Ausgangslage und Ziele:

In naturwissenschaftlichen Studien, wie z.B. Chemie, nehmen praktische Lehrveranstaltungen (LVs, wie Laborübungen/-praktika) einen wichtigen Stellenwert ein. Hier werden wertvolle praktische Erfahrungen gesammelt. Allerdings stellen diese LVs auch spezielle Herausforderungen dar: Bei körperlicher Beeinträchtigung ist eine Teilnahme an der regulären LV oft nicht möglich, da dies ein Sicherheitsrisiko für die betroffenen Studierenden oder auch die anderen Teilnehmer/innen darstellen könnte oder weil Geräte etc. nicht erreicht werden können, da die Labortische zu hoch oder zu tief sind. Weiters sind Schwangere meist ausgeschlossen, da die Verwendung von giftigen Chemikalien (zu Recht) für sie verboten ist. Überdies sind Laborübungen auch eine logistische Herausforderung, da sie üblicherweise mehrere ganze oder halbe Tage am Stück dauern und eine Anwesenheit verpflichtend ist. Bei Betreuungspflichten ist dies für Studierende oft nur schwer bewältigbar. Nicht zuletzt ist durch den benötigten Laborraum auch die Zahl an Studierenden stark beschränkt, was zu Wartelisten und Verzögerungen im Studium führen kann.

An der Fakultät für Chemie wurde ein Laborpraktikum entwickelt, das auch von Studierenden mit körperlichen Einschränkungen, Schwangeren und Studierenden mit Betreuungspflichten ganz normal absolviert werden kann. Des Weiteren sollte es bei Bedarf (Stichwort: Pandemie) sehr einfach auf kompletten Online-Betrieb umstellbar sein, und mehr Studierende gleichzeitig aufnehmen können als herkömmliche Laborpraktika.

Inhaltlich handelt es sich um ein Master-Praktikum über fortgeschrittene analytische Chemie. Hier werden keine Basis-Handgriffe mehr gelernt, sondern es geht primär um die Bedienung und den korrekten Einsatz von hochkomplexen Messgeräten (z.B. Massenspektrometer) sowie um die Planung und Auswertung von kleinen Forschungsprojekten.

Konzept:

Um den beschriebenen Anforderungen gerecht zu werden, wurde grundsätzlich festgelegt, dass Studierende in diesem Praktikum kein Chemie-Labor im klassischen Sinn betreten. Tätigkeiten, die nur im Labor durchgeführt werden können, werden von den Lehrenden durchgeführt. Das Praktikum ist generell in einem Blended-Learning-Setup gestaltet. Die Studierenden sind in den synchronen Phasen des Praktikums in einem Seminarraum und in den asynchronen Phasen daheim bzw. an einem Ort ihrer Wahl. 

Zu Semesterbeginn wird neben der Terminvereinbarung auch der ungewöhnliche Ablauf erklärt und das Praktikums-Thema vorgestellt. Dieses wird von der Praktikumsleitung ausgewählt und kann beispielsweise eine kleine, klar definierte Fragestellung aus einem aktuellen Forschungsprojekt der Lehrenden sein (und ist daher jedes Semester ein anderes). Das Praktikum selbst besteht dann aus einer Mischung an verschiedenen Bausteinen, die von den Lehrenden flexibel an das jeweilige Thema angepasst werden können und das größtmögliche Potential an eigenständigem, praktischem Lernen und Festigen herausholen sollen, trotz des unüblichen Settings. Das Praktikum findet nicht – wie sonst üblich – geblockt in 1-2 Wochen statt, sondern wird auf einige Wochen verteilt, mit Einheiten zu jeweils 1-4 Stunden. Dazwischen ist Zeit für asynchrone Lehrteile, die die Studierenden selbstständig durchführen, entweder allein oder in Kleingruppen. Dadurch beschäftigen sie sich länger mit dem Thema, können sich sukzessive in einen Forschungsprozess vertiefen und sind gleichzeitig nicht bereits nach der Hälfte des Praktikums mit Informationen überfüllt und erledigt. Auch die Studierbarkeit wird dadurch deutlich erhöht, da es mit den sehr divergierenden Stundenplänen der einzelnen Studierenden oft einfacher ist, ein bis zwei gemeinsame verfügbare Stunden zu finden als ganze Wochen. Dennoch ist klar, dass es gleichzeitig auch aufwendiger ist, da mehrere Termine gefunden werden müssen, anstatt von einer durchgehenden Woche.

