There has been considerable interest in constructing pen-based intelligent tutoring systems due to the natural interaction metaphor and low cognitive load afforded by pen-based interaction. We believe that pen-based intelligent tutoring systems can be further enhanced by integrating animation techniques. In this work, we explore methods for recognizing and animating sketched physics diagrams. Our methodologies enable an Intelligent Tutoring System (ITS) to understand the scenario and requirements posed by a given problem statement and to couple this knowledge with a computational model of the student's handwritten solution. These pieces of information are used to construct meaningful animations and feedback mechanisms that can highlight errors in student solutions. We have constructed a prototype ITS that can recognize mathematics and diagrams in a handwritten solution and infer implicit relationships among diagram elements, mathematics and annotations such as arrows and dotted lines. We use natural language processing to identify the domain of a given problem, and use this information to select one or more of four domain-specific physics simulators to animate the user's sketched diagram. We enable students to use their answers to guide animation behavior and also describe a novel algorithm for checking recognized student solutions. We provide examples of scenarios that can be modeled using our prototype system and discuss the strengths and weaknesses of our current prototype. Additionally, we present the findings of a user study that aimed to identify animation requirements for physics tutoring systems. We describe a taxonomy for categorizing different types of animations for physics problems and highlight how the taxonomy can be used to define requirements for 50 physics problems chosen from a university textbook. We also present a discussion of 56 handwritten solutions acquired from physics students and describe how suitable animations could be constructed for each of them.

In der vorliegenden Arbeit werden Visualisierungsmethoden für das interaktive Erfassen und Strukturieren von Informationen im Kontext der Wissensmodellierung konzipiert und untersucht. Motiviert ist das Vorhaben durch das Interesse von Wissensarbeitern an unterstützenden Werkzeugen sowie von Unternehmen und Institutionen, unstrukturiertes Prozesswissen zu erfassen, zu strukturieren und intern für Optimierungszwecke verfügbar zu machen. Diese Problematik tritt domänenunabhängig auf. Die Herausforderung dabei ist, diese branchenübergreifend zu lösen. Die zwei wesentlichen Nachteile des Wissensmodellierungsprozesses sind zum einen die aufwendige Dateneingabe durch Benutzer und zum anderen der komplizierte Prozess der Wissensformalisierung. In den frühen Phasen bisheriger Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung verwenden Wissensarbeiter hauptsächlich Papier und Stift sowie Whiteboards, da digitale Systeme für diesen Zweck häufig zu inflexibel sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen digitalen Lösungsansatz zu präsentieren, welcher diese nachteiligen Aspekte verbessert. Das Thema wird dabei methodisch in drei Schritten bearbeitet. Zuerst werden aktuelle Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung sowie dabei verwendete Hilfsmittel analysiert. Basierend auf diesen Untersuchungen wird als theoretische Lösung die Methode der Freiform-Wissensmodellierung vorgestellt, welche eine Alternative zur Papierform und zu bisherigen digitalen Systemen darstellt. Das erarbeitete Konzept umfasst eine digitale, stiftbasierte Tablet-Computer-Anwendung, welche die Art und Weise der Darstellungen mittels Papier und Stift mit den Vorteilen der Veränderbarkeit und Datenspeicherung digitaler Systeme kombiniert. Um die theoretischen Überlegungen zu untermauern, werden zwei aufeinander aufbauende, prototypische Softwareanwendungen in der vorliegenden Arbeit entwickelt und vorgestellt (Auf Implementierungsarbeiten betreuter Studenten wird an den entsprechenden Stellen im Text verwiesen). Im Rahmen einer Laborstudie wird