Im Rahmen des BMBF-Föderprojekts GIMOLUS werden GIS- und modellgestützte Lernmodule für umweltorientierte Studiengänge erstellt. An diesem Projekt beteiligen sich mehrere Institute von verschiedenen Universitäten, die multimediale und interaktive Lernmodule entwickeln. Durch den Einsatz der internetbasierten Lernumgebung können komplexe interdisziplinäre Lehrinhalte anschaulich vermittelt werden, um so zu einer höheren Lerneffizienz beizutragen. Die jeweiligen Modulinhalte werden didaktisch sinnvoll und visuell ansprechend aufbereitet. Der Schwerpunkt liegt auf der Konzeptionierung und Implementierung angewandter Übungsaufgaben, die entweder mit dem Animationsprogramm Flash oder mit ArcGIS zu realisieren sind.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit sind zwei Lernmodule zu den Inhalten der Vorlesung GIS II am Institut für Photogrammetrie (IfP) der Universität Stuttgart entstanden. Zum einen das Modul „Hierarchische Datenstrukturen“, das sich mit verschiedenen Konzepten der logischen Strukturierung von Daten in einer Datenbank befasst. Zum anderen das Lernmodul „Linienglättung“, in dem unterschiedliche Verfahren der Linienglättung vorgestellt und umfassend erklärt werden. Bei der Entwicklung dieser Lernmodule standen Interaktivität und Anschaulichkeit der Lehrinhalte im Vordergrund.
Die Lernmodule stellen kompakte, in sich geschlossene Lernmodule für den Einsatz in der Präsenzlehre und zum Üben im Selbststudium dar. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Flash-programmierten Umsetzung der Animationen. Diese Flash-Animationen werden in einen XML-File integriert und gemäß der gimolus-standardisierten DTD (Document Type Definition) in die entsprechende modulare Form eingepasst. Nach Abschluss der Erstellung der mit allen Komponenten versehenen XML-Datei werden die gesamten Module auf der GIMOLUS Lernplattform hochgeladen und veröffentlicht.
Die Module sollen dem Studierenden unterschiedliche Möglichkeiten der Datenstrukturierung und der Linienglättung näher bringen, mögliche Probleme und Schwierigkeiten erläutern, und Anwendungsbereiche aufzeigen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Problemstellung
2. Projekt „GIMOLUS“
2.1 Fachdisziplinen
2.2 Teilprojekte GFE und GEM
3. Lernmodule
3.1 Mediendidaktik
3.1.1 Einführung
3.1.2 Ansätze der Mediendidaktik: Programmierte Instruktion, Kognitivismus, Konstruktivismus
3.2 Lernmodul „Hierarchische Datenstrukturen“
3.2.1 Strukturierung raumbezogener Daten
3.2.2 Zugriffsmechanismen für raumbezogene Daten
3.2.3 Hierarchische Methoden „K-d-Baum“ und „Quadtree“
3.2.4 Aufbau des Lernmoduls „Hierarchische Datenstrukturen“
3.3 Lernmodul „Linienglättung“
3.3.1 Linienglättung und –ausdünnung
3.3.2 Linienglättung mit Vektorverfahren
3.3.4 Aufbau des Lernmoduls „Linienglättung“
4. Flash und XML
4.1 Flash
4.2 XML
5. Implementierung der interaktiven Trainingsprogramme
5.1 Trainingsprogramm „Quadtree“
5.1.1 Anforderungen an das Trainingsprogramm
5.1.2 Arbeitsfenster
5.1.3 Layerschema
5.1.4 Hauptalgorithmus
5.1.5 Quellcode
5.2 Trainingsprogramm „K-D-Baum“
5.2.1 Hauptalgorithmus
5.2.2 Quellcode
5.3 Trainingsprogramm „Linienglättung“
5.3.1 Anforderungen an das Trainingsprogramm
5.3.2 Arbeitsfenster
5.3.3 Layerschema
5.3.4 Quellcode
6. Zusammenfassung
1. Einleitung und Problemstellung
Im Rahmen des BMBF-Föderprojekts GIMOLUS werden GIS- und modellgestützte Lernmodule für umweltorientierte Studiengänge erstellt. An diesem Projekt beteiligen sich mehrere Institute von verschiedenen Universitäten, die multimediale und interaktive Lernmodule entwickeln. Durch den Einsatz der internetbasierten Lernumgebung können komplexe interdisziplinäre Lehrinhalte anschaulich vermittelt werden, um so zu einer höheren Lerneffizienz beizutragen. Die jeweiligen Modulinhalte werden didaktisch sinnvoll und visuell ansprechend aufbereitet. Der Schwerpunkt liegt auf der Konzeptionierung und Implementierung angewandter Übungsaufgaben, die entweder mit dem Animationsprogramm Flash oder mit ArcGIS zu realisieren sind.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit sind zwei Lernmodule zu den Inhalten der Vorlesung GIS II am Institut für Photogrammetrie (IfP) der Universität Stuttgart entstanden. Zum einen das Modul „Hierarchische Datenstrukturen“, das sich mit verschiedenen Konzepten der logischen Strukturierung von Daten in einer Datenbank befasst. Zum anderen das Lernmodul „Linienglättung“, in dem unterschiedliche Verfahren der Linienglättung vorgestellt und umfassend erklärt werden. Bei der Entwicklung dieser Lernmodule standen Interaktivität und Anschaulichkeit der Lehrinhalte im Vordergrund.
