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

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

2 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

3 Teil 1 Teil 1: Geschichte

4 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

5 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

6 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

7 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

8 Geschichte: Wachstum 2006: Ende des NSF Projektes Teilnehmer 48 Schulen 40 Hochschulen 6 Verlagsgesellschaften Über 30.000 Studierende jedes Semester

9 Geschichte: Wachstum Unerwartete Popularität an Schulen

10 Geschichte: Inhaltsbibliothek LON-CAPA Inhaltsbibliothek August 2006 VerfügbarAktiv genutzt Über Institutions- grenzen hinaus aktiv genutzt Bilder88079182629629 Übungsaufgaben800095797923816 Webseiten5797258882949 Wiederverwendbare Inhaltszusammen- stellungen 740531841299 Animationen und Simulationen 1575507338 Filme und Soundfiles742326105 Andere (MS Office, etc)113022484674 Gesamt2470848863038810

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

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

13 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

14 Teil 2 Teil 2: Aufbau des Systemes

15 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

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

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

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

19 19 Verteilte Inhaltsbibliothek

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

21 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

22 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

23 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

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

25 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 26 Inhaltszusammenstellung Schreibt Modul über statistisches Mittel Schreibt Modul über statistische Fehler Schreibt Modul über Meinungsforschung Benutzt dies in seinem Kurs

27 Verteilte Inhaltsbibliothek Supermarkt Einkaufswagen: Resource Assembly Tools

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

29 Inhaltszusammenstellung Inhalts- zusammen- stellung Lehrpfads- festlegung

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

31 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 32 Statische Metadaten: Dublin Core, IMS Katalogisierungsunterstützung Dynamische Metadaten: Verwendungsdaten Inhaltszusammenstellung

33 Suchrelevanz Inhaltszusammenstellung

34 34 Inhaltszusammenstellung Browsing

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

36 Kursverwaltung

37 Mittlere Ebene: Inhaltszusammen- stellung Navigation wird daraus dynamisch erzeugt

38 Teil 3 Teil 3: Übungs- und Prüfungsaufgaben

39 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

40 Mathematische Aufgaben Auswertung symbolischer Ausdrücke

41 Aufgaben für die Chemie Chemische Formeln und Strukturen

42 Aufgaben für die Physik Unterstützung physikalischer Einheiten

43 Graphen Dynamische Erzeugung von Graphen

44 Nichtautomatische Benotung

45 Einreichen von Dateien aus dem Portfolio Mehrere HiWis benoten: Queue

46 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)

47 Feedback an den Lehrenden

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53 Individuelle Nachrichten Feedback an den Lehrenden

54 Prüfungsaufgaben

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56 Prüfungsaufgaben zur Nachbereitung

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58 Teil 4 Teil 4: Effektivität

59 Effektivität Übung macht den Meister Zeit mit dem Material verbringen

60 60 x5 Zeit mit dem Material

61 Akademisches Jahr 2004/2005 Circa 12.600 (Herbst) and 10.800 (Frühling) Studierende an der MSU 100.000 Logins in den ersten 16 Tagen des Semesters 1.000.000 Logins im März, sieben Monate später

62 Zeit mit dem Material

63 Prüfungs- und Kursnoten Vorher/Nachher

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

65 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?

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

67 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

68 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 161280 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?

69 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

70 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

71 … 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

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

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

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

75 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)

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

77 Do Good Students Discuss Better?

78 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

79 Teil 5 Teil 5: Ausblick

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

81 Übungen im Hörsaal Hörsaalnutzung von LON-CAPA Next generation clickers

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

83 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 http://www.lon-capa.org/