Einführung in die Molekulabiologie I

Ausgangslage und Rahmenbedingungen

Laborübungen zählen zu den anspruchsvollsten Lehrformaten in der naturwissenschaftlichen Hochschullehre. Studierende müssen komplexe Arbeitsabläufe verstehen, sicher durchführen, Ergebnisse analysieren und reflektieren. Gleichzeitig gelten im Labor strenge Sicherheitsvorgaben.

Am Pflichtmodul „Molekularbiologische Übungen I“ (8 ECTS, Bachelorstudium Molekularbiologie, NAWI Graz) nehmen jährlich rund 80 Studierende teil. Die Lehrveranstaltung wird gemeinsam von TU Graz und Universität Graz getragen, was universitätsübergreifende Kooperationen notwendig macht. Etwa die Hälfte der Studierenden absolviert den Kurs an der TU Graz. Inhaltlich erlernen die Studierenden grundlegende molekularbiologische Arbeitsweisen, darunter gentechnische Methoden, Enzym-Screening-Assays und die Analyse verschiedener Bakterien- und Hefestämme. Ziel des Laborkurses ist es, Studierende zu befähigen, komplexe experimentelle Versuchsabläufe eigenständig vorzubereiten und durchzuführen, experimentelle Ergebnisse kritisch zu analysieren sowie diese wissenschaftlich mündlich und schriftlich darzustellen und fachliche Inhalte sicher anzuwenden.

Bis 2020 wurden die Laborkurse durch schriftliche Skripten sowie mündliche Einführungen unterstützt und begleitet. Da die Übung für die Mehrzahl der Teilnehmenden die erste praktische Erfahrung in forschungsnaher molekularbiologischer Laborarbeit darstellte, erfolgte die Durchführung der Experimente weitgehend Schritt für Schritt entlang der Anleitungen durch Skript und Betreuungspersonal. Besonders die parallele Bearbeitung mehrerer komplexer Versuche erschwerte vielen Studierenden die Orientierung, das Verständnis der experimentellen Zusammenhänge und die effiziente Planung ihrer Arbeit – eine Situation, die zu einer hohen kognitiven Überlastung auf den Ebenen der inhaltlichen Komplexität, der methodischen Anforderungen und der organisatorischen Koordination führte. In der Folge wurde überwiegend unselbstständig gearbeitet, was sich in zahlreichen Fällen in begrenztem Lernerfolg niederschlug, wie die Ergebnisprotokolle und Abschlussprüfungen deutlich zeigten. Vor diesem Hintergrund entwickelten Dr. Emmerstorfer-Augustin und Prof. Kourist gemeinsam mit ihrem Lehrteam 2020 ein neues Lehrkonzept, das digitale Vorbereitung, strukturierte Laborarbeit sowie eine kompetenzorientierte Leistungsüberprüfung systematisch miteinander verbindet. Ziel der entwickelten Lehrinnovation war es, Studierenden bereits in einer frühen Studienphase die selbstständige Erarbeitung von Kursinhalten sowie experimentellen Abläufen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurde das digitale, multimediale Online-Tool LabBuddy entwickelt. Im Sinne eines Flipped-Classroom-Ansatzes erlaubt LabBuddy den Studierenden, sich zentrale Inhalte eigenständig anzueignen. Die Studierenden erarbeiten die fachlichen Grundlagen direkt im Programm, strukturieren die experimentellen Schritte visuell und bereiten diese als individuellen Leitfaden auf, dem sie im anschließenden praktischen Laborkurs folgen. Diese Vorgehensweise schafft eine enge kognitive Verknüpfung zwischen theoretischer Vorbereitung und praktischer Durchführung. Einerseits wird die kognitive Belastung auf allen oben genannten Ebenen reduziert, andererseits entwickeln die Studierenden ein vertieftes Verständnis der zugrunde liegenden molekularbiologischen Methoden.

Durch das Lehrkonzept erwerben die Studierenden mehrere zentrale Kompetenzen gleichzeitig: Sie bereiten Versuchsabläufe flexibel und im eigenen Arbeitstempo vor und entwickeln dadurch Kompetenzen zum eigenverantwortlichen und reflexiven Lernen. Im anschließenden Laborpraktikum führen sie Experimente auf Basis der zuvor selbst erarbeiteten Abläufe durch und vertiefen ihre fachlichen, methodischen und wissenschaftlichen Kompetenzen, indem sie komplexe molekularbiologische Experimente eigenständig planen, durchführen und kritisch auswerten sowie ihre Ergebnisse strukturiert dokumentieren. Das abschließende schriftliche und mündliche Präsentieren der eigenen Ergebnisse vertieft Präsentationskompetenzen. Die Arbeit in Zweierteams fördert Team- und Präsentationskompetenz.

