Smart Cards & NFC: kombinierte Lehrveranstaltung im Flipped-Classroom Stil

Ziele/Motive/Ausgangslage/Problemstellung

Die abrupte Umstellung von Präsenzbetrieb auf Distance-Learning im Sommersemester 2020 führte insbesondere bei Übungen und kombinierten Lehrveranstaltungen zu teils erheblichen Qualitätseinbußen -- nicht zuletzt durch das (notgedrungene) hineinpressen von Präsenzformaten in ungeeignete Onlineangebote. Nachdem die Strategie für das darauffolgende Wintersemester einen erneuten Start im Präsenzbetrieb (jedoch mit absehbarer Umstellung auf Distanzbetrieb) vorsah, galt es die Fehler des vergangenen Semesters nicht zu wiederholen. Gleichzeitig bot sich dadurch die Chance, neuartige Lehrkonzepte zu erproben und die eigenen Kompetenzen im Bereich innovativer Lehrmethoden zu erweitern.

Ziel war es, ein Lehrkonzept für eine kombinierte Lehrveranstaltung mit Vortrags- und Übungsteilen zu erstellen, das sowohl in Form von Präsenzunterricht, als auch in reinem Online-Distanzbetrieb funktioniert, einen flexiblen Wechsel sowie Hybridformen zwischen diesen Unterrichtsmodi zulässt, und sowohl auf kleine als auch auf große Lehrveranstaltungen (also egal ob 15 oder 150 Studierende) anwendbar ist. Darüber hinaus sollte das Konzept durch Blended-Learning-Methoden die zeitliche Flexibilität der Studierenden steigern, um das Lehrveranstaltungsangebot auch für berufstätige Studierende attraktiver zu machen. Die Kombination aus zeitlicher Flexibilität und (soweit möglich und zulässig) Präsenzelementen, deckt zwei wesentliche Studierendenwüsche ab, die sich aus Studierendenfeedback des ersten Pandemiesemesters ergaben.

Das erarbeitete Konzept sollte zunächst an der Lehrveranstaltung "Special Topics: Smart Cards & NFC" (kleine Wahllehrveranstaltung mit ca. 10-25 Studierenden) erprobt und anschließend in weiteren Lehrveranstaltungen zur Anwendung kommen. Diese Lehrveranstaltung wurde in der Vergangenheit vorwiegend in Form eines Frontalvortrags abgehalten. Mittels Flipped-Classroom und Blended-Learning-Angeboten, bestehend aus eigens erarbeiteten, kurzen Lehrvideos, Moodle-Aufgaben (wie Minitests über Verständnis der Lehrinhalte, praxisorientierte Übungsbeispiele und Foren zur reflektierten Vorbereitung auf Diskussionsrunden) und Live-Diskussionsrunden wird diese Lehrveranstaltung in einen Mix aus asynchronen und synchronen Elementen überführt. Die Beurteilung erfolgt in drei Säulen (Wissenserwerb, praktische Anwendung, Diskussionskompetenz) und ermöglicht Studierenden damit Defizite einer Säule durch Exzellenz in anderen Säulen auszugleichen (z.B. auch mangelnde Teilnahme an Live-Diskussionen aufgrund beruflicher Terminkollisionen). Nach der erfolgreichen Umsetzung im Rahmen dieser Lehrveranstaltung wurde das Konzept für die Lehrveranstaltung "Einführung in Linux" übernommen, welche dadurch erfolgreich von einer Gruppengröße von ca. 30 Studierenden auf über 150 Studierende ausgedehnt werden konnte, ohne ihren interaktiven Charakter zu verlieren.

Kurzzusammenfassung des Projekts

Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Lehrkonzept für die Lehrveranstaltung "Special Topics: Smart Cards & NFC" erarbeitet, das sowohl im Präsenz-, als auch im Hybrid- oder Distancebetrieb einsetzbar ist, und einen spontanen Wechsel zwischen diesen Unterrichtsformen zulässt. Zunächst motiviert durch den von COVID-19 getriebenen Flexibilitätsbedarf, sollte das Konzept nachhaltig und auch in der Zukunft nutzbar sein.

