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Marco
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CellExplorer Educational Edition

Post by Marco » 10.04.2011, 17:46

CELLmicrocosmos – Wie ist die Idee für den CellExplorer Educational Edition entstanden?

Die Idee für CELLmicrocosmos ist vor 7 Jahren mit der Bachelorarbeit von Björn Sommer an der Universität Bielefeld entstanden. Das Ziel des CELLmicrocosmos Projektes ist es, mittels interaktiver stereoskopischer Visualisierung von biologischen Zellen ein besseres Verständnis der internen Strukturen und Funktionen zu erlangen. Größtenteils wird die Software dazu genutzt metabolische Netzwerke und chemische Abläufe, in der Zelle, für wissenschaftliche Arbeiten zu visualisieren.
Das Projekt begann im Rahmen einer Bachelorarbeit zur Zellvisualisierung mit der Erstellung einiger Modelle und Animationen von Zellkomponenten. Der Name CELLmicrocosmos (Cm) tauchte zuerst im Jahre 2005 in den Vorlesungsverzeichnissen der Universität Bielefeld auf, in Form eines Projekts zur Interaktiven Visualisierung biologischer Zellen, damals unter der Leitung von Dr. Dieter Lorenz. Ziel war es bereits existierende 3D-Modelle in die Amira Applikation zu integrieren um eine interaktive Erkundung von Zellkomponenten zu ermöglichen. Dies war das das erste Projekt unter dem Namen Cm1. Im darauffolgenden Semester wurde das Großprojekt CELLmicrocosmos um ein weiteres Teilprojekt erweitert. Zum Cm1 gesellte sich nun das Cm2 Projekt, dies hatte zum Ziel Zellmembranen zu visualisieren. Das Projekt CELLmicrocosmos hat Björn Sommer im Sommersemester 2006 in seiner Masterarbeit weiter ausgebaut. Hierbei ist unter anderem die Webpage zu dem Projekt entstanden.
Im Zuge des Projekts Cm2.1 wurde der MembraneEditor nochmals einer Revision unterzogen. In den folgenden Jahren war Tim Dingersen als Wissenschaftliche Hilfskraft von Björn Sommer maßgeblich an der Weiterentwicklung des MembraneEditors beteiligt. Die erste Version des CellEditors (Cm3) wurde im Sommersemester 2007 entwickelt. Der CellEditor sollte die Möglichkeit bieten verschiedene Zellen und Zellumgebungen zu generieren. Darauf aufbauend wurde in einem Projektseminar der CellEditor überarbeitet und das Generieren der Zellen optimiert. Des Weiteren wurden durch zwei Diplomarbeiten der MembraneEditor und der CellEditor mit weiteren Funktionen bestückt. Marion Zysik machte es somit möglich eine Kombination aus PDB- und VRML-Modellen gleichzeitig anzuzeigen. Darüber hinaus ist es möglich eine PDB-Membran, erstellt mit dem MembraneEditor, auf ein VRML-Modell im CellEditor zu mappen. In der zweiten Diplomarbeit von Sebastian Schneider, wurde eine Schnittstelle entwickelt, die der Integration membranberechnender Algorithmen in den Cm2.1 diente.
Zur Darstellung von dreidimensionalen metabolischen Netzwerken entstand im Sommersemester 2008 das Projekt Cm4. Anschließend erfolgte wie bei den vorherigen Projekten eine Revision, welche die Verbesserung der Navigation durch die 3D-Zelle zum Ziel hatte. Einhergehend mit der Bachelorarbeit von Sebastian Rubert wurde das Projekt Cm2.1 erweitert.
Das Ziel des Projekts Cm1.1 sollte die Ergebnisse aus den Projekten Cm2, Cm3 und Cm4 verbinden um eine gemeinesame Nutzung zu ermöglichen. Durch die Bachelorarbeit von Christian Gamroth wurde der MembraneEditor um eine Semi-Automatische Proteinplatzierung erweitert. Darüber hinaus hat Tim Dingersen in seiner Diplomarbeit den MembraneEditor um eine elementare Funktion erweitert. Durch diese Funktion ist es nun möglich Moleküle auf atomarer Ebene zu behandeln. Des Weiteren hat Özgür Ates in seiner Diplomarbeit einen SMBL-Export-Import, unter Verwendung von metabolischen Netzwerken und 3D-Daten, implementiert. In den vergangen Semester wurden weitere Zellmodelle erstellt um diese in den CellEditor einzubinden.