Die Umsetzung führte zudem zu einer signifikanten Steigerung des Lernerfolgs: Die Studierenden erzielten deutlich bessere experimentelle Ergebnisse im Labor, verfassten klarer strukturierte Laborprotokolle und erreichten insgesamt bessere Resultate in den abschließenden Leistungsüberprüfungen.

Zielgruppe und Methoden

Die Zielgruppe des Lehrprojekts sind Bachelorstudierende im fünften Semester, die unterschiedliche fachliche Vorerfahrungen sowie vielfältige sprachliche und kulturelle Hintergründe mitbringen.

Zur Unterstützung der Studierenden bei der Vorbereitung auf den Laborkurs sowie während der praktischen Arbeiten wurde LabBuddy entwickelt. Das digitale Tool ermöglicht es den Studierenden, experimentelle Abläufe eigenständig zu planen, indem inhaltliche Module („Kacheln“) zu individuellen Versuchsabläufen zusammengestellt und strukturiert miteinander verknüpft werden. Auf dieser Basis erstellen die Studierenden ihren persönlichen experimentellen Leitfaden, der sie durch die anschließende Laborarbeit begleitet. Während dieses Prozesses bietet LabBuddy unmittelbares, arbeitsprozessbegleitendes Feedback in Form von aufpoppenden Textfeldern nach einzelnen Arbeitsschritten. Dieses Feedback unterstützt die Orientierung während der Vorbereitung und fördert die Weiterentwicklung geeigneter Lösungsstrategien. Ergänzend fördern multimediale Inhalte wie Videos und Quizfragen ein selbstständiges Fortschreiten im Lernprozess und tragen dazu bei, die Lernziele des Laborkurses besser zu erreichen. Während der zweiwöchigen Vorbereitungsphase haben die Studierenden zudem die Möglichkeit, über Kommentarfunktionen in LabBuddy sowie per E-Mail oder Telefon mit dem Lehrteam in Kontakt zu treten. Besonderer Wert wird dabei auf eine lernförderliche Atmosphäre im Sinne der A-Phase („Ankommen“) des AVIVA-Schemas gelegt. Durch eine wertschätzende und empathische Betreuung auf Augenhöhe wird ein Rahmen geschaffen, der es den Studierenden ermöglicht, Fragen und Anregungen zeitnah einzubringen und den Lernprozess nachhaltig zu unterstützen.

Im anschließenden Übergang vom Flipped-Classroom-Setting in das Laborpraktikum setzen die Studierenden die zuvor eigenständig entwickelten experimentellen Abläufe praktisch um. In betreuten Zweierteams führen sie ihre vorbereiteten Experimente weitgehend selbstständig durch, wodurch Planung, Durchführung und Verständnis der Versuchszusammenhänge eng miteinander verknüpft werden. Der direkte fachliche Austausch mit den anwesenden Betreuer*innen ermöglicht es, auftretende Verständnisfragen unmittelbar zu klären und den Lernprozess situativ zu vertiefen.

Das didaktische Gesamtkonzept basiert auf einem dreistufigen Lernarrangement:

1. Vorbereitung im Selbststudium: Zwei Wochen vor Kursbeginn erhalten die Studierenden Zugang zu LabBuddy. Die multimedial aufbereiteten Inhalte ermöglichen individuelles Lernen mit integriertem Feedback. Die vollständige Bearbeitung aller Module ist Voraussetzung für die Teilnahme an der Laborphase.
2. Durchführung im Labor: Während des dreiwöchigen Präsenzkurses dient der selbst erstellte Experimentalplan aus LabBuddy als digitale Anleitung im Labor. Kontextbezogene Hintergrundinformationen reduzieren Fehlerquellen und ermöglichen eine intensivere individuelle Betreuung. Ergänzend finden gemeinsame, tägliche Kurzseminare zur Analyse von Zwischenergebnissen statt.
3. Kompetenzorientierte Leistungsüberprüfung: Die Bewertung kombiniert kontinuierliche Mitarbeit, Rechentests, schriftliche Berichte sowie mündliche Abschlussgespräche.

Die enge Begleitung kompensiert dabei zentrale Herausforderungen des Flipped-Classroom-Ansatzes wie erhöhte Eigenverantwortung, zusätzlichen Betreuungsaufwand und unterschiedliche technische Voraussetzungen.

