Ohne MINT geht es nicht! – Mathematisch-naturwissenschaftliche Grundlagen für alle

Nähere Beschreibung des Projekts

Frühere Erfahrungen haben gezeigt, dass die unterschiedlichen Startbedingungen unserer Studierenden sich durchaus auf deren Studienerfolg auswirken können. Da Chancengleichheit für unsere Hochschule (Management Center Innsbruck, MCI), aber auch für uns persönlich von essentieller Bedeutung ist, wollten wir Schritte setzen, um mögliche Ungleichgewichte in der Vorbildung zu minimieren oder idealerweise aufzuheben. Zu diesem Zweck wurde der „Mathematisch-naturwissenschaftliche Grundkurs“ (MatNatGru) ins Leben gerufen. Als Kollektiv von drei jungen, motivierten Lehrenden, wollten wir die Gelegenheit nutzen und nicht nur eine weitere „klassische“ Frontalvorlesung kreieren, sondern ein möglichst innovatives, gesamtheitliches Lehrkonzept, welches auch moderne und multimediale Zugänge nutzt, etablieren. Herausgekommen ist der vorliegende (bisher mit großem Erfolg abgehaltene) Grundkurs. Dieser findet seit Wintersemester 2017 statt und wird von den Erstsemestrigen gerne und zahlreich angenommen.

Der angestrebte Ausgleich des Vorwissens im MINT-Bereich erleichtert nicht nur den Erststemestrigen den Studienbeginn, sondern hilft auch den Lehrenden in den kommenden Vorlesungen, da diese auf ein fundiertes Ausgangswissen zurückgreifen können. Dies spiegelt sich in positiven Rückmeldungen von Studierenden und Lehrenden wider und bestärkt uns, mit der Erfolgsgeschichte „MatNatGru“ weiterzumachen. Der Kurs, welcher aus drei Teilen im blended-learning-Format besteht, wird nun im Detail vorgestellt.

Der Mathematik-Teil verknüpft Präsenzphasen mit asynchronen Online-Phasen. Die Taktung ist dem Physikteil gleich, sodass die Studierenden immer einen Tag Pause haben, um die Inhalte aufzuarbeiten.

Die Inhalte des Kurses decken im Wesentlichen die wichtigsten Bereiche der notwendigen Mathematik ab und setzen, das war eine besonders wichtige Zielsetzung, kein Vorwissen voraus. Es werden Anfangs aus einfachen Rechenoperationen (Addieren, Subtrahieren) komplexere hergeleitet und dann diskutiert. So werden die Operationen des Multiplizierens und Dividierens, Potenzierens, Radizierens und Logarithmierens möglichst natürlich als logische Fortsetzungen der genannten einfacheren Operationen etabliert. Differenziation und Integration werden mit dem geringsten notwendigen formalistischen Ballast, aber immer unter Berücksichtigung der Richtigkeit, eingeführt. Ein weiterer wichtiger Teil ist die Vorstellung verschiedener relevanter Funktionen. Die genauen Inhalte können im hochgeladenen Skript zum Kurs nachgeschlagen werden. Ein Kapitel „Mathematik für Genießerinnen und Genießer“ im Appendix geht über das notwendige Maß hinaus und ist für Begeisterte vorgesehen.

Strukturell ist der Kurs aus vier Teilen zusammengesetzt, erstens den Präsenzphasen, zweitens dem Skript, drittens den Lehrvideos und viertens aus just-in-time-teaching. Die Präsenzphasen sind dabei nicht als reiner Frontalunterricht konzipiert, sondern beinhalten das gemeinsame Erarbeiten und auch das Lösen von (ausgesuchten) mathematischen Problemen. Das Skript ist um viele mathematische Übungsaufgaben ergänzt und so ausgelegt, dass es die Studierenden auch während des Studiums begleiten kann, weil es zwar mit den anderen Angeboten verknüpft ist (Hyperlink auf Videos) aber auch alleine und ohne weitere unterstützende Maßnahmen möglichst funktional bleibt. Die Lehrvideos wurden zu verschiedenen Themen aufgenommen und sollen eine prägnante Zusammenfassung (circa 5-8 min) eines Themas darstellen, mit welchen sich Studierende bereits bekannte Inhalte schnell wieder in Erinnerung rufen können und die mit Hilfe der visuellen Unterstützung ein leichteres Begreifen der sonst oft sehr formalen Vorgehensweise der Mathematik bieten. Der Zugang zu den Videos bleibt den Studierenden auch über den Kurs hinaus gewährt, sodass sie auch im Fortgang des Studiums wieder als kurze Auffrischung benutzt werden können. Schließlich existiert eine just-in-time-teaching-Komponente des Kurses, bei welcher Studierende bis kurz vor Beginn eines festgelegten Zeitpunktes auf der Plattform SAKAI Fragen zu den aktuellen Kapiteln stellen können. Diese Fragen werden dann vom Lehrenden gelesen, gebündelt und in möglichst geraffter Form bei der folgenden Präsenzphase beantwortet.

