"Statistische Versuchsplanung" als Integrierte Lehrveranstaltung während der Corona Pandemie

Ziele/Motive/Ausgangslage

Mit Beginn der Corona Krise im Februar / März 2020 wurden an der FH OÖ innerhalb kürzester Zeit der Großteil der Lehrveranstaltungen didaktisch so adaptiert, dass sie über MS-Teams in Fernlehre abgehalten werden konnten. Je nach Lehrveranstaltungstyp und –inhalt war dies natürlich mit unterschiedlich großem Aufwand verbunden. Das eingereichte Projekt behandelt eine naturwissenschaftliche Lehrveranstaltung, die in 3 Bereichen so angepasst wurde, dass sowohl für die Wissensvermittlung als auch für die Überprüfung des Kompetenzerwerbs keine Präsenz am Campus nötig ist. Der große Erfolg dieses Konzeptes und die vielen positiven Rückmeldungen der Studierenden führten dazu, dass Teile davon sicherlich auch nach der Corona Krise beibehalten werden.

Kurzzusammenfassung des Projekts in deutscher Sprache

Nahezu alle wissenschaftlichen experimentellen Studien haben das gleiche Grundproblem. Eine meist große Anzahl möglicher Versuchsparameter führt zu einer sehr großen Anzahl an Experimenten, die durchgeführt werden müssten. Da dazu aber in den allermeisten Fällen die nötige Zeit und das nötige Geld fehlt, wurde bereits vor vielen Jahrzehnten die Methodik der statistischen Versuchsplanung (engl. design-of-experiments) entwickelt, mit deren Hilfe mit statistischen Methoden die Anzahl der nötigen Experimente drastisch verringert werden kann.

Die Vermittlung dieser theoretisch sehr aufwendigen und damit auch schwierigen Systematik mit traditionellen didaktischen Methoden (= Vorlesung mit begleitender Gruppenübung) konnte in der Corona Zeit über Fernlehre so nicht mehr aufrecht erhalten werden. Daher wurde eine Anpassung in drei Bereichen vorgenommen: 1) Erstellung von zur Vorlesung begleitenden Lehrvideos, bei dem die komplexen Lehrinhalte in „verdaulichen Portionen“ von ca. 5min beliebig oft angesehen werden können. 2) Adaption der didaktisch sehr wertvollen Gruppenübung, damit diese auch von Studierendengruppen durchgeführt werden können, die sich örtlich getrennt voneinander aufhalten müssen. 3) Überprüfung des Kompetenzerwerbs durch Durchführung von individuellen, von den Studierenden frei gewählten Experimenten nach genau definierten Vorgaben, innerhalb von 2 Tagen von zu Hause aus.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

Nearly all scientific experimental studies suffer from the same problem. Due to many possible influence factors, the number of needed single experiments is high, which needs a lot of time and costs a lot of money. Therefore, many decades ago the systematics of “design-of-experiments” was developed, which helps to significantly decrease the number of experiments by means of complex statistical calculations. As the theoretical background of this technique is quite difficult to understand for students, the existing lecture had to be adapted due to the restrictions of the corona crises. This was done in 3 fields: 1) Parallel to the theoretic lecture the students get access to a video with the same content in order to enable them to repeat the single topics as often as they want. 2) The group exercise, which is of fundamental importance to understand the lecture, was adapted in order to enable the performance in groups, which are locally separated from each other. 3) Instead of a written exam, the students were asked to perform an experiment of their own choice within two days at home according to the systematics of the design-of-experiments technique. As the feedback from the students was extremely positive, this procedure will be kept also after the end of the corona crises.

