bachelorarbeit · 2016-09-29 · bachelorarbeit entwicklung, ... die erprobung des konzeptes...

Otto-von-Guericke-Universität MagdeburgFakultät für Informatik

Bachelorarbeit

Entwicklung, Erprobung und Evaluation derKommunikation von 2D- und 3D-Lernmodulen

innerhalb einer interaktiven laborgestützten Lernstation

Autor:

Stephan Stang

29. September 2016

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing Bernhard Preim

Institut für Simulation und Graphik

Fakultät für Informatik

Otto von Guericke Universität Magdeburg

Dipl.-Ing. Tina Haase

Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Magdeburg

Stang,Stephan: Entwicklung, Erprobung und Evaluation der Kommunikation von

2D- und 3D-Lernmodulen innerhalb einer interaktiven laborgestützten Lernstation

Bachelorarbeit, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg , 2016.

Abstract

The institute for vocational education in Magdeburg offers different setups for

technical experiments. To extend the laboratory’s capability to teach in an activity-

oriented manner about the embedment of subsystems and contiguous active prin-

ciples, an interactive virtual approach will be taken. Considering the available

space and hardware, the goal is to deploy the resulting material as a webapplica-

tion. The webapplication will be used in a stationary environment at the lab, as

well as on mobile devices. Non-IT-affine personnell need an easy to learn toolchain

for the creation of such content. Based on the selection of available cost-efficient

and compatible 3D-Game-Engine and 2D-E-Learning software, the development

of the interface between the two is part of this thesis considering the didactic

conception of web based e-learning as well as active learning. Interactive design

principles were followed to maximize usability. To reduce the effort of content cre-

ators to learn using both applications, a library with most wanted features and an

instruction was developed. The parallel content creation for an experiment with

the topic photovoltaics served as the trial for this toolchain. Three testers were

part of the informal evaluation process. The software was installed beforehand.

The testers imported a library for the 3D-Game-Engine and used a template for the

2D-E-Learning software. They created content with the help of an instruction. A

scenario was easily recreated and most of the testers assessed the usage as under-

standable, challenging and instructive. They were also able to create the scenario

in the given timeframe. Problems were reported with editing javascript codelines,

which could be prevented by further development of an interface for copy-pasting

lines of code. The trial mobility application is still in development, the toolchain

proved to be usable by non-IT-affine personnell.

Selbstständigkeitserklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne un-

zulässige Hilfe Dritter angefertigt und alle Stellen, die wörtlich oder annähernd

wörtlich aus fremden Quellen entnommen sind, als solche kenntlich gemacht ha-

be.

Magdeburg, den 12.09.2016

Stephan Hyo-Il Stang

Inhaltsverzeichnis i

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung 1

1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Gliederung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2. Grundlagen 4

2.1. Aufbau der Lernstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.2. Didaktische und methodische Planung nach dem Modell der voll-

ständigen Handlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3. Begriffe des E-Learnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.4. Webanwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5. Webtechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.6. E-Learning-Authoring-Tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.7. 3D-Game-Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.8. 3D-Puzzle Metapher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.9. E-Learning mit VR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.10.Fallstudie: Unity als 3D-E-Learning-Authoring Tool . . . . . . . . . 15

2.11.Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3. Auswahl der Autoren-Werkzeuge 17

3.1. Kriterien für die Auswahl der Autoren-Werkzeuge . . . . . . . . . . 18

3.2. Auswahl der 3D-Game-Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.3. Auswahl des 2D-E-Learning Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Inhaltsverzeichnis ii

4. Entwurf 22

4.1. Erkenntnisse aus dem Seminar „Gestaltung von Lernumgebungen

für die berufliche Aus- und Weiterbildung“ . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2. Bedienungs-Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3. Schnittstelle zwischen Unity und Articulate Storyline 2 . . . . . . . 24


5. Implementierung 27

5.1. Bereitstellung grundlegender Funktionalitäten in Unity . . . . . . . 28

5.1.1. Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.1.2. Selektieren von Elementen mit Raycasting . . . . . . . . . . 29

5.1.3. Benutzungshilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.1.4. Szenenaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.1.5. Bereitstellen der Kommunikationsschnittstelle . . . . . . . . 34

5.2. Die Szenariobereitstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.3. Articulate Storyline 2 Template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.3.1. Vorteile der Articulate GUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.3.2. Triggersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.3.3. Bereitstellung der Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . 37

5.4. Softwareverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38


6. Evaluation 39

6.1. Testaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.2. Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

6.3. Erprobung: Projektfortschritt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7. Fazit 43

7.1. Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

8. Abbildungsverzeichnis 45

9. Tabellenverzeichnis 46

Inhaltsverzeichnis iii

Literaturverzeichnis 47

A. Anhang 50

A.1. CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

A.2. Evaluations-Fragebogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Einführung 1

1. Einführung

In diesem Kapitel wird die Motivation zur Themenstellung der vorliegenden Ar-

beit gegeben. Die Ziele dieser Arbeit werden genannt und der Aufbau der Arbeit

beschrieben.

1.1. Motivation

Im Rahmen der Ausbildung von Schülern des Fachgymnasiums mit Vertiefung

in Ingenieurwissenschaft und Lehramt-Studierenden in technischen Fachrichtun-

gen werden in den Laboren des Instituts für Berufs- und Betriebspädagogik der

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg technische Experimente durchgeführt.

Aktuelle Arbeiten zielen darauf ab, diese Experimente um virtuelle Komponen-

ten zu erweitern, um so z.B. die Einbettung einzelner Subsysteme (z.B. Motor)

in ein Gesamtsystem (z.B. Auto) deutlich zu machen und zusammenhängende

Wirkprinzipien zu veranschaulichen. Der Inhalt wird von einer Projektgruppe des

Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF Magdeburg und

des Instituts für Berufs- und Betriebspädagogik der Otto-von-Guericke-Universität

Magdeburg erstellt.

Einführung 2

1.2. Zielstellung

Das Ziel dieser Arbeit ist es, aus am Markt verfügbaren 3D-Engines und 2D-E-

Learning Programmen, welche geeignete Interaktions- und Visualisierungsmög-

lichkeiten bieten, anforderungsgerecht auszuwählen und die Kommunikation zwi-

schen diesen Komponenten zu konzeptionieren, umzusetzen und zu erproben. Die

Auswahl wird anhand selbstermittelter Kriterien zur Mobilität, Usability des Ent-

wicklungsprozesses, Lizenzkosten und Schnittstellen getroffen. An die Entwick-

lung und praktische Umsetzung werden folgende Anforderungen gestellt:

1. Um die Lösungen kostengünstig und auch durch Nicht-Informatiker entwi-

ckeln lassen zu können (Autoren), soll der Technologieeinsatz gezielt analy-

siert werden.

a) 3D-Visualisierungen sollen nur dort zur Anwendung kommen, wo sie

einen tatsächlichen Mehrwert gegenüber konventionellen Medien bie-

ten.

b) Den Rahmen für die Lernstationen soll eine 2D-E-Learning-Umgebung

bieten, in die die 3D-Module eingebunden werden können.

c) Die Schnittstellenbedienung soll so konzipiert werden, dass eine An-

wendung durch Nicht-Informatiker mit geringem Anlernaufwand mög-

lich ist.

2. Die Lernstation soll von den Schülern und Studierenden (Anwender) mobil

genutzt werden können.

3. Weiterhin soll das Konzept auf handelsüblicher Hardware, u.a. Tablets, nutz-

bar sein und keine Spezialhardware erfordern. Damit kommt die Entwick-

lung einer vollständig immersiven VR-Umgebung nicht in Frage.

Die Erprobung des Konzeptes erfolgt über eine konkrete Lernstation zum Thema

Photovoltaik und E-Mobility, die projektbegleitend entwickelt wird. Im Seminar

„Gestaltung von Lernumgebungen für die berufliche Aus- und Weiterbildung“, an-

geboten an der Fakultät für Humanwissenschaften der Otto-von-Guericke-Univer-

sität Magdeburg im Sommersemester 2016, wurden erste Ergebnisse, aufbauend

Einführung 3

auf den in dieser Arbeit eingesetzten Technologien, von Studenten erarbeitet und

präsentiert. Die Beobachtungen wurden für die Anforderung der Schnittstellenbe-

dienung berücksichtigt.

1.3. Gliederung der Arbeit

Auf den nachfolgenden Seiten werden in Kapitel 2 neben dem Aufbau der Lern-

station, didaktische Grundlagen erläutert. Dem Begriff des E-Learnings wird nach-

gegangen und Beschreibungen zu den zwei Autoren-Werkzeugen gegeben. Eine

Analyse von verwandten Arbeiten zu E-Learning mit VR, 3D-Puzzle und einer Fall-

studie schließen die Grundlagen ab. In Kapitel 3 werden die Kriterien für die Aus-

wahl der Softwareprodukte dargelegt und die letztendliche Auswahl der Produkte

aufgezeigt. Der Entwurfsprozess findet in Kapitel 4 über eine Use-Case Analyse

und dem resultierenden Arbeitsablauf statt. Darauf folgt in Kapitel 5 die Ausar-

beitung der Schnittstellenbereitstellung zwischen den beiden Autorentools. Kapi-

tel 6 behandelt den Aufbau und die Ergebnisse der Evaluation und geht auf den

Fortschritt der Erprobung im Rahmen der Lernstation ein. Abschließend wird in

Kapitel 7 eine Zusammenfassung der Ergebnisse präsentiert und ein Ausblick für

weitere Entwicklungsmöglichkeiten gegeben.

Grundlagen 4

2. Grundlagen

In diesem Kapitel wird der Aufbau der Lernstation beschrieben. Als Lernstation

wird im weiteren Verlauf eine, auf Grundlage des Unterrichtskonzeptes der voll-

ständigen Handlung geplante, in einem Szenario integrierte, Menge von Lern-

modulen diskutiert. Weiterhin werden Grundlagen zur didaktischen und metho-

dischen Planung nach dem Modell der vollständigen Handlung dargelegt. Über

Erläuterungen zur Webanwendung werden standardisierte Webtechnologien ge-

nannt. Daraufhin wird auf relevante Module einer 3D-Game-Engine eingegangen.

Der Begriff eines E-Learning-Authoring-Tools wird danach diskutiert. Es werden

eine verwandte Arbeit zu E-Learning mit VR, eine Arbeit zur Gestaltung eines 3D-

Puzzles und eine Fallstudie zum E-Learning-Authoring analysiert. Abschließend

werden die Grundlagen zusammengefasst und für die weitere Bearbeitung aufbe-

reitet.

2.1. Aufbau der Lernstation

Zur Förderung der Kompetenzen in technischer Grundbildung, Entwicklung und

Anwendung technischer Systeme und ingenieurwissenschaftlichem Denken und

Handeln, sieht der Lehrplan in den Klassenstufen 11 und 12 der gymnasialen Bil-

dungsgänge im Schwerpunkt Ingenieurswissenschaften Projektarbeiten vor, wel-

che in den Laboren des Instituts für Berufs- und Betriebspädagogik der Otto-von-

Guericke-Universität Magdeburg durchgeführt werden [Jene15]. Zur Zeit ist das

Labor mit Exponaten und Experimenten ausgestattet. Diese sollen um virtuelle

Komponenten zu den Themen Mobilität und Photovoltaik erweitert werden. Auf

Grundlagen 5

virtuelle Komponenten wird gesetzt, da die Größe der erforderlichen Exponate

eine Platzierung im Labor nicht ermöglicht.