Planung und Vorbereitung der Lernsoftware


Da der Fokus hauptsächlich auf der wissenschaftlichen Nutzung liegt, wurde ein Großteil nur für Visualisierungen genutzt, die Nutzung der Interaktivität rückte in den Hintergrund. Mit dem neuen Projekt sollte der interaktive Teil der Software stärker genutzt werden um Abläufe in der Zelle besser zu verstehen und Funktionalität und Struktur dieser zu erklären.
Der Ansatz des CellExplorer und des CellEditor hat eine gute Basis geboten, die Software auch für den edukativen Zweck in der Schule einzusetzen. Hier kam der Entschluss den CellEditor und CellExplorer an die vermuteten Bedürfnisse der Schüler und dem Einsatz in einer Schule anzupassen. In Folge dessen mussten einige Funktionen entfernt oder umgeschrieben sowie neue Funktionen wie der TourEditor, InformationsBrowser und die Lokalisierung hinzugefügt werden.


Ziel des Projekts

Das Ziel des Projekts ist es die Identifikation von Anforderungen in Zusammenarbeit zwischen Schule und Universität. Anschließend werden die Ergebnisse der Studie im Hinblick auf die Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit der Lernsoftware analysiert. Daraus resultiert eine Dokumentation zur Optimierung des CellExplorer Educational Edition

Durchführung
Mit dem Abschluss der Vorbereitung wurde ein Zeitplan für die Unterrichtsreihe vereinbart. Die Unterrichtsreihe belief sich auf 2 ½ Wochen, das waren 8 Biologie-Stunden á 45 Minuten. Während der gesamten Unterrichtsreihe waren zwei bis drei Beobachter anwesend, um einerseits entstandene Probleme zu dokumentieren, sowie Hilfe bei gravierenden Problemen mit der Software anzubieten.
Ein Internetzugang für private PCs/Laptops stand nicht zur Verfügung, somit wurde eine Offline-Version des CE³ kompiliert und auf mehrere CDs gebrannt, um eine schnelle Verteilung der Software in der Klasse zu gewährleisten. Die Schüler mussten sich mit der Installation der Lernsoftware vertraut machen. Dazu gehörte nicht nur die Installation und Konfiguration von CE³, sondern ebenfalls das notwendige Update der Java/Java3D-Version auf den privaten Laptops.
Da die Anzahl der privaten Laptops nicht in ausreichender Zahl vorhanden waren, wurde die Klasse in zwei Gruppe aufgeteilt. Pro Laptop sollten zwei Schüler die gestellten Aufgaben lösen und dabei die Lernsoftware testen, sowie positive als auch negative Anmerkungen aufschreiben. Die andere Gruppe wurde mit der Software „Die Zelle“ konfrontiert. Die Schüler, welche alle Aufgaben vor Abschluss der Unterrichtsreihe bearbeitet hatten, konnten nun die Rolle tauschen und den Rest der Zeit mit dem jeweiligen anderen Programm arbeiten, um diese zu vergleichen. Hierbei muss erwähnt werden, dass die Schüler die mit dem Programm „Die Zelle“ gearbeitet haben, den selben Stoff erlernen sollten, allerdings nicht mit den identischen Aufgabenblättern gearbeitet haben.
Nach der Installation konnten die Schüler direkt mit der Bearbeitung der Aufgaben beginnen. Den Abschluss der Unterrichtsreihe bildete eine offene Feedbackrunde, in der die Beobachter und Schüler gemeinsam über Vor- und Nachteile des CE³ diskutierten und Anregungen für weitere Funktionen gegeben wurden.

Ergebnisse
Neben dem Feedback und Anmerkungen waren während des Unterrichts zwei zeitweise auch drei Beobachter anwesend. Die Beobachtungen während des Unterrichts wurden geclustert und in Fehler und Allgemeine Probleme aufgeteilt. Folgende Beobachtungen konnten gemacht werden.

