Geometrie-Software: Mache die Zukunft bereits jetzt sichtbar (UV)

Nähere Beschreibung des Projekts

Allgemeine Beschreibung der Lehrveranstaltung

Im Rahmen dieser Lehrveranstaltung (LV) erfahren vorrangig Lehramt-Mathematik-Studierende, wie sie geometrische Software bedienen und später im Unterricht einsetzen können. Die LV fokussiert speziell auf den Einsatz von professioneller CAD-Software (Computer Aided Design), die einen sehr großen Leistungsumfang aufweist, sich daher für individuelle Vertiefungen und Schwerpunktsetzungen anbietet und Studierenden einen sehr realistischen Einblick über die international in Industrie und Forschung verwendete CAD-Software und deren Möglichkeiten bietet. Im Rahmen der Arbeit mit der CAD-Software erhalten Studierende in der LV zusätzlich eine Auffrischung und Vertiefung zu diversen geometrischen Themenfeldern. Durch die Arbeit mit einer professionellen und für den Bildungsbereich freien CAD-Software ist es Studierenden in der Lehrveranstaltung möglich, durch mathematisch korrektes, geometrisch sinnvolles und oftmals kreatives Arbeiten zukünftige geometrische Objekte (wie Häuser, Brücken, Werkstücke, Möbel uvm) bereits im Jetzt am Computer sichtbar zu machen. Die modernen 3D-Ansichten und Exportmöglichkeiten zu 3D-Druckern erlauben ein sehr realistisches und motivierendes Erleben virtuell geplanter Objekte bereits im Jetzt, also die Zukunft auf diesem Wege bereits jetzt sichtbar zu machen.

Kompetenzorientierung und Ablauf der Lehrveranstaltung

Neben kürzeren theoretischen Inputs liegt der Fokus der Tätigkeiten im Rahmen dieser LV auf dem gemeinsamen Lösen von geometrischen Aufgaben und damit inkludiert dem Besprechen der theoretischen Fundierung. Im Sommersemester 2020 wurden die bisherigen Aufgaben als Grundlage für die Neukonzeption herangezogen und es wurden zu jeder Aufgabengruppe zusätzlich interaktive 3D-pdf-Dateien erstellt, Lernvideos zur exakten Nachvollziehbarkeit sämtlicher Teilschritte der Konstruktionen erstellt und ausführliche Lernpfade textlich beschrieben, sodass Studierende klar erkennen konnten, welche Lernmaterialien die Pflichtaufgaben der LV darstellen und welche Dokumente als zusätzliche Unterstützungsmaterialien im Bedarfsfall abrufbar sind. Mit diesen Maßnahmen sollte möglichst sichergestellt werden, dass Studierende die gleichen Anforderungen und den gleichen Outcome bei der LV haben wie in den Jahren zuvor, dass Studierende aber nun zusätzlich auf zahlreiche asynchrone Unterstützungsmaterialien zugreifen konnten, die sicherstellen sollten, dass alle Aufgaben Schritt für Schritt nachvollziehbar und somit bewältigbar sind. Die zu erreichenden Kompetenzen der LV sind in der Kursbeschreibung, in PLUS-Online und im Curriculum aufgelistet. Die Studierenden mussten zusätzlich zu den gemeinsam besprochenen Aufgaben im Rhythmus von zwei Wochen 9-12 (teils gebundene und überwiegend offene) Aufgaben eigenständig konstruieren und nach erfolgter Konstruktion in Blackboard hochladen. Zu jeder dieser insgesamt 4.389 Aufgaben, die während dieses Semesters in dieser LV von Studierenden eingereicht wurden, wurde ein individuelles Feedback kumuliert verfasst und den Studierenden via Blackboard zur Verfügung gestellt.

Innovative Hochschuldidaktik: Welche Elemente wurden dazu aufgrund der Umstellung auf reines Online-Lernen in die Lehrveranstaltung neu aufgenommen?

Erfolgreiche Online-Lehre erfordert einen grundlegend anderen Zugang zur Lehre als Präsenzlehre (siehe etwa Baumgartner, 2007; Niegemann et al., 2004, Salmon, 2004; Scheffer & Hesse, 2003). Z.B. steigt die Notwendigkeit extrinsischer Motivation der Studierenden durch den Lehrenden, einer klar und transparent geregelten Kommunikationskultur und das Anbieten von möglichst vielen asynchronen Lernsituationen, um individuelle Lernfortschritte durch Lernen mit selbstgesteuertem Tempo zu ermöglichen. Diese und weitere grundlegenden Facetten für erfolgreiche Distanzlehre wurden bei der Konzeption der Lehrveranstaltung speziell berücksichtigt. Somit wurde die LV in zumindest den folgenden 10 Bereichen grundlegend neu aufgebaut und strukturiert.

