Figuur 1. Parameters voor het determineren van een zo compleet mogelijke leeromgeving. In deze 'tree' is aangegeven welke soorten situaties van paralllelle instructie mogelijk zijn.
Door: Wytze Koopal
Van oorsprong is deze tekst is een afstudeerproject van Wytze Koopal onder supervisie van Rik Min, De tekst is van 1993, maar geupdated in 1997 en 2005. De titel van deze tekst luidde: 'Voorontwerp en voorbeschouwing voor een CD-ROM met simulatieprogrammatuur conform de 'PI theorie'. Dit project leidde tot de productie van een cd.rom met allerlei prototypes en demonstratiemateriaal met betrekking tot alles van en over het MacTHESIS systeem, de opbouw, de filosofie, zijn producten, en alles om de achterliggende ideeen van parallellisme voor het voetlicht te brengen.
Aan de orde komen: Ontwerpgericht onderzoeken; hypotheses vastleggen in prototypische voorbeelden; het gebruik van de MacTHESIS filosofie voor het inrichten van de leeromgevingen; de PITS ontwerpmethode; het parallellisme concept en de PI theorie.
In dit hoofdstuk worden de MacTHESIS filosofie, de ontwerpmethode voor parallele instructie bij leeromgevingen (voor simulaties) en de 'Parallel Instruction Theory for Simulation' beschreven. Dit zijn de meer theoretische onderdelen van dit hoofdstuk. Dit heeft dus ook voornamelijk betrekking op het eerste doel van deze opdracht.
De filosofie heeft betrekking op educatieve simulaties op basis van wiskundige modellen. De manier waarop educatieve computersimulaties volgens instrumentatietechnologische inzichten ontworpen dienen te worden, wordt beschreven in een volgende paragraaf over de ontwerpmethode voor parallele instructie. Op basis van resultaten van empirische onderzoeken, het MacTHESIS systeem en de filosofie in het bijzonder, die leidden tot de educatieve simulaties, is de parallele instructietheorie ontstaan. Deze wordt in een volgende paragraaf beschreven.
Aan de hand van de MacTHESIS filosofie is bij de vakgroep Instrumentatietechnologie (ISM) van de faculteit Toegepaste Onderwijskunde (TO) een systeem voor het ontwikkelen van educatieve simulaties ontwikkeld, het zogenaamde MacTHESIS systeem.
Bij de term 'MacTHESIS systeem' moeten tenminste twee niveau's onderscheiden worden. De ontwikkelomgeving MacTHESIS en de met MacTHESIS ontwikkelde educatieve simulaties (hierna te noemen 'MacTHESIS software'). Hier wordt de ontwikkelomgeving MacTHESIS behandeld. 'MacTHESIS software' zelf komt later aan de orde.
Het MacTHESIS systeem (Van Schaick Zillesen & Min, 1987; Min, 1987) bestaat uit en maakt gebruik van:
1. Een dynamisch onderdeel. Dit is een MPW-Pascal source in de vorm van een raamwerkprogramma, een zogenaamde 'shell'. Een beperkt aantal onderdelen (60 tot 80 in getal, waaronder het model, de uitvoer van de simulatie en de variabelen) kan binnen het raamwerkprogramma aangepast worden. Het is niet nodig een programma van de grond af opnieuw op te bouwen. Er wordt eigenlijk op een manier geprogrammeerd die kenmerken heeft van object-georienteerd programmeren en ook van het zogenaamde 'rapid prototyping, want er is heel snel een prototype beschikbaar.
2. Een statisch onderdeel. De statische informatie die nodig is voor het programma, bevindt zich ook in een 'shell'. Statische informatie betekent in dit geval de teksten voor de menu's, windows en boodschappen van het systeem aan de lerende ('messages'). De inhoud van deze shell is door de onderwijskundig ontwerper te verwijderen en aan te passen.
3. Reeds gecompileerde procedure-bibliotheken (SIMLIB, SIMulation LIBrary). In SIMLIB zijn onder andere de procedures te vinden die zorg dragen voor de standaard weergavevormen, input technieken en user interface.
In de aankledingsfase van het ontwerp van de educatieve simulatie (zie 3) worden de twee 'shells' bevattende de statische en de dynamische informatie gecompileerd en worden de procedure-bibliotheken eraan vastgekoppeld ('linken') zodat daar gebruik kan worden gemaakt. Er ontstaat dan een executeerbaar programma dat voldoet aan de MacTHESIS filosofie.
Compileren is nodig om voldoende performance voor het programma te verkrijgen. Met voldoende performance wordt hier bedoeld dat de simulatieresultaten met een aanvaardbare snelheid op het scherm geschreven kunnen worden en dat animatie snel en flikkervrij wordt. Er is veel empirisch onderzoek hiernaar verricht. Hieruit is gebleken dat zonder compileren de simulatieresultaten, bij met name grote wiskundige modellen, onaanvaardbaar langzaam op het scherm verschenen. De relatieve traagheid is overigens niet objectief te meten. De kanttekening die geplaatst moet worden is dat het al of niet te langzaam op het scherm verschijnen van de resultaten af zal hangen van de leerdoelen, de doelgroep en niet te vergeten de computer. Soms is langzaam bijzonder verantwoord, soms ook niet.