Die Lernmodule stellen kompakte, in sich geschlossene Lernmodule für den Einsatz in der Präsenzlehre und zum Üben im Selbststudium dar. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Flash-programmierten Umsetzung der Animationen. Diese Flash-Animationen werden in einen XML-File integriert und gemäß der gimolus-standardisierten DTD (Document Type Definition) in die entsprechende modulare Form eingepasst. Nach Abschluss der Erstellung der mit allen Komponenten versehenen XML-Datei werden die gesamten Module auf der GIMOLUS Lernplattform hochgeladen und veröffentlicht.
Die Module sollen dem Studierenden unterschiedliche Möglichkeiten der Datenstrukturierung und der Linienglättung näher bringen, mögliche Probleme und Schwierigkeiten erläutern, und Anwendungsbereiche aufzeigen.
2. Projekt „GIMOLUS“
In letzter Zeit nimmt der Einsatz neuer moderner Medien in der geodätischen Ausbildung immer mehr zu. Es existieren buchähnliche CDs, diverse Lerninhalte (Foliensätze, Skripte, etc.), die zum Download bereit stehen, sowie Onlinekurse für verschiedene Fachbereiche. Im Projekt GIMOLUS (GI S- Modellgestützte Lernmodule für umweltorientierte Studiengänge) werden Lernmodule entwickelt, die helfen sollen, komplexe Zusammenhänge aus Umweltstudiengängen anschaulich zu vermitteln.
Am Projekt GIMOLUS beteiligen sich seit Projektbeginn im August 2001 Institute der Universitäten Stuttgart, Oldenburg, Würzburg und Duisburg. Die beteiligten Institute des Verbundprojektes entwickeln Lernmodule aus den Fachbereichen Geoinformationssysteme, Geodatenerfassung und -management, Umwelt-strömungsmechanik, Hydrologie, Landschafts- und Autökologie sowie Landschaftsplanung. Das Projekt wird vom Institut für Landschaftsplanung und Ökologie der Universität Stuttgart koordiniert.
Im Rahmen des Projektes GIMOLUS wurde eine virtuelle Landschaft entwickelt, für die Geodaten eines realen Landschaftsraums verwendet wurden. Als Grundlage dient das Wassereinzugsgebiet des Flusses Elsenz im Kraichgau in Nord-Baden-Württemberg. Die Studierenden haben Zugriff auf diese virtuelle Landschaft, in der GIS-gestützte Aufgabenstellungen gelöst werden können. Außerdem wird die virtuelle Landschaft verwendet, um Modelle anschaulicher und verständlicher anzuwenden und dadurch das Verstehen von komplexen Zusammenhängen zu erleichtern.
