Intuition und Interaktion in der Lehre Formeln aktiv begreifen Prof. Dr. Yiannos Manoli

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1 1 Intuition und Interaktion in der Lehre Formeln aktiv begreifen Prof. Dr. Yiannos Manoli I. Einleitung Theorie und Praxis die Eckpfeiler einer erfolgreichen Lehre Die Lehre der Natur- und Ingenieurwissenschaften definiert sich seit jeher dadurch, den Studierenden einerseits theoretisches Grundlagenwissen zu vermitteln und sie andererseits zu befähigen, problemorientiert und eigenständig komplexe Aufgaben zu bearbeiten. Seit der Einführung der Bachelor- und Master-Studiengänge ist dies bereits für die ersten Semester des Studiums von zentraler Bedeutung. Darüber hinaus sollen die Studierenden zunehmend fachübergreifende Kompetenzen aufbauen. Die Natur- und Ingenieurwissenschaften verwenden mathematische Modelle, um komplexe physikalische und technische Vorgänge zu beschreiben. Diese Modelle können unterschiedliche Abstraktionsebenen und Detaillierungsgrade aufweisen. Theoretisch ausgerichtete Veranstaltungen arbeiten so eng mit diesen Formalismen, dass wiederholt festgestellt wird, dass die Studierenden diesen Modellen mehr Bedeutung schenken als den eigentlichen Phänomenen. Da sie die Gleichungen einsetzen und damit arbeiten können, bekommen sie das Gefühl, den Stoff zu beherrschen. Das Fehlen eines wirklichen Verstehens offenbart sich, wenn Zusammenhänge nur noch mit erlernten Gleichungen, nicht aber intuitiv erläutert werden. Die hieraus resultierenden hohen Abbrecherquoten in den Natur- und Ingenieurwissenschaften veranlassten mich in meinen Lehrveranstaltungen das Begreifen in den Vordergrund zu rücken. Die Erfolge bei den Prüfungen geben mir recht. Lernen durch aktive Anschauung Als primäres Lernziel definiere ich das entwickelnde Verstehen, das nicht auf dem reinen Wiederholen der Formalismen, sondern auf aktiver Anschauung von Zusammenhängen basiert. Daher lege ich sowohl im Rahmen meiner Vorlesungen als auch bei den begleitenden Übungen großes Gewicht auf interaktives, intuitives und forschendes Denken meiner Studierenden, welches ich durch aktuelle Forschungsinhalte praxisbezogen gestalte. Die wichtigsten Bestandteile hierfür sind: Die Stofffülle in der Mikroelektronik unterteile ich in gut aufeinander aufbauende Module im Bachelor- und Master-Programm; Lehrveranstaltungen wie Vorlesung, Übung, Labor, Seminar oder Projekt ergänzen sich innerhalb eines jeden Moduls sinnvoll. Das interaktive und intuitive Lernen wird in den Vorlesungen durch Folien unterstützt, die sich sukzessive aufbaue und die schriftliche Ergänzungen erlauben.