Nähere Beschreibung des Projekts

Beschreibung des Lehrveranstaltungsinhaltes:

Nahezu alle wissenschaftlichen experimentellen Studien haben das gleiche Grundproblem. Eine meist große Anzahl möglicher Versuchsparameter (= Einflussfaktoren) und die möglichen Wechselwirkungen zwischen all diesen Parametern führt zu einer sehr großen Anzahl an Experimenten, die durchgeführt werden müssten. Um alle diese Experimente durchzuführen fehlt aber in den allermeisten Fällen die nötige Zeit und natürlich auch das nötige Geld. In der ersten Hälfte des vorigen Jahrhunderts wurde daher die statistische Versuchsplanung (engl. design-of-experiments) entwickelt, mit deren Hilfe mit statistischen Methoden die Anzahl der nötigen Experimente drastisch verringert werden kann. Besonders beliebt war dieses Vorgehen bei Experimenten in der Landwirtschaft, da dort einerseits die Versuchsdauer sehr lange ist (i.d.R. eine Wachstumsperiode) sowie andererseits aufgrund der jährlich unterschiedlichen Wetterbedingungen, einzelne Experimente im Nachhinein nur schwer wiederholt werden können bzw. mit Ergebnissen aus anderen Jahren kaum zu vergleichen sind.

 

Obwohl die Vorteile der statistischen Versuchsplanung unumstritten sind, fand diese Systematik in der Industrie lange nur eine geringe Beachtung, da die Auswertung der Experimente sehr aufwändig und damit auch fehleranfällig ist. Demensprechend wurde diese Methode auch an deutschsprachigen Hochschulen viele Jahre lang kaum gelehrt. Dies änderte sich erst gegen Ende des letzten Jahrhunderts mit der Entwicklung anwenderfreundlicher statistischer Softwarepakete, die eine deutliche Erleichterung in der Erstellung von Versuchsplänen sowie in deren Auswertung mit sich brachten.

 

Didaktisches Konzept:

Das didaktische Konzept zur Vermittlung der Lehrinhalte der statistischen Versuchsplanung ist meist sehr ähnlich, im Anschluss an einen theoretischen Teil wird in Kleingruppen mit der gelehrten Systematik ein „einfaches“ Experiment durchgeführt, bei dem die wesentlichen Prinzipien „begreifbar“ gemacht werden. In der Literatur finden sich dazu einfache Standardexperimente wie z.B. ein Holz-Katapult, das auch jahrelang an der FH Oberösterreich zum Einsatz kam.

 

Im Zuge der Corona Pandemie war dieses Konzept so nicht mehr durchführbar. Zum einen zeigte sich, dass die Vermittlung der doch etwas komplexen theoretischen Inhalte über das Internet (MS-Teams) zu deutlichen Verständnisproblemen führte, die teilweise erst im Nachgang transparent wurden. Zum andern konnte naturgemäß die Gruppenübung in der gewohnten Form nicht mehr an der FH durchgeführt werden.

 

Daher wurde im Zuge des Projektes eine Anpassung der Lehrveranstaltung in 3 Bereichen durchgeführt.

 

1. Bereich: Vermittlung der theoretischen Inhalte:

Zusätzlich zur Vermittlung der theoretischen Inhalte live über MS Teams wurde ein Lehrvideo hinter einer Glaswand angefertigt. Dieses Video deckt sich inhaltlich mit der Vorlesung, ist in Abschnitte von max. 5min unterteilt und hilft so dabei, die Inhalte „verdaulicher“ darzustellen. Nachdem die Erstellung des Videos mit einem gewissen Aufwand verbunden war, wurde dies gleich dazu genutzt, den logischen Aufbau des Lehrstoffes zu aktualisieren.

