Generierung interaktiver Animationen für den Übersetzerbau

Abstract

Der Einsatz generischer bzw. generativer Verfahren zur Entwicklung und Anwendung interaktiver Lehr- und Lernsoftware wurde in Industrie und Ausbildung bislang kaum untersucht. Diese Arbeit befaßt sich mit der Visualisierung bzw. Animation von Algorithmen und Programmen, insbesondere von komplexen Berechnungsmodellen im Übersetzerbau, sowie mit der Verwendung generierter Animationen in Lehr- und Lernsoftware. Eigenschaften klassischer und aktueller Algorithmenanimationssysteme werden hierzu untersucht und klassifiziert. Ausgehend von den Eigenschaften dieser Systeme wird eine Reifikationstechnik vorgestellt, die der Softwarevisualisierung vollkommen neue Möglichkeiten eröffnet, z. B. die Animationssteuerung der Besuchsfolge von Schleifen oder die Vermischung von post mortem- und live-Visualisierungen. Zusätzlich unterstützt diese Technik zahlreiche mächtige Konzepte, die in klassischen Systemen ebenfalls realisiert wurden, wie etwa die parallele Ausführung von Programmpunkten mitsamt der damit verbundenen Animationen. Die Technik wurde in einem Framework, genannt Ganimal, implementiert. Es besteht aus der Animationsbeschreibungssprache Ganila mit zugehörigem Compiler und einer Laufzeitumgebung. Ganila erweitert die Programmiersprache Java um Animationsannotationen und ermöglicht so die Spezifikation komplexer, interaktiver Animationen. Mit Ganimal entwickelte Animationen wurden in eine Lehr- und Lernsoftware für ein Themengebiet des Übersetzerbaus integriert, die lokal und über das Internet verwendet werden kann. Im Übersetzerbau oftmals angewandte Techniken zur Generierung von Software wurden dazu genutzt, die in der Lernsoftware enthaltenen Animationen teilweise automatisch zu erzeugen. Dieser generative Ansatz wird in einen lerntheoretischen Rahmen eingeordnet und eine daraus resultierende, neue Form des explorativen Lernens propagiert. Eine Evaluation der Lernsoftware in Form von Lernexperimenten mit über 100 Probanden belegt ihre Lerneffzienz und schließt die Arbeit ab.

The use of generic and generative methods for the development and application of interactive educational software is a relatively unexplored area in industry and education. In this thesis novel concepts for visualization and animation of algorithms or programs are presented, especially the animation of complex computational models for compiler design, as well as the integration of the generated animations in educational software systems. Concepts of classical and recent algorithm animation systems are surveyed and classified. Based on these characteristics, a reification technique is introduced that provides novel possibilities in software visualization, such as animation control of loops or mixing live and post mortem visualization. This technique also supports numerous powerful concepts, thst have previously been implemented by classical algorithm animation systems, e.g. parallel execution of program points and associated animations. The technique has been implemented in a framework, called GANIMAL, consisting of the animation description language GANILA, a compiler and a runtime environment. GANILA extends the programming language JAVA by animation annotations and it supports the specification of complex interactive animations. Animations developed with GANIMAL have been embedded into a learning system for compiler design, which can be used locally or online. Advanced techniques for software generataion as used in compiler construction have been applied to the automatic generation of animations contained in the learning system. This generative approach is positioned within the scope of several educational theories and as a result a new way of explorative learning is propagated. An evaluation of the learning system based on experiments with more than 100 participants proves its efficiency and concludes this work.