Masterarbeit, abgeschlossen - Aktuelles

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Fakultät Informatik
Institut für Software- und Multimediatechnik
AG Didaktik der Informatik / Lehrerbildung
Masterarbeit
zum Thema
Werkzeuge zur Spieleentwicklung und deren Eignung
für den Unterricht
vorgelegt von:
Matrikelnummer.:
Abgabetermin:
Copyright TU Dresden, Marcello Montemaggi
Marcello Montemaggi
(Geboren am 21.02.1984 in München)
3520265
04.02.2014
Aufgabenstellung
Thema:
Informatikunterricht ist stets geprägt durch handlungsorientierten Unterricht, welcher
meistens durch die Arbeit am Computer umgesetzt wird. Die Qualität dieses Unterrichts
und die Motivation der Schüler gehen dabei immer auch damit einher, inwieweit die im
Unterricht verwendeten Programme geeignet sind, um damit die in den Lernzielen festgelegten informatischen Sachverhalte zu vermitteln.
Somit ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der Motivation der Schüler und den
verwendeten IT-Werkzeugen. Sinnvoll wäre die Verwendung von Programmen, die sich
für die Vermittlung der gewünschten Lerninhalte eignen und dabei gleichzeitig Interesse
bei den Schülern wecken bzw. bereits existierende Interessen der Schüler aufgreifen,
ohne die aus didaktischer und methodischer Sicht vermutete Eignung des Werkzeugs zu
verlieren.
Bei Software, die dieses Kriterium erfüllen könnte, handelt es sich um Werkzeuge, die
für die Spieleentwicklung konzipiert wurden. Ziel dieser Arbeit soll sein, einige solcher
Programme, welche speziell für die Erstellung von einfachen 2D-Videospielen bzw.
Animationen konzipiert sind, hinsichtlich ihrer Nützlichkeit für den schulischen (Informatik-)Unterricht zu untersuchen.
Die wissenschaftliche Analyse soll dabei unterscheiden bezüglich des Nutzens dieser
Programme, einerseits als Werkzeuge für Lehrer und Tutoren, um damit "serious games" oder "learning content" zu erstellen und andererseits als Hilfsmittel für die Schüler,
um bei der Verwendung dieser Art von Software für das Erstellen von Spielen, Kompetenzen zu entwickeln - in und außerhalb des Informatikunterrichts.
Betreuer: Dr. rer. nat. Holger Rohland
Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr. paed. habil. Steffen Friedrich
Institut: Software- und Multimediatechnik
Beginn am: 15.10.2013
Einzureichen am: 04.02.2014
Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
1.
2.
Einleitung.............................................................................................................................. 1
1.1
Zielsetzung.................................................................................................................... 2
1.2
Leitfragen...................................................................................................................... 3
1.3
Begriffsklärung ............................................................................................................. 4
1.4
Hypothesen: .................................................................................................................. 7
Möglichkeiten des Einsatzes von
Spielerstellungssoftwares............................................. 8
2.1
Lehrabsichten, Anwendung und Lernziele ................................................................... 8
2.2
Einsatzmöglichkeiten der Frameworks im Informatikunterricht................................ 12
2.3
Allgemeiner Nutzen der Werkzeuge zur Spieleentwicklung durch die Schüler ....... 14
2.3.1
Aktueller Einsatz von Frameworks im Unterricht.............................................. 14
2.3.2
Vergleichbarkeit des Einsatzes von Frameworks im Vergleich zum Einsatz
digitaler Lernspiele (serious games)................................................................................... 16
2.3.3
Vorteil der Motivation durch den Einsatz von Frameworks .............................. 18
2.3.4
Nachteile beim Einsatz von Frameworks ........................................................... 19
2.3.5
Digitale Lernspiele und Werkzeuge zur Spieleerstellung .................................. 19
2.3.6
Serious Games und Frameworks bezüglich ihrer Vorteile................................. 20
2.3.7
Serious Games und Frameworks bezüglich ihrer Nachteile............................... 21
2.4
Allgemeiner Nutzen der Werkzeuge zur Spieleentwicklung durch den Lehrer ........ 24
2.5
Auswahlkriterien der Werkzeuge zur Spieleerstellung .............................................. 25
2.5.1
Erläuterungen zu den ausschlaggebende Kriterien für die Untersuchung
ausgewählten Frameworks ................................................................................................. 27
2.5.2
Vernachlässigte Kriterien ohne Einfluss auf die Auswahl der untersuchten
Frameworks ........................................................................................................................ 30
2.5.3
2.6
2.6.1
Auswahl der Frameworks für die wissenschaftliche Untersuchung................... 37
Lehrplanbezug Informatik (Sächsischer LP Gymnasien)........................................... 38
Nutzen der Frameworks bezüglich der Bildungs- und Erziehungsziele des
sächsischen Lehrplans für Informatik an Gymnasien......................................................... 38
2.6.2
Nutzen der Frameworks bezüglich ausgewählter fachlicher Lernziele des
sächsischen Lehrplans für Informatik an Gymnasien......................................................... 42
2.7
3.
Untersuchungsmethode .............................................................................................. 48
Untersuchung der Frameworks........................................................................................... 50
3.1
3.1.1
Game Editor................................................................................................................ 56
Programmoberfläche: ......................................................................................... 56
Inhaltsverzeichnis
II
3.1.2
Programmierkonzepte:........................................................................................ 60
3.1.3
Bekannte und beliebte Spiele: ............................................................................ 61
3.1.4
Programmierbeispiel "Pacman":......................................................................... 61
3.1.5
Zusammenfassung "Game Editor" Framework .................................................. 64
3.2
LÖVE 2D.................................................................................................................... 65
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
Zusammenfassung LÖVE Framework ............................................................... 71
3.3
001 Game creator........................................................................................................ 72
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
Zusammenfassung 001 Game creator................................................................. 80
3.4
RPG Maker VX Lite................................................................................................... 81
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.4.4
3.4.5
Zusammenfassung RPG Maker VX Ace Lite .................................................... 88
3.5
Scratch ........................................................................................................................ 89
3.5.1
3.5.2
3.5.3
3.5.4
3.5.5
Zusammenfassung Scratch ................................................................................. 91
3.6
Auswertung................................................................................................................. 93
4.