Das Konzept setzt auf Flipped-Classroom, bestehend aus eigens erarbeiteten, kurzen Lehrvideos (je 3-4 Videos in 6 Lektionen), Interaktion über Moodle-Aufgaben (wie Minitests über Verständnis der Lehrinhalte, praxisorientierte Übungsbeispiele, Foren zur reflektierten Vorbereitung auf Diskussion) und Live-Diskussionsrunden. Blended-Learning ermöglicht Studierenden eine flexiblere Zeiteinteilung bei der Erarbeitung der Kursinhalte in einem Rahmen von ca. 2 Wochen pro Lektion. In oft lebhaften Diskussionsrunden (in Präsenz oder über Video-Conferencing) werden einzelne Themen vertieft und praktische Erfahrungen ausgetauscht. Die Beurteilung erfolgt in den drei Säulen Wissenserwerb, praktische Anwendung und Diskussionskompetenz. Studierende können damit Defizite einer Säule durch Exzellenz in anderen Säulen ausgleichen. Das Konzept wird von Studierenden sehr gut angenommen (Steigerung der Interaktion, Verbesserung der Evaluierung), wurde erfolgreich mit kleinen und großen Gruppen und in weiteren Lehrveranstaltungen erprobt, und auch von anderen Vortragenden übernommen.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

Within this project, we developed a teaching concept for the course "Special Topics: Smart Cards & NFC" that is usable when teaching in physical presence, hybrid and pure online settings, and that allows seamless switching between those modes. Initially motivated by the expected flexibility during the COVID-19 pandemic, the concept should be sustainable even after the pandemic and is expected to be reusable for future courses.

The concept is based on flipped classroom, consisting of short educational videos (3-4 videos in 6 lessons), interaction through Moodle activities (like mini-tests on the comprehension of content, practical exercises, and forums for self-reflected preparation on discussions), and live discussion rounds. Blended learning permits students to flexibly work through the course content on their own (within a period of approx. 2 weeks per lesson). Lively discussions rounds (in physical presence or via video conferencing) reinforce particular aspects of the learned content and permit exchange about practical experiences. Grading is based on three pillars: knowledge acquisition, practical application of knowledge, and discussion competency. Thus, students may balance deficiencies from one pillar through excellence in the other pillars. The concept is well received by students (increased interaction, better evaluation results), has been successfully tested in small and large courses, has been transferred to other courses, and was even adopted by other lecturers.

Nähere Beschreibung des Projekts

Im Rahmen dieses Projekts wurde ein neues Lehrkonzept für die Lehrveranstaltung "Special Topics: Smart Cards & NFC" erarbeitet. Ziel dieses Konzepts war ein innovatives Lehrformat, dass

* die Flexibilität der Lehrveranstaltung erhöht (sowohl in Hinblick auf die Abhaltungsform synchroner Elemente in Präsenz-, Hybrid- oder Distancebetrieb, als auch in Hinblick auf die zeitliche Flexibilität der Studierenden bei der Absolvierung der Lehrveranstaltung),

* die Interaktion und den Austausch mit und zwischen den Studierenden erhöht (insbesondere Diskussionskompetenz zu Lehrveranstaltungsinhalten), und

* skalierbar für kleine und große Lehrveranstaltungen ist (nach erfolgreicher Umsetzung sollte das Konzept auch auf eine größere Lehrveranstaltung ("Einführung in Linux", mit über 150 Studierenden) übertragen werden).

