Im von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt "VirtLab" entwickelt OFFIS seit September 2000 softwaretechnische Konzepte, die die Entwicklung virtuelle Praktika quantitativ und qualitativ verbessern sollen. Denn so faszinierend das Arbeiten und Lernen in virtuellen Laboren auch ist, ein Hauptproblem ist bislang die aufwändige und enorm kostspielige Entwicklung solcher Softwaresysteme. Ein Grund hierfür ist die Heterogenität des Entwicklungsteams:

 

Informatiker sind für den technischen Entwurf und die Implementierung zuständig. Fachexperten (Chemiker, Physiker, Gentechniker, ...) bringen ihr Wissen über die Inhalte, die Laborausstattung und -benutzung sowie die teilweise sehr komplexen Experimentabläufe ein. Weiterhin sind Didaktiker verantwortlich für eine qualitativ hochwertige didaktische Aufbereitung und Nutzungsweise des Inhalts. Besondere Probleme, die hier berücksichtigt werden müssen, sind die Freiheiten der späteren Nutzer beim virtuellen Experimentieren: Inwieweit und wann soll das System Hilfestellung geben? Sollen die Nutzer Fehler machen dürfen und wie und wann reagiert das System darauf? Und Medien-Spezialisten schließlich sorgen für eine ansprechende Gestaltung. Insbesondere sind 3D-Modellierungsspezialisten für die Abbildung realer Labore in die virtuelle Realität erforderlich. Animationsspezialisten kommt die Aufgabe zu, naturwissenschaftliche Prinzipien und Vorgänge zu visualisieren und damit die Brücke zwischen Praxis und Theorie zu schlagen.

 

Im Rahmen des GenLab-Projektes wurde die Erfahrung gemacht, dass Monate vergehen, ehe dieses interdisziplinäre Team eine gemeinsame Vorstellung vom Entwicklungsprozess und dem geplanten Produkt hat. Es fehlen Modelle, die definieren, wann welche Personen welche Aufgaben zu erledigen haben, und spezielle einheitliche Notationen, die die Ergebnisse der Aktivitäten in einer für alle Beteiligten verständlichen Form festhalten. In der ersten Teilphase des VirtLab-Projekts wird deshalb zunächst auf Grundlage des Rational Unified Process ein Vorgehensmodell zur Entwicklung virtueller Labore erarbeitet, das den speziellen Anforderungen der Entwicklung solcher Softwaresysteme gerecht wird. Im Detail soll das Vorgehensmodell folgende Anforderungen erfüllen:

 

Unterteilung des Entwicklungsprozesses in mehrere Phasen mit festdefinierten Meilensteinen,

Identifikation der durchzuführenden Aktivitäten und der zu erzielenden Ergebnissen (Dokumente, Software),

Zuordnen von Rollen zu den einzelnen Aktivitäten,

Bereitstellen von Anleitungen, Richtlinien und Methoden für die einzelnen Aktivitäten,

Definition und Koordination von Workflows,

Integration einer Notation zur Repräsentation von Ergebnissen, Bereitstellen von Guidelines, Templates, Handbüchern und Beispielen zur Anwendung des Vorgehensmodells.

Als Projektziel soll dann eine homogene CASE-Umgebung mit graphisch-interaktiven Tools geschaffen werden, die auf dieses Vorgehensmodell abgestimmt ist. Bis dahin sind jedoch noch andere Teilprobleme zu lösen. So stellen der Entwurf und das Implementieren von Experimentabläufen eine große Herausforderung für den Softwareentwickler dar. Modelliertechnisch stellt ein Experiment ein komplexes Zusammenspiel vieler Faktoren dar. Mischt ein Nutzer bspw. in einem virtuellen Chemie-Labor zwei Substanzen, so ist das Ergebnis u.a. abhängig von der Umgebung (Temperatur, Druck, ...) und den Mengen und Typen der beiden Substanzen. Das Reaktionsprodukt kann wiederum Ausgangsprodukt weiterer Experimente sein. Für die Durchführung eines Experimentes sind bestimmte Geräte und Materialien notwendig. Unter Umständen muss der Nutzer Sicherheitsvorkehrungen beachten (Experiment unter Abzug durchführen, Schutzbrille tragen, ...). Wenn der Nutzer dann zusätzlich noch wie im realen Labor Fehler machen können soll, wächst die zu verwaltende Zustandsmenge exponentiell.

 

Um den softwaretechnischen Entwicklungsprozess virtueller Experimente handhabbar zu machen, sind dringend spezielle Entwurfs- und Implementierungshilfsmittel erforderlich, die diese Komplexität reduzieren. Geeignet erscheinen hierzu auf der Programmierebene Design-Patterns und objektorientierte Frameworks zu sein, die abstrakte Strukturen, Zusammenhänge und Versuchsabläufe kapseln, sowie auf einer höheren Ebene spezielle Spezifikationssprachen.