Zusammenfassung .............................................................................................................. 95
5.
Glossar ................................................................................................................................ 97
6.
Literatur- und Quellenverzeichnis ...................................................................................... 99
7.
Anlagen:............................................................................................................................ 102
Abbildungsverzeichnis
III
Abb. 1: Programmierkonzepte der Scratch Projekte mit Scripten [Mal2008] .................................. 13
Abb. 2: Schriftliches Scripting im RPG Toolkit und grafisches Scripting im 001 Game Creator
[Quelle: Eigene]......................................................................................................................... 30
Abb. 3: Tileset einer Stadt mit Häusern [fsm]................................................................................... 31
Abb. 4: Karte einer Stadt welche mittels eines Tilesets erstellt wurde [Quelle: Eigene].................. 31
Abb. 5: Ordneransicht des vollständigen LÖVE Frameworks nach Extraktion [Quelle: Eigene]..... 33
Abb. 6: Bewegung eines Gegners auf einer Sinus-Kurve im NES Spiel Castlevania von Konami
[Quelle linkes Bild: Konami, Quelle rechtes Bild: http://www.lostgarden.com/]..................... 40
Abb. 7: Verstecktes Erstellen von Klassen bei der Erstellung von Actor Templates (Akteur Vorlagen)
im 001 Game Creator [Quelle: 001 Game Creator].................................................................. 44
Abb. 8: Ereignisauslöser im RPG Maker VX Ace Lite und in Scratch (Quelle: Eigene) ................. 52
Abb. 9: Pfade mit kurvig sowie linear verbundenen Punkten [Quelle: Eigene]................................ 57
Abb. 10: Regions zur Umsetzung von "Leveln" [Gedit4]................................................................. 57
Abb. 11: Eingabeaufforderung zur Erstellung eines Actors [Quelle: Eigene] .................................. 58
Abb. 12: Einstellungsmöglichkeiten für Actor [Gedit5] ................................................................... 58
Abb. 13: Mögliche Ereignisse [Quelle: Eigene]................................................................................ 59
Abb. 14: Variablen und Arrays unterschiedlichen Typs [Quelle: Eigene]........................................ 60
Abb. 15: Vorzeigespiel "Prince of Dragon" mit qualitativ hochwertigen 2D-Grafiken [Gedit7] ..... 61
Abb. 16: Auszug einer Umsetzung eines Pacman Spiels [Quelle: PacManGE] ............................... 62
Abb. 17: Funktionsübersicht des Projekts "PacMan GE" von JamesLeonardo32 [Quelle: Eigene]. 62
Abb. 18: Auswertung einer Tastatureingabe im Projekt "PacMan GE" [Quelle: Eigene] ................ 63
Abb. 19: Ereignisse und die Möglichkeit ihrer Auswirkungen [Quelle: Eigene] ............................. 63
Abb. 20: Beispielquellcode zum Zeichnen einer Grafik in LÖVE [Love2]...................................... 66
Abb. 21: Startbildschirm des Mari0 Spiels von Maurice Guégan [Quelle: mari0] ........................... 68
Abb. 22: Umsetzung einer Pacman-Karte in "Unnamed Pathman" von "Zer0" [Quelle: Eigene].... 69
Abb. 23: Fertiges Ergebnis der auf Bild Abbildung 22 definierten Pacman-Karte [Quelle: Eigene] 69
Abb. 24: Umsetzung einer Pacman-Karte in "pac-man" von Tesselode [Quelle: Eigene] ............... 70
Abb. 25: Auswahl eines Projekttemplates im 001 Game Creator [Quelle: Eigene].......................... 72
Abb. 26: Zusatzmenü für Interfaces [Quelle: Eigene]....................................................................... 73
Abb. 27: z-Ebene im 001 Game Creator [Quelle: Eigene]................................................................ 74
Abb. 28: Routen im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ................................................................. 75
Abb. 29: Script mit einer Endlosschleife im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ........................... 76
Abb. 30: Programmierkonzept der Koordination / Synchronisation [Scra4] .................................... 77
Abb. 31: Numerische Schleife im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ........................................... 78
Abb. 32: Darstellungsfehler im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ............................................... 80
Abb. 33: Beispiel einer freien Ressource von "Lunarea" [RPGM4] ................................................. 82
Abb. 34: Werkzeuge im RPG Maker VX Ace Lite [Quelle: Eigene] ................................................. 83
IV
Abb. 35: Funktionen der "Tools" Registrierkarte [Quelle: Eigene] .................................................. 83
Abb. 36: Scriptingbefehle im RPG Maker VX Ace Lite [Quelle: Eigene] ....................................... 84
Abb. 37: Screenshot aus dem Projekt von "Fomar0153" und "Indra" [Quelle: The Grumpy Knight]
................................................................................................................................................... 86
Abb. 38: Screenshot des Projekts von "anavn1" [Quelle: Pac-man the remake] .............................. 87
Abb. 39: 2D Mincraft Klon "Paper Minecraft" von "griffpatch" [Quelle: Paper Minecraft]............ 90
Abb. 40: Pacman Kostüm mit Hilfspunkt zur Kollisionsberechnung [Quelle: Eigene].................... 91
Abb. 41: Vermutliche Altersstruktur der Webseite www.rpg-atelier.net [Quelle: Eigene] ................ 7
Abb. 42: Anzahl von Spielvorstellungen/ Projekten und Anzahl der Diskussionsbeiträge des Forums
der Webseite "www.rpg-atelier.net" [Quelle: Eigene] ................................................................ 7
Abb. 43: tiled map editor zum effektiven Erstellen von Karten - hier unter Verwendung der freien
Ressourcen von REFMAP/First Seed Material [Quelle: Eigene] ............................................... 8