Für den Aufbau des interaktiven 3D-Szenarios wird ein statisches 3D-Modell er-

stellt. Dieses baut auf einem virtuellen Modell der Stadt Magdeburg auf. Der

Aufbau dient der Darstellung eines situierten Lernkontextes und als Ausgangs-

basis, also als Hauptszene, der virtuellen Lernstation. Der Lernende befindet sich

im Labor an der Universität in Magdeburg. Es werden Photovoltaikanlagen und

E-Tankstellen an Positionen in der virtuellen Stadt gesetzt, die sich tatsächlich

dort befinden. Durch die Situierung des Lernkontextes soll sich die Authentizi-

tät des Lernszenarios erhöhen [ReTi13, S.122]. Das Lernszenario soll sich dem

Anwendungsszenario möglichst ähneln. Interaktionen im Hauptszenario umfasst

eine Kamerasteuerung. 3D-Modelle einer Autowerkstatt und E-Tankstellen kom-

plettieren die Hauptszene. Detaillierte Modelle der Elektroautos und deren Sub-

systemen, wie z.B. Getriebe und Antriebsstrang, werden benötigt, um die Dar-

stellung der Wirkprinzipien durch Animationen einzelner Baugruppen zu gewähr-

leisten. 3D-Modelle zur Photovoltaik, Trassen, Transformatoren, Erdleitungen und

E-Tankstelle und Hybrid-Kraftfahrzeug werden für die Lernmodule Energieerzeu-

gung, Energieverteilung und -speicherung, Energieeffizienz und Energienutzung

erstellt.

Die Lernmodule werden über sichtbare anklickbare Markierungen, sogenannte

Hotspots, innerhalb der Hauptszene angesteuert. Wirkmechanismen der Lernmodul-

Inhalte untereinander werden visualisiert. Zur Photovoltaik soll der Zusammen-

hang von Sonnenenergie und Energiegewinnung visualisiert werden. Parameter,

wie der Neigungswinkel eines Daches, sollen interaktiv anpassbar sein. Durch das

Fahren eines Hybridkraftfahrzeuges wird der Bedarf an Energieverteilung und -

speicherung verdeutlicht. Das Fahren soll interaktiv gestaltet sein. Der Energief-

luss wird über die Photovoltaikanlage über die Stromverteilung hin zum Akku

des Hybridkraftfahrzeuges visualisiert. Weitere interaktive Handlungsmöglichkei-

ten bestehen aus dem Anfahren einer Tankstelle oder bei Auftritt eines Schadens

die Beauftragung eines Abschleppdienstes und das Aufsuchen einer KfZ-Werkstatt.

In der Werkstatt werden Funktionsweisen an isolierten Subsystemen dargestellt.

Grundlagen 6

Bei Bedarf kann der Bezug zum Gesamtsystem betrachtet werden. Hierzu müssen

Selektion von Objekten und ein Ein- und Ausblenden von 3D-Geometrie umge-

setzt werden. Die Funktionsweisen sollen durch frei wählbare Geschwindigkeit

des Ablaufes und Sichtpunkte auf das System interaktiv steuerbar gestaltet sein.

Innerhalb einer Instandhaltungsaufgabe soll das systematische Vorgehen hinsicht-

lich der Planung, Ausführung und Kontrolle selbstständig durchgeführt werden.

Das Getriebe soll ausgebaut und demontiert, der Fehler behoben und das Getrie-

be wieder zusammengebaut werden, woraufhin eine Funktionsprüfung folgt. Die

Interaktionsmöglichkeiten werden in der Zusammenfassung nochmal aufgezählt.

Technische Inhalte und ihre gegenseitigen Wirkprinzipien sollen in einem Gesamt-

kontext betrachtet werden können, welche real aufgrund der Größe der erforder-

lichen Exponate nicht im Labor platzierbar sind. Entwickelt werden soll die Lern-

station für die Anwendung im Webbrowser. Somit soll sie mobil, etwa auf Tablets,

nutzbar sein. Für die Nutzung im Labor ist eine feste Installation auf der Basis von

Desktop-PC und Monitor, oder Beamer als Ausgabegerät geplant. Die Vorgaben

werden in Kapitel 3 für den Entwurf der Autoren-Werkzeugkette beachtet.

2.2. Didaktische und methodische Planung nach

dem Modell der vollständigen Handlung

In diesem Kapitel wird auf die vollständige Handlung als Grundlage der Erstellung

von Lernmodulen für die Lernstation eingegangen. Laut Kultusministerkonferenz

erfolgt Lernen in der Handlung und sollte handlungsorientiert gestaltet werden.

Nach dem Prinzip des Handlungsorientierten Lernens werden Lernziele für die

Lernstation definiert und die Schüler angehalten selbstständig zu lernen. Die Ler-

nenden haben die Möglichkeit asynchron zu lernen und somit ihr individuelles

Lerntempo durchzusetzen. Das Prinzip ist in sechs Phasen untergliedert, wie in

Abbildung 1 zu sehen. Durch die Planung und Durchführung des Schülers aller

Phasen wird die eigene Handlungskompetenz gestärkt [Hack73].

Grundlagen 7

Abbildung 1.: Das Prinzip der vollständigen Handlung, angewendet in der VR-basierten Lernum-

gebung. Grafik: Fraunhofer IFF [SHS15, S.377]

Informationen, wie Dokumentation und Bedienanleitungen werden in der ersten

Phase vom Schüler eingeholt. Diese Phase kann ohne Weiteres über die Abla-

ge von Dokumenten auf einem Webserver, oder integrierten Informationen und

Verlinkungen über eine E-Learning-Anwendung unterstützt werden. In der Pha-

se des Planens erstellt der Schüler einen Arbeitsplan, welcher die Arbeitsschritte

für die Bearbeitung des Szenarios festhält und alle nötigen Werkzeuge und Ar-

beitsmaterialien auflistet. Über ein E-Learning-Tool kann eine Eingabemaske für

den Arbeitsplan bereit gestellt werden. Gleichzeitig können Hinweise, etwa auf

noch fehlende Werkzeuge, den Schüler unterstützen. Ist diese Phase abgeschlos-

sen, entscheidet sich der Schüler für einen Arbeitsprozess. Für den Entscheidungs-

prozess müssen relevante, wie nicht relevante, oder gar falsche Arbeitsabläufe

dargestellt werden. Dadurch kann die Aufmerksamkeit des Schülers gesteigert

werden [SHS15, S.378]. Nach Auswahl der richtigen Arbeitsschritte erfolgt die

Sortierung dieser durch den Schüler. Dies kann durch eine Drag & Drop Funk-

tionalität im E-Learning Bereich abgebildet werden. Die Durchführungsphase ist

durch interaktives Bearbeiten an einem virtuellen System vorzunehmen. Hier bie-

ten 3D-Umgebungen einen großen Mehrwert. Realitätsgetreue Darstellungen bie-

Grundlagen 8

ten im räumlichen Sinne ein besseres Verständnis für die Handhabung von großen

Maschinen. Die Vermittlung eines komplexen Aufbaus kann durch interaktive De-

und Rekomposition unterstützt werden. Wie die Räumliche Relation durch die

Metapher des 3D-Puzzles erlernbar gestaltet werden kann wird in Abschnitt 2.8

analysiert. Es können auch Bauteile visualisiert werden, die in der Realität ohne

eine vorherige Demontage nicht sichtbar sind. Als Beispiel sei hier der Antriebss-

trang eines Autos erwähnt. Dieser ist im Gesamtsystem durch die Karosserie ver-

deckt und die Unterseite eines Autos ist ohne Werkzeug schwer zugänglich. In der

Phase des Kontrollierens werden dem Schüler die Konsequenzen seines Handelns

unmittelbar gezeigt. Schließt er ein System richtig an, wird visuell vermittelt, das

es funktioniert. Das kann durch die Animation eines Maschinenverhaltens, oder

durch das Abspielen eines Videos erreicht werden. Abschließend erfolgt in einer

Gruppe mit dem Dozenten und Mitschülern die Bewertung und Reflektion des

durchgeführten Arbeitsprozesses.

2.3. Begri�e des E-Learnings

Das E-Learning ist mit seinen verschiedenen Formen und der stetigen Weiterent-

wicklung multimedialer Medien, sowie dem Aufkommen des Internets aktuell viel

diskutiert. Für diese Arbeit wird unter dem Begriff des E-Learnings die Definition

nach Günter Daniel Rey verstanden.

„Lehre und Lernen mittels verschiedener elektronischer Medien “ [Rey09]

In deutschen Unternehmen setzen laut einer repräsentativen Studie aus 2014 des

MMB-Instituts Gesellschaft für Medien- und Kompetenzforschung mbH bereits

zwei Drittel der Großunternehmen auf E-Learning (siehe Abbildung „Verbreitung

von E-Learning in deutschen Unternehmen“ in [Mich14, S.4]).

Unter Web-Based Training wird eine Form des E-Learnings verstanden, bei der Ler-

neinheiten über einen Webserver abgerufen werden können. Dabei wird die Form

des Web-Based Trainings am häufigsten in der betrieblichen Aus- und Weiterbil-

Grundlagen 9

dung eingesetzt (siehe Abbildung „Zurzeit eingesetzte Lernformen und -Tools“ in

[Mich14, S.6]).

Das Endprodukt der zu findenden E-Learning-Autorenwerkzeuge soll über das

Web angeboten werden und fällt daher in diese Kategorie.

Findet die Anwendung des E-Learning-Produktes im Labor statt und ist diese als

Präsenzzeit zu verstehen, kann der Begriff des Blended Learnings Einsatz finden.

Diese Form des E-Learning bezeichnet eine effektive Wechselbeziehung zwischen

Präsenzveranstaltungen und E-Learning-Modulen.

2.4. Webanwendung

Webanwendungen sind nach dem Client-Server-Model konzipiert. Die Datenver-

arbeitung findet auf einem Webserver statt. Das Ergebnis der Datenverarbeitung

wird zur Ausgabe an den Client übertragen. Der Webbrowser dient als Client-

schnittstelle und gibt die Benutzeroberfläche vor. Über das HTTP-Protokoll wird

die Kommunikation mit dem Webserver und die Darstellung der Benutzeroberflä-

che bereitgestellt.

2.5. Webtechnologien

Für die Bereitstellung von E-Learning-Maßnahmen über das Web stehen eine Viel-

zahl von Technologien bereit. Es sind Lern-Management-Systeme für die Verwal-

tung von E-Learning Inhalten mit integrierter Rollen und Nutzerverwaltung, so-

wie Erfolgsfaktormessung zu finden [Mart16]. Die Bereitstellung von Powerpoint-

Folien auf einem FTP-Server stellt eine weitere Variante dar. In dieser Arbeit wird

das E-Learning-Produkt als webfähige Anwendung über den Browser laufen. Im

Hinblick auf die Auswahl von zwei verschiedenen Softwareprogrammen, welche

jeweils eigene Methoden und Strukturen für ihre Webanwendungen nutzen, wer-

den sie auf die Einhaltung von Standardtechnologie wie HTML5 und WebGL unter-

sucht, um die mögliche Integration der Produkte untereinander zu gewährleisten.

