Curriculare Einbindung virtueller Labore

Visualisierungen sind wirkungsvolle Werkzeuge, um Lerninhalte nachhaltig in den mentalen Wissensstrukturen von Schülern und Studierenden zu verankern. Virtuelle Labore haben den großen Vorteil, dass sie im übertragenen Sinne an jeden Ort und zu jeder Veranstaltung mitgenommen werden können, sofern denn ein Internetanschluss vorhanden ist. Über einen Beamer lassen sich virtuelle Experimente als konkretes Anschauungsbeispiel in eine Vorlesung einbauen. Diese Demonstrationen fördern den Praxisbezug und das Nachvollziehen von Sachverhalten. Zweitens lassen sich so Vorträge und Forschungsergebnisse vor Fachpublikum auf Tagungen oder Kongressen lebhafter präsentieren. Drittens bietet das virtuelle Labor die Möglichkeit, im Vorfeld realer Versuche Abläufe einzuüben. Das steigert die Lerneffizienz bei gleichzeitiger Senkung der Kosten und des Gefahrenpotentials.

Die Einbindung virtueller Labore als Demo eignet sich besonders für Lehrformen, die konzeptionell eher konventionell ausgerichtet sind und wenn Sie virtuelle Elemente nur als Supplement nutzen wollen.

Beispiel

• Das Virtuelle Physiklabor an der Fachhochschule Kaiserslautern bereitet Studierende der Fachbereiche Maschinenbau und Elektrotechnik auf ihre realen Experimente vor. Zum Abspielen wird der DivX 5 Codec benötigt.

Blended Learning-Element

Blended Learning beschreibt den didaktisch wohl durchdachten Wechsel von Präsenz- und Onlinephasen, d.h. zum Beispiel von Phasen aufnehmenden Lernens in einer Vorlesung und von Phasen entdeckenden Lernens in einem Online-Labor.

Laut Bruchmüller und Haug formen Laborübungen rund die Hälfte der Behaltensmenge einer Lehrveranstaltung. Dieser Sachverhalt spricht für den Einsatz virtueller Labore als Ausgleich fehlender Ressourcen, wenn reale Erfahrungen für die Studierenden nicht realisiert werden können. Die situierten, fallbasierten Aufgaben der Laborpraktika zwingen die Studierenden zum eigenständigen Arbeiten und zur Entwicklung individueller Lösungsstrategien. Dies fördert die Motivation und verfestigt den subjektiven Erkenntnisgewinn. Das in der Vorlesung erworbene Wissen wird nebenbei überprüft. Die Vor- und Nachbereitung von Vorlesungen wird dadurch angeregt und wirkt sich positiv auf die Präsenzzeiten aus.

Durch Blended Learning findet Lernen in multiplen Kontexten statt: Im Selbstlernprozess der Online-Phase wird das Gelernte aus unterschiedlichen Perspektiven beleuchtet und angewendet. So lässt sich Wissen aufbauen, mit dem flexibel und explorativ gearbeitet werden kann. Deshalb sollten virtuelle Labore über ausreichend Raum für offene Aufgaben und freie Experimente verfügen, um weitere individuelle Lernanreize zu schaffen.

Daneben haben virtuelle Laborpraktika den großen organisatorischen Vorteil, dass sie zeit- und ortsflexibel in den Stundenplan der Studierenden einfließen können. Im Zusammenhang mit den streng organisierten, gestrafften Curriculumskonzepten der BA- und MA-Abschlüsse dürfte sich dieses Kriterium zu einem weiteren Attraktivitätsfaktor virtueller Labore entwickeln. Virtuelle Labore können als Web Based Trainings (WBT) über das Internet – teilweise auch als CD-ROM (CBT) – genutzt werden.