Abb. 44: Programmoberfläche des Game Editors [Quelle: Eigene] ................................................. 10
Abb. 45: Freie Arbeitsfläche mit den jederzeit sichtbaren Spieleinhalten [Quelle: Eigene]............. 11
Abb. 46: Schnellhilfe im Game Editor [Quelle: Eigene] .................................................................. 12
Abb. 47: Verfügbare Variablen und Funktionen im Game Editor [Quelle: Eigene] ........................ 13
Abb. 48: Funktionen des "graphics" Moduls und die Beschreibung der Funktion "draw" aus der
LÖVE Dokumentation [Quelle: Eigene].................................................................................... 14
Abb. 49: Teil der Dokumentation des LÖVE Frameworks zur Einteilung des Engine-internen
Koordinatensystems [Quelle: Eigene] ....................................................................................... 15
Abb. 50: Programmoberfläche des 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ......................................... 16
Abb. 51: Karteneigenschaften im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ........................................... 17
Abb. 52: Tile-Sets im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] .............................................................. 18
Abb. 53: Unterschiedliche Z-Ebenen im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ................................. 19
Abb. 54: Eigenschaften von Akteuren im Menü "Sprites" im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] 20
Abb. 55: Event Scripting im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ................................................... 21
Abb. 56: Grafisches Scripting im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ........................................... 22
Abb. 57: Auszug aus dem Projekt "Wolf Hunt" von meto munk [Quelle: Wolf Hunt] .................... 23
Abb. 58: 001 Game Creator Pacman Klon "My Little Pacman" von Ixayou [Quelle: My Little
Pacman] ..................................................................................................................................... 24
Abb. 59: Sprünge im grafischen Scripteditor sowie die Textform des Scripts [Quelle: Eigene]...... 25
Abb. 60: Arbeitsoberfläche des RPG Maker VX Ace Lite [Quelle: Eigene] ..................................... 26
Abb. 61: Scripting im RPG Maker VX Ace Lite im Sinne der imperativen Programmierung [Quelle:
Eigene]....................................................................................................................................... 27
Abb. 62: Manipulation von Bildgrafiken im RPG Maker VX Ace Lite [Quelle: Eigene].................. 28
Abb. 63: Beispiel von versteckten informatischen Konstrukten [Quelle: Eigene]............................ 29
Tabellenverzeichnis
VI
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Motivationsfaktoren von serious games nach Prensky [Pren2001, S.106] ........................... 17
Tab. 2: Übersicht über die durch das LÖVE Framework angebotenen Module [Love1].................. 65
Tab. 3: IDEs zur Verwendung des LÖVE Frameworks [Quelle: Eigene] ........................................ 66
Tab. 4: Mögliche Abfrage einer Tastatureingabe in einem LÖVE Projekt [Quelle: Eigene] ........... 70
Tab. 5: Beispiel für das Zeichnen der Pacman Spielfigur im in LÖVE umgesetzten Projekt "pacman" von Tesselode [Quelle: Eigene] ....................................................................................... 71
Tab. 6: Programmierkonzepte im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ............................................ 76
Tab. 7: Einschränkungen des RPG Maker VX Ace Lite [RPGM2] ................................................... 81
Tab. 8: Programmierkonzepte im 001 Game Creator [Quelle: Eigene] ............................................ 85
Tab. 9: Programmierkonzepte in den untersuchten Frameworks [Quelle: Eigene]........................... 93
Werkzeuge zur Spieleentwicklung
1.
Seite 1
Einleitung
Im Rahmen des Unterrichts an Schulen kann häufig die Motivation der Schüler ein Problem
darstellen. Sinnvoll erscheint deshalb stets ein handlungsorientierter Unterricht im Sinne des
Konstruktivismus, welcher die Schüler durch selbstständiges Arbeiten und Lösen von Problemen zu einem Kompetenzerwerb führt.
Während Lehrer in unterschiedlichen Schulfächern häufig noch auf die Unterrichtsmethode
des Lehrervortrags setzen um theoretische Inhalte zu vermitteln, stellt der Informatikunterricht eine Ausnahme dar, da hier eine rein theoretische Vermittlung ohne die Verwendung
eines Computers undenkbar wäre. Dies ist auch deshalb notwendig, weil ein Verstehen von
Informatiksystemen meist nur in der direkten Auseinandersetzung mit diesen möglich ist. Das
heißt, dass im Informatikunterricht neben einem geringen Anteil reinen angeleiteten Lernens
hauptsächlich selbstständig gearbeitet wird und auch gearbeitet werden sollte. Das hat zur
Folge, dass die im Unterricht verwendeten Werkzeuge eine zentrale Rolle für den erwünschten Kompetenzerwerb spielen.
Es findet also häufig ein solcher ganzheitlicher Unterricht statt, dessen Qualität dabei immer
auch davon abhängt, wie geeignet die jeweils verwendete Software ist, um damit bestimmte
informatische Sachverhalte zu vermitteln. Das hängt wiederum davon ab, wie die Programme
aufgebaut sind, welche Funktionen sie bieten und welche Verbindung zwischen ihnen und
dem Lerninhalt besteht.
Somit ergibt sich also auch ein didaktischer und lerntheoretischer Zusammenhang zwischen
der Motivation der Schüler und den verwendeten IT-Werkzeugen. Unterschiedliche Software
kann sich unterschiedlich gut für die Vermittlung eignen [vgl. Mod2011, S.36], da auch die
Arbeit damit verschieden stark motivierend ist. Schüler hinterfragen beispielsweise den Nutzen von Programmen, mit denen sie arbeiten sollen oder kennen Softwarealternativen, mit
denen sie bevorzugt arbeiten würden.
