DE102014102063A1

DE102014102063A1 - Computergestütztes Verfahren und computergestütztes Unterrichtssystem zur Durchführung naturwissenschaftlicher Lehrexperimente, vernetzte Unterrichtsanordnung

Info

Publication number: DE102014102063A1
Application number: DE201410102063
Authority: DE
Inventors: Michael Mehlhorn; Markus Grumann; Lucas Schubert; Alexander Wolf
Original assignee: Phywe Systeme & Co KG GmbH
Current assignee: Phywe Systeme & Co KG GmbH
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2034-02-19
Also published as: DE102014102063B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein computergestütztes Unterrichtssystem (1) zur Durchführung naturwissenschaftlicher Lehrexperimente, wobei das Unterrichtssystem eine Messstation (10) mit einer CPU (2) umfasst, die zur Ausführung eines Computerprogramms eingerichtet ist, und das zumindest eine Schnittstelle (4) zum logischen Anschluss eines externen Messwertgebers (6) für eine Kommunikation mit der CPU (2) aufweist. Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung eine vernetzte Unterrichtsanordnung mit mehreren Unterrichtssystemen (1) ein computergestütztes Verfahren zur Durchführung naturwissenschaftlicher Lehrexperimente mittels eines Unterrichtssystems (1), welches eine Messstation (10) mit einer CPU (2) umfasst, die zur Ausführung eines Computerprogramms eingerichtet ist, und zumindest eine Schnittstelle (4) zum logischen Anschluss eines externen Messwertgebers (6) für eine Kommunikation mit der CPU (2), wobei das Unterrichtssystem (1) weiterhin ein Computerprogramm (100) aufweist mit einem Programmkern (12) zur Ausführung auf der CPU (2) der Messstation (10) und einem webbasierten Frontenend (14) zur Interaktion eines Benutzers mit dem Programmkern (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der computergestützten Verfahren und Systeme zur Durchführung von naturwissenschaftlichen Lehrexperimenten im Bereich der schulischen, universitären oder beruflichen Aus- und Weiterbildung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Einbettung eines solchen Verfahrens bzw. Systems in ein webbasiertes Learning-Management-System. Schließlich betrifft die Erfindung die Vernetzung entsprechender Verfahren und Systeme zur Verbesserung der Ressourcennutzung.
Im Bereich der universitären Ausbildung sind seit langem computergestützte Verfahren und Systeme zur Durchführung von naturwissenschaftlichen Lehrexperimenten bekannt. Sie basieren in der Regel auf konventionellen Messgeräten, die als Stand-alone-Geräte betrieben werden können und im Rahmen von Lehrexperimenten zur (zeitaufgelösten) Erfassung von Messwerten verwendet werden. Diese Messgeräte werden über eine geeignete Schnittstelle wie die standardisierte USB-Schnittstelle mit einem PC verbunden, auf dem z. B. ein Computerprogramm für eine Messwerterfassung ausgeführt wird. Das Computerprogramm dient dazu, über die Schnittstelle vom Messgerät erfasste Messwerte („Daten”) zu übernehmen, um diese im PC für eine Weiterverarbeitung vorliegen zu haben. Auch eine Initialisierung des Messgeräts kann vom PC aus angestoßen werden. Auch wenn ein derartiges Verfahren und System gegenüber der klassischen Versuchsdurchführung mit manueller Protokollierung der Messwerte große Vorteile aufweist, da es z. B. eine Messwerterfassung mit hoher Zeitauflösung zulässt, so sind stets zusätzliche Unterlagen für den Auszubildenden erforderlich, um ihm eine Versuchsanleitung zur Verfügung zu stellen sowie ihm den naturwissenschaftlichen/technischen Hintergrund zu erläutern.
Andererseits haben in der letzten Dekade sogenannte Learning-Management-Systeme (LMS) vor allem im Bereich der universitären, aber auch im Bereich der beruflichen Aus- und Weiterbildung dramatisch an Bedeutung gewonnen. Insbesondere webbasierte Systeme werden zunehmend für die Vermittlung auch komplexer Lerninhalte eingesetzt, wobei viele LMS neben der reinen Wissensvermittlung über die Bereitstellung von Lehrinhalten zum Abruf mittels Webbrowser vielfältige weitere Funktionen bereitstellen. Hierzu zählt die Möglichkeit, dass ein Schüler Protokolle mittels des LMS erstellt und archiviert, aber auch die Möglichkeit, Klausuren und Tests mittels des LMS durchzuführen, auszuwerten und zu archivieren. Auch die Erstellung von Lehrinhalten, die über die Grenzen einzelner Bildungsinstitutionen hinweg gemeinschaftlich genutzt und ausgetauscht werden, ist mittels LMS kein Problem mehr. LMS sind daher an vielen Bildungsinstitutionen aus den jeweiligen Curricula nicht mehr wegzudenken. In den ingenieur- und naturwissenschaftlichen Bereichen, in denen die Durchführung vielfältiger Lehrexperimente fester Bestandteil der Curricula ist, ist jedoch bis zum heutigen Tage die Verwendung von LMS nicht in vollem Umfang möglich. Den Erfindern der vorliegenden Erfindung ist bislang kein System bekannt, bei welchem eine vollwertige Experimentsteuerung incl. Messwerterfassung in ein webbasiertes Learning-Management-System integriert ist, so dass einerseits die volle Funktionalität eines LMS und andererseits die hohe Leistungsfähigkeit einer computergestützten Stand-Alone-Messwerterfassung vereint wäre.
Aus der US 8,239,478 A1 ist eine vernetzte computergestützte Unterrichtsanordnung bekannt, die eine e-book-Software umfasst, welche auch naturwissenschaftliche Lehrinhalte umfassen kann. Insbesondere können die naturwissenschaftlichen Lehrinhalte Versuchsanleitungen umfassen und vorsehen, dass Lehrexperimente aus der e-book-Software hinaus mit einem computergestützten Experimentier-Subsystem angestoßen werden. Explizit ist ein Datenaustausch zwischen der e-book-Software und dem Experimentier-Subsystem genannt, der sich jedoch auf den Export einer graphischen Darstellung der erfassten Messwerte und deren Import in die e-book-Software beschränkt. Eine echte Experimentsteuerung aus der e-book-Software heraus ist daher auch mit dem aus der US 8,239,478 A1 bekannten System nicht möglich. Darüber hinaus offenbart die US 8,239,478 A1 keine technischen Details, wie die beschriebene Funktionalität umgesetzt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein vorteilhaftes computergestütztes Verfahren und ein vorteilhaftes computergestütztes Unterrichtssystem zur Durchführung naturwissenschaftlicher Lehrexperimente anzugeben, welches insbesondere eine vollwertige Experimentsteuerung aus dem Kontext eines LMS heraus erlauben soll. Dabei soll der Umfang Betriebssystem-spezifischer Softwarekomponenten im Verfahren bzw. dem Unterrichtssystem so klein wie möglich gehalten werden, so dass insbesondere ein Einsatz auf vielen verschiedenen Endgeräten unter vielen verschiedenen Betriebssystemen möglich ist. Schließlich ist Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte vernetzte Unterrichtsanordnung mit fortgeschrittener Funktionalität und verbesserter Ressourcennutzung anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Unterrichtssystem gemäß Anspruch 1, durch eine vernetzte Unterrichtsanordnung gemäß Anspruch 25 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 28. Die jeweiligen Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar, deren Merkmale frei miteinander kombiniert werden können auch über die Grenzen der jeweiligen Anspruchskategorie hinweg. Im Folgenden werden wesentliche Eigenschaften und Vorteile verschiedener vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung diskutiert, wobei teilweise auf eine Implementierung der Erfindung in Form eines Verfahrens, teilweise aber auch auf eine Implementierung in Form einer Vorrichtung Bezug genommen wird. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass aufgrund der engen Verknüpfung von Vorrichtung und Verfahren im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Erläuterungen in Bezug auf die eine Anspruchskategorie unmittelbar auf die jeweils andere Anspruchskategorie übertragen werden können.
