Lernsoftware für Operations-Research-Methoden – Konzeption von Software für die spezifischen Anforderungen des Selbstlernens von Methoden des Operations Research

Abstract

Digital learning formats and environments play an increasingly important role, both as a supplement to and a substitute for traditional forms of teaching. The Corona pandemic is accelerating this process to a far-reaching extent, particularly in the field of teaching. The development of digital learning arrangements is often oriented towards mainly technological aspects, neglecting didactic approaches and developments. However, it is precisely these that make a significant contribution to the learning process and the desired learning outcome. This also applies to teaching in the field of Operations Research (OR), the core of which is, among other things, the use of quantitative methods to solve economic problems. The teaching of methods in this area involves numerous learning requirements and special features that must also be taken into account when developing digital forms of learning. Considering this fact, the aim of this thesis is to design a concept for the development of a learning software for the methodology of Operations Research on the basis of learning theory findings and suitable didactic models. For this purpose, an introduction to the field of OR is given first. After considering the development over time and the basic approach of OR, the focus is on the modeling and solution methods of this field, followed by a common classification of OR methods. In order to work out the specifics of OR methods as a learning object, common learning requirements of individual method classes are considered. In addition, a comparison of typical learning requirements of selected OR methods is provided. For more detailed consideration, Dikin’s interior point method is selected for exemplary analysis and described in terms of its approach and the resulting learning requirements. This is followed by explaining the idea of using educational software for learning OR methods. Also, the choice of the mentioned method is justified. For the pedagogical-didactic foundation of the conception of learning software, an overview of the most important learning theories and the basic didactical models is given. The field of media didactics with the transfer of general pedagogical-didactic basics to media forms of learning is considered separately. Since learning software is to be seen as a form of e-learning, an introduction to this area is given. The concept of learning software comes to the fore in order to be able to deal with its various ideal-typical manifestations and characteristic features. General criteria for the suitability of e-learning are presented and analyzed with regard to the use case of OR methods. To this end, the special significance of learning software in the design of e-learning applications is also highlighted. Since the core of this thesis is the development of an learning software didactics for Dikin’s interior point method chosen as a demonstration example, general principles for the design of an educational software, starting with the idea and the original model of instructional design by Gagné, are given first. This is followed by a consideration and investigation of selected situationist models in order to derive conclusions for the concrete software design in the given case. In addition, conclusions for the design of an educational software for the chosen method are drawn from the respective learning requirements. These are then incorporated into the development of the basic didactic structure, which follows Kerres’ 3-2-1 model of didactic elements. The didactic design of the learning software is worked out in detail. Special attention is paid to interactivity and flow control in the learning software. The benefits of different forms of interaction for the learning progress and the learning goal as well as the possibilities to design individual learning paths are considered. Furthermore, the ways in which learning software can influence learner motivation are discussed and corresponding findings are incorporated into the implementation. Thus, in this thesis it is shown that learning software for the methodology of the OR can also be conceptualized under consideration of learning theory insights and corresponding didactic models. In a further step, the opportunities and challenges of learning software, especially in the methodology of the OR, which is the focus of this work, are examined. Tasks, goals and forms of evaluation are shown, quality criteria for multimedia learning and information systems are defined and current methods and models of evaluation are considered. Based on this, on the one hand, the limitations of digital forms of learning with a special focus on their use in methodology and, on the other hand, the resulting computer didactic potentials are identified and described. Finally, an outlook on future developments of specific learning software for Operations Research methods is given.

