Programmieren in der Physik

Umgesetzte Maßnahme

Ziele

Vermittlung von Programmierkenntnissen in Naturwissenschaft und Technik, wobei auch bei einer großen Anzahl von Teilnehmer/inne/n eine exzellente Betreuung, hohe Flexibilität in Bezug auf Vorkenntnisse, zeitliche Randbedingungen und Art der Prüfung gewährleistet sein sollen. Entwicklung von Inhalten und einer Lernplattform, welche die Realisierung dieser Ziele optimal ermöglicht. Kontinuierliche Weiterentwicklung und Umsetzung von Anregungen durch Studierende.

Beschreibung

Die Lehrveranstaltung (LV) „Programmieren in der Physik: MATLAB“ hat primär den Zweck Programmierkenntnisse in der Programmiersprache MATLAB den Studierenden des Bachelorstudiums „Physik“ zu vermitteln und damit die Basis für Computeranwendungen im weiteren Studium zu schaffen. Das Angebot wird aber auch von einer Vielzahl von Studierenden anderer Fachrichtungen als Wahlfach absolviert. Da nachhaltiges Lernen nur durch eigenes Arbeiten an Problemen möglich ist, liegt der Schwerpunkt bei praktischen Übungen. Dafür wurde in mehrjähriger Entwicklungsarbeit unter starker Einbindung von Studierenden eine eigene Lehr- und Lernsoftware namens MatlabTutor entwickelt, die den unterschiedlichsten Bedürfnissen von Studierenden entgegen kommt. Kernstück dabei ist die Möglichkeit, jederzeit detailgenaues automatisiertes Feedback zu eigenen Lösungen zu erhalten. Durch die Umsetzung innovativer Didaktik auch in der Lernsoftware kann die LV mit starker Studierendenzentrierung angeboten werden, was die Nachhaltigkeit weiter verbessert. Unterschiedliche Abschlussmöglichkeiten erweitern einerseits das Angebot und ermöglichen den Studierenden Inhalt und Ablauf in einem gewissen Maß an ihre Bedürfnisse anzupassen.

Herausforderung, Konzept und spezifische Lernplattform
Eine große Herausforderung für die Lehre speziell in diesem Fach ergibt sich aus der starken Heterogenität in den Vorkenntnissen der Studierenden. Das vorherige Wissen reicht dabei von nicht vorhandenen Programmierkenntnissen bis hin zur Arbeitserfahrung in mehreren Programmiersprachen. Verstärkt wird dies durch die Tatsache, dass die LV eine Pflichtveranstaltung im zweiten Semester des Physikstudiums ist (ca. 110 Personen), aber auch von Studierenden vieler anderer Studienrichtungen besucht wird (ca. 50 Personen). Um Über- bzw. Unterforderung zu vermeiden, wird daher sowohl in der Vorlesung, in den jederzeit verfügbaren Unterlagen und in der Lernsoftware ein breites Spektrum an Möglichkeiten geboten, die man nutzen kann, aber nicht unbedingt muss. In diesem Kontext gibt es (i) freiwillige Einführungsbeispiele, die schwächere oder noch unerfahrene Studierende an die Aufgaben heranführen; (ii) verpflichtende Beispiele; (iii) weiterführende freiwillige Beispiele, die über den benötigten Stoff hinausführen; und (iv) zusammenfassende Beispiele, die mit Abgabegesprächen und persönlichem Feedback gekoppelt sind.

Ergänzt wird dies durch freiwillige Übungseinheiten, deren Inhalt den Grundstoff um Spezialgebiete erweitert. In der Lernsoftware sind die jeweiligen Kategorien klar ersichtlich. Darüber hinaus ist die Software so strukturiert, dass alle Unterlagen mit Erklärungen und programmspezifischer Hilfe, Seite an Seite mit dem Arbeitsbereich zur Erstellung der eigenen Programme angeordnet sind. Dieser bietet darüber hinaus alle wesentlichen Features moderner Entwicklungsumgebungen. Die innovative Didaktik mit der Vielzahl an Angeboten fördert selbstorganisiertes und selbstbestimmtes Lernen, welches durch eine Vorlesung ergänzt wird, die detailgenau auf den praktischen Teil mit Vor- und Nachbesprechungen abgestimmt ist und die natürlich auch den theoretischen Überbau liefert. Zur Selbstüberprüfung stehen zu jeder Übungseinheit Tests zur Verfügung. Dabei kann man selbst erkennen, ob man die wesentlichen Schritte verstanden hat und diese vernünftig anwenden kann.