Ein erfindungsgemäßes computergestütztes Unterrichtssystem ist zur Durchführung naturwissenschaftlicher Lehrexperimente vorgesehen. Es umfasst in seiner einfachsten Ausgestaltung eine Messstation mit einer CPU, die zur Ausführung eines Computerprogramms eingerichtet ist, sowie mit zumindest einer Schnittstelle zum logischen Anschluss eines externen Messwertgebers für eine Kommunikation mit der CPU. Weiterhin umfasst das Unterrichtssystem ein Computerprogramm zur Ausführung auf der CPU der Messstation, welches zur Ansteuerung eines an die Schnittstelle der Messstation logisch angeschlossenen externen Messwertgebers sowie zur Übernahme von Messwerten vom Messwertgeber über die Schnittstelle eingerichtet ist. Das Computerprogramm weist einen Programmkern und ein webbasiertes Frontend zur Interaktion eines Benutzers mit dem Programmkern auf. Der Programmkern ist dabei zur beschriebenen Kommunikation mit einem an die externe Schnittstelle logisch angeschlossenen Messwertgeber eingerichtet. Weiterhin umfasst das Unterrichtssystem ein weiteres Computerprogramm, welches zur Anzeige des webbasierten Frontends ausgebildet ist. Dieses weitere Computerprogramm, bei den es sich um einen Webbrowser gemäß Industriestandard (z. B. Apple Safari^®, Mozilla Firefox^®, Microsoft^® Internet Explorer, Google Chrome^®) handeln kann, kann auf der CPU der Messstation selbst ausgeführt werden, es kann jedoch auch auf der CPU eines weiteren, mit der Messstation in Datenverbindung stehenden Endgerät ausgeführt werden. Bevorzugt sind der Programmkern und das Frontend für eine gegenseitige Kommunikation über ein IP-basiertes Protokoll, z. B. das WebSocket-Protokoll, eingerichtet. Das Frontend ist dazu eingerichtet ist, bei einem Ereignis des Benutzers im Frontend (d. h. beispielsweise bei einer Benutzereingabe wie der Betätigung eines Bedienelements) eine Kommunikation des Frontends mit dem Programmkern auszulösen. Es ist einem Benutzer daher möglich, über das webbasierte Fronend mit dem Programmkern zu interagieren, selbst wenn Programmkern und Frontend nicht auf derselben Hardware ausgeführt werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Unterrichtssystem weiterhin ein webbasiertes Learning-Management-System (LMS). Dieses umfasst eine Datenbank mit Lehrinhalten sowie eine Webanwendung zum Abruf von webbasierten Inhalten, wobei die webbasierten Inhalte auf den Lehrinhalten basieren. Unter dem Begriff Learning Management System (LMS) versteht man im Allgemeinen ein Softwaresystem, das unter einer zentralen Oberfläche mehrere aufgabenspezifische Teilprogramme integriert, mit denen verschiedene Lernszenarien unterstützt werden. Ausgehend vom ursprünglichen E-Learning-Ansatz hat sich der Konsens entwickelt, dass das sogenannte Blended Learning die Lernaktivitäten der meisten Anwender am besten unterstützt, weswegen aktuell die meisten LMS diesen Ansatz verfolgen. Gemeinsam ist all diesen Lernumgebungen, dass sie Werkzeuge zur Erstellung, Kommunikation und Verwaltung von Lerninhalten, sowie zur Koordination von web-basierten Lernangeboten und zur Beurteilung der Lernenden enthalten. Aufgrund der allgemeinen Akzeptanz und einfachen Benutzbarkeit von Web-Anwendungen hat sich diese IT-Architektur auch bei Lernplattformen durchgesetzt; diese bietet weiterhin den Vorteil der leichteren Integration verschiedener Dienste des World Wide Web. Dies führt u. a. zu einer Reduktion des Erstellungsaufwandes für Lerninhalte. Dabei werden die Lerninhalte in einer Datenbank verwaltet und den Lernenden nach Personalisierungsmaßnahmen zur Verfügung gestellt. Der individuelle Lernprozess wird vom System mit verfolgt (Tracking) und protokolliert. Lehrer und Lernende kommunizieren, ohne eine zusätzliche Software installieren zu müssen, mit diesem System über einen gewöhnlichen Web-Browser. Im englischsprachigen Raum werden Lernplattformen häufig als VLEs (Virtual Learning Environments) bezeichnet, womit zusätzlich noch eine andere, nämlich pädagogische Orientierung von Lernplattformen angedeutet wird.
Beispielhaft für ein solches LMS-System wird auf das unter der Bezeichnung ILIAS^® als open source-Software vertriebene LMS-System verwiesen. ILIAS ist eine freie Lernplattform, mit deren Hilfe sowohl in der Regel XML-basierte Lehr- und Lernmaterialien (für E-Learning) erstellt und verfügbar gemacht, als auch Kommunikation und Kooperation unter Lehrenden und Lernenden, Prüfungen und Evaluation sowie didaktische Strukturen für komplette Kurse verwirklicht werden können. Die aktuellen Releases von ILIAS sind in der Programmierungssprache PHP umgesetzt. Die Entwicklung des ILIAS^®-LMS wird von einer gemeinnützigen Organisation koordiniert, dem ILIAS open source e-Learning e. V. mit Sitz in 50825 Köln, Deutschland. Grundlegende Informationen zum ILIAS-LMS können z. B. unter der URL www.ilias.de unter dem Link User Documentation abgerufen werden. Weitere Informationen können dem Fachbuch „Das Offizielle ILIAS4-Praxisbuch”, Autor: Matthias Kunkel, erschienen bei Addison-Weseley-Verlag (ISBN: 978-3-8273-2963-3) entnommen werden, wobei an dieser Stelle auf die Kapitel 27 „Administration” und 28 „ILIAS installieren und aktualisieren” verwiesen wird, deren Inhalt durch diese Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung zugefügt wird. Anders als bei vielen Lernplattformen aus dem angelsächsischen Raum ist ILIAS nicht allein auf das Lernen und Arbeiten in Kursen fixiert. Vielmehr orientiert sich ILIAS eher an der Idee der Bibliothek und ermöglicht die Bereitstellung von Lern- und Arbeitsmaterialien in allen Bereichen der Plattform. Inhalte können zudem auch nicht-registrierten Benutzern zugänglich gemacht werden. Auch ein Shop-System zur Vermarktung von Lerninhalten ist vorhanden
Das erfindungsgemäße Unterrichtssystem ist insbesondere deswegen besonders vorteilhaft, weil sich das Frontend des Computerprogramms auf einfachste Weise in die webbasierten Inhalte des LMS eingebettet werden kann. Diese Einbettung erlaubt die Integration einer Messwerterfassung in ein browsergestütztes LMS, was bislang ein in der Praxis nicht befriedigend gelöstes Problem war. Die Einbettung kann z. B. erfolgen, indem das Frontend als Plug-In für einen Webbrowser ausgebildet wird, welches z. B. aus dem Kontext einer webbasierten Seite des LMS aufgerufen wird. Ein Webbrowser-Plug-in ist dabei im Allgemeinen ein Programm, das die Funktion von Webbrowsern erweitert. Der Browser kann mit Hilfe von Plug-ins Daten auf Webseiten verarbeiten, die nicht in browsertypischen Dateiformaten (HTML, JavaScript usw.) vorliegen, wie z. B. Streaming-Video-/Audio-Formate, Applets, PDF oder Flash (swf). Nutzer können dann auf diese Inhalte zugreifen, wenn sie das für ihren Browser und ihr Betriebssystem passende Plugin installiert haben.
Alternativ ist es möglich, dass das Frontend die von einem Webbrowser dargestellte Webseite eingebettet ist und von dort ausführbar ist. Hierzu kann die hinter dem webbasierten LMS liegende Webanwendung die Verwendung proprietärer Plug-Ins vorsehen, die in die vom LMS-Server ausgelieferten Webseiten eingebettet werden können. Eine derartige Funktionalität ist beispielsweise im vorstehend in Bezug genommenen LMS-System ILIAS^® gegeben. Bezüglich weitergehender technischer Details wird auf die technische Dokumentation verwiesen, die am Anmeldetag im online unter der URL www.ilias.de bereitgestellten Development Guide in Kapitel 29 Plugins zur Verfügung stand, welches hiermit ebenfalls zur Offenbarung der vorliegenden Anmeldung zugefügt wird. Insbesondere wird auf das Unterkapitel User Interface Plugins verwiesen.
Ein erfindungsgemäßes computergestütztes Verfahren dient zur Durchführung naturwissenschaftlicher Lehrexperimente mittels eines Unterrichtssystems. Ein solches Unterrichtssystem umfasst zumindest eine Messstation mit einer CPU, die zur Ausführung eines Computerprogramms eingerichtet ist, sowie zumindest eine Schnittstelle, an die zumindest ein externer Messwertgeber für eine Kommunikation mit der CPU logisch angeschlossen ist. Bei einem solchen Messwertgeber kann es sich beispielsweise um ein digitales Messgerät wie ein Multimeter zur Messung von elektrischen Spannungen oder Strömen handeln. Als Schnittstelle kommt beispielsweise eine USB-Schnittstelle in Betracht, aber auch eine Schnittstelle nach dem Bluetooth^®- oder nach dem Firewire^®-Industriestandard oder um eine beliebige IP-basierte Schnittstelle. Weiterhin umfasst das Unterrichtssystem ein Computerprogramm zur Ausführung auf der CPU der Messstation mit einem Programmkern und einem webbasierten Frontend zur Interaktion eines Benutzers mit dem Programmkern. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in seiner grundlegenden Ausprägung die folgenden Verfahrensschritte:

a. Ausführen des Programmkerns,
b. Ausführen des webbasierten Frontends in einem Webbrowser,
c. Herstellen einer Kommunikation zwischen dem Programmkern und dem Frontend,
d. Interaktion des Benutzers mit dem Computerprogramm über das Frontend, um
i. den an die Schnittstelle logisch angeschlossenen externen Messwertgeber anzusteuern, und
ii. Messwerte vom Messwertgeber in das Computerprogramm zu übernehmen.

Das Ansteuern des Messwertgebers kann beispielsweise das Initialisieren des Messwertgebers in einen vorbestimmten Gerätezustand zur Erfassung einer vorbestimmten physikalischen Messgröße mit einer vorbestimmten Empfindlichkeit umfassen.
