Turbulenz als Lehrbeispiel: Kompetenzen für komplexe MINT-Probleme

Heutige Hochschulabsolventinnen und -absolventen sind zunehmend gefordert, komplexe wissenschaftliche und gesellschaftliche Probleme zu verstehen und zu lösen, die Wissen aus verschiedenen Disziplinen integrieren. Die zunehmende Verbreitung und Herausforderung der künstlichen Intelligenz macht es zusätzlich wichtiger denn je, Studierende mit kritischen Denkfähigkeiten auszustatten, damit sie die vor ihnen liegenden komplexen Herausforderungen erkennen und bewältigen können. Die Lehrveranstaltung zur Grenzschichtmeteorologie, als Bestandteil des Masterstudiums der Atmosphärenwissenschaften, ist ein solches komplexes Thema.

Innerhalb der Atmosphärenwissenschaften ist Grenzschichtturbulenz ein besonders schwierig zu lehrendes und zu erlernendes Thema. Dies liegt einerseits daran, dass Studierende häufig keine intuitive Vorstellung davon besitzen, und andererseits daran, dass Turbulenz nach wie vor zu den ungelösten Problemen der Physik zählt. Das Thema erfordert zudem Kenntnisse in Mathematik, Statistik und Physik. Erschwerend kommt hinzu, dass die Studierenden mit unterschiedlichen MINT-Vorkenntnissen in die Lehrveranstaltung kommen.

Das Konzept der Lehrveranstaltung zielt dennoch darauf ab, das Thema so einzuführen, dass kein Studierender zurückgelassen wird. Das Ziel ist, dass alle Studierenden ein intuitives Verständnis des komplexen Phänomens der Grenzschichtturbulenz entwickeln. Gleichzeitig geht es weit über die Komplexität des Themas selbst hinaus: Die Studierenden lernen, wie man mit komplexen Problemen generell umgeht, wie man sie in grundlegende Bestandteile zerlegt, welche Methoden zum Verständnis und zur Lösung eingesetzt werden, wie man Annahmen kritisch hinterfragt, eigene Lösungen prüft und Grenzen einzuschätzen weiß. Darüber hinaus werden Einblicke in den wissenschaftlichen Prozess und neueste Forschungsergebnisse gezielt vermittelt, um die Studierenden auf dem aktuellen Stand zu halten und ihre Begeisterung für die Wissenschaft zu wecken.

Nach der Lehrveranstaltung sind die Studierenden in der Lage: Die Prozesse in der atmosphärischen Grenzschicht zu verstehen, sie theoretisch und konzeptuell zu erschließen und zu lösen sowie auf andere Bereiche der Atmosphärenwissenschaften anzuwenden, und sie in gesellschaftlich relevante Themen wie Windenergie, Tourismus und Luftqualität einzubetten.

Über das Thema selbst hinaus sind die Studierenden in der Lage:

1. Den wissenschaftlichen Prozess und die Schritte zur Lösung noch unbekannter komplexer Probleme zu verstehen.

2. Analytische Fähigkeiten entwickelt zu haben, die es ermöglichen, Probleme in kleinere Teilschritte zu zerlegen und geeignete Lösungsansätze auszuwählen.

3.Kritisches Denken durch das Verständnis von Annahmen und Grenzen bestehender Ansätze entwickelt zu haben sowie Strategien zu kennen, mit denen eigene Lösungen kritisch überprüft und deren Grenzen eingeschätzt werden können.

Nähere Beschreibung des Projekts

Die Lehrveranstaltung zur Grenzschichtmeteorologie behandelt eines der anspruchsvollsten Themen des Mastercurriculums. Dies liegt an den grundsätzlichen Schwierigkeiten beim Verständnis und der korrekten Modellierung von Turbulenz in den Atmosphärenwissenschaften, an der fehlenden intuitiven Vorstellung der Studierenden für das Thema sowie an der Vielzahl an Werkzeugen, die zur Beschreibung ihrer Auswirkungen benötigt werden (Physik, Mathematik, Statistik, konzeptionelle Modelle). Da die Studierenden außerdem aus unterschiedlichen Fachrichtungen kommen und unterschiedliche Vorkenntnisse mitbringen, ist es das Ziel der Lehrveranstaltung, allen Studierenden, unabhängig von ihrem Hintergrund, das Verständnis und die Beherrschung des Themas zu ermöglichen. Darüber hinaus sollen die Studierenden kritisches Denken erlernen, in die Forschung eingebunden werden und lernen, wie komplexe Probleme gelöst werden. Die Lehrveranstaltung stützt sich auf mehrere wichtige Säulen:

1. Niemand wird zurückgelassen

Ein zentrales Anliegen ist es, sicherzustellen, dass zu Beginn der Lehrveranstaltung keine Studierenden benachteiligt sind, weil ihnen grundlegende Kenntnisse fehlen. Zu diesem Zweck widmen sich die ersten Unterrichtsstunden der Angleichung des Wissensstands. Die Lehrveranstaltung beginnt mit einer anonymen Umfrage, mit der erhoben wird, welche Grundkonzepte den Studierenden noch nicht vertraut sind, aber für das Verständnis des Lehrstoffs benötigt werden. Auf Basis dieser Umfrage wird in der nächsten Einheit ein Crashkurs zu jenen Themen durchgeführt, bei denen mehr als eine Person Wissenslücken angegeben hat. Zusätzlich werden Teamarbeit und Empathie unter den Studierenden gefördert: Studierende, die den Stoff besser verstehen, werden ermutigt, jenen zu helfen, die noch Schwierigkeiten haben, etwa bei Programmierübungen. Regelmäßig werden auch Lerntipps weitergegeben. Gleichzeitig wird stets betont, dass das Studieren in erster Linie die eigene Verantwortung der Studierenden ist, um sie in ihrer Eigenständigkeit und Wissbegierde zu stärken

2. Den Wissensstand der Studierenden im Blick behalten

Um den Wissensstand der Studierenden einschätzen zu können, ist eine direkte und lebendige Interaktion unabdingbar. Aufgrund der offenen Atmosphäre in der Lehrveranstaltung stellen Studierende Fragen und geben ohne Zögern zu, wenn sie etwas nicht verstanden haben, in dem Wissen, dass sie nicht bewertet werden. Regelmäßig wird auch darauf hingewiesen, dass vermutlich viele andere Studierende dieselbe Frage haben, sich aber nicht trauen, sie zu stellen. Nach jedem Kapitel werden nicht benotete Quizze durchgeführt, die den Studierenden ermöglichen, ihren Wissensstand selbst einzuschätzen, und die zeigen, welche Art von Fragen in der Prüfung zu erwarten sind. Gleichzeitig erhält die Lehrperson Rückmeldung darüber, wo noch Verständnisdefizite bestehen. Die Ergebnisse werden anschließend gemeinsam an der Tafel besprochen. Da die Quizze nicht benotet werden, sollen sie eine stressfreie Möglichkeit bieten, den eigenen Fortschritt zu verfolgen und Wissenslücken aufzuzeigen. Das tiefe Verständnis grundlegender und komplexer Konzepte hat Vorrang vor der bloßen Themenfülle: Fragen aus dem Unterricht, aus Quizzen oder ein verwirrter Blick im Publikum nehme ich zum Anlass, das jeweilige Thema nochmals eingehend zu erklären. Im Sinne des lateinischen Sprichworts „Repetitio est mater studiorum" werden die wichtigsten und schwierigsten Themen im Laufe des Semesters mehrfach aufgegriffen, jeweils aus einer anderen Perspektive, etwa statistisch oder konzeptionell, in Bezug auf andere Lehrveranstaltungen oder anhand persönlicher Erfahrungen der Studierenden.

3. Forschungsbasierte Lehre

Studierende sprechen auf die Begeisterung und Leidenschaft der Lehrperson für ihr Fach an. Obwohl das Thema auf den ersten Blick sehr trocken und abstrakt wirken mag, wird eine offene und anregende Atmosphäre durch persönliche Begeisterung für das Thema, das zugleich das eigene Forschungsgebiet ist, aufrechterhalten. Eigene Erfahrungen beim Erlernen des Stoffs fließen ebenso ein wie aktuelle Forschungsthemen, -praktiken, Herausforderungen und neue Erkenntnisse. Besonderer Wert wird darauf gelegt, die Studierenden in den Denkprozess beim Lösen von Problemen einzuführen, insbesondere wie Lösungen überprüft werden können (z. B. durch Dimensionsanalyse oder Rückführung auf Grundgleichungen) und wie überprüft wird, ob Schlussfolgerungen logisch sind. Offene Fragen in der atmosphärischen Turbulenzforschung dienen dazu, die Neugier der Studierenden zu wecken. Sie werden über aktuelle Messkampagnen und neueste Erkenntnisse informiert, um ihr persönliches Interesse zu fördern. Die Studierenden reagieren sehr positiv auf diese Impulse und stellen regelmäßig ausgezeichnete Fragen und bringen eigene Ideen ein, die ihnen einen echten Einblick in den wissenschaftlichen Entdeckungsprozess geben. Da die Studierenden in den Übungen mit realen Daten arbeiten, erleben sie Forschung unmittelbar am eigenen Tun.

4. Studierende herausfordern

Die Lehrveranstaltung ist darauf ausgelegt, die Studierenden zu fordern und ihre Aufmerksamkeit aufrechtzuerhalten. Statistik und Mathematik nehmen einen großen Raum ein: Sie werden an der Tafel erläutert und in Übungen angewendet. Diese Methode ermöglicht es, schwierige Konzepte langsamer und gründlicher zu erklären und die Herleitung von Gleichungen transparent zu machen. Obwohl die PowerPoint-Folien für jedes Kapitel im Voraus zur Verfügung gestellt werden, enthalten sie bewusst keine Gleichungsherleitungen und nur die wichtigsten Kernpunkte. Dadurch werden die Studierenden angehalten, Mitschriften per Hand zu erstellen und Lehrbücher für weiterführende Erklärungen heranzuziehen. Das handschriftliche Erstellen von Mitschriften ist ein zentrales Element der Lehrveranstaltung. Zudem sind die Studierenden im Unterricht aktiver eingebunden und weniger durch Bildschirme abgelenkt, als es bei reiner Folienprojektion der Fall wäre. Die Studierenden werden kontinuierlich dazu angehalten, die präsentierten Konzepte kritisch zu hinterfragen, die Grenzen der Ansätze zu erkennen und eigene Lösungen zu überprüfen. Neben mathematischen Herleitungen wird auch der eigene Denkprozess beim Lösen von Problemen und beim Überprüfen von Ergebnissen offengelegt. Das Thema der Lehrveranstaltung berührt zudem verschiedene Bereiche. Diese Verbindungen und die interdisziplinäre Einbettung des Themas werden im Unterricht laufend hervorgehoben, damit die Studierenden die Bedeutung der von ihnen untersuchten Prozesse erkennen. Gleichzeitig lernen sie, wie interdisziplinäre Themen angegangen werden und wie Informationen verknüpft und Muster erkannt werden können.

Die Lehrveranstaltung besteht seit über 14 Jahren am Institut; in den vergangenen 6 Jahren wird sie von mir unterrichtet. Es ist geplant, diese Lehrveranstaltung auch in Zukunft anzubieten und sie kontinuierlich an neue Entwicklungen anzupassen, um relevante Kompetenzen zu vermitteln.

Zielgruppe: Masterstudium Atmosphären- und Kryosphärenwissenschaften, 3. Semester

Die Lehrveranstaltung wurde kürzlich mit dem Lehrpreis der Fakultät für Geo- und Atmosphärenwissenschaften der Universität Innsbruck ausgezeichnet. Es handelt sich um eine Pflichtveranstaltung für Masterstudierende. Trotz der Komplexität des Themas (mittlere Komplexitätsbewertung von 3,4 ± 0,8 durch die Studierenden) werden in den Studierendenbeurteilungen durchgängig Höchstnoten vergeben: Inhalt und Aufbau (1,1 ± 0,4), Vermittlung und Aufbereitung (1,2 ± 0,4), Studentisches Interesse (1,1 ± 0,2), Aufwand und Leistungsbeurteilung (1,3 ± 0,4). Studierendenbeurteilungen werden jährlich durchgeführt, auch wenn diese von der Universität nicht vorgeschrieben sind. Rückmeldungen werden auch aktiv im Unterricht eingeholt. Insbesondere schriftliche Kommentare und kritisches Feedback fließen regelmäßig in die Weiterentwicklung der Lehrveranstaltung ein. Im Laufe der Jahre hat dies zu zahlreichen Verbesserungen geführt – insbesondere in Bezug auf die Datenanalyseübungen sowie die Vermittlung anspruchsvollerer Inhalte.