1. Umfassendes Kommunikationszentrum der LV: Vielschichtiger Blackboard-Kurs (uA inkl. Blog, Ankündigungen, Kursmaterialien, Mail, Verwaltung der Aufgaben der Studierenden und Benotung (asynchron))

2. Individuelles Feedback auf jede einzelne eingereichte Arbeit von Studierenden (asynchron)

3. Interaktive 3D-pdfs, d.h. pdf-Dateien, in denen interaktiv 3D-Objekte bewegt (gedreht, gezoomt, verschoben, geschnitten, …) werden können (asynchron)

4. Individuelles Training des räumlichen Denkens über die (selbst mit einer AG konzipierte und programmierte) Lernplattform Raumintelligenzförderung 2.0 (RIF2.0)

5. Webex-Meetings (synchron)

6. Verstärkung des Einsatzes der Mailkommunikation (asynchron)

7. Selbst gestaltete Lernvideos (asynchron)

8. Einrichten eines Blogs mit allen Informationen zur LV (asynchron)

9. Anbieten zahlreicher offener Aufgaben, um die Individualisierung auch auf Aufgabenebene zu fördern

10. Erstellung von inhaltlich passenden Ersatzaufgaben für all jene Studierenden, die keinen Zugang zu entsprechend notwendiger Technologie hatten und somit die gestellten Konstruktionen, die computergestützt mit der 3D-CAD-Software gelöst hätten werden müssen, nicht durchführen hätten können und somit schließlich am Ende des Semesters keinen für eine positive Note ausreichenden Erfolg gehabt hätten.

Studierendenzentrierung und Heterogenität: Durch welche Maßnahmen wurde auf unterschiedlichen Ebenen eine individuelle Betreuung der Studierenden implementiert?

Die kontinuierliche Kommunikation mit Studierenden und individuelle Betreuung ist bei onlinegestütztem Lernen in besonderm Maße ausschlaggebend für den Lernerfolg. Je mehr Online-Lernanteil bei einer Lehrveranstaltung geplant ist, umso mehr ist extrinsische Motivation und zeitnahes Feedback entscheidend für erfolgreiches Lernen. Es wurden daher folgende Bereiche neu in die Lehrveranstaltung integriert bzw. in besonderem Maße verstärkt:

- Offene Aufgaben (anstatt gebundener)

- Erstellen und Anbieten von Lernmaterialien zu gleichem Thema in unterschiedlichen Formaten (Erklärvideos, pdf und 3D-pdf)

- Verstärkte, kontinuierliche Mailkommunikation

- Webex-Online-Besprechungen

- Verstärktes, differenziertes, individuelles Feedback auf abgegebene Aufgaben

- Individuelles Training des Raumvorstellungsvermögens mit der Plattform Raumintelligenzförderung 2.0 (RIF 2.0)

- Erstellung von inhaltlich passenden Ersatzaufgaben für all jene Studierenden, die keinen Zugang zu entsprechend notwendiger Technologie hatten und somit die gestellten Konstruktionen nicht durchführen hätten können.

Erörterungen zu den nicht selbsterklärenden Individualisierungs- und Heterogenitätsmaßnahmen:

Offene Aufgaben: Es wurden in dieser LV im Rhythmus von zwei Wochen jeweils ca. 11 offene Konstruktionsaufgaben via Blackboard aufgegeben, die die Studierenden nach erfolgreicher Bearbeitung wiederum in Blackboard hochluden. In Blackboard wurden im Allgemeinen innerhalb von 48 Stunden sämtliche eingereichten Aufgaben bewertet. Zusätzlich wurde zum Zweck der extrinsischen Motivation für jede eingereichte Aufgabe ein individuelles Feedback verfasst und den Studierenden zu jeder Aufgabe zur Verfügung gestellt. Bei den Feedbacks wurde im Besonderen darauf geachtet, dass möglichst der Anteil der positiven Rückmeldungen gegenüber den Kritikpunkten zu den Aufgaben überwiegt, um die Motivation der Studierenden hoch zu halten.