2 2 Beispiele werden zusammen mit den Studierenden erarbeitet. Meine Konzepte erhielten auf Vorschlag der Studierenden den Lehrpreis der Technischen Fakultät im Jahr Diese Lehrinnovationen wurden 2010 mit dem Universitätslehrpreis der Universität Freiburg sowie dem Landeslehrpreis des Landes Baden- Württemberg gewürdigt. Gleichzeitig werden komplexe Abläufe durch Simulation und Animation greifbar und verständlich gemacht. Für diese interaktive webbasierte Lernumgebung (SpicyVOLTsim) wurde ich mit dem Medienpreis der Universität Freiburg im Jahr 2005 sowie 2007 mit dem Best Paper Award der IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education (MSE 2007) ausgezeichnet. Projektziele Ein Fellowship wird es mir ermöglichen, die bestehende Lernumgebung SpicyVOLTsim auf die neue Version von HTML5 umzustellen, was ihre Verstetigung sicherstellt, da der Wartungsaufwand hierdurch minimal wird. Dies wird zu einer problemlosen Übertragung auf andere Disziplinen wie der Physik, Biologie, Ökonomie - führen und somit ihren Einzug in andere Universitäten und Schulen garantieren. II. Interaktion im Unterricht Durchdachte Modularisierung Schwerpunkt auf Interaktion Sowohl im Bachelor- als auch im Master-Studium der Mikrosystemtechnik stimme ich die Themen der Mikroelektronik im Rahmen von mehreren Modulen so auf einander ab, dass Wiederholungen nur dort vorkommen, wo sie sinnvoll sind. Damit gewinnt der Einzelne einen gesicherten Überblick über das gesamte Gebiet und wird während des Masterprogramms schon früh in die Lage versetzt, seine Interessen zu erkennen und sich für eine Vertiefung in Mikroelektronik zu entscheiden. Der Ansatz, das Lernen durch eine wechselseitige Kommunikation zwischen Lehrendem und Studierenden nachhaltig zu gestalten, wird in den Vorlesungen so umgesetzt, dass zunächst die Folien derart konzipiert sind, dass sie einen Sachverhalt Schritt für Schritt aufbauen. Dies ermöglich es dem Studierenden den Lösungsweg in seinen einzelnen Etappen mitzuverfolgen. Gleichzeitig gewinne ich dadurch die Freiheit, Fragen direkt in die Folie einzubauen: Zusatzinformationen, Ergänzungen und das Hervorheben besonders wichtiger Details können also stets direkt den Bedürfnissen der Zuhörer angeglichen werden (Abb. 1 und Abb. 2). Daher binde ich bei meinen Vorlesungen am Tablet-PC gerne sofort die Fragen meiner Studierenden direkt auf dem Display mit ein. Diese Interaktion unterstützt das präsente Mitdenken auf beiden Seiten mehr als es die früheren Folienpräsentationen taten; gleichzeitig sinkt die Hemmschwelle sich, aktiv zu beteiligen.

3 3 Abbildung 1 Abbildung 1: Solche Folien zu Semesterbeginn ausgeteilt bieten Raum für eigene Lösungsansätze während der Vorlesung. Abbildung 2 Abbildung 2: Die gleiche Folie nach der interaktiven Herleitung der Ergebnisse.

4 4 Es werden folglich keine fertigen Ergebnisse präsentiert, sondern Probleme gemeinsam entwickelt und gelöst. Meine Lösungshinweise führen zur individuellen Selbstkontrolle und zum Erfolg. Dieser verfestigt das Erlernte und bietet nun wiederum den Grundstein für neue Problembewältigung: Es entsteht ein solides Verknüpfungswissen. Die Video-Aufzeichnungen dieser Veranstaltungen können auf der Webseite des Lehrstuhls abgerufen werden: Schlüsselqualifikationen durch forschendes Lernen Einsatz in Bachelor und Master Dieses Gewicht, das ich während meiner Vorlesungen auf die Interaktion mit meinen Studierenden lege, wird in den vorlesungsbegleitenden praktischen Übungen noch weiter ausgebaut. Dies bedeutet, dass individuelle Lösungsansätze erprobt werden können und man dabei gleichermaßen aus seinen Erfolgen wie auch aus seinen Fehlern lernt. Neben diesem, dem individuellen Lerntempo angepassten Wissensaufbau begreift sich der Einzelne auch als Teil einer Gruppe und lernt schon hier die für das spätere Berufsleben so wichtigen Schlüsselkompetenzen wie Präsentationstechniken, Projektplanung, Team- sowie Konsensfähigkeit und Kommunikation. Diese Vorgehensweise wird nicht nur in den Vertiefungsvorlesungen des Master- Studiums eingesetzt, sondern bereits in Pflichtvorlesungen im Bachelor-Studium. Somit steht die Forderung nach einem berufsqualifizierten Bachelor-Abschluss nicht im Konflikt zu dem Anspruch einer wissenschaftlichen universitären Ausbildung. III. SpicyVOLTsim: webbasierte interaktive Lern- und Arbeitsplattform Intuitives Begreifen erleichtern SpicyVOLTsim ist eine interaktive, webbasierte Lern- und Arbeitsplattform für elektronische Schaltungen, die eine einzigartige dreidimensionale Visualisierungsmethodik umsetzt: Beispiel-Schaltungen inklusive Video-Tutorials sowie eine ausführliche Online-Hilfe sind in einer homogenen Umgebung eingebettet. Sie wurde 2005 am Lehrstuhl Mikroelektronik entwickelt und wird in den Lehrveranstaltungen eingesetzt, um die Intuition zu fördern und die theoretischen Sachverhalte zu untermauern. Seit jeher werden elektrische Schaltungen als Schaltpläne dargestellt. Diese bilden die einzige bildliche Vorstellung der Schaltung für den Menschen: Sie sind statisch und tragen keine weitere Information bei. Aus der Simulation einer Schaltung gewinnt man Informationen über den Arbeitsbereich der Bauteile, über Spannungen und Ströme und ggf. das zeitliche Verhalten der Schaltung. Traditionelle Simulationssoftware eignet sich nicht zur Benutzung während der Vorlesung, weil der Bedienungsaufwand von der eigentlichen Vorlesung zu sehr ablenkt. Das ist verständlich, da diese Programme nicht für die Lehre sondern für die Anwendung im professionellen