Bij het ontwerpen van educatieve simulatieprogramma's wordt verder nog gebruik gemaakt van 'editors' en auteurssystemen. Er wordt gebruikt gemaakt van 'editors' om teksten en plaatjes te maken en te veranderen. Voor het ontwikkelen van instructie- en coachingsmateriaal op de computer kan gebruik worden gemaakt van gebruiksvriendelijke auteurssystemen zoals HyperCard of SuperCard. Zie in 3 voor een nadere uitwerking van deze onderdelen.
De stellingen van de filosofie zijn onder te verdelen naar een aantal aspecten. Hieronder wordt puntsgewijs aangegeven wat de MacTHESIS filosofie inhoudt. Eerst worden een aantal definities gegeven waarover verwarring zou kunnen ontstaan.
Met 'MacTHESIS systeem' wordt de ontwikkelomgeving bedoeld zoals in 1 beschreven. Met 'MacTHESIS software' worden educatieve computersimulatieprogramma's, ontwikkeld volgens de MacTHESIS filosofie en met het MacTHESIS systeem, bedoeld.
De educatieve simulatieprogramma's worden niet bediend met het toetsenbord en ingewikkelde commando's, maar met de muis. De lerende moet leren van en/of met het educatieve simulatieprogramma. Hij moet niet lastig gevallen worden met de eigenaardigheden van de computer. Dat betekent dat de lerende geen irrelevante, technische handelingen dient te hoeven uitvoeren.
Het simulatieprogramma kent twee soorten bedieningswijzen: interactie met de pulldown menu's en interactie met inklikregio's op het scherm. Inklikregio's zijn muisklikgevoelige gebiedjes op het scherm. Als daar in geklikt wordt, wordt er een 'event' opgestart.
Sommige 'events' kunnen op beide manieren geactiveerd worden, dus zowel door een menu-keuze als door klikken in een inklikregio. Andere 'events' zijn alleen via een pulldown menu te activeren en sommige alleen via een inklikregio. Op het scherm zijn altijd meerdere windows aanwezig die elk een verschillende functie hebben. Windows worden in de MacTHESIS filosofie pagina's genoemd. Dit in aansluiting op de bureaublad-metafoor waarmee Apple Macintosh computers zijn uitgevoerd. Elke window kan gezien worden als een apart vel papier met interactieve eigenschappen die een normaal stuk papier niet hebben. Deze eigenschappen zijn de inklik-regio's in een van de windows en in een ander window bijvoorbeeld het 'real-time' kunnen uitzetten van een uitvoervariabele tegen de tijd in een grafiek.
De functie van elke window is zo naar de lerende toe meteen duidelijk. Te onderscheiden functies zijn in ieder geval een window met resultaten van het simulatieprogramma, een window met mogelijkheden om te intervenieren in het simulatieprogramma en een window die op een of andere manier zorgdraagt voor instructie, coaching c.q. hulp.
De filosofie gaat ervan uit dat voor de meest optimale configuratie gekozen wordt. Maar als het budget het niet toelaat is het mogelijk terug te vallen op een eenvoudige zwart-wit configuratie.
De filosofie gaat ervan uit dat waar mogelijk niet gebruik moet worden gemaakt van ingewikkelde programma's of technieken. Dat betekent dat zoveel mogelijk gewerkt wordt met simpele hulpmiddelen om een programma te realiseren.
Er wordt in de filosofie uitgegaan van het feit dat het ontwerpsysteem en de leeromgeving strikt gescheiden moeten zijn. Tevens moet er een veranderomgeving bestaan voor de docent of leraar om gerealiseerde MacTHESIS programma's nog te kunnen aanpassen. Er is zodoende onderscheid gemaakt tussen drie (gedeeltelijk elkaar, qua hulpmiddelen, overlappende) omgevingen: de leeromgeving, de veranderomgeving en de ontwerpomgeving.
De ontwerpomgeving
Het simulatie-ontwikkel traject begint in de ontwerpomgeving. In deze omgeving doet de onderwijskundig ontwerper zijn werkzaamheden. De ontwerpomgeving behelst de Macintosh Programming Workshop met de Pascal Compiler en de Rez Compiler, de twee 'shells', de verschillende 'editors' zoals MacPaint en PixelPaint, het programma Coordinates (hulpmiddel bij het bepalen van schermcošrdinaten), de SIMLIB en een redelijk grote Macintosh-computer (Macintosh II generatie). Verder is het gewenst dat de onderwijskundig ontwerper enige ervaring heeft in (bij voorkeur Pascal) programmeren. De ontwerpomgeving levert een educatieve simulatie af.
De veranderomgeving
Met de educatieve simulatie wordt in de veranderomgeving verder gewerkt. In deze omgeving wordt het tussenprodukt aangepast aan de gewenste instructie-setting. In en met deze omgeving gaat de individuele docent aan het werk, eventueel samen met de onderwijskundig ontwerper. De simulatie wordt aangevuld met instructie- of coachingsmateriaal. Dit materiaal kan er op verschillende manieren uit zien (zie 2.4 en 4). De veranderomgeving bevat voornamelijk hulpmiddelen om dit materiaal te ontwerpen en ontwikkelen en om de simulatie aan te passen. Dit laatste kan gedaan worden met de verschillende 'editors' zoals MacPaint. Een belangrijk hulpmiddel is ResEdit. Hiermee kan de statische informatie van de simulatie zelfs na compilatie nog aangepast worden. Het ontwerpen en ontwikkelen van instructie- en coachingsmateriaal kan gebeuren met eenvoudige tekst-'editors'. Om instructie op de computer te bewerkstelligen kan ook met meer geavanceerde hulpmiddelen zoals HyperCard of SuperCard gewerkt worden. In de veranderomgeving wordt bij voorkeur gewerkt met een Macintosh II computer. Enige ervaring met het gebruik van de Macintosh computer is gewenst.