An die Übernahme der Messwerte in das Computerprogramm kann sich eine Weiterverarbeitung der Messwerte z. B. durch Filterung, statistische Analysen wie Mittelwertbildung, Transformation wie FFT etc. anschließen, die sowohl im Programmkern als auch im Frontend erfolgen kann. Aus Performancegründen wird die Ausführung bevorzugt im Programmkern erfolgen. Sowohl die Rohdaten als auch die aufbereiteten Daten können einer geeigneten graphischen Darstellung im Frontend zugeführt werden, z. B. in Form einer Tabelle bzw. in Diagrammform, worauf im Folgenden noch genauer eingegangen wird.
Ein Ereignis des Benutzers im Frontend kann, muss aber nicht, eine Kommunikation des Frontends mit dem Programmkern auslösen. Die Kommunikation zwischen Frontend und Programmkern erfolgt im Allgemeinen vorteilhaft über das WebSocket-Protokoll, insbesondere erfolgt sie bidirektional.
Das Frontend kann eine graphische Benutzeroberfläche GUI bereitstellen, die eine Nachbildung des Bedienpanels des Messwertgebers darstellt und z. B. Bedienelemente des Messwertgebers für eine ferngesteuerte Einstellung bzw. Betätigung umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, ein ggf. komplexes Unterrichtssystem von einem einfachen Endgerät aus zu steuern, welches nur dazu eingerichtet sein muss, das webbasierte Frontend auszuführen und eine Kommunikation des Frontends mit dem ggf. auf der CPU eines anderen Computersystems, nämlich einer separat ausgebildeten Messstation, ausgeführten Programmkerns zu ermöglichen. Dies erlaubt es, das Frontend auf einfachste Weise für eine Vielzahl verschiedener Endgeräte zu implementieren, beispielsweise für PCs nach dem Industriestandard, die unter üblichen Betriebssystemen wie Windows^®, Linux^®, MacOS X oder anderen betrieben werden, oder auch für mobile Endgeräte wie Handheld-Computer, Smartphones oder Tablets, die beispielsweise unter iOS^® oder Android^® betrieben werden.
Der Programmkern hingegen wird aufgrund der zur Messwerterfassung oftmals erforderlichen Ausführungsgeschwindigkeit bevorzugt in einer betriebssystemabhängigen Programmierung bereitgestellt. Es kann sich z. B. um ein in der Programmiersprache C++ erstelltes Computerprogramm handeln, welches für das jeweilige Betriebssystem (Windows^®, Linux^®, MacOS X, etc.) des Computersystems, auf welchem der Programmkern ausgeführt wird, kompiliert wird.
Bevorzugt erfolgt die Kommunikation zwischen Frontend und Programmkern IP-basiert, so dass innerhalb eines IP-Netzes eine Cross-Plattform-Kommunikation zwischen Frontend und Programmkern möglich ist. Insbesondere kann sie auf dem WebSocket-Protokoll basieren.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden in einem weiteren Verfahrensschritt webbasierte Inhalte zum Abruf durch einen Benutzer bereitgestellt werden, wobei die webbasierten Inhalte auf den Lehrinhalten eines LMS basieren. Der Abruf durch den Benutzer erfolgt bevorzugt über einen Webbrowser, der auf dem Endgerät ausgeführt wird, auf dem auch das Frontend ausgeführt wird. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Frontend in die webbasierten Inhalte des LMS eingebettet wird, so dass die Inhalte und das Frontend gemeinsam mittels eines Webbrowsers dargestellt werden können, insbesondere in einem gemeinsamen webbasierten Dokument. Auf diese Weise gelingt eine Integration einer computergestützten Messwerterfassung, die in der Regel hohe Anforderungen an die Zeitauflösung stellt, in ein browserbasiertes LMS, welches zwar bezüglich der hinterlegten Inhalte sowie der Möglichkeiten, mit diesen zu arbeiten, ein sehr mächtiges Werkzeug für den naturwissenschaftlichen Unterricht an Schulen, Universitäten oder anderen Bildungseinrichtungen darstellt, welches aber Prinzip bedingt nur mit geringer Zeitauflösung arbeiten kann.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst dieses weiterhin den Verfahrensschritt, dass zeitlich veränderliche Daten, die mit Messwerten eines externen Messwertgebers korreliert sind, vom Frontend zeitaufgelöst und dynamisch in einem Diagramm graphisch dargestellt werden. Hierzu werden zeitlich veränderliche Daten, die mit Messwerten eines externen Messwertgebers korreliert sind, vom Programmkern dynamisch an das Frontend übermittelt.
Hierbei ist zu beachten, dass die in einem Webbrowser erreichbare zeitliche Auflösung bei der Darstellung eines Diagramms deutlich unter derjenigen liegt, die mit einem Computerprogramm erreichbar wäre, welches für das Betriebssystem des Computersystems erstellt ist, auf dem das Computerprogramm ausgeführt wird. Es hat sich daher als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Frontend das im Diagramm dargestellte Zeitintervall und/oder die gegebene graphische Auflösung des Diagramms dynamisch an den Programmkern übermittelt. Der Programmkern kann dann die die an das Frontend übermittelten Daten hieran anpassen, um die im Frontend zu verarbeitende Datenmenge zu minimieren und damit die Anzeigegeschwindigkeit im Frontend zu optimieren.
Insbesondere können die vom Programmkern an das Frontend übermittelten Daten aus einer Menge von Datensätzen bestehen, wobei der Programmkern die Menge der an das Frontend übermittelten Datensätze dynamisch an das dargestellte Zeitintervall und/oder die gegebene graphische Auflösung des Diagramms anpasst. Insbesondere kann der Programmkern ein Selektionsverfahren auf die Menge der im dargestellten Zeitintervall des Diagramms liegenden Messwerte oder eine Menge von mit den Messwerten korrelierten Werten anwenden, um die zu übermittelnden Datensätze dergestalt zu selektieren, dass für jeden aufgrund der gegebenen graphischen Auflösung des Diagramms einzeln darstellbaren Zeitpunkt im dargestellten Zeitintervall maximal ein Datensatz, bevorzugt genau ein Datensatz, zur Verfügung steht. Die Menge dieser selektierten Datensätze wird dann vom Programmkern an das Frontend übermittelt. So kann das vom Frontend dargestellte Diagramm beispielsweise ein Zeitintervall von 10 bis 20 Millisekunden umfassen, welches mit einer Auflösung von 200 Pixeln dargestellt wird. Die Zeitauflösung im Diagramm beträgt damit 0,05 Millisekunden. Der Programmkern selektiert daher aus der Menge der zur Verfügung stehenden Messwerte diejenigen Messwerte, die in dem im Diagramm anzuzeigenden Zeitintervall liegen. Aus dieser Teilmenge selektiert der Programmkern nachfolgend diejenigen Datensätze, die mit den darzustellenden Zeitwerten im Intervall von 10 bis 20 Millisekunden im Abstand von 0,05 Millisekunden korrelieren. Nur die Menge der auf diese Weise selektierten Datensätze wird dann vom Programmkern an das Frontend übermittelt, wodurch eine wesentliche Reduktion der zu übertragenden und nachfolgend im Frontend zu verarbeitenden Datensätze erzielt wird. Mittels der beschriebenen Verfahrensführung lassen sich auch in einem Diagramm, welches in einem Browserfenster angezeigt wird, zeitlich veränderliche Messwerte dynamisch so darstellen, dass ein Benutzer die erzeugte Darstellung als Echtzeitdarstellung wahrnimmt. Bevorzugt wird die graphische Darstellung der Messwerte mit einer Rate von zumindest 3 Hz, bevorzugt zumindest 5 Hz und besonders bevorzugt mit einer Rate von 10 Hz oder darüber aktualisiert. Das hier beschriebene Verfahren stellt bereits ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Simplifikationsverfahren im Sinne der Unteransprüche dar. Auf eine vorteilhafte Weiterbildung, die insbesondere dann angewendet werden kann, wenn die im Programmkern vorliegenden experimentellen Messwerte bezüglich ihrer Zeiten nicht mit den zeitlichen Stützstellen im Diagramm zusammenfallen, wird nachfolgend noch genauer eingegangen.
In einer bevorzugten Weiterbildung übermittelt der Programmkern neben der vorstehend beschriebenen Datenmenge, die unmittelbar zur Anzeige im Diagramm gebracht wird, weiterhin eine Menge an Pufferdaten, die im Frontend für eine Anzeige im Diagramm vorgehalten werden, so dass ein Scrollen des im Diagramm dargestellten Wertebereichs ohne erneute Übermittlung von Daten vom Programmkern zur Frontend möglich ist. Die Pufferdaten decken dabei bevorzugt Wertebereiche ab, die an den im Diagramm aktuell angestellten Wertebereich angrenzen. Im vorstehend beschriebenen Beispiel können die Pufferdaten beispielsweise die weiteren Zeitintervalle von 0 bis 10 Millisekunden und von 20 bis 30 Millisekunden abdecken. Dabei entspricht die Zeitauflösung der Pufferdaten in diesen Wertebereichen bevorzugt der im Diagramm darstellbaren Zeitauflösung, d. h. in diesem Beispiel wiederum 0,05 Millisekunden. Die Pufferdaten können sich nicht nur in zeitlicher Hinsicht (X-Richtung) über den angezeigten Zeitbereich hinaus erstrecken. Auch der Wertebereich für die Messwerte W (Y-Richtung) ist im Diagramm auf ein bestimmtes Intervall beschränkt. Daher ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Menge an Pufferdaten auch in Y-Richtung an den angezeigten Wertebereich angrenzende Bereiche abdeckt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erzeugt der Programmkern aus den Messwerten eine Menge von mit den Messwerten korrelierten Werten, sog. „Approximationswerten”, für eine Übertragung an das Frontend anstelle der tatsächlichen Messwerte. Hierzu wird auf den zeitlichen Verlauf der erfassten Messwerte ein Simplifikationsverfahren angewendet, um eine Approximation des erfassten zeitlichen Verlaufs der Messwerte zu erzeugen. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von geeigneten Simplifikationsverfahren bekannt, so dass hier beispielhaft auf die Internetveröffentlichung vom 25.06.2011 des Autors Elmar de Koning mit dem Titel „Polyline Simplification” verwiesen wird, die am Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung unter der URL www.codeproject.com/Articles/114797/Polyline-Simplification abrufbar war. Die in dieser Vorveröffentlichung genannten Simplifikationsverfahren werden durch diese Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung hinzugefügt. Besonders bevorzugt wird ein Simplifikationsverfahren angewendet, welches sich dadurch auszeichnet, dass die erzeugte Approximation möglichst weitgehend linientreu ist.
In einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist das Simplifikationsverfahren dazu ausgebildet, anhand einer Approximation der tatsächlichen Messwerte „synthetische” Messwerte für die genauen Zeitpunkte zu generieren, die in dem vom Frontend erzeugten Diagramm dargestellt werden. Ein solches Simplifikationsverfahren ist insbesondere dann nützlich, wenn die tatsächlichen Messwerte zwischen die im Diagramm dargestellten Zeitpunkte fallen, was in vielen Anwendungsfällen der Fall sein wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft die Initialisierung des Programmkerns. Im Allgemeinen ist es für die Durchführung spezifischer naturwissenschaftlicher Lehrexperimente wünschenswert, einen voreingestellten Ausgangszustand des Programmkerns einzustellen, in dem z. B. ein an die externe Schnittstelle logisch angeschlossener Messwertgeber bezüglich des erfassten Messwerts (z. B. elektrischer Strom) und der Empfindlichkeit (z. B. Mikroampere) angepasst wird. Insbesondere ist dies wünschenswert, wenn ein Benutzer des LMS z. B. aus dem Kontext eines LMS-gestützten Kurses ein Lehrexperiment ausführt, welches er über das Frontend steuert. Hier hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Frontend z. B. auf explizite Benutzerabforderung oder auch automatisch, z. B. getriggert durch eine bestimmte Benutzereingabe wie den Aufruf eines in einer Datenbank des LMS abgelegten Lehrinhalts/Projekts, einen kontextabhängigen Parametersatz aus dem LMS lädt und zur Initialisierung eines vorgegebenen Zustands des Programmkerns an den Programmkern übermittelt.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass ein Frontend mit genau einem Programmkern kommuniziert. Jedoch kann vorgesehen sein, dass beliebige Frontends mit beliebigen Programmkernen gemäß der vorliegenden Erfindung kommunizieren können. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung enthält der zur Initialisierung eines Frontends geladene kontextabhängige Parametersatz weiterhin eine Information darüber, mit welchem Programmkern das Frontend eine Kommunikation aufbauen soll. Dies kann z. B. anhand einer IP-Adresse erfolgen, dies kann jedoch auch darüber erfolgen, dass der Parametersatz Informationen darüber enthält, welche Messwertgeber für die Durchführung des Experiments erforderlich sind, und das Frontend dazu eingerichtet ist, auf geeignete Weise mit einem solchen Programmkern eine Kommunikation aufzubauen, an den ein Messwertgeber vom erforderlichen Typ angeschlossen ist. Diese Information kann vom Frontend z. B. aus einer zentralen Datenbank abgerufen werden, in der sämtliche in einer vernetzten Unterrichtsanordung verfügbaren Messwertgeber registriert sind. Alternativ ist auch das Aussenden eines Broadcasts vom Frontend aus möglich, auf den diejenigen Programmkerne antworten und die Herstellung einer Datenkommunikation anbieten, an die die erforderlichen Messwertgeber logisch angeschlossen sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft den Austausch von Daten zwischen dem Computerprogramm, hier insbesondere dem Programmkern und/oder dem Frontend, und dem LMS. In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung überwacht das Frontend die Interaktion eines Benutzers mit dem LMS. Stellt das Frontend eine bestimmte Interaktion mit dem LMS fest, so übermittelt das Frontend diese Information an den Programmkern. Beispiel für eine solche Interaktion kann beispielsweise ein versuchter Seitenwechel des Benutzers im LMS oder der Aufruf einer weiteren Initialisierungsroutine für den Programmkern aus dem LMS sein.
Der Programmkern wertet seinerseits die übermittelte Information über die Interaktion des Benutzers mit dem LMS aus und übermittelt bei Eintreten vorgegebener Bedingungen ein Steuersignal an das Frontend. Das Frontend löst bei Eintreffen eines solchen Steuersignals eine Interaktion mit dem Benutzer aus. Wenn zum Beispiel bereits eine Messwerterfassung über den Programmkern, mit dem das Front end kommuniziert, aktiv ist, d. h. Messwerte mittels des externen Messwertgeber aufgenommen und vom Programmkern erfasst werden, wird dieser Zustand bei einem vom Benutzter versuchten Seitenwechsel im LMS durch den Programmkern zurückgemeldet und der Benutzer erhält einen Hinweis. Eine solche Interaktion könnte ebenfalls vom Programmkern ausgelöst werden, wenn der Nutzer versucht, auf einer anderen Seite der Lerninhalte das Frontend erneut aufzurufen. Hier erhält er z. B. einen Hinweis, dass bereits eine Messung aktiv ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vernetzung einer Mehrzahl von Programmkernen und Frontends zu einer gegenseitigen Kommunikation. So ist in einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Programmkern dazu eingerichtet, mit einer Mehrzahl von Frontends zu kommunizieren. Somit können mehrere Benutzer auf die vom Programmkern zur Verfügung gestellten Ressourcen wie die angeschlossenen Messwertgeber für eine Nutzung zugreifen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Programmkern einen logisch angeschlossenen externen Messwertgeber zu dessen Ansteuerung genau einem der Frontends zuordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass es nicht zu Konflikten durch einen parallelen Zugriff durch mehrere Benutzer auf einen in der Regel nur durch jeweils einen Benutzer zu einer Zeit nutzbaren Messwertgeber kommt. Jedoch kann es durchaus wünschenswert sein, die von einem Messwertgeber erfassten Messwerte nicht nur dem Benutzer zur Verfügung zu stellen, über dessen Frontend die Ansteuerung des Messwertgebers erfolgt. Vielmehr ist z. B. in einer Klassenzimmersituation wünschenswert, dass der Lehrer über sein Frontend ein Lehrexperiment steuert, d. h. die Ansteuerung des zur Versuchsdurchführung verwendeten Messwertgebers ausschließlich über sein Frontend möglich ist. Die erfassten Messwerte hingegen sollen sowohl dem Lehrer als auch allen seinen Schülern via die Frontends der verwendeten Endgeräte zugänglich sein, so dass z. B. jedem Schüler ein Datensatz erfasster Messwerte für eine spätere Auswertung des durchgeführten Lehrexperiments zur Verfügung steht. Um dies zu ermöglichen ist vorgesehen, dass der Programmkern dazu eingerichtet ist, die von einem logisch angeschlossenen externen Messwertgeber erfassten Messwerte an genau eine oder alternativ an eine Mehrzahl von Frontends zu übermitteln.
Eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung betrifft die Möglichkeit, dass mehrere Programmkerne miteinander kommunizieren, selbst wenn sie auf verschiedenen Messstationen ausgeführt werden. Auch hier ist eine Kommunikation über ein gemeinsames IP-basiertes Netzwerk zum Beispiel über das WebSocket-Protokoll vorteilhaft. In einer solchen Umgebung ist es z. B. möglich, dass grundsätzlich für sämtliche an die verschiedenen Messstationen angeschlossenen Messwertgeber eine Ansteuerung und ein Zugriff über alle in das Gesamtsystem eingebundenen Frontends möglich ist.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass ein Frontend zur Kommunikation mit genau einem vorbestimmten „ersten” Programmkern eingerichtet ist. Dieser erste Programmkern kann aber dazu eingerichtet sein, mit einem zweiten Programmkern zu kommunizieren mit dem Zweck, dass der zweite Programmkern dem ersten Programmkern eine Ansteuerung von und eine Kommunikation mit den Messwertgebern erlaubt, die an die Messstation, auf der der zweite Programmkern ausgeführt wird, lokal logisch angeschlossen sind. Die erfassten Messwerte werden dann vom zweiten Programmkern an den ersten Programmkern übermittelt und von diesem dem Frontend des anfordernden Benutzers zur Verfügung gestellt. In einer ersten Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass ein beliebiger (erster) Programmkern einem beliebigen anderen (zweiten) Programmkern einen Zugriff auf einen logisch an ihn angeschlossenen Messwertgeber erlaubt. Hier kann durch zusätzliche Programmittel sichergestellt werden, dass eine Ansteuerung eines Messwertgebers stets nur über ein Frontend zu einer Zeit möglich ist. Dies kann z. B. über ein Sperr-Flag realisiert werden, welches ein Programmkern in Bezug auf einen an ihn logisch angeschlossenen Messwertgeber setzt, wenn der Programmkern einem Benutzer über ein Frontend einen Zugriff auf diesen Messwertgeber gestattet hat. Dieses Sperr-Flag kann zwischen den Programmkernen kommuniziert werden, um allen Frontends die Information zugänglich zu machen, dass sich dieser spezielle Messwertgeber gegenwärtig in Benutzung befindet und ein (weiterer) Zugriff z. B. im Rahmen einer Messung daher nicht möglich ist.
