Abstract The present paper concentrates on a learning software for signal and pattern recognition which is flexible in use and practically oriented. The main goal of such software is to organize and realize virtual, web-based practical trainings. In order to achieve this goal, a concept for a web and browser-based learning environment called "Virtual Laboratory for Signal and Pattern Recognition" (vPSM) is developed and prototyped within the framework of this paper. The main focus of the present paper is developing a concept for and implementing a prototype of interactive and virtual devices which can be used to hold practical trainings, for self-study based on self-controlled and explorative learning, and to enhance lectures. A learning environment for signal and pattern recognition is conceptualized based on the fundamental learning theory, on the essentials of computer supported learning environments, on the state-of-the-art analysis, on the field specific demands, and on the current situation of the institute. Special attention is given to the didactics, to various structural aspects regarding topic distribution, and to the order in which the topics are to be worked on. The primary focus here is placed upon conceptualizing the virtual devices, the different user actions, and the tasks. The absolute mark of quality for learning and for a learning environment is that the learning objects are interactive. This factor is decisive for developing and implementing especially the interactive devices. The learning environment is augmented by the availability of learning content to supplement lectures and exercises, by interactive experimental surroundings, by a collection of exercises and information, and by help systems. At the same time, various interfaces are available to implement results from continuing scientific work. By integrating the computer algebra system "Mathematica" via a Java-API, a powerful tool for mathematical operations and for creating manifold types of presentations (auditory, visual) is also available. When the technical realization is described, an insight is given into the technologies used, into the database based functions (role and task concept), and into the integration of the mathematical tools. The present paper concludes with a discussion regarding the obtained results and the considerations regarding the further development of the learning environment vPSM.
Die vorliegende Arbeit stellt sich der Herausforderung nach einer flexibel einsetzbaren, praxisverbundenen Lehrsoftware für die Signal- und Mustererkennung mit dem Kernanliegen, die Organisation und Durchführung eines virtuellen, webbasierten Praktikums zu ermöglichen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Konzept für eine web- und browserbasierte Lernumgebung „Virtuelles Praktikum für die Signal- und Mustererkennung" (vPSM) entwickelt und prototypisch realisiert. Im Zentrum der Arbeit stand die Konzeption und prototypische Implementierung von interaktiven Bedienelementen – den virtuellen Geräten, die sich kontextunabhängig sowohl für die Durchführung von Praktika, für das Selbststudium - auf der Basis selbstgesteuerten, explorierenden Lernens - und zur Ergänzung der Lehrveranstaltungen einsetzen lassen. Ausgehend von den lerntheoretischen Grundlagen, den Grundlagen computerunterstützter Lernumgebungen, der „State-of-the-Art"-Analyse, den fachspezifischen Anforderungen und der aktuellen Ausgangssituation am Fachgebiet wurde ein Konzept für eine Lernumgebung für die Signal- und Musterkennung entwickelt. Dabei wurde speziell auf die didaktische Konzeption, verschiedene Strukturierungskonzepte bezüglich der thematischen Stoffaufteilung und bezüglich der Bearbeitungsabfolge eingegangen. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Konzeption der virtuellen Geräte, die verschiedenen Nutzeraktionsformen und die Aufgabenkonzeption gelegt. Bei der Entwicklung und Implementierung, speziell der interaktiven Geräte, war ausschlaggebend, dass die Interaktivität der Lernobjekte ein entscheidendes Qualitätskriterium des Lernens bzw. einer Lernumgebung ist. Ergänzt wird die Lernumgebung durch die Bereitstellung vorlesungs- und übungsergänzender Lehrinhalte, interaktiver Experimentierumgebungen, Aufgaben- und Informationssammlungen und Hilfesysteme. Sie stellt gleichzeitig vielfältige Schnittstellen zur Verfügung, um Ergebnisse aus weiterführenden wissenschaftlichen Arbeiten zu implementieren. Durch die Integration des Computer-Algebra-Systems Mathematica über eine Java-API steht ein mächtiges Werkzeug für die mathematischen Operationen und die Erzeugung verschiedenster Präsentationsmöglichkeiten (auditiv, visuell) zur Verfügung. In Zusammenhang mit der Beschreibung der technischen Realisierung wird ein Einblick in die verwendeten Technologien, die datenbankbasierten Funktionen (Rollen- und Aufgabenkonzept) und die Integration der mathematischen Werkzeuge gegeben. Mit einer Diskussion der erreichten Ergebnisse und Überlegungen zu Weiterentwicklungen der Lernumgebung vPSM schließt die Arbeit ab.