De leeromgeving
De leeromgeving is de uiteindelijke omgeving met alles erop en eraan, waar de leerende zich bevindt, en behelst het in de andere omgevingen ontworpen en eventueel aangepaste materiaal, maar nu op een in principe eenvoudige en kleine computer die met windows om kan gaan; bij MacTHESIS software een Macintosh computer; bij JavaTHESIS software een Windows computer. Met de leeromgeving wordt door de leerling gewerkt om iets te leren. De leeromgeving is dus in principe goedkoper en eenvoudiger dan de ontwerpomgeving of de verander-omgeving.
Er worden in de MacTHESIS filosofie ten minste vier parameters onderscheiden die bepalen hoe de complete leeromgeving benoemd kan worden. In figuur 1 wordt dit schematisch weergegeven.
Figuur 1. Parameters voor het determineren van een zo compleet mogelijke leeromgeving. In deze 'tree' is aangegeven welke soorten situaties van paralllelle instructie mogelijk zijn.
De eerste parameter is de aanwezigheid van de instructie op de computer. Als dit niet zo is moet er gesproken worden van een niet volledige leeromgeving. In zo'n leeromgeving zal nooit optimaal geleerd kunnen worden. Aan deze voorwaarde moet altijd voldaan worden.
De tweede parameter is de aanwezigheid en beschikbaarheid van instructie tijdens het lopen van de simulatie. Als de computerinstructie niet visueel aanwezig is tijdens het lopen van de simulatie wordt gesproken van sequentiele instructie. Er is dan meestal sprake van een sandwich-structuur waarin de simulatie op een bepaald punt in de instructie wordt opgeroepen waarbij de instructie verdwijnt. Is de simulatie afgelopen dan komt de lerende weer terug bij de instructie. Is de de computerinstructie altijd beschikbaar tijdens het lopen van de simulatie, dan spreken we van parallele instructie. In alle gevallen van papieren instructie- en coachingsmateriaal is er sprake van een soort parallele instructie, omdat papieren materiaal tijdens het lopen van de simulatie altijd beschikbaar en aanwezig is.
De derde parameter is de aanwezigheid van data-overdracht (communicatie) tussen verschillende onderdelen van de leeromgeving. Bij instructie op de computer kan data-overdracht tussen simulatieprogramma en instructie plaatsvinden. Dit kan zijn in de vorm van overdracht van waarden van parameters en variabelen tussen het wiskundig model en de instructie en omgekeerd (doorgave van simulatie- en instructiedata).
Bij instructie op de computer kan verder onderscheid kan gemaakt worden tussen een synchrone en asynchrone leeromgeving. In een synchrone leeromgeving kunnen de verschillende onderdelen elkaar beinvloeden (vierde parameter). In een asynchrone leeromgeving gebeurt dit niet.
Onafhankelijk van de vier parameters bestaat er nog een ander wezenlijk onderdeel van instructie: feedback. Net zoals bij Merrill (1983) wordt feedback hier gezien als een vorm van instructie. Bij het MacTHESIS systeem bestaat deze vorm van instructie in de zogenaamde 'model-driven feedback', ook wel 'messages' genoemd. Dat is een vorm van feedback welke de lerende uitstekend kan coachen, dat wil zeggen richting geven in het leerproces.
Figuur 2. Model-driven feedback bij het programma 'Economie' (Min, 1998). Op een bepaald moment verschijnt er - hier in dit voorbeeld links onder - een alert-window met bepaalde gegevens in beeld.
Van educatieve simulatieprogramma's die hiermee zijn uitgerust kan gesteld worden dat deze programma's een de eerste kenmerken van intelligente computersimulatie weergeven ('ICS'). Hiermee wordt bedoeld dat er feedback gegeven wordt als gevolg van waarden van parameters en variabelen in het model. Bij intelligente courseware wordt altijd uitgegaan van (onder andere) een model van de lerende op basis waarvan feedback wordt gegeven. Hier wordt voor het geven van feedback echter uitgegaan van het model waarop de simulatie gebaseerd is. De feedback kan in de vorm van tekst zijn (zoals in figuur 2), in de vorm van audio, maar ook in de vorm van videofragmenten (zoals in figuur 6) en in grafische vorm (waaronder animaties).
Niet onbelangrijk in dit verband is overigens de visualisatie van het model. Dit wordt in de filosofie een belangrijke vorm van instructie geacht en moet dus niet alleen als een mooi plaatje van het wiskundig model gezien worden. Dat de visualisatie als instructie gezien moet worden, komt ook tot uiting in het feit dat de lerende er op kan reageren door middel van de inklikregio's (intervenieren in het model, zie 2.5). De lerende kan zo de instructie sturen. Er is sprake van een functionele interactie.
De uitvoer ('output') van de simulatie is in hoge mate gevisualiseerd. Hiervoor kan door de ontwerper gekozen worden uit standaard weergavevormen, hiervan zijn er een twintigtal. Verschillende soorten grafieken, maar ook tabellen, tellers, thermometers en klokjes die de actuele en precieze waarde van een variabele of parameter weergeven, zijn mogelijk. Zie voorbeelden hiervan in figuur 3, 4 en 5. Deze verschillende weergavevormen worden attributen genoemd in de MacTHESIS filosofie.
