Nano-World
Das interdisziplinäre virtuelle Labor für Nanowissenschaften
03.02.2005

"Nano-World" ermöglicht virtuelle Experimente aus den verschiedenen
Disziplinen der Nanowissenschaften. Diese können mathematisch
simuliert,
datenbankbasiert
oder real ferngesteuert sein. Die
virtuellen Labore
und Experimente von "Nano-World" sind auf moderne
Arbeitsmethoden der Forschung in den betreffenden Wissenschaften abgestimmt.
"Nano-World" schlägt eine Brücke zwischen theoretischer und praktischer
Arbeit und transferiert aktuelle Forschungsergebnisse in die Lehre. In
virtuellen Räumen können die Studierenden (gemeinsam) Experimente
durchführen und sich über diese online austauschen.
"Nano-World" ist insbesondere beispielhaft dafür, dass mediengestütztes
Lernen an offenen Aufgaben eine hohe Motivation erzielt und die Studierenden
sich gleichzeitig wichtige Arbeitstechniken und Teamorganisation
aneignen.
Ziele und Inhalte
Die Fragestellungen der Nanowissenschaften als interdisziplinäres Thema
werden sowohl in einem neuen eigenständigen Studiengang als auch im Rahmen
herkömmlicher Studiengänge der Physik, Chemie und Biologie behandelt.
"Nano-World" vermittelt Methodenkompetenzen bei der Arbeit mit Instrumenten
aus den Nanowissenschaften und ein vertieftes Verständnis der physikalischen
Prozesse, die den einzelnen Experimenten zugrunde liegen.
Die Studierenden lernen, selbstständig eine Gruppe zu organisieren und üben
sich in Teamarbeit und Projektmanagement. Sie erhalten Einblick in die
Arbeitsweise von WissenschaftlerInnen und Labors. Die Lernziele der
einzelnen Experimente können von der Hochschule entsprechend ihren Testat-
und Prüfungskriterien selbst bestimmt werden.
Mit entsprechender Anpassung der Inhalte und Aufgaben ist "Nano-World" auch
einsetzbar in Ingenieurwissenschaften, Pharmazie, Medizin.
Didaktisches Konzept
Die Studierenden bearbeiten anhand eines Leitfadens mit einem virtuellen
Messgerät Fragestellungen zu einzelnen Themen aus der aktuellen Forschung.
Das nötige Faktenwissen können sie sich mit Hilfe des
multimedialen
Nachschlagewerks, das zu jedem Experiment bereitgestellt
wird, aneignen. Jedes einzelne virtuelle Labor von "Nano-World" ist als
virtueller Raum konzipiert, in dem sich gleichzeitig mehrere Studierende
aufhalten können. Sie sehen
synchron
das gleiche Experiment ablaufen, sehen die Benutzereingriffe
der anderen und können über interne sowie externe Kommunikationskanäle
Lösungswege besprechen. Bei Schwierigkeiten kann ein Tutor gerufen werden.
Die Studierenden fassen ihre Arbeit und ihre Resultate in einem
elektronischen Praktikumsprotokoll zusammen. Dieses wird dem Tutor zur
Bewertung abgegeben, der dann über die Vergabe der Kreditpunkte
entscheidet.
Den Studierenden wird über multimediale Elemente - dynamische,
interaktive
und realistische Visualisierungen - einerseits Faktenwissen,
das für die Bearbeitung der Experimente im (virtuellen) Labor benötigt wird,
und andererseits prozedurales Wissen und Fertigkeiten zur Durchführung von
Experimenten vermittelt. Gelernt wird nach den Prinzipien "learning by
doing" und "trial and error". Dementsprechend offen sollen die Aufgaben
formuliert sein. Die Erfahrungen und kognitiven Konflikte beim Fehlermachen
und mit Fehlfunktionen - auch mit Verfälschungen von Messdaten durch die
Messung selbst - sind wichtige Bestandteile des beabsichtigten
Lernprozesses, ebenso wie die kooperativen Arbeitsformen, die denen eines
realen Labors entsprechen. Durch die tutorielle Betreuung und Anleitung wird
eine Überforderung vermieden. Die Administration und Darstellung sowie das
Benutzer-Interface bleiben für die Studierenden bei allen Labors gleich, so
dass stets in einem gewohnten Umfeld gearbeitet wird.
Im Rahmen entsprechender Arbeiten können sich einzelne Studierende selbst an
der Ausarbeitung der Lehrinhalte für die nächste Generation
beteiligen.

Abb.: Simulation zur Berechnung der Verteilung des
elektrischen Feldes
in einem Konfokal-Mikroskop
Allgemeine Informationen zu virtuellen Praktika, insbesondere Simulationen, finden Sie in der Rubrik Lehrszenarien. Hinweise zur Visualisierung bei Simulationen bietet der Bereich Mediengestaltung.
Curriculare Verankerung
- Universität Basel: "Nano-World" ist fest integriert in das Curriculum der Nanowissenschaften sowie der Physik im Rahmen des Praktikumsbetriebs; die Rahmenbedingungen entsprechen denen bei herkömmlichen Praktika.