5 5 Schaltungsentwurf entwickelt wurden. Darüber hinaus sind die Ergebnisse in Form von zweidimensionalen Graphen (Abb. 3) schwierig zu analysieren. Im Gegensatz dazu ist SpicyVOLTsim sehr benutzerfreundlich und erfordert keine Zeit für die Einstellung oder die Analyse von statischen zweidimensionalen Kurven. Der Schritt, eine Abstraktion der Ergebnisse zu erzeugen, wird vom Programm übernommen, und die Studierenden können ihre Zeit darauf verwenden, sich die Bewegung der Bauteile in der 3D-Animation anzuschauen. Sie müssen sich nicht damit auseinandersetzen, wie die Zahlen zu interpretieren sind, sondern warum die Schaltung sich so verhält wie gezeigt. Dies ist auch das primäre Anliegen der Vorlesung: Das intuitive Erfassen der gegenseitigen Abhängigkeit von Spannungen und Strömen innerhalb einer Schaltung wird so initiiert, trainiert und gefestigt. Abbildung 3 Abbildung 3: Ergebnisse in Form von zweidimensionalen Graphen sind schwierig zu analysieren. Neuartige Darstellungsform In SpicyVOLTsim werden variierende Spannungen dabei als veränderliche Höhen der Bauteile dargestellt und es entsteht ein räumlicher Eindruck der Schaltung, in dem sich Bauteile relativ zueinander bewegen (Abb. 4). Diese Animationen sind so gewählt, dass sie elektrische Phänomene sinnvoll darstellen und eine sehr intuitive Darstellung von Aktion und Reaktion innerhalb der Schaltung entsteht. Zusätzlich wird durch veränderliche Einfärbung aktiver Bauteile entsprechend der Arbeitsbereiche, z.b. grün für das Leiten von Strom und rot für sein Sperren, die Aussagekraft erhöht (Abb. 5). Durch die ausgezeichnete Effizienz dieser Darstellungsalgorithmen gelingt es außerdem, Simulationen von zeitlichen Abläufen in dynamisch konzipierten Animationen darzustellen, was bisher noch niemals so durchgeführt wurde. Eine Evaluation von ca. 50 existierenden Schaltplaneditoren zeigte, dass das Konzept vollkommen neuartig ist. Ein ähnlich vielseitig einsetzbares und frei verfügbares Werkzeug zur Erstellung interaktiver Simulationen ist nicht bekannt.

