Mobiles Lernen mit selektiertem Methodenmix zum selbstmotivierten Erwerb von Programmierkompetenzen

Umgesetztes Projekt

Ziele

Vorrangiges Ziel des neu entwickelten Kursmoduls „Mobile App Development“ ist der Ausbau der Programmier- und Software-Engineering Kompetenzen durch Schaffung einer motivierenden Lernumgebung in einer sehr heterogenen Studierendengruppe. Aus der Forschung über die Lehre von Programmier-Lehrveranstaltungen ist das Grundproblem bekannt, dass die Mehrheit die Lernziele nicht erreicht und nur ein Teil der Studierenden (typischerweise mit entsprechender beruflicher Vorerfahrung) die Lehrveranstaltung erfolgreich absolviert. Dieses Problem drückt sich in hohen Dropoutraten, hohen Durchfallsquoten sowie geringer Studierendenzufriedenheit bei Programmier-Lehrveranstaltungen aus. Das neue Kursmodul adressiert dies durch einen auf mobilem Lernen basierenden, innovativen Methodenmix.

 

Bei der Konzeption des Kursmoduls „Mobile App Development“ bezogen wir aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse auf dem Gebiet des Programmierunterrichts an Hochschulen ein und analysierten bestehende „Best practice“ Kurse in diesem Bereich. Unser neuartiges Modulkonzept beinhaltet insbesondere die folgenden Designelemente:

 

- Mobiles Lernen: Das Kursdesign setzt sich aus einem auf mobile E-learning basierenden ausgewählten Mix aus motivierenden, studierendenzentrierten didaktischen Methoden zusammen. Sämtliche Lehrmaterialien sowie unterstützende Tools wurden für Smartphones und Tablets optimiert, um situatives und kontextualisiertes Lernen zu ermöglichen. Smartphones und Tablets dienen den Studierenden somit als primäres Lernmedium (zur Konsumation der Lehrmaterialien), primäres Entwicklungsmedium (zur Entwicklung einer mobilen Applikation) sowie Kollaborationsmedium (durch speziell für mobile Endgeräte ausgewählte Tool-Unterstützung für Projektmanagement und virtuelle Zusammenarbeit).

- Individualisierung durch Just-in-Time Teaching: Der Methodenmix zielt auf eine größtmögliche Individualisierung des Lernprozesses ab. Unsere Studierendengruppen weisen gerade im Bereich der Programmierkenntnisse sehr unterschiedliche Kompetenzniveaus auf, da sie professionelle Softwareentwicklerinnen und Softwareentwickler ebenso wie Studierende mit sehr begrenzter Erfahrung in der Softwareentwicklung umfassen. Mit der Kombination aus mobile E-learning und Just-in-Time Teaching (JiTT)-Konzepten adressieren wir diese Herausforderung, indem individualisierte Lerngeschwindigkeit und -intensität ermöglicht werden. Durch vorbereitende Übungen und individuelles Online-Feedback wird vor jeder Präsenzeinheit ein einheitliches Mindestniveau bei den Studierenden erzielt. Jede Präsenzeinheit wird inhaltlich auf Basis von Lerntagebucheinträgen der Studierenden mit vertiefenden Übungen und Diskussionen adaptiert. Dieser Ansatz fördert leistungsschwächere und fordert leistungsstärkere Studierende.

- Experiential learning: Im Rahmen einer mehrstündigen Hackathon-Veranstaltung unterstützen wir Studierende bei der Suche nach geeigneten Projektideen für ihre selbstständig durchzuführenden Softwareprojekte. Diese Projekte sind in einem industrienahen, fachübergreifenden Umfeld angesiedelt, sodass Studierende an die Komplexität von realen Softwareprojekten herangeführt werden. Die gelernte Theorie wird dadurch mit praktischer Anwendung unmittelbar verknüpft. Anforderungsdefinition, Design und Implementierung der mobilen Applikation werden durch regelmäßige Coaching-Einheiten unterstützt. In einem finalen Peer Assessment Verfahren wird die Konformität der finalen Projekte mit den zu Beginn definierten Anforderungen durch Simulation einer realen Projektabnahme bewertet.

Kurzzusammenfassung (dt.)

Das Blended-Learning Kurskonzept für „Mobile App Development“ integriert ausgewählte Lehrmethoden, um innovative, kompetenzorientierte und studierendenzentrierte Lernaktivitäten zu fördern. Insbesondere kombinieren wir mobiles Lernen mit Just-in-Time-Teaching Elementen, industrienahen und fachübergreifenden Studierendenprojekten, sowie Peer-Assessment.