• Im IAS Online-Praktikum können Studierende Versuche zur Echtzeitprogrammierung durchführen. Das virtuelle Labor bildet die Ablaufsteuerung eines Modelleisenbahnsystems ab und ermöglicht es, bereits vor der realen Versuchsausführung Abläufe an einer Simulation zu testen. Mehr dazu in den Referenzbeispielen.
• Das Projekt Nano-World bietet virtuelle Experimente aus den verschiedenen Disziplinen der Nanowissenschaften. Naturwissenschaftler im Nachdiplomstudium nutzen "Nano-World" als zweiwöchigen Blended Learning -Blockkurs. Morgens wird jeweils in die Simulation und Theorie eingeführt. Am Nachmittag arbeiten die Studierenden im betreuten Selbststudium an den Simulationsprogrammen. Auch zur „Nano-World“ finden Sie weiterführende Informationen in den Referenzbeispielen.

Bestandteil eines E-Learning-Konzepts

Virtuelle Labore können Bestandteil einfacher oder komplexerer Blended-Learning -Szenarien sein. Es kann sich dabei um eine einzelne in das Internet ausgelagerte Übung handeln oder um ausführlicher angelegte interaktive Unterrichtseinheiten. Diese verlagern dann meist weitere Veranstaltungsinhalte in die Onlinesitzungen der Studierenden. Als Modul eines umfassenden E-Learning-Konzepts implementieren virtuelle Labore den Praxisbezug in ingenieur- und naturwissenschaftliche Lernportale. Diese sollten im Idealfall alles Notwendige für das Selbststudium, die Er- und Ausarbeitung wie Vertiefung von Studieninhalten bereit halten.

Gestaltung

Die Rubrik Lehrszenarien berät Sie allgemein, wie Sie virtuelle Lernplattformen bis zur Integration von Prüfungsleistungen mit digitalen Medien gestalten können. Spezifische Hinweise zu virtuellen Laboren gibt der Bereich Praktikum.

Im Zusammenhang mit der Einbindung virtueller Labore ist zu berücksichtigen, dass die Experimente nicht zum dekorativen Element geraten, sondern als Übungsmodul sinnvoll mit benachbarten Themenfeldern verzahnt sind: In einem bibliothekähnlichen Bereich sollten sich die Studierenden Hintergrundwissen erarbeiten können. Neben notwendigen, fachlichen Materialien können Sie Vorlesungsskripte-, mitschnitte, Folien und Lehrvideos zur Verfügung stellen. Bedienhandbücher und Gerätedokumentationen ergänzen telematische Versuche. Handbücher und Spezifikationen stimulieren das Interesse für die verwendeten Simulationswerkzeuge.

Die Versuche selbst sollten durch eine präzise Präsentation des Ablaufs, der Aufgaben und Übungen inhaltlich eingeleitet werden. Ein Advance Organizer oder ein gesonderter Motivationsbereich mit vorbereitenden Aufgaben und Selbsttests zur Lernzielkontrolle kann die Hinführung zusätzlich unterstützen. Zur Übertragung, Speicherung und Bewertung der Ergebnisse ist die Einrichtung eines Rückkanals sinnvoll, ebenso für den Austausch zwischen Lehrenden und Studierenden. Die Kommunikation kann synchron – z. B. im Chat mit einem Tutor – oder asynchron – z. B. als Forumsbeitrag – erfolgen.

Beispiele

• An der FH-Reutlingen vermitteln virtuelle Übungen Kenntnisse in der Praxis Automatisierter Anlagen und der Informatik virtueller Systeme. Um sich das notwendige Know-how für die Versuchsdurchführung erarbeiten zu können, sind die Übungen in ein informatives Set eingebettet.
• Das modulare Webportal GETsoft verfügt über ein Belohnungssystem als Motivationsanreiz für eigenaktiv Studierende. Des Weiteren animieren regelmäßige Leistungstests zu kontinuierlicher Studienarbeit. Mehr zu „GETsoft“ in der Rubrik Referenzbeispiele.