- Universität Bern: Ausgesuchte Simulationen sind eingebaut in den bestehenden Übungsbetrieb. Virtuell behandelte Kapitel werden in der Präsenzvorlesung übersprungen.
- Universitäten Bern, Fribourg, Neuchâtel: Postgraduierte und Doktoranden können mit einzelnen Experimenten aus dem virtuellen Labor einen Teil der Pflichtlektionen abdecken.
Technik
Zugang
Eine Demonstration einiger in der Lehre eingesetzter Labore ist frei
zugänglich.
Nutzung
Die Simulationen sind als
JAVA Applet
realisiert. Das Faktenwissen wird als
Flash
oder
QuickTime
angeboten.
Benötigte Software
aktueller Internet-
Browser,
Java 1.3
(besser 1.4), QuickTime 5.0, Flash Player 6.0
Entwicklung
"Nano-World" wurde auf der Basis von Open-Source-Komponenten und weitgehend
W3C
-Standards berücksichtigend realisiert. Das Labor-Framework vexp
wurde in JAVA 1.3 implementiert; damit können weitere Labors generiert
werden. Der statische Inhalt wurde in
XML
-
SCORM
-ähnlichen Bibliotheken abgelegt.
Eine Programmieranleitung und der Quellcode kann vom SourceForge-Portal
bezogen werden.
Zielgruppe
Haupteinsatzbereich ist das Grundstudium naturwissenschaftlicher Studiengänge. Die Studierenden sollen lernen, selbstständig typischen Fragestellungen aus den Nanowissenschaften nachzugehen. Einzelne Experimente werden auch im Haupt- und Doktorandenstudium eingesetzt.
Rahmenbedingungen
"Nano-World" wird hauptsächlich als zweiwöchiger Blended Learning Blockkurs für Naturwissenschaftler im Nachdiplomstudium genutzt. Morgens wird jeweils die Theorie erklärt und in die Simulation eingeführt, am Nachmittag arbeiten die Studierenden im betreuten Selbststudium an den Simulationsprogrammen.
Ergebnisse
Während mehrerer Projektstadien fand eine formative Evaluation anhand
eines Prototype durch das eQuality-Team der Universität Zürich mit ganzen
Klassen von Gymnasiasten und Studierenden statt. Dabei wurden eine sehr hohe
Lernmotivation (18 von 20 Punkten) und ein guter Lernerfolg festgestellt.
Beim regulären Einsatz in der Lehre findet jedes Semester eine abschließende
Evaluierung mit objektiver und subjektiver Erhebung von Lernerfolg und
Motivation statt. Es wurde eine überdurchschnittlich hohe Motivation
aufgrund des spielerischen Elements und eine überdurchschnittlich hohe
Transferleistung auf reale Experimentiersituationen aufgrund der
Interaktivität festgestellt.
Die Verfügbarkeit des
Open-Source
-Programmier-Frameworks ermöglicht die Übertragung auf andere Lernszenarien
mit Laborexperimenten. Für die Erweiterung um weitere - auch fachfremde -
virtuelle Labors durch Studierende werden 12 Wochen veranschlagt.
Zum Projekt
Website
http://www.nano-world.orgAnsprechpartner/in
Dr. Tibor Gyalog
NCCR Nanoscale Science, Institut für Physik
Universität Basel
Klingelbergstr. 82
CH-4056 Basel
E-Mail:
Tibor.Gyalog@unibas.ch
Zeitraum
In der jetztigen Konsolidierungsphase wird das Lehr- und Lernangebot substantiell erweitert und verbessert. Weitere Überlegungen gehen in Richtung virtuelles Tutorium und Erweiterung um Komponenten, die eine Durchführung von Experimenten über Mobiltelefone und Personal Organizers gestatten.
Förderung
- Bundesprogramm Swiss Virtual Campus (SVC): Von 2000 bis 2002 im Umfang von CHF 475.000 (€ 320.000) für die Entwicklung der Inhalte und der rein virtuellen Experimente
- Gebert-Rüf Stiftung (www.grstiftung.ch): CHF 480.000 für die Entwicklung von LabView-Modulen zur Fernsteuerung realer Experimente über das vexp-Framework sowie eines realen Studierendenlabors (RemoteAFM)
- Dritter Preis der 4th ICNEE 2002 in Lugano (eClimate: Creating a Motivating Virtual Learning Environment)
Beteiligungen und Kooperationen
Universitäten Bern, Fribourg und Neuchâtel (CH), Fachhochschule Biel (CH), Technische Universität Dresden (D), Fachhochschule Basel (CH), Nanosurf AG, Liestal (CH), Arizona State University (USA)
Kategorisierung
Lehrfunktion
- Wissenserarbeitung
- Üben u. Anwenden
- Diskussion u. Austausch
- Motivation
- Feedback u. Lernerfolgskontrolle
Medieneinsatz
- Hypertext
- Simulation
- Animation
Fachbereich
- Ingenieurswissenschaften
- Medizin und Gesundheitswesen
- Naturwissenschaft und Mathematik
- Sonstiges
Lehrszenarien
- Praktikum
- Projekt
- Betreuung
Kategorie
- Lehr-/Lernszenario