigen studenten bij betrekken en hen het implementeren van grotere modellen laten uitzoeken.

Vooraf hadden we als doelstelling genomen dat het ontwikkelen van applets zou moeten leidden tot een universeel simulatie-systeem waarmee anderen ook simulaties in Java mee kunnen ontwikkelen. De promotie van het product doen we op een op het WEB gebruikelijke manier, namelijk door producten onmiddellijk op het WEB aan te prijzen en te beproeven. Iedereen kan er mee werken en ons onmiddellijke feedback geven.

Experimenten

We begonnen met het uitzoeken hoe model-driven animatie op het WEB met Java zou moeten verlopen. We wilden bijvoorbeeld uitzoeken hoe we een bitmapped object over een willekeurige achtergrond konden laten bewegen. Dat experiment lukte. Het volgende experiment was om te kijken of wij een zo door ons genoemde 'groeiende grafiek' met een Java applet konden maken. Een 'groeiende grafiek' is een klein lijnelementje (een animatie-object) dat een spoor op het scherm moet nalaten (Min, 1995). Het tekenen moest ook op elk gewenst moment kunnen worden onderbroken. We wilden niet zomaar een 'grafieken-teken-programma', daar zijn er honderden van, maar een langzaam groeiende grafiek, zoals op een monitor in een ziekenhuis boven het bed van een pati‘nt pleegt te hangen, en waarop bijvoorbeeld het ECG en de bloeddruk grafisch is af te lezen. We wilden ook de werkelijke waarde van variabelen en de actuele tijd, in getallen, af kunnen lezen. Dat is in een simulatie-omgeving heel belangrijk. We deden een experiment met het wiskundige model aangaande aderverkalking in de bloedvaten (AORTA) . Dat model was ooit door ons uitgewerkt aan Rijksuniversiteit Limburg (nu: Universiteit Maastricht). Dit experiment resulteerde in een Java sjabloon waarin willekeurige modelonderdelen kunnen worden aangebracht. Deze sjabloon werd daarmee ons eerste programmasysteem. Van de deze versie hebben we vervolgens een interactieve versie gemaakt met twee scroll bars als interventie-mogelijkheid. Onze 'groeiende grafiek' bleek vijf waarden zonder noemenswaardige vertragingen op het beeldscherm te kunnen presenteren. De performance bleek op dit punt ruim voldoende gegeven onze doelstellingen. Van dit programma hebben we vervolgens een multi-windowing versie gemaakt. Daartoe werd de applet in een extra window gesitueerd. Dat is een eenvoudig met HTML en java-script te regelen. Met dit systeem kan de gebruiker tijdens de simulatiesessie switchen tussen de ene window en het andere (deels) (overlappende) window. De hanteerbaarheid en de snelheid van deze constructie bleek op dit punt voldoende voor de doelstellingen van ons onderzoek. De drie verschillende testprogramma's hebben we allemaal op het WEB gezet. De URL van de centrale WEB-page staat onderaan deze pagina.

Conclusies

Programma's gemaakt met het systeem hebben een redelijke performance. Niet alleen is de simulator bij middelgrote wiskundige modellen redelijk snel, maar ook de integratie met de instructie-materialen in relatie tot andere processen, zoals bij volwaardige leeromgevingen voor simulatie een belangrijke rol spelen, is door deze methode goed.

De multi-windowing versie heeft als voordeel dat er op het beperkte beeldschermoppervlak van een PC een grote informatiedichtheid kan worden verkregen. Het effectieve werkoppervlak van deze parallelle vorm van dimensionering van een leeromgeving wordt groter. De gebruiker kan door een zodanige manipulatie met de twee windows steeds alleen die informatie naast elkaar leggen, die hij op dat moment voor dat experiment nodig heeft. Het zorgvuldig toepassen van deze ontwerpvariabele, binnen het geheel van vrijheidsgraden die de ontwerper heeft, binnen Netscape, heeft een enorme potentie. Er komen - voor de gebruiker die daar gevoelig voor is - enkele vrijheidsgraden van werken bij, welke bij een traditioneel vormgegeven werkomgeving niet bestaat (Min, 1996). Als een gebruiker hiermee vertrouwd is geraakt, blijken de voordelen van de multiwindowing-versie goed aan te slaan.

Samen met ons toets-systeem op het WEB is de combinatie van simulatie, instructie en toetsen op het WEB zeer goed mogelijk gebleken. Verder ontwikkelwerk, testen en evalueren zal moeten uitmaken wat de kracht van deze methode is.

Referenties

Min, F.B.M. (1994) Parallelism in open learning and working environments. Britsh Journal of Educational Technology, Article; Vol. 25, No. 2, pp. 108-112. ISSN 0007-1013.

Min, F.B.M. (1995) Simulation Technology & Parallelism in Learning Environments; Methods, Concepts, Models and Systems. Publisher: Academic Book Center, De Lier. ISBN 90-5478-036-3

Min, F.B.M. (1996) Parallelism in working-, learning- and doing-environments; The Parallel Instruction Theory for Coaching in Open Learning Environments for Simulation; Proceedings of EuroMedia 96; Telematics in a multimedia environment, dec.19-21, 1966; A publication of the Society for Computer Simulation International (SCS) (Eds. A. Verbraeck & P. Geril)

Min, F.B.M. (1997) Locatie van de Java applets op het WEB: WWW.TO.UTWENTE.NL/prj/min/Java/examples.html