In einem alternativen Ansatz werden die an die verschiedenen Messstationen logisch angeschlossenen Messwertgeber zentral in einem zur Verwaltungsinstanz bestimmten Programmkern registriert und der Zugriff auf die Messwertgeber durch die verschiedenen Benutzer via ihre jeweiligen Frontends wird von diesem dezidierten Programmkern zentral gesteuert.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Unterrichtssysteme sowie Unterrichtsanordnungen sowie erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft diskutiert. Diese Ausführungsbeispiele sind exemplarisch und nicht einschränkend zu verstehen. Sie werden anhand der Zeichnung im Folgenden näher erläutert, in der die Figuren folgendes zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes computergesteuertes Unterrichtssystem,
2: eine schematische Darstellung des logischen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Computerprogramms,
3: eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Unterrichtssystems mit integriertem LMS,
4: eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der zur Erzeugung eines Diagramms übertragenen Datenmenge, und
5: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße vernetzte Unterrichtsanordnung.
Das aus 1 ersichtliche erste Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Unterrichtssystem 1 ist auf Basis einer Messstation in Form eines handelsüblichen PCs nach Industriestandard realisiert. Der PC umfasst die gemäß Industriestandard üblichen Komponenten wie eine CPU 2, eine standardisierte Schnittstelle 4 zum Anschluss externer Geräte sowie eine Anzeigeeinheit 8 in Form eines Displays, beispielsweise eines LCD. Darüber hinaus enthält der PC 10 weitere Komponenten wie Arbeitsspeicher, Massenspeicherbetriebssystem, usw., die für dessen Betrieb erforderlich und dem Fachmann sämtlich bekannt sind. Bei der Schnittstelle 4 kann es sich um eine standardisierte Schnittstelle beispielsweise vom Typ USB, FireWire oder eines anderen standardisierten Protokolls wie IEEE 488 handeln. Die Schnittstelle 4 dient dazu, externe Geräte für eine Kommunikation mit der CPU 2 des PCs 10 zu verbinden. Über die Schnittstelle 4 ist ein externer Messwertgeber 6 mit dem PC 10 verbunden, wobei es sich bei dem externen Messwertgeber 6 beispielsweise um ein digitales Multimeter handeln kann.
Grundsätzlich kann es sich um jede denkbare Art von Messgerät handeln, wenn es dazu geeignet ist, physikalische, chemische oder biologische Eigenschaften einer Probe zu erfassen und die aufgenommenen Messwerte in digitalisierter Form für eine Weiterverarbeitung auf dem PC 10 zur Verfügung zu stellen. Dabei kann es sich bei einem Messwertgeber 6 um ein Gerät handeln, welches zu einem autarken Betrieb in der Lage ist (stand-alone), und welches eine Schnittstelle für einen Datenaustausch mit dem PC aufweist. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Messwertgeber 6 beispielsweise als Steckkarte für ein standardisiertes internes Bussystem des PCs 10 wie PCI oder PCI Express ausgebildet ist, an die dann ein geeigneter Messfühler zur Erfassung der gewünschten physikalischen, chemischen oder biologischen Größe angeschlossen wird.
Auf dem PC wird ein Betriebssystem ebenfalls gemäß Industriestandard ausgeführt, wobei es sich beispielsweise um ein Windows^®, ein Linux^® oder um ein Mac OS X^® Betriebssystem handeln kann.
Auf dem PC 10 wird ein Betriebssystem-spezifisches Computerprogramm 100 (vgl. 2) ausgeführt, wie es zur Ansteuerung des an die Schnittstelle 4 angeschlossenen externen Messwertgebers 6 eingerichtet ist. Weiterhin ist das Computerprogramm 100 zur Übernahme von Messwerten von diesem Messwertgeber 6 über die Schnittstelle 4 eingerichtet. Teil des Computerprogramms 100 kann eine grafische Benutzeroberfläche GUI sein, die beim Ausführen des Computerprogramms 100 auf den PC 10 automatisch gestartet und zur Anzeige auf der Anzeigeeinheit 8 gebracht wird. Eine solche grafische Benutzeroberfläche GUI ist zur Interaktion eines Benutzers mit dem Computerprogramm 100 ausgelegt und erlaubt beispielsweise das Starten bzw. Beenden einer Messwerterfassung mittels des an der Schnittstelle 4 angeschlossenen Messwertgebers 6, eine tabellarische Darstellung der erfassten Messwerte oder eine Darstellung in Form eines Diagramms, eine Einstellung spezifischer Geräteparameter des an die externe Schnittstelle 4 angeschlossenen externen Messwertgebers 6, usw..
Der schematische Aufbau des Computerprogramms 100 ist aus 2 ersichtlich. Der logische Aufbau des Computerprogramms 100 orientiert sich am sogenannten MVC-Modell (englisch: Model-View-Controller). Im MVC-Modell wird ein Computerprogramm in die drei Einheiten Datenmodell (englisch: Modell), Präsentation (englisch: View) und Programmsteuerung (englisch: Controller) zerlegt. Das Modell bildet die Datenbasis, auf welcher der Controller arbeitet. Die Ergebnisse der Bearbeitung durch den Controller werden dabei im Allgemeinen im View dargestellt, der auch eine Interaktion eines Benutzers mit dem Controller erlaubt. In unserem Ausführungsbeispiel ist das Computerprogramm 100 in einen Programmkern 12, ein Frontend 14 und eine Datenmenge 16 zerlegt, wobei der Programmkern 12 zur Ausführung auf dem PC 10 vorgesehen ist. Der Programmkern 12 kann beispielsweise in einer gängigen Programmiersprache wie C++ programmiert und Betriebssystem-spezifisch kompiliert sein.
Das Frontend 14 hingegen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung als webbasiertes Programmmodul realisiert, welches zur Anzeige und Ausführung in einem Webbrowser, der zum Beispiel auf dem PC 10 ausgeführt wird, geeignet ist wie dies in 1 dargestellt ist. Grundsätzlich kann das Frontend 14 aber auch auf einem vom PC 10 getrennten weiteren Endgerät ausgeführt werden, auf welchem ein Webbrowser zur Verfügung steht. Die Kommunikation zwischen Programmkern 12 und dem Frontend 14 erfolgt über das sogenannte WebSocket-Protokoll, welches eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Programmkern 12 und dem Frontend 14 erlaubt. So ist es einerseits möglich, Benutzereingaben im Frontend 14 an den Programmkern 12 zu übertragen, um beispielsweise bestimmte Startzustände des Programmkerns 12 zu initialisieren oder bestimmte Programmroutinen des Programmkerns 12 zu starten, andererseits kann der Programmkern 12 aber auch beispielsweise Datensätze an das Frontend 14 zu einer geeigneten Darstellung auf der Anzeigeeinheit 8 übertragen. Im aus 1 ersichtlichen Ausführungsbeispiel wird auf der Anzeigeeinheit 8 die grafische Ausgabe des Frontends 14 zur Anzeige gebracht, welche einerseits ein Diagramm 20 umfasst, welches den zeitlichen Verlauf des vom Messwertgeber 6 erfassten Messwerts grafisch widergibt, andererseits eine Tabelle 24, aus der die vom Messwertgeber 6 erfassten Messwerte in tabellarischer Form ersichtlich sind, welche kontinuierlich aktualisiert werden. Schließlich enthält das Frontend 14 eine Mehrzahl von Bedienelementen 22 für eine Benutzereingabe, bei denen es sich beispielsweise um einen Start- bzw. Stoppknopf für den Aufruf einer Messwert-Erfassungsroutine bzw. das Beenden derselben handeln kann. Darüber hinaus kann ein Bedienelement 22 vorgesehen sein, um den Inhalt des Diagramms 20 oder der Tabelle 24 auf null zu setzen. Die Bedienelemente 22 dienen grundsätzlich einer Interaktion eines Benutzers mit dem Computerprogramm 10. Die vorgenommenen Benutzereingaben werden vom Frontend 14 an den Programmkern 12 übertragen und dort verarbeitet.
Da die Kommunikation zwischen dem Programmkern 12 und dem Frontend 14 über das WebSocket-Protokoll abgewickelt wird, können der Programmkern 12 und das Frontend 14 auf unterschiedlichen Computern ausgeführt werden. Es ist auf diese Weise möglich, den Programmkern 12 aus der Ferne, beispielsweise über ein Handheld Device wie ein Mobiltelefon oder ein Tablet Computer auf dem ein Webbrowser ausgeführt wird, in welchem das Frontend 14 als Plugin ausgeführt und angezeigt wird, zu steuern. Einzige Voraussetzung hierfür ist, dass der PC 10 und das Handheld Device bzw. einerseits der Programmkern 12 und andererseits das Frontend 14 über ein IP-basiertes Netzwerk miteinander kommunizieren können. Das Frontend 14 ist webbasiert programmiert und modular aufgebaut. Es kann daher in andere Webkomponenten eingebettet werden, beispielsweise als Objekt in eine HTML- oder XML-Seite. Das Frontend 14 ist bevorzugt in HTML (Hypertext Markup Language, bevorzugte Version 5 und höher), CCS (Cascading Style Sheets, bevorzugte Version 3 und höher) und JavaScript (Version ECMA 5 und höher) implementiert. Durch Einbettung in ein auf dem Webbrowser dargestelltes XML-Dokument, kann das Frontend 14 sowohl Browser – als auch Betriebssystem-unabhängig ausgestaltet sein.
