Paris-Lodron-Universität Salzburg

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Digitale Transformation in der Physiologie: Wie ein Randfach zum Renner wird

Ziele/Motive/Ausgangslage/Problemstellung

Im Grundlagenunterricht naturwissenschaftlicher Fächer gilt es, Student/innen unterschiedlicher Vorbildung in komplexe Materie einzuführen. Das stellt hohe Anforderungen an die Dozent/innen. Für den Erfolg ist die studentische Mitarbeit entscheidend. Jedoch Anwesenheit, Aufmerksamkeit, Mitdenken und vor allem eine kontinuierliche Rekapitulation des Lernstoffs sind oft ausbaufähig – insbesondere in Unterrichtsfächern, die nicht im Zentrum des Interesses stehen.

Deswegen war die Überraschung groß, als in den Bachelorstudien BIOLOGIE und MOLEKULARE BIOWISSENSCHAFTEN ein zusätzlich angebotenes Proseminar im Bereich PHYSIOLOGIE plötzlich geradezu traumhafte Verhältnisse schuf. Mitarbeit und Lernerfolg übertrafen auf einmal alle Erwartungen.

Das Proseminar HUMANPHYSIOLOGIE: GRUNDLAGEN, FORSCHUNG, MEDIZIN zieht nun schon seit 2012 alle Jahrgänge fast vollzählig in seinen Bann, obwohl es nur Freifach ist. Die Zahl der Teilnehmer/innen musste auf 150 begrenzt werden, weil der Hörsaal aus allen Nähten platzte. Die Student/innen fühlen sich vom digitalen Geist der TV-ähnlichen Show angezogen. In anregender Atmosphäre erfahren sie wirksame Lernunterstützung.

Angelpunkt für den durchschlagenden Erfolg war die Transformation der komplexen Inhalte in ein eindeutiges Frage-Antwort-Spiel und der ausgeklügelte Einsatz digitaler Hilfsmittel. Das Ergebnis ist einzigartig und könnte als Vorbild dienen, die Effizienz des Grundlagenunterrichts naturwissenschaftlicher Fächer weltweit entscheidend zu verbessern.

Kurzzusammenfassung des Projekts

Lehre erfordert rege studentische Mitarbeit. Diese ist jedoch oft ausbaufähig. Im Fach PHYSIOLOGIE der Bachelorstudien BIOLOGIE und MOLEKULARE BIOWISSENSCHAFTEN hat eine neuartige Lehrveranstaltung zu einer verblüffenden Steigerung von Mitarbeit und Lernerfolg geführt. Der digitale Geist dieses freiwilligen Proseminars trifft den Nerv der Student/innen und verwandelt den Hörsaal in eine heiß umkämpfte Physiologie-Arena.

Die Student/innen beantworten Multiple Choice-Fragen mit elektronischen Handsendern. Ihre ca. 50.000 Antworten entscheiden über den Sieg in zwei Wettbewerben: Die Challenge SALZBURG SUCHT DEN PHYSIOSTAR kürt die individuell Besten. Der SCIENCE CUP lässt Student/innengruppen mit selbst gewählten Namen wie PHYSIOHASEN, LEBERLÄUSEN oder SALZBURGER NOCKERL gegeneinander antreten, entweder elektronisch oder in mündlichen Duellen.

Videos, Animationen und Simulationen veranschaulichen komplexe Inhalte und bieten Erinnerungshilfen. Signations, Tierlaute und Fanfaren machen die Lehrveranstaltung zur Show.

Das rege Frage-Antwort-Spiel befähigt die Dozent/innen auf die Bedürfnisse der Teilnehmer/innen einzugehen. Sie nähren das Feuer der Lust am Verstehen und entfachen Begeisterung über die Anwendung des Wissens. Zwei virtuelle Maskottchen, Rita und Theo, schärfen den Analysegeist, indem sie voreinander mit unpräzisem Wissen prahlen. Nur die digitale Technik macht es möglich, das 150-köpfige Auditorium dauerhaft zu fesseln und wirksam zu betreuen.

Sehr empfehlenswert!

