Universität Wien
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Einführungsvorlesung „Experimentalphysik II: Optik, Elektromagnetismus und Relativität“ und deren Umstellung auf Distance Learning.

Ziele/Motive/Ausgangslage

Aufgrund der COVID-19-Entwicklung Anfang März 2020 wurde die Vorlesung Experimentalphysik II an der Universität Wien innerhalb weniger Tage von einer Präsenzveranstaltung in eine digitale Distance Learning Lehrveranstaltung überführt. Die Ausgangslage und Herausforderungen waren:

- Die Vorlesung Experimentalphysik II ist eine Einführungsvorlesung des Bachelorstudiums Physik, des Bachelorstudiums Astronomie und für das Lehramt Physik und hat damit einhergehend eine hohe Teilnehmendenzahl von über 500 Studierenden.

- Die Infrastruktur der Universität Wien war zum Zeitpunkt der Vorlesungsplanung noch nicht auf komplett digitale Lehre von Großlehrveranstaltungen ausgerichtet.

 

Unsere Ziele waren:

 

(I) mit Hilfe digitaler Medien und erstellter 3D Animationen den Unterricht interaktiver, flexibler und anschaulicher zu gestalten,

(II) den Studierenden individuell die Zeit für das Verstehen des Stoffes zu bieten, um auf die Heterogenität der Studierenden einzugehen,

(III) innerhalb von kürzester Zeit eine Interaktionsplattform für Video und Chat zu realisieren, die für mehr als 500 Studierende stabil funktioniert,

(IV) Vorlesungsunterlagen bereitzustellen, die nicht ein starres gedrucktes Werk sind, sondern eine audio-visuelle Entdeckungsreise in die Welt der Physik ermöglichen,

(V) mit Distance Learning und digitalen Methoden exzellente Rahmenbedingungen zu bieten, um den Vorlesungsstoff einerseits bestmöglich verstehen und begreifen und andererseits mit den Vortragenden in Interaktion treten zu können,

(VI) stark auf Anwendungen und aktuelle Forschungsthemen in den jeweiligen Gebieten einzugehen, um die Kompetenzentwicklung der Studierenden zu unterstützen,

(VII) mit Hilfe eines Flipped-Classroom-Konzepts die Interaktion von Studierenden und Lehrenden zu erhöhen und mehr Möglichkeit zur Anwendung von Gelerntem zu bieten,

(VIII) moderne Methoden der Computerphysik zu nutzen, um ein grundlegendes Verständnis zu ermöglichen und den Studierenden Know-how für die praktische Lösung von Probleme zu vermitteln,

(IX) Berechnungstools zu verwenden, um den Stoff mit Hilfe numerischer und analytischer Methoden weit besser in der Tiefe zu verstehen,

(X) Risikopersonen, die aus gesundheitlichen Gründen in naher Zukunft nicht an die Universität in eine Vorlesung kommen können, zu schützen und durch die geringere Zahl an Studierenden im Hörsaal einen Beitrag für die Verbesserung der epidemiologischen Lage zu leisten.

Kurzzusammenfassung des Projekts in deutscher Sprache

Ein Ziel des Projektes war, innerhalb weniger Tage eine stabile Videostream und Interaktionsplattform für mehr als 500 Studierende technisch zu realisieren, da die Infrastruktur der Universität Wien zu diesem Zeitpunkt noch nicht auf komplett digitale Lehre von Großlehrveranstaltungen ausgerichtet war. Die Lösung wurde gemeinsam mit den Studierenden erarbeitet. Diese basierte auf frei zugänglichen Gamer-Plattformen (Twitch und Discord). So gelang es uns, für unser Flipped-Classroom-Konzept ein stark interaktives Diskussionsforum zur Verfügung zu stellen. Da in Discord Fragen anonym gestellt werden können, sank die Hemmung der Studierenden Fragen zu stellen. Interaktionen in Discord waren sogar zahlreicher als in der Präsenzlehre. Der Lerninhalt wurde vor jedem Diskussionsforum über Moodle bereitgestellt. Die digitale Präsentation beinhaltet Hyperlinks und in der gedruckten Form QR Codes zu numerischen/analytischen Berechnungen, zu Animationen (3D Animationen wurden selbst erstellt) und zu den relevanten Stellen der Lehrvideos, die ab heuer auf einem YouTube Kanal hochgeladen sind. Die Studierenden werden somit vorab durch den Stoff geführt und können in ihrem eigenen Tempo den Lerninhalt erarbeiten.

