Forschen und Programmieren im Team

„Studentische Projektgruppen in der numerischen Ingenieurmathematik“

Forschungsbasierte Programmierprojekte statt schriftlicher Aufgaben von beschränktem Umfang: Inspiriert durch ein Berliner Lehrkonzept haben die Kieler Informatiker Prof. Dr. Thomas Slawig und Prof. Dr. Steffen Börm das Modul „Numerische Mathematik in den Ingenieurwissenschaften“ umgestrickt.

 

slawig-page-001

Text: Prof. Dr. Thomas Slawig
Projekt-Initiator

Die Ausbildung an der Universität in Fächern der Mathematik findet normalerweise in einer mehr oder weniger standardisierten Form statt: Es gibt eine Vorlesung, in deren Rahmen die Inhalte vom Dozenten oder von der Dozentin vermittelt werden. Dazu findet meist eine Übung statt, in der Mitarbeitende oder studentische Hilfskräfte mit den Studierenden an Übungsaufgaben arbeiten, den Stoff wiederholen oder nacharbeiten. Hinzu kommen regelmäßig Übungsblätter, in denen Aufgaben formuliert sind, die die Studierenden binnen einer Woche bearbeiten und abgeben sollen, um sie anschließend korrigiert zurückzubekommen. Am Ende des Semesters findet schließlich meist eine Klausur statt. Im Bereich der numerischen Mathematik gehören dazu neben schriftlichen Aufgaben, die um Algorithmen oder mathematische Aussagen zu ihnen kreisen, auch Programmieraufgaben. Studierende sollen die Algorithmen, die in Vorlesung und zugehöriger Übung besprochen worden sind, selbstständig programmieren, damit Beispiele rechnen und die Ergebnisse präsentieren.

Die schriftlichen und Programmieraufgaben haben meist einen relativ beschränkten Umfang, da sie innerhalb einer oder zwei Wochen bearbeitet werden sollen. Eine Bearbeitung von größeren Aufgaben, die Projektcharakter haben, ist auf diese Weise nicht möglich. Diese Situation war die Motivation für das hier vorgestellte Projekt im Rahmen der PerLe-Förderung. Angeregt wurde es durch eine im Fach Numerische Mathematik an der TU Berlin seit vielen Jahren durchgeführte Lehrveranstaltung der Projektgruppe Praktische Mathematik.

Zweigeteilte Modul-Struktur

Unser Projekt hat den Titel „Studentische Projektgruppen in der numerischen Ingenieurmathematik“. Im Gegensatz zu dem oben genannten Grundkonzept der Ausbildung stand bei uns die Projektarbeit selbst im Vordergrund. Das Ziel war, dass die Studierenden im Laufe des Semesters ein Programmierprojekt in größerem Umfang bearbeiten. Die Bearbeitung dieses Projektes erstreckte sich über sechs Wochen. Damit wurde die oben beschriebene klassische Form der Lehrveranstaltung von Vorlesungsübung und selbstständiger Bearbeitung von Aufgaben verändert. Da natürlich trotzdem der Lernstoff vermittelt werden sollte, wurde das Semester zweigeteilt. In der ersten Hälfte des Semesters gab es vorwiegend Vorlesungen und nur einige wenige Übungen. Es wurden Übungsblätter in der oben dargestellten Form herausgegeben, die von den Studierenden bearbeitet werden sollten. Diese Phase der Lehrveranstaltung dauerte etwa sechs Wochen.

Danach begann die zweite Hälfte der Lehrveranstaltung, in der die Studierenden an einem selbst gewählten Projekt arbeiten konnten. Es handelte sich um Masterstudierende, die meisten aus dem Fach Elektrotechnik/Informationstechnik. Die Gruppengröße betrug nur zwölf Studierende, da das Modul „Numerische Mathematik“ nur ein Wahlpflichtmodul in diesem Masterstudiengang ist.