Sinnvoll wäre dabei die Verwendung von Programmen, die sich für die Vermittlung der gewünschten Lerninhalte eignen und dabei gleichzeitig Interesse bei den Schülern wecken bzw.
bereits existierende Interessen der Schüler aufgreifen, ohne auf ihre aus didaktischer und methodischer Sicht vermutete Eignung verzichten zu müssen. Positiv wäre es außerdem, wenn
eine Software, die zu diesem Zweck in der Schule zum Einsatz kommt, sich in ihrer Komplexität so einstellen lässt, dass sie sich für den Einsatz in mehreren Jahrgangsstufen eignet. Somit können damit in den jüngeren Schulklassen mit weniger Wissen einfachere Probleme gelöst werden, während in den höheren Klassen die Nutzung der grundlegenden
Programmfunktionen teilweise bekannt ist und sofort damit begonnen werden kann,
Seite 2
tionen teilweise bekannt ist und sofort damit begonnen werden kann, komplexere Aufgaben
zu bearbeiten.
So kommen auch andere Autoren zu dem Ergebnis, dass Werkzeuge auf die Anforderungen
der Lernenden zugeschnitten sein müssen:
"Werkzeuge sind dazu nötig, Inhalte des Informatikunterrichts zu realisieren. Daher
sind die Werkzeuge am angemessensten, die genau so viel können, wie für die Umsetzung der Inhalte nötig ist. Jedes mehr an Möglichkeiten ist für die Schüler eher verwirrend oder (insbesondere bei Entwicklungsumgebungen für Programmiersprachen) ablenkend." [Bur2000, S.45]
Hier sei als Beispiel dafür, wo eine solche Einstellbarkeit der Komplexität gewährleistet wird,
Lazarus for Education genannt, eine IDE für die Programmiersprache Pascal die den Compiler Free Pascal nutzt und eine individuelle einstellbare Komponentenauswahl ermöglicht
[oV1].
Zwar soll es auch das Ziel des Informatikunterrichts sein, solche Kompetenzen herauszubilden, die die Schüler darauf vorbereiten, sich selbst in unterschiedliche Programme einzuarbeiten zu können und deren allgemeine Gemeinsamkeiten in ihrer Gestaltung und in ihren Funktionsprinzipien zu verstehen. Jedoch muss dafür letztlich immer auf vereinzelte Software zurückgegriffen werden. Erst durch eine Vermittlung durch den Lehrer können Schüler dazu
befähigt werden, diese allgemeinen Zusammenhänge zu erkennen, zumal auch der Lerneffekt
zu beachten ist, der entsteht, wenn die Schüler bei der Wiederverwendung einer bereits bekannten Software ihre bisherigen Erfahrungen im Umgang mit dieser reflektieren können, um
damit zu neuen Erkenntnissen zu gelangen.
Bei Software, die diese Kriterien erfüllen könnten, handelt es sich um Werkzeuge, die für die
Spieleentwicklung konzipiert sind. Sie besitzen die Möglichkeit sich damit Kenntnisse und
Fertigkeiten aus dem Bereich der Informatik anzueignen, erlauben dabei dieses Wissen praktisch und für die Schüler erkennbar sinnvoll einzusetzen und sind andererseits stark verbunden mit dem weit verbreiteten Interesse an Video- bzw. Computerspielen. Ein sehr häufig
verwendetes, bekanntes und speziell in der informatischen Bildung verwendetes Beispiel ist
dabei die Software Scratch.
1.1 Zielsetzung
Ziel dieser Arbeit soll sein, einen Teil der im Internet angebotenen, freien Software, welche
für die Erstellung von einfachen 2D-Videospielen konzipiert sind, hinsichtlich ihrer Nützlichkeit im Unterricht an allgemeinbildenden Schulen - dabei besonders für den Informatikunterricht - zu untersuchen. Dabei soll auch ein Vergleich mit dem Werkzeug Scratch stattfinden,
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dessen Intention es ist, die Unterschiede dieses speziell für die schulische Bildung entwickelten Programms zu der untersuchten Software darzustellen.
Die Schaffung eines oder mehrerer Unterrichtskonzepte, die sich damit befassen, wie speziell
die Erstellung von digitalen Lernspielen durch die Schüler realisiert werden kann, soll in dieser Arbeit nicht erfolgen. Hierzu sei auf bereits existierende Literatur hingewiesen, welche
sich mit solchen Konzepten und der korrekten Erstellung von serious games durch Lehrer
und/ oder Schüler befassen. So haben beispielsweise Mäkilä et al. ("Three Approaces Towards Teaching Game Production"), Lemke et al. ("Animationen mit Scratch gestalten") und
weitere Autoren bereits Konzepte für konkrete Möglichkeiten der Umsetzung erarbeitet.
Eine Übersicht der wissenschaftlich untersuchten Werkzeuge findet sich unter Punkt 2.5.3,
eine Liste aller angesprochenen Programme im Anhang.
1.2 Leitfragen
•
Welche Werkzeuge existieren und welche kommen für den Unterricht in Frage?
•
Wie funktionieren die untersuchten Werkzeuge, wie sind sie aufgebaut, welche Funktionen bieten sie und wie benutzerfreundlich ist deren Handhabung?
•
Eignen sich die Funktionen der Werkzeuge, um damit Sachverhalte und Probleme aus
der informatischen Bildung darzustellen, zu erklären und zu lösen?
•
Wie unterscheiden sich die Werkzeuge hinsichtlich ihrer Funktionen, Bedienungsfreundlichkeit und Eignung für den Informatikunterricht?
•
Ist mit den Werkzeugen die Erstellung digitaler Lernspiele / serious games möglich?
•
Wie sehen Lernspiele aus, die mit diesen Werkzeugen erstellt wurden und wie unterscheiden sie sich von anderen Lernspielen?
•
Wie effizient sind die Werkzeuge bei der Erstellung von Lernspielen?
•
Lässt sich mit den Werkzeugen Learning Content erstellen, wie effizient lässt sich
dieser Content erstellen und wie einfach ist der Umgang mit diesen zu erlernen?
•
Lassen sich die Werkzeuge als informatische Werkzeuge von Schülern verwenden und
welcher Erkenntnisgewinn ist dabei möglich?