In diesem Lehrkonzept erfüllen Smartphones und Tablets eine dreifache didaktische Funktion als mobiles Lerngerät:

 

1) Smartphones und Tablets fungieren als primäres Lernmedium, da das gesamte Lernmaterial inhaltlich, didaktisch und graphisch für die Präsentation auf diesen Geräten optimiert ist.

2) Im Zuge der Konzeptionierung und Implementierung von mobilen Applikationen nutzen Studierende Smartphones und Tablets zudem als Programmier- und Testmedien für ihre umzusetzenden Projekte. Dies ermöglicht interaktive Tests und macht erzielte Fortschritte der Entwicklungsprojekte am mobilen Endgerät schnell sichtbar.

3) Eine Reihe von ausgewählten, für Mobilgeräte geeigneten Kollaborationstools vereinfacht die virtuelle Kommunikation und Zusammenarbeit der Studierenden bei der Bearbeitung ihrer Projekte via Smartphones und Tablets.

 

Um das kompetenzorientierte Kurskonzept zu evaluieren, führten wir qualitative Interviews mit allen Studierenden durch und wiederholten unangekündigt 6 Monate nach Ende des Kursmoduls die gleiche Abschlussprüfung. Die Ergebnisse deuten auf einen hohen und nachhaltigen Kompetenzerwerb der Studierenden hin.

Kurzzusammenfassung (engl.)

We designed a blended learning course concept by integrating a set of selected teaching methods to foster innovative, competence oriented and student focused learning activities. In particular, we combine mobile learning with Just-in-Time Teaching (JiTT) elements, industry-like and interdisciplinary student projects as well as peer assessment.

In this mobile learning concept, smartphones and tablets serve a triple didactic function as mobile learning devices to combine theory with immediate practical application:

 

1) Smartphones and tablets act as the primary learning medium, as all learning material is optimized with regards to contents, didactics and presentation for these devices.

2) By developing mobile applications they are also used as programming and testing medium for the students’ software projects, facilitating interactive testing and making successful progress immediately visible.

3) A set of selected mobile-friendly tools enables students to communicate and collaborate on their projects virtually with their mobile devices.

 

In order to investigate the competence oriented course concept, we performed qualitative interviews with all participants. In addition, six months after the end of the course we repeated the same final exam with the students unannounced. The results indicate a high and sustainable acquisition of students’ competencies.

Nähere Beschreibung

Bei der Konzeption der Lernziele des Kursmoduls „Mobile App Development“ orientierten wir uns an der Lernzieltaxonomie nach Bloom [1]. Für jeden Teil des Kursmoduls definierten wir die angestrebten Wissensniveaus. Ziel der Vorlesung ist die Vermittlung eines soliden theoretischen Hintergrunds (Wissensstufen nach Bloom: Wiedergeben und Verstehen), der die Anwendung der erlernten Konzepte in Übungsaufgaben (Wissensstufen: Anwenden und Analysieren) und später die Entwicklung eigener Projekte sowie die Bewertung anderer Studierendenprojekte mittels Peer Assessment (Wissensstufen: Synthese und Evaluieren) ermöglicht.

Der Kompetenzerwerb für unser Kursmodul "Mobile App Development" fokussiert auf die folgenden Lernziele:

Nach Abschluss des Kursmoduls sind die Studierenden in der Lage,

- Vorgehensmodelle im Bereich der Softwareentwicklung zu verstehen und in einem eigenen Projekt anzuwenden.

- zielorientiert in Teams zu arbeiten, einschließlich organisierter Planung, Zeitmanagement und Kommunikation mit anderen Gruppenmitgliedern.

- Anforderungen zu erfassen, zu dokumentieren und zu analysieren.

- eine Anforderungsspezifikation in ein implementierbares Design im Rahmen eines strukturierten Prozesses zu übersetzen.

- eine mobile Android-Applikation gemäß Spezifikation zu implementieren.

- eine Teststrategie für eine mobile Applikation unter Verwendung von Techniken wie Komponententests, testgetriebener Entwicklung und Funktionstests zu entwerfen.

- die finalen Projekte zu bewerten, indem die Einhaltung der Anforderungen überprüft und das Design und die Implementierung analysiert werden.

