Freie Universität Berlin
Fachbereich Mathematik und Informatik

E-Kreide, eine elektronische Tafel
für die multimediale Lehre

Diplomarbeit

eingereicht von

Wolf-Ulrich Raffel

Abgabetermin:
26.10.2000

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung ... 4
1.1. Kurzbeschreibung ... 4
1.2. Beteiligte Personen ... 5
1.3. Motivation ... 6

2. Existierende Projekte ... 9
2.1. Erweitertes Whiteboard (Uni Freiburg/Uni Mannheim) ... 9
2.1.1. Kurzbeschreibung ... 9
2.1.2. Kritik und Vergleich zu E-Kreide ... 10
2.2. Virtual Blackboard (Exodus S.A., Griechenland) ... 11
2.2.1. Kurzbeschreibung ... 11
2.2.2. Kritik und Vergleich zu E-Kreide ... 12
2.3. DIANA (HU Berlin/TU München) ... 13
2.3.1. Kurzbeschreibung ... 13
2.3.2. Kritik und Vergleich zu E-Kreide ... 14
2.4. ACIT (Uni Dortmund) ... 14
2.4.1. Kurzbeschreibung ... 14
2.4.2. Kritik und Vergleich zu E-Kreide ... 16
2.5. Resümee ... 16

3. Architektur ... 17

4. Benutzerschnittstelle ... 19
4.1. Benutzerschnittstelle für Vortragende ... 19
4.1.1. Einstellungen über Konfigurationsdatei ... 29
4.1.2. Beschränkungen für die Verwendung von Applets ... 32
4.1.3. Einrichten der WWW-Seiten ... 33
4.1.3.1. Offline-Betrachtung ... 33
4.1.3.2. Live- und zeitversetzte Betrachtung ... 35
4.2. Benutzerschnittstelle für Betrachter ... 36

5. Entwurf und Implementierung ... 38
5.1. Gemeinsame Klassen ... 39
5.2. Kommunikationsprotokoll ... 41
5.2.1. Kodierung von Ereignissen ... 42
5.3. Tafel ... 43
5.4. Server ... 45
5.5. Client ... 46
5.5.1. MASI ... 47
5.5.2. Behandlung von Ereignissen ... 48

6. Ausblick ... 51
6.1. Verbesserung der Implementierung ... 51
6.2. Anpassung an JDK 1.2 ... 53
6.3. Erweiterungen ... 53

7. Resümee ... 57

8. Anhang ... 59
8.1. Abbildungsverzeichnis ... 59
8.2. Personen ... 59
8.3. Literaturverzeichnis, Links ... 60

1. Einführung
Was ist E-Kreide?
E-Kreide [8], englisch e-chalk, steht für eine elektronische Kreidetafel, die zusammen mit Raúl Rojas [5], Lars Knipping [3] und Gerald Friedland [1] von mir [4] an der Freien Universität Berlin entwickelt wurde. Welchen Anteil die beteiligten Personen zum Projekt beigesteuert haben, wird in Kapitel 1.2. erläutert.