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

Teaching requires lively student participation. However, this is often expandable. In the subject PHYSIOLOGY of the bachelor's degree programs BIOLOGY and MOLECULAR LIFE SCIENCES, a new type of course has led to an astonishing increase in participation and learning success. The digital spirit of this voluntary seminar hits the nerve of the students and transforms the lecture hall into a hotly contested physiological arena.

Students answer multiple choice questions on physiological topics with electronic handheld transmitters. Their approximately 50,000 answers decide on the victory in two competitions: The challenge SALZBURG SEEKS THE PHYSIOSTAR chooses the best individual. The SCIENCE CUP calls student groups with self-chosen names like PHYSIOBUNNIES, SCIENCE BUSTERS or SUPER SAPIENS for competition, either electronically or in verbal duels.

Videos, animations and computer simulations illustrate complex content and provide reminders. Signations, animal sounds and fanfares turn the course into a show.

The lively question-and-answer game enables the lecturers to respond to the students´ needs. They nourish the fire of the desire to understand and arouse enthusiasm over the application of knowledge. Two virtual mascots, Rita and Theo, sharpen the analytical spirit by bragging about each other with imprecise knowledge. Only digital technology makes it possible for the 150-member auditorium to be permanently mesmerized and effectively supervised.

Highly recommended!

Nähere Beschreibung des Projekts

1. ZIEL und PLANUNG

1.1. Suche nach einer motivierenden Lehrveranstaltung

Student/innen zu motivieren, ist eine Herausforderung an Intellekt und Intuition. Es gilt, ihre Gedankenwelt zu erspüren und Interesse zu wecken. Hierfür ist eine anregende Atmosphäre hilfreich.

Motivation ist vor allem in Unterrichtsfächern nötig, die nicht im Zentrum des Interesses liegen. Ein solches Randfach ist beispielsweise die PHYSIOLOGIE in den Bachelorstudien MOLEKULARE BIOWISSENSCHAFTEN und BIOLOGIE. Die wenigsten streben dieses Fach an, wenn sie den Studiengang beginnen. Auch der knappe Umfang im Pflichtunterricht stellt dieses Fach eher an den Rand – zu Unrecht; denn Physiologie verbindet die molekulare und erfahrbare Welt. Sie ist somit eine sinnstiftende Brücke in biologischen Studiengängen.

Deswegen beschloss im Jahr 2012 ein fachübergreifendes Team, bestehend aus S. Galler (Physiologe), K. Plätzer (Biophysiker), A. Volz (Oberärztin für Innere Medizin) und T. Weiger (Neurobiologe), die Physiologie-Pflichtvorlesung durch eine zusätzliche, neue Lehrveranstaltung zu unterstützen. So entstand das Proseminar HUMANPHYSIOLOGIE: GRUNDLAGEN, FORSCHUNG, MEDIZIN, das seither jährlich abgehalten wird – für die Student/innen als Freifach – von den Dozent/innen ohne finanzielle Abgeltung.

1.2. Zögerlicher Beginn

Das Proseminar sollte Interesse wecken und Lernhilfe für die Themen der parallelen Pflichtvorlesung anbieten. Zu Beginn nahmen die Dozent/innen an, die Student/innen würden von sich aus Fragen stellen, die sich aus der Vorlesung ergeben. Jedoch war das nicht der Fall. Erst als die Dozent/innen begannen, spezifische Fachfragen an die Student/innen zu richten, kamen ergiebige Konversationen zustande.

1.3. Digitaler Ausbau

Animiert durch das gelungene Zwiegespräch entstand im Lauf der Monate und Jahre ein großer Pool von erprobten Fachfragen. Um alle Teilnehmer/innen aktiv einzubinden, wurden viele der Fragen in Multiple Choice-Form formuliert.

Das elektronische Abstimmsystem TURNINGPOINT wurde angeschafft, um die Antworten auszuwerten und als Diagramm darzustellen. Das System erwies sich als unentbehrlich; denn die Zahl der Antworten stieg gigantisch an. Pro Semester wurden etwa 350 Multiple Choice-Fragen von durchschnittlich 150 Teilnehmer/innen beantwortet. Das ergibt in Summe 52.500 Antworten.