6 6 Abbildung 4 Abbildung 4: Die interaktive webbasierte Umgebung von SpicyVoltsim, im Uhrzeigersinn links oben beginnend: Schaltplaneditor, Video-Tutorial, Hilfefenster mit Erklärung, gängige 2D- Graphendarstellung und neuartige 3D-Animation. Abbildung 5 Abbildung 5: Der rechte Transistor wird weniger leitfähig und daher gelb dargestellt, da seine Spannung (im Vergleich zu Abb. 4, links unten) größer geworden ist.

7 7 Komplexität intuitiv wahrnehmbar machen Obwohl der Umgang mit der Software sehr einfach ist und zum Experimentieren einlädt, sind die Animationen kein Selbstzweck, sondern beschreiben exakte Simulationsergebnisse von komplexen Vorgängen elektronischer Schaltkreise. Die Eindrücke, die der Beobachter der Animationen erhält, tragen maßgeblich zur Entwicklung eigener, elektrisch sinnvoller und exakter Abstraktionen bei und bedienen visuelle Lernstimuli, die so bisher nicht zugänglich waren. Insofern erfordert der vorgestellte Ansatz kein Umdenken in eine vollkommen neue Methodik, sondern stellt eine konsequente Weiterentwicklung und Präzisierung der bestehenden Didaktik dar. Durch die bisher einzigartige Verschmelzung von neuen Medien, rechnerunterstützter Simulation und dreidimensionaler Darstellung ist es erstmalig gelungen, diese Visualisierungsmethodik in geschlossener Form für beliebige Schaltungen umzusetzen. Auf Grund dieser Vollständigkeit ergibt sich ein wesentlicher Mehrwert zu bisherigen Ansätzen. Um dem Lernenden möglichst viele Aspekte der neuen Darstellung nahe zu bringen, wird er durch aufeinander aufbauende Beispielschaltungen angeleitet. Zu jedem Beispiel existiert ein Schaltplan, der sofort ausgeführt und eigenständig verändert werden kann. Video-Tutorials erklären direkt die Lernziele. Durch ein interaktives Ausprobieren und die Möglichkeit, vorhandene Schaltungen mit eigenen Ideen zu bereichern, wird ein spielerisches Lernen und Experimentieren gefördert. Abbildung 6 Abbildung 6: Weltweite Nutzung der Webseite von SpicyVOLTsim durch Punkte markiert (August 2011) Learning by Doing Die Vorlesung hat sich für die Studierenden von einer reinen Präsentation von Inhalten zu einer nachvollziehbaren Erfahrung gewandelt. Ihnen wurden die behandelten Schaltungen nicht nur erklärt und die Ergebnisse präsentiert, sie haben darüber hinaus die Schaltungen buchstäblich selbst gebaut und angefasst. Die Verwendung der Simulation in der Lehre kann daher als eine gute Methode betrachtet werden, mehrere Formen des Lernens zu unterstützen.