Der Lehrinhalt wurde um moderne numerische Methoden ergänzt um einerseits ein tiefes Verständnis für die erarbeiteten Gleichungen zu bekommen (z.B. die Lösung der Laplace-Gleichung mit LibreOffice) und andererseits Werkzeuge zu erlangen, um Probleme der Praxis lösen zu können.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

One goal of the project was to technically implement a stable video streaming and interaction platform for more than 500 students within a few days, since the infrastructure of the University of Vienna was not equipped for completely digital teaching of large-scale courses at that time. The solution was developed together with the students. It was based on freely accessible gamer platforms (Twitch and Discord). This allowed us to provide a highly interactive discussion forum for our flipped classroom concept. Since questions can be asked anonymously in Discord, students' inhibition to ask questions decreased. Interactions in Discord were even more numerous than in face-to-face teaching. The learning content was provided as via Moodle prior to each discussion forum. The digital presentation includes hyperlinks and in the printed form QR codes to numerical/analytical calculations, to animations (3D animation were 3D animations were created by ourselves) and to the relevant parts of the teaching videos which, are uploaded to a YouTube channel, since 2021. Students are guided through the material in advance and can work through the learning content at their own pace.

The course content has been supplemented with modern numerical methods in order to gain a deep understanding of the content (e.g. solving Laplace's equation with LibreOffice and Excel) on the one hand and to acquire tools to solve practical problems on the other hand.

Nähere Beschreibung des Projekts

Bei der Umstellung der Einführungsvorlesung Experimentalphysik II auf Distance Learning konnten wir auf die Erfahrungen der letzten Jahre aufbauen, in denen die Vorlesung bereits mithilfe vieler digitaler Methoden realisiert wurde. Um die Bidirektionalität im Rahmen des Distance Learnings weiter zu stärken , wurde ein Flipped-Classroom Konzept erarbeitet. Im Vorfeld wurden Lehrvideos und die Präsentation über Moodle bereitgestellt. Diese Unterlagen können in unterschiedlichster Form und gemäß den Vorlieben der einzelnen Studierenden vor der eigentlichen Vorlesung bearbeitet werden. In der Vorlesung, ab jetzt Diskussionsforum genannt, wird in starker Interaktion mit den Studierenden ein tiefes Verständnis für die Themen aus der Selbstlernphase erarbeitet.

 

LEHRUNTERLAGEN-PRÄSENTATION: Das Herzstück der Lehrunterlagen ist eine interaktive Präsentation, die Studierende durch den gesamten Stoff führt. Der Vorteil einer Präsentation gegenüber eines DIN-A4 Skripts ist, dass das Format einer Präsentation für die Betrachtung an einem Bildschirm optimiert ist. Die Präsentation beinhaltet Hyperlinks zu numerischen und analytischen Berechnungen, zu Animationen, Inputdaten und zu den passenden Stellen eines Lehrvideos (Beispiele sind unter dem Link „Ausgewählte Beispiele“ zu finden). Somit kann jede und jeder Studierende gemäß ihres/ seines Lerntempos und Vorwissens zusätzliche Information einholen.

Für die symbolischen Berechnungen führen die Hyperlinks zu den jeweiligen Rechnungen des mathematisch-naturwissenschaftlichen Programmpaketes Wolfram-Alpha. Die Studierenden können sich die Rechenschritte entsprechend ihrem Vorwissen einblenden lassen. Somit können sie diese technischen Rechnungen in ihrem individuellen Lerntempo erarbeiten und diese Rechnungen stören nicht den Fluss, um die Essenz der zugrundeliegenden physikalischen Effekte zu verstehen.