 

link zu einem Videoausschnitt:

filebox.fhooecloud.at/index.php/s/K4NFFgqPioywdbw

 

 

2. Bereich: Durchführung der Gruppenübung:

Es zeigte sich, dass Studierende auch über die ihnen inzwischen gewohnten virtuellen Kommunikationskanäle durchaus ausgezeichnet in der Lage sind Gruppenübungen durchzuführen, auch wenn diese Experimentcharakter haben. Dabei muss natürlich sowohl die Art des Experimentes so angepasst werden, dass möglichst alle benötigten Materialien in jedem Haushalt verfügbar sind. In diesem Fall wurde ein Papierhubschrauber gewählt, bei dem nur ein Blatt Papier, Büroklammern und Klebeband benötigt wird. Auf der anderen Seite muss die Rollenverteilung der Teilnehmer(innen) so definiert werden, dass jede(r) über MS-Teams, Whats-App, o.ä. einen Betrag leisten kann und der entsprechende Lernerfolg sichergestellt werden kann. Dass dies auch über große geographische Distanzen möglich ist, zeigte eine Übungsgruppe des internationalen Masterstudiengangs „Automotive Mechatronics and Management“, bei dem Studierende in Dänemark und Österreich zeitglich mit einem Studierenden in Neuseeland die Gruppenübung absolvierten. Ein Studierender / eine Studierende führte dabei die jeweiligen Versuche durch und die anderen übernahmen die auch sonst üblichen Aufgaben wie z.B. Zeitnehmung, Protokollierung, Eingabe der Messwerte in die S/W, … . Bei der Auswertung der Versuche wurde der jeweilige „Mastercomputer“ an dem die Statistik S/W (Studentenlizenz von Mintab) installiert war mit den Mitstudierenden entsprechend geteilt, wodurch sich ein Lernerfolg einstellte, der durchaus vergleichbar mit einer Präsenzübung ist.

 

link zum einem Videobeispiel der Hubschraubergruppenübung:

filebox.fhooecloud.at/index.php/s/K4NFFgqPioywdbw

 

 

3. Bereich: Überprüfung der erworbenen Kompetenzen:

Nachdem in der vorliegenden Lehrveranstaltung bei zwei Studiengängen die Gruppenübung ausgezeichnet funktionierte, wurde auch das Prüfungskonzept entsprechend angepasst. Die Studierenden wurden konkret aufgefordert mit der erlernten Systematik irgendein Experiment ihrer Wahl durchzuführen und bekamen eine Liste mit den nötigen Rahmenbedingungen (z.B. Untersuchung von mindestens 4 Faktoren bei maximal 8 Experimenten, die jeweils 3x wiederholt werden mussten) und den durchzuführenden Auswertungen (z.B.: Art der Diagramme bzw. Gleichungen). Als Zeitlimit wurden 2 Tage angesetzt, welche 2 Tage dies waren wurde im Vorfeld zusammen mit den Studierenden vereinbart um Kollisionen mit anderen Klausuren oder Abgabeterminen zu vermeiden.

Dabei wurde natürlich bewusst in Kauf genommen, dass sich die Studierenden externe Hilfe holen konnten, dies wurde aber als nicht wirklich kritisch eingestuft, da es im späteren Berufsleben ja auch möglich – bzw. sogar erwünscht ist – sich bei auftretenden Fragen oder Problemen entsprechende Unterstützung zu organisieren bzw. externe Informationen einzuholen. Interessanter Weise spiegelten die Noten für die abgegebenen Arbeiten den Eindruck, der während der Lehrveranstaltung gewonnen werden konnte, sehr gut wider. Studierende, die schon während der Lehrveranstaltung aktiv mitarbeiteten, konnten auch die Prüfungsaufgabe sehr gut lösen, andere wiederrum erreichten auch bei diesem Format zur Kompetenzüberprüfung keine zufriedenstellende Note.

Das breite Spektrum an durchgeführten Experimenten zeigte klar auf, dass ein reines „Abschreiben“ von Kollegen nicht möglich war, da die jeweiligen individuellen Versuchsbedingungen zu unterschiedlich waren, wie folgende Aufstellung von abgegebenen Prüfungsexperimenten klar zeigt:

 

• Dauer des Spaghetti-Kochprozesses

• Optimierung des Handyempfangs

• Flugeigenschaften diverser Objekte

• Treffsicherheit einer Kartoffelkanone

• Kapillarkraft

• Dauer eines Raketenflugs

• Dauer eines Fallschirmflugs

• Schwimmfähigkeit von Papierschiffen

• Größe von Meteoriteneinschlägen

• u.v.m.

