Design and implementation of a collaborative virtual problem-based learning environment

This thesis describes the design and implementation of a collaborative virtual environment for distributed problem-based learning (PBL). Through an analysis of a real PBL scenario and the literature, the characteristics of PBL and requirements for the implementation of a collaborative virtual PBL environment are identified. In the light of activity theory, a conceptual framework to design virtual PBL environments is proposed. According to this framework, a conceptual architecture of a collaborative virtual PBL environment is developed, which consists of four modules: the virtual institute metaphor, the PBL-net, the PBL-protocol, and the PBL-plan. Each module realizes a concept that contributes to meet the requirements. The virtual institute metaphor inherits part of the culture used in traditional learning environments. It supports social orientation, group awareness, rich forms of social interaction, and customization of learning context. The PBL-net provides a PBL-specific graphical knowledge representation language. It facilitates the representation, exploration, and negotiation of shared knowledge in PBL-processes. The PBL-protocol supports to guide and control behaviors of each role in each state of the PBL process. It mediates PBL processes at the operation level and coordinates the contributions of people based on the distribution of the subjects. The PBL-plan enables end-users to define, execute, and monitor their own learning plans. It mediates PBL processes at the action level and coordinates the contributions of people based on the distribution of the objects. This architecture has been implemented as a prototype, called CROCODILE, which demonstrates the concepts. In CROCODILE, a cooperative hypermedia model is applied and extended. In comparison with existing PBL systems, CROCODILE emphasizes the roles of cultural and social factors in PBL processes. The direction of future work aims at developing an integrated environment to support an integration of collaborative work and collaborative learning.

Diese Doktorarbeit stellt Entwurf und Implementierung einer kooperativen virtuellen Umgebung für verteiltes problem-basiertes Lernen (PBL) dar. In der Arbeit werden die Hauptcharakteristika von PBL und die wichtigsten Anforderungen für den Entwurf kooperativer virtueller Umgebungen für PBL identifiziert. Dies erfolgt durch Analyse eines realen PBL Szenarios und der Literatur. Basierend auf der "Activity Theory" wird in der Arbeit ein konzeptionelles Framework für den Entwurf kooperativer virtueller Umgebungen für PBL vorgeschlagen. Gemäß diesem konzeptionellen Framework wird eine konzeptionelle Architektur für kooperative virtuelle Umgebungen für PBL entworfen. Diese Architektur besteht aus vier Modulen: der Methapher des "Virtuellen Instituts", dem PBL-Protokoll, dem PBL-Netz und dem PBL-Plan. Jedes dieser vier Module realisiert ein Lösungskonzept, das zur Erfüllung der Anforderungen beiträgt. Die Metapher des virtuellen Instituts erbt einen Teil der Kultur, wie sie in realen Lernumgebungen existiert. Sie unterstützt die soziale Orientierung, Gruppenbewusstsein, reiche Formen sozialer Interaktion und die Anpassung der Lernumgebung. Das PBL-Netz bietet eine PBL-spezifische Sprache zur Wissensrepräsentation. Es unterstützt die Darstellung, Erforschung und die Abstimmung über gemeinsames Wissen in PBL-Prozessen. Das PBL-Protokoll unterstützt die Führung und Kontrollierung des Verhaltens der jeweiligen Rollen. Es steuert den PBL-Prozess auf der Operationsebene und koordiniert die Beiträge der Teilnehmer aufgrund der Verteilung von Subjekten. Der PBL-Plan entlastet die Benutzer bei der Erstellung, Ausführung und Überwachung von Aktionsplänen. Es steuert den PBL-Prozess auf der Aktionsebene und koordiniert die Beiträge der Teilnehmer aufgrund der Verteilung von Objekten. Diese Architektur ist als ein Prototyp, genannt CROCODILE, realisiert worden, der die Lösungskonzepte demonstriert. In CROCODILE wird das kooperative Hypermedia-Modell erweitert und verwendet. In Vergleich zu anderen PBL Systemen betont CROCODILE die Unterstützung vom kulturellen und sozialen Aspekt in kooperativen PBL-Prozessen. Die zukünftigen Forschungsthemen zielen auf die Entwicklung einer integrierten Umgebung zur Integration von kooperativem Arbeiten und kooperativem Lernen.