Mediated Modelling for Sustainability - kollaboratives, konzeptuelles kausales Modellieren für Nachhaltigkeit (VS)

Nähere Beschreibung des Projekts

Im Zuge der Vorbereitungen zur Lehrveranstaltung wurden von Andreas Zitek und Stefanie Klose die Grundlagen der Systemdynamik und der "Hierarchy Theory", des "Concept Mappings" mit CMap (https://cmap.ihmc.us/) sowie die Schritte und der Hintergrund qualitativer Modellbildung und Simulation mit DynaLearn (https://www.dynalearn.eu/) als Input für die Studierenden erarbeitet. Einen besonderen Mehrwert stellte die Verknüpfung von Systemdenken und Nachhaltigkeit mittels Systemindikatoren dar. Als Gastvortragender wurde Bert Bredeweg der Universität Amsterdam als Entwickler der DynaLearn Software eingeladen. Dies erlaubte eine weitere gemeinsame Vertiefung hinsichtlich des Verständnisses qualitativer Modellbildung und Simulation basierend auf der Modellierungssprache des "Qualitative Reasoning".

Neue Lernhilfen ("Scaffolds" nach Vygotsky) für die Modellbildung und Dokumentation sowie ein schrittweises Ablaufschema für die qualitative Modellbildung wurden gemeinsam von den Lehrenden entwickelt.

Für das kollaborative Concept mapping wurde dafür eigens ein eigener CMap Server installiert, welcher nun für die Lehre ebenfalls frei verfügbar ist (https://cmap.futurecampus.eu - hier können auch die Ergebnisse des kollaborativen Concept Mappings zu den unterschiedlichen Themen eingesehen werden). Dies erlaubte den Gruppen nach einer lokalen Installation der freien CMap Software und der Verlinkung mit dem bereitgestellten Server die kollaborative web-basierte Erstellung von Concept Maps. Hierbei wird die Freigabe zur Kooperation an jene Person gesendet, die das Modell als erster geöffnet hatte. Der Prozess der gemeinsamen Wissenskonstruktion wurde von einer Einführung in die systematische Literatursuche unterstützt und es wurde eine gemeinsame, nach Themen gegliederte, Online-Literaturdatenbank in Citavi erstellt. Für die Modellerstellung mussten in einem weiteren Schritt die wichtigsten Entitäten identifiziert werden, mit hierarchischen Konfigurationen verknüpft und mit ihren wichtigsten "qualitativen" Quantitäten und ihren entsprechenden Zustandsräumen (=wichtige Systemzustände, und "tipping points" an denen Systemänderungen auftreten) ausgestattet werden. Für die schrittweise Modellerstellung basierend auf den Concept Maps wurden den Studierenden spezielle Tabellenformate zur Extraktion und Definition der relevanten Systemelemente als "Scaffolds" zur Verfügung gestellt. Dabei sollten die Modellelemente zumindest drei Systemebenen zugeordnet werden. Die drei Systemebenen basieren auf der Hierarchy Theory, wonach es notwendig ist, zusätzlich zur Fokus-Ebene zumindest eine darüber- und eine darunterliegende Systemebene zu erfassen, um das Systemverhalten verstehen zu können. Erst danach erfolgte die kollaborative Umsetzung der Modelle in DynaLearn.

Die DynaLearn-Software wurde entsprechend der didaktischen Anforderungen des Projektes speziell angepasst, und erlaubt nun bereits auf einfacher Ebene die Darstellung von Feedback-Loops. Grundsätzlich können mit DynaLearn sowohl einfache kausale Loop-Diagramme (nur "+" und "-" als kausale Zusammenhänge zwischen Quantitäten einzelner Entitäten) als auch komplexere Modelle mit Status-Variablen und Raten, sowie "Bedingungen" (Systemzustände an denen sprunghafte, nicht-lineare Entwicklungen auftreten) erstellt werden. Und das ganz ohne Zahlen. Dabei unterstützt die DynaLearn Software ebenfalls kollaboratives Arbeiten, sowie den direkten Support durch die Lehrenden im Modell. Für das kollaborative Arbeiten teilt derjenige, der das Modell angelegt hat, einen 9-stelligen Code, welcher die Teilnahme der anderen Studierenden am Modell ermöglicht. Jede/r Studierende kann dann auch für sich selber eine Kopie des Modells anlegen.