1.1. Kurzbeschreibung
E-Kreide ist ein Programm, das es ermöglicht, Vorträge, Vorlesungen, Tutorien, Schulunterricht o.ä. mit Maus und Tastatur zu halten, so dass sie auf dem an den Rechner angeschlossenen Monitor zu sehen sind. Dabei handelt es sich um die technischen Mindestanforderungen, die also ausgesprochen gering sind.
Allerdings ist ein Monitor (heutzutage üblicherweise 19 Zoll) zur Verwendung in einer Vorlesung zu klein. Deshalb bietet es sich hier an, einen Beamer oder einen Plasmabildschirm zu verwenden. Beamer sind in den meisten großen Vorlesungssälen vorhanden und bieten den Vorteil, das Tafelbild auf die benötigte Größe bringen zu können. Plasmabildschirme besitzen einen stärkeren Kontrast, sind leuchtstark und haben brillante Farben, der Hörsaal muss daher nicht abgedunkelt werden. Allerdings haben heutige Plasmabildschirme erst eine Diagonale von 120 cm, sie bieten sich deshalb nur für Vorlesungen in kleinen Räumen mit einer Kapazität von bis zu 40 Plätzen an.
Mit einer Maus ist es sehr schwierig, ein lesbares Tafelbild zu produzieren, deshalb ist es zu empfehlen, ein Grafiktablett mit elektronischem Stift zu verwenden. Aus Sicht des Programms verhält es sich wie eine Maus, aber man kann damit wie mit einem Kugelschreiber auf Papier schreiben und lesbare Texte erzeugen. Außerdem besteht bei einem kontaktsensitiven Plasmabildschirm die Möglichkeit, direkt auf den Bildschirm zu schreiben, so dass man eine Vorlesung mit E-Kreide auf einem Plasmabildschirm wie eine herkömmliche Vorlesung mit herkömmlicher Kreide auf einer herkömmlichen Tafel halten kann.
Die Vorlesungsdaten werden in einem vorher vom Benutzer (dem Vortragenden) spezifizierten Verzeichnis abgelegt. Wenn das Verzeichnis weblesbar ist oder später in ein weblesbares Verzeichnis kopiert wird, kann man sich dann über das World Wide Web die Vorlesung anschauen.
Wer dies tun will, braucht dafür einen Internet-Anschluss und einen javafähigen WWW-Browser. Auch hier sind die Anforderungen also denkbar gering. Der Benutzer braucht nur die URL der Vorlesung in seinen Browser einzugeben und sieht dann eine zeitgetreue Wiedergabe des Tafelbildes. Er kann die Vorlesung live, zeitversetzt oder auch offline betrachten.
Unter live ist hierbei das direkte Betrachten einer Vorlesung, die gerade läuft, zu verstehen. Zeitversetzt ist ebenfalls das Betrachten einer Vorlesung, die gerade läuft, allerdings mit einer zeitlichen Verzögerung. Dies bietet sich an, wenn man zu dem Zeitpunkt, an dem die Vorlesung begonnen hat, keine Zeit hatte, sie zu betrachten, sie aber von Anfang an verfolgen möchte. Offline ist das Betrachten einer Vorlesung, die zu einem früheren Zeitpunkt stattgefunden hat. Das Wort offline ist nicht so zu verstehen, dass man die Vorlesung ohne bestehende Internet-Verbindung, was im Sprachgebrauch ebenfalls oft als offline bezeichnet wird, betrachten kann.
Mit einer zusätzlichen Steuerkonsole kann der Betrachter außerdem die Wiedergabe der Vorlesung anhalten sowie vor- und zurückspulen. Um Vorlesungen betrachten zu können, muss er keine weitere Software installieren, es ist kein Plug-in erforderlich.
Da jedoch das Tafelbild ohne die gesprochenen Worte des Dozenten den Vorlesungsinhalt nicht vollständig darstellt und eine Betrachtung des Tafelbildes ohne Ton nicht lebendig genug wäre, sondern eher einschläfernd wirkt, kann man mit Hilfe von World Wide Radio (WWR) [14], das an der FU von Gerald Friedland zusammen mit Bernhard Frötschl [2] entwickelt wurde, den Ton der Vorlesung ebenfalls übertragen. Um zu gewährleisten, dass Tafelbild und Ton auch synchron zueinander verlaufen, wurde die Synchronisationsschnittstelle MASI [11] entwickelt, die in Kapitel 5.5.1. vorgestellt werden.

1.2. Beteiligte Personen
Raúl Rojas war Ideengeber und ist Leiter des Projekts. Lars Knipping hat mich bei auftretenden technischen, entwurfs- und implementierungsspezifischen Problemen beraten und unterstützt. Außerdem hat er die Integration von Applets in das Projekt ermöglicht und einen wesentlichen Anteil an der Einbindung von Mathematica [12]. Gerald Friedland hat MASI entworfen und damit ermöglicht, WWR in das Projekt einzubinden, womit die Audioübertragung realisiert wurde. Ich habe ein Aufzeichnungsprogramm, mit dem Vorträge gehalten und aufgezeichnet werden, ein Kommunikationsprotokoll zwischen Server und Client sowie ein Betrachtungsprogramm, mit dem aufgezeichnete Vorträge betrachtet werden können, entwickelt.

