Interaktive Elemente für die digitale Lehre


Gastbeitrag von Prof. Dr. Oliver Weeger, Fachbereich Maschinenbau

Das im folgenden beschriebene Projekt konnte durch das Förderprogramm Studentische E-Learning Experten“ unterstützt werden. Dieses wiederum ist Teil des hessenweiten Projekts „digLL – Digital gestütztes Lehren und Lernen in Hessen“.

Das Fachgebiet Cyber-Physische Simulation (CPS) am Fachbereich Maschinenbau bietet derzeit zwei Lehrveranstaltungen im Masterbereich an – „Einführung in die Finite Elemente Methode“ und „Multiskalen-Methoden in der numerischen Mechanik“. Beide Vorlesungen werden auf Englisch gehalten und wurden nun im Rahmen der Umstellung auf die digitale Lehre in Blended Learning bzw. Inverted Classroom-Konzepte überführt. So wurden die wesentlichen Inhalte von Vorlesungen und Übungen in Lehrvideos aufbereitet, während die wöchentlichen synchronen Veranstaltungen für die Wiederholung und Vertiefung des Stoffes genutzt werden. Hierbei kommen vor allem interaktive Lehr- und Lernformen zum Einsatz, die von den studentischen eLearning-Experten maßgeblich mitentwickelt wurden. So konnte in beiden Veranstaltungen das Lehrangebot nachhaltig erweitert, die Flexibilität erhöht und der Lernerfolg verbessert werden, was zu einer hohen Zufriedenheit der Studierenden mit dem digitalen Lehrangebot führte.

Multiskalen-Methoden in der numerischen Mechanik

Die Videos, -folien und weitere Materialien zu Vorlesungen und Übungen wurden in einem übersichtlich gestalteten Moodle-Kurs angelegt und in Kapitel gegliedert, die typischerweise 1-2 Vorlesungswochen entsprechen. In den synchronen Veranstaltungen, die aufgrund der Corona-Pandemie wöchentlich als Videokonferenz abgehalten wurden, wurde großer Wert auf die Interaktion mit und unter den Studierenden gelegt. So wurden Breakout-Räume zur Diskussion von Lerninhalten oder der Bearbeitung von Aufgaben in Kleingruppen genutzt. Hierbei kamen Tools wie Padlet oder frag.jetzt zur Sammlung von Ideen und Fragen zum Einsatz. Außerdem wurden interaktive Programmieraufgaben in MATLAB in Gruppen bearbeitet und die Lösungswege und Ergebnisse dann gemeinsam diskutiert.

Um den Studierenden den Zugang zu stark mathematischen Inhalten zu erleichtern und zu veranschaulichen wurden vom eLearning-Experten interaktive Jupyter Notebooks entwickelt. Diese basieren auf der Programmiersprache Python und wurden über die Plattform „binder“ eingerichtet. So können die Studierenden interaktive Inhalte im Browser am PC, Laptop oder Handy niederschwellig nutzen, ohne auf die möglicherweise abschreckende Installation eines Programms angewiesen zu sein.

Ein Beispiel für ein interaktives Notebook ist eine Einführung in die Deformationskinematik. Dabei werden Grundlagen der Kontinuumsmechanik wiederholt. Für beliebige Deformationsgradienten werden verschiedene Zerlegungen sowie weitere Operationen berechnet und visualisiert. Um das erlernte Wissen zu festigen wurden Aufgaben entwickelt, die sowohl manuelle als auch Arbeitsschritte mit Hilfe der Notebooks erfordern. Damit soll eine intensive Beschäftigung der Studierenden mit dem interaktiven Inhalt sichergestellt werden.

Einführung in die Finite Elemente Methode

Auch für diese Veranstaltung wurden die Vorlesungsinhalte in einem übersichtlich gestalteten Moodle-Kurs angelegt und in Kapitel gegliedert, die in der Regel 1-2 Vorlesungswochen umfassen. Neben den Videos und Folien wurde von der eLearning-Expertin außerdem zu jedem Kapitel ein kurzer Test zur individuellen Lernstandsüberprüfung in Moodle angelegt. Durch die Beantwortung von je 5-10 Multiple-Choice-Fragen können die Studierenden nach dem Studium der Videos oder Folien selbst ihr Wissen und Verständnis der Inhalte und Lernziele überprüfen. So können sie ggf. gezielt nacharbeiten und nachfragen, oder die Tests zur Prüfungsvorbereitung nutzen. Außerdem wurde neben den englischen Folien und Videos ein deutschsprachiges Vorlesungsskript entwickelt, das zur Nacharbeit, Prüfungsvorbereitung und zum Abgleich der Fachbegriffe genutzt werden kann.

Auch bei dieser Lehrveranstaltung wurde für den synchronen Teil großer Wert auf die Beteiligung und Interaktivität der Studierenden gelegt. Dies wurde wieder durch Gruppendiskussionen, Denk- und Programmieraufgaben in Breakout-Räumen, digitale Tools und Umfragen umgesetzt.

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