Insbesondere stand im Vordergrund, ein Format zu entwickeln, dass dem Flexibilitätsbedarf der COVID-19-Pademie genügt, aber gleichzeitig kein reines Online-Fernlehre-Format darstellt, sondern die Studierenden sobald als möglich an den Campus zurückbringt. Damit sollte die Nachhaltigkeit des Formats gewährleistet werden, damit dieses auch zukünftig in Lehrveranstaltungen einsetzbar bleibt.

Die Wahllehrveranstaltung "Special Topics: Smart Cards & NFC" wird seit dem Wintersemester 2018 an der Johannes Kepler Universität Linz jährlich angeboten. Sie ist im Curriculum des Masterstudiums Computer Science angesiedelt und wird jedes Jahr von ca. 10-25 Studierenden belegt. Neben Studierenden aus dem Masterstudium Computer Science, wird die Lehrveranstaltung auch von Studierenden im Bachelorstudium Informatik (typischerweise ab dem 5. Semester), aus den Studienrichtungen Artificial Intelligence, Elektronik & Informationstechnik und Mechatronik, sowie aus dem Doktoratsstudium der technischen Wissenschaften genutzt. Ziel der Lehrveranstaltung ist es, dass Studierende

* NFC- und Smartcard-Systeme verstehen,

* Technologien, die unter den Begriffen "NFC", "RFID" und "Smartcard" vermarktet werden, analysieren, differenzieren und bewerten können, und

* bestehende Technologien für die Entwicklung eigener Smartcard- und NFC-Applikationen auswählen können.

In der Vergangenheit wurde die Lehrveranstaltung vorwiegend in Form eines Frontalvortrags, ergänzt durch praktische Demobeispiele, abgehalten, wobei der Frontalvortrag stark von der direkten Interaktion mit den Studierenden im Seminarraum lebte. Der Lernerfolg wurde durch eine abschließende schriftliche Prüfung beurteilt.

Für die Neugestaltung des Lehrkonzepts wurde auf Flipped-Classroom mit Blended-Learning-Elementen gesetzt. Die Lehrveranstaltung ist (wie auch zuvor im klassischen Vortragsstil) in sechs Kapitel/Lektionen unterteilt. Für jedes Kapitel wurden eigens mehrere kurze Lehrvideos (3-4 Videos pro Lektion) erarbeitet. Alle ca. zwei Wochen wird ein neues Kapitel veröffentlicht. Nach der Veröffentlichung haben die Studierenden jeweils ca. 14 Tage Zeit, um eigenständig die Lehrvideos anzusehen, Lehrinhalte zu wiederholen, und ihren Lernerfolg durch Absolvierung von Aufgaben zu belegen. Für die Bereitstellung der Lehrvideos und der Aufgaben wird Moodle eingesetzt. Um möglicher Prokrastination entgegen zu wirken, erfolgt die Freigabe der Lehrvideos stufenweise. So ist bei jeder Lektion im Allgemeinen nur das erste Lehrvideo frei zugänglich. Für den Zugriff auf weitere Lehrvideos und Aufgaben der Lektion müssen zuerst "Minitests" (meist, aber nicht ausschließlich, Multiple-Choice oder Drag&Drop; mit sehr knapper Zeitbegrenzung von je ca. 3 Minuten) gelöst werden. Die Lektionen selbst sind voneinander entkoppelt -- ein fehlender Abschluss einer Lektion führt daher nicht zum Ausschluss von nachfolgenden Lektionen. Die Minitests werden durch weitere Aufgaben wie umfangreichere praxisorientierte Übungsbeispiele (z.B. Erkennen und Verbessern von Schwachstellen im Algorithmus einer Smartcard-Anwendung) ergänzt. Den Abschluss jedes Kapitels bilden die reflektierte Vorbereitung auf eine Live-Diskussionsrunde und die Live-Diskussionsrunde selbst. Für die Vorbereitung kommt ein Frage-Antwort-Forum zum Einsatz. In diesem muss jede*r Studierende eine Frage zum Kapitel selbst (oder auch über die Inhalte des Kapitels hinausgehend) stellen. Erst nachdem eine Frage gestellt wurde, können Studierende die Fragen (und Antworten) der anderen Teilnehmer*innen einsehen. Um bereits vor den Live-Diskussionsrunden die Interaktion zwischen den Studierenden anzuregen, sind diese aufgefordert auch Fragen der anderen Studierenden zu beantworten und zu kommentieren. Es gibt dabei sowohl für die gestellte Frage, als auch für die aktive Teilnahme am Frage-Antwort-Forum durch Beantwortung anderer Fragen Punkte.

