Individuell lernen, kreativ lösen: Objektorientierte Programmierung für Mechatronik und Robotik

"Paradigmen der Objektorientierung" ist ein Programmierkurs, in dem die Studierenden die objektorientierte Programmierung in C++ erlernen. Der Kurs wird im Bachelor-Studium Mechatronik/Robotik im vierten Semester abgehalten und stellt die Fortführung der Grundlagen der Programmierung dar, die im Vorsemester vermittelt werden. Durch diesen zweisemestrigen Ausflug in die Programmierung sollen Studierende auf die Roboterprogrammierung in C++ vorbereitet und ihnen die Wichtigkeit der digitalen Kompetenzen für ihr Berufsfeld vor Augen geführt werden. Eine der Hauptmotivationen des Kurses war die Behauptung: „In zehn Jahren gibt es keine RobotikerInnen, die nicht programmieren können.“

Der 5 ECTS umfassende Kurs im Blended-Learning Format mit circa 30 Studierenden spannt den Bogen von den absoluten Grundlagen der Objektorientierung, der Sicht auf Entitäten der Programmierung als Objekten bis zu fortgeschrittenen Konzepten wie polymorphem Verhalten, also der Wandelbarkeit dieser Objekte je nach Kontext.

In den 15 Blöcken aus Präsenz- und Eigenstudium sind die Lernergebnisse klar auf die praktische Anwendung der vermittelten Konzepte gerichtet. Egal ob Klassen, Beziehungen, Datenkapselung, Vererbungen, die STL oder Polymorphismus, alles muss praktisch angewandt werden.

Dabei ist es den Studierenden möglich, durch drei verschiedene Pfade zu einer positiven Note zu kommen. Entweder durch Implementierung von Übungsbeispielen in den Präsenzeinheiten und als Hausübungen, das Ablegen von Zwischenprüfungen oder der Implementierung eines großes Semesterprojekts. Keiner der Teilbereiche muss dabei positiv bestanden werden und die Punkte aus den verschiedenen Pfaden zählen alle gemeinsam zur Gesamtnote. Dadurch werden individuelle Lernpfade ermöglicht. Jeder der drei Pfade deckt dabei das gesamte Stoffgebiet ab, wobei es immer um die praktische Arbeit, also das Programmieren, geht, ohne dieser Hauptkompetenz, deren Vermittlung das Ziel des Kurses ist, kann keiner der Pfade beschritten werden.

Zu jeder Präsenzeinheit gibt es mehrere Beispiele, die zum Teil gemeinsam in Präsenz oder auch als Hausübungen zu lösen sind. In diese Beispiele wird der Theorievortrag auch komplett aufgelöst, die Folien werden parallel zu den Beispielen besprochen. So können theoretische Hintergründe zu den praktischen Aufgaben kurz aufgegriffen werden, ohne den Arbeitsfluss des Programmierens zu sehr aufzuhalten. Die Studierenden implementieren zu jedem Konzept ein kurzes Programm, das demonstriert, wie die Theorie in der Praxis angewandt wird.

So durchlaufen die Studierenden den Kurs in einem gleichbleibenden Rhythmus aus neuen Eindrücken, die sofort praktisch angewandt werden und durch theoretische Hintergründe angereichert werden.

Über den Kurs verteilt finden drei Zwischenprüfungen statt. Sie dienen dazu, den Studierenden die Möglichkeit zu geben, ihren eigenen Fortschritt zu prüfen. Alle Hilfsmittel sind erlaubt. Den Studierenden wird vor den Prüfungen ins Bewusstsein gerufen, dass sie die Prüfung als Chance sehen sollten, ihre Programmierfähigkeiten unter Zeitdruck zu betrachten. Dann haben die Studierenden 60 Minuten Zeit, um einige kleine Programmierbeispiele zu implementieren und Theoriefragen zu beantworten. Die Prüfungsbeispiele orientieren sich stark an den Übungsbeispielen, wodurch wiederum Hausübungen und Mitarbeit noch attraktiver werden.

Dieses System hat sich bereits prüfbar bewährt und eine klare Verbindung zwischen der Anzahl an implementierten Übungsbeispielen und den erreichten Prüfungspunkten ist fast immer sichtbar.

Zusätzlich bietet der Kurs die Möglichkeit, über das gesamte Semester hinweg ein großes Projekt zu implementieren. Dabei müssen die Studierenden zu zweit arbeiten und alle theoretischen Konzepte des Kurses einbringen. Diese Projekte münden dann in Präsentationen, bei denen sowohl das lauffähige Programm als auch die Codebasis und Planungsdokumente vor allen KollegInnen präsentiert und dann gemeinsam kritisch besprochen werden. So sehen alle Studierenden möglichst viele verschiedene Programme und wie die unterschiedlichen Aufgabenstellungen kreativ gelöst wurden.

