Universität für Bodenkultur Wien
Gregor Mendel Straße 33, 1180 Wien

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

Ziele/Motive/Ausgangslage

Im Zuge des Engagements der BOKU im Rahmen des EPICUR-Projektes (European Partnership for an Innovative Campus Unifying Regions) sollte gemeinsam mit der Universität Freiburg eine neue innovative Lehrveranstaltung basierend auf Liberal-Arts and Sciences (LAS)-Kriterien für den Pilot-Study Track entwickelt werden. Die Wahl fiel auf das Thema der gemeinsamen, kultur- und länderübergreifenden Wissenserarbeitung und -konstruktion zum Thema Nachhaltigkeit mittels qualitativer Modellbildung und Simulation. Hierzu bestanden bereits durch die Beteiligung von Dr. Andreas Zitek an entsprechenden EU-Projekten (2005-2007: New education and decision support model for active behaviour in sustainable development based on innovative web services and qualitative reasoning, 2009-2012: DynaLearn - Engaging and informed tools for learning conceptual system knowledge) und der innovativen Umsetzung und wissenschaftlich-didaktischen Evaluierung der Lernmethode der qualitativen Modellbildung und -simulation in unterschiedlichen Lehrveranstaltungen an der BOKU seit dem Jahr 2005 umfassende Erfahrungen. Interdisziplinarität, studierenden-zentriertes Lehren und Lernen, Co-teaching und Co-Creation stellten für die gemeinsame Entwicklung und Gestaltung der neuen LAS-Lehrveranstaltung zentrale wünschenswerte Merkmale dar. Weiters sollte bewusst Raum für das Einbringen der Interessen und Ideen der Studierenden geschaffen werden. Teile der Lehrveranstaltung sollten daher auch erst im Laufe der Zeit gemeinsam mit den Studierenden bedarfsorientiert entwickelt werden. Die Lehrveranstaltung wurde insgesamt für einen Arbeitsaufwand von 6 ECTS ausgelegt. Sie sollte sowohl thematische Input-Vorträge, Zeiten der gemeinsamen Modellbildung und Diskussion in Gruppen mit den Lehrenden, als auch selbständiges online-Arbeiten der Studierenden in Gruppen sowie bedarfsorientierte Support-Stunden umfassen. Ziel war es letztlich, die Studierenden dabei zu unterstützen ("mediated") gemeinsam in internationalen Gruppen zu einem selbstgewählten Thema ein umfassendes interdisziplinäres Systemverständnis unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsherausforderungen, basierend auf dem theoretischen Ansatz der qualitativen Modellbildung und der "Hierarchy Theory", zu entwickeln.

Kurzzusammenfassung des Projekts in deutscher Sprache

Generell kann interdisziplinäres Systemverständnis als eine zentrale fachübergreifende Kompetenz in der Hochschullehre und insbesondere in Bezug zur Nachhaltigkeit angesehen werden. Für viele Faktoren, wie z.B. sozial-psychologisch motivierte Verhaltensweisen und politische Rahmenbedingungen, ist es jedoch nicht möglich quantitative Angaben für Modelle zu machen. Sehr wohl können aber qualitative kausale Beziehungen und relevante Systemzustände bzw. "tipping" points definiert werden, welche eine kausale dynamische Simulation von Zukunftsszenarien unter gegebenen Annahmen/Voraussetzungen ermöglichen. Daher wurde speziell für die Vertiefungsrichtung Natural and Societal Sustainability im EPICUR-Projekt gemeinsam von Andreas Zitek (BOKU Wien) und Stefanie Klose (Universität Freiburg) die an Liberal Arts and Sciences Prinzipien orientierte Lehrveranstaltung "Mediated Modelling for Sustainability" entwickelt. In dieser Vorlesung lernen Studierende aus unterschiedlichen Ländern und Kulturen interdisziplinär und kollaborativ sowie durch die Lehrenden unterstützt ("mediated") Nachhaltigkeitsherausforderungen basierend auf theoretischen Ansätzen zum Systemverständnis (qualitative Systemmodellierung, Hierarchy Theory) zu analysieren und modellhaft abzubilden. Ausgangspunkt für die Erstellung der gemeinsame Modelle sind hierbei gemeinsame Interessen der Studierenden und generell zur Diskussion gestellte Themen rund um das Thema ökologische-soziale und wirtschaftliche Nachhaltigkeit.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