Aus mediendidaktischer Sicht liegt der Mehrwert der Lernmodule in der Interaktivität. Das ist ein entscheidender Vorteil gegenüber traditionellen Lernmaterialien, da sich die Studierenden aktiv mit dem erworbenen Wissen auseinandersetzen können. In Abbildung 1 werden die Komponenten für die Umsetzung der Interaktivität in Lernmodulen vorgestellt: WebGIS, Java-Applets und ActionScript als Programmiersprache der Animationssoftware Flash.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Komponenten der GIMOLUS-Lernplattform (Quelle: Universität Stuttgart, Institut für Landschaftsplanung und Ökologie (ILPÖ))
Die GIMOLUS-Lernplattform wurde als ein Schalenmodell konzipiert. Oberhalb der Trennlinie (Abbildung 1, nach Vennemann und Müller, 2002) befinden sich die Komponenten der Schalen, unterhalb die dazugehörigen Techniken. Die Lernplattform besteht aus drei Schalen:
- Content: äußere Schale. Sie enthält die Lernmodule und stellt somit die Kommunikation zwischen Nutzer und Lernplattform sicher. Diese Schale wird durch XML-Technik realisiert (siehe 4.2)
- Methoden, Interaktionen: zweite Schale. Diese Schale enthält die Komponenten (Animationen, Visualisierungen, u.a.), welche die äußere Schale Content mit der Geodatenbasis verbinden. Für diese Zwecke werden Java-Applets, Flash, JSP, PHP u.a. eingesetzt.
- Geodatenbasis: innere Schale. In dieser Schale befinden sich die Geodaten der virtuellen Landschaft. Sie sind auf einem MS-SQL-Server gespeichert und können durch GIS-Anwendungen ArcObjekts, ArcSDE, ArcIMS verwaltet werden.
Die Realisierung dieser virtuellen Landschaft erfolgt über eine Plattform, die technisch GIS, Datenbanken sowie client- und serverseitig interpretierte Skripte kombiniert. Die Daten der Landschaft werden über die Middleware ArcSDE verwaltet, wobei der Middleware ArcSDE eine MS MySQL Datenbank zugrunde liegt. In dieser Datenbank sind mehrere Datenebenen als „geodatabase“ abgelegt, die als Grundlage für verschiedene GIS Übungen und GIS Analysen benutzt werden können. Über eine Schnittstelle des Mapservers ArcIMS und Citrix-Technologie sind die Daten im Internet zugänglich und werden durch client-serverseitige Skripte gesteuert. Die Client-Server-Architektur des GIMOLUS-GIS wird in Abbildung 2 (nach Vennemann und Müller, 2002) dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Client-Server-Architektur GIMOLUS-GIS (Quelle: Universität Stuttgart, Institut für Landschaftsplanung und Ökologie (ILPÖ))
Das GIMOLUS-System vereinigt in einer an Webservice-Konzepte angelehnten Architektur verschiedene technische Komponenten wie Datenbank-Anwendungen, Webserver, WebGIS, Terminalserver-Anwendungen, Java-Applets, Flash-Animationen, dynamischer Internet-Content und Kommunikations-Tools zu einer gemeinsamen Internetlernplattform. Registrierte Benutzer erhalten Zugriff auf die Lernmodule sowie auf die virtuelle Landschaft über eine vom Rechenzentrum der Universität Stuttgart eingerichtete Webanwendung. Mittels XSL-Transformation können die Lernmodule, die im XML-Format vorliegen, als dynamische Internetseiten dem Nutzer angeboten werden. Dabei werden zwei Vorgehensweisen der GIS-Integration parallel eingesetzt. Zum einen wird ArcIMS als Grundkomponente funktionell durch Javaskripte und PHP-Skripte erweitert. Zum anderen wird ein Terminalserver verwendet, der die Integration der Desktop-GIS-Systeme per Java-Applets in Internetbrowser ermöglicht.
Die in Abbildung 2 geschilderte Systemarchitektur erlaubt die Integration unterschiedlicher GIS-Technologien:
- Für Lesezugriffe auf statische 2D-Geodaten wird der ArcIMS HTML-Viewer ohne zusätzlicher Funktionalität verwendet.
- Lesezugriffe auf dynamische 2D-Geodaten und Schreibezugriffe auf Attributdaten ohne Veränderung der toplogischen Informationen werden mittels des ArcIMS HTML-Viewers, zusätzlicher PHP-Skripte sowie Javaskriptfunktionen umgesetzt. Die Modellalgorithmen werden mittels PHP und SQL-Requests umgesetzt.
- Falls Anwendungen umfangreichere GIS-Funktionalität erfordern als die ArcIMS-Technologie bieten kann, kommen ArcMAP-, ArcSCENE- oder ArcVIEW.3.2 Anwendungen zum Einsatz. Sie werden mittels eines Terminalservers und der Metaframe-Technologie von CITRIX realisiert. Bei diesem Konzept erfolgt die Ausführung der GIS-Anwendungen direkt auf dem Server. Der Nutzer sieht auf seinem Bildschirm lediglich die Ergebnisausgabe, die mittels eines Java-Applets in den Webbrowser eingebettet wird. Die Modellalgorithmen werden für ArcGIS-Komponenten auf der Basis von VisualBasic und ArcVIEW.3.2 mittels Avenue realisiert.