Figuur 3. Het experimentele programma LEREN, gemaakt met het HyperTHESIS systeem (1988). Een voorbeeld van een viseel getint prototype met decimale tellertjes en andere weergave-attributen.
In de grafieken kan een variabele weergegeven worden, maar ook meerdere (ook in kleur). Het systeem kent ook 'meebewegende histogrammen'. In de computersimulatie TOENDRA (ook genoemd LEMMINGEN) worden die gebruikt (zie figuur 4 en 5) om de relatie tussen de hoeveelheid gras, het aantal poolvossen en het aantal lemmingen weer te geven. Bij elke interne rekenslag worden de histogrammen met de actuele waarde getekend. Doordat dit vaak genoeg gebeurt (afhankelijk van de grootte van het model minstens dertig keer per seconde) krijgt de lerende het idee van een histogram dat 'meebeweegt'.
Figuur 4. TOENDRA (LEMMINGEN), zw/wit versie. Een voorbeeld van de eenvoud van MacTHESIS software (circa 1990). Let op de pulldown menu-opties: 'Stoppen', 'Doorgaan', 'Veranderen', etc.
Figuur 5. TOENDRA (LEMMINGEN), kleuren versie. Een voorbeeld van MacTHESIS software met meebewegend histogram (Kamp & Veugelers, 1990).
Belangrijk onderdeel van THESIS software is dat het wiskundig model, waarop de educatieve simulatie altijd gebaseerd zal moeten zijn, gevisualiseerd wordt in het invoerpagina, ook wel animatiewindow genoemd. Dit kan op een heel abstracte manier, bijvoorbeeld door de wiskundige formules die in het model zitten op het scherm te zetten. Het model kan ook conceptueel gevisualiseerd worden, zoals de meeste medische modellen die gebaseerd zijn ook aannames van fysiologen hoe het menselijk lichaam werkt. Modellen kunnen ook zeer concreet op het scherm weergegeven worden, wat vaak bij fysische modellen zal kunnen. De visualisatie van het wiskundig model moet beschouwd worden als instructie. Met de visualisatie wordt gepoogd het model aanschouwelijk te maken voor de lerende en zo de lerende inzicht te geven in de leerinhoud.
Figuur 6. De simulatie applicatie Maurice (CARDIO), gemaakt met het JavaTHESIS systeem, gebaseerd op een medisch model en ingebed in een web-omgeving. Het is een voorbeeld van een 'casus' met intelligente feedback met video-messages (Min, Coleman & Reimerink, 2004).
De pulldown menu's zijn alle reeds geprogrammeerd in de 'shell' voor de statische informatie en dus in alle THESIS software hetzelfde. De namen van de pulldown menu-onderdelen voor het Veranderen-menu en het Inspecteren-menu worden door de onderwijskundig ontwerper geprogrammeerd. In de pulldown menu's bevinden zich opties die de lerende volledige controle geven over het verloop van de simulatie. Er kan op elk willekeurig moment een casus gekozen worden. Op elk willekeurig moment kan de simulatie beeindigd worden. Ook kan het doorrekenen van het model en het op het scherm zetten van de resultaten gestopt en weer gestart worden.
De pulldown menu-opties (zie bijvoorbeeld in figuur 4 en 5) zijn:
Deze menu-opties zijn inmiddels een algemeen beeld bij software op alle window computers. Bij geintegreerde web-applicaties ligt dat anno 2004 een beetje anders dan bij losse window applicaties. De basis voor de vormgeving en ontwerp van het educatieve simulatieprogramma is dat het uiteindelijke programma moet draaien op de hardware die er redelijkerwijs bij past. Anno 2004 passen alle software ontwikkelaars zich aan aan het gebruikelijke userinterfaces zoals die voorkomen op het web.
De docent kan zelf de instructie, als die in HyperCard, als web-pagina of uit papieren materiaal bestaat, zonder dure deskundige hulp van buitenaf, aan zijn wensen aanpassen. De keuze van de meest wenselijke instructiestrategie is dus ook aan de docent en wordt niet door het programma opgelegd.
Min onderscheidt vijf verschillende methoden van leren bij educatieve simulaties in een moderne leeromgeving:
Vrij ontdekkend leren ('discovery learning')
De lerende kan experimenten doen die hij of zij leerzaam of zinvol vindt. Hij kan zelf de parameters en invoervariabelen instellen en observeren wat er gebeurt. Zonder enige vorm van instructie is dit weinig zinvol.
Leren door opdracht(en) te doen
Dit is een verbeterde vorm van 'discovery learning'. Hier wordt de lerende iets meer geleid in het leerproces. De lerende werkt opdrachten uit die op papier staan. Meestal zullen deze opdracht de vorm hebben van het op papier zetten van een hypothese die getoetst moet worden.
Gecoached ontdekkend leren
Zoals al gememoreerd is, is een simulatie zonder coaching geen effectieve en efficiente leeromgeving. Er zal altijd enige coaching moeten plaats vinden. Dit zal meestal in de vorm van instructie zijn. Instructie kan op vele verschillende manieren gegeven worden. Bijvoorbeeld verbale instructie door de docent of instructie per 'tutorial' op de computer (parallel of sequentieel, synchroon of asynchroon).