die entwickelte Methode der Freiform-Wissensmodellierung, welche den Softwareanwendungen zugrunde liegt, mit der Verwendung von Stift und Papier verglichen. Da bis dato keine derartige Vergleichsstudie zwischen Papier und Tablet-Computer gefunden werden konnte, wird anforderungsgeleitet ein spezieller Studienaufbau entwickelt. Dieser kann zukünftig für andere Forschungsvorhaben verwendet werden. Die Ergebnisse belegen, dass die digitale Anwendung zur Freiform-Wissensmodellierung in ihren Möglichkeiten eine hohe Ähnlichkeit zur Verwendung von Papier und Stift aufweist. Sie eignet sich daher in besonderem Maße zur Unterstützung der frühen Phasen der Wissensmodellierung. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie werden darüber hinaus Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für die wichtigsten Kritikpunkte wird ein weiterentwickeltes Konzept vorgestellt. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein in der Praxis auf Tablet-Computern anwendbares Konzept zur Wissensmodellierung. Dieses steht als prototypische Umsetzung zur Verfügung. Das entwickelte Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ermöglicht jedem Benutzer (egal ob Laie oder Experte in grafischer Gestaltung oder in technischer Repräsentation) Gedanken visuell zu strukturieren und diese synchron in einem passenden Datenmodell abzulegen. Durch die Visualisierungsmethode der Freiformen wird die Struktur der Daten und der Aufbau der Informationen bereits durch die visuelle Oberfläche für den Benutzer und das System gleichermaßen „ersichtlich”. Das System erkennt die hierarchische Verschachtelung und Gruppierung von Informationen. Der darunterliegende Aufbau sowie die Struktur der Daten werden vom System grafisch explizit gezeigt, sodass ein Anwender zu jederzeit sieht, welche Struktur das System „verstanden” hat. So kann diese „entindividualisierte” Struktur der Inhalte auch von anderen Benutzern nachvollzogen werden. Dies erlaubt ein grundlegendes kooperatives Arbeiten. Das Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ist dabei (ähnlich wie Whiteboards oder Papier und Stift) vom Anwendungsfall unabhängig einsetzbar. Die vorliegende Arbeit bietet einen neuartigen Ansatz, temporäre Informationen bereits im Verlauf der Wissensmodellierung digital festzuhalten und schrittweise weiterzuentwickeln. In der durchgeführten Studie wurden sämtliche von Probanden erstellte Typen grafischer Objekte ermittelt. Zukünftige Forschungsarbeiten können darauf aufbauend die softwareseitige Erkennung und Verarbeitung von handgezeichneten Inhalten verbessern. Somit bietet die vorliegende Arbeit die Grundlage für eine neue Generation unterstützender digitaler Werkzeuge für Wissensarbeiter.

In der vorliegenden Arbeit werden Visualisierungsmethoden für das interaktive Erfassen und Strukturieren von Informationen im Kontext der Wissensmodellierung konzipiert und untersucht. Motiviert ist das Vorhaben durch das Interesse von Wissensarbeitern an unterstützenden Werkzeugen sowie von Unternehmen und Institutionen, unstrukturiertes Prozesswissen zu erfassen, zu strukturieren und intern für Optimierungszwecke verfügbar zu machen. Diese Problematik tritt domänenunabhängig auf. Die Herausforderung dabei ist, diese branchenübergreifend zu lösen. Die zwei wesentlichen Nachteile des Wissensmodellierungsprozesses sind zum einen die aufwendige Dateneingabe durch Benutzer und zum anderen der komplizierte Prozess der Wissensformalisierung. In den frühen Phasen bisheriger Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung verwenden Wissensarbeiter hauptsächlich Papier und Stift sowie Whiteboards, da digitale Systeme für diesen Zweck häufig zu inflexibel sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen digitalen Lösungsansatz zu präsentieren, welcher diese nachteiligen Aspekte verbessert. Das Thema wird dabei methodisch in drei Schritten bearbeitet. Zuerst werden aktuelle Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung sowie dabei verwendete Hilfsmittel analysiert. Basierend auf diesen Untersuchungen wird als theoretische Lösung