Modellierung von UML Klassendiagrammen mithilfe von Augmented Reality

Kurzzusammenfassung:

In diesem Lehr-Lern-Arrangement geht es darum, dass Studierende das Modellieren von UML (Unified Modeling Language) (Klassen-) Diagrammen kennenlernen. UML dient der grafischen Darstellung von Softwarebestandteilen.
Das Ziel ist es, den Studierenden mithilfe von Augmented-Reality (AR) eine Modellierumgebung bereitzustellen, die beim Erwerb von Modellier- und damit verbundenen Abstraktionsfähigkeiten unterstützt und die Studierenden motiviert. Hierfür sollen die Studierenden Modellieraufgaben mit einer Augmented Reality Brille bearbeiten.


Übersicht

Ziele:

  • Bereitstellung einer Modellierumgebung, die einerseits einfach benutzbar ist und andererseits die Möglichkeit bietet, Teile des UML-Diagramms einfach im dreidimensionalen Raum hinzuzufügen, zu löschen, zu bearbeiten und zu verschieben
  • Motivieren der Studierenden
  • Verbesserung der Fähigkeit zu modellieren, im Vergleich zu herkömmlichen Modellierumgebungen

Didaktische Funktion(en):

  • Einstieg & Aktivierung
  • Motivation

Hintergrund / didaktisch-methodische Einordnung:

UML spielt in der Softwareentwicklung eine große Rolle und ist Bestandteil vieler Modulkataloge von Studiengängen im Bereich Software Engineering. Es gibt im Rahmen der UML verschiedene Diagrammtypen, welche sich in Struktur- und Verhaltensdiagrammtypen aufteilen lassen.
Dieses LLA befasst sich besonders mit Klassendiagrammen, also einem Diagrammtyp, der die Struktur eines Systems beschreibt. Es wird besonders häufig eingesetzt.
Die Domäne Software Engineering beinhaltet oft abstrakte Konzepte, was Abstraktionsfähigkeiten der Studierenden voraussetzt. Um den Studierenden das Erlernen des Modellierens (und damit Abstrahierens) von UML Klassendiagrammen zu ermöglichen, können Diagrammbestandteile im dreidimensionalen Raum mithilfe von AR dargestellt werden. Die Anordnung der Bestandteile im dreidimensionalen Raum soll so einfacher auszudrücken und zu verstehen sein und Bestandteile können tiefgründiger visualisiert werden (vgl. L.  Feijs  and  R.  De  Jong (1998), H. Sanatnama and F. Brahimi (2010)). Durch einen, technologisch gesehen, neuen Zugang, sollen Studierende im Rahmen des Technology-Enhanced-Learning Ansatzes mit einer neuen Technologie unterstützt bzw. für diese Lehrinhalt motiviert werden (Manouselis et al., 2011).

Sozialform(en):

Einzelarbeit

Anzahl der Lernenden:

1 – 2 Personen


Voraussetzungen und Ressourcen

Voraussetzungen:

Lehrperson muss AR Brille bedienen können und hinreichende Kenntnisse in UML haben

Ausstattung & Medien:

Seminarraum, Mind. eine Augmented Reality Brille, Ariadne (Modellierungssoftware die sowohl zweidimensional als auch dreidimensional verfügbar ist), PCs für die Studierenden


Ablauf

Beispiele oder Materialien:

Creative Commons Lizenzvertrag
Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung – Nicht-kommerziell – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz.

