Nano-World

Das interdisziplinäre virtuelle Labor für Nanowissenschaften

"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.org

Institution

Universität Basel

Ansprechpartner/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