Inhaltlich werden Verbindungen zum Stoff anderer Lehrveranstaltungen hergestellt und an dortige Ergebnisse angeknüpft. Interdisziplinarität ergibt sich auch aus der Tatsache, dass Studierende aus unterschiedlichen Fachrichtungen und mit unterschiedlichem Studienfortschritt an der LV teilnehmen. Dadurch ergeben sich interessante Diskussionen, bei denen sich Sichtweisen der Naturwissenschaften mit jenen von Ingenieurfächern treffen.

Die Lerngeschwindigkeiten und die teilweise auch berufsbedingten zeitlichen Rahmenbedingungen der Studierenden sind ebenfalls sehr unterschiedlich. Daher ist Studierendenzentrierung hier unbedingt notwendig. Grundsätzlich werden die Übungen in Präsenzphasen abgewickelt, die ausschließlich für die eigene Arbeit zur Verfügung stehen. Zur Unterstützung und für Fragen und Diskussionen stehen pro Gruppe mit 20 Studierenden jeweils drei BetreuerInnen zur Verfügung. Es wird dabei auf eine möglichst stressfreie Lernumgebung ohne permanente Prüfungssituation geachtet. Fehler sind erlaubt, ermöglichen Diskussionen und führen niemals zu sofortigen Punkteabzügen oder zu einer Verschlechterung von Noten. Es herrscht zwar Anwesenheitspflicht, Studierende können aber problemlos via Webservice ihre Präsenzzeiten verschieben oder im Bedarfsfall ausweiten bzw. verkürzen. Da in der Regel die Übungseinheiten nicht ausreichen, um alle Aufgaben fertigzustellen, ist die Lernsoftware so konzipiert, dass sie auch von zu Hause aus alle Möglichkeiten bietet und jederzeit alle Daten synchron zur Verfügung stehen. Alles was Studierende dafür brauchen ist ein Web-Browser und Zugang zum Internet. Die benötigten Programmlizenzen werden dabei zentral über unsere Server bereitgestellt.

Für die studentische Arbeit außerhalb der Präsenzphasen hat die schon in der Einleitung zitierte Testumgebung mit automatisiertem Feedback, welche auf Knopfdruck detaillierte Informationen über die formale Richtigkeit der Lösung bietet, große Bedeutung. Einerseits ermöglicht sie den Studierenden ein Selbststudium, das sie jederzeit entsprechend ihrem Zeithaushalt durchführen können, und andererseits werden große Ressourcen für die Betreuung frei, da abgegebene Lösungen nicht mehr auf ihre formale Richtigkeit überprüft werden müssen. Dieser Zeitgewinn wird für längere Betreuungsphasen und für persönliches Feedback genützt, kommt also direkt wieder den Studierenden zugute.