Allgemeine Beobachtungen
• Verschieben der Fenster wird oft genutzt
o Vollbildmodus
• Probleme mit der Steuerung
• Funktion ein- und ausblenden wird häufig genutzt
• Probleme bei Webstart ohne Netz (vom User nicht lösbar) (JNLP falsch)
• Dänische Version läuft nicht (Windows XP)
• Programm Files <-> Programm
• Mitochondrien <-> Mitochondrium
o Plural <->Singular muss klar sein
• Problem: -XmX wird benötigt! Wenn das jar-File nur ohne Verknüpfung gestartet wird, funktioniert das nicht

Fehler

• Endoplasmatisches Retikulum
o Bezeichnung raues, glattes ER
• InformationsBrowser Zeilenumbruch
o Evtl. Layout ändern
o „Switch to Fullscreen“ von InformationsBrowser und nach Delay wieder ins CellUniverse
• Allgemeine Infos
o Prokaryot vs. Eukaryot
• Übersetzungsfehler
o „Smooth ER“ &„Rough ER“ bei Show Info
• Distance to auf 4 eingestellt -> geht nicht zurück auf niedrigeren Wert

Auswertung der Fragen zur Person
Anhand der Befragung zur Person lässt sich erkennen, dass Benutzer aus der primären Zielgruppe des CE³ (Schüler, die sich in die Thematik der Zellbiologie einarbeiten müssen) zwischen 15 und 16 Jahre alt sind. Demnach sind Benutzer der sekundären und tertiären Zielgruppe (sekundär: Schüler, die in der zwölften die Klasse Zellbiologie wiederholen, tertiär: Abiturienten und Studenten) 17 Jahre und älter.
Dass zweidrittel der Schüler bereits mit einer Lernsoftware arbeitet bzw. gearbeitet hat, zeigt, dass Lernsoftware immer mehr an Bedeutung an den Schulen gewinnt. Hinzu kommt, dass Lehrer aufgefordert werden das mediale Lernen zu fördern und zu unterstützen. Folglich ist ein großer Bedarf an Lernsoftware in der Biologie vorhanden und der CE³ hat das Potential diesen Bedarf zu decken.
Ein interessantes Ergebnis der Umfrage ist, dass die Häufigkeit der Nutzung von Lernsoftware bei Mädchen wesentlich höher ist als bei Jungs (50% Jungen zu 81,83% Mädchen). Insgesamt nutzen 33% der Schüler keine Lernsoftware. Ein Ziel des CE³ sollte es also sein, Anreize zur vermehrten Nutzung von Lernsoftware, vor allem bei Jungen, zu schaffen.
Von 62 Prozent der befragten Schüler spielen Computerspiele, von den 38% der Schüler, die keine Computerspiele spielen, sind 100% Mädchen. Daraus ergibt sich, dass 72,73% der Mädchen keine Computerspiele spielen aber 100% der Jungen. 71,43 Prozent der Schüler, die bisher noch keine Erfahrung mit Lernsoftware haben, spielen Computerspiele (Schnittmenge aus Schülern die keine Lernsoftware verwenden und Computerspiele spielen). Hier liegt also ein großes Potential mehr Schüler zu motivieren Lernsoftware zu verwenden. Würde es dem CE³ gelingen, durch übernehmen von Charakteristika aus Computerspielen, diese 71,43% der Schüler zu motivieren Lernsoftware zu verwenden, würde die Nutzung von Lernsoftware auf 90,48% steigen.
Das Internet findet in immer mehr Bereichen Anwendung. Das spiegeln auch die Ergebnisse der Frage nach der Nutzung des Internets wieder. So nutzen 95,24% der Schüler das Internet für die Schule, um zum Beispiel Hausaufgaben zu erledigen. Für Freizeitaktivitäten und private Angelegenheiten nutzen 100% der Schüler das Internet. Dabei sind mit „Freizeitaktivitäten“ Bereiche, wie spielen über das Internet, gemeint. Wohingegen mit der Antwortmöglichkeit „Privat" Tätigkeiten gemeint sind, wie E-Mails schreiben oder chatten. Hieraus folgt, dass alle Schüler mindestens Grundkenntnisse im Umgang mit dem Internet und diverser Browser haben. Wenn einige Funktionen und die Bedienung des CE³ an die der modernen Browser angeglichen werden könnten, sollte die Intuitivität und Akzeptanz gesteigert und gleichzeitig die Hemmschwelle zur Nutzung des CE³ gesenkt werden.