Eine wichtige, eventuell die wichtigste Komponente, neben der möglichst breiten Ausnutzung verschiedener Wege, um die Studierenden auf vielen Kanälen zu erreichen und damit eine sehr individuelle Befassung mit dem Thema zu ermöglichen, ist, den Studierenden von Anfang an den logischen und stringenten Aufbau der Mathematik zu zeigen und damit ihre oft tief sitzende Angst vor der Mathematik als solches zu lösen. Dies gelingt durch formale Stringenz unter gleichzeitiger Reduktion von allen Abweichungen vom zentralen Pfad.

Der Chemie-Teil steht vor der Herausforderung, dass die Streuung des Vorwissens in dieser naturwissenschaftlichen Disziplin besonders groß ist, was spezielle Anforderungen an die Lehre stellt. Zum einen muss sichergestellt sein, dass man dem Kurs auch dann folgen kann, wenn man noch nie irgendetwas über Chemie gelernt oder gehört hat. Andererseits sollen damit auch jene bedient werden, die bereits ein oberflächliches Grundlagenwissen mitbringen. Dies lässt sich realisieren, indem man einerseits mit nur zwei Grundannahmen in den Kurs startet (die Materie besteht aus kleinen Kügelchen und entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an). Andererseits kommt man sehr zügig zu den asynchronen elektronischen Inhalten, die alle Studierenden in ihrer individuellen Geschwindigkeit durcharbeiten können. Somit findet jede und jeder sehr schnell ihre oder seine Herausforderung.

Die Exaktheit der Naturwissenschaften, aber auch der akademische Anspruch, macht es notwendig, die Inhalte mit einer sehr großen Genauigkeit zu transportieren. Auch wenn das an dieser Stelle den Lernenden noch nicht klar ist, hat dieser Punkt eine große Bedeutung, da im gesamten Curriculum immer wieder auf diese Grundlagen zurückgegriffen wird.

Eine spezielle Herausforderung der Chemie ist, dass man immer nur ihre Auswirkungen, aber nie das tatsächliche Geschehen beobachten kann. Aufgrund der Kleinheit der Moleküle bleiben die wahren Vorgänge immer im Verborgenen und es ist von immenser Wichtigkeit, an dieser Stelle mit vielen Vergleichen und Analogien zu arbeiten.

Inhaltlich wird der Aufbau der Atome und deren Einteilung im Periodensystem behandelt. Daraus entwickeln sich die Idee der chemischen Bindungen und die daraus entstehenden Verbindungen. Vor allem den Salzen und den durch kovalente Bindung entstehenden Molekülen wird besondere Aufmerksamkeit geschenkt. In Präsentationen, die in individueller Geschwindigkeit durchgearbeitet werden können, werden intensive Übungsmöglichkeiten zur Verfügung gestellt, um Verbindungen gedanklich zu erstellen und exakt darzustellen. Sobald auf diese Weise ein Verständnis für die Stoffe entstanden ist, kann man individuelle Eigenschaften der Substanzen selbständig ableiten, was als wesentliches Ziel der Chemie gesehen wird.

Der Physik-Teil des mathematisch-naturwissenschaftlichen Grundkurses ist als integriertes Lernformat entwickelt worden und verknüpft Präsenzphasen mit asynchronen Online-Phasen. Für die Taktung wurde dabei 2/3 Präsenzzeit und 1/3 E-Learning-Zeit gewählt. Zwischen zwei Vorlesungseinheiten liegt mindestens ein Tag Pause, damit die Studierenden die in den Präsenzeinheiten gehörten Inhalte mit den verschiedenen zur Verfügung stehenden E-Learning Elementen nachbearbeiten und vertiefen, sowie sich auf die kommende Vorlesung vorbereiten können. Die asynchronen elektronischen Einheiten werden mit Hilfe des Lernmanagement-Systems SAKAI bereitgestellt. Zur weiteren Veranschaulichung von komplexeren Sachverhalten wird auf die Open Educational Resource „PhET Interactive Simulations“ der University of Colorado Boulder zurückgegriffen. Diese stellt freizugängliche interaktive Simulationen aus dem MINT-Bereich zur Verfügung, welche nicht nur in der Präsenzphase zur Veranschaulichung genützt werden, sondern auch von den Studierenden in den asynchronen Phasen.