Grundlagen 10

Das Document Object Model (DOM) wird vom World Wide Web Consortium als

Spezifikation der Schnittstelle für den Zugriff auf HTML oder XML-Dokumenten

definiert. Für die Entwicklung von Webanwendungen ist die DOM-Struktur inner-

halb eines HTML-Dokumentes grundlegend, um gezielten Zugriff auf einzelne Ele-

mente herzustellen. Dies kann clientseitig dynamisch über Javascript erzielt wer-

den. Für die Darstellung von 2D- sowie 3D-Grafiken wird in der aktuellen HTML5

Fassung das Canvas Element geboten. Die HTML5-Unterstützung wird über den

Webbrowser bereitgestellt. Dabei ist zu beachten, das jeder Browser HTML5 auf

verschiedene Art und Weise unterstützt. In Kapitel 3 wird für das E-Learning-

Tool unter anderem das Kriterium der Bereitstellung eines HTML5-fähigen Exports

und auf kompatible Browser überprüft. Der Einsatz von proprietären Webplayern,

wie z.B. dem UnityWebGL Player, soll gemieden werden. Daher wird für die 3D-

Darstellung im Browser auf die WebGL-Schnittstelle gesetzt. Die 3D-Darstellung

erfolgt über das WebGL Framework auf dem HTML5 Canvas Element. Die Un-

terstützung von WebGL muss im Browser integriert sein (siehe [Deve16]). Die

Browserkompatibilität wird als Kriterium bei der Auswahl der Autorenwerkzeuge

gezählt.

2.6. E-Learning-Authoring-Tool

E-Learning-Authoring-Tools beschreiben einen Typ Software mit deren Hilfe Au-

toren Kurse oder Simulationen für den Bildungsbereich gestalten können. Die Er-

stellung eines E-Learning-Produktes ähnelt der einer Präsentation, mit der zusätz-

lichen Möglichkeit, über Szenengraphen nicht-lineare Kurse zu gestalten. Zusätzli-

che Module ermöglichen die Erstellung von Rate-Aufgaben (Quiz) oder Zuordnen-

Aufgaben(Puzzles). Die Software unterstützt zudem die Einbindung von Multime-

dia-Inhalten wie Bildern, oder Videos. Die interaktive Gestaltung kann etwa durch

Eingabefelder, Buttons, Schieberegler, oder Codeausführung bei einem Ereignis

(Button wurde gedrückt) implementiert sein.

Grundlagen 11

2.7. 3D-Game-Engine

Als Software-Framework bieten moderne 3D-Game-Engines eine Vielzahl an Soft-

waremodulen (siehe Abbildung „Aufbau einer Runtime Game Engine“ in [Greg14]).

Durch die Zustandsmaschine (FiniteStateMachine) sind Zustandsbestimmungen

und -änderungen und dynamische Parameteranpassungen möglich. Das dazuge-

hörige Scripting-System erlaubt es dem Autor, auf 3D-Modelle zuzugreifen und

ihre Eigenschaften manipulieren zu können. So können Objekte über Scripte an

Positionen verschoben, oder rotiert werden. Es gibt Softwarekomponenten zur

Steuerung eines Charakters und Subsysteme für die Kamerasteuerung. Weiterhin

gibt es eine Anbindung an Ressourcen wie Texturen und 3D-Modelle. Das Physik-

Engine Modul kann für Kollisionen zwischen Objekten genutzt werden und bietet

die Möglichkeit Schwerkraft nach zu stellen. Durch die Rendering-Engine können

realitätsnahe Szenen nachgestellt werden.

2.8. 3D-Puzzle Metapher

Im Paper „Using a 3D Puzzle as a Metaphor for Learning Spatial Relations“

[Ritt+00] wird die 3D-Puzzle Metapher für das Zusammensetzen von 3D Model-

len eingeführt, um räumliche Relation innerhalb eines 3D-Szenarios zu erlernen.

Anwender lernen den 3D Raum kennen, indem sie ein komplexes spezifisches 3D-

Modell aus elementaren 3D-Objekten zusammenfügen. Aus der Metapher heraus

werden für die Sortierung von 3D-Teilen und dem Anlegen von Subkomponenten

Ablagemöglichkeiten angeboten. Auch wird ein 3D-Modell zur Veranschaulichung

des final zusammengesetzten Objektes für die Motivation und Hilfestellung an-

gezeigt und kann von allen Seiten betrachtet werden. Von der Metapher gelöste

Aspekte beinhalten Texthinweise und die gespeicherte Struktur des 3D-Modells,

welche am Computer dem Anwender helfen können. Beispielhaft werden die in

der Anatomie üblichen Informationen zu einzelnen Objekten des Körpers, wie Na-

me, Lage und Organsystem erwähnt. Diese Informationen können für die korrekte

Anordnung der elementaren 3D-Objekte vom Anwender verwendet werden. Aus-

Grundlagen 12

gehend von der räumlichen Wahrnehmung des Menschen und den dafür wichtigs-

ten Hinweisreizen wird eine Szene erstellt, bei der unter anderem das zu bearbei-

tende Objekt immer einen Schatten auf eine Ebene wirft, die sich, wie das Licht,

mit der Kamera dreht. Ein Detailfenster zeigt dem Anwender das aktuell selek-

tierte Objekt in vergrößerter, nicht verdeckter, automatisch rotierter Ansicht. Bei

Berührung mit dem Zeigegerät werden Objekte hervorgehoben. Eine Explosions-

ansicht, realisiert durch das Verkleinern der Objekte an Ort und Stelle, unterstützt

das Erkennen der Objekte weiter. Semi-Transparenz aller anderen Objekte, hilft

bei der Selektion eines einzelnen Bauteils, das selektierte Objekt zu erkennen.

Interaktionen der Anwendergruppe Studenten, welche im Gegensatz zu Autoren

keine Möglichkeit haben ein 3D-Modell zu segmentieren, oder anderweitige Ände-

rungen an der Vorgegebenen Struktur vorzunehmen, beschränken sich, neben der

Einstellung des Schwierigkeitsgrades, auf fünf Interaktionsmöglichkeiten. Das Er-

kennen von Objekten, die Selektion von Objekten, die Gruppierung von Objekten,

die Translation von Objekten und das Andocken von Objekten.

Dem Anwender wird für die Selektion von Objekten die Möglichkeit gegeben, ne-

ben der direkten 3D-Objekt-Auswahl aus einer Textliste zu wählen. Falls ein Ob-

jekt bei der Selektion über Text verdeckt ist, wird das Objekt auf den Anwender

zu bewegt, bis es sichtbar ist. Zur Verwaltung von Objekten, können Teilmengen

erstellt und an unbegrenzt vielen 3D-Ansichten geheftet werden. Eine Mehrfachs-

elektierung ist, wie auch eine Selektierung nach Kategorie möglich. Die Ansichten

lassen sich individuell beschriften und Objekte per Drag & Drop zwischen ihnen

bewegen. Die Kollisionsabfrage wird visuell durch das Hervorheben der sich kol-

lidierenden Objekte unterstützt. Zudem ist ein Audiohinweis zu hören und ein

Texthinweis in der Statusleiste zu lesen. Zur weiteren Hilfestellung wird ein semi-

transparenter Schattenkörper während der Translation von Objekten angezeigt.

Der Körper erstreckt sich vom selektierten Objekt zu seinem Schatten und kann

die räumliche Wahrnehmung bei der Positionierung erheblich unterstützen. Für

das Andocken von Objekten werden Andockpunkte durch einfache 3D-Objekte

wie Kugeln, oder Quader in einer leicht identifizierbaren Farbe angezeigt. Das

Andocken ist sehr durchdacht implementiert. Dazu gehören unter anderem ein

Grundlagen 13

Zuschnapp-Mechanismus über Schwellenwert, die Differenzierung von korrekten

und inkorrekten Verbindungen, eine dedizierte Bewegung für das Entkoppeln, ei-

ne Technik „reverse snapping“ genannt, die es erschwert, falsche Verbindungen

zu setzen, indem das gegenüberliegende Objekte rückstoßend wirkt. Die Control-

Display-Ratio wird hierbei erhöht.

Die Erkenntnisse dieser Arbeit führen zu der Annahme, dass die 3D-Puzzle Me-

tapher für die Erstellung des Werkstatt-Lernmoduls, in dem etwa ein Gesamtsys-

tem demontiert und einzelne Subsysteme isoliert betrachtet werden sollen, eine

vielversprechende Lösung ist. Es werden Probleme zur Verdeckung von Objekten

gelöst, das Erkennen von Objekten optimiert und eine Zuordnungsmethode durch

Andocken vorgestellt.

2.9. E-Learning mit VR

Im Tagungsband Informatics Inside 2015 der Hochschule Reutlingen überprüft

Alexander Zimmermann als Vorbereitung für seine Masterarbeit im Paper „Mit

Virtual Reality zum E-Learning - eine prototypische Anwendung“ anhand von zwei

Prototypen auf Basis der Unity Engine mit Hilfe von verschiedenen VR-Eingabe-

geräten, die Möglichkeit, virtuelle Lernumgebungen zu entwickeln und vergleicht

dabei die verschiedenen Interaktionsarten. Ein Prototyp baut auf die VR-Geräte

Oculus Rift VR und Microsoft Kinect v2 auf, der andere Prototyp auf Leap Moti-

on und Microsoft Kinect v2 [KMT15]. Arbeitsabläufe an den Industriemaschinen

sollen über die Interaktionsmethoden für den Anwendungsfall einer Schulung von

Arbeitern an Maschinen virtuell ermöglicht werden. Das System soll während der

Masterarbeit um die Fähigkeit erweitert werden, den Fortschritt einer Aufgabe und

die Richtigkeit der Lösung auszugeben. Dadurch soll die Möglichkeit der Bewer-

tung der Arbeit eines Nutzers über den Einsatz konstruktivistischer Lerntheorie

geschaffen werden. Auf die Verwendung der Unity Engine in der Version 4.6.3

wird im Prototypenaufbau kurz eingegangen. Diese Version war noch unter zwei

verschiedenen Lizenzmodellen angeboten und nur die kostenpflichtige Unity Pro

Version ist mit den nötigen Plugins für die Nutzung der Microsoft Kinect v2 kom-

Grundlagen 14

patibel. Es folgen Erkenntisse des Papers über die Beschränkungen der Systeme,

im Einzelnen vor allem über die Trackingqualität der Lösungen, und zur Analyse

der einzelnen VR-Eingabegeräte:

1. Um VR-Krankheit vorzubeugen sind 75 Bilder pro Sekunde empfohlen.

2. Der Aufbau von VR-Hardware braucht genügend Platz (2,3m Abstand zur

trackenden Person)

3. Der alternative Aufbau ist über eine Laptop-Tornister Konfiguration perfor-

mance-technisch nicht adäquat ausgestattet.