Beispiel 1:

  • In einem Softwaresystem sollen die folgenden Informationen zu Olympischen Spielen eingegeben, verarbeitet und angefragt werden können:
  • An den Olympischen Spielen sind verschiedene Länder beteiligt, die durch ihren jeweiligen Namen identifiziert werden.
  • Für jedes Land starten Athleten bei den Spielen, die in verschiedenen Wettkämpfen gegeneinander antreten.
  • Ein Athlet kann dabei auch an mehreren Wettkämpfen teilnehmen.
  • Für jeden Wettkampf werden der (Austragungs)-Ort und das (Wettkampf)-Datum festgehalten.
  • Für jeden Sportler werden Nachname, Vorname, Geburtstag, Gewicht, Größe und sein (Herkunfts)-land im System erfasst.
  • Die Sportler werden von verschiedenen Betreuern versorgt. So können sich beliebig viele Trainer, Ärzte und Physiotherapeuten um einen oder mehrere Athleten kümmern.
  • Für jeden Betreuer sollen Nachname, Vorname, Geburtstag und Herkunftsland gespeichert werden.

Beispiel 2:

  • Sie entwickeln Software für ein Computerschachspiel. Entwerfen Sie ein Spielbrett mit den Figuren. Die folgenden Informationen sollen dargestellt werden.
  • Ein Schach-Spiel besteht aus einem Schachbrett und 2 Spielern. Das Schachbrett besteht aus 64 Feldern, die jeweils eine x- und eine y-Koordinaten haben.
  • Jeder Spieler verfügt über insgesamt 16 Figuren. Das sind 8 Bauern, 2 Türme, 2 Läufer, 2 Springer, 1 Dame und 1 König.
  • Die Spielfiguren der jeweiligen Spieler sind farblich gekennzeichnet (Spieler 1 hat weiße Figuren, Spieler 2 schwarze).
  • Diese Spielfigurtypen schließen sich gegenseitig aus, eine Spielfigur ändert ihren Typen während des Spiels nicht (Die Sonderregel bzgl. des Umwandelns von Bauern zu Damen ist ein zukünftiges Feature der Software und soll nicht beachtet werden).
  • Jede Figur steht entweder auf einem Feld oder wurde bereits geschlagen.
  • In den Feldern soll vermerkt werden, ob es zum aktuellen Spielzeitpunkt frei ist (keine Figur steht darauf) oder ob dort eine Figur steht – und welche Figur das ist. Zusätzlich weiß jede Figur auf welchem Feld sie steht.
  • Jede Figur soll eine Methode moveTo(Feld) bieten, die es erlaubt die Figur auf ein anderes Zielfeld zu bewegen.

Hinweise zur Vorbereitung:

Vorbereitung von Szenarien für die Anwendungsaufgaben

Hinweise zur Nachbereitung:

Die modellierten Diagramme können in einer zentralen Datenbank abgespeichert und ggfs. bewertet werden.

Hinweise zur Dauer: Flexibel / In einer 90 minütigen Übungseinheit können beispielsweise mehrere Zeitslots eingeplant werden, in welchen Studierende mit der AR Brille arbeiten können.


Kritische Einordnung

Vorteile und Stärken:

Wecken des Interesses Studierender gegenüber den Lehrmethoden: Ein Vergleich zwischen Studierenden, welche mit herkömmlicher (zweidimensionaler) und AR (dreidimensionaler) Modellierumgebung arbeiteten zeigte, dass die Studierenden, die mit den AR Brillen Klassendiagramme modellierten, signifikant mehr Interesse gegenüber der eingesetzten Lehrmethodik, also der AR Brille, zeigten. Generell wiesen die Studierenden, welche mit der AR Brille modellierten, ein höheres Maß an Motivation auf (siehe Reuter, R.; Hauser F.; Muckelbauer, D.; Stark, T.; , Antoni, A.; Mottok J. and Wolff, C. (2019)).

Grenzen und Schwächen:

Die Bedienung der Modellierungssoftware ist besonders für Novizen fordernd, denn sie müssen sich nicht nur mit neuen Lehrinhalten, sondern auch mit einem neuen Tool auseinandersetzen. Der Einsatz von AR in der Lehre steckt noch in den Kinderschuhen. Der Aufwand zum Einsatz von AR Brillen ist mit Einarbeitung und der Implementierung von notwenigen AR Applikationen verbunden. Der Einsatz im Feld ist aufwändig, da auch die Lernenden sich mit der neuen Technologie erst auseinandersetzen müssen.