Figuur 7. Gecoached leren met parallelle instructie. Links zie je de instructie (een gewone website); rechts de simulatie (een 'applet'); opgebouwd rondom het simulatiemodel ZONNEBOILER (periode 1999-2003).
Probleem gestuurd leren ('problem solving'
Hierbij worden de lerende problemen voorgelegd die opgelost moeten worden met behulp van de simulatie. De problemen worden door een 'abnormale' instelling van een variabele of parameter veroorzaakt. De lerende moet zien dat de uitvoervariabelen weer normale waarden krijgen. MacTHESIS software kent hiervoor al voorzieningen in de vorm van de casussen ('cases'). Dit zijn feitelijk 'voorgeprogrammeerde problemen', die afwijken van het normaal gedrag en als 'probleem' opgelost dienen te worden. Zie ook figuur 6: de casus 'Maurice'.
Leren door (wetenschappelijke) experimenten te doen
Deze methode van leren kan echte laboratorium-experimenten vervangen. Echte experimenten kunnen soms gevaarlijk, gewoonweg onmogelijk of te duur zijn. In dat geval bieden educatieve simulaties uitkomst. Een invoervariabele of een parameter wordt systematisch veranderd en de waarden van uitvoervariabelen worden genoteerd. De relatie tussen de variabelen wordt zo duidelijk gemaakt aan de lerende.
De docent kan ook met betrekking tot de simulatie het nodige aanpassen. De gewenste aanpassingen kunnen worden gedaan aan de zogenaamde statische informatie ('resource fork') van het programma. Deze 'resource fork' is ten allen tijde aan te passen. Hierin zijn onder andere de menu-teksten, de feedback-teksten, de windows en de plaats ervan aan te passen. Een laatste, niet onbelangrijke aanpassingsmogelijkheid is te vinden in de visualisatie van het wiskundige model. Dit is eigenlijk een bestand met een tekening die in bijna elk tekenprogramma ('editor') aan te passen is. De docent kan de visualisatie van het model aan laten sluiten bij zijn denk- en werkwijze.
De vrijheidsgraden moeten beschouwd worden als continuums, die lopen van 0 tot 5 voor elke vrijheidsgraad. Heeft een simulatieprogramma een hoge score, dan is er sprake van een hoge 'fidelity'. Dat wil niet perse zeggen dat zo'n programma beter is. Soms kunnen programma's met een lage 'fidelity' veel betere diensten bewijzen.
Het MacTHESIS systeem is er op ingesteld om rekening te houden met de vrijheidsgraden. Ook in de ontwerpmethode nemen de vrijheidsgraden een belangrijke plaats is als handvaten voor de ontwerper.
De eerste vrijheidsgraad is de modelgrootte. In het MacTHESIS systeem kunnen kleine tot grote modellen geimplementeerd worden. Het systeem legt hier geen beperkingen op. Dit is te danken aan het compileren. Een score van 1 op dit continuum betekent een model grootte van <100 regels Pascal-code, een score van 2 tussen de 100 en 200 regels Pascal-code etc. Een hoge score op deze vrijheidsgraad betekent een wiskundig model wat in zeer veel regels Pascal-code beschreven wordt. Dat hoeft geen teken van grote 'fidelity' te zijn. Men is eerder geneigd te zeggen dat de werkelijkheid hier blijkbaar niet op een eenvoudige manier in elkaar zit, maar juist zeer ingewikkeld in elkaar zit. Vandaar het grote aantal regels Pascal-code.
De tweede vrijheidsgraad is mate van visualisatie van het wiskundig model. Bij MacTHESIS software kan gebruik worden gemaakt van minimale visualisatie, maar ook maximale (en realistische) visualisatie met behulp van ingescande foto's is mogelijk. Een score van 1 op dit continuum betekent zeer abstract weergegeven model, bijvoorbeeld in wiskundige formules. Een score van 5 betekent een levensechte visualisatie, dus zoals je het in de werkelijkheid ook zou kunnen zien.
Een andere vrijheidsgraad is het gebruik van kleur. In het ontwerp wordt de onderwijskundig ontwerper niet beperkt door het systeem in de mogelijkheden hiermee. HyperCard bijvoorbeeld belet de onderwijskundig ontwerper het gebruik van kleur. Een zwart-wit programma scoort hier een 1, een programma met vele tientallen levensechte kleuren scoort hier een 5.
De vierde vrijheidsgraad is de mate en vorm van '(computer) coaching'. MacTHESIS software kan ingebed en geintegreerd worden in een complete leeromgeving op de computer wanneer dat gewenst is. Dit is echter niet noodzakelijk voor de onderwijskundig ontwerper bestaat er complete keuze-vrijheid in dit opzicht. Een 'stand alone' simulatie is net zo goed mogelijk Daarbij wordt dan papieren instructie-materiaal ontworpen. Een score van 1 op deze vrijheidsgraad betekent dat er geen instructie- en coachingsmateriaal is. Een score van 2 dat een beperkte hoeveelheid papieren instructie- en coachingsmateriaal aanwezig is. Een score van 5 wil zeggen dat de simulatie ingebed is in een complete leeromgeving op de computer. Zie voor een uitwerking en verdieping van deze vrijheidsgraad paragraaf 4.