Neben diesen analytischen Berechnungen setzen wir stark auf numerische Methoden, um einerseits ein tiefes Verständnis dieser Gleichungen zu erlangen und andererseits praktisch relevante Beispiele lösen zu können, die meist nicht analytisch behandelt werden können, aber für das spätere Berufsleben benötigt werden. Interessanterweise verwendet kein uns bekanntes klassisches Lehrbuch der Experimentalphysik numerische Methoden, die seit der Erfindung des Computers weit verbreitet sind.

Wir verwenden das Standard-Tabellenkalkulationsprograme (z.B. Excel), um partielle Differenzialgleichungen zu lösen. Diese Differenzialgleichungen sind für viele Studierenden im zweiten Semester herausfordernd. Durch das Durcharbeiten der Gleichungen in Excel, bei denen wir z.B. die Temperaturverteilung oder das elektrische Potential innerhalb eines Körpers berechnen, konnte einerseits ein tiefes Verständnis für diese Gleichungen entwickelt werden, andererseits bieten diese numerischen Methoden aber auch den Studierenden die Möglichkeit, Probleme auf komplexeren und beliebigen Geometrien - die in der Praxis vorkommen - zu lösen.

Ein zentrales Element einer Elektromagnetismus-Vorlesung ist natürlich das Verständnis für elektronische Schaltungen. Während der COVID-19-Pandemie war der Zugang zu Laboren nicht möglich. Es stehen aber sehr gute digitale Simulationsprogramme zur Verfügung, wie z.B. das frei zugängliche Programm LTSpice, um elektronische Schaltungen am Computer aufzubauen. Die Studierenden können sich diese Freeware auf ihre Computer herunterladen und per Knopfdruck löst der Computer die Schaltungen auf und die Ströme und Spannungen, die in diesen Schaltungen erzeugt werden können beobachtet werden.

Studierende, die die Papierversion bevorzugen, wurden dahingehend unterstützt, dass jeder Hyperlink in einen QR-Code umgewandelt wurde und neben dem Link in der Präsentation zu sehen ist. Dieser führt, einmal mit dem Handy eingescannt, zur richtigen digitalen Ressource.

Die Lehrinhalte wurden gemäß dem Bologna-Prozess erstellt.Die Kompetenzentwicklung und Verzahnung von Theorie und Praxis wurde gestärkt, da die Lehrenden Industrieprojekte die in Zusammenhang mit dem Vorlesungsstoff stehen durchführen und somit praxisnahe Problemstellungen nahtlos eingebracht werden konnten.

 

LEHRUNTERLAGEN-LEHRVIDEO: Für die Gestaltung der Lehrvideos wurde die Möglichkeit von digitalen Präsentationen genutzt, um physikalische Sachverhalte sowohl durch aufwendige Grafiken als auch anhand von Animationen anschaulich zu vermitteln (siehe Link). Die 3D Animationen wurden vom Lehrveranstaltungsleiter mit dem Programm Blender realisiert. Diese Elemente wurden ergänzt durch klassische Herleitungen und Skizzen, die im Video mittels eines Tablets erstellt wurden. Die Idee hinter dieser Vorgehensweise ist die Kombination der Vorteile einer klassischen Vorlesung mit einer digitalen Präsentation. Während eine vorgefertigte digitale Präsentation die Möglichkeit bietet, aufwendige Inhalte vorab zu produzieren und so komplizierte Sachverhalte präzise und anschaulich darstellen zu können, kann diese Art der Darstellung die Zuhörer/innen aufgrund der hohen Informationsdichte auch überfordern. Eine klassische Tafelvorlesung bietet, dass das Tafelbild im Rahmen des Vortrags entwickelt wird und der visuelle Informationsfluss so optimal an den Vortrag angepasst werden kann. Die Verwendung eines digitalen Tablets anstelle einer klassischen Tafel bietet darüber hinaus die Möglichkeit, auf Vorlagen für Skizzen für immer wiederkehrende Elemente (zum Beispiel klassische oder Minkowski Koordinatensysteme) zurückgreifen zu können. Auf einem Tablet steht eine Vielzahl von Werkzeugen für die Visualisierung und Erklärungen zur Verfügung und Bewegungen der Objekte lassen sich einfach realisieren. Um den Studierenden diese Präsentation zur Verfügung zu stellen, wird sowohl ein Stream der Aufzeichnung als auch ein Link zum Tablet-Inhalt bereitgestellt. Der Videostream kann selbstverständlich - im Gegensatz zu einer klassischen Vorlesung - zu jedem Zeitpunkt gestoppt werden. Schwierige Passagen können wiederholt betrachtet werden, bis der Sachverhalt verstanden wird. Um Studierende, die das Lehrvideo betrachten, von einer passiven zu einer aktiven Rolle zu bewegen, werden im Lehrvideo Quizfragen gestellt. Diese Quizfragen werden dann später im Diskussionsforum mittels Online-Abstimmung von den Studierenden beantwortet und bieten den Start von Diskussionen.