Jahr für Jahr kam immer mehr digitale Technik dazu: 1) Videos und Animationen für Erklärungen und Erinnerungshilfen, 2) Simulationen von Experimenten (VIRTUAL PHYSIOLOGY), 3) Signations zur Ankündigung verschiedener Sessions, 4) Tierlaute und Fanfaren zum Kommentieren der Antwortergebnisse.

Das ultimative Highlight war die Veranstaltung von Fragewettbewerben. Sie verwandelten den Hörsaal in eine heiß umkämpfte Physiologie-Arena. Die gegenwärtige Gestalt der Lehrveranstaltung ist im Folgenden beschrieben.

2. AUSGESTALTUNG

2.1. Spielerisch Lernen

Alle schriftlich formulierten und via Powerpoint präsentierten Fragen sind in Kategorien eingeteilt und stellen die Basis für folgende Wettbewerbe dar:

A) SCIENCE CUP: Gruppen von jeweils fünf Student/innen mit selbst gewählten Namen wie PHYSIOHASEN, LEBERLÄUSEN oder SALZBURGER NOCKERL jagen dieser Trophäe hinterher. Die Gruppen treten in DUELLEN (mündliche Antworten) oder RALLEYS (elektronische Antworten) gegeneinander an.

B) SALZBURG SUCHT DEN PHYSIOSTAR: Zu dieser Einzelwertung zählen die anspruchsvollen, elektronischen DERBYS und die besonders kniffligen PHYSIOSTAR-Fragen, die oft erst zu Hause geknackt werden können.

C) PHYSIORUN: Diese Challenge bestimmt die Abschlussnote des Proseminars. In jeder Unterrichtsstunde werden etwa sechs elektronische PhysioRun-Fragen zu ausgiebig behandelten Themen gestellt.

D) BELL RONDELL: Hier wird die Antwort möglichst schnell nach einem Glockenton mit dem Handsender abgegeben. Die Namen der Schnellsten mit richtiger Antwort erscheinen am Bildschirm. Oft entscheiden nur tausendstel Sekunden.

2.2. Ansporn

Die Wettbewerbe spornen die Student/innen an, über das ganze Semester hinweg zu Hause mitzulernen. Selbst im studentischen Unialltag werden physiologische Fragen zum Gesprächsstoff. Man will in der Wertung vorne liegen und sich keine Blößen geben.

Die Fragen locken das gesamte Publikum aus der Reserve. Leichte Fragen ermutigen schwächere Teilnehmer/innen zum weiter machen. Schwere Fragen stacheln die Besten zu Mehrleistungen an. Offene Fragen schulen den wissenschaftlich präzisen Ausdruck. Diese Fragen ergehen absichtlich an duellierende Gruppen, die ausgelost werden. Stellt man sie nämlich ans gesamte Publikum, antworten nur wenige. Stellt man sie an Einzelne, fühlen sich diese exponiert.

Die Art der Fragestellung reicht vom REMEMBER über UNDERSTAND und APPLY bis hin zum ANALYZE der Bloom´schen Skala. Manche Fragen werden mehrmals in anderer Formulierung gestellt, um gewohnte Assoziationen abzustreifen und den Kern des Problems herauszuschälen.

Das rege Frage-Antwort-Spiel befähigt die Dozent/innen, auf die Bedürfnisse der Student/innen einzugehen. Sie kommentieren ihre Antworten, bohren tiefgründiger nach und erweitern Horizonte. Die Konversation ist an die Sprache und Gedankenwelt der Student/innen angepasst und ist deswegen effektiv.

Die Dozent/innen stecken die Student/innen mit ihrer Begeisterung an. Sie nähren das Feuer der Lust am Verstehen und entfachen Begeisterung über die Anwendung von Wissen beispielsweise in der Medizin. Mitreißend wirken auch Streiflichter aus der Forschung zur Enträtselung von Unbekanntem.

2.3. Virtuelle Maskottchen

Der Unterricht wird von den virtuellen Maskottchen RITA und THEO begleitet, die sich plump und drollig in die wissenschaftlichen Themen einmischen. Parodien schärfen den Analysegeist und halten die Student/innen bei Laune: Rita stößt sich an Theos Trägheit. Deswegen sucht sie nach physiologischen Tricks, ihn zu beschleunigen, greift aber meist daneben. Theo prahlt über die schnellen Ereignisse in seinen erregbaren Zellen und liegt meist richtig. So kann Rita ihn nur noch mit Fangfragen überlisten. Die Student/innen beantworten alle Fragen und korrigieren Ungereimtheiten.