De mate van intelligentie die in een simulatie wordt ingebouwd is een andere vrijheidsgraad. Er kan een zekere mate van intelligentie worden bereikt door gebruik te maken van de zogenaamde 'model-driven messages' (zie 2.4). Dit betekent een score van 3 op deze vrijheidsgraad. Met de huidige stand van zaken is met het MacTHESIS systeem ook niet meer mogelijk.
De zesde vrijheidsgraad is de mate waarin gebruik wordt gemaakt van 'multi-windowing' bij het simulatieprogramma. Hiermee wordt bedoeld dat de onderwijskundig ontwerper bij het ontwerpen van THESIS software niet is gebonden aan het aantal windows. Als er vijf windows nodig zijn, is dat zonder meer te realiseren. Het aantal windows bepaalt de score op deze vrijheidsgraad. Bij een window een score van 1. Bij vijf of meer windows een score van 5. Ook papieren (leerling- of docenten)handleiding of werkbladen tellen hier mee als een window.
De laatste vrijheidsgraad is de mate van waargenomen beweging (animatie). MacTHESIS software kan zo ontworpen worden dat er allerlei mogelijke bewegingen waargenomen worden. Als de onderwijskundig ontwerper iets geanimeerd wil hebben, is dat mogelijk. Ook bewegende, levensechte, videobeelden zijn zonder meer mogelijk. Als er geen enkele animatie in het programma zit, geeft dit een score van 1 op dit continuum. Als er sprake is van video-fragmenten, animaties langs trajecten en een eindanimatie dan geeft dit een score van 5 op deze vrijheidsgraad.
Vanuit verschillende invalshoeken wordt de ontwerpmethode hieronder beschreven. Eerst wordt de ontwerpmethode benaderd vanuit de ontwerper. Daarna wordt aangegeven dat er in de ontwerpmethode verschillende fasen zijn te onderscheiden. Er wordt beschreven welke toepassingsmogelijkheden in de praktijk er zijn en als laatste wordt de ontwerpmethode beschreven vanuit de 'tools' (software en hardware) waar het best mee gewerkt kan worden.
Belangrijk voor de onderwijskundig ontwerper is dat een model ook naar andere THESIS systemen omgezet moet kunnen worden, mocht het zo zijn dat de opdrachtgever hieraan de voorkeur geeft. Het model moet zo gestructureerd zijn dat dit mogelijk gemaakt is. Er zijn THESIS systemen voor DOS-computers (waar alleen sequentiele instructie mogelijk is), VAX mainframes en het hier beproken MacTHESIS syteem voor Apple Macintosh computers.
De onderwijskundig ontwerper hoeft in het MacTHESIS systeem niet van de grond af te beginnen met het kiezen en ontwerpen van een geschikte weergave van de simulatieresultaten. Hij kan kiezen uit de al genoemde standaard weergavevormen.
Een belangrijke, op onderwijskundige overwegingen gebaseerde, beslissing moet de keuze tussen wel of geen communicatie zijn. Dit bepaalt of sprake zal zijn van synchrone dan wel asynchrone instructie.
De onderwijskundig ontwerper moet tevens bepalen of er sprake moet zijn van parallele instructie. Een hiermee samenhangende beslissing is of er sprake zal zijn van begeleidend materiaal op papier.
Door te werken met het MacTHESIS systeem draagt de onderwijskundig ontwerper er toe bij dat de programma's aanpasbaar zijn. Daarvoor zijn er allerlei soorten resource-editors.
1. Inventarisatie fase
Het wiskundig model wordt geanalyseerd. Er moet onderscheid gemaakt worden tussen parameters, invoervariabelen en uitvoervariabelen. Tevens moet vastgesteld worden welke startwaarden de parameters en variabelen hebben. Als dit bepaalt is, is het de taak van de onderwijskundig ontwerper om te bepalen welke interventies in het model er mogelijk zijn voor de lerende (subset van alle invoervariabelen), en welke uitvoervariabelen voor de lerende van belang zijn (subset uit uitvoervariabelen).
Figuur 8. Het wiskundig model: de variabelen en de parameters.
2. Visualisatie fase
Na de bovenstaande analyse is de volgende stap de visualisatie van het wiskundig model. Soms kan hier aangesloten worden bij visualisaties zoals die ook in het desbetreffende vakgebied worden gebruikt. Soms zal een visualisatie door de onderwijskundig ontwerper, in samenwerking met een inhoudsdeskundige, ontwikkeld moeten worden.
In elke visualisatie zal voor de lerende het onderscheid tussen invoervariabelen, uitvoervariabelen en parameters duidelijk moeten zijn. Voor de belangrijke uitvoervariabelen worden de meest toepasselijke weergavevormen bepaald.
Figuur 9. Nadenken over de visualisering van het wiskundig model. Hoe ga je met de variabelen en de parameters om?
Figuur 10. Nadenken over de visualisering van het wiskundig model. Hoe kan een kind of een leerling in het model intervenieren? Hoe kan iemand de waarden van variabelen aflezen?
3. Aankledingsfase
In deze fase wordt pas het MacTHESIS systeem toegepast. Het wiskundige model wordt in MacTHESIS geimplementeerd. Daarbij wordt een ontwerp gemaakt voor het aantal pagina's (windows op het scherm). De interventiemogelijkheden worden geimplementeerd en er wordt bepaald welke uitvoervariabelen in welke weergavevormen geimplementeerd zullen worden.
Tevens worden hier eventuele animaties op basis van het wiskundig model geimplementeerd. Als laatste worden hier de pulldown menu's en de inklikregio's (dit zijn de mogelijke interventies) op het scherm gedefinieerd.
