Laborübung Kontinuumsmechanik

Nähere Beschreibung des Projekts

- Didaktische Zielsetzung -

Die Lehrveranstaltung (LV) „Laborübung Kontinuumsmechanik“ ist eine eigenständige Programmierübung, die nicht unmittelbar von einer Vorlesung begleitet wird. Dennoch ist das Beherrschen der theoretischen Grundlagen für das Verstehen und Anwenden der LV-Inhalte essenziell. Unter dieser Bedingung ist die größte Herausforderung, in einem Spannungsfeld aus Theorie, angeleiteter Anwendung und selbstständiger Anwendung die richtige Balance zu finden. Jeder dieser Bausteine ist für das Gelingen der LV ausschlaggebend. Ohne (zumindest hinreichend) verstandene Theorie ist die Anwendung der Inhalte unter Anleitung nicht sinnvoll, und die selbstständige Umsetzung unmöglich. Der Kreislauf schließt sich, wenn durch die eigenständige Anwendung das Verständnis der Theorie vertieft und gefestigt wird.

Das wesentliche didaktische Ziel ist es, dass dieser Lernzyklus möglichst oft durchlaufen wird. Er zieht sich sowohl im Kleinen als auch im Großen durch die Lehrveranstaltung. Einerseits wird dieser Kreislauf (im Optimalfall) in jeder LV-Einheit einmal erlebt, andererseits stellt die Lehrveranstaltung als Ganzes einen solchen Zyklus dar. Das Erfahren dieses Prozesses stellt für die Student_innen nicht nur ein Erfolgserlebnis dar, sondern verursacht in vielen Fällen Lust auf mehr. Durch eine ausgewogene Wahl didaktischer Methodenr kann so eine Lerndynamik induziert werden, aus der heraus die Studierenden den Lernprozess als freudvoll wahrnehmen und sich aus intrinsischer Motivation heraus tiefer mit der Materie befassen möchten.

- Bewertungskriterien -

Ziel der Bewertung ist es, die Leistungen der Studierenden objektiv, transparent und leistungsadäquat zu beurteilen. Zur Beurteilung dienen einerseits Hausübungsblätter, und andererseits ein Abschlussprojekt am Ende der LV. Durch ein Punktesystem mit entsprechender Gewichtung wird eine Gesamtpunktezahl akkumuliert. Anhand eines öffentlichen Notenschlüssels wird die entsprechende Note ermittelt. Durch dieses System soll maximale Transparenz und Planungssicherheit für die Studierenden sichergestellt werden. Die Bewertungskriterien werden in der ersten Einheit vorgestellt und erklärt. Im TeachCenter ist eine PDF-Datei hinterlegt, in der die wesentlichen organisatorischen Punkte der LV, unter anderem die Beurteilungsmethode, zusammengefasst sind.

Ziel der Hausübungsblätter ist es, die Studierenden zu einer wöchentlichen Beschäftigung mit der LV zu motivieren. Die Aufgabenstellung ist anspruchsvoller als die Übung in der Präsenzphase und erfordert ein höheres Maß an Selbstständigkeit. Idealerweise vertieft sich dadurch das Verständnis der zugrundeliegenden Theorien und Methoden. Die Abgabe des Hausübungsblattes bis zur Einheit der nächsten Woche wird empfohlen, bei Bedarf kann sie aber auch zu einem späteren Zeitpunkt eingereicht werden. Die Bewertungen der Hausübungsblätter werden samt schriftlichem Feedback im TeachCenter eingetragen, so dass die Studierenden zu jedem Zeitpunkt DSGVO-konform ihren aktuellen Punktestand abrufen können.

