Betriebssysteme

Umgesetztes Projekt

Ziele

Betriebssysteme hat in den Informatik-Studiengängen an der TU Graz mit 7.5 ECTS einen großen Stellenwert erlangt. Nicht ohne Grund, denn so führen auch die IEEE Computer Society und die ACM Betriebssysteme als eine der wichtigen Richtungen der Informatik an. Die VU Betriebssysteme an der TU Graz übertrifft hier nicht nur die Betriebssysteme-Lehrveranstaltungen an

den Top-US-Unis in puncto Aktualität, sondern auch vom Aspekt der Praxisnähe. Viele Universitäten behandeln Betriebssysteme mangels didaktischer Möglichkeiten nur oberflächlich und von der theoretischen Seite. Natürlich sind diese hohen Standards und Erwartungen an die Studierenden für diese auch eine große Herausforderung. Gleichzeitig zahlt sich dies aber auch aus. Die Übung genießt bei den Studierenden ein besonders hohes Ansehen. Die Studierenden sind stolz auf sich und ihr Team wenn sie die Übung abgeschlossen haben. Die Praxisnähe, bei der jeder Studierende die Grundlagen erlernt, um auch Änderungen in einem bestehenden Betriebssystem wie Linux oder Windows vorzunehmen, wird gerade auch von Firmen wertgeschätzt und sie trägt sehr greifbare Früchte. Ein weiteres beeindruckendes Beispiel für die hohe Praxisnähe und technische Relevanz der Lehrveranstaltung ist, dass ein Absolvent des Jahrgangs 2013/14 gemeinsam mit unserer Forschungsgruppe 2016/17 einen äußerst wichtigen Sicherheitspatch für Betriebssysteme entworfen hat, den sogenannten KAISER-Patch, der gegen die Sicherheitslücke Meltdown schützt. Alle großen Betriebssysteme (Linux, Windows, OS X) haben diesen mittlerweile auch eingebaut, um Nutzer und Kunden vor Meltdown zu schützen. Das ist natürlich auch für mich als Vortragenden und Übungsleiter eine sehr erfreuliche Entwicklung. Ein anderes Beispiel sind Diskussionen in öffentlichen Foren (z.B. derstandard.at oder auf Reddit), wo Studierende sich positiv an die VU Betriebssysteme zurückerinnern.

 

Die Basis für diesen Erfolg ist das von mir entworfene Lehrkonzept für die VU Betriebssysteme. Mit diesem haben wir geschafft bei gleichbleibendem Schwierigkeitsgrad und Inhalten die Zufriedenheit der Studierenden massiv zu erhöhen, die Anzahl der negativen Studierenden deutlich zu reduzieren. Dieses Konzept stelle ich nun hier vor.

Kurzzusammenfassung (dt.)

Basis des Lehrkonzepts sind Maßnahmen die großteils unter Gamification fallen. Das Lernwerkzeug ist ein didaktisch aufbereitetes und reduziertes Betriebssystem, ein Spielzeug, das die Studierenden nach unseren Vorgaben und darüber hinaus nach Belieben erweitern und verändern können. Wir fördern die eigenständige Arbeit mit Techniken die ein sofortiges Feedback geben, ähnlich wie ein Computerspiel. Als weiteres etabliertes Mittel haben wir eine optionale Highscore-Liste für die Teams und Tutoren, basierend auf den sofortigen automatischen Tests. Unsere Studienassistenten sind Team-Spieler, die selbst auch gut in der Highscore-Liste abschneiden wollen und daher ein glaubwürdiges Interesse daran haben, dass die Teams das Lernziel erreichen. Frustrationsquellen werden aus dem Weg geräumt durch Diskussionsrunden und Kleingruppengespräche um Irrwege frühzeitig zu entdecken und zu vermeiden. Mit gemeinschaftlichen Arbeitsphasen vor Ort und einem optionalen Final-Event geben wir dem Spannungsbogens des Semesters einen guten Abschluss. Wie bei einem Sport-Event feiern wir beim Finale die Leistungen, nicht der Sportler sondern unserer Studierenden. All dies sind Rahmenbedingungen, die eine starke Motivation begünstigen und den Ehrgeiz wecken, die aus der VU Betriebssysteme ein gemeinsames Spiel oder Sport-Event werden lassen, bei dem man viel erreichen möchte.