Um die oben genannten fachlichen und fachübergreifenden Lernziele zu erreichen, entwickelten wir ein auf mobilem Lernen basierendes, studierendenorientiertes Blended-Learning Kurskonzept, das verschiedene Lehrmethoden integriert. Mobiles Lernen umfasst die explizite Nutzung der Vorteile von Mobilgeräten (hier vor allem Smartphones und Tablets) für Unterrichtszwecke und zielt insbesondere auf neue Möglichkeiten zum aktiven Lernen ab. Die Fortschritte im Bereich der Kommunikationstechnologien ermöglichen es den Studierenden, die mobilen Endgeräte jederzeit und überall zu nutzen, um auf aktuelle Lehrmaterialien zuzugreifen und das Lernen zu individualisieren [2]. Hierzu müssen Lehrmaterialien sowohl inhaltlich, didaktisch als auch graphisch so gestaltet werden, dass sie auf mobilen Geräten ideal genutzt werden können. Darüber hinaus erleichtert mobiles Lernen die Interaktion und den dialogischen Austausch mit anderen Studierenden und Lehrpersonen, um Informationen auszutauschen oder gemeinsam an einer Aufgabe oder einem Projekt zu arbeiten. Somit unterstützt mobiles Lernen sowohl formelles als auch informelles Lernen. Situatives und kontextualisiertes Lernen wird in unserem Kursmodul ebenfalls unterstützt, da die Anwendung des Gelernten gleich unmittelbar im Rahmen der Entwicklung von Applikationen für mobile Endgeräte erfolgen kann, beziehungsweise da die Lerninhalte am selben Gerät verfügbar sind, wo sie benötigt werden.

In der Vorlesung wenden wir das Konzept des inverted classrooms an [3]. In einem inverted classroom wird der Vorlesungsinhalt über ein asynchrones Medium (z.B.: über eine E-learning Plattform) bereitgestellt. Studierende greifen auf diese Inhalte remote zu. Während der Unterrichtsstunden sind die Studierenden in Lernaktivitäten wie vertiefende Übungsaufgaben und Diskussionen involviert. Der Lerninhalt wird in kurzen Lernsequenzen bereitgestellt, die schnell und von überall über ein Smartphone oder Tablet konsumiert werden können. Wir stellen auch Kurzvideos bereit, die in der Regel zwischen zwei und vier Minuten dauern, um komplexe Vorlesungsinhalte zu erklären und zu illustrieren.

Um die Aktivierung der Studierenden für die Vorbereitung auf die Vorlesung zu stimulieren, kombinieren wir das inverted classroom Konzept mit Just-in-Time Teaching (JiTT) Elementen [4]. Hierbei bereiten sich die Studierenden auf jede Vorlesungseinheit selbstständig vor, indem sie Lernmaterial lesen und ansehen sowie vorbereitende Übungen bearbeiten. Anschließend reflektieren die Studierenden in einem Lerntagebuch jede Phase des Selbststudiums und beantworten die folgenden Fragen: „Was habe ich gelernt? Was war neu für mich? Gab es etwas, das meine Ansichten änderte und warum?“ und „Was habe ich nicht verstanden? Was war entgegen meinen eigenen Ideen und warum? Was war weniger verständlich und warum?“ Die Lehrpersonen geben vor der nächsten Präsenzphase Feedback zu jedem Eintrag im Lerntagebuch und passen den Inhalt der jeweiligen Lehreinheit entsprechend der Lerntagebucheinträge an.

Ausgehend von den Lerntagebucheinträgen beginnen die Lehreinheiten mit der Klärung offener Fragen und konzentrieren sich dann auf die weitere Vertiefung der Inhalte, insbesondere auf jene, die in der Selbstlernphase nicht gut verstanden wurden. Die Kombination aus inverted classroom und Just-in-time Unterricht ermöglicht eine starke Studierendenorientierung sowie eine Individualisierung der Kursinhalte während der Präsenzphasen. Der Fernlehre-Aspekt unterstützt weiterhin orts- und zeitunabhängiges Lernen sowie die unmittelbare Interaktion zwischen Lernenden über Lerninhalte. Der Moodle-Kurs zum Kursmodul ist unter Link 1 im Abschnitt „Weiterführende Links“ verfügbar.

Der Übungs-Teil dieses Moduls ist mit der Vorlesung verknüpft. Er zielt auf die Anwendung der Konzepte aus der Vorlesung in einem fachübergreifenden Studierendenprojekt ab. Jedes Studierendenprojekt umfasst den anforderungskonformen Entwurf sowie die Entwicklung einer mobilen Applikation. Die Studierendengruppen bestehen aus zwei bis drei Personen, die eigenverantwortlich an diesen Projekten arbeiten. Darüber hinaus werden sie durch regelmäßige Treffen mit ihren Lehrpersonen sowie einer Reihe von Softwaretools für Projektmanagement, Codeversionsverwaltung und Tools, die die virtuelle Zusammenarbeit von Studierenden während des Softwareentwicklungsprozesses fördern, unterstützt.