•
Welche anderen Werkzeuge und Hilfsmittel existieren, die den Umgang mit den
Werkzeugen erklären und/ oder andere Einflüsse auf die Verwendbarkeit der Werkzeuge haben?
•
Wie müssten Werkzeuge gestaltet sein, damit sie sich im Bereich der informatischen
Bildung für die Umsetzung der Lehrplaninhalte eignen?
Seite 4
1.3 Begriffsklärung
Bevor weiter auf die Analyse dieser Programme zur Erstellung von 2D Videospielen eingegangen werden kann, soll an dieser Stelle eine kleine Begriffsunterscheidung stattfinden. So
werden die Bezeichnungen "framework" und "game engine" in dieser Arbeit, wie auch sonst
sehr häufig, synonym verwendet, obwohl ein gewisser Unterschied besteht. Das begründet
sich dadurch, dass in der Literatur nur wenige Definitionen existieren, die diese Begriffe klar
trennen.
Frameworks sind dabei Sammlungen vorgefertigter Programme, die dem Programmierer bei
der Erstellung eines Programms das eigenhändige Programmieren bestimmter Grundfunktionalitäten für dieses ersparen.
So weist Wurm auf den folgenden Sachverhalt hin:
"Dabei sei nicht vergessen, dass eine Programmiersprache allein heutzutage nur einen
Teil Ihrer Arbeitsmittel darstellt. Viele Sprachen wie alle .NET-Sprachen (wie
VB.NET, C# etc.) oder Java besitzen ein entsprechendes Framework, also eine Sammlung von Grundfunktionalitäten, die Sie benutzen können. Dieses Framework bietet
Hunderte und Tausende von Programmbausteinen, die Sie bei der Entwicklung Ihrer
eigenen Programme benutzen können." [Wu2010, S.97]
Das bedeutet beispielsweise, dass ein Programmierer bei der Erstellung eines Computerspiels
nie damit beginnen wird, ein Programm zu schreiben, das es ihm ermöglicht, Musikdateien
des WAVE Dateiformats zu verwenden. Stattdessen wird er sich eine entsprechende vorgefertigte Library (Bibliothek) suchen, welche er in sein Projekt einbinden muss.
Ein Framework könnte also auch Bibliotheken zur Verfügung stellen, die es erlauben, Aufgaben bezüglich der Grafik zu lösen. Frameworks haben dabei aber an sich nichts mit Videospielen zu tun. Anders als bei Game Engines wird beispielsweise nicht bestimmt, ob ein damit
erstelltes Videospiel in 2D oder 3D ist. Zusammengefasst lässt sich also sagen, dass "Game
Engines" nichts anderes als "Frameworks" sind, die speziell auf die Erstellung von Spielen
einer bestimmten Form, teilweise auch auf ein bestimmtes Genre (Rollenspiele, Shooter, etc.)
zugeschnitten sind. Weiterhin kann angenommen werden, dass Frameworks und Game Engines eher in der Nähe von Programmierumgebungen angesiedelt sind, während die in dieser
Arbeit betrachteten Programme meist keine echten Programmiersprachen verwenden und
deshalb eher als "game editor", "game creator" oder "game maker" bezeichnet werden.
Es werden demnach in dieser Arbeit "Game Engine" wie auch "Framework" synonym verwendet, wenngleich wie gesagt Unterschiede bestehen.
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Von diesen zwei "Software-Arten" wiederum unterscheidet sich der Begriff "IDE". Dieser ist
deshalb für die ausstehende Untersuchung der Spielerstellungssoftwares wichtig, weil er den
Unterschied zwischen den bisher im schulischen Unterricht verwendeten Programmen für die
Programmierung und den in dieser Arbeit untersuchten Werkzeugen aufzeigt.
IDE's (Integrated Development Environments) sind Entwicklungsumgebungen, die all die
Anwendungsprogramme beinhalten, welche für das Programmieren benötigt werden (Quelltexteditor, Debugger, Compiler, Linker, etc.). Das bedeutet, dass erst in einer IDE der Code
geschrieben wird, der beispielsweise Frameworks einbindet und verwendet. Somit ist die Erstellung eines "aufwendigeren" Spiels bei Verwendung einer IDE ein langer Weg. Frameworks und Game Engines hingegen übernehmen eine Vielzahl von Aufgaben und erleichtern
dadurch den Erstellungsprozess. Ein treffendes Zitat, das diesen Umstand verdeutlicht, findet
sich bei Wang:
"...stellen Sie sich doch einfach vor, Sie entwickelten ein Spiel und seien gezwungen,
all diese technischen Ausdrücke und wie Sie diese selbst programmieren, zu lernen.
Das ist der Grund, weshalb viele Programmierer neue Spiele mit Hilfe von Game Engines entwickeln. Ohne Game Engine ist das Entwickeln von Spielen so kompliziert
wie das Entwickeln eines Textverarbeitungsprogramms, nur um einen Brief schreiben
zu können" [Wa2000, S.382]
Der Unterschied zwischen der Programmierung im Schulunterricht in IDE's sowie der Nutzung der untersuchten Game Engines ergibt sich nun also aus der Bildungsabsicht, die man
mit diesen Programmen verfolgt. Wurden vor etlichen Jahren Computerspiele sicherlich noch
in einer solchen IDE entwickelt, wäre dies heute viel zu aufwendig. Durch den Fortschritt
aktueller Spiele in Bezug auf die Kriterien Grafik, Sound, Steuerung, etc., wäre es nun viel zu
umständlich, alle für die Umsetzung dieser Elemente nötigen Funktionen stets neu zu programmieren.
Dasselbe gilt auch für die Erstellung von Spielen im Informatikunterricht. Zwar ist es möglich,
einfache Spiele in solch einer IDE zu erstellen, doch wirken diese – verglichen mit dem, was
mit den Game Engines möglich ist – für die Schüler meist veraltet. Außerdem handelt es sich
bei den in einer IDE erstellten Spielen meist um sehr kleine Projekte, die nach deren Fertigstellung keine Gründe mehr bieten, sich weiter mit ihrer Programmierung zu beschäftigen.