Lernmaterialien zum gleichen Thema in unterschiedlichen Formaten: Zusätzlich zu den bereits vorhandenen Lernmaterialien dieser LV wurden zahlreiche interaktive 3D-pdf-Dateien und Erklärvideos erstellt. Die 3D-pdf-Dokumente haben den Vorteil, dass diese auf jeder Plattform und in jedem Betriebssystem zu öffnen sind, sehr kleine Dateigröße haben (sich daher ideal für die online-Arbeit eignen) und die Möglichkeit besitzen, dass 3D-Objekte innerhalb des pdfs frei bewegt (gedreht, gezoomt, geschnitten, …) werden können. Die Erstellung dieser 3D-pdf-Dokumente ist durchaus aufwändig, ermöglicht es aber den Studierenden, die räumlichen geometrischen Objekte, an denen gearbeitet werden musste, tatsächlich als 3D-Objekte zu erfassen und mithilfe der interaktiven Funktionen des 3D-pdf-Dateiformats in vollem Umfang erkennen und analysieren zu können. Die selbst gestalteten Lernvideos waren in vielerlei Hinsicht wichtig für die Kommunikation mit den Studierenden. Studierende konnten bei auftretenden Fragen möglichst direkt mithilfe von einem passenden Lernvideo diese beantwortet bekommen. Siehe einige der erstellten Lernvideos unter www.youtube.com/channel/UC4fgTj8ufWIc6wGt9DuBb0Q/videos. Die Lernvideos wurden auch oftmals aufgrund von gehäuften Anfragen von Studierenden zu einem Thema der LV erstellt. Wenn mehrere Studierende eine Herausforderung mit einem speziellen Themenfeld der LV hatten, dann wurde dazu ein Lernvideo erstellt, um klärende Lösungen für alle Teilnehmer/innen der LV zur Verfügung zu stellen. Ein ca. 3-minütiges Lernvideo benötigt für die Herstellung etwa 3-4 Stunden Arbeitszeit (Inhalte, Drehbuch, Aufnahmen, Nachbearbeitung, Upload).

Neu in diese LV wurde zudem die Verwendung der eigenständig mit einer Gruppe von Geometrie-Expert/innen aus Österreich im Jahre 2019 (unter meiner Leitung) programmierten online-Lernplattform „Raumintelligenzförderung 2.0“ (RIF 2.0) integriert. Diese Lernplattform (https://adi3d.at/rif20/) ermöglicht reines online-Lernen, da Lehrpersonen für ihre Gruppen bzw. Klassen individuell für einen bestimmten Zeitraum die auf der Plattform online zur Verfügung stehenden Aufgabengruppen zur Bearbeitung freischalten können. Lernende können im jeweiligen Zeitfenster die freigeschalteten Aufgabengruppen, die jeweils zwischen 30 und 60 unterschiedliche Raumvorstellungsaufgaben enthalten, bearbeiten. Den Studierenden wurden im Rahmen der LV regelmäßig die Ergebnisse der Leistungen zurückgemeldet und darauf aufbauend Empfehlungen für individuelle Fördermaßnahmen vorgeschlagen.

Des Weiteren wurden auf freiwilliger Basis Konferenzbesprechungen via webex angeboten. Diese Möglichkeit wurde von den Studierenden kaum genutzt, da die Vorteile des asynchronen Lernens und der individuellen Betreuung seitens der Studierenden in breitem Umfang angenommen wurden.

Studierende hatten zudem die Möglichkeit, individuelle Fragen via Mail zu stellen. Die Studierenden formulierten Ihre Fragen im Mailtext und hängten dem Mail das entsprechende pdf der Aufgabe bzw. die entsprechende CAD-Datei an, wo es galt, Fragen zu klären. Zumeist wurde innerhalb von vier Stunden, zumindest aber innerhalb von 24 Stunden auf die Mails der Studierenden reagiert, sodass der Arbeitsfluss der Studierenden nicht durch zu lange Wartezeiten auf die Antwort unterbrochen wurde. Im Allgemeinen wurden im pdf digital Anmerkungen verfasst oder Konstruktionen durchgeführt, die für die Studierenden Lösungsvorschläge darstellten bzw. wurde in den CAD-Dateien Konstruktionen und Korrekturen durchgeführt, sodass die offenen Fragen der Studierenden geklärt wurden und die Studierenden an den Konstruktionen weiterarbeiten konnten.

