Elektronik in der Praxis durch Inverted Classroom

Nähere Beschreibung des Projekts

Allgemeine Beschreibung:

Im Zentrum des didaktischen Konzepts steht die anwendungsorientierte Wissensvermittlung. Studierende sollen anhand von praktischen Beispielen während der Vorlesung das gelernte theoretische Wissen direkt zur Anwendung bringen. Ziel ist es die Lernziele auf eine höhere Taxonomiestufe (nach Bloom) zu heben, damit Studierende ihr Wissen auch praktisch anwenden und komplexe Problemstellungen analysieren können.

Zur Umsetzung des Konzepts in der Grundlagenvorlesung „Elektronische Schaltungstechnik 2“ wurden – neben zahlreichen praktischen Aufgabenstellungen in allen Einheiten – jedes Jahr drei von 14 Einheiten in einem Flipped-Classroom-Konzept umgesetzt. Über den Zeitraum von drei Jahren wurden verschiedene, für große Lehrveranstaltungen (LV) geeignete Umsetzungen des Flipped Classrooms (FC) erprobt und mit unterschiedlichen Mitteln evaluiert. Gut funktionierende Umsetzungen wurden beibehalten und andere angepasst oder verworfen.

Beschreibung der Vorbereitenden Videos (vorbereitende Phase):

Im Zuge eines Förderprojekts der TU Graz (TEL-Marketplace) wurden für das Semester 2019/20 erste kurze Videos (12 – 20 Minuten) im Themenbereich „Grundlagen der Elektronik“ erstellt und mittels H5P (https://h5p.org/ ) interaktiv gestaltet. Dazu wurden kurzer Self-Assessments in die Videos eingebaut, um die Aufmerksamkeit der Studierenden zu erhöhen und die Lernziele der einzelnen Kapitel in den Videos zu überprüfen. Die Videos wurden außerdem als Open Educational Resources (OER) lizensiert und auf der Plattform Youtube bereit gestellt (https://www.youtube.com/c/IFETUGraz). Zur Vorbereitung auf die FC-Einheiten wurden den Studierenden eine Woche vor der jeweiligen FC-Einheit 1-2 ausgewählte Videos im Lernmanagementsystem (LMS) zur Verfügung gestellt. Da dieser zusätzliche Aufwand im LV-Typ „Vorlesung“ auf Freiwilligkeit beruht, wurde als Anreiz ein Elektronikbaukasten unter allen aktiven Teilnehmer*innen verlost.

Umsetzung der Präsenzeinheiten (aktive Phase):

Auf Basis des Grundwissens aus den vorbereitenden Videos wurden verschiedene Konzepte für die aktive Teilnahme in den Präsenzeinheiten erprobt. Für die Auswahl der jeweiligen Methode standen die Lernziele der jeweiligen LV-Einheit, als auch eine möglichst praxisnahe Gestaltung im Fokus. Es wurden innerhalb von drei Jahren insgesamt vier Methoden ausprobiert und intensiv evaluiert.

- Methode 1: Lösen von Rechenaufgaben in Gruppen:

Methode 1 sollte das Grundwissen der Studierenden gleich am Beginn des Semesters angleichen. Dafür wurden vor allem Inhalte mehreren LV im Semester zuvor adaptiert und anhand praktischer Rechenübungen wiederholt. Das FC-Konzept, sowie die dafür notwendige Vorbereitung wurden in der ersten LV-Einheit angekündigt und die entsprechenden Videos im LMS zur Verfügung gestellt. Nach der Erklärung wurde mit Hilfe des Audience-Response-Tools Feedbackr (https://www.feedbackr.io/ ) eine Umfrage gemacht, welche für die LV relevanten Themen des Vorsemesters als besonders schwierig empfunden wurden und wiederholt werden sollten.

Die aktive Phase fand in der zweiten LV-Einheit statt. Die Teilnehmer*innen erhielten über das LMS mehrere Rechenaufgaben und wurden in Gruppen aufgeteilt um diese gemeinsam zu lösen. Ziel war es möglichst heterogene Gruppen zu schaffen, um innerhalb der Gruppen Peer-Teaching zu fördern. Während der LV-Einheit wurden die einzelnen Gruppen nach Bedarf abwechseln im Rotationsprinzip vom Lehrenden betreut. Anschließend an die Gruppenarbeit wurden die Ergebnisse gemeinsam diskutiert.