 

link zu Beispielen von Prüfungsexperimenten:

filebox.fhooecloud.at/index.php/s/K4NFFgqPioywdbw

 

 

4. Rückmeldungen der Studierenden:

Die Rückmeldungen der Studierenden war durchwegs außerordentlich positiv. Die intensive Auseinandersetzung mit der Thematik über 2 Tage – auch mit der Gelegenheit sich untereinander noch einmal auszutauschen (wobei ja jeder sein individuelles Experiment bearbeitete) bleibt sicherlich deutlich länger im Gedächtnis als das reine Lernen auf eine schriftliche Klausur. Sollten die Studierenden in ihrem Berufsleben die Systematik anwenden müssen oder wollen, erinnern sie sich sicher nicht an Details, sie wissen aber, dass Sie eine solche praktische Aufgabe schon einmal erfolgreich bewältigt haben und können sich damit viel schneller wieder in das Thema einarbeiten.

 

Viele Projektabgaben wurden mit einem persönlichen Schlusswort versehen, was zeigt, dass sich die Studierenden sehr bemüht haben und sie selber das Gefühl haben, bei der Lehrveranstaltung etwas gelernt zu haben:

 

„Durch die Prüfung in diesem Format habe ich denke ich mehr gelernt, als hätten wir eine herkömmliche Klausur gemacht. Es hat wirklich Spaß gemacht.“

 

„Das Durchführen und Auswerten der Versuche war wirklich spannend und interessant.“

 

„Vielen Dank für den Kurs, es war ein Highlight im Corona Semester.“

 

„Es hat wirklich Spaß gemacht und ich konnte die theoretischen Inhalte der Vorlesung praktisch miterleben und somit nachvollziehen & in meinem Hirn abspeichern. Vielen Dank dafür!“

 

„Ich hoffe Sie können sehen, dass ich an dieser Aufgabe sehr viel Spaß hatte.“

 

“I Apologize for the late submission, I encountered a few challenges and had to repeat the experiments several times. I’d like to thank you for the whole course. The thing I like most about this experiment is that I’m never going to forget the concepts I applied in the experiment.”

 

Mehrwert

Der Mehrwert des Projektes liegt eindeutig in der Lernerleichterung für Studierende sowie dem Format zur Überprüfung des Kompetenzerwerbs mit Projektcharakter, das sicherlich nachhaltiger ist, als das reine Lernen auf eine schriftliche Klausur. Der Aufwand für Lehrende zur Korrektur der Prüfungsleistung ist höher als bei einer schriftlichen Klausur, ist aber auch deutlich abwechslungsreicher und interessanter. Trotzdem ist dieses Format sicherlich nur bei überschaubaren Gruppengrößen (ca. 30-40 Studierende) empfehlenswert.

Übertragbarkeit/Nachhaltigkeit

Das Konzept ist natürlich auch auf andere Lehrveranstaltungen übertragbar und wird u.a. am Tag der Lehre der FH OÖ am Dienstag, 20. April 2021, einem größeren Kollegenkreis vorgestellt.

Aufwand

Einmalig ca. 5 Arbeitstage, Zusatzaufwand pro Studierender ca. 1h.

Positionierung des Lehrangebots

Bachelor und Master - je nach Curriculum

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2021 nominiert.
Ars Docendi
2021
Kategorie: Lernergebnisorientierte Lehr- und Prüfungskultur
Hochschullehrpreis 2020
Kategorie:
Link zum Hochschulpreis
Ansprechperson
Prof (FH) Dr.-Ing. Martin Jordan
FH Oberösterreich
0680 5060360
Nominierte Person(en)
Prof (FH) Dr.-Ing. Martin Jordan
FH Oberösterreich
Themenfelder
  • Didaktische Methode
  • Rund ums Prüfen
  • Erfahrungslernen
Fachbereiche
  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik/Ingenieurwissenschaften