Sonstige Hinweise:

Die Teilnehmer benötigen noch keine spezifischen Kompetenzen in der Modellierung, es ist jedoch sinnvoll, wenn diese bereits eine Vorlesungseinheit zum Thema Modellierung mit UML Klassendiagrammen besucht haben.


Literatur und weiterführende Hinweise
  • Reuter, R.; Hauser F.; Muckelbauer, D.; Stark, T.; , Antoni, A.; Mottok J. and Wolff, C. (2019): Using augmented reality in software engineering education? First insights to a comparative study of 2D and AR UML modeling. In: HICSS & IEEE Conference on software engineering education and teaching (CSEE&T). Honolulu, USA.
  • Feijs, L. and De Jong, R. (1998): “3d visualization of software architectures,” Commun. ACM, vol. 41, no. 12, S. 73–78.
  • Sanatnama, H. and Brahimi, F. (2010): “Graph Drawing Algorithms: Using in Software Tools, ”Journal of Applied Sciences (Faisalabad), vol. 10, no. 17, S. 1894–1901.
  • Manouselis, N., Drachsler, H., Vuorikari, R., Hummel, H. & Koper, R. (2011): Recommender Systems in Technology Enhanced Learning. Recommender Systems Handbook, S. 387–415.

Unterstützung der Abstraktionsfähigkeiten mithilfe von Augmented Reality

Kurzzusammenfassung:

In diesem Lehr-Lern-Arrangement (LLA) wurde das Potenzial von Augmented Reality (AR) untersucht, um die Visualisierung abstrakter Konzepte zu ermöglichen, sowie die erste Iteration eines Unterrichtsexperiments präsentiert, in dem die Verwendung von AR als Unterstützung für Abstraktionsfähigkeiten bewertet wurde. Studierende wurden mit der Aufgabe konfrontiert, Informationen am Beispiel einer Kaffeemaschine verschiedenen Interessengruppen vorzustellen und zu erklären. Die Ergebnisse zeigen, dass es für Studierende hilfreich ist, einen visuellen App-Prototyp zu haben, insbesondere einen, der auf verschiedenen Ebenen zerlegt werden kann. Das Hauptziel war es, Studierende für die Notwendigkeit zu sensibilisieren, über bestimmte Rollen und Perspektiven nachzudenken und Informationen für verschiedene Interessensgruppen zu abstrahieren.


Übersicht

Ziele:

  • Die Studierenden verstehen die Notwendigkeit der Abstraktion für bestimmte Rollen und Perspektiven.
  • Die Studierenden lernen Informationen zu abstrahieren.

Didaktische Funktion(en):

  • Abstraktes Denken fördern und unterstützten

Hintergrund / didaktisch-methodische Einordnung:

Sozialform(en):

Einzelarbeit

Anzahl der Lernenden:

ab 1 Personen


Voraussetzungen und Ressourcen

Voraussetzungen:

Lehrperson muss AR Brille bedienen können und hinreichende Kenntnisse in UML haben

Ausstattung & Medien:

Schreibmaterial pro Lernendem, Seminarraum,


Ablauf

Beispiele oder Materialien:

Creative Commons Lizenzvertrag
Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung – Nicht-kommerziell – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz.

Beispielaufgabe:

Die Studierenden sollten einzeln die Rolle des Erfinders einer Kaffeemaschine übernehmen und diese einem (Software-) Entwickler anhand einer Merkmalsliste und einem technisch unerfahrenen Kunden erklären.

Angenommen Sie sind der Erfinder des ersten Kaffeeautomaten – das heißt niemand außer Ihnen kennt seine Funktionsweise. Der Kaffeeautomat hat alle unten aufgeführten Funktionen. Sie wollen nun die Software für den Kaffeeautomaten entwickeln lassen. Erklären Sie dem Entwickler die Funktionsweise des Kaffeeautomaten, sodass er die Software entwickeln kann. Nachdem der Kaffeeautomat fertig entwickelt ist, stellen Sie ihn auf einer Messe vor. Ein technisch unerfahrener Kunde kommt auf Sie zu und zeigt Interesse an Ihrem Kaffeeautomaten. Erklären Sie Ihrem Kunden die Funktionsweise des Kaffeeautomaten, sodass er ihn zuhause einsetzen kann.