Neugierde auf fachfremde Gebiete

Zu Beginn der Projektphase wurden die Studierenden befragt, ob sie aus ihren Erfahrungen, zumeist aus ihrem  Bachelorstudiengang, bereits Ideen oder Interesse für eigenständige Projekte mitbrachten. Es stellte sich heraus, dass die Studierenden durch mein Fachgebiet als Dozent,  die Klimamodellierung und -simulation, besonderes Interesse an diesen Fragestellungen hatten. Die Studierenden hatten also in unserem Fall mehr Interesse, sich mit einem für sie fachfremden Gebiet zu beschäftigen, als ein Projekt aus ihrem ihnen vertrauten Gebiet zu bearbeiten.

Des weiteren hatte ein Teil der Studierenden bereits ein Modul zur Optimierung belegt. Diese Gruppe hatte großes Interesse, die dort erworbenen Fähigkeiten auf ein numerisches Projekt anzuwenden. Der Vorteil der Lehrveranstaltung war, dass es möglich war, auf diese individuellen Wünsche der Teilnehmer einzugehen.

Die geplante Gruppengröße, die dann auch realisiert wurde, waren zwei Gruppen mit je vier Studierenden. Es wurden dann lediglich zwei Projekte realisiert da die anderen zu Beginn noch an der Lehrveranstaltung teilnehmenden Studierenden nicht mehr an dem Modul teilnehmen wollten.

Für ausreichend Vorkenntnisse war gesorgt

In der zweiten Phase der Lehrveranstaltung haben die Studierenden sich dann selbstständig in zwei von mir als Dozent vorgeschlagene Projekte eingearbeitet. Da es sich um für die Studierenden fachfremde Projekte handelte, wählten sie aus vorgeschlagenen Themen aus. Es wurde dabei von uns darauf geachtet, dass die Projekte möglichst viele der in der Lehrveranstaltung zu behandelnden Themen der numerischen Mathematik beinhalteten. Die Lehrveranstaltung konnte grob in fünf bis sechs Themenbereiche unterteilt werden. Wesentlich ist für Ingenieurstudierende der Bereich der Simulation von Differentialgleichungen. Da diese auch Thema in Klimamodellen sind, war es kein Problem, dieses Thema in den Projekten bearbeiten zu lassen.

Zu der Aufgabenstellung gehörte ebenfalls ein Einblick in die Modellierung, wozu Literatur angegeben wurde. Dabei handelt es sich um Teile von Büchern, Skripten oder Vorversion von Fachartikeln. Die für den numerischen Aspekte nötigen Kenntnisse und Verfahren waren in den ersten Wochen der Lehrveranstaltung der Vorlesung und Übung  behandelt worden. Sie wurden teilweise auch in der Literatur beschrieben. Für ein Projekt, bei dem die oben genannten Optimierungskenntnisse nötig waren, reichten die Vorkenntnisse der Studierenden aus der anderen von ihnen besuchten Lehrveranstaltungen aus.

Wöchentliche Treffen – auch während der Projektphase

In der Projektphase der Lehrveranstaltung fand wöchentlich ein Treffen von einem wissenschaftlichen Mitarbeiter und dem von PerLe projektfinanzierten Studierenden mit den Projektgruppen statt. Dort wurden die Fortschritte der Projektgruppe besprochen. Das vorgegebene Endresultat und gleichzeitig die Prüfungsleistung waren ein Projektbericht, und eine Präsentation. Die Präsentationen beider Gruppen fand an einen gemeinsamen Termin statt und wurden von allen Teilnehmern der jeweiligen Gruppe gemeinsam gestaltet. Von uns wurde nach der Präsentation Feedback gegeben.