- Die Geodaten werden über ArcSDE in einer MS-SQLServer Datenbank verwaltet.
- Ergänzende 3D-Darstellungen der virtuellen Landschaft und zusätzliche Vektordaten aus ArcSDE werden mittels des gimolus3D-Servers realisiert. Die Bestandteile der Anwendung sind ein openGL basierter 3D-Server und ein Java-Client.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Komponenten des GIMOLUS-Systems
Für die Nutzer dieser Plattform gibt es die Möglichkeit des Austausches mit Tutoren durch gruppenspezifische Foren. Die Module des Projektes wurden mit der Metasprache XML erstellt, die durch eine DTD (Document Type Definition) den Aufbau der Module festlegt und damit die Einheitlichkeit garantiert. Die multimedialen Features, zu denen sowohl Audio- und Videosequenzen, als auch interaktive Vektoranimationen gehören, wurden mit Hilfe des Entwicklungstools Flash von Macromedia realisiert. Auf die Flash Animationen wird in dieser Arbeit ein besonderes Augenmerk gerichtet.
2.1 Fachdisziplinen
Das Projekt GIMOLUS besteht, wie schon im Kapitel 3 erwähnt, aus verschiedenen Fachdisziplinen. Die Projektpartner, also die beteiligten Institute, können in einem gemeinsamen Konzept ihre Lehrinhalte aufeinander abstimmen und Kopplungspunkte finden, und so die Lernmodule dauerhaft in die jeweilige Lehre einbinden. Die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit der Projektpartner verursacht Synergien, von denen sowohl die Lehre als auch die Forschung profitiert.
Im Einzelnen beschäftigen sich die beteiligten Institute mit den nachfolgend beschriebenen Themenbereichen:
- Geodatenerfassung und –management (GEM) – Institut für Anwendungen der Geodäsie im Bauwesen (IAGB), Universität Stuttgart
- Geo-Informationssysteme und Fernerkundung (GFE) – Institut für Photogrammetrie, Universität Stuttgart
- Hydrologie (HYD) – Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart
- Landschaftsplanung (LAP) – Institut für Landschaftsplanung und Ökologie, Universität Stuttgart
- Landschafts- und Autökologie (LÖK) – Arbeitsgruppe Landschaftsökologie, Universität Oldenburg
- Mediendidaktische Qualitätssicherung und Evaluation (MQE) – Institut für Erziehungswissenschaften, Universität Duisburg
- Populationsbiologie und Synökologie (PSOE) – Ökologische Station, Universität Würzburg
- Projektorganisation und –koordination (POK) – Institut für Landschaftsplanung und Ökologie, Universität Stuttgart
- Technische Realisierung (TRE) – Rechenzentrum der Universität Stuttgart und Institut für Landschaftsplanung und Ökologie, Universität Stuttgart
- Umweltströmungsmechanik (USM) – Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart
2.2 Teilprojekte GFE und GEM
Innerhalb des GIMOLUS-Projekts fällt das Teilprojekt „Geo-Informationssysteme und Fernerkundung“ (GFE) in den Zuständigkeitsbereich des Instituts für Photogrammetrie (IfP), während das Teilprojekt „Geodatenerfassung und Geodatenmanagement“ am Institut für Anwendungen der Geodäsie im Bauwesen (IAGB) betreut wird. Abbildung 3 zeigt die umzusetzenden Lernmodule, die zu Lerneinheiten zusammengefasst werden. Die Struktur dieses Teilprojekts orientiert sich am EVAP-Modell (EVAP – Erfassung, Verwaltung, Analyse, Präsentation). Die Lehrinhalte, die in diesen zwei Teilprojekten vermittelt werden, präsentieren die GIS-Grundlagen, die in anderen Teilprojekten als Basis verwendet werden können.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: GIMOLUS-Module der Teilprojekte GFE und GEM (Quelle: Universität Stuttgart, Institut für Landschaftsplanung und Ökologie (ILPÖ))
Die Teilprojekte GEM und GFE bestehen aus 11 Lerneinheiten unterschiedlichen Umfangs. Zunächst werden Grundlagen von GIS und Geodatenerfassung behandelt, danach folgen die Themen „Projektionen und Koordinaten-systemen“, „Koordinatentransformation“, „Primäre Erfassung“, „Sekundäre Erfassung“, „Geodatenmarkt“, „Datenbearbeitung“, „Datenbanken“, „Modellierung“, „Analyse“ und abschließend „Präsentation“ (Abbildung 3). Alle Lernmodule enthalten sowohl deklarative als auch prozedurale Elemente. In allen Lernmodulen können Studierende auf interaktive Übungen zugreifen, die den oft in der Präsenzlehre fehlenden Praxisbezug herstellen.