Das Forum wird anschließend als Grundlage für die Vorbereitung der Diskussionsthemen (bzw. in Abhängigkeit der Fragen auch von praktischen Demonstrationen) verwendet. Bei diesen Live-Terminen wird die Anwesenheit und aktive Teilnahme der Studierenden erwartet. Eine Abwesenheit führt jedoch lediglich zu Punkteabzug bei der Bewertung dieser Teilaktivität. Eine aktive Beteiligung an den Diskussionsrunden führt entsprechend zu Zusatzpunkten um die Teilnahme an Diskussionen zu belohnen. Die aufbereiteten Fragen aus dem Forum liefern ausreichend Inhalte um die Diskussionsrunden mit, insbesondere für die Studierenden, interessanten Themen zu füllen und eine Auseinandersetzung der Teilnehmer*innen mit den Diskussionsthemen zu bewirken. Damit werden, in oft sehr lebhaften Diskussionen, einzelne Themen vertieft und praktische Erfahrungen ausgetauscht. Während die Live-Termine im Wintersemester 2020 (und im Sommersemester 2021 im Rahmen der Lehrveranstaltung "Einführung in Linux") ausschließlich über Video-Conferencing (Zoom) stattfanden, wurden diese im Wintersemester 2021 zunächst im Seminarraum (Präsenzform) abgehalten und erst im Lauf des Semesters (aufgrund eines neuerlichen Lockdowns) schrittweise in Hybrid- und reinen Distancebetrieb mittels Video-Conferencing zurückgeführt. Im laufenden Semester (Sommersemester 2022) werden die Live-Termine der Lehrveranstaltung "Einführung in Linux" ausschließlich in Präsenzform angeboten.

Dieses Konzept ermöglicht es, den Videovortrag selbst kompakter und interaktionsfrei zu gestalten, während gleichzeitig die essentielle interaktive Lehrveranstaltungskomponente nicht verloren geht. Ganz im Gegenteil: die Interaktion und das Engagement der Studierenden wurden durch das Konzept erheblich verbessert. Weil sich die Studierenden bereits vor der Live-Einheit mit den Lehrinhalten auseinandersetzen, können sie ihr so gewonnenes Wissen in die Diskussionen und Live-Demos mit einbringen. Insbesondere für praktische Technologie-Demos ist so bereits ein breites Verständnis für die zugrundeliegenden Mechanismen, Protokolle, etc. vorhanden. Studierende brachten in den vergangenen Semestern sogar, auf eigenen Wunsch, eigene Live-Demos mit ein. Insgesamt konnte damit die Interaktion in den Lehrveranstaltungseinheiten und die kritische Auseinandersetzung mit den Lehrveranstaltungsthemen deutlich gesteigert werden.

Die Beurteilung der Studierenden in der Lehrveranstaltung erfolgt in drei Säulen: Wissenserwerb, praktische Anwendung und Diskussionskompetenz. Die Säulen Wissenserwerb und praktische Anwendung werden dabei jeweils mit etwa 3/8 und die Säule Diskussionskompetenz mit etwa 2/8 der Punkte gewichtet. Studierende bekommen damit die Möglichkeit, eventuelle Defizite aus einer Säule durch Exzellenz in den anderen Säulen auszugleichen. So können beispielsweise berufstätige Studierende auch eine mangelnde Teilnahme an Live-Diskussionen aufgrund beruflicher Terminkollisionen ausgleichen. Der Wissenserwerb wird auf Basis der Moodle-Minitests beurteilt, die praktische Anwendung auf Basis der Ausarbeitung praxisnaher Übungsbeispiele, und die Diskussionskompetenz auf Basis der Moodle-Foren und der Diskussionsbeteiligung.