Ziel des Abschlussprojektes ist es, dass die Studierenden die in der LV vermittelten Inhalte selbstständig auf eine neue Problemstellung anwenden. Der im einleitenden Abschnitt “Didaktische Zielsetzung” beschriebene Lernzyklus soll sich hier schließen. Dazu muss der im Laufe des Semesters entstandene Code an mehreren Stellen erweitert werden. Die exakte Aufgabenstellung dazu steht im TeachCenter bereit, wobei auch der benötigte theoretische Hintergrund und Hinweise zur möglichen Implementierung angegeben werden. Da die zu lösenden Problemstellungen einen höheren Schwierigkeitsgrad haben als die Übungen der Präsenzphase und die Hausübungsblätter, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Studierenden das Abschlussprojekt in Zweiergruppen bearbeiten zu lassen. In den letzten zwei Einheiten der LV wird den Studierenden die Möglichkeit gegeben, im Lehrsaal an der Aufgabenstellung zu arbeiten, wobei der Vortragende anwesend ist, um Fragen zu beantworten. Nachdem eine Gruppe ihr Abschlussprojekt im TeachCenter hochgeladen hat, findet ein Abgabegespräch statt, wobei beide Gruppenmitglieder anwesend sind. Zum einen soll überprüft werden, ob jeder der Projektpartner einen in etwa gleich großen Beitrag geleistet hat, und die Implementierung der Aufgabenstellung zur Gänze erklären kann. Zum anderen wird überprüft, inwieweit die Studierenden die zugrundeliegende Theorie verstanden haben. Insgesamt wird so kontrolliert, inwieweit die in definierten Lernziele erreicht wurden. Um den Studierenden eine angebrachte Vorbereitung auf das Abgabegespräch zu erleichtern, steht im TeachCenter eine PDF-Datei mit einer Checkliste zur Selbstkontrolle bereit. In vielen Fällen entwickelt sich ein interessanter Dialog, da die Studierenden oft noch offene Fragen haben, die über die Inhalte der LV hinausgehen, oder über einen spezifischen Teil der LV noch genauer Bescheid wissen wollen. Letztlich lässt sich beim Abgabegespräch sehr gut feststellen, ob das Konzept des Lernzyklus aufgegangen ist.

- Aufbau der LV-Inhalte und Lehrmethoden -

Vor Auswahl der Inhalte und Methoden steht die Definition der zu erreichenden Lernziele. Alle Lehr- und Lerninhalte werden von diesen Zielen abgeleitet. Dabei ist es essenziell, dass die Lernziele operationalisierbar, also handlungsbestimmend und überprüfbar, sind. Die Lernziele der LV werden zu Beginn der ersten Einheit vermittelt. Nachdem Kontextbedingungen, Lernziele und Bewertungskriterien definiert wurden, können geeignete Inhalte und Lehrmethoden abgeleitet werden.

Zu Beginn der ersten Einheit findet ein Begrüßungsdialog statt. Dabei werden die Vorkenntnisse der Studierenden, die Interessen und Erwartungen der Studierenden an die LV, die Lernziele der LV, die Bewertungskriterien sowie Aufbau und Inhalte der LV besprochen. Die Resultate des Begrüßungsdialogs werden zusammengefasst und im TeachCenter zur Verfügung gestellt. Da die Programmierkenntnisse der einzelnen Studierenden erfahrungsgemäß sehr unterschiedlich sind, werden die ersten zwei Einheiten inhaltlich dazu verwendet, ein gemeinsames Ausgangsniveau in der objektorientierten Programmierung in Matlab sicherzustellen.

Die Einheiten des Hauptblocks werden im “Flipped Classroom”-Format abgehalten. Dazu wird der Theorieinput auf einem Tablet präsentiert, wobei Bildschirm und Stimme aufgenommen werden. Das erstellte Video wird auf die Videoplattform TUbe hochgeladen. Dieses Format wurde gewählt, da die Theorie sehr formellastig ist und so alle Resultate Schritt für Schritt erarbeitet werden können. Außerdem wird die dabei entstehende PDF-Datei ebenfalls im TeachCenter bereitgestellt. Die Studierenden sind dazu verpflichtet, das Lernvideo vor der jeweiligen Einheit anzusehen und sich mit dem Inhalt auseinanderzusetzen. In der Präsenzphase im Lehrsaal wird die behandelte Theorie nicht wiederholt. Die strikte Einhaltung dieser Regeln ist für das Gelingen des Konzeptes „Flipped Classroom“ essenziell. Um eine breite Akzeptanz dieser Methode zu erreichen, wurde zu Beginn der LV mittels feedbackr anonymisiert gefragt, ob der Theorievortrag frontal in der Einheit oder mittels Lernvideo als Flipped Classroom bevorzugt wird. Dabei sprachen sich 100% der Antwortenden für die Umsetzung als Flipped Classroom aus.