- Methode 2: Lernquiz Jeopardy

Am Beginn eines größeren Themenkomplexes einer LV stehen oft viele grundlegende Konzepte und neue Vokabel, die es zu verinnerlichen gilt, bevor der gesamte Themenkomplex im Detail behandelt werden kann. Ziel von Methode 2 war es daher grundlegendes Wissen über ein größeres, in mehreren weiteren LV-Einheiten behandeltes Thema zu festigen. Die Studierenden wurden in der aktiven Phase in Gruppen aufgeteilt. Mit Hilfe einer online verfügbaren Sofware (https://jeopardylabs.com/) wurden die zu lernenden Grundlagen aus den vorbereitenden Videos in Form einer Quizshow (Jeopardy) ganz bewusst wiederholt und damit gefestigt. Bei Jeopardy handelt es sich um ein umgekehrtes Quiz. Dabei werden Antworten vorgegeben auf die eine passende Frage formuliert werden muss. Im Wintersemester 2021/22 spielten in einem hybriden Format die Studierenden im Hösaal gegen jene, die die LV live zuhause im Stream verfolgten. Abwechselnd musste eine Gruppe eine Kategorie aus dem zu lernenden Themenfeld, sowie eine Punktezahl auswählen. Mit steigender Punktezahl stieg auch der Schwierigkeitsgrad innerhalb der Kategorie. Konnte die Gruppe innerhalb einer Minute die richtige Frage formulieren, wurden ihr die Punkte gutgeschrieben. War die gesuchte Frage falsch, oder die Zeit abgelaufen, erhielt die gegnerische Gruppe die Chance die Punkte zu gewinnen.

- Methode 3: Schaltungsaufbau

Ziel von Methode 3 war es theoretisches Wissen anhand eines Beispiels in die Praxis umzusetzen. Im Bereich der Elektronik ist dafür ein Schaltungsaufbau die ideale Form. Dieser Aufbau wurde live und für alle sichtbar Schritt für Schritt vollzogen. Die Studierenden wurden dazu in der aktiven Phase in Gruppen aufgeteilt. Der Lehrende präsentierte am Beginn der Lehrveranstaltung eine gemeinsame Aufgabenstellung – im konkreten Fall die zu implementierende Funktion einer elektronischen Schaltung. Diese war aus mehreren Funktionsblöcken zusammengesetzt, die jeweils einen Teilbereich des bisher in der LV gelernten, theoretischen Wissens abdeckten. Die Gruppen wurden nun zufällig abwechselnd gefragt welcher Schritt zur Implementierung der Schaltung als nächstes notwendig ist. Hatte die Gruppe eine richtige Idee, wurde der jeweilige Schritt für alle sichtbar auf dem Steckbrett vollzogen. Machte die Gruppe einen „lehrreichen Fehler“, wurde auch dieser Schritt vollzogen um den Fehler anschließend gemeinsam zu analysieren. Anschließend war die nächste zufällig ermittelte Gruppe an der Reihe den nächsten Schritt zu beschreiben.

- Methode 4: Expert*inneninterview

Die Studierenden wurden in der vorbereitenden Phase gebeten sich zusätzlich zu den aufgegebenen Lehrvideos weiterführende Fragen zu überlegen. In der aktiven Phase wurde dann ein Interview mit einem Experten (im konkreten Fall aus dem Bereich der Raumfahrt) geführt. Dabei wurde zuerst aus der gelernten Theorie ein praktisches Anwendungsbeispiel in der Raumfahrt präsentiert und ein Gespräch mit dem Experten vom Lehrenden moderiert. Die Studierenden hatten anschließend die Möglichkeit dem Experten ihre erarbeiteten Fragen, sowie zusätzliche Fragen, die aus der Präsentation hervorgingen, zu stellen.

Praxisorientierte Prüfung

Prüfung:

Die Prüfung wurde dem Stil des Unterrichts entsprechend auf eine praxisorientierte Open-Book-Klausur umgestellt. Neben einem Theorieteil besteht die Prüfung nun auch aus einem Rechen- und einem Praxisteil. In letzteren beiden werden komplexe Beispiele aus dem praktischen Alltag geprüft. Studierende müssen z.B. Bauteile anhand von Datenblättern auf ihre Eignung für eine spezifische Anwendung vergleichen, die Funktion diverser Schaltungen erkennen und beschreiben, sowie gegebene Messergebnisse interpretieren können. Die Prüfung fordert die Studierenden den Umgang mit Datenblättern zu üben, wie er in den praktischen Teilen der LV vermittelt wurde. Die Vorbereitung auf die Prüfung erfolgt so stets mit dem Ziel eines Gesamtverständnisses der Materie.