Begleitend zur Lehrveranstaltung wird auf Basis der Länge der Videos, der Aufgaben, des erwarteten Zeitaufwands für die Wiederholung der Lehrinhalte und für die Live-Diskussionen eine Workload-Schätzung durchgeführt. Anhand dieser wird der Umfang von Videos und praktischen Hausübungsbeispielen auf die erwartete Arbeitsbelastung der Studierenden (anhand der für die Lehrveranstaltung vorgesehenen ECTS-Punkte) abgestimmt. Diese Schätzung deckte sich weitgehend mit den Ergebnissen der Lehrveranstaltungsevaluierung.

Das Konzept der Lehrveranstaltung wird von Studierenden sehr gut angenommen. Es kam zu einer deutlichen Steigerung der Studierendenbeteiligung und -interaktion in den Live-Einheiten und zu einer Verbesserung der Evaluierungsergebnisse und äußerst positivem Feedback im Rahmen der Lehrveranstaltungsevaluierung. Nach der initialen Erprobung des Konzepts in der Lehrveranstaltung "Special Topics: Smart Cards & NFC" im Wintersemester 2020 (mit 18 aktiven Studierenden, Zielgruppe: Masterstudium Computer Science mit Vorkenntnissen im Bereich Netzwerke und Sicherheit) konnte es auch erfolgreich in der Lehrveranstaltung "Einführung in Linux" angewendet werden (mit 129 aktiven Studierenden, Zielgruppe: Bachelorstudium Informatik mit (geringen) Vorkenntnissen in Programmierung und Grundlagen von Betriebssystemen) und führte auch in dieser Lehrveranstaltung zu ähnlichen Verbesserungen. Zudem wurde das Konzept (in Teilen und auch im Ganzen) von weiteren Lehrenden am Institut für Netzwerke und Sicherheit aufgenommen.

Nutzen und Mehrwert

Für Lehrende bietet das Konzept eine hohe Flexibilität in Hinblick auf die Abhaltungsform der synchronen Lehrveranstaltungselemente. Diese können in Präsenz-, Hybrid- oder Distancebetrieb abgehalten werden und es ist ein spontaner Umstieg zwischen diesen Modi möglich. Der Videovortrag selbst kann kompakter und interaktionsfrei gestaltet werden während gleichzeitig die essentielle interaktive Lehrveranstaltungskomponente nicht verloren geht. Neben der zeitlichen Flexibilität bei der Vorbereitung der Videovorträge können diese, sofern sich die Lehrinhalte nicht verändern, in kommenden Jahren wiederverwendet werden. Dadurch lässt sich auch der initial höhere Zeitaufwand für die Lehrveranstaltungsvorbereitung ausgleichen.

Für Studierende ergibt sich durch die in großem Ausmaß freie Zeiteinteilung bei der Erarbeitung der Lehrinhalte eine hohe zeitliche Flexibilität. Die Ausgleichbarkeit der fehlenden Teilnahme an Diskussionsrunden aufgrund beruflicher Terminkollisionen wurde von berufstätigen Studierenden sehr geschätzt.

Das vorab erarbeitete Wissen steigert die Diskussionskompetenz zu den Lehrveranstaltungsinhalten (im Vergleich zu einem klassischen Vortrag mit (begrenzter Zeit für) Zwischenfragen). Durch die zwingende Vorbereitung auf die Live-Diskussionsrunden geben die Studierenden die thematische Ausrichtung der Diskussion von vornherein vor, und haben dadurch eine zusätzliche Motivation an ihren eigenen Themenstellungen mitzudiskutieren (im Vergleich zu von Vortragenden vorgegebenen Diskussionsthemen).

