Bioinformatik für BiologInnen: Ein problemzentriertes und anwendungsorientiertes didaktisches Konzept

Umgesetzte Maßnahme

Ziele

Die Biowissenschaften haben sich in den letzten Jahrzehnten grundlegend gewandelt. Beobach-tungsbasierte Methoden wurden durch neuartige, molekulare Analysemethoden wie z.B. die DNS-Sequenzierung komplementiert. Die Auswertung der dadurch entstehenden großen Datenmengen ist nur mit Hilfe problemspezifischer Methoden aus Informatik, Mathematik und Statistik möglich. Die Bioinformatik befasst sich als fachgebietsübergreifende Disziplin mit deren Entwicklung und Implementierung.

Diese Entwicklung stellt in zunehmendem Maße neuartige Anforderungen an die Lehre in den biowissenschaftlichen Studiengängen, insbesondere der Biologie und Molekularbiologie. Waren bislang Mathematik und Informatik in diesen Curricula nur am Rande vertreten, wird von heutigen AbsolventInnen solides und anwendungsbereites Wissen über quantitative Methoden in der Biologie sowie deren bioinformatische Analyse erwartet. In der Lehre ist daher zwischen Anwendungskompetenz und Methodenentwicklungskompetenz zu unterscheiden. Während die Anwendung bioinformatischer Methoden einer möglichst großen Zahl von BiologInnen zugänglich gemacht werden muss, konzentrieren sich spezielle Studiengänge (z.B. Bioinformatik, Computational Sciences, Scientific Computing) auf die Methodenentwicklung.

Ein wesentliches Anliegen des 2010 gegründeten Departments für Computational Systems Biology unter meiner Leitung ist es daher, in beiden Bereichen (Methodenanwendung und Methodenentwicklung) attraktive, inhaltlich breite und moderne Lehrveranstaltungen zu entwickeln und anzubieten. Dafür wurde zunächst ein Katalog der wichtigsten Lernziele in der Bioinformatik für BiologInnen entwickelt, der insbesondere die Methodenzentrierung der Querschnittsdisziplin Bioinformatik berücksichtigt:

• Entwicklung komplexer Denkfähigkeiten (Analyse, Problemlösung, Integration von Informationen, Interpretation von Beobachtungen und mathematischen Ergebnissen, holistisches Denken)

• Entwicklung von Lernfähigkeiten (Textstudium, sprachliche und schriftliche wissenschaftliche Kommunikation, Lernen durch Diskussion)

• Entwicklung fachspezifischer Fähigkeiten (Molekulare Basis der Biologie, Konzepte und Theorien, Anwendung von Computermethoden, kritische Beurteilung von Methoden und Ergebnissen)

• Entwicklung akademischer Verhaltensprinzipien (Wertschätzung der Interdisziplinarität, Offenheit für Ideen und fachfremde Konzepte, Freude am Lernen)

• Vorbereitung auf den Beruf (Fähigkeit zu produktiver und effizienter Teamarbeit, Präzision und Ergebnisorientierung)

• Entwicklung persönlicher Fähigkeiten (Verantwortungsbewusstsein, Selbstvertrauen im Umgang mit neu erlerntem Wissen und Können, Selbständigkeit, Aufrichtigkeit, Respekt)

 

Zur Vermittlung dieser Lernziele wurden verschiedenartige, aufeinander abgestimmte Lehrveranstaltungen im Bachelor und in verschiedenen Masterprogrammen der Biologie entwickelt. Die hier beschriebenen Lehrveranstaltungen vermitteln, aufbauend auf einführenden Vorlesungen, Wissen und Anwendungsfähigkeiten zu Computer-Methoden in verschiedenen Bereichen der molekularen und Mikrobiologie sowie mikrobiellen Ökologie.

Aufgrund der hohen Forschungsrelevanz der Bioinformatik besteht die Motivation der TeilnehmerInnen oft im unspezifischen Wunsch, dieses Fachgebiet aus praktischer Perspektive kennenzulernen. Typisch sind jedoch sehr heterogene wissenschaftliche und technische Vorkenntnisse sowie Ausbildungsstufen (Masterstudierende, DissertantInnen, PostDocs). Der dafür entwickelte Ablauf der Seminare wird im Folgenden im Rahmen des didaktischen Konzepts dargelegt.

