Berechenbarkeit und Komplexität (Introduction to Computational Complexity)

Nähere Beschreibung des Projekts

Kriterium 1: Innovative Hochschuldidaktik

Die grosse Informatik-Pflichtveranstaltung 'Berechenbarkeit und Komplexitaet' hat traditionell einen eher schlechten Ruf. Ich habe sie gemeinsam mit Sibylle Moehle-Rotondi (co-lecturer) und Nina Brandl (Tutorin) komplett neugestaltet. Die angehängten Evaluationen zeigen, dass unsere 'Teaching Innovation' von den Studierenden sehr geschätzt wurde. Besonders hervorgehoben wurde unser anglo-amerikanischer Zugang zur Wissensvermittlung, den ich mir als Lecturer am Caltech (USA) angeeignet hatte (in Englischer Sprache):

(a) concrete motivating examples

(b) prioritize high-level understanding

(c) emphasize synergies with other topics

(d) encourage cooperation & independent thought

(e) cater to different student goals

(f) approachability

Ein weiteres wichtiges Leitmotiv sind *equal opportunities*. Es ist kein Zufall, dass zwei Drittel unseres Teams weiblich sind: weibliche role models sind in der Informatik wichtiger denn je. Der automatisierte Prüfungsmodus dient unter anderem auch dazu, subconscious bias zu verhindern.

Kriterium 2: Studierendenzentrierte Lehre

Die 150-200 Studierenden aus Informatik (Pflichtfach), AI, ELIT und Mathematik (Wahlfach) haben extrem diverse Hintergründe, Herangehensweisen und Antriebsgründe. Das macht *catering to different student goals* zu einer wichtigen Challenge, welche wir mit folgenden Ansätzen bewältigen:

(a) Der Vorlesungsstoff ist in einem selbstverfasstes Skript (150 Seiten, angehängt) zusammengefasst. Dieses Script ermöglicht das unabhängige Selbststudium im eigenen Tempo.

(b) Komplementär dazu nutzen wir den Übungsbetrieb für den direkten Informationsaustausch zwischen Studierenden (peer-to-peer).

(c) Transparenter und automatisierter Klausurmodus, der der theoretischen Führerscheinprüfung nachempfunden ist. Moodle erlaubt es 36 Fragen zufällig und individuell aus einem Pool zu ziehen. Dieser Pool beinhaltet genau die Fragen aus den Übungen und ist somit allen bekannt. Eine sehr gute Note verlangt zudem das Meistern zweier (unbekannter) Challenge fragen, i.e. *easy to pass, hard to master*.

Kriterium 3: Kompetenzorientierung und über den Tellerrand.

Wir bemühen uns den Fokus auf Verständnis zu legen und nicht darauf irgendwelche Formeln auswendig zu lernen und/oder blind anzuwenden. Wir nutzen praxisnahe Beispiele um jedes behandelte Thema zu motivieren. Zudem sind diese Themen sehr bewusst gewählt und fügen sich zu einem grossen Ganzen zusammen. Wir schlagen in dieser Vorlesung eine konzeptionelle Brücke von formaler Logik über Algorithmen und Software bis hin zu Hardware und Computerchips. Das übergeordnete Ziel hierfür ist aufzuzeigen, dass diese drei Informatik-Grundsäulen eigentlich nur verschiedene Blickpunkte auf dieselbe Thematik sind (*unification*). Zudem fördern wir positive Lernimpulse, wie Offenheit, Begeisterung und Neugierde, mit *special topics lectures* in den Übungsstunden. Dort behandeln wir aktuelle Themen welche über den Vorlesungsstoff hinausgehen. Ein komplementäres Gruppenprojekt dient dazu, den gelernten theoretischen Stoff auf ein selbstgewähltes Praxisbeispiel anzuwenden und steigert die Teamfähigkeit.

Zudem fördern wir positive Lernimpulse, wie Offenheit, Begeisterung und Neugierde mit special topics lectures in den Übungsstunden. Dort stellen wir aktuelle Themen vor, welche über den Vorlesungsstoff hinausgehen, aber doch mit diesem verwandt sind. Aktuell behandeln wir:

(a) Schwarmintelligenz, oder zelluläre Automaten: radikal andere Ansätze für Computer die auf zellulären Automaten beruhen (Conway’s game of life)

(b) Bau eines funktionierenden Computers in Minecraft: vorgetragen von JKU-Studierenden die genau das in ihrer Freizeit gemacht haben.

(c) Warum existiert Glas: Erklärungen aus der theoretischen Informatik für mikroskopische Effekte in den Naturwissenschaften.

(d) Quantenvorteil und Boson-Sampling: warum können Quanten-Architekturen spezifische Dinge die konventionelle Computer nicht können (sollen).

(e) Quantenalgorithmen und der Deutsch-Josza-Algorithmus: Einführung in die grundlegenden Ideen hinter Qunantencomputern.

Mit diesen special topics lectures blicken wir bewusst über den Tellerrand des etablierten Lehrstoffes

(*think outside the box*).

