Selbstständiges Erforschen physikalischer Systeme mit numerischen Methoden

Allgemeines

Lehrende:r
Christoph Norrenbrock

Veranstaltung
Selbstständiges Erforschen physikalischer Systeme mit numerischen Methoden

Modul
pb241 (Professionalisierungsbereich) Ausgewählte Aspekte der modernen Physik

Wahlpflichtmodul Professionalisierungsbereich Fach-Bachelor in Physik / Engineering Physics

Fakultät
V – Mathematik und Naturwissenschaften

Institut
Physik

Empfohlenes Semester
3.

Turnus
Variabel (am Anfang wöchentliche Sitzungen, in der Forschungsphase abhängig vom Forschungsstand gemeinsame Treffen und ca. alle zwei Wochen mit jeder Gruppe Einzeltreffen)

Anzahl Studierende
Durchschnittlich 7

KP des Moduls
6

Prüfungsform
Projektbericht

Kategorien
FLiF & FLiF+
Mathematik und Naturwissenschaften
Projekt

Kurzbeschreibung

In der Veranstaltung untersuchen die Studierenden ein physikalisches Modell mittels Computersimulationen. Die Studierenden haben hierbei die Möglichkeit entweder ein bereits aufbereitetes Projekt zu wählen oder mit Unterstützung des Veranstaltungsleitenden ein Eigenes zu entwerfen. Die Projekte bestehen aus einer Beschreibung eines physikalischen Modells, einführender Literatur und (in einigen Fällen) einem bereits lauffähigen Programm. Zunächst lernen die Studierenden ihr Projekt oder ihre selbst gewähltes Forschungsfeld anhand gestellter und selbst recherchierter Literatur kennen und formulieren mit Unterstützung des Veranstaltungsleitenden eine Forschungsfrage, die sie anschließend mit numerischen Methoden zu beantworten versuchen. Die hierfür benötigten Programmierkenntnisse werden in den ersten Wochen des Semesters gelehrt. Die Bearbeitung der Forschungsfragen wird in hohem Maße selbstständig durchgeführt und bei regelmäßigen Treffen mit dem Veranstaltungsleitenden diskutiert.

Umsetzungsstufen des Forschenden Lernens

Textuelle Beschreibung der Kriterien für das forschungsbasierte Lernen bzw. Forschende Lernen an der Universität Oldenburg: Nach der Oldenburger Konzeption des Forschenden Lernens ist es zentral, dass Studierende eigenständiges Forschen in den wesentlichen Phasen eines selbst gestalteten Forschungszyklus erleben. Forschendes Lernen im eigentlichen Sinne wird danach als kreativ-entdeckendes Selbst-Forschen verstanden, das über die erste Stufe einer Aneignung von Grundlagen, die zum Forschenden Lernen befähigen, und auch über die zweite Stufe des Analysierens von Forschung oder des Einübens von Methoden hinausgeht. Über Forschung zu lernen oder Forschen zu lernen findet in Teilaspekten auf allen Stufen statt - Forschendes Lernen selbst aber nur auf der dritten Stufe. Auf jeder dieser Stufen des Lernens mit Bezug zu Forschung kommen Aspekte der Phasen eines Forschungsprozesses zur Umsetzung. Für das vorliegende Konzept werden drei wesentlichen Phasen benannt. Das ist zunächst die Phase der Auseinandersetzung mit dem Forschungsstand und Erarbeitung einer Forschungsfrage, als zweite Phase der Bereich der Forschungsmethodik und Durchführung von Forschung und als dritte Phase die Präsentation von Forschungsergebnissen. Auf der ersten Stufe des Erlernens von Grundlagen stellen sich die als Phasen benannten Aspekte wie folgt dar: es findet erstens die Aneignung von Wissen über Forschungsergebnisse im Sinne der Auseinandersetzung mit einem Forschungsstand statt, zweitens die Aneignung von Wissen über Forschungsmethodik und drittens die Aneignung von Wissen über die wissenschaftliche Darstellung von Forschungsergebnissen. Auf der zweiten Stufe des Analysierens und Einübens werden die drei Phasen beschrieben als: erstens die Analyse und der Vergleich von Forschungsergebnissen, zweitens die Einübung, Analyse und Diskussion der Anwendung von Forschungsmethoden sowie drittens die Analyse und Einübung von Präsentationsformen. Auf der dritten Stufe, die das eigentliche Forschende Lernen beschreibt, sind die drei Phasen des Forschungszyklus sind von eigenständigen Aktivitäten der Studierenden geprägt. In der ersten Phase wird die Fachliteratur zu einem Forschungsgegenstand aufgearbeitet und eine Forschungsfrage formuliert. In der zweiten Phase wird eine methodengeleitete Untersuchung durchgeführt und ausgewertet. In der dritten Phase werden die eigenen Forschungsergebnisse präsentiert.
Die in der Veranstaltung umgesetzten Stufen sind farbig markiert.
Dieser Link führt zur barrierefreien Beschreibung der Matrix des Forschenden Lernens.