 

Positionierung und lehrbezogene Angaben zu den Seminaren:

• 300224 PP Genomanalyse von Prokaryoten. Bachelor Biologie B-BOE, B-BMB, B-BMG (6 SWS, 10 ECTS, Sommersemester seit 2012: Typisch sind 10-20 TeilnehmerInnen)

• 300058 SE Bioinformatik für Metagenomik und Metatranskriptomik, Master-Curricula MOE,MMB,MMI der Biologie (3 SWS, 5 ECTS, Wintersemester seit 12/13: Typisch sind 15-25 TeilnehmerInnen)

• 300313 SE Bioinformatik für Funktionelle Genomik und Next-Generation Sequencing, Master-Curricula Biologie Master-Curricula MOE,MMB,MMI der Biologie (3 SWS, 5 ECTS, Wintersemester seit 12/13. Typisch sind 15-25 TeilnehmerInnen)

Beschreibung

Interdisziplinäre Methoden werden nicht nur in der Lehre und Forschung der Biologie immer wichtiger. Die Bioinformatik ist ein typisches Beispiel dafür. Theoretisch und/oder demonstrativ geprägte Lehrveranstaltungen in der Bioinformatik führen zu Verständnisproblemen und Konflikten, weil stets einige Studierende von der Komplexität der fachlichen Probleme überfordert werden. Dies kann zwar durch Verringerung des Tempos gelöst werden, wodurch fortgeschrittene Studierende jedoch unterfordert sind. Neuartige Konzepte müssen einen hohen Grad an Selbstbestimmung und die individuelle Wahl des Schwierigkeitsgrades durch die Studierenden erlauben, ohne dabei die Lehrenden zu überfordern.

 

Das vorgelegte Lehrkonzept dient der Vermittlung bioinformatischer Kenntnisse und Fähigkeiten an Studierende der Biologie und anderer Biowissenschaften. Es nutzt den Lehrveranstaltungstyp des Seminars für ein neuartiges Konzept, in welchem theoretische und praktische Einheiten stark miteinander vernetzt sind und die praktische Arbeit von den Studierenden weitgehend selbst gestaltet wird. Die praktischen Übungen folgen hierbei nicht in der traditionellen Form von Demonstration und angeleiteter Anwendung, sondern basieren in neuartiger Weise auf selbst-bestimmter Methodenevaluierung und dadurch geleiteter selbstorganisierter Methodenanwendung.

 

Dieses Konzept wurde zwar für die Bioinformatik entwickelt, kann aber grundsätzlich auf alle methodenorientierten Lehrinhalte angewendet werden.

1. Innovative Didaktik

Der Erwerb von inhaltlichem Verständnis, von Fähigkeiten der praktischen Anwendung sowie der Kompetenz zur qualitativen und quantitativen Beurteilung von Ergebnissen sind die wesentlichen Ziele der Seminare. Diese hohen Lernanforderungen in begrenzter Zeit bedingen eine enge Verflechtung von theoretischen und praktischen Lehreinheiten. Das hierfür erarbeitete didaktische Konzept (Abb.1) integriert beide unter Einsatz von Methoden des kooperativen Lernens:

•Erarbeitung theoretischer Grundlagen. Die theoretischen Grundlagen der besprochenen Methoden werden zur Förderung des aktiven Denkens durch die Lernenden selbst in Seminarform erarbeitet. Hierzu wählen die Studierenden vor der Lehrveranstaltung Primärliteratur, welche in kurzen Vorträgen im Seminar vorgestellt wird.

•Strukturierung theoretischer und praktischer Lehrinhalte. In einer strukturierten Abfolge wechseln praktische Lehreinheiten mit Seminaren und Diskussionen. Täglich gibt es mindestens ein theoretisches und ein praktisches Thema, wobei die praktische Arbeit oft durch gemeinsame Diskussionen aller Studierender zur Lösung der für alle Arbeitsgruppen relevanten Probleme ergänzt wird.

•Gruppenarbeit mit neuartigem didaktischem Konzept. Die praktische Arbeit wird von den aktiven Lernformen der Gruppenarbeit (typisch sind 3 Studierende pro Gruppe) und Problemlösung dominiert. Im Kontrast zur für die Bioinformatik-Lehre typischen Demonstrationsform wird hierbei ein konzeptuell neuer Weg beschritten. Dieser besteht aus a) selbstbestimmter Methodenevaluierung und dadurch geleiteter b) selbstorganisierter Methodenanwendung.