Die Forschung zur VR-Krankheit ist noch jung [Laws14]. Laut Oculus VR ist ein Be-

trieb von VR-Software aus technischer Seite ab 90 Bildern pro Sekunde empfohlen

[Bins15]. Auf der Oculus VR Webseite können die dafür empfohlene Hardware-

ausstattung und auch Beispielsysteme eingesehen werden [Ocul16a][Ocul16b].

Bis Ende des Jahres 2016 sollen etwa 1% der verkauften PC-Geräte VR-taugliche

Performance bieten können [Ian 15].

Es wird ersichtlich, warum der Einsatz einer VR-Lösung für den begrenzten Raum

in den Laboren des Instituts für Berufs- und Betriebspädagogik der Otto-von-Gue-

ricke-Universität Magdeburg nicht geeignet ist. Weiterhin stellt eine VR-Lösung

keine Option dar, die auf konventionellen Geräten in akzeptabler Geschwindig-

keit lauffähig und mobil nutzbar ist (Vergleiche mit den Anforderungen in Ab-

schnitt 1.2 auf Seite 2). In einem dedizierten Raum mit ausreichend Platz und

ausreichend starker Hardware kann durchaus ein potenziell immersiveres virtuel-

les Lernszenario angeboten werden.

Grundlagen 15

2.10. Fallstudie: Unity als

3D-E-Learning-Authoring Tool

Die Firma brightwave Group spezialisiert sich auf E-Learning-Produkte. Auf ihrer

Homepage ist eine Fallstudienbeschreibung zu einer E-Learning-Webanwendung

eines medizinischen Analysegerätes zu finden [brig13]. Das E-Learning-Produkt

wurde sowohl für die interne Nutzung des Kunden als auch für die lösungsorien-

tierte Beratungstätigkeit von Endkunden konzipiert. Ein 3D-Modell des medizini-

schen Gerätes kann frei im Raum rotiert werden. Elemente von Interesse, etwa Be-

dienelemente, werden über einen Hotspot markiert. Bei Betätigung der Hotspots

werden Textfenster zu den Elementen angezeigt. Es werden kurze Anwendungs-

szenarien, wie das Einrichten des Gerätes, oder der Prozess der Analyse, interaktiv

gestaltet. Durch die Möglichkeit des Einsatzes des E-Learning-Szenarios auf einem

iPad können die Bedienelemente des virtuellen Gerätes über den Touchscreen ge-

drückt werden.

2.11. Zusammenfassung

Die Lernstation setzt verschiedene Interaktionsmöglichkeiten voraus.

1. verschiedene virtuelle Fortbewegungsmöglichkeiten ( zu Fuß, mit dem Auto,

starr)

2. Texturenaustausch, Einfärben (Selektieren und Markieren von Objekten )

3. Kamerafahrten, Abspielen von Animationen ( Visualisierung von Wirkprinzi-

pien)

4. Drehen und Verschieben von Komponenten (Visualisierung von Maschinen-

verhalten, z.B. Getriebe)

5. Zustandbestimmungen (Maschine an/aus, Hybridfahrzeug-Akku leer, Fahr-

zeug defekt, Szenenwechsel )

6. Dynamische Parameteranpassungen (Rotationsgeschwindigkeit einstellen)

Grundlagen 16

Eine 3D-Game-Engine bietet nach [Greg14] alle nötigen Module für die Erstel-

lung eines interaktiven 3D-Szenarios. 3D-Game-Engines werden bereits erfolg-

reich in der Erstellung von E-Learning-Materialen genutzt, der Aufwand für die

Erstellung einer interaktiven 3D-Szene ist durch eine 3D-Game-Engine planbar.

VR als E-Learning kann eingesetzt werden, ist für die Lernstation aber nicht zu

bevorzugen, da die räumliche Kapazität und die technischen Anforderungen nicht

genügen. Die Möglichkeit, virtuell realitätsnahe Abbildungen interaktiv zu gestal-

ten, unterstützt durch handlungsorientiertes Lernen die bereits umgesetzte expe-

rimentierende Lernform im Labor. Durch virtuelle Interaktion können Einblicke in

die funktionalen, strukturellen und systemhierarchischen Zusammenhänge eines

technischen Systems gewonnen werden, die physisch sonst nur schwer zugäng-

lich sind. Um die Anlernschwelle der Handhabung der Werkzeugkette für Nicht-

Informatiker auf ein passendes Niveau senken zu können, um aufgaben-gerechte

Interaktionen in audio-visuell realitätsnahen Szenarien erstellen zu können, ist im

Hinblick auf die Komplexität einer 3D-Game-Engine festzuhalten, dass angepasste

Bedienungshilfen innerhalb einer 3D-Engine erstellbar sein müssen und eine gute

Dokumentation der einzusetzenden Software vorhanden ist. Um eine Arbeitsfluss-

stützende 2D-E-Learning Software zu finden, sollte sie dieselben Eigenschaften

erfüllen.

Auswahl der Autoren-Werkzeuge 17

3. Auswahl der

Autoren-Werkzeuge

Dieses Kapitel widmet sich der Auswahl der Autoren-Werkzeuge anhand der selbs-

termittelten Kriterien zur Mobilität, zur Usability des Entwicklungsprozesses, Li-

zenzkosten und Schnittstellenfähigkeit. Es werden jeweils Kriterien für die 3D-

Game-Engine und die 2D-E-Learning-Software beschrieben und anhand einer Ver-

gleichsmatrix auf die zutreffendsten Produkte verwiesen. Für die Konzeption der

Werkzeugkette von E-Learning-Autorenwerkzeugen wurde auf den Zukauf von

Software zurückgegriffen. Die Ressourcen für eine Eigenentwicklung im Bereich

des 3D-Modelling sowie einer 2D-E-Learning-Authoring Software sind nicht gege-

ben.

Ob und welches Lernmanagementsystem im Labor eingesetzt wird, ist nicht be-

kannt. Auf dieser Annahme basierend, werden Autorenwerkzeuge gesucht, die

eine Webanwendung publizieren und auf gängige Webstandards, wie HTML5 und

WebGL, setzen.


3.1. Kriterien für die Auswahl der

Autoren-Werkzeuge

Es folgt eine Definition der Kriterien:

Lizenzkosten

Bei den Lizenzkosten wird durch die aktuelle Entwicklung im 3D-Game-Engine

Markt, auf den Ansatz „develop for free, pay later“ geachtet. Die Lizenzkosten der

E-Learning-Software sollten 1.500C nicht übersteigen.

Support

Unter Support wird die Dokumentation und Einstiegshürde gemessen. Es wird ein

Punkt für Webvideo-Anleitungen, ein Punkt für Online-Dokumentation und ein

Punkt für Support-Foren vergeben.

WebExport

Das Kriterium WebExport gibt wieder, ob die Software ein Produkt über die Stan-

dardtechnologien HTML5 und WebGL als Webanwendung veröffentlichen kann.

Browser

Im Kriterium Browser wird festgehalten, unter welchen Browsern die veröffent-

lichte Anwendung nutzbar ist. Es werden jeweils ein Punkt für eine Unterstützung

zu Chrome, Firefox und Internet Explorer vergeben. Der Safari-Browser wird nicht

überprüft, da auf einem Windows-System entwickelt wird.

Industrie

Das Kriterium Industrie gibt an, ob eine 3D-Game-Engine mit gängigen 3D-For-

maten der produzierenden Industrie umgehen kann. Die Unterstützung von 3D-

Datenformaten der 3D-Game-Engines richtet sich hauptsächlich an Programme,

die in der Unterhaltungsindustrie genutzt werden. Dazu zählen unter anderem

3DS Max, Cinema4D, Blender. 3D-Modelle in der produzierenden Industrie wer-

den über andere Programme, CAD-Programme, erstellt. Hierzu gehören etwa Ca-

tia, Autocad, archicad, Alias, Rhinoceros 3D, Solidworks, oder CREO.


CAD-Programme

Software DatenFormat Exporte

AutoCAD .dwg, .dxf, .dxb, .dwf, .dgn, .shp

Rhino .dae , .3ds , .dwg , .dxf , .fbx, .obj , [..]

Catia .dwg, .dxf, [..]

Tabelle 1.: Liste Datenexportmöglichkeiten CAD-Programme

Beispielhaft werden in Tabelle 1 für die Programme AutoCAD, Rhino und Catia

Exportformate gelistet.

Import 3D

Das Kriterium Import 3D ersetzt für die 2D-E-Learning Software das Kriterium

Industrie. Es wird überprüft ob eine Möglichkeit besteht ein exportiertes WebGL-

Szenario in das E-Learning-Autorenwerkzeug zu laden.

3.2. Auswahl der 3D-Game-Engine

Die Anzahl der Produkte im 3D-Game-Engine Markt ist hoch. Eine Vorauswahl

beschränkt sich daher auf die drei zum Zeitpunkt (08.2016) etabliertesten 3D-

Game-Engines, die kostenlos verfügbar sind. Darunter zählen Unity 5, CryEngi-

ne V und Unreal Engine 4. Über die Tabelle 2 wird ersichtlich, dass alle drei

3D-Game-Engines gut dokumentiert sind und die Hersteller sowohl Community-

Boards als auch Videoanleitungen für die Einarbeitung bieten. Der Export einer

lauffähigen Webanwendung ist in CryEngine V nicht dokumentiert. Für die Unreal

Engine 4 ist der Support eines HTML5 Exports als experimentell gekennzeichnet.

Die exportierte Webanwendung ist zudem nur unter den 64-bit Browser Varian-

ten von Chrome und Firefox kompatibel. Unity 5 bietet produktive Unterstützung

von WebExport-Möglichkeiten. Auf den Dokumentationsseiten ist die Kompatibili-

tät zu den Browsern Chrome, Firefox und Microsoft Edge gegeben. Unter Internet

Explorer ist ein Unity 5 Export auch möglich, dabei nicht sehr performant und

deshalb mit einer Warnung versehen. Unity 5 kann im Vergleich die meisten 3D-

Standardformate aus der Industrie importieren.


Kriterien 3D-Game-Engine

Software Lizenzkosten Support WebExport Browser Industrie

CryEngine V kostenlos 3 eigenes For-

mat

Unity 5 kostenlos 3 X 3 .fbx, .dae,

.3ds, .dxf,

.obj

UnrealEngine

4

kostenlos 3 experimentell 1 .fbx, .obj

Tabelle 2.: Liste Auswahlkriterien 3D-Game-Engine

3.3. Auswahl des 2D-E-Learning Tools

Die Auswahl des 2D-E-Learning-Authoring Tools wurde über ein Ausschlussver-

fahren vorgenommen. Neben Geenio werden Articulate Storyline 2 und Adobe

Captivate 9 analysiert.