Kurzzusammenfassung (engl.)

The training concept is based on measures that largely qualify as gamification. The learning tool is a didactically prepared and reduced operating system, a toy for the students to expand and modify according to our specifications and beyond as they like. We encourage independent work with techniques that provide immediate feedback, much like a computer game. As another established tool, we have an optional highscore list for the teams and tutors based on the instant automatic tests. Our study assistants are team players who also want to do well in the highscore list and therefore have a credible interest in helping teams achieve their learning goals. Frustration sources are cleared out of the way through discussion rounds and small group discussions to discover and avoid wrong ways at an early stage. With collaborative on-site work and an optional final event, we end the tension of the semester. In the finals, as in a sports event, we celebrate the achievements, but not those of the athletes but of our students. This framework of measures fosters strong motivation and ambition that turn the operating systems course into a game or team sport, sparking interest and ambition.

Nähere Beschreibung

1. Das Lernwerkzeug als Spielzeug

 

Die Studierenden implementieren ihre Lösungen in einem Educational Operating System (einem didaktisch aufbereiteten und reduzierten Betriebssystem). Dieses ermöglicht, Themen praxisnah anzugehen und gleichzeitig ein umfassenderes und gründlicheres Verständnis zu vermitteln als bei einer rein theoretischen Bearbeitung des Themas. Um den Studierenden hier möglichst gut zu helfen, haben wir im Laufe der Jahre einige Maßnahmen entworfen, um den Studierenden den Einstieg in das Thema zu vereinfachen. Zuerst wurde der Umfang unseres Educational Operating Systems halbiert. So müssen sich die Studierenden bei gleichbleibendem Lehrveranstaltungsinhalt in eine kleinere Code-Basis einarbeiten und können sich besser auf das Verstehen der Grundlagen und Konzepte konzentrieren. Die Studierenden erhalten diese Code-Basis wie ein Spielzeug, das sie im Laufe des Semesters nach unseren Vorgaben und darüber hinaus nach Belieben erweitern. Mit einer Reihe an Techniken, die ermöglichen, Fehler selbstständig zu finden, wird eine hohe Eigenständigkeit gefördert. Gerade dies ist ein wichtiger Motivationsfaktor, da diese Techniken ein sofortiges Feedback geben, ähnlich wie ein Computerspiel sofortiges Feedback gibt (vgl. Gamification).

 

Ein wesentlicher Punkt dieser Philosophie ist es auch, ein möglichst breites Spektrum möglicher Lösungswege anzubieten. Dazu gehört auch, den Studierenden die Möglichkeit zu bieten auf einer Architektur zu arbeiten, für die sie sich besonders interessieren. Deshalb habe ich unser Educational Operating System vor 3 Jahren auf die aktuelle 64-bit-Architektur portiert. Hier nimmt die TU Graz eine Vorreiterrolle ein, da diesen Schritt noch kaum eine andere Universität gewagt hat. Bei den Studierenden wurde diese Umstellung hingegen sehr positiv aufgenommen, da so ein breiteres Spektrum an Möglichkeiten entsteht, die Aufgaben zu lösen. Außerdem habe ich unser Educational Operating System auf die ARM-Architektur portiert. So haben die Studierenden auch die Möglichkeit, ihr eigenes Werk auf einem Raspberry Pi laufen zu lassen. Diese Architektur ist typischerweise im Internet of Things (IoT) und auf Smartphones im Einsatz und wir ermöglichen damit, sich mit der Low-Level-Softwareentwicklung und Betriebssystementwicklung in diesem Bereich auseinanderzusetzen.