•Selbstbestimmte Methodenevaluierung. Die Methodenevaluierung beginnt mit der Simulation individueller Test-Datensätze durch die Studierenden. Sie wählen dabei aus öffentlichen Datenbanken Genomdaten aus und simulieren mit entsprechender Software deren DNA-Sequenzierung. Dieser erste Schritt vermittelt das konkrete Verständnis des Forschungsgegenstands. Die selbstbestimmte Auswahl aus Tausenden möglicher Genome trainiert die Nutzung biologischer Datenbanken und motiviert zur Recherche über deren biologischen Hintergrund. Oft schaffen sich die Studierenden eine fiktive Forschungsproblemstellung mit Bezug zu diesen Organismen. Anhand dieser Testdaten werden im zweiten Teil der Methodenevaluierung verschiedene bioinformatische Methoden angewendet, um Eigenschaften wie taxonomische Zusammensetzung von Metagenomen oder die genetische Variation von Genomen vorherzusagen. Dieser Schritt vermittelt die Fähigkeiten zur praktischen Anwendung von Computermethoden. Auch hier arbeiten die Studierenden selbstbestimmt, indem sie Programme und Parameter, basierend auf dem theoretisch erworbenen Wissen, selbst auswählen. Abschließend werden im dritten Teil der Methodenevaluierung alle erhaltenen Ergebnisse durch die Studierenden ausgewertet und dabei richtige und falsche Vorhersagen der Programme quantitativ unterschieden. Dieser Schritt festigt das erworbene theoretische Wissen und schult analytisches Denken und Urteilsvermögen. Die Studierenden interpretieren die erhaltenen Ergebnisse basierend auf den durch sie formulierten Annahmen über die spezifischen Genauigkeiten und Fehlerquellen der Programme. Die Ergebnisse der Methodenevaluierung werden durch die Arbeitsgruppen in kurzen Präsentationen vorgestellt und in der gesamten Gruppe diskutiert.

•Selbstorganisierte Methodenanwendung. In der Methodenanwendung werden den Studierenden unpublizierte Datensätze aus aktuellen Forschungsprojekten zur Verfügung gestellt. Die Aufgabe der Studierenden besteht in der Analyse und Charakterisierung der Daten durch ein von ihnen selbst zu konzipierendes methodisches Vorgehen, basierend auf den Erkenntnissen und Erfahrungen aus der vorangegangenen Evaluierung. Da die Datenmengen dieser praxisnahen Projekte meist erheblich sind, werden ergänzend Techniken und Programme zur Visualisierung komplexer Datenmengen einbezogen. Auch die Ergebnisse dieses Anwendungsprojekts werden durch die Arbeitsgruppen in Abschlusspräsentationen vorgestellt und mit der gesamten Gruppe diskutiert.

•Schriftliche Darlegung der Lern- und Arbeitsergebnisse mit einem Zwischengutachten. Im Anschluss an die im Block gehaltene Lehrveranstaltung beschreiben die Arbeitsgruppen ihre Arbeit in einem schriftlichen Bericht, welcher in Form und Umfang einer wissenschaftlichen Publikation gleicht. Neben der Festigung der erworbenen theoretischen und praktischen Fähigkeiten werden dabei insbesondere problembezogenes Denken sowie wissenschaftliches Formulieren und Publizieren trainiert. Eine erste Fassung dieses Berichts wird noch ohne Bewertung eingereicht und von mir mit detaillierten Kommentaren und Hinweisen zur Verbesserung an die Studierenden zurückgegeben.

•Zusammenfassende Leistungsbewertung. Die 3 Hauptaspekte des Seminars (Erarbeitung des theoretischen Hintergrunds, selbstbestimmte Methodenevaluierung und selbstorganisierte Methodenanwendung) sind für die Leistungsbewertung gleichermaßen relevant und alle sowohl im Seminar selbst als auch im Abschlussbericht repräsentiert.

 

2. Forschungsgeleitete Lehre

Alle Teile der Seminare bauen auf Ergebnissen, Fragestellungen und Methoden der aktuellen Forschung auf. Dies umfasst insbesondere die besprochene Literatur, die zur Simulation und Anwendung verwendeten Daten, die eingesetzten Bioinformatik-Methoden und den Abschlussbericht.

Die durch die Studierenden zu erarbeitende Literatur wird anhand des Erkenntniswerts für die Ziele des Praktikums ausgewählt. Sie repräsentieren die verschiedenen Aspekte der Problemstellung der Seminare: aktuelle Ergebnisse aus „high-impact“ Journals, Originalpublikationen der verwendeten Methoden, Evaluierungs- und Vergleichsstudien.