In DynaLearn erfolgte zuerst eine Modellierung des Systems auf der einfachsten Ebene, wo nur positiv verstärkende "+" und negative verstärkende "-" Wirkungen von einer Variablen auf andere definiert werden können. Danach erfolgte der automatische Transfer des Modells auf eine komplexere Modellierungsebene, auf der die einfachen kausalen Bedingungen in die aus der Systemdynamik bekannten Raten und Statusvariablen übersetzt werden können. Naturgemäß haben Modellierungsanfänger Schwierigkeiten, die relevanten Entitäten zu identifizieren, sie hierarchisch zu ordnen, die entsprechenden Quantitäten zu definieren und "Prozesse" von reinen "proportionalen Zusammenhängen" zwischen Statusvariablen zu unterscheiden. Letztlich konnte, bezugnehmend auf diese bekannten Faktoren, in regelmäßigen Austauschtreffen schrittweise ein gemeinsames Verständnis des betrachteten Systems erarbeitet werden. Dazu stand ebenfalls Bert Bredeweg zur Verfügung.

Nach einer abschließenden Präsentation der entwickelten Modelle wird ein kurzer Essay erstellt, der auch eine Reflexion des eigenen Lernens und der Erfahrungen mit den Modellierungstools beinhaltet. Das gemeinsame Schreiben wurde mittels "BOKUdrive" umgesetzt. BOKUDrive beruht auf der Open Source Software Seafile und ermöglicht die kollaborative Erstellung von Word Dokumenten Power Point Präsentation etc., ähnlich wie Google Docs.

Im Rahmen eines abschließenden Gesprächs und einer abschließenden formularbasierten Evaluation der Lehrveranstaltung wurde systematisch das Feedback von den Studierenden zu ihrer Lernerfahrung eingeholt, und auch die für sie relevanten und bedeutsamen gemachten Lernerfahrungen während der Lehrveranstaltung abgefragt. Die Lehrveranstaltung wurde durchwegs mit sehr gut und gut bewertet, und die sich ergänzenden Qualitäten von Cmap und DynaLearn für die gemeinsame Wissenskonstruktion und qualitative Modellbildung und -simulation wurde von den Studierenden klar erkannt und positiv bewertet. Speziell das Wecken des Interesses und der Erwerb der Kompetenz, komplexe Themen gemeinsam mittels der vorgestellten Werkzeuge aus Systemsicht erarbeiten und verstehbar machen zu können, die Möglichkeit der Gruppenbildung entlang für die Studierenden relevanten Themen, das Co-Teaching und die Verfügbarkeit von Bert Bredeweg als Entwickler der DynaLearn Software wurden als besonders positiv hervorgehoben.

Derzeit wird an einer schriftlichen Zusammenfassung der gemeinsam entwickelten Lehr- und Lernmethode inklusive der Darstellung der gemachten Erfahrungen und gesammelten Evaluierungsergebnisse gearbeitet, welche im Journal IEEE Transactions on Learning Technologies publiziert werden soll. Im selben Journal wurden bereits im Jahr 2013 die ersten Evaluierungen der Anwendung von DynaLearn als Lehr- und Lernmethode publiziert (https://ieeexplore.ieee.org/document/6461874).

Nachhaltigkeit

Das Konzept lässt sich sehr gut auf andere Lehrveranstaltungen übertragen. Derzeit findet dies an der BOKU gerade im Rahmen der VS Interdisciplinary concepts in understanding river-society interactions und der VU Multi-scale modelling and system dynamics in aquatic ecosystems statt. Im Rahmen letzterer VU wurde DynaLearn bereits in den vergangenen Jahren zur Erstellung qualitativer dynamischer Systemmodelle im Bereich von Fließgewässern verwendet. Auch der innovative Ansatz, qualitative Systemmodelle mit der Hierarchy Theory zu verknüpfen, um urbane Stoffflüsse zu modellieren, hat Eingang in die Dissertation von Stefanie Klose gefunden. Das Konzept wird derzeit mit Hilfe weiterer im EPICUR-Projekt zur Verfügung gestellter Projektmittel weiterentwickelt, und soll in naher Zukunft auch als MOOC mit interaktiven Modellierungsübungen angeboten werden. DynaLearn erlaubt dabei bereits in der jetzigen Form automatisiertes Feedback basierend auf hinterlegten Expert*innenmodellen. Für den MOOC werden dafür zu ausgewählten Nachhaltigkeitsthemen qualitative kausale Modelle gemeinsam mit Expert*innen erstellt, die dann für das automatisierte Feedback an Studierende im Zuge ihrer Modellierungsaufgaben in DynaLearn bereitgestellt werden.