Dies ist auch der Unterschied der Nutzung eines Frameworks im Gegensatz zur Verwendung
einer Programmierumgebung (IDE) im schulischen Unterricht. Der Schwerpunkt bei letzteren
liegt auf dem reinen Erlernen des Programmierens; mit den Spieleerstellungssoftwares lassen
sich hingegen noch andere informatische Inhalte umsetzen. Der Lernerfolg, der dabei zu verCopyright TU Dresden, Marcello Montemaggi
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zeichnen ist, hängt wie in jedem Unterricht weiterhin von seiner Gestaltung, dem Inhalt, der
Schülermotivation und weiteren Einflussfaktoren ab.
Durch den Einsatz von Game Engines soll hingegen vor allem der wichtige Einflussfaktor
Motivation verstärkt werden. Das Programmieren eines Computerspiels in einer IDE ist in
vielen Fällen zu aufwendig bzw. es dauert weitaus länger, um damit ein Spiel umzusetzen
bzw. überhaupt erst einen Stand zu erreichen, an dem Teile des Endergebnisses zu erahnen
sind, welche dann die Motivation verstärken können.
Eine Übersicht über die Aufgaben die Game Engines dem Programmierer abnehmen fasst
Freiknecht wie folgt zusammen:
"Eine Engine übernimmt unter anderem folgende Aufgaben:
•
Bietet Stammfunktionen, die in Spielen häufig benötigt werden, wie z.B. für Kollisionsabfragen, [...] und Rendering von 3D-Objekten, das Laden von Sounds etc.
•
Übernimmt die Ressourcenverwaltung, sodass wir uns nicht um die Verwaltung
der Buffer im Grafikspeicher kümmern müssen oder in Speicherlecks laufen.
•
Partikeleffekte werden speicherschonend angeboten, um Nebel, Regen, Schnee
oder Feuer darzustellen [...]
•
Netzwerkfunktionen für Multiplayerspiele und Internetupdates
•
Abbilden von Graphical-User-Interface-(GUI)-Elementen, wie etwa von Texten,
Knöpfen, Schiebereglern, Eingabefeldern oder Bildern
•
Verwalten von und Kommunizieren mit Eingabegeräten, wie Maus, Tastatur oder
Gamepads
•
Einfache Funktionen für Dateizugriffe für z.B. Speicherstände
•
Schnittstellen für Erweiterungen in Form von DLLs oder Bibliotheken
•
Multiplattformfähigkeit" [Frei2012, S.1f]
Wie aus diesen Punkten zu schlusszufolgern ist, wäre die Erstellung eines Videospiels ohne
ein Framework also weitaus aufwendiger. Auch für die Betrachtung der untersuchten Programme hinsichtlich ihrer Eignung für den Informatikunterricht können aus dieser Zusammenfassung Schlüsse gezogen werden. So würde allein die Kollisionsberechnung von 3DObjekten bereits universitäres Niveau darstellen, ebenso wie das bloße Ändern einer Textur
zur Laufzeit fortgeschrittene Kenntnisse in Grafikprogrammierung und Softwarearchitektur
(Entwurfsmuster, etc.) voraussetzt. Es ist daher für den Unterricht ausreichend, wenn für die
Programmierung von Spielen Game Engines verwendet werden, die sich gezielt für die Vermittlung bestimmter Lehrplaninhalte eignen, beispielsweise durch das Anbieten von Sprachelementen zum Erlernen von Inhalten des Bereichs Algorithmen und Datenstrukturen.
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Es bleibt jedoch auch zu klären, für die Umsetzung welcher Computerspiele (und auch generell für welche Lehrplaninhalte) beispielsweise nicht schon gewöhnliche Programmierumgebungen ausreichend sind, da diese unter Umständen für die Erstellung sehr einfacher Spiele
(Tic-Tac-Toe, etc.) genügen, bei denen es beispielsweise gar nicht nötig ist, während des
Spiels eine Textur zu wechseln.
Es scheint allerdings so, als würde gerade die Algorithmierung und Programmierung, welche
teilweise über die Arbeit mit Programmierumgebungen umgesetzt wird, besonders häufig ein
Problem für Schüler darstellen. Hierzu stellt Modrow fest:
"Sehen wir uns die schon mehrfach zitierte 80-Prozent-Ausstiegsquote im Informatikunterricht an, so stellen wir fest, dass sie nur dann auftritt, wenn die Schülerinnen und
Schüler "Programme schreiben" sollen." [Mod2011, S.36]
Jedoch nicht nur das Themengebiet, wie hier die Algorithmierung / Programmierung, bestimmt, ob der Einsatz von Frameworks oder Programmierumgebungen vorzuziehen ist, auch
die Lerninhalte selbst tun dies. Ein Beispiel wäre die Vermittlung von rekursiven Algorithmen in einer Programmierumgebung wie MSW Logo sehr viel anschaulicher, als dies in einer
Spielerstellungssoftware der Fall sein wird.
1.4 Hypothesen:
•
Die untersuchten Werkzeuge eignen sich für bestimmte Sachverhalte als Entwicklungsumgebung für digitale Lernspiele / "serious games" besser als bestimmte andere
Software (Programmierumgebung, etc.).
•
Wenn die genannten Werkzeuge den Schülern als Entwicklungsumgebung für kreative
Gestaltung von Videospielen angeboten werden, dann lassen sich damit einige informatische Sachverhalte so vermitteln, dass sie von den Schülern durch selbstständige
Arbeit und mit erhöhter Motivation erarbeitet werden. Außerdem werden die Schüler
dazu angeregt, sich selbstständig und auf freiwilliger Basis weiter mit informatischen
Sachverhalten zu befassen.
•
Die genannten Werkzeuge eignen sich zur Vermittlung von informatischen Inhalten
zur Grafik, zu Algorithmierung (Grundstrukturen, Struktogramme, Programmierparadigma, Programmierkonzepte, etc.), zu Automaten, zur Datensicherheit und zur Darstellung von Zahlen.
