1 Erfahrungen im Einsatz von Neuen Medien in der Physiklehre Gerd Kortemeyer Michigan State University November 2006 Leibniz Universität Hannover

Gliederung Teil 1: Geschichte Teil 2: Aufbau des Systems Verteilte Inhaltsbibliothek Inhaltszusammenstellung Kursverwaltung Teil 3: Übungs- und Prüfungsaufgaben Teil 4: Effektivität Teil 5: Diskussionsanalyse als ein spezielles Forschungsgebiet Teil 6: Ausblick

Teil 1 Teil 1: Geschichte

Geschichte 1992: CAPA (Computer-Assisted Personalized Approach) wird erstmalig in einer Physikvorlesung mit 90 Studierenden eingesetzt. Reines Hausübungssystem Wurde bald an einer Reihe anderer Unis eingesetzt Jährliche Konferenzen Tauschbörsen: Austausch von Übungen CAPA Problems

Geschichte 1997: LectureOnline Hausübungen und Lehrmaterialien Gemeinsames Pool von Materialien innerhalb einer Uni Werkzeuge zur Inhaltszusammenstellung innerhalb von Kursen Andere Unis verwenden das System Inhalts- bibliothek Inhalts- bibliothek Kurs- Verwaltung Kurs- Verwaltung Inhalts- zusammenstellung Inhalts- bibliothek Inhalts- bibliothek Kurs- Verwaltung Kurs- Verwaltung Inhalts- zusammenstellung FTP

Geschichte 1999: Zusammenarbeit von CAPA und LectureOnline Start des LearningOnline Network with Computer-Assisted Personalized Approach (LON-CAPA) 2000: National Science Foundation Information Technology Research Grant Investigation of a Model for Online Resource Creation and Sharing in Educational Settings 5-Jahres Projekt 2,1 Millionen Dollar

Geschichte Ziele des Projektes: Aufbau einer über Institutionsgrenzen hinweg nutzbaren Bibliothek wiederverwendbarer Lernobjekte Entwicklung von Geschäftsprozessen innerhalb des Verbundes Entwicklung von didaktischen Leitlinien zur Erzeugung effektiver Lernobjekte Entwicklung von Mechanismen zur Qualitätskontrolle der Lernobjekte

Geschichte: Wachstum 2006: Ende des NSF Projektes Teilnehmer 48 Schulen 40 Hochschulen 6 Verlagsgesellschaften Über Studierende jedes Semester

Geschichte: Wachstum Unerwartete Popularität an Schulen

Geschichte: Inhaltsbibliothek LON-CAPA Inhaltsbibliothek August 2006 VerfügbarAktiv genutzt Über Institutions- grenzen hinaus aktiv genutzt Bilder Übungsaufgaben Webseiten Wiederverwendbare Inhaltszusammen- stellungen Animationen und Simulationen Filme und Soundfiles Andere (MS Office, etc) Gesamt

Geschichte: Nachhaltigkeit Nachhaltigkeit erreicht durch Kommerzielle Ausgründung Gemeinnütziges LON-CAPA Academic Consortium

Geschichte: Ausgründung eduCog, LLC Gegründet 2005 Stellt heute LON- CAPA bereit für 2 Hochschulen 32 Schulen 6 Verläge

Geschichte: Academic Consortium Gründungsmitglieder: Michigan State University und University of Illinois at Urbana-Champaign Associate Member: Simon Fraser University Verpflichtungen in Höhe von $2.15 Millionen über die nächsten fünf Jahre

Teil 2 Teil 2: Aufbau des Systemes

Campus A Campus B Logischer Aufbau Verteilte Inhaltsbibliothek über Campusgrenzen hinaus Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem

Campus A Campus B Logischer Aufbau Verteilte Inhaltsbibliothek über Campusgrenzen hinaus Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem

Verteilte Inhaltsbibliothek Netzwerk von ständig verbundenen Servern Aufgeteilt in Domains, z.B. MSU oder FSU

Verteilte Inhaltsbibliothek Supermarkt Virtuelles Filesystem Geordnet nach Domain Autor Verzeichnisstruktur des Autors

19 Verteilte Inhaltsbibliothek

20 Hausübungs- und Testprobleme Verschiedene Optionen, Bilder, Nummern, Graphen, etc Gleiches Problem, zwei Studierende Mehr dazu später Verteilte Inhaltsbibliothek

Aufgabensammlungen zu Vorlesungstexten Verlage beauftragen Firmen, die Aufgaben in LON-CAPA Format bereitzustellen Bibliotheken werden freigeschaltet für Kurse, die diese Texte benutzen Keine zusätzlichen Kosten, stattdessen Anreiz für Lehrende, dieses Buch auszuwählen Verteilte Inhaltsbibliothek

Alle Daten (Seiten, Aufgaben, Rechtedateien, Metadaten, Inhaltszusammenstellungen, etc) sind intern in XML oder XHTML dargestellt Gesamtsystem: eingebaute Runtime-Umgebung Keine Kompatibilitätsprobleme, kein Import/Export notwendig Ein Quellcode, viele Darstellungsziele Umsetzung von XML nach Darstellung on-the-fly Verteilte Inhaltsbibliothek Quellcode Online Druck

Konfigurierbare Onlinedarstellung Als HTML (tth)Als Bild Mit Mathtype-Fonts Weitgehend Browserkonfiguration browserkompatibel Sehr kompatibelnotwendig Geringe BandbreiteHohe BandbreiteGeringe Bandbreite Eingebaute Runtimeumgebung: Kombination XML/LaTeX Verteilte Inhaltsbibliothek

Druck: HTML->LaTeX PDF Ausgabe Eingebaute Runtimeumgebung: Kombination XML/LaTeX Verteilte Inhaltsbibliothek

Campus A Campus B Logischer Aufbau Verteilte Inhaltsbibliothek über Campusgrenzen hinaus Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem

26 Inhaltszusammenstellung Schreibt Modul über statistisches Mittel Schreibt Modul über statistische Fehler Schreibt Modul über Meinungsforschung Benutzt dies in seinem Kurs

Verteilte Inhaltsbibliothek Supermarkt Einkaufswagen: Resource Assembly Tools

Inhaltszusammenstellung Verschachtelte Struktur Keine festgelegten Granularitäten Leute können sich darauf nicht einigen Lernobjekte existieren auf jeder Stufe und können auf jeder Stufe wiederverwendet werden

Inhaltszusammenstellung Inhalts- zusammen- stellung Lehrpfads- festlegung

Inhaltszusammenstellung Das Auffinden von Resources kann schwer sein Statische Metadaten häufig nicht vollständig ausgefüllt Keine Information über die Qualität der Resources Lösung: dynamische Metadaten

Campus A Campus B Logischer Aufbau Verteilte Inhaltsbibliothek über Campusgrenzen hinaus Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem

32 Statische Metadaten: Dublin Core, IMS Katalogisierungsunterstützung Dynamische Metadaten: Verwendungsdaten Inhaltszusammenstellung

Suchrelevanz Inhaltszusammenstellung

34 Inhaltszusammenstellung Browsing

Campus A Campus B Logischer Aufbau Verteilte Inhaltsbibliothek über Campusgrenzen hinaus Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem Inhalts -zusammenstellungs -werkzeuge Kursverwaltungssystem

Kursverwaltung

Mittlere Ebene: Inhaltszusammen- stellung Navigation wird daraus dynamisch erzeugt

Teil 3 Teil 3: Übungs- und Prüfungsaufgaben

Übungs- und Prüfungsaufgaben Verschiedene Studierende bekommen verschiedene Versionen der gleichen Aufgabe Natürlich das Übliche: Mehrfachauswahlen Klicke-auf-Bild Zuordnungsaufgaben Rankordnungsaufgaben Alles kann mit Medien angereichert werden

Mathematische Aufgaben Auswertung symbolischer Ausdrücke

Aufgaben für die Chemie Chemische Formeln und Strukturen

Aufgaben für die Physik Unterstützung physikalischer Einheiten

Graphen Dynamische Erzeugung von Graphen

Nichtautomatische Benotung

Einreichen von Dateien aus dem Portfolio Mehrere HiWis benoten: Queue

Übungsaufgaben Feedback an den Studierenden mache ich ausreichend Fortschritte? was wird erwartet? Feedback an den Lehrenden wie kommen meine Studiernden voran? worauf muss ich in der Vorlesung näher eingehen und worauf nicht? Just-In-Time Teaching (Probleme fällig vor der Vorlesung)

Feedback an den Lehrenden

Individuelle Nachrichten Feedback an den Lehrenden

Prüfungsaufgaben

Prüfungsaufgaben zur Nachbereitung

Teil 4 Teil 4: Effektivität

Effektivität Übung macht den Meister Zeit mit dem Material verbringen

60 x5 Zeit mit dem Material

Akademisches Jahr 2004/2005 Circa (Herbst) and (Frühling) Studierende an der MSU Logins in den ersten 16 Tagen des Semesters Logins im März, sieben Monate später

Zeit mit dem Material

Prüfungs- und Kursnoten Vorher/Nachher

Gender Differential phy231: ohne CAPA phy232: mit CAPA Geschlechter- unterschied

Problem A bug that has a mass m b =4g walks from the center to the edge of a disk that is freely turning at 32rpm. The disk has a mass of m d =11g. If the radius of the disk is R=29cm, what is the new rate of spinning in rpm?

Solution No external torque, angular momentum is conserved Bug is small compared to disk, can be seen as point mass

Student Discussion Student A: What is that bug doing on a disk? Boo to physics. Student B: OHH YEAH ok this should work it worked for me Moments of inertia that are important.... OK first the Inertia of the particle is mr^2 and of a disk is.5mr^2 OK and angular momentum is conserved IW=IWo W=2pi/T then do this.5(mass of disk)(radius)^2(2*pi/T original)+ (mass of bug) (radius of bug=0)^2= (.5(mass of disk)(radius)^2(2pi/T))+ (mass of bug)(radius of bug)^2(2*pi/T) and solve for T

Student Discussion (continued) Student C: What is T exactly? And do I have to do anything to it to get the final RPM? Student B: ok so T is the period... and apparently it works for some and not others.... try to cancel out some of the things that are found on both sides of the equation to get a better equation that has less numbers in it Student D: what did I do wrong? This is what I did. initial inertia x initial angular velocity = final inertia x final angular velocity. I=mr^2, angular velocity = w... so my I initial was (10g)(24 cm^2) and w=28 rpm. The number calculated was g *cm^2. Then I divided by final inertia to solve for the final angular speed. I found final Inertia by ( 10g +2g)(24 cm^2)=6912. I then found the new angular speed to be 23.3 rpm. This was wrong...what did I do incorrectly?

Student Discussion (continued) […] Student H: :sigh: Wow. So, many, little things, can go wrong in calculating this. Be careful. […] None of the students commented on Bug being point mass Result being independent of radius No unit conversions needed Several wondered about the radius of the bug Plug in numbers asap Nobody just posted the symbolic answer Lots of unnecessary pain

Where Online Homework Fails Online homework can give both students and faculty a false sense of security and accomplishment Most students got this problem correct … but at what cost? … how much physics have they really learned? This would not have remained undetected in hand-graded homework

… At the Same Time: If you want to know how students really go about solving problems, this is the ideal tool: Every student has a different version, so the discussion is not just an exchange of answers All discussions are automatically contextual Students transcribe their own discussion - compare this to the cost of taping and transcribing verbal discussions Discussions are genuine, since the students have a genuine interest in solving the problems in the way that they perceive to be the most efficient

Possibilities for Qualitative Research Analyze students understanding of a certain concept Find student misconceptions Identify certain problem solving strategies Evaluate online resources

Possibilities for Quantitative Research Classify student discussion contributions Types: Emotional Surface Procedural Conceptual Features: Unrelated Solution-Oriented Mathematical Physics

Classifying Discussions From Three Courses Discussions from three introductory physics courses:

Quantitative Research: Classifying the Problems Classifying the problems by question type Multiple Choice (incl. Multiple Response) have the highest percentage of solution-oriented discussions (that one is right), and the least number of physics discussions. Physics discussions highest in ranking and click-on- image problems Problems with representation-translation (reading a graph, etc): slightly less procedural discussions, more negative emotional discussion (complaints)

Influence of Degree of Difficulty Harder than 0.6: more pain, no gain

Do Good Students Discuss Better?

Conclusion A lot can be learned from online student discussions in LON-CAPA Ideal setup for discourse analysis: Direct exchange of answers impossible Discussions in context Immediately transcribed Even if not for research, reading them can help with just-in-time teaching At the very least, gives a reality check

Teil 5 Teil 5: Ausblick

Symbolische Mathematik Integration eines symbolischen Algebrasystems Maxima Zusammenarbeit mit Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel

Übungen im Hörsaal Hörsaalnutzung von LON-CAPA Next generation clickers

Zusammen- arbeit mit Mazur Gruppe an Harvard und Bill Junkin an Erskine College Importiert, wird gerade korrigiert Übungen im Hörsaal

83 Anerkennung: Förderung Anfänglich an der Michigan State University entwickelt Weitere Unterstützung von den Sloan und Mellon Foundations Derzeit finanziell unterstützt von Michigan State University und der National Science Foundation, sowie akademischen Partnerinstitutionen