Bausteine: Literatursuche und erarbeiten eines Versuchsplans

In Laborpraktika ist es oft üblich, dass Studierende eine Arbeitsanweisung, quasi ein Kochrezept, bekommen, und sie sich keine eigenen Gedanken mehr über den sinnhaften Aufbau von Experimenten machen.

In der vorgestellten LV soll daher explizit die Selbstständigkeit der Studierenden gefördert werden. Die Labor-Tätigkeiten sind zwar durch das ausgewählte Projekt grob vorgegeben, aber die konkreten Experimente werden durch die Studierenden festgelegt.

Dazu suchen diese zu Beginn des Praktikums passende Fach-Literatur (asynchrone Phase).

In der Gruppe (max. 10 Studierende) wird diese Literatur dann diskutiert, unter Moderation einer Lehrperson. Zentrale Punkte werden kritisch besprochen. Anhand des gemeinsam erworbenen Wissens und unter sanfter Lenkung durch die Lehrenden erstellen die Studierenden einen detaillierten Versuchsplan über die Experimente, die anschließend genauso von den Lehrenden durchgeführt werden.

Die Studierenden nehmen so die Rolle eines Laborleiters/einer Laborleiterin ein (ein durchaus üblicher Beruf nach Absolvierung des Chemie-Masterstudiums); anstatt selbst Versuche durchzuführen, werden möglichst konkrete Anweisungen an Labortechniker/innen (in der LV: die Lehrenden) erteilt, die dann die praktischen Arbeiten entsprechend erledigen.

Als weiterer Vorteil ergibt sich durch diesen Ablauf, dass die Studierenden an realen Forschungsprojekten beteiligt sein können, auch wenn teure Geräte oder wertvolle Proben involviert sind, die man nicht in ungeübte Hände geben darf. Außerdem kann mit Messgeräten gearbeitet werden, die in Labors mit spezieller Zugangsbeschränkung stehen.

Baustein: Virtuelle 360° Laborumgebung

Den Studierenden steht während des gesamten Semesters ein virtuelles Labor zur Verfügung. Dazu wurden 360° Foto-Aufnahmen der Labor-Räumlichkeiten erstellt, die dann auch (von den Lehrenden) für die Experimente verwendet werden. Die Studierenden können sich durch das virtuelle Labor bewegen und sich alle Geräte aus der Nähe ansehen. Alle verfügbaren Chemikalien und Materialien sind in den einzeln anwählbaren („zu öffnenden“) Schränken auffindbar und mit genauen Eigenschaften gelistet. Die Studierenden müssen selbst herausfinden, was davon für das Praktikum relevant ist und was nicht.

In herkömmlichen Laborpraktika wird den Studierenden stattdessen (aus sicherheitsrelevanten Gründen) meist nur das tatsächlich benötigte Material gegeben und es ist kein eigenes Nachdenken der Studierenden nötig.

Baustein: Videos

Die Abläufe im Labor werden ausschließlich von Lehrenden durchgeführt, während der asynchronen Phasen der LV, und zwar nach Anweisung der Studierenden. Damit alle Schritte möglichst klar nachvollzogen werden können, werden diese gefilmt, danach gemeinsam mit den Studierenden angeschaut und besprochen. Die Videos werden auch in die virtuelle Laborumgebung eingebettet, sodass Studierende sie sich individuell nochmals anschauen können.

Für ausgewählte Schritte wird live aus dem Labor gestreamt, wobei eine Lehrperson im Labor ist und eine zweite mit den Studierenden im Seminarraum. Das macht das Labor noch greifbarer und ermöglicht auch direktes Nachfragen auf die gezeigten Laborabläufe. Dies ist der einzige Teil der LV, für den mehr als eine Lehrperson benötigt wird.

Baustein: Remote-Bedienung von Messgeräten

Ein weiteres Kern-Element ist das Ansteuern von Messgeräten. Heutzutage ist es in der analytisch-chemischen Forschung gängige Praxis, dass im Labor selbst nur noch etwaige Vorbereitungen getroffen werden und der Rest vom Büro aus durchgeführt wird, indem man die Messgeräte über digitale Fern-Verbindung („Remotedesktopverbindung“) ansteuert. Dies auch im Praktikum anzuwenden ist daher nicht nur sinnvoll für den inklusiven Charakter der LV, sondern auch, um den Studierenden die modernen Arbeitsweisen in der Forschung näherzubringen.