Evaluierung des Flipped Classrooms:

Im Rahmen der Lehrveranstaltung wurde eine Vielzahl von Evaluierungsmöglichkeiten geschaffen. Jede einzelne LV-Einheit konnte mit Hilfe des Audience-Response-Tools Feedbackr in Form eines anonymen Freitextes evaluiert werden. Dies diente sowohl dazu den Studierenden eine Möglichkeit des Feedbacks zur Einheit zu geben, als auch anonym Fragen zum Stoff stellen zu können. Das Tool wurde auch im Sinne eines Co-Creation-Prozesses in der LV genutzt (siehe Methode 1).

Neben Feedbackr wurde auch eine Evaluierung mit Hilfe von Fokusgruppen vorgenommen. Studierende wurden von einem LV-fremden Mitarbeiter des Vizerektorats für Lehre der TU Graz in der ersten LV-Einheit dazu aufgerufen anonym und freiwillig an einer Fokusgruppe teilzunehmen. Diese Fokusgruppe traf sich in weiterer Folge zwei weitere Male in der Mitte und am Ende des Semesters, um gemeinsam den Lernprozess und die Umsetzung der FC-Einheiten zu bewerten. Das Feedback der Studierenden wurden anschließend durch den externen Mitarbeiter zusammengefasst und an der Lehrenden weitergegeben.

Im Rahmen der regulären LV-Evaluierung am Ende des Semesters wurden außerdem zusätzliche Fragen speziell hinsichtlich der Umsetzung, dem erwarteten Nutzen, sowie des Lernaufwands von Flipped Classroom gestellt. Auf Basis all dieser Evaluierung wurde die LV im folgenden Jahr angepasst.

Auch die Prüfung wird mit einem freiwilligen Fragebogen hinsichtlich des Lernaufwands und der verwendeten Materialien evaluiert und die anonymisierten Ergebnisse den Studierenden im LMS zur Verfügung gestellt.

Ergebnisse der Evaluierung (Lob und Kritik):

Der überwältigende Teil der Evaluierungen brachte in allen drei Jahren viel Lob für das Konzept des Flipped Classrooms. Die meisten Studierenden empfanden vor allem das Konzept des Schaltungsaufbaus (Methode 3) als sehr lehrreich. Auch das Jeopardy-Quiz (Methode 2) machte den meisten Teilnehmer*innen großen Spaß und trug – wie intendiert – auch nach Meinung der Studierenden zur Festigung des Stoffs bei.

Dennoch gab es auch berechtigte Kritik an der didaktischen Methode. Das verpflichtende Arbeiten in Gruppen wurde gerade in der ersten Einheit oftmals kritisiert, da eine Zusammenarbeit mit fremden Kommiliton*innen bei vielen ein gewisses Unbehagen auslöste. Des Weiteren wurde das Experteninterview (Methode 4) als interessant, wenn auch nicht so lehrreich, beurteilt. Auf Basis dieser Beurteilungen wurde und wird das Konzept weiter verbessert.

Nachhaltigkeit

Die aus dieser Lehrveranstaltung hervorgegangenen Videos zu den Grundlagen der Elektronik sind bewusst offen lizensiert und erfreuen sich auf Youtube großer Beliebtheit. So können und werden sie auch von anderen Lehrenden an der Fakultät, sowie einzelner Lehrer einer „Höheren Technischen Lehranstalt“ genutzt. In weiterer Folge ist aus diesen Videos außerdem bereits ein erster frei zugänglicher Onlin-Kurs (MOOC) entstanden (https://imoox.at/course/amps). Dieser dient Studierenden zur Vorbereitung und Wiederholung der LV-Inhalte aus den vorherigen Semestern. Im kommenden Semester wird außerdem an einem zweiten solchen Kurs gearbeitet, der einen Großteil der LV „Elektronische Schaltungstechnik 2“ abdecken und als Ergänzung und Vorbereitung für die FC-Einheiten genutzt werden wird. In weiterer Folge entstehen in den kommenden Semestern insgesamt vier MOOCs auf iMooX.at, die den gesamten Inhalt alle LVs zur Elektronik im Bachelor abdecken sollen. Ohne den ersten Start durch den Flipped-Classroom wäre es wohl nicht dazu gekommen.

Auch die LV-Aufzeichnungen sind öffentlich zugänglich (https://tube.tugraz.at/paella/ui/browse.html?series=ab1165b5-8547-4870-9748-205ba04de4ca ). Aus dem Projekt TEL-Marketplace ging außerdem ein Dokument zur Handreichung hervor, das anderen Lehrenden die Möglichkeit gibt dieses Konzept des Flipped Classrooms in ihren jeweiligen großen Lehrveranstaltungen umzusetzen. Im Wintersemester 2019/20 gestartet wurde und wird das Konzept jedes Jahr weiterentwickelt und auf Basis des Feedbacks der Studierenden verbessert.