Geenio war mit einem Jahrespreis über 1.309C zu teuer. Die beiden Alternativen

konnten zu ähnlichen Preisen für eine einmalige Zahlung gekauft werden. Genau

wie Adobe Captivate 9 bietet Articulate Storyline 2 über eine WebObject Funktion

die Möglichkeit in einer Folie per iFrame Webinhalte zu laden. Die übersichtlichs-

te Dokumentation bietet Articulate Storyline 2. Trainingsvideos, bebilderte Step-

by-Step Guides und Dokumentationen, sowie die Diskussionsforen sind unter der

E-Learning Heroes Plattform erreichbar. Zu Adobe Captivate 9 gibt es neben Trai-

ningsvideos auch eine Dokumentation auf der Adobe Plattform. Diese ist im Ge-

gensatz zur Konkurrenz nicht einheitlich gehalten und gleichzeitig trifft man auf

nicht gepflegte Links.

Die Wahl fiel auf Articulate Storyline 2, da über den HTML5-Export von Adobe

Captivate 9 integrierte Funktionen nicht mehr funktionieren sollen und die Doku-

mentation nicht an die von Articulate Storyline 2 heranreicht.


Kriterien E-Learning-Tool

Software Lizenzkosten Support WebExport Browser Import 3D

Adobe Capti-

vate 9

1.307,81C 2(tote Links,

Übersicht)

Funktionen

gehen verlo-

ren

X X

Articulate

Storyline 2

1.242C 3 X HTML5 nur

in Chrome

X

Geenio 1.235C/pro

Jahr

Tabelle 3.: Liste Auswahlkriterien E-Learning-Tool


Unity in Version 5 wurde aufgrund der umfassenden Dokumentation und dem

breitesten Support für relevante Industrie-3D-Datenformate ausgewählt. Gleich-

zeitig bietet Unity bisher als einziger der etablierten 3D-Game-Engines eine pro-

duktive Unterstützung für den WebGL-Export.

Die E-Learning-Authoring-Tool Landschaft ist hoch fragmentiert. Es gibt viele Pro-

dukte, die aufgrund verschiedener Schwerpunkte in der Gestaltung von Inhalten

nicht einfach zu vergleichen sind. Adobe Captivate 9 und Articulate Storyline 2

bauen beide auf einer standardnahen GUI auf. Beide Produkte unterstützen das

Importieren von Webinhalten. Darunter ist auch der WebGL-Export von Unity zu

zählen. Für einen produktiven Einsatz hat im Vergleich Articulate Storyline 2,

trotz der beschränkten Browser-Kompatibilität beim HTML5-Export, am besten

abgeschnitten. Die Dokumentation und Einführungshilfe von Articulate Storyline

2 überzeugt bei der Gegenüberstellung.

Entwurf 22

4. Entwurf

Im ersten Abschnitt dieses Kapitels werden die Erkenntnisse aus den Beobach-

tunge der Endergebnisse des Seminars „Gestaltung von Lernumgebungen für die

berufliche Aus- und Weiterbildung“ festgehalten. Im Hinblick auf die einzuset-

zende Software, wird ein Use Case Diagramm erstellt. Daraus entwickelt sich ein

Bedienungs-Konzept. Die Schnittstelle zwischen den beiden Autoren-Werkzeugen

wird schematisch dargestellt.

Der vorläufige Workflow sieht folgendermaßen aus (vergleiche mit Abbildung 2):

1. 3D-Daten werden von Mitarbeitern der Universität bereitgestellt.

2. Die 3D-Daten werden vom Autor in Unity importiert.

3. Der Autor bereitet die Szene in Unity vor. (Licht,Steuerung,Kamera)

4. Der Autor setzt Navigationspunkte in der Szene

5. Der Autor markiert Game-Objects in Unity, welche 3D-Geometrie-Daten ent-

halten, für eine Interaktion

6. Der Autor bereitet Inhalte, Texte und Bilder, methodisch und didaktisch für

das Articulate Storyline 2 Szenenboard vor.

7. Der Autor integriert Inhalte nach Articulate Storyline 2.

8. Der Autor integriert auf einer Folie einen Unity-Export. (WebObject)

9. Der Autor will Unity-Game Objects über Storyline-Kontrollobjekte steuern.

10. Der Autor will über eine Unity-Game Objekt Interaktion Storyline-Inhalte

anpassen.

Entwurf 23

Abbildung 2.: Erstes Konzept

4.1. Erkenntnisse aus dem Seminar �Gestaltung

von Lernumgebungen für die beru�iche Aus-

und Weiterbildung�

Zehn Gruppen haben ihre Ergebnisse präsentiert. Dabei wurde Articulate Storyli-

ne 2 und Unity genutzt. Insgesamt haben die Gruppen die Ariculate Storyline 2

Konzepte in ihren E-Learning-Applikation erfolgreich adaptiert. Es wurden Trig-

ger verwendet, um Folien zu wechseln. Dies wurde z.B. über interaktive Karten

gestaltet. Auch wurde die Video- und Audio-Einbettung genutzt. Die Funktion des

Drag & Drop Puzzles und das Quiz, sowie die Bereitstellung von vorgefertigten

Charakteren sind häufig implementiert worden.

Unity hingegen wurde nur in drei Projekten als interaktives 3D-Szenario genutzt.

Dabei wurde das Problem, den Unity-WebGL Export in das Storyline-Szenario ein-

zufügen, deutlich. Die Gruppen haben ihre Unity-Projekte separat vorgeführt.

Nach dem Ziel, eine funktionsfähige Schnittstelle zwischen Unity und Articulate

Storyline 2 bereit zu stellen, ist das Ziel, die Handhabung in Unity über Editor-

Anpassungen und Objekterstellungsautomatismen eingängiger zu gestalten.

Entwurf 24

4.2. Bedienungs-Konzept

Sowohl 3D-Game-Engine, als auch E-Learning-Authoring-Tool stellen fensterba-

sierte interaktive Systeme dar. Dabei stellt eine 3D-Game-Engine, wie in

Abschnitt 2.7 auf Seite 11 beschrieben, ein hochkomplexes System dar. Der Autor

muss ohne Vorkenntnisse großen Aufwand investieren, um die gewünschten Funk-

tionalitäten über die bereitgestellten Fenster und Menüs des Editors zu erreichen.

Die Autoren-Werkzeuge sollen von Nicht-Informatikern zur Erstellung von interak-

tiven E-Learning-Inhalten mit eingebundenen interaktiven 3D-Modellen genutzt

werden. Der Autor soll mit so wenig Programmiercode konfrontiert werden wie

möglich. Die Benutzerschnittstelle von Articulate Storyline 2 ist an Standardsoft-

ware, wie zum Beispiel Microsoft Office, angelehnt. Funktionen, wie das Wechseln

einer Folie werden über Trigger angelegt. Kontrollvariablen werden bei der Erstel-

lung von interaktiven Objekten wie Slider oder Buttons automatisch angelegt. Die

3D-Game-Engine Unity bietet über den Editor visuell intuitive Erstellungsmöglich-

keiten. Ohne Konzepte wie GameObjects oder Kenntnisse über C#-Skripte lassen

sich aber keine interaktiven Szenarien erstellen. Um eine größtmögliche Codefrei-

heit zu gewährleisten, werden für den Unity Editor Erweiterungen und Anpas-

sungen vorgenommen, sodass über eindeutige Bezeichnungen Skripte an Objekte

über ein Menü angehangen werden können. Genauso bietet ein Hilfemenü schnel-

le Übersicht über bereits erstellte interaktive Elemente, die in Articulate Storyline

2 weiterverarbeitet werden sollen.

4.3. Schnittstelle zwischen Unity und Articulate

Storyline 2

Als Schnittstelle werden Funktionen in einer .jslib Datei unter Unity als Plugin ge-

laden. Über diese Funktionen können Unity-Interaktionen Parameter im Storyline-

Szenario ändern (siehe Abbildung 3). Der Articulate Storyline 2 Player kann über

die DOM-Struktur oder mit Javascript erreicht werden. Dies ist die einzige Schnitt-

Entwurf 25

stelle, die Storyline 2 bereitstellt. Eine API gibt es nicht. Es wird über die Articulate

Triggerfunktionalität am Anfang der Folie Javascript-Code ausgeführt. Dabei wird

auf die Unity-Funktion SendMessage zurückgegriffen. Über an die Unity-Objekte

angehängte Scriptkomponente kann eine Variable angesteuert werden.

Abbildung 3.: Kommunikation zwischen Unity und Storyline

Entwurf 26


Möglichkeiten für eine funktionierende Kommunikation zwischen Unity und Arti-

culate Storyline 2 sind gegeben. Diese werden im nächsten Kapitel implementiert.

Das Bedienungskonzept soll möglichst ohne Code-Anpassungen funktionieren. Da-

zu wird die Unity-Nutzeroberfläche angepasst und durch eigene Menüpunkte er-

weitert. Über diese Menüpunkte sollen Funktionalitäten, wie das Selektieren und

Markieren von einer Objektgruppe, oder für die Kommunikation zu Storyline 2

angepasste Objekte, automatisch generiert werden. Die Anlernschwelle der Hand-

habung der Autoren-Werkzeugkette für Nicht-Informatiker ist auf ein niedriges Ni-

veau zu senken, um aufgaben-gerechte Interaktionen in audio-visuell realitätsna-

hen Szenarien erstellen zu können und soll die Bereitschaft für Autoren erhöhen,

auch interaktive 3D-Inhalte in Lernmaterialien zu verwenden.

Implementierung 27

5. Implementierung

In diesem Kapitel wird die Implementierung des Use Case dargelegt (siehe Ab-

bildung 4). Darunter fallen User-Interface Anpassungen am Unity-Editor, die Be-

schreibung des Szenenaufbaus und die Bereitstellung der Kommunikationsschnitt-

stelle. Die Implementierung der Unity Anpassungen werden im .unitypackage For-

mat gespeichert. In Articulate Storyline 2 wird die Erstellung eines Templates

erläutert, in dem alle nötigen Elemente für die Kommunikation zwischen Unity-

Export und Articulate Steuerelementen enthalten sind. Weitere Bearbeitungsschrit-

te des Autors enthalten die Anpassung von Variablennamen nach der Benennung

im Unity Editor und die Veröffentlichung des fertigen E-Learning-Inhalts. Abschlie-

ßend wird die Softwareverteilung beschrieben.

Abbildung 4.: Use Case

Implementierung 28

5.1. Bereitstellung grundlegender Funktionalitäten

in Unity

In einer 3D-Szene ist die Möglichkeit gegeben, sich interaktiv im Raum zu bewe-

gen. Dabei sollen Interaktionen mit anderen Objekten in der Szene möglich sein.

