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Die alte Kreidetafel hat ausgedient: an ihre Stelle werden in den nächsten Jahren große Flach-Bildschirme treten, die gut lesbar sind und auf denen auch Animationen gestartet werden können. Die lebendige Unterrichtstafel wird die heutige Kreidetafel ersetzen, womit der Mathematikunterricht revolutioniert wird.

1 Motivation

Die Kreidetafel ist im Mathematikunterricht und bei vielen anderen Fächern seit Jahrhunderten unübertroffen. Man kann auf schwarzem oder grünem Hintergrund mit einem Kreidestück malen, wobei der Kontrast so stark ist, daß auch in großen Hörsälen die Schrift noch aus zehn oder mehr Metern Entfernung gut lesbar ist. Schreibtafeln aus Kunststoff, auf die mit Filzstiften geschrieben wird, bieten dagegen keinen guten Kontrast und sind schon in einem mittelgroßen Raum schlecht lesbar.
Die Kreidetafel hat einen wichtigen pädagogischen Vorteil gegenüber anderen Unterrichtsmedien wie Overhead-Projektoren oder Power-Point-Präsentationen. Mathematiker arbeiten gerne mit der Kreidetafel, weil diese ein Unterrichtstempo erzwingt, das angemessen zum Stoff der Vorlesung ist. Es kann geschrieben und laut nachgedacht werden. Die Studenten haben auch genug Zeit, eine Entwicklung nachzuvollziehen und Fragen rechtzeitig zu stellen.
Unter didaktischen Gesichtspunkten ist die Kreidetafel nach wie vor das zu bevorzugende Unterrichtsmedium in der Mathematik und anderen Naturwissenschaften wie Physik oder Chemie. Auch Sozial- und Geisteswissenschaftler bevorzugen die Kreidetafel und arbeiten selten mit Folien. Ein Spaziergang durch eine beliebige Universität zeigt, daß in kleinen und mittelgroßen Räumen die meisten Vorlesungen mit Kreidetafel gehalten werden.

In unserem Projekt haben wir uns vorgenommen, alle pädagogischen Vorteile der Kreidetafel zu behalten, sie jedoch auf den aktuellen  technischen Stand zu bringen. Wir wollen die elektronischen Medien benutzen, ohne langweilige und inhaltsleere Vorlesungen zu produzieren, bei denen "flashy" Technologie und nicht der Inhalt im Vordergrund steht [Goldman et al. 1999]. Wir denken dabei primär an den Präsenzunterricht, also an die Studenten und Studentinnen im Hörsaal. Den Studierenden kann eine weitaus interessantere Vorlesung angeboten werden, wenn interaktive Software auf der Tafel lauffähig ist. Wir möchten aber nicht einfach einen Computerbildschirm mit einem Projektor zeigen: Die Präsenz des Dozenten an einer Tafel hilft, die Aufmerksamkeit der Studenten auf die wichtigsten Aspekte zu lenken. Außerdem möchten wir auch nicht einfach nur vorgefertigte Folien verwenden. Viele Dozenten haben leider die Tendenz die Folien viel zu schnell zu zeigen, da sie selber das Thema gut kennen.
Doch oft sind die besten Vorlesungen gerade solche, die spontan in der Unterrichtsstunde entstehen. Wir möchten die Vorlesungen dauerhaft speichern. Daher haben wir ein System entworfen, das mit Hilfe eines berührungsempfindlichen Plasmabildschirms eine Kreidetafel simuliert. Wir haben einen Plasmabildschirm verwendet, weil diese Geräte einen hervorragenden Kontrast mit leuchtenden Farben auf tief schwarzem Hintergrund bieten. Der an den Bildschirm angeschlossene Rechner erlaubt, die Farbe des Stiftes und die Breite der Linien nach Bedarf zu ändern. Der Dozent lehrt zwar direkt an der Tafel, das Tafelbild wird aber elektronisch generiert. Natürlich kann das Tafelbild über das Internet übertragen und auf diese Weise für alle Netzteilnehmer zugänglich gemacht werden. Guter Präsenzunterricht führt ohne Umwege direkt in den Fernunterricht. Erkrankte oder behinderte Studenten können so die Vorlesung von zu Hause aus verfolgen.

Da Plasmabildschirme noch teurer und kleiner als Projektionssysteme sind (die kommerziellen Systeme haben eine 50 Zoll Diagonale), verwenden wir auch eine preiswertere Kombination von Projektion und kontaktsensitiver Projektionswand (Abbildung 1). Der Nachteil der Projektionssysteme ist jedoch, daß der Raum etwas abgedunkelt werden muß. Sie bieten aber z. Zt. noch eine größere Arbeitsfläche als Plasmabildschirme. Bei den ersten Experimenten mit Videoübertragungssystemen war die Qualität nicht ausreichend, um das Tafelbild noch richtig zu erkennen. Ein Beispiel dafür sind die ersten Mbone-Experimente zwischen den Universitäten Berkeley und Stanford im Jahr 1996. Heutige Mbone-Übertragungen über schnelle Datenleitungen, wie sie in Deutschland von mehreren Universitäten durchgeführt werden, sind zwar viel besser, aber solche schnellen Netze stehen den Studenten zu Hause noch nicht zur Verfügung. Die alleinige Übertragung von Folien spart deutlich an Bandbreite und liefert eine Anzeige ohne Verluste, aber die Faszination der lebendigen Entwicklung einer Vorlesung geht dabei verloren.

Abbildung 2 zeigt ein Applet-Fenster, wie es der Betrachter an einem externen Rechner empfangen kann. Die mit dem E-Kreide-System erstellte Skizze zeigt die Konzeption der elektronischen Tafel: Ein Dozent schreibt vor den versammelten Studenten Gleichungen an die Tafel, die an mehrere externe Internet-Rechner übertragen werden.