•
Die genannten Werkzeuge eignen sich für wenige Sachverhalte als Entwicklungsumgebung für Learning Content besser als allgemein bekannte und häufig verwendete
Software.
4.
Seite 95
Zusammenfassung
Die erfolgte Untersuchung hat gezeigt, dass Programme zur Erstellung von Computerspielen
eine Vielzahl von Möglichkeiten für den Unterricht eröffnen. Der mögliche Einsatz hängt
dabei hauptsächlich vom gewählten Framework ab, welches den Einarbeitungsaufwand, das
Anforderungsniveau der Schüler (Voraussetzungen) und die Art der Inhalte bestimmt, die
damit vermittelt werden können. Aufgrund der zu Beginn der Arbeit durch eine Umfrage
festgestellten Altersstruktur lässt sich vermuten, dass dabei besonders der Einsatz in der Sekundarstufe 1 und 2 erfolgsversprechend ist. Durch das hohe Anforderungsniveau des LÖVE
Frameworks bietet sich dieses unter Umständen gar erst für die Nutzung im Tertiärbereich an.
Bezüglich der konkreten Umsetzung in Form eines Planungsentwurfes für einen regelmäßigen
Einsatz im Unterricht oder für zeitweise Nutzung, beispielsweise während einer Projektwoche,
wurden in dieser Arbeit keine Aussagen getroffen. Für den Informatikunterricht kann hierzu
jedoch hinzugefügt werden, dass der Einsatz bzw. das Testen mehrerer Frameworks ratsam ist.
Einerseits deshalb, da gerade hinsichtlich der Zufriedenheit im Sinne der Usability Schüler
selbst entscheiden müssen, ob die Arbeit mit den Frameworks zufriedenstellend ist, und andererseits aber auch, da durch die Realisierung eines Projekts in mehreren Spieleerstellungssoftwares und ein damit verbundenes Erkennen von Gemeinsamkeiten und Unterschieden
dieser Arbeit durch die Schüler, womöglich auch zusätzliche informatische Kompetenzen
erworben werden können.
Eine Analyse ob sich die die Frameworks für die Erstellung von Learning Content eignen,
wie es Inhalt einer Hypothese war, wurde in dieser Arbeit nicht untersucht. Es lässt sich aufgrund der Ergebnisse jedoch vermuten, dass dies nur in Einzelfällen, beispielsweise für die
Erstellung von Animationen, ratsam ist. So wäre es möglich, durch Kombination eines Bildschirmaufnahmeprogramms mit den Frameworks teilweise möglich, Animationen ähnlich wie
durch die Software Adobe Flash herzustellen, ohne jedoch ein solches kommerzielles Programm kaufen zu müssen. Um jedoch genauere Aussagen treffen zu können, wäre es notwendig gesonderte Untersuchung anzustellen.
Weiterhin zeigte sich, dass alle bis auf die eben besprochene Hypothese bestätigt werden
konnten. Eine abschließende Klärung des vermuteten Motivationscharakters der Programme
wäre jedoch erst auf Basis von empirischen Studien möglich, welche Schüler, die über längere Zeit mit den Programmen im Schulunterricht gearbeitet haben, hinsichtlich der Akzeptanz
der Frameworks befragt und diese Ergebnisse mit den Ansichten der Lehrer bezüglich der
damit erreichten Lernerfolge vergleicht.
Seite 96
In Betrachtung aller Frameworks hinsichtlich der Umsetzung des Informatiklehrplans kann
außerdem festgestellt werden, dass es theoretisch noch weitere Möglichkeiten der Verwendung im Unterricht gäbe, welche jedoch durch den Funktionsumfang dieser Programme nicht
abgedeckt werden. Besonders bezüglich der Informatikthemengebiete der Datenbanken und
Rechnernetze ergäben sich hier noch viele Erweiterungsmöglichkeiten. So ist es beispielsweise in keinem Framework (bis vermutlich auf das LÖVE Framework) möglich, eine eigene
Datenbank zu erstellen, auf die im Spiel selbst zugegriffen werden kann. In diesem Sinne sind
die untersuchten Programme (bis auf Scratch) weit davon entfernt, wie eine speziell auf den
Informatikunterricht zugeschnittene Spieleerstellungssoftware aussehen könnte.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass der Lernerfolg beim Einsatz einer Spielerstellungssoftware von dessen Wahl und den genannten, damit einhergehenden Faktoren
abhängig ist. Dennoch sei erwähnt, dass dies auch bedeutet, dass der Lernerfolg somit letztlich vollständig durch den Lehrer bestimmt wird, welcher die Rahmenbedingungen, die Auswahl des Programms und die didaktische und methodische Umsetzung vorgibt und letztlich
auch geeignete Ideen für mögliche Spiele bzw. Projekte haben muss, welche den Schülern
Spaß machen und dennoch didaktisch sinnvoll und mit einem Lerngewinn verbunden sind.
5.
Seite 97
Glossar
IDE
Abkürzung für "Integrierte Entwicklungsumgebung". Ist eine Sammlung
von Anwendungsprogrammen, mit denen die Aufgaben der Softwareentwicklung bearbeitet werden können. Besteht in der Regel aus einem Texteditor, Compiler bzw. Interpreter, Linker, Debugger und einer Quelltextformatierungsfunktion (Quelle: wikipedia).
A*Pathfinding
Der A*-Algorithmus gehört zur Klasse der informierten Suchalgorithmen.
Er dient in der Informatik der Berechnung eines kürzesten Pfades zwischen
zwei Knoten in einem Graphen mit positiven Kantengewichten. Der Algorithmus gilt als Verallgemeinerung und Erweiterung des DijkstraAlgorithmus, in vielen Fällen kann aber umgekehrt A* auch auf Dijkstra
reduziert werden. Der Algorithmus ist optimal. Das heißt, dass immer die
optimale Lösung gefunden wird, falls eine existiert. Quelltextformatierungsfunktion (Quelle: wikipedia).