Zu Beginn der Präsenzphase werden die Inhalte der letzten Einheit wiederholt. Zunächst werden in einer Gruppendiskussion die wesentlichen Punkte der vergangenen Einheit rekapituliert. In ausgewählten Einheiten wird der gesamte bisherige Verlauf der LV zusammengefasst und in den Gesamtkontext des inhaltlichen Programms gesetzt. Gegebenenfalls wird eine kurze Programmierübung aufgegeben, in der die wesentlichsten Punkte der vorigen Einheit aktiv wiederholt werden sollen. Der Übungsteil stellt den zentralen Teil jeder Einheit dar. Hier soll die Theorie unter Anleitung auf ein Problem angewandt werden. Dazu wird für jede Einheit ein Arbeitsblatt erstellt. Darauf sind folgende Abschnitte enthalten:

1. Vom Vortragenden bereitgestellter Code wird erklärt. Verknüpfungen zwischen Theorie und Implementierung können an dieser Stelle einen wertvollen Input für die Studierenden darstellen.

2. Die zu bearbeitenden Übungen. Damit die Studierenden ihre Implementierung auf Richtigkeit überprüfen können, werden die Ergebnisse angegeben, die das Programm bei Ausführung liefern sollte.

3. Diagramme und Abbildungen, die den in der Einheit behandelten Code visuell erklären.

Die Bearbeitung der Arbeitsblätter in der Einheit erfolgt als Einzelarbeit oder Partnerarbeit. Die Sozialform ist aber meist nicht strikt vorgegeben, um einen dynamischen Lernprozess zu fördern. So können sich mehrere Studierende zu einer Gruppe zusammenschließen, um ein gemeinsames Problem zu lösen. Ein weiterer großer Vorteil dieser Sozialform ist, dass Studierende, die mit einer Übung fertig sind, anderen Teilnehmer_innen bei Problemen helfen können. Der Vortragende übernimmt in diesem Teil die Rolle eines begleitenden Betreuers. Treten bei mehreren Studierenden gleiche oder ähnliche Probleme oder Unklarheiten auf, können diese im Plenum besprochen werden. Jede Übung wird im Anschluss im Plenum diskutiert. Die Ergebnisse und alternative Lösungsansätze werden gemeinsam erörtert und analysiert.

Nach Abschluss des Übungsteils wird eine feedbackr-Session abgehalten, in der die Studierenden anonym Fragen beantworten, um als Selbstkontrolle die Erfüllung der Lernziele dieser Einheit zu überprüfen. Im Anschluss werden die richtigen Antworten, sowie eine Statistik aller abgegebenen Antworten, angezeigt und diskutiert. Zum Schluss der Einheit werden die Inhalte der Einheit in einer Gruppendiskussion zusammengefasst, wiederholt und in den Gesamtkontext der LV gestellt.

- Feedback und Evaluierung -

Um die Qualität der Lehrveranstaltung kontinuierlich zu gewährleisten und zu verbessern, wird den Studierenden auf mehreren zeitlichen Ebenen Raum für Feedback eingeräumt. Die Rückmeldung soll dabei stets freiwillig und anonym erfolgen. Dennoch werden die Studierenden explizit dazu ermutigt, Feedback zu geben. Als klassisches Feedbacktool wird die Evaluierung des TUGonline verwendet. Nach Ende der Evaluierungsfrist sind die Ergebnisse öffentlich einsichtbar. Diese Rückmeldung kann jedoch erst im nächsten Studienjahr berücksichtigt werden.

Um kurzfristigeres anonymes Feedback einzuholen, das in den laufenden LV-Betrieb eingebunden werden kann, wird die Aktivität „Feedback“ des TeachCenters verwendet. Nach Ablauf der Evaluierungsfrist werden die statistischen Ergebnisse für alle Studierenden sichtbar veröffentlicht. Die Auswertung wird in der Präsenzphase besprochen und auf Verbesserungsvorschläge wird eingegangen. Gegebenenfalls werden diese in den laufenden LV-Betrieb implementiert.