Hier können verschiedene Aspekte aus der Theorie praktisch ausprobiert und verschiedene Einstellungen getestet werden, und die Studierenden lernen den Umgang mit typischer Steuerungs-Software. Im ersten Schritt der/die Lehrende die Computersteuerung, und die Studierenden können Vorschläge zu den Ausführungen machen. In weiterer Folge wird in Kleingruppen von 2-4 Studierenden gearbeitet und unter Aufsicht einer Lehrperson können die Studierenden die Geräte selbst ansteuern, wobei der Grad der Bewegungsfreiheit stark von den jeweiligen Messgeräten, der dazugehörigen Software und dem Verständnis der Studierenden abhängt.

Baustein: Verschränkung von Theorie und Praxis

Aufgrund der Gegensätzlichkeit von klassischen Vorlesungen und Laborpraktika ist es oft schwierig, den komplexen Zusammenhang zwischen Theorie und Praxis zu vermitteln. Meist werden die beiden Teile von Studierenden sehr isoliert voneinander aufgefasst, da im Hörsaal kaum Platz und Zeit für Versuche ist, und im Labor das Experiment zu viel Raum einnimmt, um in Ruhe die Theorie dazu zu besprechen.

Durch das spezielle Setting der vorgestellten LV ergeben sich allerdings neue Möglichkeiten: Es können einzelne Aspekte der Theorie aus vorangegangenen Vorlesungen in Ruhe noch einmal aufgegriffen und einzelne neue, vertiefende Aspekte ergänzt werden. Quasi simultan können diese Punkte mittels der erwähnten Remote-Verbindung direkt am Messgerät hergezeigt werden.

Baustein: Geräte-Simulatoren am eigenen Computer

Für verschiedene analytische Geräte existieren kostenfreie Simulatoren, die die Studierenden am eigenen Computer ausführen können. Es werden Aufgaben gestellt, die dann selbstständig in der asynchronen Phase durchgeführt werden. Dabei können alle Studierenden eigenständig die Bedienung von komplexen Geräten üben, ohne die notwendigen Schutz-Einschränkungen bei der Arbeit am echten Gerät. Erfahrungen und Ergebnisse werden anschließend gemeinsam besprochen und mit realen Geräten verglichen.

Baustein: Eigenständiges Messen & Datenauswertung

Sobald alle Vorbereitungen durch die Lehrenden im Labor beendet sind, wird die Analyse am ausgewählten Instrument von den Studierenden entsprechend aufgesetzt und durchgeführt. Die erhaltenen Rohdaten müssen dann von den Studierenden selbstständig ausgewertet und evaluiert werden. Ein Fokus liegt hier zudem auf analytisch-chemischer Qualitätssicherung, wie sie auch in industriellen Labors vorkommt. Es hat sich gezeigt, dass es sehr hilfreich und von den Studierenden geschätzt ist, wenn zuerst die verschiedenen Berechnungsschritte beispielshaft vorgezeigt werden, wobei direkt auf Unklarheiten von Studierenden eingegangen werden kann.

Baustein: Präsentation

Abschließend werden in Kleingruppen Präsentationen vorbereitet, vor der Gruppe präsentiert und gemeinsam diskutiert.

Limitierungen:

Das vorgestellte Konzept ist ausschließlich im fortgeschrittenen Studium sinnvoll, da für das Erlernen von grundlegenden Handgriffen ein tatsächlicher Besuch im Labor unerlässlich ist. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Labor-Tätigkeiten der Lehrenden sehr genau dokumentiert, gezeigt und besprochen werden müssen, da sonst die Gefahr besteht, dass die Abläufe nicht nachvollzogen werden können, was die nachfolgenden Analysen und Datenauswertungen schwierig macht.

Weiters ist anzumerken, dass eine reine online-Variante (statt im Seminarraum zu sein) nur bei echter Notwendigkeit durchgeführt werden sollte, da ansonsten nur schwer ein intensiver Austausch von Studierenden untereinander und mit Lehrenden zustande kommen kann, und die Studierenden stattdessen schnell zu passiven Zuhörern und Zuhörerinnen vor dem Laptop werden.

Fazit:

Das vorgestellte Konzept ist ideal geeignet, um mit den zu Beginn geschilderten Schwierigkeiten von herkömmlichen Laborpraktika umzugehen. Es ist äußerst vielseitig, und wird von den Studierenden sehr positiv aufgenommen, obwohl sie das Labor nicht physisch betreten. Es werden viele Dinge trainiert und erlernt, die in einem herkömmlichen Laborübungs-Setting zu kurz kommen, wie beispielsweise das selbstständige Planen und Durchführen eines Forschungsprojekts oder das eigenständige Bedienen von komplexer Software.