Nachhaltigkeit

Nach der initialen Erprobung des Konzepts in der Lehrveranstaltung "Special Topics: Smart Cards & NFC" im Wintersemester 2020 (mit 18 aktiven Studierenden, Zielgruppe: Masterstudium Computer Science mit Vorkenntnissen im Bereich Netzwerke und Sicherheit) konnte es auch erfolgreich in der Lehrveranstaltung "Einführung in Linux" angewendet werden (mit 129 aktiven Studierenden, Zielgruppe: Bachelorstudium Informatik mit (geringen) Vorkenntnissen in Programmierung und Grundlagen von Betriebssystemen) und führte auch in dieser Lehrveranstaltung zu ähnlichen Verbesserungen. Zudem wurde das Konzept (in Teilen und auch im Ganzen) von weiteren Lehrenden am Institut für Netzwerke und Sicherheit erprobt.

In den beiden Lehrveranstaltungen "Special Topics: Smart Cards & NFC" und "Einführung in Linux" wurde bzw. wird dieses Lehrkonzept auch im Studienjahr 2021/2022 eingesetzt und es ist geplant diesen Modus auch in den kommenden Jahren fortzuführen.

Aufwand

Die initiale Vorbereitung (erstmaliges Erstellen des Moodle-Kurses, Vorbereitung der Lehrvideos) ist mit deutlichem Mehraufwand (gegenüber der Abhaltung im klassischen Frontalvortragsstil) verbunden. Dieser Mehraufwand wird durch eine Zeitersparnis durch die Wiederverwendbarkeit von Lehrvideo in nachfolgenden Iterationen derselben Lehrveranstaltung und durch die Wiederverwendbarkeit des Grundgerüsts des Moodle-Kurses (auch für andere Lehrveranstaltungen) zum Teil ausgeglichen. Allerdings sind einige Lehrinhalte von "Smart Cards & NFC" keineswegs statisch, wodurch Teile der Lehrvideos jährlich aktualisiert werden müssen und somit auch in Zukunft Zeitaufwand verursachen. Dennoch ist langfristig eine Zeitersparnis zu erwarten, die in die bessere Vorbereitung der Live-Sessions investiert werden kann.

Ein weiterer zusätzlicher Aufwand entsteht bei der Skalierung auf eine große Teilnehmerzahl. Während Moodle-Aufgaben weitgehend so ausgestaltet werden können, dass diese (unabhängig von der Teilnehmerzahl) weitgehend automatisiert auswertbar sind, liefert die Moodle-Instand an der Johannes Kepler Universität eine nur bedingt geeignete Umgebung für die reflektierte Diskussionsvorbereitung. So hat das aktuell, mangels besserer Alternativen, genutzte Frage-Antwort-Forum in Moodle einige Einschränkungen in Hinblick auf den Frage-Modus dieses Konzepts. Insbesondere fehlen derzeit Möglichkeiten um ähnliche Fragen zu gruppieren, Fragen zu kategorisieren, etc., um so die Beantwortung von Fragen und die Strukturierung von Diskussionsthemen als Vorbereitung für die Diskussionsrunden auch bei einer großen Anzahl an (oft ähnlichen) Fragen zu vereinfachen. Hierzu wäre ein neuer Moodle-Forumstyp erforderlich, für dessen Umsetzung in diesem Projekt jedoch die Ressourcen fehlten.

Positionierung des Lehrangebots

Das Lehrangebot richtet sich primär an Studierende im Masterstudium Computer Science, wird jedoch auch von Studierenden im Bachelorstudium Informatik (typ. ab 5. Semester) sowie aus den Studienrichtungen Artificial Intelligence, Elektronik & Informationstechnik und Mechatronik genutzt.

Links zu der/den Projektmitarbeiter/innen