Wir starten den Übungs-Teil mit einem Hackathon-Event. Ein Hackathon (Hacking-Marathon) kann als innovationsfördendes, problemorientiertes Brainstorming-Event im Bereich der Softwareentwicklung bezeichnet werden, bei dem sich Menschen für einige Stunden zusammenfinden, um prototypische Anwendungen zu entwickeln und intensiv zusammenarbeiten. Viele Unternehmen nutzen Hackathons, um ihre neuen Produkte und Dienstleistungen zu testen und neue Ideen zu generieren. Beim Lehrkonzept Hackathon-Event verfolgen wir die folgenden Ziele: Unterstützung der Teambildung, Entwicklung und Bewertung von kreativen Software-Projektideen über persönliche Interaktionen und Steigerung der Motivation der Studierenden, ihre Ideen zu verwirklichen. Im Rahmen des Hackathon-Events sammeln die Studierenden zunächst individuell möglichst viele Projektideen. Entsprechend ihrer Interessensschwerpunkte setzen sie sich anschließend zu Teams zusammen und reduzieren die Anzahl der Ideen, bis jedes Team sich für drei bestimmte Ideen entschieden hat, die sie den anderen präsentieren. Unmittelbar nach der Präsentation bewerten die anderen Studierenden die präsentierten Projektideen per Online-Voting. Basierend auf diesem Ranking wählen die Studierenden jene Idee aus, die sie als Team umsetzen werden.

Jedes Team definiert die Anforderungen für sein Projekt in vier Priorisierungskategorien mit Hilfe des MoSCoW-Systems (Must, Should, Could, Won’t) - Musskriterien, die unbedingt umgesetzt werden müssen, Sollkriterien, deren Umsetzung in der ersten Version wünschenswert wäre, Kannkriterien, die vermutlich erst in der Folgeversion umgesetzt werden und Wunschkriterien, die erst in ferner Zukunft Teil des Projektes werden. Nach dem Hackathon-Event beginnen die Studierenden begleitet durch regelmäßige Coaching-Treffen mit ihren Lehrpersonen mit der Arbeit an ihren Projekten. Abhängig von den Selbstorganisations-Fähigkeiten der Gruppen finden die Coaching-Meetings mehr oder weniger häufig statt. Das Hauptziel dieses Übungsteils besteht einerseits darin, den Studierenden die Komplexität realer Softwareprojekte erfahrbar zu machen und andererseits durch Fernlehrelemente die Entwicklung von selbstorganisierenden Fähigkeiten zu fördern.

Nach Abschluss der Team-Projekte werden diese mittels Peer-Assessment bewertet. Die finalen Projekte werden auf die verschiedenen Studierendengruppen verteilt, um dann die Übereinstimmung zwischen den ursprünglich genannten MoSCoW-Anforderungen und dem Verhalten der finalen Implementierung zu überprüfen. In dem Projekt simulieren wir somit ein industrienahes Softwareprojekt, bei dem die Akzeptanz einer Software durch Personen erfolgt, die nicht an der Entwicklung beteiligt sind.

Nach Ablauf von ca. 2/3 der Lehrveranstaltungen fanden qualitative Interviews mit den Studierenden statt. Die Interviews wurden von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Teaching Support Centers der FH Campus Wien ohne Anwesenheit der Lehrpersonen geführt, jedes Interview dauerte eine Stunde. Ziele dieser qualitativen Befragungen waren eine Reflexion der Studierenden über ihre Fortschritte in den Bereichen Programmierung und Software Engineering, sowie die Bewertung der eingesetzten Lehrmethoden.

Im ersten Teil des Interviews bewerteten die Studierenden ihre individuelle Steigerung in diesen Kompetenzbereichen. Es zeigten sich in allen Bereichen deutliche Fortschritte bei den Studierenden. Der zweite Teil des Interviews enthielt Fragen zu den Lehrmethoden. Etwas über 80% der Studierenden berichteten, dass die Kombination von mobilem E-Learning und JiTT Methoden einschließlich Lerntagebücher, das Online-Feedback der Vortragenden, Vorbereitungsübungen und vertiefende Erläuterungen in der Präsenzphase dazu beitrugen, ihr Verständnis für schwierige Konzepte im Vergleich zu Vorlesungen mit traditionellen Lehrmethoden zu verbessern. Die detaillierten Ergebnisse der Evaluierung haben wir in unseren Publikationen näher ausgeführt [5].