Hochschulübergreifende, standortunabhängige Einrichtungen

Ein Alleinstellungsmerkmal von E-Learning-Elementen ist die komfortable, dezentrale Nutzbarkeit. Als veranstaltungsunabhängig konzipierte Module können virtuelle Versuche sehr gut zu Gesamtpraktika gebündelt werden: beispielsweise zu einem Grundlagenpraktikum für untere und mittlere oder einem Fachpraktikum für höhere Semester. Diese können die Studierenden dann nach individuellem Bedarf und Zeitbudget, aber auch losgekoppelt von einem bestimmten Standort absolvieren. Dadurch können virtuelle Labore interdisziplinär und hochschulübergreifend genutzt werden.

Auf der einen Seite vervielfacht der Austausch virtueller Laboratorien das Angebot für die Studierenden. Ihnen kann der Zugang zu Geräten und Versuchen ermöglicht werden, die am jeweiligen Studienort nicht zur Verfügung stehen. Ein Beispiel sind Computer-Tomografie-Anlagen (CT) für die Bauteilprüfung. Der Zugriff auf CT-Anlagen ist an den Hochschulen derzeit kaum gegeben, die Bauteilprüfung hingegen ein wichtiges Thema in den maschinenbauorientierten Studiengängen.

Auf der anderen Seite erlauben es die Kooperationen der einzelnen Hochschule, sich im Praxisbereich auf bestimmte Kernkompetenzen zu konzentrieren und zu spezialisieren, ohne dabei die Breite der Ausbildung zu vernachlässigen.

Um die Verbund- und Kooperationseffekte ideal auszunutzen, bietet sich die Integration entsprechender Experimente und Module in ein übergeordnetes Webportal an. Es sollte Lernenden wie Lehrenden einen Überblick über die virtuell erschlossenen Themengebiete vermitteln. Die Nutzer sollten sich orientieren können, welche Module sinnvoll miteinander zu kombinieren sind, wie sie aufeinander aufbauen und in welcher Reihenfolge sie durchgeführt werden müssen. Zudem sollte ein Berater bei offenen Fragen kontaktiert werden können.

Ein hochschulübergreifendes Netzwerk virtueller Versuche verfügt nicht nur über ein breiteres Angebot, sondern kann verschiedene Lern- und Ausbildungsstufen auch differenzierter berücksichtigen. Zudem wird den Studierenden ermöglicht, Praxiserfahrungen auch auf internationaler Ebene zu sammeln. Aus diesem Grund ist es ggf. sinnvoll, bei der Entwicklung virtueller Labore begleitend eine englische Version zu erstellen.

Beispiele

• Die Plattform Virtuelle Labore für die Lehre in den Naturwissenschaften vereint mehrere virtuelle Praktika unter ihrem Dach. Die Bandbreite reicht von Versuchen für die gymnasiale Oberstufe bis zum Hauptstudium. Ein Physiklabor erschließt dem Biologen die Nachbarwissenschaft. Die einzelnen Projekte stellen wir Ihnen in der Rubrik Referenzbeispiele detaillierter vor.
• Der Verbund Virtuelles Labor ist beispielhaft für hochschulübergreifende Kooperationen: Über das Webportal stehen rund 60 Teleexperimente und multimediale Übungen via Internet aus den Fachgebieten Automatisierungstechnik, Reglungstechnik, Robotik, Werkzeugmaschinen, Bildverarbeitung, Informatik und Kommunikationstechnik zur Verfügung. Sie sind mit Lehrmaterialen verknüpft und in der Praxis erprobt. Weitere Informationen zum Verbund enthält die Rubrik Referenzbeispiele.
• Im europäischen Projekt LabLink (Oktober 2001-2003) bemühten sich neun internationale Hochschulen um den Aufbau virtueller Laboratorien. Das Ziel war, technisch orientierten Studenten die Durchführung von Versuchen und Bearbeitung von Lerneinheiten über das Internet zu ermöglichen. Im Austausch sollte sich das Angebot für den einzelnen Lernenden vergrößern.