3. Lernmodule
3.1 Mediendidaktik
3.1.1 Einführung
In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen der didaktischen Aufbereitung der Lernmodule zur Diskussion gebracht werden. Dabei geht es darum, die Inhalte der Lernmodule so zu gestalten, dass die dazu eingesetzten Medien und Techniken didaktisch optimal Präsenzveranstaltungen ergänzen und unterstützen.
Mediendidaktik beschäftigt sich mit dem Einsatz von Medien zum Erreichen pädagogisch reflektierter Ziele; in ihren Bereich gehören vor allem die Unterrichtsmedien, oder anders formuliert - mediale Lernumgebungen. Mediale Lernumgebungen sind nach der Definition von Kerres „planmäßig gestaltete Arrangements, in denen – auf Grundlage technischer Medien – möglichst lernförderliche Bedingungen geschaffen werden“ (Kerres 2000).
Abbildung 4 zeigt die Verteilung von Multimedien und Telemedien im „Medienraum“ (nach Kerres, 2000). Multimedien kombinieren verschiedene Arten der Informationen: Grafik, Text, Audio- und Videosequenzen. Zu den Telemedien gehören unterschiedliche Arten der Informationsübertragung: Radio, Fernsehen, Internet. Telemedien und Multimedien haben natürlich einen Überschneidungsbereich. Die rasante Entwicklung des Internets hat den Überschneidungsbereich wesentlich vergrößert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Verteilung von Multimedien, Telemedien, CBT und WBT
Der Begriff „computer based training“ (CBT) wird verwendet, wenn ein Computer zu Lernzwecken eingesetzt wird und zwar unabhängig von der eingesetzten Medienart. Wenn beim Lernprozess auch die Nutzung der Internetdienste (WWW, E-Mail, FTP) in Anspruch genommen wird, so spricht man von „web based training“ (WBT). Demnach sind die zu erstellenden Lernmodule in den Überschneidungsbereich von Multimedien und Telemedien einzuordnen.
3.1.2 Ansätze der Mediendidaktik: Programmierte Instruktion, Kognitivismus, Konstruktivismus
Mediendidaktik ist ein Spezialbereich der Didaktik. Mediendidaktik befasst sich mit dem Einsatz unterschiedlicher Medien zum erreichen pädagogischer Ziele. Nachfolgende Tabelle zeigt drei Hauptrichtungen der Mediendidaktik: Programmierte Instruktion, Kognitivismus und Konstruktivismus (Tabelle 1).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2: Mediendidaktische Richtungen (nach Kerres, 2000)
Im folgenden werden die drei Hauptrichtungen der Mediendidaktik kurz vorgestellt. Dabei sollten sie für ihre Eignung zum umsetzen der Lernmodule bewertet werden.
Programmierte Instruktion
Der Ansatz wurde am Anfang der 60er Jahre bei der Entwicklung der ersten Computersysteme angewendet. Seitdem wird er unverändert weiter benutzt. Als Basis für diesen Ansatz gilt der Behaviorismus, der von B.F.Skinner (B.F.Skinner. Was ist Behaviorismus?. Hamburg 1978, Seite 9) eingeführt wurde. Die Idee des Behaviorismus ist Führung des Lernprozesses durch positive oder negative Reaktionen des Computersystems. Die innere Lernsituation des Menschen wird dabei nicht berücksichtigt. Der Lernende muss richtiges Verhalten vorzeigen können, also die gestellten Fragen richtig beantworten. Die Antwort wird dann entsprechend bewertet: korrekte Antwort durch positive Reaktion, falsche Antwort durch Wiederholung, Hinweise auf gemachte Fehler u.a.