8 8 Spielerisches Lernen Ein weiterer Effekt ist, dass die Studierenden dazu animiert werden, mit dem Programm zu spielen. Je mehr Zeit sie damit verbringen sowohl ihr Wissen als auch ihre Intuition im Umgang mit elektrischen Schaltungen auf spielerische Weise zu verbessern, desto erfolgreicher werden sie bei ihren akademischen Leistungen sein. Abb. 6 zeigt den Vorteil der webbasierten Software: Sie wird nicht nur in Freiburg sondern auch an anderen Stellen verwendet. Die Besucherzahlen haben sich jedes Jahr verdoppelt und liegen nun bei über 500 im Monat. IV. Weiterentwicklung und Transfer auf andere Disziplinen Drei Ebenen der Weiterentwicklung Die Fördermittel werden in die Fortführung des didaktischen Konzeptes eingesetzt. Eine Weiterentwicklung wird in diesen Segmenten erfolgen: Ausbau der interaktiven Lernumgebung SpicyVOLTsim. Weiterentwicklung von SpicyVOLTsim für den Einsatz in anderen Disziplinen wie Physik, Maschinenbau, Biologie, Chemie, oder Ökonomie. Unterstützung anderer Universitäten und Schulen bei der Einführung von SpicyVOLTsim in der Lehre. Grenzen der derzeitigen Struktur Da es für die Lehre nicht leicht ist, Fördermittel zu erhalten, wird das Projekt SpicyVOLTsim personell bisher im Wesentlichen von der Fritz-Hüttinger-Professur für Mikroelektronik getragen. Von der ersten Idee bis zur Ausarbeitung und Umsetzung eines durchführbaren Konzeptes war der Entwicklungsaufwand beträchtlich. Vieles entstand bisher eher spontan durch Eigeninitiative der Mitarbeiter oder im Rahmen meiner Vorbereitung auf eine Vorlesung. Fördermittel werden es ermöglichen, aus diesen einzelnen, recht lehrstoffspezifischen Schaltungen eine breitere Bibliothek zu etablieren. Das Projekt hat nun einen Umfang erreicht, der aus eigenen Mitteln nur noch schwerlich aufrecht erhalten werden kann. Die vorliegende Version verwendet für die Animationstechnologie die Flash Entwicklungsumgebung. Diese ist sehr umfangreich und wartungsintensiv. Die studentischen Hilfskräfte, die Erweiterungen und Ergänzungen an SpicyVOLTsim vornehmen, haben einen sehr großen und wenig lehrreichen Einarbeitungsaufwand. Eine Umstellung auf die neue Version von HTML5, die direkt Animationen unterstützt, wird den Wartungsaufwand minimieren und die Nachhaltigkeit verbessern. Somit werden auch eine Erweiterung des Funktionsumfangs und eine Übertragung auf andere Bereiche erleichtert.

9 9 Erweiterter Funktionsumfang Die zurzeit implementierte Version umfasst eine sehr gute Funktionalität und zahlreiche Beispiele. Hinzu kommen Hilfe- und Lern-Tutorien, die dem Anwender in dieser integrierten Applikation zur Verfügung stehen. Der bisherige Umfang zeigt allerdings nur jeweils an wenigen Beispielen, welche Möglichkeiten umsetzbar sind. Es gibt noch weiterführende Ideen, die mit Hilfe einer Förderung ermöglicht werden. Dies sind unter anderem die konsequente Weiterentwicklung des Funktionsumfanges in der Form von neuen elektronischen Schaltungselementen sowie die dazugehörigen Beispielschaltungen und vor allem die entsprechenden Beschreibungen. Weitere Hilfe-Seiten und Online-Kurse können konzipiert und in HTML implementiert werden. Tutorials und Benutzerführung Darüber hinaus könnten neue innovative Ideen verwirklicht werden: Angedacht ist zum Beispiel die Einführung von Hierarchie-Ebenen im Editor sowie interaktive Tutorials. Hierarchie-Ebenen erlauben komplexere Strukturen (wie zum Beispiel eine Verstärkerschaltung) übersichtlich in einem Schaltplan als Black-Box darzustellen. Somit lässt sich die Umgebung auch für sehr fortgeschrittene Benutzer effektiv nutzen. Interaktive Tutorials sind für den Einsteiger nützlich, da er, während er mit der Software arbeitet, hilfreiche Hinweise zur Benutzung erhält. Hinzu kommen einige methodische Verbesserungen z.b. der graphischen Benutzerschnittstelle oder der Simulationssteuerung und der Funktionalität. Auch hier lässt sich auf zwei Ebenen arbeiten: Eine für den erfahrenen Benutzer, der eine offene Schnittstelle mit der vollen Steuerungsmöglichkeit verlangt und eine weitere für den Einsteiger, der nur das Wesentliche einstellen möchte. Übertragung auf andere Fachbereiche Da in der Simulationsumgebung Differentialgleichungen und darauf aufbauende mathematische Modelle bearbeitet werden, die nicht nur auf Schaltungen beschränkt sind, ist es naheliegend, die gleichen Methoden in andere Disziplinen zu übertragen. So können zum Beispiel in der Mechanik für den Maschinenbau- oder Physikunterricht Bewegungen und Schwingungen wie Feder-Masse-Dämpfer Systeme aufgestellt und simuliert werden (Abb. 7). Hier entspricht die Animation eins-zu-eins der Bewegung der Objekte. Denkbar sind auch Fragestellungen aus thermischen oder sogar astronomischen Themen. In der Biologie können Wachstumsprozesse wie in einer Räuber-Beute-Beziehung oder die ökologische Potenz beschrieben werden. Auch für Problemstellungen in der Wirtschaft, wie der Schweinezyklus, können mathematische Modelle aufgestellt werden. Diese Systeme können durch Variation der Anfangsbedingungen unterschiedliches Verhalten darstellen, womit ein was-passiert-wenn Frage und Antwort Spiel entsteht.