Weiterbildungsangebote & Vermarktung

Veranstaltungsneutrale E-Learning-Angebote mit integrierten Laborpraktika können darüber hinaus zu Fernstudiengängen ausgebaut werden. Beispiele aus diesem Bereich kommen häufig aus den nichttechnischen Wissenschaften. Über den Einsatz virtueller Labore lassen sich hier folglich ganz neue Zielgruppen erschließen. In diesem Lehrszenario erarbeiten sich die Studierenden ihre Studieninhalte rein anhand von online bereit gestellten Materialien, Übungen, Simulationen und Versuchen. Ihnen allein obliegt die Taktung des Lernens und ermöglicht daher eine hohe zeitliche Flexibilität. Letztgenanntes schätzen besonders erwerbstätige Studenten oder Teilnehmer dualer Programme, die ihr Studium neben dem Arbeitsalltag in einem Unternehmen organisieren müssen.

Virtuelle Labore lassen sich nicht nur für die außeruniversitäre Aus- und Weiterbildung nutzen, sondern auch für die betriebliche Fortbildung. Unternehmen könnten zum Beispiel auf Roboter- und Maschinenlabore online zugreifen, um in der vorlesungsfreien Zeit Mitarbeiter in den entsprechenden Bereichen zu schulen. Zusätzlich ist es möglich, die technische Architektur virtueller Labormodule komplett zu vermarkten. Zu diesem Zweck sollte sie so aufgebaut sein, dass diese zur einfachen Nachnutzung und zur Verwendung in anderen Fachbereichen geeignet ist. In dieser Form können prototypisch entwickelte Plattformen angeboten werden, die inhaltlich und strukturell leicht zu verändern sind. Diese Umgebungen können dann an die Vorstellungen und Bedürfnisse der einzelnen Dozierenden angepasst, im (curricularen) Austausch zwischen den Hochschulen verwendet oder als geldwerte Produkte am Markt platziert werden.

Beispiele

• GenLab – das virtuelle gentechnische Praktikum – ist auf CD-ROM über den Handel erhältlich. Es vermittelt die theoretischen und praktischen Grundlagen der Gentechnik. Kernstück ist ein virtuelles Labor zur interaktiven und realitätsnahen Simulation gentechnischer Experimente.

• Ein Beispiel für ein mediengestütztes Fernstudienangebot ist der Früheinstieg ins Physikstudium (FiPS). Simulationsprogramme, Videos, Demonstrationen von Experimenten und anderen Multimedia -Zusätze können per Internet oder CD-ROM betrachtet und bearbeitet werden. Weitere Informationen zu FiPS enthält die Rubrik Referenzbeispiele.

• VELO – das Virtual Electronic Laboratory – lässt sich mit wenigen Änderungen auch in anderen Kontexten verwenden. VELO basiert auf XML.

Katalysator für neue Lehr- und Lernstrategien

Digitale Medien bereichern die Palette etablierter Lehrszenarien, indem sie Lernerfahrungen realisieren, die bisher nicht möglich waren. Die Metapher des wissenschaftlichen Labors kann genutzt werden, um Probleme in einem praktischen Umfeld zu simulieren und zu visualisieren. Damit entstehen zusätzliche curriculare Bausteine, die den Studierenden das Verständnis abstrakter Theorien, Modelle und Methoden enorm erleichtern. Im Statistiklabor lassen sich zum Beispiel reale Daten integrieren, um authentische statistische Probleme zu bearbeiten. Alle Operationen werden umgehend visualisiert. Interaktive Experimente motivieren zur Entwicklung konstruktiver Lösungsstrategien.

Dieses virtuelle Labor wird als Gegengewicht zur reinen Methodenorientierung im Fachbereich eingesetzt. Mit virtuellen Laboren eröffnen sich zudem der Forschung neue Wege. Um kollaborative Komponenten ergänzt eignen sie sich als Forschungs- und Entwicklungsumgebung. Wissenschaftler und fortgeschrittenere Studenten können sie telekooperativ für die interdisziplinäre oder internationale Zusammenarbeit einsetzen.