Aus 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Unterrichtssystem 1 ersichtlich, bei dem der Programmkern 12 auf einem PC 10 ausgeführt wird, an dem über eine Schnittstelle 4 ein externer Messwertgeber 6 angeschlossen ist. Der PC 10 ist seinerseits für eine Datenkommunikation mit einem IP-Netzwerk verbunden, beispielsweise über eine drahtgebundene Ethernet-Schnittstellenkarte. Das Frontend 14 des Computerprogramms 100 wird in diesem Ausführungsbeispiel jedoch nicht auf dem PC 10 ausgeführt, sondern auf einem separat ausgebildeten mobilen Endgerät 50, bei dem es sich beispielsweise um einen Tablet-Computer vom Typ iPad^® handeln kann. Auf dem Tablet-Computer 50 wird ein Webbrowser ausgeführt, in welchem das Frontend 14 als Plug-In in die angezeigten XML-basierten Webinhalte eingebettet ist. Der Tablet-Computer 50 ist ebenfalls mit dem IP-Netzwerk verbunden, so dass eine Kommunikation des Frontends 14 mit dem Programmkern 12 gemäß dem WebSocket-Protokoll über das IP-Netzwerk möglich ist. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist weiterhin ein Learning Management System Server 200 vorgesehen, der ebenfalls mit dem IP-Netzwerk verbunden ist. Der LMS-Server 200 umfasst einerseits eine LMS-Datenbank 202, in der geeignete Lehrinhalte abgelegt sind, beispielsweise theoretische Einführungen in bestimmte naturwissenschaftliche Themen wie Elektrizität, Optik etc., theoretische Übungen hierzu sowie Versuchsbeschreibungen zur Durchführung von praktischen Experimenten. Weiterhin wird auf dem LMS-Server 200 eine LMS-Webapplikation 204 ausgeführt, die auf die LMS-Datenbank 202 zugreifen kann und über einen nicht dargestellten Webserver webbasierte Inhalte zum Beispiel im XML-Format ausliefern kann, die auf den in der Datenbank 202 hinterlegten Inhalten basieren können. Die vom Webserver ausgelieferten webbasierten Inhalte werden über das IP-Netzwerk beispielsweise an den Benutzer des Endgeräts 50 ausgeliefert, der dort die webbasierten Inhalte auf dem Webbrowser anzeigt. Das Frontend 14, welches nun zu einer interaktiven Kommunikation eines Benutzers mit dem Programmkern 12, der auf dem PC 10 ausgeführt wird, erforderlich ist, ist nun in die webbasierten Inhalte eingebettet, die vom LMS-Server 200 an das Endgerät 50 zur dortigen Anzeige auf dem Webbrowser ausgeliefert werden. Der Benutzer des Endgeräts 50 kann beispielsweise durch Druck auf einen Startknopf, der in ein webbasiertes LMS-Dokument, welches er im Browser angezeigt bekommt, eingebettet ist, das Frontend 14 starten. Hierbei kann vorgesehen sein, dass abhängig vom Kontext des webbasierten Inhalts, der auf dem Browser auf dem Endgerät 50 angezeigt wird, unterschiedliche Startzustände des Frontends 14 initialisiert werden. So kann beispielsweise im Kontext eines e-Kurses über Elektrizität das Frontend 14 in einer Konfiguration gestartet werden, in der dem Benutzer eine Bedienoberfläche für ein digitales Voltmeter angezeigt wird, da er nachfolgend ein Experiment zu den Ohmschen Gesetzen ausführen soll. Weiterhin ist es möglich, dass das Frontend 14 angewiesen wird, einen Parametersatz an den Programmkern 12 zu senden, um den an die Schnittstelle 4 angeschlossenen Messwertgeber 6 in eine bestimmte Betriebsart zu versetzen. Im vorstehend diskutierten Beispiel kann es sich bei dem Messwertgeber 6 um ein digitales Multimeter handeln, welches auf diese Weise in die Betriebsart Spannungsmessung für Gleichspannung geschaltet wird, um die Empfindlichkeit des Multimeters auf eine bestimmte Stufe eingestellt wird (beispielsweise maximale Eingangsspannung 200 Volt). Wie im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann die Benutzeroberfläche des Frontends 14 eine tabellarische Darstellung der erfassten Messwerte bieten, eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der erfassten Messwerte und eine Mehrzahl von Bedienelementen beispielsweise zur Steuerung des an die Schnittstelle 4 angeschlossenen Messwertgebers 6 z. B. zur Übergabe neuer Parametersätze für den Messwertgeber 6 an den Programmkern 12, zum Starten bzw. Stoppen einer Messwerterfassung, etc.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass vom Programmkern 12 erfasste und protokollierte Datensätze in geeigneter Form, beispielsweise in Form einer Datei einer Tabellenkalulation, über eine standardisierte Schnittstelle an beispielsweise ein weiteres Plug-In im vom LMS-Server 200 ausgelieferten webbasierten Inhalt übergeben werden. Aufgabe dieses Plug Ins kann es zum Beispiel sein, die Anfertigung von Protokollen zur Einfügung in die webbasierten Inhalte zuzulassen. Auf das sehr mächtige, webbasierte Learning Management System, welches sich zur Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere eignet, das unter dem Markennamen Ilias^® als Open Source Software angeboten wird, wurde im allgemeinen Teil bereits hingewiesen, worauf hier Bezug genommen wird. Auf die in dieser Software zum Anmeldezeitpunkt bereits implementierten vielfältigen Lehr- und Protokollfunktionen wird verwiesen, die in dem ebenfalls bereits erwähnten Fachbuch „Das Offizielle ILIAS4-Praxisbuch” umfänglich erläutert werden.
Das Frontend 14 ist in diesem zweiten Ausführungsbeispiel so ausgestaltet, dass es die Interaktion eines Benutzers mit den vom LMS-Server 200 ausgelieferten webbasierten Inhalten, die auf dem Endgerät 50 zur Anzeige gebracht werden, überwacht. Erfolgen bestimmte Benutzerinteraktionen, so kann dies bestimmte Reaktionen des Computerprogramms 100 auslösen. So kann das Frontend 14 beispielsweise darauf ausgerichtet sein, zu überwachen, ob ein Benutzer versucht, diejenige Seite des webbasierten LMS-Inhalts, in die das Frontend 14 eingebettet ist, zu verlassen. Initiiert der Benutzer einen Wechsel auf eine andere Seite des webbasierten LMS-Inhalts, so meldet das Frontend 14 dies an den Programmkern 12. Der Programmkern 12 seinerseits analysiert das vom Frontend 14 mitgeteilte Ereignis und löst ggf. eine Kommunikation mit dem Frontend 14 aus. Ziel einer solchen Kommunikation kann es beispielsweise sein, dem Benutzer des Endgeräts 50 eine Warnung zur Anzeige zu bringen, die ihn darauf hinweist, dass mittels des Frontends 14 gegenwärtig eine Messwerterfassung durchgeführt wird, die abgebrochen würde, sofern ein Wechsel auf eine andere Seite der webbasierten LMS-Inhalte erfolgte.
4 illustriert schematisch einen Algorithmus, der es erlaubt, zeitlich veränderliche Messwerte in einem Diagramm 20 darzustellen, welches vom Frontend 14 zur Anzeige eingebettet in ein XML-Dokument in einem Webbrowser gebracht wird. Ziel des Algorithmus ist es, eine so rasche Aktualisierung des angezeigten Diagramms 20 zu ermöglichen, dass ein Benutzer das Gefühl einer Anzeige in Echtzeit bekommt. Hierzu ist eine Aktualisierung des Diagramminhalts mit einer Wiederholrate von zumindest 3 Hz. erforderlich. In der Regel ergibt sich aber ein doppeltes Problem, wie einleitend bereits ausgeführt wurde. Einerseits ist die Ausführungsgeschwindigkeit des als Plug-In ausgeführten Frontend 14 im Webbrowser deutlich limitiert, so dass keine beliebig großen Datenmengen zu einer Anzeige in einem Diagramm gebracht werden können. Um dieses Problem zu umgehen, wird ein Algorithmus für den Datenaustausch zwischen Programmkern 12 und Frontend 14 verwendet, der den Umfang der übertragenen Datenmenge an die im Diagramm 20 tatsächlich darstellbare Information anpasst. Das Diagramm 20 hat eine typische Ausdehnung in X-Richtung, die beispielsweise 200 Pixel betragen kann, sowie eine Ausdehnung in Y-Richtung, die im gezeigten Ausführungsbeispiel 100 Pixel beträgt. Der Programmkern 12 ist also dazu eingerichtet, ein Selektionsverfahren auf die erfassten Messwerte anzuwenden, die aus den erfassten Messwerten in einem ersten Schritt diejenigen selektiert, die im für das Diagramm 20 eingestellten Wertebereich liegen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden also alle diejenigen Messwerte selektiert, die zeitlich im Bereich t zwischen 10 und 20 a. u. liegen und die zugleich bezüglich des erfassten Messwerts W im Bereich zwischen 0 und 10 a. u. liegen.