Abbildung 2: Applet-Fenster des E-Kreide-Systems mit einer Skizze

Da wir ausschließlich Java-Software verwenden, kann ein Internet-Benutzer ohne zusätzliche Plug-Ins das Tafelbild in Echtzeit empfangen. Auch Audio und ein kleines Videobild werden gesendet. Das Fenster mit dem Videobild kann bei Bedarf geschlossen werden, um Übertragungskapazität zu sparen. Wie in der Skizze angedeutet, gehen wir davon aus, daß in nächster Zukunft große Bildschirme (Plasmabildschirme oder Bildschirme aus organischen Polymeren) mit mehreren Metern Diagonale (zum Beispiel 1,5 x 3 Meter) produziert werden1. Da alle Daten gespeichert werden, kann ein Benutzer später, z.B. um 8:30 und ein anderer um 12:00 (wie in der Skizze), eine Vorlesung hören und sehen, die um 8:15 angefangen hat. Die Vorlesung steht natürlich auch in anderen Ländern zur Verfügung. Studenten mit einem Laptop oder sogar nur mit einem Java-fähigen Handy können Tafelbild und Audio bzw. ausschließlich Audio empfangen. Ohne den Präsenzunterricht umzugestalten kann gleichzeitig Fernunterricht stattfinden.

Ähnlich wie kommerzielle Präsentationsprogramme kann das E-Kreide-System in zwei Modi verwendet werden: ein Vorbereitungsmodus, bei dem der Dozent Bilder und interaktive Programme auswählt und deren Internet-Adressen für den späteren Einsatz im Unterricht als Menü-Bookmarks ablegt (dieser Prozeß nimmt wenige Minuten in Anspruch). Der Dozent kann auch schriftliche Bausteine bereits vorbereiten (z.B. die lange Formulierung eines Theorems), die dann einfach aufgerufen werden, wenn es keinen Sinn hat, zu viel Zeit mit ihrer Niederschrift im Unterricht zu verlieren. Wenn die Vorlesung startet, kann der Dozent die verschiedenen Bausteine im richtigen Moment aufrufen und weiter schreiben. Die Bausteine können augenblicklich als Bild oder in "Schrifttempo" erscheinen, um die Aufmerksamkeit der Zuhörer zu steigern.

Die Alternative zu E-Kreide sind elektronische Whiteboards (elektronische weiße Kunststofftafel, die mit speziellen Stiften beschreibbar sind und z.B. eine Fotokopie des Tafelbildes drucken können), die oft für Brainstorming-Meetings eingesetzt werden. Solche Medien sind ursprünglich für statische Präsentationen konzipiert worden und bieten keinen vollwertigen Ersatz für unsere Unterrichtstafel. Es besteht keine Möglichkeit, neue Inhalte, inklusive Dynamik und Ton, zu erfassen und abzuspeichern, um diese z.B. dauerhaft im Internet zur Verfügung zu stellen. Sie sind auch nicht für Handschrifterkennung ausgelegt, mit der z.B. automatisch transkribiert werden könnte. Elektronische Whiteboards sind eher für das gemeinsame Arbeiten in kleineren Gruppen gedacht (Computer Supported Collaborative Work, CSCW). Es ist nicht möglich, die Tafelinhalte nachträglich zu editieren und mit dem Ton zu synchronisieren. Unsere Software kann aber auch mit dieser Art von Projektions-Whiteboards verwendet werden.

In unserem Projekt haben wir versucht, die geschilderten Nachteile aufzuheben, und wurden dabei von folgenden Zielen geleitet:

• ein leuchtstarkes, kontrastreiches Tafelmedium für den Präsenzunterricht zu verwenden;
• eine elektronische Tafel zu produzieren, die so einfach zu verwenden ist wie eine Kreidetafel. Der Dozent soll in der Lage sein, in den Hörsaal zu gehen und ohne vorherige mühsame Folien-Vorbereitung eine Vorlesung zu halten. Die Benutzerschnittstelle soll so einfach und intuitiv wie möglich sein;
• Ton und Bild der Vorlesung in Echtzeit zu speichern und über das Internet oder über ein sonstiges Netz abrufbar zu machen;
• die Vorlesung in ihrer transkribierten Form mit Ton und ursprünglichem Tafelbild zu speichern;
• nachträgliche Verbesserung des gespeicherten Materials zu ermöglichen;
• Computeranimationen (unveränderte Java-Applets aus dem Internet) in der Tafel im Unterricht (sogar spontan ohne vorherige Vorbereitung) automatisch starten zu können;
• den Lernenden die Teilnahme an der Vorlesung über eine Netzverbindung zu ermöglichen, entweder simultan zur Vorlesung oder zu einem späteren Zeitpunkt. Die Studenten sehen das Tafelbild und hören den Lehrenden;
• keine Installation spezieller zusätzlicher Software beim Teilnehmer erforderlich zu machen
• ein Internetbrowser soll ausreichend sein;
• die notwendige Bandbreite so gering zu halten, daß ISDN-Anlagen benutzt werden können.

Alle diese Ziele, inklusive einer ersten Version der Handschrifterkennung, sind in der vorliegenden Version der Java-Software realisiert worden. Wir können bereits das Tafelbild, das Tonsignal und sogar einen Videostrom in guter Qualität zu einem Browser über eine Verbindung mit doppelter ISDN-Bandbreite übertragen (64Kbps für Tafelbild und Audio und 64Kbps für Video). In lokalen Netzen sind die Ergebnisse noch besser.
Die E-Kreide-Software befindet sich in Gebrauch und wurde auf der CEBIT 2001 und der ACM1-Tagung in San Jose, Kalifornien, vorgestellt.