Umsetzung des forschungsbasierten Lernens

Es werden zu Beginn verschiedene Forschungsfelder vorgeschlagen, aus denen die Studierenden eines wählen können, wobei es ihnen ebenfalls erlaubt ist, ein Eigenes zu bestimmen oder zu entwickeln, falls es sich für eine numerische Bearbeitung eignet. Die gestellten Projekte enthalten eine Modellbeschreibung und Einstiegsliteratur. Eine selbstständige Literaturrecherche ist für die Bearbeitung der Projekte trotzdem erforderlich. Anhand ihrer Recherche formulieren die Studierenden in Abstimmung mit dem Veranstaltungsleitenden eine Forschungsfrage. Um den Studierenden dies zu vereinfachen, sind in der Projektbeschreibung bereits typische Fragestellungen vorformuliert, an denen sie sich orientieren können. Die für die Bearbeitung notwendigen Methoden (wie z. B. Algorithmen oder numerische Analyseverfahren), die in jedem Projekt häufig sehr unterschiedlich sind, werden in Einzelsitzungen zusammen mit dem Veranstaltungsleitenden erarbeitet und diskutiert. Die tatsächliche Durchführung (das Erstellen eines Programms und die Simulationen) werden weitgehend selbstständig durchgeführt, wobei in einem regelmäßigen Austausch mit dem Veranstaltungsleitenden auftretende Probleme besprochen und gelöst werden. Auch das weitere Vorgehen bei Zwischenergebnissen wird bei individuellen Treffen diskutiert. Die Ergebnispräsentation in Hinblick auf die Forschungsfrage findet in Form eines Projektberichtes statt.

Kompetenzentwicklung der Studierenden aus Sicht der Lehrenden

  • Mittlere Verbesserung der forschungsmethodischen Kompetenzen.
  • Mittlere Verbesserung der Fachkompetenz.
  • Starke Verbesserung der Schlüsselkompetenzen (z.B. Analyse und Problemlösungsstrategien, Kommunikations- und Teamfähigkeit, Recherche- und Präsentationstechniken).

Bewertung und Empfehlungen

Bewährt hat sich die Struktur der Veranstaltung. Nach anfangs einführenden Sitzungen, an denen alle teilnehmen, finden während der Forschungsphase regelmäßige Treffen mit den einzelnen Teilnehmer_innen (bzw. Zweiergruppen) statt, in welchen häufig sehr konstruktive Diskussionen entstehen, die in größerer Runde kaum möglich wären, da die Probleme und Forschungsfortschritte der Teilnehmenden während des Semesters sehr unterschiedlich sind. Versuche die unterschiedlichen Gruppen im Laufe des Semesters bei gemeinsamen Treffen über ihre Forschungserfahrungen und Probleme diskutieren zu lassen, haben bisher aus demselben Grund noch nicht gut funktioniert. In Zukunft werden Zwischenziele formuliert, die von allen Teilnehmenden bis zu einem festen Termin erreicht werden sollen, so dass ein besserer Austausch zwischen den Gruppen erzielt werden kann.

Feedback der Studierenden

  • Die individuelle Betreuung wurde von den Studierenden als sehr gut bewertet.
  • Der technische Teil des Forschungsprojektes (das Erstellen eines Programms) wurde sehr unterschiedlich empfunden. Einige Studierende berichteten, dass ihnen dieser Teil der Arbeit besonders viel Spaß gemacht hat, andere wiederum fühlten sich dagegen überfordert.
  • Die Bearbeitung der Projekte erfordert Grundkenntnisse in einer höheren Programmiersprache (wie z. B. C), weswegen es für diejenigen, denen solche Grundkenntnisse fehlen, einen Einstiegskurs gibt. Zwar reichen die dort gelehrten Kenntnisse für die Bearbeitung der Projekte aus, doch aufgrund der noch fehlenden Erfahrungen, ist das Erstellen der Programme für einige sehr zeitaufwendig.
  • Die grundsätzliche Möglichkeit im Physikstudium Programmierkenntnisse zu erwerben und diese mit Unterstützung in einem eigenen Projekt anwenden zu können, wurde von allen Studierenden sehr positiv und als sehr nützlich bewertet.

Besonderheiten / Sonstiges

  • Die Projektarbeit eines Studierenden wurde im studentischen Online-Journal „Forsch!“ der Universität Oldenburg veröffentlicht.