Inhaltlich befasst sich der physikalische Teil des Grundkurses mit elementaren Gebieten der Newtonschen Mechanik sowie der Optik und Elektrizität. Dabei werden hauptsächlich physikalische Grundbegriffe anschaulich erklärt und demonstriert. Auf den Einsatz von mathematisch schwierigen Herleitungen und komplizierten Formeln wird bewusst verzichtet. Die Inhalte werden vielmehr durch Beispiele aus dem Alltag und der Technik erläutert und in einer allgemein verständlichen Sprache beschrieben. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in einem ersten Bekanntmachen der Studierenden mit der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise. Kritisches Denken, das Hinterfragen von scheinbaren Gegebenheiten sowie das Konzept von Modellen zur einfacheren Beschreibung von komplexen Problemstellungen soll ihnen als fundamentales Werkzeug für den weiteren naturwissenschaftlichen Werdegang mitgeben werden.

Der physikalische Teil setzt sich aus fünf Modulen zusammen. Jedes Modul befasst sich mit einem thematischen Schwerpunkt. Im Präsenzteil wird zunächst ein Überblick zu dem jeweiligen Inhalt gegeben und die wesentlichen Aspekte den Studierenden näher gebracht. Ein tieferer Einblick in die Thematik wird durch ein zentrales Demonstrationsexperiment gegeben. Dabei können die Studierenden den Ausgang des Versuchs vorab diskutieren. Nach erfolgtem Experiment werden die Ergebnisse gemeinsam analysiert und mögliche Zusammenhänge, Einflüsse und dergleichen erarbeitet. Durch die Verknüpfung der vorher besprochenen Grundlagen mit dem erlebten Experiment und den selbst erarbeiteten Erkenntnissen daraus soll den Studierenden naturwissenschaftliches Arbeiten nähergebracht und ein besseren Verstehen der Inhalte ermöglicht werden. Ergänzend zu den Präsenzveranstaltungen stehen den Kursteilnehmerinnen und –teilnehmern verschiedene E-Learning Werkzeuge zur Verfügung. Auch diese sind in fünf Module zusammengefasst und inhaltlich passend zum jeweiligen Präsenzmodul. Jedes Onlinemodul besteht aus einer kurzen Zusammenfassung des jeweiligen Themas, einer Leseaufgabe aus dem speziell für diesen Kurs entwickelten Skript sowie Musterbeispielen. In diesen werden einfache Aufgaben detailliert erklärt und gelöst. Um das erarbeitete Wissen zu festigen und mögliche Unklarheiten aufzuzeigen, können die Studierenden weitere Übungsbeispiele selbst erarbeiten und die Lösung entsprechend online abfragen. Abgerundet wird die jeweilige E-Learning Einheit durch ein Quiz. Die Studierenden erhalten nach abgeschlossenem Quiz sofort ein Feedback zu den Antworten. Zusätzlich werden die Fragen in der darauffolgenden Präsenzeinheit besprochen und bei gegebenenfalls vorhandenen Verständnisschwierigkeiten das Thema nochmals wiederholt. Online- und Präsenzmodule greifen inhaltlich ineinander und sollen so den Studierenden die physikalischen Grundlagen, welche sie für das weitere Studium benötigen, verständlich näherbringen.

Abschließend soll erwähnt werden, dass für alle Kursteile die Unterlagen aus der Vorlesung, die Online-Elemente sowie das Skript den Studierenden auch nach abgeschlossenen Grundkurs noch zur Verfügung stehen, um im Verlauf des weiteren Studiums zur eventuellen Auffrischung herangezogen werden zu können.

Bei der Entwicklung des Kurses wurde von vornherein auf eine starke Verzahnung der einzelnen Komponenten geachtet. So bereitet etwa die besonders starke Verknüpfung von Chemie, Mathematik und Physik, welche durch die enge Abstimmung und Zusammenarbeit der Lektoren auch gelebt wird, die Studierenden auf eine ganzheitliche Befassung mit naturwissenschaftlich-technischen Problemen vor. Diese Nutzung von Synergismen zeitigt sich auch auf der strukturellen Ebene, wenn etwa Präsenzphasen und E-Learning-Einheiten inhaltlich so abgestimmt sind, dass der Lernerfolg für die Studierenden möglichst groß wird.

Neben den bereits genannten Zielen, wie Angleichung des Niveaus, Erhöhung des Studienerfolges et cetera, wird mit dem Kurs auch die Angst vor Mathematik und der Naturwissenschaft genommen, was die Lebensqualität und Zukunftschancen der Studierenden steigert – denn ohne MINT geht es nicht.