 

2. Die Highscore-Liste als Motivationsfaktor

 

Ein zentraler Teil der Gamification der VU Betriebssysteme besteht aus einer Highscore-Liste, an der die Teams optional teilnehmen können. Die Punkte für jedes Team kommen hier aus automatischen Tests, die in Echtzeit die Performance der Teams darstellt. Jedes Studierenden-Team kann ein Pseudonym wählen unter dem es in der Liste aufscheint.

 

Diese Personalisierung hat sich in den vergangenen Semestern als hoher Motivationsfaktor herausgestellt. Seit dem vergangenen Semester gibt es auch ein abschließendes Voting sowie einen Preis für den kreativsten Namen. Auch dies wurde mir gegenüber von den Studierenden als Motivationsfaktor angegeben, da sich die Studierenden so stärker mit dem Team und der Übung identifizieren können.

 

Ein zentraler Bestandteil der Highscore-Liste ist der Team-Score. Darüber hinaus erhalten die Studierenden hier viele verschiedene hilfreiche Informationen für die Studierenden, beispielsweise ob ihre Abgabe auf anderen Systemen einwandfrei funktioniert. Die Score-Felder basieren auf der vom Testsystem automatisch ermittelten Punktezahl, sind allerdings auf die Punktezahl des jeweils besten Teams normiert. So weiß man nie, ob man schon alles erreicht hat, was getestet wird und macht sich mehr Gedanken darüber, was man noch testen sollte. Dies ist sinnvoll, da die automatischen Tests des Testsystem natürlich kein perfekter Spiegel für die Punktezahl sind, die das Team erhält. Allerdings sind sie ein guter Indikator, der zu jeder Tages- und Nachtzeit verfügbar ist. So weiß auch das Team jederzeit, wo es im Vergleich steht und ob die letzten Änderungen einen messbaren Fortschritt gebracht haben. Als Mittel zur Motivation werden unter dem Stichwort Gamification Highscore-Listen schon lange eingesetzt, um eine "Kundenbindung" zu erreichen, aber auch im Bildungsbereich (vgl. DuoLingo) um langfristige Motivation zu schaffen.

 

3. Einstiegs-Level

 

Gleich wie es bei Spielen Einstiegs-Level gibt, die mit Anleitungen und Hilfestellungen den Spieler unterstützen, haben auch wir Einstiegs-Level im Übungsteil eingebaut. In interaktiven Tutorien werden kleine Aufgaben gelöst, die in der Übung in ähnlicher Form vorkommen. Hier stehen die Tutoren zur Anleitung und Hilfestellung zur Verfügung. Die interaktive Entwicklung einer Lösung, gemeinsam mit den Tutoren, wird von den Teilnehmern stets positiv hervorgehoben. In einer anderen Reihe von interaktiven Tutorien werden übungsrelevante Fragestellungen diskutiert. Die Studierenden können sich hier selbst Lösungen überlegen, die dann gemeinsam diskutiert werden.

 

4. Tutoren als Teamspieler

Gerade wenn die Tutoren in einer Lehrveranstaltung Abgabegespräche führen, kann auf Seiten der Studierenden ein Unbehagen entstehen, Fragen offen zu stellen, das vermeintliche Unwissen könnte ja beim Abgabegespräch negativ auf einen zurückfallen. In der VU Betriebssysteme haben wir es geschafft, die Tutoren als Teamspieler zu positionieren, die ein ernsthaftes glaubwürdiges Interesse daran haben, dass die Teams das Lernziel erreichen. Ähnlich wie für die Studierenden-Teams gibt es für die Tutoriumsgruppen eine Highscore-Liste. Natürlich ist dies auch für die Tutoren eine Motivation, mehr Energie in die Betreuung der einzelnen Teams zu stecken. Vor allem aber schafft dies bei den Studierenden eine Glaubwürdigkeit, die unheimlich wichtig ist. So wissen die Studierenden, dass ihnen bei Problemen geholfen wird, da die Tutoren so ihre eigene Platzierung in der Highscore-Liste verbessern können.