5.1.1. Steuerung

In den von Unity angebotenen Standard-Assets gibt es bereits eine Vielzahl von

möglichen Charaktersteuerungen. Darunter fallen Third-Person, oder First-Person-

Steuerungen. In der Third-Person-Perspektive, wird die Kamera hinter einem Spiele-

Avatar gesetzt. Die planare Steuerung wird über Pfeiltasten, oder die für Spiele

typische WASD-Steuerung umgesetzt. Die Leertaste ist für das Springen und die

Steuerungstaste für das Ducken belegt. Durch Mausbewegungen wird die Kamera

rotiert. Die selben Steuerungsfeatures sind für die First-Person-Steuerung hinter-

legt. In der First-Person-Perspektive liegt die Kamera auf Kopfhöhe der Spielfi-

gur und befindet direkt vor ihr. Die Standard-Assets sind bereits mit vielen der

Unity-Engine eigenen Fähigkeiten, wie der Physik-, und Audioengine belegt. Für

die Third-Person-Ansicht wird ein animiertes 3D-Modell bereitgestellt. Durch die

Anzeige eines Spieleavatars, sowie dessen Animation, durch den Einsatz von Au-

diosystemen, die etwa Schrittgeräusche wiedergeben, oder physikbasierte Funk-

tionen, die eine glaubwürdige Kollision mit anderen Objekten in der Szene bietet

und Schwerkraft simuliert, oder Headbob und Hüpf-Methoden kann die Immersi-

on des Spielers gefördert werden. Als Headbob wird die Simulation der Kopfbewe-

gung beim Laufen bezeichnet. Hierbei schwingt die Kamera nach einer bestimm-

ten Schrittgröße periodisch in einem kleinen Bogen nach links und rechts. Für eine

zielgerichtete Entwicklung wird auf diese komplexeren Systeme verzichtet.

Für das Proof-of-Concept wird für die Übersichtlichkeit auf eine rudimentäre Spie-

lersteuerung aus der Egoperspektive gesetzt. Eine Tastensteuerung ist für die pla-

nare Steuerung zuständig. Bei gedrückter rechter Maustaste und gleichzeitigem

Bewegen der Maus wird die Kamera rotiert. Die Steuerung ist auch in Z-Richtung

Implementierung 29

frei. Über Eventhandler wird ein Tastendruck verarbeitet und die Position in eine

bestimmte Richtung in Abhängigkeit der Zeit und einem Multiplikator verschoben.

Das Steuerungsscript liegt am Player-GameObjekt in der Szene. Das Rotieren um

Y- und Z-Achse wird über eine Maussteuerung implementiert. Die Maussteuerung

liegt als CameraOrbit-Klasse an der Kamera. Ein Hüfpen oder Ducken ist nicht

implementiert.

5.1.2. Selektieren von Elementen mit Raycasting

Für die Entwicklung eines präzisen Selektierung von Objekten in der Szene über

die Mausposition wurde auf Physik-Engine-basierte Methoden gesetzt.

Zur Kollisionsabfrage stehen über die Physics-Klasse der eingebauten Physik-En-

gine eine Raycast Methode und die Collider-Komponente bereit. Mit Hilfe der

RayCast Methode könnnen Strahlen in die Szene geschossen werden. Ein Strahl

besitzt einen Urpsrung und wird in eine Richtung geschossen. Objekte, die eine

Collider-Komponente besitzen und auf dem Strahl liegen, werden getroffen. Über

LayerMasken kann darüber hinaus bestimmt werden, ob bestimmte Objekte nicht

mit den Strahlen interagieren sollen. Die RaycastHit-Struktur stellt Informationen

über das getroffene Objekt bereit. Mit Hilfe des Längenparameters kann der inter-

aktive Bereich des Strahls auf eine bestimmte Strecke reduziert werden. Wird mit

der Maus über ein Objekt gefahren, werden über Eventhandler-Methoden folgen-

de Funktionalitäten bereitgestellt:

1. Selektieren eines Objektes für eine interaktive Subsystem-Anzeige. (Verglei-

che Anforderung der Werkstatt der Lernstation)

2. Anklicken eines Objektes für die Navigation zwischen Unity und Articulate

Storyline 2.

3. Darüber hinaus könnten Drag & Drop Aufgaben mit GameObjects in der Sze-

ne realisiert werden.

Implementierung 30

5.1.3. Benutzungshilfen

Neben dem Aufsetzen eines Szenarios mit allen nötigen Elementen für die erfolg-

reiche Kommunikation zwischen Unity WebGL Export und Articulate 2 werden

eigene GUI-Erweiterungen geschrieben, die der Steigerung der Übersicht und ein-

fachen Verwaltung von Parametern, die zwischen den beiden Programmen genutzt

werden, dienen. Über die Unity Editor Extensions können eigene Menüpunkte

in die Hauptmenüleiste eingetragen werden. Auch sind Kontextmenü Anpassun-

gen möglich. Der Inspektor bietet die Schnittstelle für Parameter und Variablen-

Anzeige innerhalb des Editors zu einem ausgewählten Objekt. Bei der Entwicklung

der Menübausteine wurde auf Prinzipien der Menügestaltung geachtet [PrDa10,

p.136]. Buttons werden betätigt um eine Funktion auszuführen. Dropdown-Listen

werden verwendet, um einen Zustand festzulegen. Auch werden Dropdown-Listen

als Constraint für Parameter genutzt, die nur einen bestimmten Wert einer vorge-

fertigten Liste haben können. Die für Articulate Storyline 2 verfügbaren Zusatz-

funktionen sind jeweils im Hierachiemenü, in der oberen Menüleiste und im In-

spector unter Storyline 2 zu finden.

Über das Hilfemenü für Navigationselemente in der oberen Menüleiste unter Sto-

ryline 2 (siehe Abbildung 5), werden alle Navigationselemente in der Szene ge-

listet und die Informationen über selektierbare Label bereitgestellt (siehe Abbil-

dung 6).

Abbildung 5.: Hilfemenü Position im oberen Unity-Menü

Implementierung 31

Abbildung 6.: Hilfemenü für Navigationselemente in Unity

Ein Klick auf den Selektiere-Button löst eine Hervorhebung des Objektes in der

Hierarchie aus (siehe Abbildung 7). Gleichzeitig wird das Objekt selektiert und im

Inspektor in angepasster Sicht die Parameter des Objektes angezeigt (siehe Abbil-

dung 8). Die Felder „Von Inhalt“ und „Zu Inhalt“ sind durch eigenen Text eindeutig

zu beschreiben, um eine bessere Übersicht bei der weiteren Bearbeitung des Sze-

narios zu erhalten. Die Variable inhaltsWechsel ist auch in Articulate Storyline 2

angelegt. Dort kann durch einen Trigger bei Änderung der Variablen eine Aktion

ausgeführt werden. So kann eine Textbox versteckt und gleichzeitig ein Button

auf der selben Seite angezeigt werden. Die ObjektGruppe, die solch eine Funkti-

Implementierung 32

on in Unity darstellt, kann mit einem Rechtsklick im Hierarchiemenü unter dem

Menüpunkt Storyline 2 angelegt werden (siehe Abbildung 9).

Abbildung 7.: Hervorheben des angeklickten Elementes

Abbildung 8.: Hilfemenü für Navigationselemente in Unity

Implementierung 33

Abbildung 9.: Hilfemenü Position im oberen Unity-Menü

5.1.4. Szenenaufbau

Die Szene verfügt über Kontrollobjekte für die Selektion (über RayCasting), für

die Kamerasteuerung und für die Spielersteuerung. Ein Kontrollobjekt für die Sze-

nenverwaltung ist ebenso angelegt, wie eine Umgebung, die sich je nach Szene

dynamisch anpasst. Dazu erhalten ObjektGruppen die Komponente „Selektierbare

Gruppe“ , die über den „Add Component“ Button im Inspector-Bereich unter der

Storyline 2 Gruppe auswählbar ist (siehe Abbildung 10).

Implementierung 34

Abbildung 10.: Gruppierte Storyline 2 Komponenten

5.1.5. Bereitstellen der Kommunikationsschnittstelle

Für eine erfolgreiche Integration eines Unity-WebGL-Exports in ein Storyline 2 Pro-

jekt gelten folgende Bedingungen: Es müssen Funktionen über Unity bereitgestellt

werden, mit denen Variablen in Storyline 2 Projekten angesteuert werden können.

Im .jslib Format liegen diese Funktionen unter dem Ordner Assets/Plugins/WebGL.

Unity erkennt diesen Pfad automatisch als Plugin-Ordner und kompiliert diese

beim Export dementsprechend. Die Syntax ist in der Unity-Dokumentation be-

schrieben. Durch die Bereitstellung der Funktionen können Interaktionen mit 3D-

Objekten in der Szene zum Auslösen der Funktionen führen.

Implementierung 35

5.2. Die Szenariobereitstellung

3D-Inhalte werden über Unity in eine neue Szene eingefügt. Die nötigen Assets

für die Kommunikation zwischen 3D und 2D Inhalten werden im .unitypackage-

Format zusammengefasst und über den Unity-Editor bei der Erstellung eines Pro-

jektes in eine neue Szene importiert.

5.3. Articulate Storyline 2 Template

Der Autor wird über die Bereitstellung eines Templates für Articulate Storyline 2

folgendermaßen entlastet:

Es werden Variablen für den Informationsaustausch zwischen Articulate Storyline

2 und Unity angelegt. Dazu werden Javascript-Funktionen in Triggern für das An-

steuern von Objekten im Unity-WebGL-Export hinterlegt. Eine WebObject-Folie ist

bereits erstellt.

Abbildung 11.: Folie mit WebObject und Bedienelementen in Storyline 2

Implementierung 36

Weitere Folien dienen zu Demo-Zwecken dem Lernen verschiedener Interaktions-

möglichkeiten zwischen den beiden Autoren-Werkzeugen.

5.3.1. Vorteile der Articulate GUI

Die Erstellung einer GUI in Unity erfordert vergleichsweise hohe Einarbeitungs-

kosten. Articulate Storyline 2 bietet über seine an Standardsoftware angelehnte

Benutzeroberfläche bereits eine Vielzahl von Steuerelementen, die beim Anlegen

für das Triggersystem jeweils zusätzlich eigene Variablen zur Ansteuerung in der

Szene anlegen.

5.3.2. Triggersystem

Über das Triggersystem können Aktionen über Bedingungen ausgelöst werden.

Eine Aktion kann hierbei etwa das Auslösen von Javascript sein, oder eine Verän-

derung des Zustandes eines Objektes in der Articulate Szene. Ein Textfeld besitzt

etwa einen Anzeigestatus. Dieser kann von normal auf hidden gesetzt werden, und

wird dann versteckt. Bedingungen sind logische Ausdrücke, etwa ein Vergleich ob

eine Variable einen bestimmten Wert annimmt oder nicht. Das Triggersystem wird

für die Kommunikation in beide Richtungen verwendet. Somit kann beispielswei-

se bei einer Änderung einer Variablen, über einen Klick auf ein Unity-Objekt, eine

Funktion des Unity-WebGL-Plugins ausgelöst werden und daraufhin ein Textfeld

der Storyline-Folie versteckt werden. Im Umkehrschluss kann über die Ausfüh-

rung von Javascript über einen Trigger, eine Funktion eines Unity-Objektes über

den SendMessage()-Befehl des Unity-Player-Objektes angesteuert werden.