In general, an interdisciplinary system understanding can be seen as the central interdisciplinary competence in higher education and university teaching and especially in relation to sustainability. However, for many factors, such as socio-psychologically motivated behavior and political framework conditions it is not possible to provide quantitative information for models. However, qualitative causal relationships and relevant system states or "tipping" points can be defined, which enable a causal dynamic simulation of future scenarios under given assumptions / prerequisites. That is why Andreas Zitek (BOKU Vienna) and Stefanie Klose (University of Freiburg) developed the course "Mediated Modeling for Sustainability", which is based on Liberal Arts and Sciences principles, especially for the specialization in Natural and Societal Sustainability in the EPICUR project. In this course, students from different countries and cultures learn to analyze and model sustainability challenges based on theoretical approaches to system understanding (qualitative systems modeling, hierarchy theory) in an interdisciplinary and collaborative manner as well as supported by the teachers ("mediated"). The starting point for the creation of the collaborative models are the common interests of the students and general topics provided for discussion around the topic of ecological, social and economic sustainability.

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).

Mehrwert

Die Schaffung der Möglichkeit, dass Studierenden unterschiedlicher europäischer Universitäten sich online synchron und asynchron gemeinsam tiefgehendes Systemwissen systematisch erarbeiten können. Einen besonderen Mehrwert stellte die Verknüpfung von Systemdenken und Nachhaltigkeit mittels Systemindikatoren dar. Neue Lernhilfen ("Scaffolds" nach Vygotsky) für die Modellbildung und Dokumentation sowie ein schrittweises Ablaufschema für die qualitative Modellbildung wurden entwickelt, und stehen für die Zukunft zur Verfügung. 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). Die DynaLearn-Software wurde entsprechend der didaktischen Anforderungen des Projektes speziell angepasst, und erlaubt nun bereits auf einfacher Ebene die Darstellung von Feedback-Loops. Im Bereich der virtuellen Lehre steht mit der beschriebenen neuartigen Kombination der kollaborativen Online-Tools ein neuer und innovativer, kulturübergreifender und lernmotivierender Ansatz zur Verfügung, der ein systematisches und tiefgehendes Lernen sowie den Erwerb der zentralen Kompetenz des interdisziplinären Systemdenkens ermöglicht und gezielt fördert. Eine Präzisierung des eigenen kausalen Verständnisses dient als Basis für die weiterführende gemeinsame Diskussion und individualisiertes Lernen anhand von Concept Maps und Modellen. Mögliche zukünftige Szenarien und Systemzustände können basierend auf den kausalen Zusammenhängen simuliert werden und bilden die Basis für Entwicklung gemeinsamer Möglichkeiten der Zukunftsgestaltung.

Übertragbarkeit/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.

Aufwand

Im Zuge der Vorberitungen erfolgte die Installation der CMap Software auf einem sicheren, in Deutschland bedindlichen, externen Server (OVH). Im Rahmen des Projektes erfolgte weiters die didaktische Weiterentwicklung der DynaLearn Software, die mit 4000.- Euro aus dem EPICUR Projektbudget abgedeckt wurde, und somit die Abbildung von Feedback-Loops bereits auf der einfachsten Software-Ebene ermöglicht. Die gemeinsame Vorbereitung der Lehrveranstaltung erforderte mehrere Online-Treffen zwischen den Lehrenden und Bert Bredeweg um die DynaLearn Software entsprechend anpassen zu können. Insgesamt umfasste die Vorbereitung ca. 20 Stunden, in denen gemeinsam online gearbeitet wurde.