Neben der Literaturauswahl kommt der forschungsgeleiteten Methodenanwendung eine besondere Bedeutung zu: die hierfür eingesetzten unpublizierten Daten aus aktuellen Forschungsprojekten schaffen nicht nur Praxisnähe, sondern dokumentieren auch die intellektuelle Begeisterung der Lehrenden für die im Seminar besprochenen Themen. Es entsteht ein Klima der Kooperation, in dem Erkenntnisse der Studierenden in die aktuelle Forschung zurückfließen.

Die Auswahl der Daten aus aktuellen Projekten erfolgt unter Berücksichtigung mehrerer Faktoren: prototypischer Charakter, technisch und wissenschaftliche Bearbeitbarkeit auch mit geringen Vorkenntnissen, Probleme abgestufter Schwierigkeit.

Ein zentraler Aspekt der Forschungsorientierung ist der schriftliche Abschlussbericht. Das Verfassen eines wissenschaftlichen Manuskripts ist für die spätere berufliche Tätigkeit relevant. Die meisten TeilnehmerInnen haben zwar noch keine eigenen Erfahrungen in der Erstellung von Publikationsmanuskripten, kennen aber durch die Diskussion von Originalliteratur bereits gute und weniger gute Beispiele und besitzen Urteilsvermögen über die Qualität, Nachvollziehbarkeit und Vollständigkeit von Publikationen. Diese Fähigkeit setzen sie beim Schreiben des eigenen Manuskripts ein. Die noch nicht bewertungsrelevante Zwischenbegutachtung stellt sicher, dass Studierende Fehler und Probleme in ihrer Arbeit erkennen und beheben können.

 

3. Kompetenzorientierung

Die Lehrveranstaltungen trainieren in balancierter und strukturierter Weise einfache und komplexe kognitive Fähigkeiten:

•Wissen und Verständnis,

•Anwendung und Analyse,

•Synthese und Beurteilung.

Durch die Bewertung aller Teilleistungen der Studierenden im Anschluss an die theoretische und praktische Arbeit werden alle diese Fähigkeiten prüfungsrelevant. Unterstützt wird die Ausprägung dieser Kompetenzen sowohl durch regelmäßige Rückmeldungen und Anregungen während der Seminare als auch durch die gemeinsame Erarbeitung und Diskussion einer entsprechenden Struktur für die Abschlussberichte am Ende der Lehrveranstaltung. Diese wird als Leitfaden im e-Learning-System zur Verfügung gestellt.

Soziale Kompetenzen werden insbesondere durch Gruppenarbeit sowie Gruppendiskussionen gefördert. Das Gruppenlernen wird jedoch nicht als Automatismus hin zu besserem Lernen verstanden. Vielmehr sind die potenziellen Probleme der Gruppenarbeit bewusst in der Lehrveranstaltung berücksichtigt. Die Durchführung aller Plenar-Aktivitäten sowie das Schreiben des Berichts in englischer Sprache trainiert die für die wissenschaftliche Praxis außerordentlich wichtige englischsprachige Kommunikation in mündlicher und schriftlicher Form.

 

4. Studierendenzentrierung

Die Form der beschriebenen Lehrveranstaltungen stellt sicher, dass die Studierenden den Hauptteil der „Lernarbeit“ leisten müssen und der Dozent sie dabei aktiv und individuell unterstützt.

Die Studierenden wirken auch an der formalen Gestaltung der Seminare mit. Dies beginnt mit dem Angebot, in der Vorbesprechung eigene Daten und Fragestellungen einzubringen. In der Mitte der Seminare erfolgt eine Evaluation durch die Studierenden, so dass ggf. artikulierte Probleme noch während der Veranstaltung behoben werden können.

Trotz der fachlich und technisch komplexen Aufgabenstellung sind die Studierenden aufgefordert, die praktische Arbeit mit ihren eigenen Notebooks durchzuführen (Leih-Notebooks stehen bereit). Dies schafft Praxisnähe und Reproduzierbarkeit im Selbststudium, erfordert jedoch ausgeprägte interpersonale Fähigkeiten des Lehrenden (Verfügbarkeit, Zugänglichkeit, Unterstützung und Ermutigung) während der praktischen Lerneinheiten.