Möglichkeiten zum Abschluss
Die Heterogenität der Studierenden hat natürlich auch Auswirkungen auf den Abschluss der Lehrveranstaltung. Eine der Möglichkeiten ist die Teilnahme an einer Abschlussklausur, wo auf der gewohnten Lernplattform im Rahmen eines Halbtages die Kompetenz zur eigenständigen Lösung von Problemen überprüft wird. Diese wird abgeschlossen mit einem persönlichen Gespräch. Ist das Ergebnis negativ, gibt es eine Reihe von Zusatzaufgaben, die ohne Prüfungsstress daheim erarbeitet werden. Hier folgt dann ein ausführliches Gespräch, wobei sichergestellt wird, dass die Aufgaben selbst (wenn auch vielleicht mit Hilfe anderer) durchgeführt und verstanden wurden. Diese Möglichkeit steht natürlich auch bei positiven Noten für eine eventuelle Verbesserung zur Verfügung. Die zweite Möglichkeit besteht in der Durchführung einer selbstgewählten Projektarbeit. Auch diese soll klar die erworbene Kompetenz zeigen. Erwünscht ist hier durchaus Synergie mit anderen Lehrveranstaltungen, mit Anforderungen in anderen Studien oder mit Aufgaben in Ferialjobs und anderen externen Institutionen, wodurch Forschungsergebnisse in den Lehrbetrieb einfließen. Als dritte Möglichkeit wird die Chance geboten, weiterführende Konzepte (z.B. Objektorientierte Programmierung) in anspruchsvollen Beispielen kennenzulernen und diese selbständig zu lösen. Die beiden letztgenannten Möglichkeiten erweitern also den Stoffumfang, sind aber auch eine Möglichkeit durch höheres Engagement der Studierenden die LV noch vor den sonst prüfungsintensiven Wochen am Ende des Semesters abzuschließen. Daher werden diese Möglichkeiten von vielen Studierenden gerne angenommen und stoßen auf sehr positive Resonanz.

Mitarbeit von Studierenden und Nachhaltigkeit
Die Software MatlabTutor wurde zur Gänze in Kooperation mit Studierenden der TU Graz entwickelt. Über die LV hinaus ergibt dies eine Kompetenzerweiterung auf studentischer Seite für die Erstellung komplexer Software. Dies ist für ihre beruflichen Aussichten durchaus von Interesse. Die Nachhaltigkeit der LV zeigt sich auch in der Tatsache, dass viele Studierende die erworbenen Programmierkenntnisse im beruflichen Umfeld (Ferialarbeit, Praktika und Projekte mit Firmen) und in ihrer Bachelor- bzw. Masterarbeit verwenden und dann auch wieder Feedback für die LV liefern. Studentische MitarbeiterInnen werden auch intensiv zur Betreuung der TeilnehmerInnen eingesetzt. Auch dies führt natürlich zu einer deutlichen Kompetenzerweiterung dieser Personen, da sie dadurch den Lehrbetrieb auch von einer anderen Seite kennenlernen. Dankenswerter Weise stellen die TU Graz und in der Folge Dekan und Studiendekan die Mittel dafür in ausreichendem Maße zur Verfügung.

Die Lehrveranstaltung wurde im Rahmen von Diskussionen mit Studierenden stetig weiterentwickelt und an deren Bedürfnisse angepasst. Ausführliche Evaluierungen haben immens geholfen, Schwachstellen in der Lernplattform zu beseitigen und das Angebot an Beispielen zu verbessern und zu erweitern. Studierende waren und sind natürlich auch eingeladen, eigene Vorschläge für Beispiele und deren Lösungen einzubringen.

Resümee
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine Reihe von didaktischen und organisatorischen Maßnahmen im Rahmen der Abhaltung und der Prüfungen, die Entwicklungen einer innovativen Lernplattform und nicht zuletzt auch das Engagement von Betreuern und Studierenden zum Erfolg der LV beigetragen hat, die sich auch in den Evaluierungen und im persönlichen Feedback widerspiegelt. Trotz der hohen Anforderungen und der Arbeitsbelastung ist die Stimmung in den Präsenzphasen sehr angenehm und es macht Freude in einem solchen Umfeld zu unterrichten und die Fortschritte beim Erarbeiten des Stoffes mitzuerleben.

Mehrwert

Erhöhter Lerneffekt bei den TeilnehmerInnen. Erhöhung der Flexibilität bei Übungsterminen und bei der Art der Prüfungen. Administrative Vereinfachungen (automatisches Feedback, Messaging, Erleichterung bei der Kontrolle der Übungsabgaben, ...) haben massiv Ressourcen der Lehrenden bzw. Studienassistenten/-assistentinnen freigemacht, die für die Betreuung zur Verfügung stehen.

Profitierende

  • Studierende
  • Lehrende

Aufwand

Mehrjährige Entwicklung der Konzepte und der speziellen Lernsoftware am Institut; Einsatz von Studienassistenten/-assistentinnen.


Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2015 nominiert.