Aufgabe: Sehen Sie sich die Kaffeemaschine genau an. Gehen Sie durch die verschiedenen Abstraktionsebenen und erklären Sie die Unterschiede.

Aufgabe: Wenn Sie sich nochmal an Erklärungen für den Kunden/Entwickler zurückerinnern, würden Sie etwas ändern? Warum?

Hinweise zur Vorbereitung:

Konzeption des Szenarios und Implementierung und Bereitstellung der Applikation.

Hinweise zur Nachbereitung:

Auswertung der Audioaufnahmen kann zeitaufwendig sein.

Die Daten müssen mit relevanten Codes gekennzeichnet werden, um die Aussagen der Teilnehmer kategorisieren.

Hinweise zur Dauer: Gesamt ca. 150 Stunden: 1 volle Woche (ca. 50 Stunden) + drei Einzeltermine + Vorarbeitszeit von etwa (ca. 70-100 Stunden)


Kritische Einordnung

Vorteile und Stärken:

Eine qualitative Auswertung der Befragungsergebnisse zeigt, dass die Studierenden die Notwendigkeit und Wichtigkeit unterschiedlicher Perspektiven erkennen.
Die Studierenden finden es gut, zwischen den Abstraktionsstufen wechseln zu können und die Möglichkeit zu haben, die Maschine zu zerlegen.

Grenzen und Schwächen:

Die Ergebnisse zeigen keine Verbesserung der Abstraktionsfähigkeiten nach Verwendung der Anwendung. Die Teilnehmer erzielten im Durchschnitt eine hohe Punktzahl und hatten im Allgemeinen wenig bis gar keine Änderungen, die sie in Phase drei vornehmen wollten.
(Mind.) Zwei Teilnehmer haben die Aufgabenstellung insofern falsch interpretiert, dass sie eindeutig nicht über einen Softwareentwickler, sondern über einen Hardwareentwickler sprachen.

Sonstige Hinweise:

Studierende sollten explizit darauf hingewiesen werden, dass sie den Kaffeeautomaten einem Software und keinem Hardware Developer erklären sollen.


Literatur und weiterführende Hinweise
  • Akcayir M., and Akcayir, G. (2016): Advantages and challenges associated with augmented reality for education: A systematic review of the literature. Educational Research Review 20, S. 1–11.
  • Kramer J. and Hazzan O. (2006): Introduction to The Role of Abstraction in Software Engineering. Proceedings of the 2006 international workshop on Role of abstraction in software engineering (ROA ’06), S. 1–2.
  • Rumbaugh, J.; Blaha M.; Premerlani, W.; Eddy, F. and Lorenson, W. (1991): Object-Oriented Modeling and Design. Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J.
  • Kramer, J. (2007): Is Abstraction the key to computing? Abstraction: What is it? Why is it so important? Communications of the ACM, 50(4), S. 37–42.
  • Balzert, H., & Balzert, H. (2009):  Was ist Software? (H. Balzert, Hrsg.), Lehrbuch der Softwaretechnik: Basiskonzepte und Requirements Engineering (3. Aufl.). Heidelberg: Spektrum.
  • Kramer, J. (2006): Abstraction in Computer Science & Software Engineering: A Pedagogical Perspective. System Design Frontier Journal, 3(12), S. 1–9.
  • Pennington, N., Lee, A. Y., & Rehder, B. (1995). Cognitive Activities and Levels of Abstraction in Procedural and Object-Oriented Design. Human-Computer Interaction, 10(2–3), S. 171–226.
  • Rumbaugh, J., Eddy, F., Blaha, M., & Premerlani, W. (1991): Object-Oriented Modeling and Design. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall.