Digitale Mathematik-, Statistik- u. Physikaufgaben

Für viele Studierende in Ingenieurs- u. Informatikstudiengängen stellen Mathematik, Statistik und Physik eine Herausforderung dar. Zusätzlich zur Vorlesung sollten diese Studierenden deshalb regelmäßig üben, wozu sich jedoch nicht alle Studierende selbst motivieren können. Zudem werden Inhalte der Vorlesung oft nur gehört aber nicht wirklich in der erforderlichen Tiefe verstanden. Dozierende haben dabei leider zu wenig Ressourcen, um jedem einzelnen Studierenden regelmäßig ein Feedback zu geben

Um die Studierenden zu regelmäßigem Üben zu animieren, wurden digitale Aufgaben entwickelt, die die Studierenden in regelmäßigen Abständen bearbeiten müssen bzw. sollten. Durch erfolgreiches Bearbeiten der Aufgaben erhalten unsere Studierenden momentan einen Bonus zur Klausur – andere Motivationsanreize sind natürlich denkbar.

Nach der Bearbeitung der Aufgaben erhalten die Studierenden direkt ein automatisches Feedback. Damit können sie ihren Lern- bzw. Kenntnisstand selbst einschätzen und die Dozierenden erhalten einen effizienten Überblick über den Stand der Studierendengruppe.

Bei den Aufgaben handelt es sich größtenteils um Übungsaufgaben zum Erlernen und Trainieren der Rechenfertigkeiten, aber auch um Verständnisaufgaben zu den Lehrinhalten. Die Übungsaufgaben sind in verschieden zufallsabhängigen Varianten implementiert, so dass die Aufgaben sich einerseits zum mehrfachen Üben eignen und andererseits für Online-Tests eingesetzt werden können.

Die Aufgaben wurden im Rahmen des Teilprojekts „Digitale Übungsaufgaben mit individualisiertem Feedback“ seit dem Wintersemester 2022/23 in den Grundlagenvorlesungen in Mathematik, Statistik und Physik in allen Bachelorstudiengängen der Fakultät IT erprobt.

Unsere digitalen Aufgaben sind überwiegend* mit dem Plugin STACK umgesetzt, welches für die Lernplattformen Moodle und Ilias verfügbar ist. Daher ist der Einsatz einer dieser Lernplattformen Voraussetzung zur Nut-zung oder zur Entwicklung von STACK-Aufgaben.

Kenntnisse zur Implementierung von STACK-Aufgaben konnten sich anhand von STACK-Dokumentation angeeignet werden, z.B.

https://github.com/maths/moodle-qtype_stack/blob/master/doc/en/Developer/index.md

https://stack-assessment.org/

Für Aufgaben mit etwas komplizierterem Aufbau (z.B. graphische Elemente oder eine anspruchsvollere GUI) waren teilweise JSXGraph- und JavaScript-Kenntnisse hilfreich.

*Ein kleiner Teil unserer Aufgaben ist direkt mit den Moodle-Standard-Fragetypen umgesetzt.

Es fanden mehrere Studierendenevaluationen zum Einsatz der digitalen Aufgaben statt. Neben Feedback zur Umsetzung, wurden unsere Konzepte von den Studierenden gelobt und als sinnvoll eingeschätzt.

Die Studierenden gaben an, besonders von den regelmäßig angesetzten Tests (fünf Tests mit je ca. sieben bis zwölf Aufgaben im Laufe eines Semesters) profitiert zu haben, da diese sie motiviert hatten, sich schon während des laufenden Semesters (und nicht erst kurz vor der Klausur) mit den Vorlesungsinhalten intensiver auseinander zu setzen. Außerdem schätzten sie die angebotenen unbewerteten Verständnis-Quizzes, mit welchen das Verständnis im Nachgang einer Lerneinheit geprüft werden kann. Sie gaben an, dass diese Quiz-zes ihnen Sicherheit gegeben haben.

Zur Anwendung der Aufgaben:

Aufgaben zur freiwilligen Bearbeitung werden nur von wenigen Studierenden genutzt. Daher sind Anreizsysteme oder Verbindlichkeiten sinnvoll.

Es ist zu beachten, dass die Aufgaben mittlerweile größtenteils relativ gut durch KI gelöst werden können. Wenn die Lösung der Aufgaben einen Beitrag zur Klausurleistung darstellen sollen, dann sollte die Verwendung von KI verhindert werden, z.B. durch Tests unter Aufsicht oder zumindest erschwert werden, z.B. durch ein Zeitlimit.

Zur Entwicklungsphase während der Projektlaufzeit:

Gute Mitarbeitende in den MINT-Fächern zu finden und auf einer befristeten Stelle (ggf. noch Teilzeit) zu halten, ist sehr schwer. Nicht besetzte Stellen verzögern dann natürlich den Projektfortschritt.

* Ein frühzeitiges Feedback der Zielgruppe (Studierende) ist wichtig. Das Herunterbrechen des Projek-tes in viele kleine in sich abgeschlossene Einheiten erwies sich als sinnvoll, um frühzeitig erste Einheiten in der Praxis einzusetzen, zu evaluieren und Erkenntnisse in die Entwicklung weiterer Einhei-ten einfließen lassen zu können.

* Es ist schwer, gute oder auch nur geeignete Mitarbeitende in den MINT-Fächern zu finden.

* Die Mitarbeit von Studierenden erfordert viel Einarbeitungszeit und Koordinationsaufwand, bringt aber auch wertvolle Ideen und Sichtweisen mit ein.

* Es ist wichtiger, eine große Bandbreite an verschiedensten Aufgaben zu entwickeln, als die Möglichkeiten des differenzierten Feedbacks von STACK für potenzielle Fehlerfälle auszureizen (Rückmeldebäume nicht zu detailliert gestalten).

* Komplex gestaltete Aufgaben, z.B. mit JavaScript- oder JSXGraph-Elementen, sind problemanfällig bei Moodle-Updates.

Die Stellen für die Teilprojekt-Mitarbeitenden sollten sehr frühzeitig ausgeschrieben werden.

* sehr frühzeitige Stellenausschreibung nach Mitarbeitenden

* direkte Einbindung von Studierenden in das Projekt durch studentische Hilfskräfte, Studien- und Ab-schlussarbeiten

* regelmäßige Evaluation durch die Zielgruppe

* bei der Entwicklung der Aufgaben eine möglichst große Bandbreite an Aufgaben abdecken

* bei der Gestaltung einzelner Aufgaben durch Zufallskomponenten unterschiedliche Aufgabenvariante erzeugen, die nicht nur in den Zahlenwerten variieren, sondern auch im Typ der Aufgabe