Eine weitere Datenreduktion kann erzielt werden, wenn durch einen weiteren Selektionsschritt sichergestellt wird, dass für jeden im Diagramm graphisch auflösbaren Zeitpunkt t genau ein Messwert W übertragen wird. Dabei ist die anzuzeigende kleinste Zeiteinheit t durch die grafische Auflösung des dargestellten Diagramms bestimmt, handelt es sich also um ein Diagramm 20 mit einer X-Achse mit 200 Pixeln, so werden maximal genau 200 Messwerte übertragen, sofern der Messwert W auch bezüglich der Y-Achse im anzuzeigenden Werteintervall bezüglich W liegt. Liegt ein Messwert außerhalb des anzuzeigenden Wertebereichs für den Wert W, so wird für diese X-Position beispielsweise kein Wertepaar übertragen. Alternativ kann ein Wertepaar übertragen werden gegeben durch die X-Position und einen Y-Wert, der gegeben ist durch den maximal anzuzeigenden oder durch den minimal anzuzeigenden Y-Wert, je nachdem, ob der tatsächliche Y-Wert oberhalb oder unterhalb des anzuzeigenden Wertebereichs W liegt. Im einführenden Teil wurde bereits darauf hingewiesen, dass nicht zwingend tatsächliche Messwerte übertragen werden müssen. Vielmehr ist es auch möglich, in einem vorgeschalteten Verarbeitungsschritt die experimentell erfasste Messwertkurve die mit hoher Zeitauflösung aufgenommen wurde, durch einen Polygonzug niedriger Zeitauflösung zu approximieren. Dabei entspricht die Zeitauflösung des Polygonzugs bevorzugt genau der im Diagramm 20 darstellbaren maximalen Zeitauflösung. Auf die im allgemeinen Teil genannte Literaturstelle bezüglich der aus dem Stand der Technik bereits vorbekannten Simplifikations-Verfahren, abrufbar unter www.codeproject.com, wird nochmals verwiesen.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird neben der Menge der im Diagramm darstellbaren Messwerte eine Pufferdatenmenge übertragen, die diejenigen Wertebereiche für die X- und Y-Achse abdeckt, die an die im Diagramm 20 tatsächlich dargestellten Wertebereiche unmittelbar angrenzen. Dabei werden die gleichen Selektionskriterien bezüglich der zeitlichen Auflösung wie vorstehend beschrieben angewendet. Das heißt, auch hier ist sichergestellt, dass für jede aufgrund der vorgegebenen grafischen Auflösung im Diagramm 20 einzeln darstellbare Zeit t genau ein Messwert W oder ein äquivalenter Wert übertragen wird. Bevorzugt werden sowohl in Richtung der X-Achse als auch in Richtung der Y-Achse unmittelbar an die im dargestellten Diagramm 20 angezeigten Wertebereiche oberhalb und unterhalb angrenzende Wertebereiche in Form der Pufferdatenmenge mit übertragen, so dass ein Benutzer eine Scrollbewegung des Diagramms 20 sowohl in Richtung der X-Achse als auch in Richtung der Y-Achse ausführen kann, ohne dass unmittelbar Daten vom Programmkern 12 nachgeladen werden müssen.
5 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel einer vernetzten Unterrichtsanordnung, die zwei LMS-Server 200, mehrere PCs 10, auf denen erfindungsgemäße Programmkerne 12 ausgeführt werden und an die ein bis mehrere Messwertgeber 6 über Schnittstellen 4 angeschlossen sind, sowie eine Mehrzahl von Endgeräten 50 umfasst. Die LMS-Server 200, die PCs 10 und die Endgeräte 50 sind für eine Kommunikation über ein IP-Netzwerk miteinander verbunden. Jedes Endgerät 50 ist dabei mit einem Webbrowser ausgestattet, mittels welchem Lehrinhalte, die von einem der LMS-Server 200 ausgeliefert werden, angezeigt werden können. In diese Lehrinhalte sind an geeigneter Stelle Aufrufe des als Plug-In ausgestalteten Frontends 14 eingebettet, die es dem Benutzer eines Endgeräts 50 grundsätzlich erlauben, auf jeden Messwertgeber 6, der an einem der verschiedenen PCs 10 angeschlossen ist, zuzugreifen und zur Durchführung einer Messung zu verwenden. Hierzu ist jeder Programmkern 12, der auf einem PC 10 ausgeführt wird, dazu eingerichtet, mit anderen Programmkernen 12, die auf anderen PCs 10 ausgeführt werden, zu kommunizieren und Informationen über an jeweiligen PC 10 angeschlossene Messwertgeber 6 auszutauschen. Das heißt, jeder Programmkern 12 hat Kenntnis über die Gesamtheit der in der dargestellten Anordnung grundsätzlich verfügbaren Messwertgeber 6. Darüber hinaus tauschen die Programmkerne 12 untereinander Informationen darüber aus, ob und ggf. welche der lokal angeschlossenen Messwertgeber 6 sich gerade in Benutzung befinden. Die Programmkerne 12 sind so ausgestaltet, dass ein in Benutzung befindlicher Messwertgeber 6 für eine Ansteuerung durch ein anderes Frontend 14 gesperrt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8239478 A1 [0004, 0004, 0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.ilias.de [0009]
ISBN: 978-3-8273-2963-3 [0009]
www.ilias.de [0011]
www.codeproject.com/Articles/114797/Polyline-Simplification [0025]
www.codeproject.com [0052]

Claims

Computergestütztes Unterrichtssystem (1) zur Durchführung naturwissenschaftlicher Lehrexperimente, wobei das Unterrichtssystem eine Messstation (10) mit einer CPU (2) umfasst, die zur Ausführung eines Computerprogramms eingerichtet ist, und das zumindest eine Schnittstelle (4) zum logischen Anschluss eines externen Messwertgebers (6) für eine Kommunikation mit der CPU (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterrichtssystem weiterhin folgendes aufweist: a. ein Computerprogramm (100) zur Ausführung auf der CPU (2) der Messstation (10), welches zur Ansteuerung eines an die Schnittstelle (4) der Messstation (10) logisch angeschlossenen externen Messwertgebers (6) sowie zur Übernahme von Messwerten vom Messwertgeber (6) über die Schnittstelle (4) eingerichtet ist, wobei das Computerprogramm (100) einen Programmkern (12) und ein webbasiertes Frontend (14) zur Interaktion eines Benutzers mit dem Programmkern (12) aufweist, b. ein weiteres Computerprogramm, welches zur Anzeige des webbasierten Frontends (14) ausgebildet ist.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) und das Frontend (14) für eine gegenseitige Kommunikation über ein IP-basiertes Protokoll, z. B. das WebSocket-Protokoll, eingerichtet sind.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontend (14) dazu eingerichtet ist, bei einem Ereignis des Benutzers eine Kommunikation des Frontends (14) mit dem Programmkern (12) auszulösen.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin ein Learning-Management-System (LMS) aufweist, welches eine Datenbank (202) mit Lehrinhalten sowie eine Webanwendung (204) zum Abruf von webbasierten Inhalten umfasst, wobei die webbasierten Inhalte auf den Lehrinhalten basieren.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontend (14) in die webbasierten Inhalte eingebettet ist.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontend (14) als Plugin für einen Webbrowser ausgebildet ist.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontend (14) dazu eingerichtet ist, zeitlich veränderliche Daten, die mit Messwerten eines externen Messwertgebers (6) korreliert sind, zeitaufgelöst und dynamisch in einem Diagramm (20) graphisch darzustellen.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) dazu eingerichtet ist, zeitlich veränderliche Daten, die mit Messwerten eines externen Messwertgebers (6) korreliert sind, dynamisch an das Frontend (14) zu übermitteln.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontend (14) dazu eingerichtet ist, das im Diagramm (20) dargestellte Zeitintervall und/oder die gegebene graphische Auflösung des Diagramms (20) dynamisch an den Programmkern (12) zu übermitteln.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die übermittelten Daten aus einer Menge von Datensätzen besteht, und dass der Programmkern (12) dazu eingerichtet ist, die Menge der an das Frontend (14) übermittelten Datensätze dynamisch an das dargestellte Zeitintervall und/oder die gegebene graphische Auflösung des Diagramms (20) anzupassen.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) dazu eingerichtet ist, ein Selektionsverfahren auf die Menge der im dargestellten Zeitintervall des Diagramms (20) liegenden Messwerte oder eine Menge von mit den Messwerten korrelierten Werten anzuwenden, um die zu übermittelnden Datensätze dergestalt zu selektieren, dass für jeden aufgrund der gegebenen graphischen Auflösung des Diagramms (20) einzeln darstellbaren Zeitpunkt im dargestellten Zeitintervall maximal ein Datensatz, bevorzugt genau ein Datensatz, zur Verfügung steht, und die Menge dieser selektierten Datensätze an das Frontend (14) zu übermitteln.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der übermittelten Datensätze weiterhin eine Menge an Pufferdaten umfasst, die in dem Frontend (14) vorgehalten werden, so dass ein Scrollen des im Diagramm (20) dargestellten Wertebereichs ohne erneute Übermittlung von Daten vom Programmkern (12) zum Frontend (14) möglich ist.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) dazu eingerichtet ist, eine Menge von mit den Messwerten korrelierten Werten, sog. „Approximationswerten”, zu erzeugen, indem auf den zeitlichen Verlauf der erfassten Messwerte ein Simplifikationsverfahren angewendet wird, um eine Approximation des erfassten zeitlichen Verlaufs der Messwerte zu erzeugen.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das die erzeugte Approximation möglichst weitgehend linientreu ist.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die graphische Darstellung der Messwerte mit einer Rate von zumindest 3 Hz, bevorzugt zumindest 5 Hz und besonders bevorzugt zumindest 10 Hz aktualisiert wird.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontend (14) dazu eingerichtet ist, einen kontextabhängigen Parametersatz aus der Datenbank (202) zu laden und zur Initialisierung eines vorgegebenen Zustands des Programmkerns (12) an den Programmkern (12) zu übermitteln.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das LMS und das Computerprogramm (100), insbesondere der Programmkern (12), eine gemeinsame Schnittstelle aufweisen zur Datenübergabe vom Computerprogramm (100) an das LMS und/oder umgekehrt.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontend (14) dazu eingerichtet ist, die Interaktion eines Benutzers mit dem LMS zu überwachen und Information über eine festgestellte Interaktion an den Programmkern (12) zu übermitteln.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Programmkern (12) dazu eingerichtet ist, die übermittelte Information über die Interaktion mit dem LMS zu überwachen und bei Eintreten vorgegebener Bedingungen ein Steuersignal an das Frontenend (14) zu übermitteln, und b. das Frontenend (14) dazu eingerichtet ist, bei Eintreffen eines Steuersignals eine Interaktion mit dem Benutzer auszulösen.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin ein Endgerät (50) umfasst, auf welchem das weitere Computerprogramm zur Anzeige des webbasierten Frontends (14) ausgeführt wird.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) zur unabhängigen Kommunikation mit einer Mehrzahl von anderen Frontends (14) eingerichtet ist.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) zur Ansteuerung einer Mehrzahl von an die Schnittstelle (4) logisch angeschlossenen externen Messwertgebern (6) sowie zur Übernahme von Messwerten von diesen Messwertgebern (6) eingerichtet ist.