Interpretation der Bewertungen des Programms
Vorab kann gesagt werden, dass die Lernsoftware CE³ gut abgeschnitten hat, dies zeigen die Ergebnisse zur Bewertung des Programms. Es können Trends in vielen Kategorien erkannt werden. Somit lassen sich aus den Ergebnissen sehr gut Potentiale ableiten und gezielte Verbesserungen umsetzen. Einige Fragen hingegen können nicht ausgewertet werden, da einige Funktionen aufgrund des fehlenden Internets nicht getestet werden konnten.
Die gestellten Aufgaben konnten mit dem CE³ gut bearbeitet werden. Das bestätigten 70% der Schüler über den Fragebogen, was auch durch das Feedback gefestigt wird. Denn die Schüler, welche den direkten Vergleich zwischen dem CE³ und der Lernsoftware „die Zelle“ hatten, befanden den CE³ als besser.
Das Layout war einigen Schülern zu dunkel und nicht ansprechend. So hatten einige Schüler Probleme die Schrift richtig zu lesen. Auch die Aufteilung der Fenster war in der Grundeinstellung nicht optimal gewählt sodass viele Schüler die Fenster für ihre Arbeitsweise neu angepasst haben. Das freie anordnen der Fenster wurde gut von den Schülern angenommen. Allerdings hatten viele Schüler Schwierigkeiten damit geschlossene Fenster wiederherzustellen. Auch die Texte im Informationsbrowser waren für die Fenstergröße meist nicht optimal. Hier haben die Schüler als möglichen Lösungsvorschlag eine automatische Anpassung der Zeilenumbrüche vorgeschlagen. Die Anordnung der Schaltflächen nahmen die Schüler insgesamt als gelungen wahr. Dennoch gibt es Verbesserungspotentiale im Hinblick auf das Layout.
Die Bedienung des CE³ wurde mit 2,6 bewertet. Die Steuerung sollte optimiert und zusätzliche Funktionen implementiert werden, um die Bedienung zu verbessern. Die Steuerung im CellUniverse hat gut abgeschnitten, dennoch wurden explizite Verbesserungsvorschläge zur Optimierung der Steuerung gemacht. Die Steuerung von Google-Earth könnte hier als Vorbild dienen, auch das Ändern der Flugmodi über Buttons wäre vorteilhaft. Diese zusätzlichen Funktionen sollten, aus Übersichtsgründen, nicht in neuen Fenster oder Tabs eingebettet werden, sondern direkt in das CellUniverse integriert werden. Auch eine, aus vielen Spielen bekannte, kleine Übersichtskarte (Minimap) kann hier zu einer Verbesserung der Orientierung in Zelle und somit zu einer verbesserten Navigation führen.
Die dreidimensionale Darstellung der abstrakten Zellkomponenten wurde gut bewertet. Daher sollte, bei der Erstellung neuer Zellkomponenten, die Qualität und der Detailgrad, den der bereits vorhandenen Modellen, mindestens entsprechen. Eine zusätzliche Querschnittsfunktion (wie im InformationsBrowser bei den Chloroplasten) würde hier das Verständnis noch weiter fördern.
Bei den Fragen rund um den InformationsBrowser gibt es Widersprüche bei den Ergebnissen. Die Verständlichkeit der Texte wurde, im Gegensatz zum Informationsgehalt zur Bearbeitung der Aufgaben, deutlich schlechter bewertet (2,8 zu 1,7). Bei den Texten sollte auf Formulierungen und Erklärungen von Fachbegriffen geachtet werden. Des Weiteren sollten die essentiellen Informationen zusammengefasst und optisch hervorgehoben werden.
Der TourEditor wurde durchschnittlich bewertet, was unter anderem an den noch enthaltenden Fehlern sowie an der umständlichen Bedienung liegt. Hier sollten als erstes die Fehler behoben und danach die Bedienbarkeit verbessert werden.

Ausblick
Es ist sehr wichtig, dass als nächstes die erkannten Fehler behoben werden. Dazu gehören unter anderem die Einstellungsmöglichkeiten des TourEditor, sowie das Layout inklusive der Farben die für Schüler optimiert werden sollten. Zusätzliche Benutzerfreundlichkeit kann hier durch geschicktes platzieren diverser Buttons erreicht werden. Auch eine gut durchstrukturierte Hilfefunktion und die Vertonung wichtiger Textabschnitte aus dem InformationsBrowser sind angeraten. Des Weiteren sollen neue und weitere Zellkomponenten hinzugefügt werden, so dass neben vergleichen zwischen tierischen und pflanzlichen Zellen, auch Prokaryoten und Eukaryoten unterschieden werden können.
Einige dieser Funktionen und noch weitere werden im Rahmen der Masterarbeit von Marco Civico im CE³ implementiert bzw. umgesetzt




( Liste der Teilnehmer am Gymnasium+Lehrer folgen)
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