Dadurch ergibt sich die Frage der Überprüfbarkeit. Wenn Studierende nur durch Hausübungen positiv sein können, ist es schwer zu prüfen, ob sie nun wirklich programmieren können oder einfach eine KI befragt haben. Dieses Problem ergibt sich aber auch bei Prüfungen in Präsenz, in der Vergangenheit wurden sehr offensichtliche KI-Lösungen bei Prüfungen gefunden, auch bei sehr strenger Kontrolle durch die Lektoren.

Der Kurs versucht das Problem der KI anders anzugehen. Den Studierenden wird offen jegliches Hilfsmittel zugestanden. Sie können die Hausübungen und Prüfungen lösen, wie sie wollen.

Dafür wird in den Präsenzeinheiten der Einsatz von KI beim Programmieren ebenfalls thematisiert, indem Beispiele von KIs gelöst werden. Danach wird kritisch beleuchtet, inwiefern dieser Code dann im Kontext eines größeren Programms noch Sinn macht oder welche Stellen bearbeitet werden müssten, um die generierten Codeteile in das große Ganze einfügen zu können.

Spätestens an diesem Punkt wird dann klar, dass KI-Modelle zwar durchaus ein praktisches Hilfsmittel sind, es aber trotzdem von elementarer Wichtigkeit ist, dass man selbst programmieren kann. Wie sollte man sonst den generierten Code bewerten oder gar bearbeiten?

Weiters ist es den Studierenden nur durch Hausübungen und Prüfungen nicht möglich, bessere Noten als ein „Befriedigend“ zu erreichen. Wird nur einer der Pfade gewählt, geht sich ein "Genügend" aus, beide zusammen sind auf ein "Befriedigend" begrenzt. Nur wer zusätzlich noch die Projektarbeit implementiert und präsentiert, kann bessere Noten erreichen. Der Sinn dahinter ist die Möglichkeit des Gesprächs bei den Präsentationen. Hier kann durch kritische Fragen schnell ermittelt werden, ob die Studierenden programmieren können und inwiefern sie die Kompetenzen erworben haben.

Die Studierenden werden zu Beginn darauf hingewiesen, dass die Projektpräsentation mit einem sehr kritischen Auge betrachtet wird und Entscheidungen in der Projektplanung und Implementierung müssen begründet werden können.

Die Gruppengröße von zwei Personen soll verhindern, dass die Arbeitslast unfair verteilt wird, was bei größeren Gruppen doch eher passiert und auch bei der Präsentation sollen die Studierenden ihre jeweiligen Programmteile vorstellen.

Damit die Studierenden bei der Projektarbeit einen Leitfaden haben, stellt der Kurs ein komplett implementiertes Beispielprojekt zur Verfügung. An diesem Beispielprojekt wird auch während des Semesters immer wieder demonstriert, was von den Projektarbeiten erwartet wird oder wie sich Konzepte in größere Programme einfügen.

Das Projektthema ist frei wählbar und soll ihnen den kreativen Aspekt der Programmierung vor Augen führen, der in den Hausübungen und Prüfungen in den Hintergrund tritt.

Dieser sehr vielfältige Kursaufbau soll den Studierenden zum einen die Grundlagen, die sie im weiteren Verlauf des Studiums unbedingt brauchen, vermitteln und ihnen weiters helfen, zwei Grundpfeiler der Programmierung zu kultivieren, die auch in allen anderen Bereichen des Lebens unglaublich nützlich sind: Kreativität und Eigenverantwortlichkeit.

Denn die Programmierung ist ein an sich unbegrenztes Feld, es gibt keinen Werkstoff, der verwendet wird. Alles, was vorstellbar ist, ist implementierbar. Abgesehen von wenigen primitiven Grundregeln der korrekten Schreibweise des Codes, gibt es Beschränkungen.

Diese enorme Freiheit birgt gerade zu Beginn das Potenzial, sich darin zu verlieren, weshalb ihnen im Vorsemester in einem sehr ähnlich strukturierten Kurs die allgemeinen Grundlagen der Programmierung vermittelt werden, wobei sie noch nur Hausübungen und Zwischenprüfungen haben, quasi noch stärker an der Hand genommen werden.