 

DISKUSSIONSFORUM: Das Diskussionsforum hat zum Ziel, den von den Studierenden aktiv erarbeiteten Stoff in Diskussionen zu vertiefen, weitreichende Fragen zu beantworten und generell, den Kontakt sowohl der Studierenden untereinander als auch mit den Lehrenden in der Distance Learning Zeit aufrecht zu erhalten. Als praktische Herausforderung stellte sich die richtige Wahl der digitalen Plattformen für Streaming und Kommunikation dar, da die Infrastruktur für diese Art der Kommunikation an der Universität Wien im Frühjahr 2020 noch wenig entwickelt war. Besonders die hohe Anzahl der Studierenden führte in den vorhandenen Plattformen (Jitsi und BigBlueButton) zu Ausfällen. Nach diversen Tests mit Hörer/innen der Vorlesung musste unter großem Zeitdruck eine Lösung gefunden werden. Wir entschieden uns für die Chat-Plattform Discord, die in der Gamercommunity für ihre große Stabilität und ihre hohe Bandbreite beliebt ist und Möglichkeiten bietet, Fragen per Chat oder Audio zu stellen.

Ein weiteres technisches Problem war, eine stabile Videoverbindung für die Studierenden zu bieten. Gemeinsam mit den Studierenden haben wir nach einer Lösung gesucht. Hier hat sich eine Vielzahl der Studierenden aktiv via Chat eingebracht und ein WIR-Gefühl ist entstanden, um unsere Vorlesung erfolgreich in Distance Learning umzusetzen. Als äußerst stabiles Tool stellte sich die Online-Videostream Plattform Twitch heraus. Somit wurde die leistungsstarke Chatfunktionalität von Discord genutzt und die unidirektionale Videoübertragung von Twitch.

Obwohl die Studierenden natürlich auch immer in der Präsenzlehre der vergangenen Jahre eingeladen waren, Fragen zu stellen, zeigte sich in der Praxis, dass sich nur wenige Studierende zu einer Wortmeldung vor einem derart großen Publikum überwinden konnten. Im Gegensatz zur Präsenzvorlesung wurde die Fragestellung mithilfe eines anonymen Discord-Chats von den Studierenden klar präferiert. Eine Umfrage, die wir im Rahmen des Diskussionsforums durchführten, kam zu dem Ergebnis, dass 75% der Studierenden die Fragen bevorzugt anonym stellen.

Um die Diskussion im Diskussionsforum so interaktiv wie möglich zu gestalten, führte der Lehrveranstaltungsleiter auch Live-Versuche durch, bei denen Alltagsgegenstände mit begrenzten zusätzlichen Ressourcen verwendet wurden. Diese praktischen Experimente wurden von den Studierenden sehr geschätzt.

 

Nach unseren Erfahrungen hat der digitale Unterricht hervorragend funktioniert. Die Anzahl der Studierenden im Livestream ist während des gesamten Kurses konstant geblieben. Die Punktzahlen in der abschließenden Multiple-Choice-Prüfung (vor Ort) zum Kurs Experimentalphysik II zeigten den Erfolg des digitalen Unterrichts im Flipped-Classroom. Die Punkte waren um 28 % höher als in den Vorjahren.