 

5. Große Entscheidungsfreiheit

 

In der VU Betriebssysteme legen wir besonderen Wert auf eine große Entscheidungsfreiheit für die Studierenden. Es gibt viele gute Lösungswege und selbst in der akademischen Welt herrscht Uneinigkeit darüber, welcher der guten Lösungswege am besten sind. Diese Entscheidungsfreiheit ist zunächst fordernd, da die Studierenden so etwas nicht aus anderen Lehrveranstaltungen gewohnt sind, dann aber sehr motivierend, da eigene Ideen frei umgesetzt werden können. Die eigenen Ideen werden in Diskussionsrunden (je eine pro Übungsteil) gemeinsam diskutiert, wobei die Studierenden-Teams gegenseitig versuchen, Probleme zu identifizieren. Zwei Tutoren sind zur Unterstützung und Leitung der Diskussion anwesend und helfen bei Unklarheiten schnell weiter. Sie diskutieren auch ein wenig mit, um so die Studierenden auf mögliche Probleme hinzuweisen.

 

Die Studierenden heben immer wieder hervor, dass gerade diese Diskussionsrunden sehr hilfreich sind. Wir experimentieren folglich auch mit Mischformaten zwischen diesen Diskussionsrunden und dem traditionellen Vorlesungsformat. Diese Podiumsdiskussion mit Teilnehmern vergangener Semester ist hilfreich, um zu diskutieren, an welchen Stellen der Übung man besonders Acht geben sollte, sich nicht zu verlaufen, und welche Lösungswege die geschickteren sind.

 

6. Frühzeitiges persönliches Feedback

 

Auch ein persönliches Feedback ist wichtig, insbesondere um in einer Gruppenarbeit darauf zu achten, dass alle Studierenden entsprechend ihres Wissensstandes und ihrer Fähigkeiten fordernde aber erreichbare Ziele haben. Wir haben zwei Feedback-Gespräche (je eine pro Übungsteil).

 

Hier werden auch die bis zu diesem Zeitpunkt erbrachten Leistungen der einzelnen Studierenden genauestens geprüft. Diese fließen nicht in die Beurteilung der einzelnen Studierenden ein. Sie dienen aber dazu, den Studierenden Hinweise zu geben, wo sie ihre Aufmerksamkeit hinlenken sollten. Beispielsweise können so Studierende mit einem übermäßigen Fokus auf einen spezifischen Themenbereich, der dadurch zu einer Einschränkung des Wissenserwerbs führen könnte, explizit dazu aufgefordert werden sich auch einem anderen Themenbereich zu widmen. Auch zu geringe erbrachte Leistungen werden hier thematisiert, genau so rechtzeitig, dass vor Abschluss des jeweiligen Übungsteils noch nachgebessert werden kann.

 

7. Gemeinschaftliche Arbeitsphasen

 

Bei Spielen ist der gemeinschaftliche Aspekt ein Faktor, der zur Motivation beiträgt. In der VU Betriebssysteme haben wir gemeinschaftliche Arbeitsphasen, bei denen ein Großteil der Teilnehmer vor Ort am Institut sitzt und alle an ihrer Lösung arbeiten.

 

8. Leichtes Fallen und Wiederaufstehen

 

Ein fundamentaler Bestandteil von Spielen ist das (vor allem eingangs) leichte Fallen und Wiederaufstehen. Man kann, ohne, dass ein größeres Problem entsteht, neu beginnen oder einen Teil

des Levels wiederholen. Wir bieten auch eine derartige Möglichkeit an unter dem Titel "Second Chance“. Hier können Studierende innerhalb einiger Wochen nach der regulären Deadline eine

erneute Abgabe probieren. Diese Möglichkeit bieten wir bei beiden Übungsteilen an. Zusätzlich bieten wir die VU Betriebssysteme in jedem Semester (d.h. Wintersemester und Sommersemester) an, so dass auch ein Ausstieg und späterer Neubeginn keine grobe zeitliche Verzögerung bedeuten muss.