Die Überprüfung der Lernziele erfolgte durch eine Leistungsbewertung in Form einer Abschlussprüfung, einer Projektabgabe und einer Seminararbeit. Die Abschlussprüfung bestand aus einem theoretischen und einem anwendungsorientierten Teil. Bei der Bewertung der Projektabgabe flossen die Peer Assessments sowie die Einschätzungen der Lehrpersonen ein. Die Seminararbeit konnte aus einer Liste von vertiefenden Themen im Bereich Mobile App Development ausgewählt und verfasst werden. Durch diese drei Bestandteile der Leistungsbewertung war es möglich, alle Lernzielstufen nach Bloom kontinuierlich zu verfolgen und zu beurteilen. Die Ergebnisse bestätigten die Selbsteinschätzung der Studierenden im Hinblick auf den Kompetenzerwerb und sind unter [5] zu finden.

Um die Nachhaltigkeit der in unserem Kursmodul erworbenen Kompetenzen zu überprüfen, hielten wir 6 Monate nach Ende des Kursmoduls mit den Studierenden die gleiche Abschlussprüfung noch einmal unangekündigt ab. Die Ergebnisse zeigten im Schnitt eine Verbesserung gegenüber der Abschlussprüfung im Kursmodul. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass die meisten Studierenden sich mit der Entwicklung von mobilen Applikation im Rahmen von Wahlfachprojekten und Bachelorarbeiten aus eigenem Antrieb weiterhin auseinandergesetzt haben.

Conclusio:

Das im Rahmen von ars docendi eingereichte Kursmodulkonzept „Mobile App Development“ adressiert die hochschuldidaktischen Herausforderungen im Informatikbereich durch einen innovativen, lernergebnisorientierten Methodenmix. Das Konzept basiert auf mobilem Lernen, das in dreifacher didaktischer Funktion umgesetzt wird und zum Selbststudium aktiviert. Smartphones und Tablets dienen als Lernmedium, Entwicklungsplattform und Kollaborationsmedium. Mittels der Kombination aus inverted classroom und Just-in-Time Teaching wird auf die unterschiedlichen Bedürfnisse von Studierenden im Hinblick auf zeitliche Verfügbarkeit und Leistungsstärke eingegangen. Die Evaluierungen und Prüfungsergebnisse zeigen eine hohe Studierendenzufriedenheit sowie einen nachhaltigen Erwerb der aufgebauten Kompetenzen.

Literatur:

[1] B. S. Bloom, Taxonomy of educational objectives, handbook I: Cognitive domain. David McKay, New York, 1956.

[2] P. R. H. Ramos, F. J. G. Penalvo, and M. A. C. Gonzalez, Towards mobile personal learning environments (MPLE) in higher education. In Proc. of the 2nd International Conference on Technological Ecosystems for Enhancing Multiculturality, Salamanca, Spain, 2014.

[3] M. J. Lage, G. J. Platt, and M. Treglia, Inverting the classroom: A gateway to creating an inclusive learning environment. The Journal of Economic Education, 31(1), pp. 30–43, 2000.

[4] G. M. Novak et al., Just-In-Time Teaching: Blending Active Learning with Web Technology. Prentice Hall, 1999.

[5] S. Schefer-Wenzl and I. Miladinovic, Game Changing Mobile Learning Based Method Mix for Teaching Software Development. In Proc. of the 16th World Conference on Mobile and Contextual Learning, Larnaca, Cyprus, 2017.

Positionierung des Lehrangebots

Das Kursmodul besteht aus einer Vorlesung und einer Übung mit jeweils 2 SWS und 4 ECTS und ist im 4. Semester im Bachelorstudium IT und Telekommunikation angesiedelt. Es ist Teil der Vertiefungsrichtung Telekommunikation, für die sich Studierende ab dem 4. Semester entscheiden können (zur Wahl stehen 2 Vertiefungsrichtungen, Telekommunikation und IT-Security). Aufbauend auf den Inhalten des Kursmoduls werden im 4. und 5. Semester Wahlfachprojekte angeboten, in denen die Studierenden das erworbene Wissen anwenden und vertiefen können. Darüber hinaus werden Themen für Bachelorarbeiten im 5. und 6. Semester aus diesem Bereich angeboten.

Weiterführende Information


Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2018 nominiert.