Figuur 11. De parameters zowel als de variabelen hebben unieke nummers maar ook vaak specifieke roepnamen. Een ontwerper wil 'roepnamen' kunnen meegeven aan variabelen en parameters. Deze mogelijkheid, voor het meegeven van een andere roepnaam in plaats van een variabele-naam, heeft zowel het MacTHESIS systeem als het JavaTHESIS systeem.
Figuur 12. De parameters zowel als de variabelen hebben altijd een maximum en een minimum; een 'range'. Parameters hebben altij een 'default waarde'; variabelen een 'startwaarde'. Dat wordt in deze figuur schematisch aangegeven.
Figuur 13. De losse simulator, het simulatieprogramma. De simulator bestaat uit parallelle windows.
4. Inbeddings- en afstemmingsfase
In deze fase wordt het overige materiaal ontworpen en ontwikkeld. Het overige materiaal word afgestemd op de definitieve simulatie zoals die in de vorige fase ontstaan is.
In deze fase wordt definitief beslist of er sprake zal zijn van overig materiaal op de computer of niet. Tevens wordt bepaald of er sprake zal zijn van parallele instructie of van sequentiele instructie.
Figuur 14. Het simulatieprogramma ingebed in de instructie. De oude methode van instructie ging op een hele eenvoudige wijze met HyperCards. De simulatie werd daar op een natuurlijke wijze in opgenomen. Wat ook mogelijk was dat de simulator compleet los van HyperCard gedraaid werd; werkelijk parallel, maar asynchrone. Dat werkte ook heel goed.
In deze fase wordt de instructie gemaakt. Het simulatieprogramma dient ingebed te zijn in de instructie. De oude methode van instructie ging op een hele eenvoudige wijze met HyperCards. De simulatie werd daar op een natuurlijke wijze in opgenomen. Wat ook mogelijk was dat de simulator compleet los van HyperCard gedraaid werd; werkelijk parallel, maar asynchrone. Dat werkte ook heel goed. In deze fase wordt - als dat nog nodig is - een losse studentenhandleiding gemaakt.
5. Afrondingsfase
In deze fase wordt een docentenhandleiding gemaakt. Tevens wordt al het computermateriaal gecontroleerd en foutvrij gemaakt.
Voordeel van de PITS ontwerpmethode met het MacTHESIS systeem is dat complexe wiskundige modellen gebruikt kunnen worden. Dit is mogelijk omdat er in het MacTHESIS systeem een compilatieslag zit die resulteert in een educatief simulatieprogramma dat aanmerkelijk sneller resultaten op het scherm zet dan een niet gecompileerd simulatieprogramma. Dit laatste is bijvoorbeeld het geval bij de HyperTHESIS en SuperTHESIS systemen.
De PITS ontwerp en het MacTHESIS systeem zijn bij uitstek geschikt voor zeer visuele en dynamische COO (met name educatieve simulatie) waarbij een goede performance vereist is.
De vooronderstelling van de theorie is dat mensen gewend zijn aan overzicht en daar altijd behoefte aan hebben. Mensen willen dingen a la minute kunnen vergelijken. Het steeds moeten bladeren of op een andere manier dingen moeten opzoeken moet zoveel mogelijk vermeden worden. Voor het verkrijgen van overzicht werken verschillende manieren van presentatie of aanbieding in het algemeen verhelderend. Hieronder volgt een precisering van deze waarnemingen op het gebied van instructie en simulatie.
Leren kan wel onbewust plaatsvinden met een educatief simulatieprogramma, maar om doelgericht leren te bewerkstelligen is een instructiecomponent nodig. Er kan leren optreden. Leren zal ook optreden. Er is alleen vantevoren niet met grote zekerheid te zeggen wat en op wat voor niveau er geleerd zal worden.
Ook zeer voor de hand liggende dingen, zoals een wandkaart, kunnen gezien worden als wijzen van instructie.
Instructie was heel vroeger al parallel. Dat paradigma is het beste dat op dit moment mogelijk is. Als de docent aan het praten is, lezen de kinderen in het leerboek. Als er dia's vertoond worden, praat de docent erbij.
Zelfs in het dagelijks leven zijn we constant parallel informatie aan het verwerken. Terwijl we ergens naar kijken, horen we iets dat onze aandacht trekt.
Het gebruik van grote beeldschermen in het hedendaagse computertijdperk is bedoeld om meerdere dingen parallel in het zicht te houden in verschillende windows. De gebruiker kan en wil meerdere processen tegelijk overzien.
Als we in het dagelijks leven informatie parallel verwerken, waarom dan niet instructie parallel plaats laten vinden? In simulatieomgevingen houdt de lerende er van om alles te kunnen blijven overzien. De lerende moet de mogelijk geboden worden om te kunnen 'switchen' van instructie naar simulatie-uitvoer en weer terug.
Als in een leeromgeving met simulatie en instructie alles zodanig ontworpen en weergegeven is dat alles in zicht en onder handbereik is en blijft (dus: als er sprake is van parallele instructie), dan komt er courseware beschikbaar waarmee effectief en efficient geleerd kan worden.
Zoals boven omschreven is, is de verwachting dat parallele instructie door de lerende sneller geaccepteerd wordt dan sequentiele instructie. De reden is dat parallele instructie veel meer op de dagelijkse realiteit lijkt.