 

9. Gemeinschaftliches Finale

 

Gleich wie bei einem Sport-Event ist ein spannendes Finale ein starker Motivationsfaktor. Die Studierenden haben das ganze Semester über daran gearbeitet, eine schöne und umfangreiche Lösung zu entwickeln. Vor einigen Jahren habe ich ein gemeinschaftliches Abschluss-Event ins Leben gerufen, welches diesem Spannungsbogen, der über das ganze Semester geht, einen fröhlichen Abschluss gibt. Die Studierenden feiern hier, dass das Semester und die VU Betriebssysteme damit abgeschlossen ist, aber auch in einigen Fällen ihr gutes oder sehr gutes Abschneiden in der Übung. Das Abschluss-Event ist ähnlich aufgebaut wie ein Sport-Event.

 

Wer möchte, kann gemeinsam mit der LV-Leitung und den Tutoren in eine öffentliche Location gehen (ein Restaurant, o.ä.), wo ein Beamer zwecks Public Viewing organisiert ist. Die Studierenden heben unser Abschluss-Event in den Evaluierungen immer positiv hervor und mit über 100 Studierenden nehmen auch viele Studierende teil. Außerdem treffen sich hier auch Studierende aus anderen Semestern, so dass ein Wissens- und Erfahrungsaustausch zwischen den Semestern wunderbar möglich ist.

 

Ähnlich wie bei einem Ski-Rennen starten die finalen Highscore-Tests der Teams dann in umgekehrter Startreihenfolge zu den vorherigen Probeläufen. So bleibt das Rennen um den Spitzenplatz bis zum Ende offen. Das Gewinner-Team erhält natürlich einen Preis.

 

All dies sind Rahmenbedingungen, die eine starke Motivation begünstigen und den Ehrgeiz wecken, die aus der VU Betriebssysteme ein gemeinsames Spiel oder Sport-Event werden lassen, bei dem man viel erreichen möchte.

 

10. Leistungsüberprüfung

 

Sowohl beim Vortragsteil als auch beim Übungsteil legen wir besonderen Wert auf Verständnis anstatt auf das Auswendiglernen von Fakten. Bei den Teilklausuren wird dies erreicht durch Aufgaben, bei denen die Anwendung von erlernten Fähigkeiten gefordert wird. Diese Aufgaben sind schnell zu lösen, wenn das zugrundeliegende Konzept verstanden wurde, ohne dass etwas auswendig gelernt werden muss. Die Studierenden können manche dieser Aufgaben auch vorher online ausprobieren, da gerade bei den Rechenbeispielen quasi beliebig viele neue generiert werden können. So überprüfen wir, ob die Vermittlung von Betriebssystemgrundlagen erfolgreich war.

 

Beim Übungsteil gibt es eine Abgabegespräch im Anschluss an die Abgabe. Hier müssen die Studierenden ihre eigene Lösung vollständig erklären können. Darüber hinaus müssen sie vor Ort kleine Aufgaben lösen, die ganz ähnlich aufgebaut sind wie Teilaspekte der Übung selbst.

 

Gerade hier ist ein Auswendiglernen nicht möglich, ein Verständnis der eigenen Lösung ist erforderlich. Die Tutoren achten hier nicht primär darauf, dass die Lösung fehlerfrei ist, sondern darauf, wie die Studierenden an die Aufgabe herangehen: Starten sie in die richtige Richtung? Ist klar, welche Teile der eigene Lösung dafür angepasst werden müssen? Das Ziel ist hier nicht nur die Überprüfung, ob die Studierenden sich Betriebssystemgrundlagen angeeignet haben, sondern auch ob das Aneignen und Festigen von Programmierfähigkeiten erfolgreich war.

Positionierung des Lehrangebots

Bachelor 4. Semester

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2019 nominiert.