Ergebnisse und Wirkung

Das digitale Lehrkonzept hat die Vorbereitung, Durchführung und Betreuung im Labor deutlich verbessert. Studierende kommen besser vorbereitet, die Effizienz der Experimente steigt, und die Fehlerquoten sinken. Durch den klareren Überblick über Sinn und Zweck der Versuche sind die Studierenden besser orientiert, und die wahrgenommene Sicherheit in der Laborarbeit nimmt zu.

Der digitale Leitfaden unterstützt verschiedene Lernpräferenzen, ermöglicht selbstbestimmtes Lernen und reduziert den Einsatz von Papier. Letzteres ist insbesondere bei gentechnischen Arbeiten von Vorteil, da Papier aufgrund seiner rauen Oberfläche eine potenzielle Kontaminationsquelle darstellt.

Kontinuierliches Feedback, individuelle Betreuung sowie mehrsprachige und inklusive Unterstützung fördern die methodischen, analytischen und kommunikativen Kompetenzen der Studierenden. Gleichzeitig erhöht das Konzept die methodische Diversität, indem verschiedene Lernpräferenzen optimal unterstützt werden.

Das Lehrteam entwickelte das Konzept gezielt als Pilotprojekt für eine nachhaltige Modernisierung von Laborpraktika mit dem Ziel, erfolgreiche Elemente auf weitere Lehrveranstaltungen zu übertragen.

Besonderheiten und Weiterentwicklungen

Eine besondere Herausforderung stellt die personelle Fluktuation im Lehrteam dar, da die anspruchsvollen molekularbiologischen Experimente Lehrende mit Forschungsbezug erfordern. Zwei konstante Lehrpersonen im Team (Emmerstorfer-Augustin und Kourist) gewährleisten jedoch die kontinuierliche Einschulung neuer Lehrender und Tutor:innen sowie die Vermittlung der didaktischen Prinzipien des Konzepts, während weitere Teammitglieder in mehrjährigen Abständen wechseln. Seit der Einführung 2020 wird das Konzept kontinuierlich weiterentwickelt: Inhalte in LabBuddy werden jährlich überarbeitet. Grundlage dafür bilden sowohl direktes Feedback der Studierenden im Austausch mit Lehrenden während der Übungen als auch die Ergebnisse der abschließenden anonymen TU-Graz-internen online Lehrveranstaltungsevaluierungen. Auf dieser Basis werden neue Videos und Materialien ergänzt sowie Maßnahmen zur Barrierefreiheit und Inklusion, etwa durch die Untertitelung von Videos, laufend ausgebaut.

Inklusion, Diversität und Nachhaltigkeit

Das Lehrkonzept ist bewusst inklusiv und sensibel für sensorische Barrieren gestaltet: Inhalte werden über verschiedene Medienformate vermittelt, Farbcodes sind auch für farbenfehlsichtige Personen geeignet, technische Ausstattung kann bei Bedarf ausgeliehen werden, und individuelle Lösungen werden in besonderen Lebenssituationen gemeinsam gefunden. Die Lehrmaterialien sind international ausgerichtet, das Betreuungsteam mehrsprachig, und ein respektvolles, diskriminierungsfreies Lernklima wird konsequent gefördert.

Die digitale Lernplattform ermöglicht eine flexible und selbstständige Vorbereitung auf Seminare und Laborübungen. Besonders Studierende in unterschiedlichen oder belastenden Lebenssituationen profitieren von einer niedrigschwelligen Teilnahme: LabBuddy erlaubt beispielsweise berufstätigen Studierenden eine zeitlich flexiblere und dennoch effektivere Vorbereitung. Zudem wurde der Präsenzlaborkurs von Nachmittag auf Vormittag (8:30–13:00) verlegt, um die Teilnahme für Studierende und Betreuende mit Kinderbetreuung zu erleichtern.

Nachhaltigkeit spielt in der Laborübung auf mehreren Ebenen eine zentrale Rolle. Zum einen wird vollständig papierlos gearbeitet; die Inhalte sind langfristig nutzbar und können in anderen Lehrveranstaltungen weiterverwendet werden. Zum anderen werden die Studierenden systematisch für nachhaltige Forschung sensibilisiert: Aufgrund der Forschungsschwerpunkte der TU Graz im Bereich nachhaltiger Biotechnologie erhalten sie nicht nur durch ausgewählte Laborversuche, sondern auch in geführten Besichtigungen der hausinternen Labore Einblicke in aktuelle Forschung. Nachhaltigkeit wird kontinuierlich diskutiert, wodurch transformatives Lernen und ein gesteigertes Interesse der Studierenden an nachhaltigen Themen gefördert werden.