Implementierung 37

Abbildung 12.: Trigger zum Folienwechsel im Storyline 2 TriggerWizard

5.3.3. Bereitstellung der Kommunikation

Der Unity WebGL Export wird über das Ribbon-Menü als WebObject in das Articu-

late Storyline 2 Projekt über die Pfadangabe eingefügt. Das WebObject wird inner-

halb eines IFrames bereitgestellt. Daher wird über die DOM-Struktur der HTML-

Seite per Javascript das Objekt identifiziert und als Variable in Articulate Storyline

2 abgespeichert. Nun können mit der Funktion SendMessage() auf Funktionen ei-

nes Unity-Objektes zugegriffen werden. Diesem kann mit einem SendMessage()-

Befehl ein Parameter übergeben werden (siehe [Unit16]). Der SendMessage()-

Befehl wird als Javascript über einen Trigger ausgeführt, der aktiviert wird, wenn

in Articulate Storyline 2 ein interaktives Element, zum Beispiel ein Button, betätigt

wird.

Implementierung 38

5.4. Softwareverteilung

Die Verteilung der Software erfolgt nach abgeschlossener Veröffentlichung des Ar-

ticulate Storyline 2 Szenarios auf einen Webserver. Lokal wurde über das XAMPP-

Paket der Apache-Webserver unter Windows 10 genutzt.


Über Javascript konnte erfolgreich eine Kommunikation zwischen beiden Autoren-

Werkzeugen hergestellt werden.

Der Autoren-Workflow, bestehend aus

1. dem Laden von 3D-Objekten in den Unity-Editor

2. dem Gestalten der Szene

3. dem Anlegen interaktiver Objekt

4. dem Export des Unity-Projektes nach WebGL-Standard

5. der Integration des Unity-WebGL-Exports in Articulate 2

6. dem Gestalten von Folien

7. dem Anlegen von Triggern, die bei Unity-Interaktionen ausgelöst werden

8. dem Anlegen von Triggern, die bei Articulate-Interaktionen Javascript-Funk-

tionen ausführen

9. dem Veröffentlichen des Projektes als HTML5-Webanwendung für den Chrome-

Browser

ist erfolgreich übertragen worden.

Evaluation 39

6. Evaluation

Es wird angenommen, dass Unity als komplexe 3D-Game-Engine einen höheren

Anlernaufwand benötigt, als Ariculate Storyline 2. Um diesen Umstand zu mini-

mieren, wurden UI-Anpassungen im Unity Editor vorgenommen, welche den Über-

blick über relevante Objekte stützen und relevante Interaktionsmöglichkeiten über

Klicks erreichbar gestalten.Zudem muss ein Autor kein Skript schreiben, um inter-

aktive 3D-Objekte zu gestalten. Die Evaluation soll Antworten auf folgende Fra-

gen geben: Befähigt die Werkzeugkette einen Autor, der Nicht-Informatiker ist, ein

funktionsfähiges 2D-E-Learning-Produkt mit interaktiven 3D-Elementen zu erstel-

len? Haben die UI-Anpassungen in Unity dazu beitragen können? Kann Storyline

2 mit den Trigger-Funktionalitäten, der Integration eines 3D-Szenarios über Web-

Object dabei helfen? Ist der Einstieg in Unity für das Erstellen eines 3D-Szenarios

für eine E-Learning-Anwendung geglückt? Die Evaluation der Werkzeugkette soll

neben dem erfolgreichen Erstellen eines funktionsfähigen 2D-E-Learning-Produkt

mit interaktiven 3D-Elemente durch einen Nicht-Informatiker, Verbesserungspo-

tenziale offenbaren. An der Evaluation haben drei Tester teilgenommen. Zwei Tes-

ter ohne Kenntnisse im Umgang mit Unity und ohne Kenntnisse im Programmieren

haben teilgenommen. Zu Vergleichszwecken wurde ein Tester mit Unity- und Pro-

grammiererfahrung befragt. Von den Testpersonen war eine Person weiblich. Das

Alter der Tester liegt zwischen 24-31 Jahren. Es wird überprüft, ob ein Proband die

Aufgaben im Zeitrahmen lösen konnte. Die Probanden überprüfen ihr interaktives

Szenario am Ende selbst auf Funktionalität. Über den Fragebogen wird ermittelt,

ob die Ähnlichkeit der Benutzeroberfläche von Articulate Storyline 2 zu Microsoft

Office Produkten geholfen hat. Auch wird ermittelt, ob die UI-Anpassungen im

Unity Editor in Form der zusätzlichen Hilfemenüs hilfreich waren. Da der Work-

Evaluation 40

flow in Articulate Storyline 2 nicht ohne Anpassungen an Javascript-Code Zeilen

auskommt, wird nach dem Aufwand gefragt. Es wird beobachtet, welche zusätzli-

chen Werkzeuge genutzt werden, etwa Stift und Papier. Für Nachfragen stand der

Autor dieser Arbeit bereit, die Häufigkeit der Nachfragen pro Probanden wurde

festgehalten. Zur Motivation wird über den Fragebogen erfragt,ob das Erstellen

eher Frustmomente hervorgerufen hat, oder Freude bereitet hat. Verständnisfra-

gen zum Workflow sollen abfangen, ob der Workflow erkennbar ist. Fragen zu den

technischen Funktionen von Unity und Articulate 2 sollen festhalten, welche Funk-

tionalitäten bei der Erstbenutzung am einprägsamsten waren. Der Anlernaufwand

wird über den zeitlichen Aufwand und über Verständnisfragen überprüft. Die Eva-

luation ist nicht repräsentativ.

6.1. Testaufbau

Die drei Tester haben zu Beginn einen Fragebogen erhalten. Vor der Einrichtung

der Autoren-Werkzeuge und dem Studium der Anleitung sollen die Probanden ihre

Kenntnisse einschätzen und den Aufwand für die Erstellung eines interaktiv gestal-

teten E-Learning-Produktes mit 3D-Elementen einschätzen. In der Anleitung wird

die Einrichtung der beiden Autoren-Werkzeuge besprochen. Die Probanden sollen

das Unity-.package in Unity importieren und in Articulat Storyline 2 das Template

auswählen. Beide Projekte werden jeweils abgespeichert. Nachdem der Arbeitsab-

lauf umrissen wurde, werden Grundlagen der Bedienoberflächen von Unity und

Articulate Storyline 2 vermittelt. Dann beginnt die Erstellung des Szenarios. In

Unity liegt eine zu bearbeitende Szene nach Unterabschnitt 5.1.4 vor. Diese ist

mit interaktiven Objekten zu befüllen. Danach wird die Szene abgespeichert und

Articulate Storyline 2 geöffnet. Der Unity-Export wird als WebObjekt in die Foli-

enstruktur gelegt. Danach werden die Anpassungen der Trigger und Javascript-

Codezeilen vorgenommen. Ist dies erledigt, wird das Projekt über Articulate Sto-

ryline 2 veröffentlicht. Die veröffentlichte Fassung wird auf dem lokalen Webser-

ver geladen und über den Browser gestartet. Nachdem das E-Learning vom Autor

erstellt und einmal getestet wurde, wird der zweite Teil des Fragebogens beant-

Evaluation 41

wortet. Im zweiten Fragebogenteil werden dem Probanden Fragen zur Benutzung

der Autoren-Werkzeuge und zum Aufwand der Erstellung gestellt.

6.2. Auswertung

Die drei Tester konnten ihre Aufgabe mit Hilfe der Anleitung im Zeitrahmen erle-

digen. Die Einrichtung der zwei Softwareprodukte ist ohne Probleme erfolgt. Erste

Probleme gab es beim Positionieren des Hotspot-Objektes. Dieses wird zwar durch

nur zwei Klick über das Rechtsklickmenü der Hierarchie angelegt, besteht aber aus

insgesamt drei Objekten in der Szene. Das Elternobjekt muss verschoben werden,

um die relative Position der Objekte zueinander zu behalten. Hier könnte nach

[Ritt+00] ein semi-transparenter Schattenkörper helfen, dem Anwender klarzu-

machen wo sich das Objekt gerade in der Szene befindet. Die UI-Anpassungen

in Unity haben laut den zwei Testern ohne Erfahrung beim Überblick geholfen.

Bei der Aufgabe der Erstellung von Triggern wurden aber aus der Anleitung Pa-

rameter vom Screenshot mit Papier und Stift abgeschrieben, statt diese über das

Unity-Hilfsmenü zu erfahren. Die Triggeranpassungen sind erfolgreich vorgenom-

men worden. Die Javascript-Code Anpassungen wurden nach Anleitung angelegt.

6.3. Erprobung: Projektfortschritt

Für die Lernstation wurde ein 3D-Szenario basierend auf einem virtuellen Modell

Magdeburgs angelegt. Der Boden wurde mit Google-Maps-Texturen überzogen.

Bäume und Lampen wurden durch Billboards nachgestellt. Unebenheiten, wie

das Elbufer, wurden modelliert. Es wurden detaillierte Modelle sowohl für den

Campus der Universität Magdeburg als auch für den Wissenschaftshafen, sowie

für die Elbbrücken geladen. Eine rudimentäre Tastatur- und Maussteuerung wur-

de implementiert. Es wurde recht schnell deutlich, dass die Konstruktionsunter-

schiede zwischen Umgebung (Boden-Texturen und Billboards ) und detailgetreuer

3D-Modelle der Gebäude zu starken Kontrast aufweisen, um für die Lernstation

Evaluation 42

qualitätsgerecht zu wirken. Durch die vielen detaillierten Gebäude ist ein WebGL-

Performance-Verlust deutlich spürbar. Die Zuteilung über den WebGL-Export Ein-

stellungen von mehr als 900MB Speicher führte trotzdem zu reproduzierbaren

Aufhängen der Anwendung.

Das Szenario soll nach diesen Erkenntnissen verkleinert, die detaillierten Modelle

vereinfacht und die Umgebung an das Niveau der detaillierten Modelle angepasst

werden.

Ein Lehrabschnitt im Photovoltaik-Bereich zum Thema Energieeffizienz soll den

Einfluss zwischen Sonnenstand und Azimut der Solarkollektorenanbringung auf

einem Dach interaktiv erfahrbar machen. Dazu wird auf einer Folie ein Unity-

WebGL-Szenario angezeigt, in dem ein Haus und das dazugehörige Dach zu sehen

sind. Es werden zwei Schieberegler als Bedienelemente für die Justierung von

Dachwinkel und Azimutwinkel auf die Folie gelegt. Neben dem WebObject liegt

eine Funktionsabbildung. Diese stellt den Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Nei-

gungswinkel des Daches und des Azimutwinkels, also der Abweichung der Solar-

kollektoren nach Süden, dar. Auf der Abbildung befindet sich ein interaktiv ver-

schiebbarer Punkt. Nun wird beim Justieren des Dachwinkels und des Azimut-

winkels über die Schieberegler, im 3D-Szenario die Ausrichtung des Hauses und

des Neigungswinkels des Daches angezeigt und in der Abbildung über den sich

verschiebenden Punkt der Wirkungsgrad der Einstellung wiedergegeben.

Weitere Funktionalitäten, wie der Selektion mit Einfärbungs- und Transparenz-

effekten einer Anzeige von einem Subsystemen im Gesamtsystem, oder einem

Objekt mit einstellbarer Rotiergeschwindigkeit, liegen beispielhaft im Proof-of-

Concept Szenario vor.