 

Letztlich wurde im Rahmen von 26 direkten Kontaktstunden die Inhalte vermittelt, Beispiele mit der DynaLearn Software geübt, und auch bereits gemeinsam mit direkter Unterstützung durch die Lehrenden Concept Maps und Modelle erstellt. Im Rahmen weiterer 14 Kontaktstunden standen die Lehrenden gemeinsam für die Diskussion und den Support bei Schwierigkeiten im Rahmen der Modellerstellung zur Verfügung. Am Ende gab es im Rahmen einer 4-stündigen Veranstaltung eine Präsentation und gemeinsame Diskussion der qualitativen Modelle. Letztlich fließt auch noch das Lesen und das Feedback zu den abzugebenden Essays in das Zeitbudget seitens der Lehrenden ein. Der Aufwand für die gesamte Durchführung der Lehrveranstaltung (ohne Planung) umfasst ca. 50 h.

 

Für die Studierenden wurde der Aufwand mit 6 ECTS berechnet.

 

Untenstehend zur Ergänzung noch der Kurskalender:

 

Montag 21.12.2020, 14:00-16:00 Introduction, invitation to the modeling environment and Hierarchy Theory

 

Weihnachtsferien

 

Montag 11.01.2021, 14:00-16:00 System thinking and Group formation

Dienstag 12.01.2021, 14:00-18:00 Group Formation and group pitches

Donnerstag 14.01.2021, 14:00-16:00 Working with DynaLearn I

 

Montag 18.01.2021, 14:00-16:00 Course input: Sustainability

Dienstag 19.01.2021, 14:00-18:00 Mediated modeling in groups

Donnerstag 21.01.2021, 14:00-16:00 Working with DynaLearn II

 

Montag 25.01.2021, 14:00-16:00 Group pitch presentations and discussion

Dienstag 26.01.2021, 14:00-18:00 Mediated modeling in groups

Donnerstag 28.01.2021, 14:00-16:00 Working with DynaLearn III

 

Semesterferien Österreich

 

Montag 08.02.2021, 14:00-16:00 Short check-in then Support hours for group tasks

Dienstag 09.02.2021, 14:00-18:00 Short check-in then Support hours for group tasks

Donnerstag 11.02.2021, 14:00-16:00 Presentation of group work and discussion

Montag 15.02.2021, 14:00-16:00 Short check-in then Support hours for group tasks

Dienstag 16.02.2021, 14:00-18:00 Short check-in then Support hours for group tasks

 

Donnerstag 18.2.2021, 14:00-18:00, Final presentation date

Freitag 19.03.2021, 18:00 CET, Submission of Essay

Positionierung des Lehrangebots

Bachelor, im Rahmen des Liberal-Arts and Sciences Core Study Tracks “Natural and Societal Sustainability” des EPICUR (European Partnership for an Innovative Campus Unifying Regions) Projektes (https://epicur.education/our-alliance/activities/wp3/ und epicur.education/education/course-catalogue/)

Links zu der/den Projektmitarbeiter/innen
Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2021 nominiert.
Ars Docendi
2021
Kategorie: Kooperative Lehr- und Arbeitsformen
Ansprechperson
DI Dr. Andreas Zitek, MSc
Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Analytische Chemie / Abteilung E-Learning und Didaktik
+43 1 47654-31212
Nominierte Person(en)
DI Dr. Andreas Zitek, MSc
Universität für Bodenkultur Wien, Institut für Analytische Chemie / Abteilung E-Learning und Didaktik
Stefanie Klose, MSc
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Dr. Bert Bredeweg
Informatics Institute at the University of Amsterdam
Themenfelder
  • Didaktische Methode
Fachbereiche
  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik/Ingenieurwissenschaften