Der Projektbericht wurde kurze Zeit später von Studierenden abgegeben, von uns mit Feedback versehen und dies den Studierenden in einem Gespräch mitgeteilt. Bei dieser Gelegenheit wurde auch ein Fragebogen ausgeteilt, um die Erfahrung der Studierenden mit der neuen Form der Lehrveranstaltung kennen zu lernen. Die Gruppe, die  Optimierungsverfahren mit einbeziehen wollte, gab ein sehr positives Feedback. Unserem Eindruck nach war diese Gruppe auch mehr motiviert. Die andere Gruppe fiel demgegenüber etwas ab. Im Feedback wurde deutlich, dass beide Gruppen mit der Auswahl der vorgegebenen Themen zufrieden waren.

Relativ kurze Projektdauer, dennoch großer Betreuungsaufwand

Kritisiert wurde die etwas kurze Zeit für die Bearbeitung der Projekte, die sechs Wochen betrug. In einigen Rückmeldungen wurde auch die interne Arbeit der einzelnen Gruppen untereinander selbst thematisiert. Daraus war zu lesen, dass es teilweise Probleme mit der Verteilung bzw. der von den einzelnen Studierenden geleisteten Arbeit gegeben hat. Kurz gesagt waren einige wohl mit der Leistung oder dem Arbeitsaufwand der anderen unzufrieden. Dies ist ein typischer Fall in Gruppen, und natürlich besonders in größeren Gruppen wie hier Vierergruppen. Aber fast jeder Studierende kennt das Problem: Wenn er oder sie zusammen mit einem oder mehreren anderen Studierenden arbeitet und etwas abgeben muss, wie zum Beispiel ein Übungsblatt, hängt der Erfolg in dieser Lehrveranstaltung extrem vom Partner bzw. der Partnerin ab.

Insgesamt betrachten wir das Projekt als Erfolg. Die Lehrveranstaltung ist leider relativ klein, es hätte uns Spaß gemacht auch noch mehr Projekte und vor allem Projekte aus den Fachgebiet der Studierenden selbst zu bearbeiten. Andererseits muss man sagen, dass die Betreuung von sehr vielen Projektgruppen natürlich auch einen großen Zeitaufwand bedeutet. Als Konsequenz würden wir wahrscheinlich nicht mehr die Zweiteilung der Lehrveranstaltung in einem Teil mit der stark komprimierten Vorlesung und einem zweiten Teil mit Projektarbeit wählen.

Sinnvoller: Theorie & Praxis laufen parallel

Dieser Punkt war auch Thema in einem Vernetzungstreffen bei PerLe, an dem Initiatoren und Initorinnen verschiedener geförderter Lehrprojekte teilnahmen. Dort berichtete eine andere Mitarbeiterin der CAU Kiel, dass dass sie in einem ganz anderen Fach (weder Technik noch Mathematik) ein ähnliches Konzept verfolgt hatten. Allerdings gab es dort nicht die Zweiteilung der Lehrveranstaltung, sondern die Projektarbeit begann sofort zu Beginn des Semesters, und die Vorlesungen liefen während des ganzen Semesters trotzdem parallel. Eine solche Gestaltung der Lehrveranstaltung halten wir jetzt für sinnvoller.

Der Grund, warum wir die Lehrveranstaltung in diese zwei Teile geteilt hatten, war: Wir dachten, dass alle Studierenden zunächst die Inhalte lernen müssten, bevor sie Projekte bearbeiten könnten. Das ist natürlich prinzipiell richtig.  Das Argument der Kollegin war allerdings, dass, wenn beide Phasen parallel laufen, dies auch Vorteile hat: Einige Studierende, deren Projektthema nur auf den Inhalt des ersten Teils der Vorlesung aufbaut, haben es bei der Projektarbeit eventuell leichter. Die anderen, die bereits mit der Projektarbeit beginnen müssen, ohne dass sie den Vorlesungsstoff zu Grunde legen können, müssen sich  selbstständig in den Stoff einarbeiten. Diese haben einen Vorteil, wenn sie später in der Vorlesung, wenn der Stoff behandelt wird, diesen noch einmal präsentiert bekommen und somit ihrer eigenen Vorarbeit gewissermaßen vergleichen können. Die Kollegin sah dies eher als Vorteil als als einen Nachteil an.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.