Fazit 43

7. Fazit

Mit Unity wurde eine fähige und durch eine Fallstudie im E-Learning-Bereich be-

stätigte Lösung für die Erstellung eines interaktiven 3D-Szenarios gefunden. Als

Game-Engine bietet Unity viele Features, die eine interaktive Gestaltung mit 3D-

Objekten in einer virtuellen Szene für das Veröffentlichen im Web möglich macht.

Die Anpassungsmöglichkeiten des Unity-Editors erlauben es, für den Autor Hilfs-

werkzeuge zu entwickeln, um Szenarien erstellen zu können, ohne das er pro-

grammieren muss. Im E-Learning-Authoring-Bereich ist mit Articulate 2 eine ein-

fach zu bedienende, aber auch wenig anpassbare Lösung gefunden. Die Evaluation

ist nicht sehr umfangreich ausgefallen, eine unterstützende Wirkung der Unity-

Hilfemenüs konnte trotzdem festgestellt werden. Die Schnittstellendefinition er-

laubt sowohl Objektmanipulation aus Articulate Storyline 2 an Unity Objekten,

als auch umgekehrt die Anpassung von Parametern aus Unity an Articulate Story-

line 2 Variablen. Mit Storyline 2 und Unity kann ein Nutzer ohne Programmier-

kenntnisse mit Hilfe der entwickelten Hilfspakete eine E-Learning-Anwendung mit

interaktiven 3D-Elementen entwickeln. Leider ist das Ansteuern des Storyline 2

Player-Objektes die einzige Kommunikationsmöglichkeit. Allerdings können durch

die Trigger des Articulate Storyline 2 Programms viele Interaktionen angestoßen

werden. Das größte Potenzial liegt in der Lösung für das Problem der Javascript-

Codezeilen Anpassung. Wenn ein Weg gefunden werden kann, diese zu umgehen,

muss der Autor während der Entwicklung seiner E-Learning-Anwendung keine

Codezeile editieren.

Fazit 44

7.1. Ausblick

Für die weitere Entwicklung der Lernstation sollten eigene Unity Inspector An-

sichten für alle relevanten Skriptbearbeitungen angeboten werden. Die Rotation

eines Objektes könnte durch eine intuitiver zu benutzende Oberfläche fehlerfreier

und genauer vorgenommen werden. Die Fehlerquelle der Positionierung von Ob-

jekten über den Unity-Editor könnte durch die Anwendung von Schattenkörpern

des selektierten Objektes und der daraus resultierenden verbesserten Raumwahr-

nehmung entgegengewirkt werden. Über die Netzwerkfähigkeit der 3D-Game-

Engine kann ein virtueller Klassenraum erstellt werden, in dem Nutzer des Sze-

narios sich austauchen können. Die individuelle Bearbeitung des Arbeitsprozesses

kann dann innerhalb einer instanziierten Szene geschehen. Um den Autoren die

Hürde zu nehmen, sich mit Javascript beschäftigen zu müssen, um Interaktio-

nen zwischen Unity und Articulate Storyline 2 herzustellen, kann ein XML-Export

der Unity-Parameter in Javascriptfunktions-Templates helfen. Ist ein Javascript-

Funktionstempalte mit den richtigen Parametern gegeben, muss ein Autor den

Javascriptcode nur noch an die richtige Stelle im Articulate Storyline 2 Szenario

einfügen. Eine weitere Überlegung ist, über Unity-Editor Anpassungen selbst eine

2D-Authoring-Plattform zu gestalten. Somit wäre man nur von einem Programm

abhängig.

Abbildungsverzeichnis 45

8. Abbildungsverzeichnis

1. Das Prinzip der vollständigen Handlung, angewendet in der VR-

basierten Lernumgebung. Grafik: Fraunhofer IFF [SHS15, S.377] . 7

2. Erstes Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3. Kommunikation zwischen Unity und Storyline . . . . . . . . . . . . 25

4. Use Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5. Hilfemenü Position im oberen Unity-Menü . . . . . . . . . . . . . . 30

6. Hilfemenü für Navigationselemente in Unity . . . . . . . . . . . . . 31

7. Hervorheben des angeklickten Elementes . . . . . . . . . . . . . . . 32

8. Hilfemenü für Navigationselemente in Unity . . . . . . . . . . . . . 32

9. Hilfemenü Position im oberen Unity-Menü . . . . . . . . . . . . . . 33

10. Gruppierte Storyline 2 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

11. Folie mit WebObject und Bedienelementen in Storyline 2 . . . . . . 35

12. Trigger zum Folienwechsel im Storyline 2 TriggerWizard . . . . . . 37

Tabellenverzeichnis 46

9. Tabellenverzeichnis

1. Liste Datenexportmöglichkeiten CAD-Programme . . . . . . . . . . 19

2. Liste Auswahlkriterien 3D-Game-Engine . . . . . . . . . . . . . . . 20

3. Liste Auswahlkriterien E-Learning-Tool . . . . . . . . . . . . . . . . 21


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https://docs.unity3d.com/Manual/webgl-interacting%20withbrowserscripting.html

https://docs.unity3d.com/Manual/webgl-interacting%20withbrowserscripting.html

Anhang 50

A. Anhang

A.1. CD

Datei: bachelor.unitypackage

Datei: TemplateV2.storytemplate

Datei: Anleitung.pdf

Dateien auch im Web verfügbar unter:

http://pixelorchester.de/ste/BA/

A.2. Evaluations-Fragebogen

Fragebogen zur Verwendung der Autoren-Werkzeuge zur Erstellung von e-Learning Inhalten mit interaktiven 3D-Elementen. Autoren, die sich mit Unity3D auskennen sollten die Interaktivität der 3D-Elemente in ca 15 Minuten implementieren können. Autoren ohne Kenntnisse sollten mit Hilfe der Anleitung etwa 30-45 Minuten für die Aufgabe der Erstellung des interaktiven 3D-Szenarios bewerkstelligen können. Das Zusammenstellen der Elemente über das Articulate Storyline 2-Template sollte 10 Minuten bei Erfahrenen und 20-30 Minuten mit Hilfe der Anleitung in Anspruch nehmen.

Fragegruppe 1: Nutzerbasis

1. Bitte geben sie ihr Geschlecht an. [ ] m [ ] w [ ] keine Angabe

2. Welchem Beruf gehen sie nach?

3. Wie alt sind Sie? [ ] <20 Jahre [ ] 20-30 Jahre [ ] 30+

4. Haben sie schon einmal programmiert?

[ ] ja, ich bin Programmierer [ ] ja, in Weiterbildungsmaßnahmen, oder in der Freizeit [ ] nein

5. Haben Sie bereits e-Learning-Anwendungen entwickelt? [ ] ja [ ] nein

6. Haben sie bereits e-learning-Anwendungen genutzt?

[ ] ja [ ] nein

Fragegruppe 2: Softwarekenntnisse

1. Nutzen sie Microsoft Office 2007/2010 Produkte? [ ] ja, auch in neueren Versionen [ ] ja, in älterer Version [ ] nein

2. Kennen sie Unity3D?

[ ] ja [ ] nein

3. Haben sie Unity 3D schon einmal genutzt?

[ ] ja [ ] nein

4. Kennen sie Articulate Storyline 2? [ ] ja [ ] nein

5. Haben sie Articulate Storyline 2 schon einmal genutzt?

[ ] ja [ ] nein

6. Wie schätzen sie den Aufwand für das Erstellen eines e-learning Szenarios mit 3D-Inhalten

ein? [ ] intuitiv [ ] geringer Aufwand [ ] hoher Aufwand [ ] unverhältnismäßig hoher Aufwand [ ] keine Erfahrungen im Erstellen von e-learnings

Vielen Dank, der erste Teil ist geschafft. Die Anleitung für das weitere Vorgehen haben sie digital auf dem Ipad erhalten.

Fragegruppe 3: Erstellung des e-Learning Szenarios

1. Haben ihnen die Ähnlichkeiten der Benutzeroberfläche von Articulate Storyline 2 zu Microsoft Office beim Einstieg geholfen?

[ ] ja [ ] nein

2. Haben sie das Trigger-System in Articulate Storyline 2 verstanden?

[ ] ja [ ] nein

3. Wie aufwändig war für sie die Anpassung der Javascript-Codezeilen in Articulate?

[ ] intuitiv [ ] geringer Aufwand [ ] hoher Aufwand [ ] unverhältnismäßig hoher Aufwand

4. Welche technischen Funktionen von Articulate Storyline 2 haben ihnen am besten gefallen?

5. Welche technischen Funktionen von Unity3D haben ihnen am besten gefallen?

6. Ist ihnen mit der bereitgestellten Anleitung der Einstieg in Unity3D leicht gefallen?

[ ] ja [ ] nein [ ] Bemerkung: ……

7. Konnten die Hilfe-Menüs in Unity3D Sie bei der Übersicht und der Vorgehensweise unterstützen?

[ ] ja [ ] ein wenig [ ] nein

8. Wie sehr hat ihnen die Anleitung geholfen?

[ ] sehr [ ] ein wenig [ ] überhaupt nicht

9. Konnten sie alle Aufgaben zu den interaktiven 3D-Elementen im Zeitrahmen (30-45min)

lösen? [ ] ja, sogar schneller [ ] ja, der Zeitrahmen wurde eingehalten [ ] nein

10. Sind ihnen die grundlegenden Konzepte der beiden Autoren-Werkzeuge klar geworden? [ ] ja, Variablen, WebGL-Export, Trigger, WebObject und Javascript sind mir nun ein Begriff [ ] wenn ich mich länger damit beschäftigen würde, könnte ich sicherlich einen Zugang finden [ ] nein, das ist zu kompliziert

11. Ist ihnen die Verbindung der beiden Autoren-Werkzeuge (Articulate Storyline 2 und

Unity3D) durch den Erstellungsprozess klar geworden? [ ] ja, in Unity3D: 3D-Szene interaktiv gestalten, nach WebGL exportieren. In Storyline 2: E-Learning-Folien mit didaktischen Inhalten füllen und das 3D-Szenario importieren, die Kommunikation über den Einsatz von Triggern und der richtigen Benennung der Variablen in den Javascriptzeilen gewährleisten und im Anschluss veröffentlichen. [ ] nein, das Gefühl, die zwei Produkte sind nicht genug aufeinander abgestimmt, hat vorgeherrscht.

12. Hat das Erstellen ihres Trainings ihnen Freude bereitet?

[ ] ja, es war herausfordernd und lehrreich [ ] teilweise, es gab einige Frustmomente [ ] nein, die Arbeitsumgebung hat zu viele Schwachstellen und hat mich frustriert.

13. Welcher Schritt, oder welche Schritte waren für sie am schwersten nachzuvollziehen?

14. Welches Autoren-Werkzeug war schwerer zu bedienen? [ ] Articulate Storyline 2 [ ] Unity3D [ ] ich konnte mit beiden Werkzeugen nicht warm werden

Vielen Dank für ihre Teilnahme.

bachelorarbeit · 2016-09-29 · bachelorarbeit entwicklung, ... die erprobung des konzeptes...

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