Beta Status
Der Beta Status einer Software bedeutet, dass diese in einer Beta-Version,
also einer unfertigen Version vorliegt. Häufig sind Beta-Versionen die ersten Versionen eines Programms, die vom Hersteller zu Testzwecken veröffentlicht werden (Quelle: wikipedia).
Effektivität
Effektivität ist ein Maß für Wirksamkeit, das das Verhältnis von erreichtem
Ziel zu definiertem Ziel beschreibt. Es gibt Aufschluss darüber, wie nahe
ein erzieltes Ergebnis dem angestrebten Ergebnis gekommen ist. Effektiv
arbeiten bedeutet, so zu arbeiten, dass ein angestrebtes Ergebnis erreicht
wird (Quelle: wikipedia).
Effizienz
Das Kriterium Effizienz betrifft den Aufwand, der zur Erreichung des Ziels
nötig ist. Effizienz ist somit ein Maß für die Wirtschaftlichkeit bzw. Kosten-Nutzen-Relation (Quelle: wikipedia).
Interpreter
Ein Interpreter (im Sinne der Softwaretechnik) ist ein Computerprogramm,
das einen Programm-Quellcode im Gegensatz zu Assemblern oder Compilern nicht in eine auf dem System direkt ausführbare Datei übersetzt, sondern den Quellcode einliest, analysiert und ausführt. Die Analyse des
Quellcodes erfolgt also zur Laufzeit des Programmes(Quelle: wikipedia).
Klon
In der Informationstechnik ist ein Klon [...] ein Software System, welches
entwickelt wurde um ein anderes System genau nachzubilden. Bei Computerspielen, welche versuchen ein bekanntes andere Computerspiel so nah
wie nur möglich nachzubilden, wird dabei ebenso von einem Klon gesprochen (Quelle: wikipedia).
Leveln
Als Stufe oder oft auch englisch Level bezeichnet man in vielen Rollenspielen einen Zahlenwert, der zusammenfassend die Stärke und den Fortschritt der Entwicklung eines Spielercharakters angibt. Als Leveln wird
dabei allgemein das Aufsteigen des Charakters (also das Fortschreiten der
Entwicklung der Spielfigur) bezeichnet (Quelle: wikipedia).
open source
Open Source und quelloffen nennt man Werke, deren Lizenzbestimmungen
besagen, dass man mit deren Empfang auch den dazugehörigen Quelltext
Seite 98
empfängt. Der Copyrightbesitzer behält dabei lediglich das Recht, die Lizenzbestimmungen zu verändern (Quelle: wikipedia).
Programmierparadigma
Ein Programmierparadigma ist ein fundamentaler Programmierstil. Der
Programmierung liegen je nach Design der einzelnen Programmiersprache
verschiedene Prinzipien zugrunde. Programmierparadigmen unterscheiden
sich durch ihre Konzepte für die Repräsentation von statischen (wie beispielsweise Objekte, Methoden, Variablen, Konstanten) und dynamischen
(wie beispielsweise Zuweisungen, Kontrollfluss, Datenfluss) Programmelementen. Grundlegend für den Entwurf von Programmiersprachen sind
die Paradigmen der imperativen und der deklarativen Programmierung
(Quelle: wikipedia).
Rollenspiel
Die Bezeichnung "Rollenspiel" als Konzept eines interaktiven Spiels, ist
ein Überbegriff für unterschiedliche Arten von Video- bzw. Computerspielen des Genre der Abenteuerspiele. Als Basis diesen unterschiedliche Regelwerke, wie die der Pen-&-Paper-Rollenspiele oder der japanische Rollenspiele. In den Anfängen der Computer-RPGs wurden solche als ein
Spiel definiert, bei dem man einen Charakter (oder mehrere) steuerte und
Fähigkeiten durch die Steigerung von Spielwerten vergrößerte, außerdem
möglichst unbegrenzte Handlungsfreiheit hatte. Ein Spiel, das den Schwerpunkt auf feste Handlungsstränge legt, gilt nach dieser klassischen Definition als Adventure. Viele der aktuellen Rollenspieltitel distanzieren sich
jedoch mit ihren ausgedehnten, festen Storylines von diesen Grundlagen
und würden nach klassischer Definition eher als Adventures mit Rollenspielelementen oder Rollenspiel-Adventure-Hybriden bezeichnet werden
(Quelle: wikipedia).
Rückruffunktion
Eine Rückruffunktion (callback function) bezeichnet in der Informatik eine
Funktion, die einer anderen Funktion als Parameter übergeben und von
dieser unter gewissen Bedingungen aufgerufen wird. Event handler sind
Beispiele einer Art von Rückruffunktion, welche bei einem Ereignis Aktionen ausführen (Quelle: wikipedia).
Tetris
Tetris ist ein Puzzle-artiges Computerspiel des russischen Programmierers
Alexei Paschitnow. Tetris gilt inzwischen als Computerspiel-Klassiker, hat
sich inzwischen 100 millionenfach verkauft, wurde vielfach ausgezeichnet
und ist wie kaum ein anderes Spiel für nahezu jedes elektronische Rechensystem erschienen (Quelle: wikipedia).
TicTacToe
Tic Tac Toe ist ein klassisches, einfaches Zweipersonen-Strategiespiel,
dessen Geschichte sich bis ins 12. Jahrhundert v. Chr. zurückverfolgen
lässt. Auf einem quadratischen, 3×3 Felder großen Spielfeld setzen die
beiden Spieler abwechselnd ihr Zeichen (ein Spieler Kreuze, der andere
Kreise) in ein freies Feld. Der Spieler, der als erster drei Zeichen in eine
Zeile, Spalte oder Diagonale setzen kann, gewinnt (Quelle: wikipedia).
6.
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7.
Anlagen:

Masterarbeit, abgeschlossen - Aktuelles

Transcription

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