Die Maskottchen bringen die unreflektierte Denkweise blutiger Neulinge ungeniert auf die Bühne. Ritas Fangfragen verlangen souveräne Stoffbeherrschung und verleihen fachliche Sicherheit.

2.4. Sieger/innenehrung

Bis auf die notenrelevanten PhysioRuns bleibt der Stand der Wettbewerbe geheim. So fiebert alles der Sieger/innenehrung am Semesterende entgegen. Dort ziehen die Namen der Sieger/innengruppen zu Verdis Triumphmarsch am römischen Titusbogen vorbei, und die Namen der Physiostars reihen sich an der Physiostandarte auf. Als Hommage für die Sieger/innen steht ein Video-Clip bereit, der Szenen aus dem Unterricht in olympische Sphären projiziert.

Die Sieger/innen werden in die Ahnentafel auf Stefan Gallers Homepage aufgenommen. Bisweilen wird auch in den UniNews und auf der Facebook-Seite des Fachbereichs für Biowissenschaften berichtet.

3. DETAILASPEKTE

3.1. Inhaltliches

Physiologie ist die Wissenschaft von den Funktionen des Lebens – vom Molekül bis zum Organismus. Im konkreten Fall geht es (aufgrund der knapp bemessenen Zeit nur) um die Funktionen erregbarer Zellen. Die Student/innen lernen Prozesse wie Sehen, Denken, sich bewegen als Zusammenspiel von Struktur und Naturgesetz zu verstehen. Hauptkapitel sind Membranpotential, Aktionspotential, Calcium, Synapsen, Sinneszellen und Muskelzellen.

Auch die virtuellen Maskottchen des Proseminars mischen bei allen Themen mit. Zur inhaltlichen Rückschau streckt Theo Rita die Hand entgegen, und die Student/innen wenden all ihr Wissen an, um das molekulare Geschehen richtig zu analysieren. Der Bogen spannt sich von den Ionenflüssen in Theos Sehzellen bei Reizung durch Ritas ästhetische Photonen über die gemütswirksamen Neurotransmitter bis hin zum Kraftakt der Myosinköpfe in Theos starken Muskeln.

3.2. Skriptum

Grundlagenunterricht ist effektiv, wenn seine Inhalte übersichtlich und schlüssig präsentiert werden. In der Physiologie ist das schwierig; denn das Fach ist komplex und unzureichend ergründet (wie viele andere naturwissenschaftliche Bereiche auch). Physiologische Lehrbücher enthalten ein Überangebot an Detailwissen und sind daher für dicht gedrängten Grundlagenunterricht nicht ideal. Aus diesem Grund hat Stefan Galler, basierend auf jahrzehntelanger Erfahrung, ein reichlich bebildertes Skriptum erstellt, das etwa 500 Lernziele übersichtlich, stringent und prägnant darstellt. Das Skriptum wird im Blackboard zur Verfügung gestellt und ist die Wissensreferenz für die Vorlesung und das Proseminar.

Hochwertige Skripten können Student/innen vom Vorlesungsbesuch abhalten. Jedoch echte Kompetenzvermittlung erfordert professionelle Führung. Diese Einsicht erreichen die Student/innen im Fach Physiologie spätestens, wenn sie im Proseminar bei Fragen anstehen, die in die Tiefe gehen und quervernetzen.

3.3. Organisatorisches

Das Proseminar unterstützt eine einstündige Pflichtvorlesung, die im Curriculum für das erste (Molekulare Biowissenschaften) bzw. dritte Semester (Biologie) empfohlen wird. Das Proseminar selber ist ein zweistündiges Freifach. Seit kurzem werden beide Lehrveranstaltungen auch im Sommersemester angeboten. Deswegen konnte die Zahl der Teilnehmer/innen pro Semester auf 150 reduziert werden. Dies war nötig, weil kein Hörsaal mit mehr als 130 Sitzplätzen zur Verfügung steht.