Leermiddelen ontworpen met de PITS-ontwerpmethode zullen ook door de docent sneller geaccepteerd worden. De reden hiervoor is dat er mogelijkheden om het leermiddel aan te passen aan een specifieke situatie te over zijn. De instructie kan helemaal aan de eisen van de docent aangepast worden.
Het is nuttig om hier aan te sluiten bij de veelgebruikte terminologie van Reigeluth (1983) en op basis daarvan de Parallel Instruction Theory te karakteriseren.
Er worden door Reigeluth (1983) in een ontwerptheorie voor instructie drie componenten onderscheiden: de (instructie)methoden, de (instructie)condities en de (instructie)uitkomsten. De drie componenten zijn te beschouwen als variabelen die alle van belang zijn in het instructie-proces.
De methoden zijn de verschillende manieren om de uitkomsten te bereiken onder verschillende condities. Condities zijn factoren die de effecten van methoden beinvloeden (ze interacteren met de methoden). Kenmerkend is dat condities niet manipuleerbaar zijn. Uitkomsten zijn de effecten die gemeten (kunnen) worden als gevolg van gebruik van de methoden onder verschillende condities.
Elke instructie-ontwerp theorie zou aandacht moeten geven aan de drie genoemde componenten. Het is daarbij zeer waarschijnlijk dat voor elke component, maar met name voor de uitkomsten en de methoden, meerdere alternatieven mogelijk zijn. In figuur 7 ziet u een overzicht van componenten van een instructie-ontwerp theorie. Elke component kent weer een aantal variabelen. Alle variabelen binnen de condities-component hebben hun invloed op de methoden-component als geheel. Keuzes binnen de methoden-component bepalen de methode en die als geheel heeft weer invloed op de drie aspecten van de uitkomsten-component.
De instructie-methoden worden bepaald door het kiezen van de juiste organisatie-strategieen (hoe is de leerinhoud gestructureerd?), de overdrachtsstrategieen (hoe wordt instructie gegeven en hoe wordt gereageerd op input van de lerende?) en de management-strategieen (welke organisatie-strategieen en overdrachtsstrategieen worden op welk moment gebruikt?). De organisatie-strategieen zijn onder te verdelen in strategieen op micro-niveau en macro-niveau. Op micro-niveau gaat het om de structuur die de leerstof gegeven wordt per onderwerp. Op macro-niveau gaat het om de structuur en volgorde van de gehele leerstof
Instructie-uitkomsten kunnen gekarakteriseerd worden naar effectiviteit (is datgene wat geleerd moest worden ook daadwerkelijk geleerd?), efficientie (is op de snelst mogelijke en/of op de financieel voordeligste manier geleerd?) en aantrekkelijkheid. Tot de instructie-condities kunnen verschillende variabelen gerekend worden.
Reigeluth geeft (1983) impliciet aan dat kenmerken van de lerenden een overwegende invloed hebben op de management-strategieen en dat doelen een overwegende invloed hebben op de organisatiestrategieen. Er wordt verder echter niet aannemelijk gemaakt waarom dat zo zou zijn. Het is zeer goed voor te stellen dat kenmerken van lerenden een grote invloed hebben op de organisatie-strategieen of de overdrachts-strategieen. Evenzo is het zeer aannemelijk dat doelen hun invloed hebben op de organisatie-strategieen.
Reigeluth maakt een onderscheid tussen instructie-model en instructie-ontwerp theorie. Een instructie-model behandelt alleen een complete instructie-methode, dat is dus een omschrijving van alle drie soorten strategieen. Een instructie-ontwerp theorie daarentegen omvat ook de zojuist genoemde condities- en uitkomsten-componenten.
Verder onderscheid wordt er nog gemaakt tussen een prescriptieve en een descriptieve instructie-ontwerp theorie. In descriptieve theorieen zijn de condities en de methoden gegeven en is men geinteresseerd in de eigenlijke uitkomsten (of die nu wel of niet gewenst zijn). In prescriptieve theorieen zijn de condities en gewenste uitkomsten gegeven en worden de beste methoden beschreven. Deze theorieen schrijven dus de instructie-methode(n) voor.
De genoemde kenmerken hebben met name betrekking op het onderdeel overdrachts-strategieen en niet op organisatie- en management-strategieen. Het gebruik van het woord theorie in Parallel Instruction Theory is dus nog niet helemaal gerechtvaardigd. Ook al omdat sommige aspecten helemaal niet of gedeeltelijk ter sprake komen. Er wordt wel gerefereerd aan de condities-component, onder andere aan de kenmerken van de lerende:
Kenmerken van de leerinhoud komen echter niet ter sprake. Aan randvoorwaarden wordt wel aandacht besteed:
Doelen worden echter niet besproken. Over de uitkomsten-component wordt alleen in heel globale termen gesproken. Effectiviteit en efficientie van instructie komen alleen in de hypothesen zijdelings ter sprake. Aantrekkelijkheid is eigenlijk een van de steunpilaren van de Parallel Instruction Theory en de MacTHESIS filosofie. Courseware wordt in het algemeen veel aantrekkelijker gevonden dan traditionele instructie.
Slotopmerking: De Parallel Instruction Theory is nog onvolledig. Het aanvullen van de Parallel Instruction Theory moet door emperische onderzoek nog een betere meer volledigere, theorie opleveren.
Wytse Koopal, Enschede, 1997; updated by Rik Min, 2005