Unterrichtssystem (1) gemäß den Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) dazu eingerichtet ist, einen logisch angeschlossenen externen Messwertgeber (6) zu dessen Ansteuerung genau einem der Frontends (14) zuzuordnen.
Unterrichtssystem (1) gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) dazu eingerichtet ist, die von einem logisch angeschlossenen externen Messwertgeber (6) erfassten Messwerte an genau eine oder an eine Mehrzahl von Frontends (14) zu übermitteln.
Vernetzte Unterrichtsanordnung mit mehreren Unterrichtssystemen (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmkerne (12) für eine Kommunikation miteinander ausgebildet sind.
Vernetzte Unterrichtsanordnung gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die an die verschiedenen Unterrichtssysteme (1) logisch angeschlossenen Messwertgeber (6) von einem Programmkern (12) zentral registriert werden und der Zugriff auf die Messwertgeber (6) von einem Programmkern (12) zentral gesteuert wird.
Vernetzte Unterrichtsanordnung gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Programmkernen (12) dazu eingerichtet ist, einer Mehrzahl anderer Programmkerne (12) einen Zugriff auf die logisch an ihn angeschlossenen Messwertgeber (6) erlauben zu können.
Computergestütztes Verfahren zur Durchführung naturwissenschaftlicher Lehrexperimente mittels eines Unterrichtssystems (1), welches eine Messstation (10) mit einer CPU (2) umfasst, die zur Ausführung eines Computerprogramms eingerichtet ist, und zumindest eine Schnittstelle (4) zum logischen Anschluss eines externen Messwertgebers (6) für eine Kommunikation mit der CPU (2), wobei das Unterrichtssystem (1) weiterhin ein Computerprogramm (100) aufweist mit einem Programmkern (12) zur Ausführung auf der CPU (2) der Messstation (10) und einem webbasierten Frontenend (14) zur Interaktion eines Benutzers mit dem Programmkern (12), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a. Ausführen des Programmkerns (12), b. Ausführen des webbasierten Frontenends (14) in einem Webbrowser, c. Herstellen einer Kommunikation zwischen dem Programmkern (12) und dem Frontenend (14), d. Interaktion des Benutzers mit dem Computerprogramm (100) über das Frontenend (14), um i. einen an die Schnittstelle (4) logisch angeschlossenen externen Messwertgeber (6) anzusteuern, und ii. Messwerte vom Messwertgeber (6) in das Computerprogramm (100) zu übernehmen.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ereignis des Benutzers im Frontenend (14) eine Kommunikation des Frontends (14) mit dem Programmkern (12) auslöst.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation zwischen Programmkern (12) und Frontenend (14) über das WebSocket-Protokoll erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass webbasierte Inhalte zum Abruf durch einen Benutzer bereitgestellt werden, wobei die webbasierten Inhalte auf den Lehrinhalten eines LMS basieren.
Verfahren gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontenend (14) in die webbasierten Inhalte eingebettet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich veränderliche Daten, die mit Messwerten eines externen Messwertgebers (6) korreliert sind, vom Frontenend (14) zeitaufgelöst und dynamisch in einem Diagramm (20) graphisch dargestellt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) zeitlich veränderliche Daten, die mit Messwerten eines externen Messwertgebers (6) korreliert sind, dynamisch an das Frontenend (14) übermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontenend (14) das im Diagramm (20) dargestellte Zeitintervall und/oder die gegebene graphische Auflösung des Diagramms (20) dynamisch an den Programmkern (12) übermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 33 und 34, dadurch gekennzeichnet, dass die übermittelten Daten aus einer Menge von Datensätzen besteht, und dass der Programmkern (12) die Menge der an das Frontenend (14) übermittelten Datensätze dynamisch an das dargestellte Zeitintervall und/oder die gegebene graphische Auflösung des Diagramms (20) anpasst.
Verfahren gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) a. ein Selektionsverfahren auf die Menge der im dargestellten Zeitintervall des Diagramms (20) liegenden Messwerte oder eine Menge von mit den Messwerten korrelierten Werten anwendet, um die zu übermittelnden Datensätze dergestalt zu selektieren, dass für jeden aufgrund der gegebenen graphischen Auflösung des Diagramms (20) einzeln darstellbaren Zeitpunkt im dargestellten Zeitintervall maximal ein Datensatz, bevorzugt genau ein Datensatz, zur Verfügung steht, und b. die Menge dieser selektierten Datensätze an das Frontenend (14) übermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) weiterhin eine Menge an Pufferdaten übermittelt, die im Frontenend (14) vorgehalten werden, so dass ein Scrollen des im Diagramm (20) dargestellten Wertebereichs ohne erneute Übermittlung von Daten vom Programmkern (12) zur Frontenend (14) möglich ist.
Verfahren gemäß Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) eine Menge von mit den Messwerten korrelierten Werten, sog. „Approximationswerten”, erzeugt, indem auf den zeitlichen Verlauf der erfassten Messwerte ein Simplifikationsverfahren angewendet wird, um eine Approximation des erfassten zeitlichen Verlaufs der Messwerte zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass das die erzeugte Approximation möglichst weitgehend linientreu ist.
Verfahren gemäß Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die graphische Darstellung der Messwerte mit einer Rate von zumindest 3 Hz, bevorzugt zumindest 5 Hz und besonders bevorzugt zumindest 10 Hz aktualisiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontenend (14) einen kontextabhängigen Parametersatz aus dem LMS lädt und zur Initialisierung eines vorgegebenen Zustands des Programmkerns (12) an den Programmkern (12) übermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das LMS und das Computerprogramm (100), insbesondere der Programmkern (12), Daten übergeben vom Computerprogramm (100) an das LMS und/oder umgekehrt.
Verfahren gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Frontenend (14) die Interaktion eines Benutzers mit dem LMS überwacht und Information über eine festgestellte Interaktion an den Programmkern (12) übermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Programmkern (12) die übermittelte Information über die Interaktion mit dem LMS auswertet und bei Eintreten vorgegebener Bedingungen ein Steuersignal an das Frontenend (14) übermittelt, und b. das Frontenend (14) bei Eintreffen eines Steuersignals eine Interaktion mit dem Benutzer auslöst.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das webbasierte Frontenend (14) zur Anzeige auf einem Endgerät (50) gebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) mit einer Mehrzahl von Frontends (14) kommuniziert.
Verfahren gemäß Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) einen logisch angeschlossenen externen Messwertgeber (6) zu dessen Ansteuerung genau einem der Frontends (14) zuordnet.
Verfahren gemäß Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmkern (12) die von einem logisch angeschlossenen externen Messwertgeber (6) erfassten Messwerte an genau eine oder an eine Mehrzahl von Frontends (14) übermittelt.
Verfahren gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Programmkerne (12) miteinander kommunizieren.
Verfahren gemäß Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass ein Programmkern (12) die an die verschiedenen Unterrichtssysteme (1) logisch angeschlossenen Messwertgeber (6) zentral registriert und den Zugriff auf die Messwertgeber (6) von einem Programmkern (12) zentral steuert.
Verfahren gemäß Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass ein beliebiger Programmkern (12) einem beliebigen anderen Programmkern (12) einen Zugriff auf einen logisch an ihn angeschlossenen Messwertgeber (6) erlaubt.