3.4. Didaktisches

Die Lernforschung empfiehlt seit langem die im Proseminar verwendeten didaktischen Elemente: Klare Lernziele, schlüssige Erklärungen, Fokussierung, Repetition, Perspektivenwechsel, Bilder, Videos, Animationen, Computersimulationen, aktives Lernen, promptes Feedback, interaktive Übungen, Fragespiele, Diskussion in Kleingruppen, Wettbewerbe, spielerische Lernumgebung, Show-Charakter, Moderation im Team, etc.

Die Anwendung dieser Empfehlungen im Fach Physiologie war eine große Herausforderung. Denn es gab keinerlei Vorlage als Starthilfe. Eine gediegene didaktische Aufarbeitung auf Hochschulniveau existiert anscheinend weder für die Physiologie noch für andere progressive naturwissenschaftliche Fächer. Hierfür sind diese Fächer wohl noch viel zu sehr mit der Wissenskonsolidierung beschäftigt. So basieren alle didaktischen Neuerungen der Lehrveranstaltung auf eigener Überlegung, Erfahrung, Spürsinn und Intuition über Jahre und Jahrzehnte. Die größte Challenge war die einwandfreie Aufarbeitung der komplexen Inhalte. Ohne gedankliche Klarheit lässt sich keine publikumsgerechte Show gestalten.

Der Erfolg der Bemühungen hat allgemein überrascht. Auch Fachkolleg/innen amerikanischer Spitzenuniversitäten zeigten sich verblüfft. Lehrmethoden, die das Ausdünnen des Auditoriums im Grundlagenunterricht verhindern, kennt man anscheinend nirgendwo.

Einen Einblick in den Unterricht bietet S. Gallers Video MOZARTS PHYSIORUN: MUSIKALISCHE JAGD DURCHS PROSEMINAR HUMANPHYSIOLOGIE: www.sbg.ac.at/aggaller/H/PS.mp4

4. FAZIT

4.1. Attraktivitätssteigerung

Digitale Transformation hat das Randfach PHYSIOLOGIE zum Renner gemacht. Fast alle Student/innen des jeweiligen Jahrgangs besuchen das Proseminar HUMANPHYSIOLOGIE, obwohl es nur Freifach ist. Ohne digitale Technik wäre diese Attraktivität nicht möglich. Es hätten sich bestenfalls 15 anstatt 150 Personen versammelt, und zwar nur Personen mit besonderem Interesse und Mut für fachlichen Diskurs.

Mit traditionellen Lehrmethoden ließen sich ohnehin kaum mehr als 15 Personen wirksam betreuen. Die neue Lehrveranstaltung zeigt, dass digitaler Unterricht sehr viel größere Gruppen erreicht. Das hilft Personalaufwand und finanzielle Kosten von Studiengängen zu reduzieren.

4.2. Kompetenzsteigerung

Die fachliche Kompetenz und wissenschaftliche Reife stieg bei allen Proseminar-Teilnehmer/innen, von den Schwächeren bis hin zu den Besten. Das war nicht nur im Proseminar selber, sondern auch in der Prüfung zur parallelen Vorlesung und in Spezialkursen nachfolgender Semester augenfällig.

4.3. Schulung neuer Dozent/innen

Das Unterrichtsteam des Proseminars HUMANPHYSIOLOGIE ist nur in seinem Kern fix. Denn auch Student/innen übernehmen bisweilen Lehr-Funktionen. So waren beispielsweise Markus Kröss und Daniel Danter mehrere Jahre mit im Team und haben fachliche und didaktische Fähigkeiten erreicht, die ihresgleichen sucht. Frischgebackene Tutor/innen bringen jugendlichen Elan hinters Rednerpult und fördern die Anpassung des Unterrichts an die Bedürfnisse der Student/innen. Digital unterstützter Unterricht kann überaus wertvoll sein, um wissenschaftlichen Nachwuchs für die Universität zu schulen.

4.4. Resümee

Die Quintessenz für den Grundlagenunterricht naturwissenschaftlicher Fächer lautet: Motivation und Effizienz lassen sich in verblüffender Weise steigern. Den Schlüssel hierfür bietet die digitale Technik – eingesetzt von Dozent/innen, die ihre Student/innen mit Herz, Hirn und helfender Hand begleiten.