Europäische und internationale Ausrichtung

Die Inhalte der LV Geometrie-Software werden mit einer international verbreiteten CAD-Software vermittelt. Dies ermöglicht das Arbeiten in unterschiedlichen Sprachversionen, wodurch neben der deutschsprachigen vor allem die englische Version der Software die Studierenden gut auf das Arbeiten im internationalen Kontext vorbreitet. Durch das Halten von Kursen zu diesem Thema in einigen Ländern Europas und z.B. Südafrika war es möglich, die Erfahrungen aus diesen internationalen Kursen in die LV einzubinden und auf diesem Wege internationale Konnexe (z.B. Standards, Normen und Wettbewerbe) herzustellen. Die Studierenden der LV hatten dadurch unter anderem die Möglichkeit (freiwillig) am internationalen Wettbewerb Digital Infrastructure Student Idea Challenge 2020 (https://communities.bentley.com/communities/other_communities/be_careers_network_for_academia/w/academic_wiki/43819/digital-infrastructure-student-idea-challenge-2020) teilzunehmen.

Den einzelnen Anteilen der LV (3 ECTS) wurden konkrete Stundenkontingente zugewiesen. Diese Übersicht war durchgehend im Blackboard-Kurs für die Studierenden einsehbar. Studierende bekamen dadurch vor allem die Möglichkeiten, zu sehen, welcher Detailgrad des Aufwands pro Lehrveranstaltungselement erwartet wird. Konkret wurden für die sieben Aufgabenblöcke des Semesters pro Projekt 4 Stunden Arbeitszeit kalkuliert, was einen Gesamtaufwand von 28 Stunden für die Erstellung der Projekte bedeutete. Studierende konnten somit die offen gestellten Aufgaben zeitlich passend rahmen und den entsprechenden Detailgrad der Ausarbeitung erkennen.

Nachhaltigkeit

Übertragbarkeit: Das Projekt führt grundlegende Facetten von Distance Learning (asynchrones/synchrones Lernen, Individualisierung des Lernens, Verschiedenartigkeit der Lernmaterialien, …) zusammen und bündelt diese innerhalb einer Lehrveranstaltung. Die Lehrveranstaltung umfasst Inhalte aus dem MINT-Bereich (Mathematik-Informatik-Naturwissenschaften-Technologie). Daher ist es sicherlich realistisch zu vermuten, dass die Struktur der Lehrveranstaltung im gesamten Themenfeld der Lehre im MINT-Bereich aufgrund der vergleichbaren Strukturen der Inhalte übertragbar ist.

Nachhaltigkeit: Die Studierenden haben diesen Mix von didaktischen, methodischen und technischen Elementen als sehr positiv erachtet: Bei der Evaluierung der Studierenden erhielt die LV einen Mittelwert von 6,93 Punkten auf einer Skala von 1-7 (wobei 1 sehr schlecht und 7 sehr gut bedeutet). Die zusätzlichen frei formulierten Feedbacks der Studierenden lassen zudem erahnen, dass die Lehrveranstaltung die Studierenden interessiert hat und auch für die weitere Beschäftigung mit den Inhalten motiviert hat. Da die Lehrveranstaltung eine Pflichtlehrveranstaltung im Curriculum Mathematik-Lehramt darstellt, wird diese Lehrveranstaltung auch in Zukunft alljährlich angeboten werden. Das Wissen, dass der doch große Aufwand für die Umstellung der LV in dieser Art und Weise auf Distance Learning nicht nur in einer einmaligen Durchführung der LV mündet, sondern viele der neu entwickelten Elemente und Materialien der LV auch noch einige Jahre genützt werden können, war sicherlich eine zusätzliche Motivation. Nachhaltig wurde somit die Möglichkeit geschaffen, dass Studierende deutlich individueller betreut werden können als zuvor, dass sie aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Lernmaterialien pro Themenfeld wählen können und daher über unterschiedliche Sinne die Inhalte erfahren können, dass nun die Inhalte asynchron abrufbar sind und sich Studierenden somit zeitlich flexibel die Inhalte aneignen können und dass die zur Verfügung stehenden Materialien die Individualisierung des Lernens fördern und damit die Heterogenität der Studierenden maßgeblich berücksichtigt wird.