10 10 Abbildung 7 Feder (C) C1 C2 C3 F(t) Masse M1 M2 (M) Dämpfer (D) D1 D2 D3 (a) Einfache und (b) komplexe Feder-Masse-Dämpfer Struktur Abbildung 7: SpicyVOLTsim kann in die Lage versetzt werden, nicht nur Schaltungen sondern auch Fragestellungen der Mechanik, der Biologie und anderer Bereiche darzustellen und zu animieren. Verwendung in der Schule Präsentation in der Fachöffentlichkeit Nach der Fertigstellung des neuen Funktionsumfangs ist an eine weitere Verbreitung der Nutzung zu denken. Dabei ist geplant, Lehrstühle anderer Universitäten vor allem in Baden-Württemberg bei der Einführung der Applikation in ihre Lehrveranstaltungen zu unterstützen und gegebenenfalls die Installation eigener Server zu ermöglichen. Die Applikation ist technisch so angelegt, dass eine Veröffentlichung und offline Nutzung auf CD sehr leicht umzusetzen ist. So kann die Software auch ohne Internet-Zugang, zum Beispiel in einem Klassenraum, genutzt werden. Insofern kann auch an eine Distribution an Schulen oder Einzelnutzer gedacht werden. Des Weiteren könnten Präsentationen an Schulen in der Region durchgeführt werden, um hier durch einen spielerischen Zugang zur Elektronik Schüler für die Wahl eines naturwissenschaftlichen oder technischen Faches zu motivieren. Im Rahmen meiner Schulpatenschaften an drei örtlichen Gymnasien erkannte ich, wie sehr gerade in den naturwissenschaftlichen Fächern ein individuell fördernder und gleichzeitig jedes Kind aktiv einbindender Unterricht die Scheu vor diesen Inhalten besiegen kann. Die Präsentation der Software an Universitäten und Schulen oder auf Bildungskonferenzen sowie Unterrichtsmessen würde helfen, diese auch überregional bekannt zu machen. Eine Abstimmung der Software auf verschiedene Zielgruppen kann in verschiedenen Bereichen stattfinden. Zum einen könnte sich eine Schul- von einer Uni- Version dadurch unterscheiden, dass eine reduzierte Bibliothek von Bauelementen mit entsprechend spielerisch gestalteter Benutzeroberfläche bereitgestellt wird. Zum anderen können die Inhalte der mitgelieferten Tutorien auf unterschiedliche Zielsetzungen und Schwierigkeitsniveaus ausgerichtet werden. Für den Einsatz in der Lehre mit mehreren gleichzeitigen Benutzern erscheint ein dedizierter Web-Server für diese Anwendung sinnvoll. Eine Aktualisierung der Hardware und Software, die von den Preisgeldern des Medienpreises der Universität Freiburg im Jahr 2005 angeschafft wurde, ist ebenfalls notwendig.

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