In diesem Kurs wird ihnen durch das Projekt die Möglichkeit gegeben, sich sehr kreativ auszuleben, ein beliebiges Thema zu wählen und dann dieses Thema bis zu einem bestimmten geforderten Komplexitätsgrad auszuarbeiten. Diese Kreativität ist für die Programmierung essenziell, denn das Programmieren ist eine schaffende Tätigkeit, aus dem Code werden Strukturen geformt, genauso wie Bildhauende aus dem Stein Skulpturen formen. Wer sich nichts vorstellen kann, wird auch nichts programmieren können, wird keine Lösung finden.

Doch diese Kreativität muss auch eigenverantwortlich ausgelebt werden. Strukturen müssen klar gedacht und sich einander unterstützend implementiert werden.

Der Kurs versucht dieses Zusammenspiel aus Offenheit und Bewusstsein abzubilden. Den Studierenden wird der maximal mögliche Freiraum gelassen, dabei wird ihnen aber sehr klar kommuniziert, was verlangt wird und auf welche Arten und Weisen sie diese Leistungen erbringen können.

Dieses vielfältige Prüfungsformat deckt aus unserer Sicht alle Aspekte der Kategorie Lernergebnisorientierte Prüfungs- und Lehrkultur ab.

# Die Art der Leistungsüberprüfung bedenkt nicht nur das zu vermittelnde Wissen, die objektorientierte Programmierung in C++, sondern lässt Studierende dieses Wissen auf alle Programmiersprachen übertragen und zielt weiters darauf ab, Kompetenzen zu stärken, die weit über das Studium hinaus hilfreich sind.

# Constructive Alignment durchzieht den gesamten Kurs. Zu jedem theoretischen Konzept, das vermittelt wird, erhalten die Studierenden gleich mehrere praktische Beispiele, die sie wiederum direkt auf die Zwischenprüfungen vorbereiten oder in der Projektarbeit implementiert werden müssen, kein Thema bleibt lose am Rand liegen.

# Die unterschiedlichen Erfahrungshintergründe und Kompetenzprofile werden ebenfalls bedacht. Je nachdem, was den Studierenden stärker liegt, können sie einen anderen Pfad auf dem Weg zum Abschluss des Kurses wählen, Studierende, die bereits besonders erfahren sind, können in der Projektarbeit immer noch eine Herausforderung finden.

# Durch seinen vielseitigen Aufbau erhalten die Studierenden auch viele Arten von Rückmeldungen. Von automatisierten Programmiertests, die ihnen unmittelbar zeigen, was funktioniert und was noch auszubessern ist, über gemeinsame Besprechungen von Übungsbeispielen und Zwischenprüfungen in den Präsenzeinheiten bis zur Präsentation der Projekte, bei denen es gilt, auch kritische Fragen zu beantworten.

Auch alle horizontalen Kriterien werden berücksichtigt.

# Digitale Transformation ist bei einer Programmierveranstaltung selbstverständlich. Studierende erwerben ein tieferes Verständnis für die Grundlagen aller digitalen Technologien, nämlich die zugrunde liegende Programmierung dieser. Gleichzeitig wird immer wieder auf die Auswirkungen der Nutzung von KI-Modellen hingewiesen und versucht eine konstruktive, aber auch kritische Nutzung dieser großartigen Technologie zu vermitteln.

# Studierenden- und Kompetenzorientierung ist ebenfalls tief im Kurs verankert. Wie bereits beschrieben versuchen die unterschiedlichen Pfade einen möglichst breiten und offenen Zugang zu dem Thema zu ermöglichen und führen deshalb nicht zwingend aufbauend zu einer positiven Note, sondern auch für sich allein. Damit können auch Studierende, die weniger Zeit zur Verfügung haben, eine gewisse Grundkompetenz erwerben, ohne sich Sorgen bezüglich eines positiven Abschlusses zu machen.

# Während Internationalisierung kein Thema des Kurses ist, ist die Perspektivenerweiterung nicht nur mitbedacht, sondern sogar ein wichtiger Teil. Der Umgang mit ihren Programmen soll den Studierenden auch den Umgang mit ihren eigenen Gedanken vor Augen führen. Allgemeine geistige Klarheit, Kreativität, Offenheit und Eigenverantwortung sollen kultiviert werden. Neue digitale Perspektiven geschaffen werden.

# Partizipation und Mitgestaltung ist den Studierenden ebenfalls durch den Aufbau des Kurses in einem gewissen Maße möglich. Durch die verschiedenen Pfade ist es ihnen möglich, den Kurs für sich zu gestalten, die freie Wahl der Projektarbeit erlaubt es ihnen, sich kreativ auszuleben.