Digitale Lernformate und -umgebungen nehmen als Ergänzung zu klassischen Unterrichtsformen und auch als deren Ersatz eine immer größere Rolle ein. Die Corona-Pandemie beschleunigt diesen Vorgang in einem weitreichenden Ausmaß. Die Entwicklung digitaler Lernarrangements orientiert sich jedoch häufig an überwiegend technologischen Aspekten und vernachlässigt dabei didaktische Ansätze und Entwicklungen. Gerade aber diese tragen wesentlich zu einem erfolgreichen Lernprozess bei. Dies gilt auch für die Lehre im Fachgebiet des Operations Research (OR), dessen Kern unter anderem der Einsatz quantitativer Methoden zur Lösung wirtschaftswissenschaftlicher Problemstellungen ist. Die Methodenlehre in diesem Bereich wartet mit zahlreichen Lernanforderungen und Besonderheiten auf. Unter deren Berücksichtigung wird mit dieser Arbeit das Ziel verfolgt, eine Konzeption für den Aufbau einer Lernsoftware für die Methodenlehre des Operations Research auf der Grundlage lerntheoretischer Erkenntnisse und geeigneter didaktischer Modelle zu entwerfen. Dazu findet zunächst eine Einführung in das Fachgebiet des OR statt. Nach der Betrachtung der zeitlichen Entwicklung und des Grundansatzes des OR stehen die Modellierungs- und Lösungsmethoden dieses Fachgebiets im Mittelpunkt, gefolgt von einer gängigen Klassifikation der Methoden des OR. Um die Spezifika von OR-Methoden als Lerngegenstand herausarbeiten zu können, werden gemeinsame Lernanforderungen einzelner Methodenklassen betrachtet. Zudem erfolgt ein Vergleich typischer Lernanforderungen ausgewählter OR-Methoden. Zur detaillierteren Betrachtung wird das Innere-Punkt-Verfahren von Dikin zur exemplarischen Analyse ausgewählt und in seiner Vorgehensweise sowie den daraus resultierenden Lernanforderungen beschrieben. Anschließend folgen Ausführungen zur Idee des Einsatzes von Lernsoftware für das Erlernen von OR-Methoden. Für die pädagogisch-didaktische Grundlegung der Konzeption von Lernsoftware erfolgt eine Übersicht der wichtigsten Lerntheorien und der grundsätzlichen didaktischen Modelle. Gesondert wird dabei der Bereich der Mediendidaktik mit der Übertragung allgemeiner pädagogisch-didaktischer Grundlagen auf mediale Lernformen betrachtet. Da Lernsoftware als eine Form des E-Learning zu sehen ist, erfolgt eine Einführung in diesen Bereich. Auch wird der Begriff der Lernsoftware in den Vordergrund gerückt, um auf deren diverse idealtypische Ausprägungen und Merkmale eingehen zu können. Allgemeine Kriterien für die Eignung von E-Learning werden vorgestellt, bevor diese dann im Hinblick auf den Anwendungsfall der OR-Methoden analysiert werden. Hierzu wird speziell auch die besondere Bedeutung von Lernsoftware in der Konzeption von E-Learning-Anwendungen herausgestellt. Um dann auf den Kern der Arbeit – die Entwicklung einer Lernsoftware-Didaktik für die als Demonstrationsbeispiel ausgewählte Innere-Punkt-Methode – zu kommen, werden zunächst allgemeine Grundlagen zum Entwurf einer Lernsoftware, beginnend mit der Idee und dem Urmodell des Instructional Design von Gagné, angeführt. Danach folgt eine Betrachtung und Untersuchung ausgewählter situationistischer Modelle, um daraus Folgerungen für die konkrete Software-Gestaltung abzuleiten. Auch werden auf Basis der relevanten Lernanforderungen Konsequenzen für die Konzeption einer Lernsoftware zur ausgewählten Methode gezogen. Diese fließen in die Entwicklung der didaktischen Grundstruktur, die nach dem 3-2-1-Modell didaktischer Elemente von Kerres erfolgt, ein. Die didaktische Ausgestaltung der Lernsoftware wird im Detail erarbeitet und beschrieben. Besonderes Augenmerk wird auf die Interaktivität und die Ablaufsteuerung in der Lernsoftware gerichtet. Dabei werden neben dem Nutzen verschiedener Interaktionsformen für den Lernfortschritt und das Lernziel auch Möglichkeiten zur Gestaltung individueller Lernwege berücksichtigt. Zudem werden Optionen der Einflussnahme einer Lernsoftware auf die Motivation der Lernenden erörtert und entsprechende Erkenntnisse bei der Umsetzung berücksichtigt. So wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich Lernsoftware für die Methodenlehre des OR auch unter Berücksichtigung lerntheoretischer Erkenntnisse und entsprechender didaktischer Modelle konzipieren lässt. In einem weiteren Schritt werden die Chancen und Herausforderungen von Lernsoftware, insbesondere in der im Mittelpunkt dieser Arbeit stehenden Methodenlehre des OR untersucht. Dabei werden Aufgaben, Ziele und Formen der Evaluation aufgezeigt, Qualitätskriterien für multimediale Lern- und Informationssysteme festgelegt und aktuelle Verfahren und Modelle der Evaluation betrachtet. Darauf aufbauend werden einerseits die Grenzen digitaler Lernformen mit besonderem Fokus auf deren Einsatz in der Methodenlehre des OR und andererseits die sich ergebenden computerdidaktischen Potentiale identifiziert und beschrieben. Zum Abschluss wird ein Ausblick künftiger Entwicklungen spezifischer Lernsoftware für die Methoden des Operations Research gegeben.