Darüberhinaus fördert die Gruppenarbeit die Kooperation zwischen den Studierenden auf sozialer, inhaltlicher und technischer Ebene. Dies wird durch die Studierenden als Möglichkeit gesehen, in professioneller Weise zu arbeiten und sich so auf ihren Beruf vorzubereiten.

Die didaktische Gestaltung der Seminare sorgt für vielfältige und rasche Rückmeldungen über den Erkenntnis- und Arbeitsfortschritt an die Studierenden. Die Selbstbestimmung bei der praktischen Arbeit erzeugt Individualität der Ergebnisse und zwingt die Studierenden so zu eigenem Arbeiten und macht Plagiate von vornherein unmöglich. Dies sichert somit auch die Validität der Prüfungsergebnisse.

 

5. Interdisziplinarität

Aufgrund der bioinformatischen Themenstellung ist Interdisziplinarität in diesen Seminaren direkt implementiert und erfordert permanent vernetztes Denken. Dieses wird zudem gezielt durch Bezüge auf interdisziplinäre Grundlagen (Mathematik, Informatik, High-Performance-Computing) im theoretischen Teil angeregt. So werden im Rahmen des Literaturstudiums an besonders deutlichen Beispielen die algorithmischen Grundlagen bioinformatischer Methoden erläutert. Die Studierenden erlernen quasi nebenbei, mittels welcher Prinzipien durch die Informatik Lösungen für die typischen Probleme der Biologie entwickelt werden und welchen Einfluss diese auf die erhaltenen Ergebnisse haben (z.B. Heuristik).

Einen interdisziplinären Aspekt repräsentiert darüberhinaus die Diskussion aktueller Literatur zu potenziellen Anwendungen (Bewältigung gesellschaftlich relevanter Probleme z.B. in Medizin oder Ökologie) im theoretischen Teil der Seminare.

Von großer Bedeutung für viele Studierende ist das inkludierte Training in der Computeranwendung, das von Office-Anwendungen bis zu Unix-Betriebssystemen, Netzwerkdateisystemen, High-Performance-Computing und Datenbanken reicht. All diese bilden die technische Grundlage der praktischen Arbeit in den Lehrveranstaltungen und werden soweit vereinfacht und problemorientiert in die Arbeit integriert, dass auch ohne spezifische Vorkenntnisse die Beherrschung im Rahmen der Seminare möglich ist.

 

6. Geschlechteraspekte und Grundprinzipien lebensbegleitenden Lernens

Die Seminare unterstützen alle Studierenden unabhängig vom Geschlecht und bieten vollständige Chancengleichheit in Bezug auf die Durchführung und Bewertung. In den bearbeiteten Problemstellungen sind die Geschlechter gleichberechtigt und gleichermaßen repräsentiert. Durch die Moderation der Gruppendiskussionen wird sichergestellt, dass alle Studierenden in gleicher Weise in die Diskussion eingebunden werden. Insbesondere die Gruppenarbeit in oft gemischten Arbeitsgruppen unterstützt die Kooperation von Studentinnen und Studenten, indem die individuellen Stärken zum Nutzen der Gruppe eingesetzt werden. Soziale Unterschiede zwischen den Studierenden können in diesem Lehrkonzept relevant sein, da die Studierenden mit eigenen Notebooks arbeiten. Für Studierende ohne eigenen Computer werden daher Leih-Notebooks über die gesamte Dauer der Lehrveranstaltung bereitgestellt.Die regelmäßige Teilnahme aktiver WissenschaftlerInnen nach ihrer Ausbildung (PostDocs, Staff Scientists) an den Seminaren wird aktiv für die inhaltliche Ausgestaltung der Seminare genutzt. Diese TeilnehmerInnen stellen im Seminar ihre Arbeitsgebiete und deren Bezug zur Thematik des Seminars vor und ermöglichen dadurch einen besonderen Forschungsbezug. Zudem wird diesen TeilnehmerInnen eine erhöhte zeitliche Flexibilität geboten sowie ermöglicht, die praktische Arbeit an eigenen Daten und Problemstellungen durchzuführen.

Positionierung des Lehrangebots

Detaillierte Ausführungen zur Positionierung des Lehrangebots finden sich unter "Ziele/Motive/Ausgangslage" im letzten Abschnitt (Positionierung und lehrbezogene Angaben zu den Seminaren).

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2016 in der Kategorie Digitale Lehr- und Lernelemente in Verbindung mit traditionellen Vermittlungsformen nominiert.