die Methode der Freiform-Wissensmodellierung vorgestellt, welche eine Alternative zur Papierform und zu bisherigen digitalen Systemen darstellt. Das erarbeitete Konzept umfasst eine digitale, stiftbasierte Tablet-Computer-Anwendung, welche die Art und Weise der Darstellungen mittels Papier und Stift mit den Vorteilen der Veränderbarkeit und Datenspeicherung digitaler Systeme kombiniert. Um die theoretischen Überlegungen zu untermauern, werden zwei aufeinander aufbauende, prototypische Softwareanwendungen in der vorliegenden Arbeit entwickelt und vorgestellt (Auf Implementierungsarbeiten betreuter Studenten wird an den entsprechenden Stellen im Text verwiesen). Im Rahmen einer Laborstudie wird die entwickelte Methode der Freiform-Wissensmodellierung, welche den Softwareanwendungen zugrunde liegt, mit der Verwendung von Stift und Papier verglichen. Da bis dato keine derartige Vergleichsstudie zwischen Papier und Tablet-Computer gefunden werden konnte, wird anforderungsgeleitet ein spezieller Studienaufbau entwickelt. Dieser kann zukünftig für andere Forschungsvorhaben verwendet werden. Die Ergebnisse belegen, dass die digitale Anwendung zur Freiform-Wissensmodellierung in ihren Möglichkeiten eine hohe Ähnlichkeit zur Verwendung von Papier und Stift aufweist. Sie eignet sich daher in besonderem Maße zur Unterstützung der frühen Phasen der Wissensmodellierung. Basierend auf den Erkenntnissen der Studie werden darüber hinaus Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für die wichtigsten Kritikpunkte wird ein weiterentwickeltes Konzept vorgestellt. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist ein in der Praxis auf Tablet-Computern anwendbares Konzept zur Wissensmodellierung. Dieses steht als prototypische Umsetzung zur Verfügung. Das entwickelte Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ermöglicht jedem Benutzer (egal ob Laie oder Experte in grafischer Gestaltung oder in technischer Repräsentation) Gedanken visuell zu strukturieren und diese synchron in einem passenden Datenmodell abzulegen. Durch die Visualisierungsmethode der Freiformen wird die Struktur der Daten und der Aufbau der Informationen bereits durch die visuelle Oberfläche für den Benutzer und das System gleichermaßen „ersichtlich”. Das System erkennt die hierarchische Verschachtelung und Gruppierung von Informationen. Der darunterliegende Aufbau sowie die Struktur der Daten werden vom System grafisch explizit gezeigt, sodass ein Anwender zu jederzeit sieht, welche Struktur das System „verstanden” hat. So kann diese „entindividualisierte” Struktur der Inhalte auch von anderen Benutzern nachvollzogen werden. Dies erlaubt ein grundlegendes kooperatives Arbeiten. Das Konzept der Freiform-Wissensmodellierung ist dabei (ähnlich wie Whiteboards oder Papier und Stift) vom Anwendungsfall unabhängig einsetzbar. Die vorliegende Arbeit bietet einen neuartigen Ansatz, temporäre Informationen bereits im Verlauf der Wissensmodellierung digital festzuhalten und schrittweise weiterzuentwickeln. In der durchgeführten Studie wurden sämtliche von Probanden erstellte Typen grafischer Objekte ermittelt. Zukünftige Forschungsarbeiten können darauf aufbauend die softwareseitige Erkennung und Verarbeitung von handgezeichneten Inhalten verbessern. Somit bietet die vorliegende Arbeit die Grundlage für eine neue Generation unterstützender digitaler Werkzeuge für Wissensarbeiter.:1 Einleitung 2 Grundlagen und Begriffe 2.1 Überblick der Einflussfaktoren 2.2 Der Wissensbegriff 2.2.1 Grenzen der Definierbarkeit 2.2.2 Theoretische Ansätze 2.2.3 Arbeitsdefinition von Wissensarten 2.2.4 Abgrenzung der Wissensarten 2.3 Wissensmodellierung 2.3.1 Sinnerschließung 2.3.2 Wissensformalisierung 2.3.3 Problem der semantischen Lücke 2.4 Wissensrepräsentation 2.4.1 Interne (mentale) Repräsentation 2.4.2 Externe Repräsentation 2.5 Zusammenfassung der Grundlagen und Begriffe 3 Praxisanalyse der Wissensmodellierung 3.1 Relevanz der Arbeit mit Wissen 3.2 Rollen von Wissensarbeitern 3.3 Arbeitsprozesse der Wissensmodellierung 3.3.1 Sinnerschließung als Arbeitsprozess 