Für Mikrofeedback, das noch kurzfristiger, oder sogar noch in derselben LV-Einheit, berücksichtigt werden soll, wird feedbackr verwendet.

- Mögliche Herausforderungen und Bewältigungsstrategien -

Teilnehmer_innen einer LV sind stets eine heterogene Personengruppe mit Unterschieden in Wissensstand, Auffassungsgabe und Lerntypus. Bewältigungsstrategien für damit verbundene Herausforderungen werden im Folgenden dargelegt.

Unterschiedlichen Lerntypen soll durch eine möglichst breit aufgefächerte Art an Lehrunterlagen Rechnung getragen werden. Auch wenn die strikte Einteilung von Studierenden in Lerntypen umstritten ist, erachte ich eine breite Auffächerung der Lehrunterlagen als vorteilhaft. Die Lernvideos sprechen dabei besonders auditive und visuelle Warnehmungstypen an. Durch die Bereitstellung des im Rahmen des Videos entstandenen PDFs soll Studierenden, die Informationsaufnahme durch Lesen in eigener Geschwindigkeit bevorzugen, entsprochen werden. Während kinästhetische Lerntypen durch die Programmierübungen und bei Hausübungsblättern angesprochen werden, soll dieser Lerntypus in Zukunft durch interaktive Gestaltung der Lernvideos stärker in die Theorievermittlung eingebunden werden.

Zu Beginn der LV sind das theoretische Vorwissen und vor allem die Programmierkenntnisse sehr heterogen über die Teilnehmer_innen verteilt. Um eine gemeinsame Basis für alle Studierenden zu schaffen, widmen sich die ersten zwei Einheiten inhaltlich ausschließlich der Programmierung in Matlab. Dem unterschiedlichen Kenntnisstand der Theorie neben den Lernvideos dadurch Rechnung getragen, dass alle Teilnehmer_innen Zugang zum TeachCenter Kurs der inhaltlich vorausgesetzten LV „Höhere Festigkeitslehre und FE-Methoden“. Auch dort stehen Unterlagen zur Verfügung, die autonomes Lernen ermöglichen.

In den Übungen der Präsenzphase zeigt sich immer wieder, dass die Geschwindigkeit, mit der die Studierenden arbeiten und vorankommen sehr stark variiert. Als ausgleichende Maßnahme können je nach Bedarf nach Vollendung der Übung anspruchsvollere Zusatzaufgaben gelöst werden. Des weiteren werden Studierende, die mit der Übung fertig sind, dazu ermuntert ihren Kolleg_innen bei Problemen weiterzuhelfen.

Nachhaltigkeit

Das entwickelte Konzept lässt sich sowhohl in Teilen als auch als gesamtes auf Lehrveranstaltungen mit immanentem Charakter übertragen, wobei ich fest davon überzeugt bin, dass nicht nur LVs mit Programmierbezug geeignet sind. Nach den durchwegs positiven Rückmeldungen der Student_innen habe ich das Konzept in leichter Abwandlung auch auf die zweite Programmierübung die ich leite übertragen.

Die jährliche Abhaltung der Lehrveranstaltung ist die optimale Vorraussetzung für eine kontinuierliche Weiterentwicklung des Konzepts. So habe ich für das kommende Jahr bereits einige Ideen, die ich gerne umsetzen werde (z.B. Gamification der Programmierübungen und interaktive Gestaltung der Lernvideos mit H5P).

Auch wenn meine Zeit am Institut für Festigkeitslehre aufgrund eines befristeten Dienstverhältnisses begrenzt ist, überzeugt mich die Zusammenarbeit mit den nachrückenden Kolleg_innen davon, dass viele der Elemente die ich in die Lehre eingebracht habe, nachhaltig an der didaktischen Lehrveranstaltungskonzeption unseres Instituts Einzug halten werden.

Generell bin ich aufgrund der großartigen Unterstützung der TU Graz der festen Überzeugung, dass der Einsatz von Lernvideos und Flipped-Classrom Konzepten universitätsweit fester Bestandteil der Lehre werden, und auch nach Ende der Pandemie bleiben.