 

Feedback der Studierenden:

„Besonders toll finde ich das Engagement des Professors und der Experimentatoren, sowohl im Normalbetrieb als auch jetzt in der Corona-Situation. Alleine den riesen Aufwand mit Twitch und Discord etc. sich zu machen finde ich bemerkenswert. Das gibt es in keiner anderen LV von allen die ich je besucht habe. Als Lehramtsstudent sind Sie für mich ein großes Vorbild!“

„Der Professor ging hervorragend auf die durch Corona bedingten Umstände ein und setzte Maßstäbe im Bezug auf digital learning“

„Der Home-learning Modus erschwert das Lernen ein bisschen, Prof. Süss hat sich aber wirklich alle Mühe gemacht uns Studenten dabei zu unterstützen. Vielen vielen Dank an ihn! Er ist sehr engagiert und motivierend und erklärt wirklich gut!“

„Sehr schnelle Anpassung an gegebene Umstände, besonders gut finde ich das Einbinden von Kurzvideos und Gifs in die Vorlesungsfolien, um erarbeiteten Stoff noch einmal gut zu veranschaulichen“

„Umstellung auf Home Learning hat Prof Süss sehr gut gemeistert“

„besonders gut: sehr interessant, abwechslungsreich durch Experimente und Quiz, gute Erklärungen“

„Wir lernen es auch durch praktische Beispiele.“

„Vortragender ist top! Sehr motiviert“

„Ich möchte mich bei Professor Sues ganz besonders dafür bedanken, dass er uns den Excel-Solver gezeigt hat. Dadurch bekam ich zum ersten Mal ein intuitives Verständnis für die Poisson-Gleichung. Aus meinem früheren Studium kam ich bereits damit in Kontakt, damals war diese Gleichung für mich noch etwas total Abstraktes und Schleierhaftes! Als ich dann zum ersten Mal den Excel-Solver in einer Elektrostatik Vorlesungseinheit in Aktion sah war ich überaus überrascht und glücklich. Ich habe schon ein wenig damit herumgespielt und werde das hoffentlich lange nicht mehr vergessen“

„Ich fand besonders gut wie mit dem elearning umgegangen wurde. In dieser Lehrveranstaltung war der Professor von Anfang an bemüht gemeinsam mit uns Studierenden das beste aus dieser neuen Situation heraus zu holen.“

„Ich fand es sehr gut, dass sie so viel Mühe in die Streams auf twitch investiert haben und durch das Beantworten der Fragen, Unklarheiten beseitigen konnten.“

„Ich finde die Vorlesung ist sehr gut strukturiert und vor allem die Polls finde ich sehr hilfreich um zu sehen ob ich alles verstanden habe.“

„Die Experimente des letzten Jahres finde ich sehr gut. Herr Professor Süss gibt sich viel Mühe, trotz der aktuellen Situation für etwaige Fragen zum Stoff erreichbar zu sein.“

„Ich finde es super, dass Prof. Süss es trotz der jetzigen Corona-Krise geschafft hat, so gut die Lerninhalte der LV zu präsentieren. Er ließ sich trotz der neuen Situation des Home-Learnings nicht aus der Fassung bringen und hat mit viel Struktur und Geduld den Stoff der VO an die Studierenden gebracht. Am besten fand ich, dass er auf Hinweise von Studierenden bezüglich Streaming- und Kommunikationsplattformen eingegangen ist und sich schlau gemacht hat, wie man diese verwendet. Ich finde die LV war trotz der Selbstisolation ein voller Erfolg und hoffe im späteren Studium wieder Dieter Süss als LV-Leiter zu haben.“

„Die interaktiven Quizze sind sehr gut, da sie die Studenten selbst mehr einbeziehen…“

„Gut strukturiert, es wird auf Fragen eingegangen, extrem gute und hilfreiche Unterlagen…“