Ein Computersystem ist sehr gut geeignet für die Realisierung solcher Bewertungsmechanismen. Die gravierende Schwäche dieses Ansatzes ist aber die nicht vorhandene Möglichkeit, auf besondere Lernfähigkeiten jeder einzelnen Person entsprechend zu reagieren. Der Lernprozess dürfte sich bei komplizierten Zusammenhängen sehr ermüdend und monoton gestalten lassen. Dabei kann man mit Verringerung der Konzentration und somit der Lernbereitschaft rechnen.
Dieser Ansatz alleine kann für die in dieser Arbeit zu entwickelnde Lernmodule nicht die Ergebnisse erzielen, die dem geforderten Effizienzgewinn gerecht werden.
Kognitivismus
Im Vergleich zu der Programmierten Instruktion werden im Kognitivismus interne Lernprozesse der lernenden Person berücksichtigt. Im Kognitivismus wird das Lernen als „Prozess der Aneignung von Wissen im Gedächtnis eines Individuums aufgefasst“ (Kerres 2000). Der Lernende wird als ein rational agierendes Wesen betrachtet, und die von ihm eingeleitete kognitive Prozesse werden vom Computersystem für effektiveres Lernen mitberücksichtigt. Solche Computersysteme, die den Wissensstand und die kognitive Prozesse eines Lernenden in den Lernprozess einbeziehen, heißen intelligente tutorielle Systeme. Die Systeme können aus dem Verhalten des Lernenden und aus den gegebenen Antworten Rückschlüsse über seine Kompetenz ziehen und entsprechend darauf reagieren z.B. durch alternative Fragestellungen oder durch Änderung des Schwierigkeitsgrades. Die Hauptschwierigkeit der Realisierung dieses Ansatzes liegt darin, dass die Rückschlüsse über die Kompetenz des Lernenden in einem nur sehr begrenzten Ausmaß möglich sind. Der Grund dafür ist sehr hoher Aufwand an Zeit und technischen Mitteln, welcher für die Realisierung solcher Systeme nötig wäre.
Obwohl der Ansatz des Kognitivismus nicht vollständig realisierbar ist, können einige Ideen doch bei der Entwicklung der Lernmodule aufgegriffen werden. Die Anregung bestimmter kognitiven Prozesse des Lernenden können z.B. durch gezielte Fragen zum Lernstoff erreicht werden. Dadurch wäre der Lernende in die aktive Wissensvermittlung involviert, was die Effizienz des Lernprozesses enorm steigern würde.
Konstruktivismus
Nach dem Prinzip des Konstruktivismus sollte der Wissenserwerb unmittelbar mit der Lernsituation verknüpft werden. Das heißt, dass die sozialen Gegebenheiten einer Situation tragen zu einem effizienteren Lernprozess und zur besseren Abrufbarkeit des erworbenen Wissens bei. Diese Aussage kann in einem Beispiel verdeutlicht werden. Eine Person kann eine Fremdsprache besser lernen, wenn das Lernen in einer Situation erfolgt, welche möglichst ähnlich der Anwendungssituation ist. Am besten ist dafür ein Aufenthalt in dem Land geeignet, in dem die jeweilige Fremdsprache gesprochen wird. Das Hauptziel des Lernprozesses verschiebt sich von der sehr personenorientierten Anschauung des Kognitivismus zu einer stärkeren Einbeziehung der sozialen Umwelt.
Die didaktischen Konzepte des Konstruktivismus erfordern die Erzeugung einer komplexen Realität und der Unterstützung persönlicher Aktivitäten des Lernenden. Diese Umsetzung der didaktischen Konzepte wird nach Kerres auch „problembasiertes Lernen“ genannt.
Beim Projekt GIMOLUS werden die didaktischen Konzepte des Konstruktivismus durch die Integration der Desktop-GIS-Systeme per Java-Applets realisiert. So können anwendungsorientierte GIS Aufgaben von den Lernenden selbstständig bearbeitet werden. In dem Fall befindet sich der Anwender in einer konkreten Anwendungssituation von GIS-Software am Computer. Durch realitätsnahe Aufgabenstellungen lassen sich die komplexen Zusammenhänge viel besser und anregender vermitteln.
Die Lernmodule „Hierarchische Datenstrukturen“ und „Linienglättung“ können zwar von GIS-Funktionalitäten der virtuellen Landschaft kein Gebrauch machen, die Ansätze des Kognitivismus und des Konstruktivismus aber können durchaus bei der Entwicklung der Module von Nutzen sein.