3.3.2 Wissensformalisierung als Arbeitsprozess 3.4 Stand der Forschung und Technik 3.4.1 Durchgeführte Befragungen von Wissensarbeitern 3.4.2 Werkzeuge zur Sinnerschließung 3.4.3 Werkzeuge zur Wissensformalisierung 3.5 Probleme und Herausforderungen aktueller digitaler Systeme 3.6 Lösungsansatz: Freiform-Wissensmodellierung 3.6.1 Formalästhetische Orientierung an der Praxis 3.6.2 Menschzentrierte Gestaltung der Prozesse und Systeme 3.6.3 Definition Freiform-Wissensmodellierung 3.6.4 Basis-Editor 3.6.5 Formalisierungs-Editor 3.7 Zusammenfassung der Praxisanalyse 4 Anforderungsspezifikation zum Basis-Editor 4.1 Anforderungen aus Benutzersicht 4.2 Anforderungen aus softwaretechnischer Sicht 4.3 Einordnung verwandter Arbeiten 4.3.1 Pinnwandsysteme mit planarer Anordnung 4.3.2 Systeme mit Netzwerkvisualisierungen 4.3.3 Systeme mit hierarchischer Repräsentation 4.3.4 Mischsysteme 4.3.5 Übersicht verwandter Arbeiten 5 SketchViz: ein Basis-Editor zur Sinnerschließung 5.1 Konzeption SketchViz 5.1.1 Paper Prototyping zur Konzeptentwicklung 5.1.2 Fokussierte Hardware: Tablet-Computer 5.1.3 Anforderungsbezogene Funktionen 5.1.4 Interaktionskonzept von SketchViz 5.1.5 Benutzeroberfläche von SketchViz 5.2 Umsetzung von SketchViz 5.2.1 Modularer Systemaufbau 5.2.2 Realisierung eines Prototyps 5.3 Fazit SektchViz 6 Vergleichsstudie zwischen SketchViz und Papier 6.1 Ziel der vorliegenden Untersuchung 6.1.1 Verwandte Studien 6.1.2 Zielsetzung der Studie 6.2 Untersuchungsaufgabe 6.2.1 Anforderungen an die Untersuchungsaufgabe 6.2.2 Verwandte Aufgabentypen 6.2.3 Aufbau der Untersuchungsaufgabe 6.3 Stichprobe 6.4 Studien-Design 6.4.1 Untersuchungsaufbau und Apparatur 6.4.2 Untersuchungsablauf 6.5 Fragestellungen der Laborstudie 6.5.1 Veränderungshandhabung 6.5.2 Übersichtlichkeit 6.5.3 Interaktion 6.5.4 Darstellungsformen 6.6 Ergebnisse 6.6.1 Ergebnisse bezüglich Veränderungshandhabung 6.6.2 Ergebnisse bezüglich Übersicht 6.6.3 Ergebnisse bezüglich Interaktion 6.6.4 Ergebnisse bezüglich Darstellungsformen 6.7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 6.7.1 Eignung zur Unterstützung von Sinnerschließungsprozessen 6.7.2 Erreichte Ähnlichkeit zwischen SketchViz und Papier 6.7.3 Studienkritik 7 Weiterentwicklung SketchViz 7.1 Anforderungen aus den Ergebnissen der Evaluation von SketchViz 7.2 Suche nach einer formalästhetisch orientierten Visualisierungsmethode 7.3 Methodenbeschreibung zur Exploration natürlicher Materialien 7.4 Analyse der Experimentergebnisse mit fluiden Materialien 7.4.1 Interaktion mit fluiden Materialien 7.4.2 Visuelle Eigenschaften fluider Materialien 7.5 Übertragung physischer Eigenschaften fluider Materialien ins Digitale 7.5.1 Themenzuordnung 7.5.2 Hierarchiebildung 7.5.3 Veränderbarkeit 7.6 Fazit des weiterentwickelten Konzepts 8 Formalisierungs-Editor 8.1 Analyse des Arbeitsablaufs der Wissensformalisierung 8.2 Ontologien und deren Herausforderungen 8.2.1 Beispiel einer formalisierten Organisationsstruktur 8.2.2 Herausforderungen bei der Verwendung von Ontologien 8.3 Ein Formalisierungs-Editor basierend auf SketchViz 8.3.1 Arbeitsablauf mit Formalisierungs-Editor 8.3.2 Systemaufbau Formalisierungs-Editor 8.4 Erweiterte Anforderungen bezüglich des Formalisierungs-Editors 8.4.1 Übersicht bestehender und erweiterter Anforderungen 8.4.2 Beschreibung der erweiterten Anforderungen 8.5 Verwandte Arbeiten zur Wissensformalisierung 8.6 Prototypische Umsetzung des Formalisierungs-Editors 8.6.1 Modularer Aufbau von OntoSketch 8.6.2 Anforderungen zur Umsetzung 8.6.3 Realisierung von OntoSketch durch Schneider 8.7 Fazit OntoSketch 8.7.1 Übergang zwischen Sinnerschließung und Wissensformalisierung 8.7.2 Gegenüberstellung von SketchViz und OntoSketch 8.7.3 Gegenüberstellung zwischen OntoSketch und bisherigen menügesteuerten Werkzeugen 9 Zusammenfassung und Ausblick 9.1 Zusammenfassung 9.2 Ausblick A Anhang A.1 Publikationsliste A.2 Preisauszeichnungen A.3 Dokumente und Fragebögen zur SketchViz Evaluation A.4 Handouts Natural Interface Exploration Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Glossar Index