1.3. Motivation
Wozu ist E-Kreide gut?
E-Kreide wurde nicht in erster Linie als Teleteaching-Software entwickelt. Die direkte Kommunikation von Angesicht zu Angesicht in einer klassischen Vorlesungssituation hat sich in der Lehre bewährt und kann durch keine noch so ausgeklügelte Teleteaching-Software ersetzt werden. So ist etwa das Stellen von Zwischenfragen beim zeitversetzten Betrachten der Vorlesung unpassend, bei der Offline-Betrachtung gar nicht möglich. Selbst bei Live-Betrachtung sind Zwischenfragen in den meisten Teleteaching-Projekten zwar möglich, laufen aber nicht so reibungslos ab wie die Zwischenfrage eines Zuhörers, der direkt im Hörsaal sitzt. Bei E-Kreide ist das Stellen von Zwischenfragen bisher nicht möglich, soll aber in der Zukunft möglich sein. Die Mimik und Gestik des Dozenten könnte nur bei sehr guter Videoübertragung übermittelt werden. Dies ist sehr schwierig, wenn auch Benutzern, die eine Internet-Verbindung über ein langsames Modem haben, ermöglicht werden soll, die Vorlesung zu betrachten. In E-Kreide gibt es bisher keine Videoübertragung, sie soll aber in Zukunft eingebaut werden. Dabei ist aber nicht an ein Video des Tafelbildes gedacht, da es entweder zu schlecht wäre, um das Geschriebene zu erkennen oder eine zu große Bandbreite erfordern würde. Stattdessen wird ein Video des Dozenten übertragen, um seine Mimik und Gestik zu erfassen und die Vorlesung persönlicher zu gestalten. Der Dozent seinerseits bekommt von den Zuhörern, die sich die Vorlesung über das Internet anhören, nur dann ein Feedback, wenn sie Zwischenfragen stellen, er kann nicht in ihre Gesichter schauen, die ausdrücken, ob sie der Vorlesung folgen können oder eventuell Verständnisprobleme haben.
So ist das Betrachten von Vorlesungen nur im Internet und nicht im Hörsaal vor allem dann sinnvoll, wenn die räumliche Distanz ein physisches Erscheinen bei der Vorlesung erschwert oder unmöglich macht, man krankheitsbedingt nicht außer Haus gehen kann oder aus zeitlichen Gründen der Vorlesung nicht beiwohnen kann oder möchte, etwa bei Überschneidungen mit anderen Veranstaltungen oder zu unbeliebten Terminen, etwa früh morgens oder spät abends. Auch wenn man für eine längere Zeit, etwa bei einem Krankenhausaufenthalt, Berufspraktikum oder einer Auslandstätigkeit nicht an den Vorlesungen teilnehmen konnte, kann man sich das Versäumte schrittweise nacharbeiten und so noch in eine Vorlesung einsteigen, bei der man sonst den Anschluss verpasst hätte. Und Menschen, die aufgrund einer Krankheit oder Behinderung nicht in der Lage sind, eine Vorlesung zu besuchen, wird durch E-Kreide ein Studium überhaupt erst ermöglicht.
Die Betrachtung der Vorlesung im Internet zusätzlich zur Betrachtung im Hörsaal bietet die Möglichkeit der Nachbereitung der Vorlesung entweder in zeitlichem Zusammenhang zur Vorlesung oder auch lange Zeit später, etwa bei der Vorbereitung auf eine Klausur oder Prüfung.
E-Kreide, eine elektronische Tafel für die multimediale Lehre Doch auch für die klassische Vorlesungssituation im Hörsaal bietet E-Kreide Vorteile gegenüber der Vorlesung mit realer Kreide. So brauchen die Zuhörer nicht mitzuschreiben, da sie wissen, dass sie hinterher die Vorlesung im Internet noch einmal nachvollziehen können. Sie haben so die Möglichkeit, sich ganz auf den Vortragenden zu konzentrieren. Dieser wiederum braucht sich nicht mit Folien, Power-Point-Präsentationen o.ä. vorzubereiten, sondern kann spontan das Tafelbild gestalten und dabei auch dynamisch auf Fragen und Bedürfnisse des Auditoriums eingehen. Dies wird auch als "Authoring-on-the-fly" bezeichnet.
Wer jedoch seine Vorlesungen gerne mit Folien, Grafiken oder Bildern vorbereitet, kann diese verwenden, sofern er sie in einem Standard-Bildformat (GIF oder JPG) im World Wide Web oder lokal auf dem für die Vorlesungbenutzten Rechner ablegt. Diese kann er während der Vorlesung auf der Tafel anzeigen lassen und dynamisch durch Freihandzeichnungen oder Text ergänzen. Hierbei können nicht nur eigene Bilder, sondern durch Angabe einer URL beliebige Bilder aus dem World Wide Web angezeigt werden.
Neben Bildern können bei E-Kreide auch Applets in das Tafelbild integriert werden. Applets eignen sich sehr gut zum Demonstrieren schwieriger Sachverhalte mit Hilfe von kleinen Animationen. So können beispielsweise Algorithmen schrittweise ausgeführt, geometrische Konstruktionen durchgeführt oder biologische Vorgänge simuliert werden. Wie Bilder können Applets selbst vorbereitet sein oder - ggf. spontan, also ohne spezielle Vorbereitung vor der Vorlesung - durch Angabe einer URL von jeder beliebigen Seite aus dem World Wide Web genommen werden. Das Applet wird dann innerhalb des Tafelbildes ausgeführt und die beim Applet anfallenden Events werden aufgezeichnet, so dass sie beim Betrachter der Vorlesung im Internet abgespielt werden können. Allerdings gibt es für die Verwendung von Applets gewisse Einschränkungen, auf die in Kapitel 4.1.2 noch genauer eingegangen wird.
In E-Kreide besteht außerdem die Möglichkeit, Befehle für Mathematica einzugeben, deren Ergebnis dann auf der Tafel erscheint. Das Ergebnis kann entweder textuell (z.B. das Ergebnis einer Berechnung) oder eine Grafik sein (z.B. ein Funktionsgraph). Mathematica ist ein allgemeines Softwarepaket für mathematische Anwendungen, das algebraische, numerische und grafische Berechnungen ermöglicht. Dies ist in erster Linie für mathematische Vorlesungen sinnvoll, kann aber auch in anderen Bereichen sehr nützlich sein.
Beim Abspeichern im angegebenen Verzeichnis werden die an der Tafel angefallenen Ereignisse im gleichen Format gespeichert, in dem sie auch an den Client übertragen werden. Dazu wurde ein proprietäres Protokoll entwickelt. Bei den Ereignissen handelt es sich im wesentlichen um Linien (Freihandzeichnungen), aber auch um über die Tastatur eingegebenen Text, Bilder, Applets sowie Verschiebungen des sichtbaren Bereichs.

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