3.2 Lernmodul „Hierarchische Datenstrukturen“
In diesem Kapitel wird das Lernmodul „Hierarchische Datenstrukturen“ näher dargestellt. Dabei werden sowohl die theoretischen Grundlagen der Datenmodellierung, als auch die Entstehung des einsatzfähigen Lernmoduls behandelt. Die zu dem Lernmodul gehörige interaktive Übungsprogramme und ihre Implementierung werden im Kapitel 5 explizit beschrieben.
3.2.1 Strukturierung raumbezogener Daten
Die raumbezogenen Daten können mit den Hilfsmitteln des geometrischen, topologischen und thematischen Modellierens strukturiert werden. Die Datenstrukturen werden durch sogenannte Struktogramme beschrieben. Diese Struktogramme beinhalten den Datenfluss und die logische Zuordnung (Ralf Bill, Grundlagen der Geoinformationssysteme (Band I, Kapitel 5.5), Wichmann, 1999). Vektordaten werden durch Parameter, Zellenzerlegung, Randbeschreibungen und Raumprimitiven (Punkte, Linien usw.) beschrieben. Daher erfolgt die Strukturierung der Vektordaten durch die Erzeugung von Parameterlisten, Zellennachweisen, Kanten- und Knotenlisten sowie der Kombination verschiedener Raumkörper. Die Strukturierung von Rasterdaten erfolgt durch das Enumerationsverfahren auf der Pixelebene. Das heißt, hochwertige Strukturen können nur durch die Kombination von Pixelgruppen erzielt werden. Die daraus resultierende Struktur ist z.B. das Oktree- bzw. Quadtree-Prinzip. In Tabellen werden auch Sachdaten, oder semantische Daten, angelegt. Dabei werden die Normierungen als Strukturierung der Daten verstanden. Die Normierung bezeichnet den Prozess der Automisierung, das heißt das Unterteilen der Tabellen mit beliebig vielen Attributen in einer Zeile und einer Spalte in viele Spalten mit jeweils nur einem Attributwert.
Historische Datenstrukturen
Seitdem in den sechziger Jahren die raumbezogenen Daten digital verwaltet wurden, gab es schon damals Entwicklungen der vektoriellen Datenstrukturen, um die Daten nach den topologischen Ordnungsprinzipien abzuspeichern. Diese Strukturen konnten nicht alle topologische Bedingungen realisieren, jedoch wurden die Nachbarschaftsbeziehungen berücksichtigt.
Die Abspeicherung der topologischen Merkmale schließt eine redundante Datenhaltung ein. Die umfangreichere Topologie des Datenmodells bringt mit sich den größeren Speicherplatzbedarf für raumbezogene Datenbank. Der Vorteil eines umfangreichen topologischen Datenmodells besteht jedoch in höherer Geschwindigkeit, mit der die Datenzugriffe bei der Analyse erfolgen können.
Eine der historischen Datenstrukturen ist die DIME-Datenstruktur (Dual Independent Map Encoding). In den siebziger Jahren wurde diese Datenstruktur als System zur Suche nach fehlerhaft abgespeicherter Topologie entwickelt. Das Grundelement der DIME-Struktur ist der geradlinige Teil einer Kante. Ein Kantenstück wird von zwei Knotenpunkten begrenzt, welche nicht nur den Anfangs- bzw. Endpunkt repräsentieren können, sondern auch die Zwischenpunkte des Kantenpolygons. Jedes Kantensegment besitzt vier Zeiger, von denen zwei auf Anfangs- bzw. Endknoten verweisen und dadurch der Kante eine bestimmte Richtung verleihen. Zwei andere Zeiger verweisen auf links bzw. rechts von der Kante liegenden Flächen.
Der Nachteil dieser Struktur liegt darin, dass sehr viele Kantenstücke existieren, deren Verzweigungen immer wieder durchgelaufen werden müssen. Dadurch können komplizierte Polygonobjekte nur mit einem erheblichen Aufwand gebildet werden.
Eine Weiterentwicklung der DIME-Struktur zu einer graphentheoretischen strengen Struktur heißt Polygonkonvertierung (Polygon-Converter, POLYVRT) (T.Peucker und N.Christman(1975)). Bei dieser Struktur wird das Linienstück zur echten Kante, und damit auch zum Grundelement. Die Anfangs- und Endpunkte werden dabei zu echten Knoten. Die Zwischenpunkte einer Kante werden unter einer bestimmten Adresse abgespeichert, so dass der geometrische Ort nur einmal in der Datenbank abgelegt wird.