Kriterium 4: Europäische und internationale Ausrichtung

Unser Script ist in englischer Sprache verfasst und basiert auf modernen Lehrinhalten aus den US. Von dort habe ich zudem ein Faible für flache Hierarchien mitgebracht: wir verwenden ausschliesslich unsere Vornamen und duzen uns alle. Solche kleinen Zeichen erleichtern die Interaktion zwischen Studierenden und Lehrenden, stärken das Zusammengehörigkeitsgefühl und fördern die Bereitschaft zum gegenseitigen Entgegenkommen (falls notwendig). Übungsbetrieb und Klausurmodus sind ebenfalls international inspiriert. Im Grunde ist dies eine Anglo-amerikanische Veranstaltung mit lokalem Anstrich: die Umgangssprache ist (Österreichisches) Deutsch.

Als Österreicher mit fast 15 Jahren Auslandserfahrung ist es mir auch ein persönliches Anliegen, hiesige Studierende zu Auslandssemestern zu ermutigen und unterstütze solche Bestrebungen auch nach Kräften. Dies beinhaltet persönliche Tipps, sowie personalisierte Reference-Letters für Austauschplattformen, z.B. ISEP (https://www.isepstudyabroad.org/).

Nachhaltigkeit

Wegen des beachtlichen Anfangserfolges werden wir diese Veranstaltung von jetzt an jedes Wintersemester anbieten. Wir haben zudem wichtige Lehrerfahrungen sammeln können, von denen auch unsere anderen Veranstaltungen profitieren.

Thematisch verwandte Vorprodukte gab es in dieser Form nicht, aber wir haben wertvolle Impulse aus den USA in unsere Neugestaltung einfliessen lassen. Ich war zuvor als Lecturer am renommierten California Institute of Technology tätig, wo ich einen komplett anderen didaktischen Zugang zu komplexen Themenblöcken entwickelt habe. Dazu gehört ein Fokus auf das grosse Ganze, viele Beispiele, sowie positive Lernanreize wie Neugier und Begeisterung.

Ein weiterer Nachhaltigkeit-Erfolg ist die Tatsache, dass die wissenschaftsaffige Online-Community unser Script sehr positiv aufgenommen hat. Dieses ist auf unserer Webpage (https://iic.jku.at/files/eda/kueng-complexity.pdf) frei verfügbar. Der Announcement-Tweet (@RichardKueng) hat 37 000 Impressions, 1530 Engagements und 285 Likes aus aller Welt generiert. Das ist jetzt noch nicht unbedingt viral, aber ein beeindruckendes Ergebnis. Comments waren z.B.:

"These notes are awesome! Definitely one of my favorite resources on the subject now" Ethan Epperly, Doktoratsstudent am California Institute of Technology

"My favourite lecture notes ever. I couldn't attend all the live lectures but the notes where a joy to read and gave me all the information I needed." Alexander Karer, JKU-Student

Dissemination/Transfer

Wir freuen uns sehr darüber, dass unsere Neukonzeption von 'Berechenbarkeit und Komplexität' nun zwei Jahre in Folge sehr gute Evaluationen von Studierendenseite, aber auch von Kolleginnen und Kollegen, erhalten hat. Wir sehen das als Indiz dafür, dass wir auf dem richtigen Weg sind. Allerdings erscheint uns der aktuelle Zeitpunkt noch etwas zu früh um unser Konzept aktiv und gezielt weiterzuverbreiten. Wir tauschen jedoch unsere Erfahrungen - was lief gut? Was lief schlecht? - offen und transparent in unseren Netzwerken aus. Dazu gehören lokale Kolleg*innen, aber vor allem auch junge Professor*innen aus der ganzen Welt welche zum Thema Quantum Computing forschen.

Natürlich verwendenden wir Erfahrungen und Feedback aus dieser Veranstaltungen um unsere anderen Vorlesungen ebenfalls so aktuell, zugänglich und spannend wie möglich zu gestalten. Bei diesen Veranstaltungen handelt es sich jedoch um Master-Wahlfächer zum Thema quantum computing. Da Pflicht- und Wahlfächer sehr verschieden voneinander sind, ist ein voller Transfer unseres Konzepts hier nur bedingt möglich.

Institutionelle Unterstützung

Wegen der hohen Studierendenzahl (150-200) stellt uns die Universität eine bezahlte Tutor*innenstelle (studentische Mitarbeiter*in) im Rahmen von 8-10h pro Woche zur Verfügung. Wir haben mit Nina Brandl die ideale Besetzung für diese Stelle gefunden. Nina hat fast den gesamten Moodle-Übungsbetrieb aufgesetzt und gewartet. Für die Vorlesung erhalten wir gut ausgestattete Vorlesungsräume mit guter Beleuchtung und, vor allem, grossen Tafeln für mathematische Argumente und Beweise.

Neben diesem Standard-Support erlebten wir auch eine erfrischende Bereitschaft unsere Veranstaltung in andere Studiengänge als Wahlfach einzubauen. Dazu gehören bislang Artificial Intelligence, Elektrotechnik und Mathematik. Diese Liste ist noch im Wachsen begriffen. Diesen Herbst durften wir uns jedenfalls über dutzende freiwillig Teilnehmende aus den oben genannten Studiengängen freuen. Diese bringen eine ganz andere Motivation mit und ihr komplementärer Background bereichert die peer-to-peer-Diskussionen in den Übungsstunden enorm.