„Besonders positiv möchte ich die Motivation des Lehrveranstaltungsleiter bei der Umstellung auf Home-Learning hervorheben...“

„(+) Eigene Discord Gruppe um Fragen zu stellen und diskutieren. (+) Twitch Stream um Themen der letzten VO nachzubesprechen. (+) Bzgl. den beiden obigen Punkten das sich Herr Assoz. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Dieter Süss von Anfang an dafür gesorgt hat mit uns in Kommunikation zu bleiben und durch mehrere Versuche die auch gescheitert sind nicht aufgegeben hat uns in der Covid-19 Krise zu unterstützen.“

Mehrwert

Die Mehrwerte für die Studierende sind:

-Flexibilität durch Lernen im eigenen Tempo und zur eigenen Zeit

-Ausgleich heterogener Wissensstände

-Lernen nach dem eigenen Bedarf

-individuelles Feedback durch Flipped-Classroom

-aktives Mitlernen durch zahlreiche Quizzes

Für die Lehrende besteht ein Mehrwert aufgrund des Flipped-Classroom-Konzepts, da das Lehrvideo geschnitten und im weiter optimiert werden kann. Passagen können im Nachhinein verbessert und angepasst werden. Inhalte, die im nächsten Jahr wieder benötigt werden, können wiederverwendet werden und Redundanzen bei jährlichen Vorlesungen können minimiert werden.

Da die Anzahl der Studierenden größer als das maximale Fassungsvermögen unserer größten Hörsäle ist, ermöglicht die digitale Lehre gleiche Lernbedingungen für alle Studierende.

Übertragbarkeit/Nachhaltigkeit

Die Konzepte und Methoden sind generell einsetzbar. Aufgrund des äußerst positiven Feedbacks der Studierenden und auch der verbesserten Leistung der Studierenden bei den Prüfungen werden wir das Flipped-Classroom Konzept beibehalten. Wir werden den Distance Learning Betrieb in den nächsten Jahren auf einen Hybridbetrieb umstellen, sodass das Diskussionsforum vor Ort stattfindet, aber weiterhin Discord und ein live Stream zur Verfügung stehen. In den nächsten Jahre planen wir einen You-Tube-Kanal mit den Lehrvideos zu erstellen.

Aufwand

Sowohl die technische Realisierung und Erstellung der audio-visuellen Übertragung als auch die Erstellung und das Schneiden der Lehrinhalte war äußerst zeitaufwendig. Da auf frei zugängliche Tools bei der technischen Realisierung der Streaming- und Chat-Plattformen gesetzt wurde, sind keine Kosten angefallen.

Positionierung des Lehrangebots

Die Lehrveranstaltung ist eine verpflichtende Einführungsvorlesung (2. Semester - keine STEOP), für Bachelor Physik, Lehramt Physik, Bachelor Astronomie. Die Lehrveranstaltung wird von Studierenden mit heterogenen Vorwissensständen besucht. Lehr-/Lernziele der Vorlesung sind spezielle Relativitätstheorie, Elektrostatik, elektrische Ströme, Magnetostatik, zeitabhängige elektromagnetische Felder, elektromagnetische Schwingungen und Wellen, geometrische und Wellenoptik.

Besonderer Augenmerk ist, dass die Studierenden eine Werkzeugkiste mit numerischen und symbolischer Mathematik mitbekommen um einerseits die Lehr-/Lernziele besser begreifen zu können und andererseits Werkzeuge für die spätere Berufspraxis zu bekommen.

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2021 nominiert.
Ars Docendi
2021
Kategorie: Methoden des Distance Learning und deren nachhaltiger Einsatz
Ansprechperson
Dieter Suess, assoc. Prof. Dr.
Fakultät für Physik
+436508333999
Nominierte Person(en)
Dieter Suess, assoc. Prof. Dr.
Fakultät für Physik
Thomas Waitz, ao. Univ.-Prof. Mag. Dr.
Fakultät für Physik
Themenfelder
  • Neue Medien
  • Didaktische Methode
  • Kommunikation/Plattform
Fachbereiche
  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik/Ingenieurwissenschaften