Bei dieser Datenstruktur stellt sich das Fehlen von Objekt- und Flächenhierarchien als größter Nachteil heraus. Jedoch konnte POLYVRT zur damaligen Zeit die Ansprüche der raumbezogenen Datenhaltung ausreichend erfüllen (Ralf Bill, Grundlagen der Geoinformationssysteme (Band I, Kapitel 5.5), Wichmann, 1999).
Strukturen für Vektordaten
Das Grundprinzip für leistungsfähige topologische Datenmodelle besteht in der Zuordnung der topologischen Grundprimitiven (Punkte, Linien, usw.) zu Objekten und Objektklassen. Dadurch können folgende allgemeine Zuordnungen aufgebaut werden:
- Knoten è Punktobjekt è Objektklasse
- Kanten è Linienobjekt è Objektklasse
- Flächen è Flächenobjekt è Objektklasse
- Raumkörper è Volumenobjekt è Objektklasse
Durch die Einführung von Volumenmodellen ist diese Struktur auch für die 3D-Modellierung geeignet.
Strukturen für Rasterdaten
Die Rasterdatenverarbeitung ist im Vergleich zu der Vektordatenverarbeitung eine junge Disziplin im Bereich der Datenverarbeitung (Ralf Bill, Grundlagen der Geoinformationssysteme (Band I, Kapitel 5.5), Wichmann, 1999). Rasterdaten entstehen durch das Überziehen des gesamten raumbezogenen Gebiets mit einem geometrischen Raster. Die Geometrie dieses Rasters muss nicht unbedingt regulär sein. Die meist verbreitete Form ist jedoch das Quadrat- oder Viereckraster. Dabei kann jede einzelne Zelle des Rasters anhand der Kombination von Spalten- und Zeilenadressen aufgefunden werden.
Die Grundstruktur von Viereckrastern ist eine Zelle, oder ein Pixel. Bei dieser Struktur handelt es sich um eine punktbezogene Topologie. Die Zellennachbarn können auch direkt berücksichtigt werden, falls die Verzweigungsrichtungen bekannt sind. Durch die Abspeicherung dieser Richtungen können linienhafte Rasterdaten bzw. Linienstrukturen entstehen. Durch das Quadtree-Verfahren, das im folgenden besprochen wird, ist auch hierarchische Vorgehensweise möglich.
Das einfachste Verfahren leitet die linienhaften Strukturen für Quadratraster nach dem Kettencode-Prinzip (Freeman chaining) ab. Bei dem Verfahren gibt es acht unterschiedlichen Richtungen, genau soviel, wie viel Nachbarn ein Pixel hat. Die Linienstruktur entsteht, wenn die Richtungen als eine Zahlenkette abgespeichert werden. Dieser Code heißt Freeman-Zahl.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Beispiel eines Kettencodes
Als flächenhafte Datenstruktur für thematische Raster eignet sich am besten das Quadtree-Verfahren. Die thematischen Raster müssen dazu bereits in einem Vorverarbeitungsschritt zu homogenen Einheiten zusammengefasst sein. Dieser Vorverarbeitungsschritt bei der digitalen Bildverarbeitung heißt Klassifikation. Die Klassifikation kann sowohl manuell, als auch computergestützt automatisch erfolgen (Ralf Bill, Grundlagen der Geoinformationssysteme (Band I, Kapitel 5.5), Wichmann, 1999). Um möglichst schnell auf einzelne raumbezogene Elemente zugreifen zu können, wird das Quadtree-Prinzip als hierarchische Zugriffsstruktur oder als Verwaltungsschema eingesetzt. Als Ergebnis dieses Verfahrens entsteht ein Baum, dessen Knoten sich sukzessive in vier Zweige unterteilen kann. Die Blätter des Baumes enthalten die eigentliche Information über ein raumbezogenes Objekt. Die Auflösung, oder die kleinste Informationseinheit des Baumes wird vom Nutzer vorgegeben. Der Quadtree-Baum repräsentiert dann den Weg zu den einzelnen Elementen eines Objektes.
[...]
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Eugen Steinbrenner (Autor:in), 2004, Internetbasierte interaktive Lernmodule zur hierarchischen Datenstrukturierung und zur Linienglättung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/122431
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