Innovativer Ansatz für Mechanikaufgaben für Studierende

Mechanik zu lernen bedeutet, Probleme selbst zu lösen. Das hilft dir, das Thema besser zu verstehen. In grossen Vorlesungen mit über 200 Studierenden wird es für Lehrer aber schwierig, viele Aufgaben zu erstellen und zu korrigieren. Dadurch bekommen die Studierenden vielleicht nicht genug Übung. Wenn sie die Arbeiten der anderen abschreiben, denken sie, dass sie das Thema verstanden haben, was oft nicht stimmt.

Um diese Herausforderungen anzugehen, haben wir eine Methode entwickelt, die automatisch Übungsaufgaben zu Statik, Festigkeitslehre, Dynamik und Hydrostatik erstellen, verteilen und korrigieren kann. Dieses System ermöglicht es jedem Studierenden, personalisierte Aufgaben zu bekommen.

#Bedeutung von Übung in der Mechanik

Übungsprobleme zu machen, ist entscheidend für ein solides Verständnis der Mechanik. Leider bieten traditionelle Vorlesungen oft nicht genug Übung, da die Zahl der Studierenden und die Arbeitslast für die Lehrer gross sind. Das kann dazu führen, dass die Studierenden im Lernen zurückfallen.

Es ist wichtig, dass Studierende aktiv mit dem Material arbeiten. Hausaufgaben sind eine gängige Methode, um das zu fördern, aber in grossen Klassen kann das schwer zu managen sein. Wenn Studierende nur Aufgaben abschreiben, ohne nachzudenken, hilft das nicht, die Konzepte wirklich zu verstehen, was zu unfairen Noten und unrealistischen Selbstbewertungen führen kann.

#Eine skalierbare Lösung

Unsere Lösung ist so konzipiert, dass sie automatisch Aufgaben erstellt, verteilt und korrigiert. Jeder Studierende erhält ein einzigartiges Set an Übungen. Diese Methode ermöglicht es den Lehrern, ihre Arbeitslast effektiver zu managen, da die Anzahl der zu erstellenden Aufgaben nicht von der Anzahl der Studierenden abhängt. Es macht es auch einfacher, das Wissen jedes Studierenden zu bewerten.

Ein weiterer Vorteil ist, dass wir die Schwierigkeit der Aufgaben an den Wissensstand jedes Studienierenden anpassen können. Damit sind die Übungen herausfordernd, aber nicht unmöglich.

Für die Studierenden bietet das automatische Korrektursystem schnelles Feedback zu ihren Antworten. Sie können Aufgaben zur weiteren Übung erneut einreichen, was reflektierendes Lernen fördert. Wenn Studierende ihre Antworten mit denen ihrer Kommilitonen vergleichen, kann das zu wertvollen Diskussionen führen, anstatt einfach nur abzuschreiben.

#Technik benutzerfreundlich machen

Damit dieses neue Lernwerkzeug erfolgreich ist, muss es benutzerfreundlich sein. Die Studierenden sollten leicht erkennen können, wie es ihr Lernen fördern kann. Daher ist unser Ziel doppelt: das neue System einführen und analysieren, wie die Studierenden es wahrnehmen.

#So funktionieren individuelle Aufgaben

Unsere Lösung besteht aus zwei Teilen: dem Backend zur Erstellung von Aufgaben und dem Frontend, mit dem die Studierenden interagieren.

Das Backend-System, genannt "mechpy", ist in Python programmiert und hat verschiedene Funktionen. Es kann ähnliche Probleme und deren Lösungen automatisch erstellen. "Mechpy" generiert auch Anleitungen für jede Aufgabe und legt die Regeln für die Notenvergabe fest.

Ein wichtiges Merkmal von "mechpy" ist, dass es symbolische Berechnungen durchführen kann. Das bedeutet, dass es statt nur mit konkreten Zahlen auch mit Variablen und Symbolen arbeiten kann, was wichtig für die Erstellung von Referenzlösungen ist.

Das System kann unterschiedliche Arten mechanischer Probleme bearbeiten, wie die Analyse einfacher und komplexer Strukturen. Es verwaltet auch Querschnittsbeispiele und führt wichtige Berechnungen wie Fläche und Schwerpunkt durch.

Durch die Anpassung der Problemparameter nach vordefinierten Regeln kann "mechpy" eine grosse Anzahl einzigartiger Aufgaben erstellen. Die Ergebnisse werden in einem Format aufbereitet, das mit Moodle, einem beliebten Lernmanagementsystem, kompatibel ist.

#Nutzung von Moodle für die Interaktion mit Studierenden

Wenn Aufgaben in Moodle importiert werden, werden sie Teil eines Fragenpools, auf den die Studierenden zugreifen können. Dadurch wird eine zufällige Verteilung der Aufgaben unter den Studierenden ermöglicht, sodass jeder ein anderes Set an Problemen erhält.

Moodle bietet Funktionen wie die automatische Einreichung von Antworten, festgelegte Fristen und die Möglichkeit, Aufgaben erneut einzureichen. "Mechpy"-Aufgaben sind innerhalb von Moodle als STACK-Fragen eingerichtet. STACK verwendet ein Computer-Algebra-System, um mathematische Ausdrücke zu interpretieren und zu bewerten.

Studierende können ihre Antworten über eine benutzerfreundliche Schnittstelle einreichen. Sie erhalten sofortiges Feedback darüber, wie ihre Eingabe interpretiert wird, was ihnen ermöglicht, vor der Bewertung nach Fehlern zu suchen.

Das System vergleicht die Antworten der Studierenden mit den Referenzlösungen. Während es hauptsächlich nach algebraischer Äquivalenz prüft, können die Studierenden auch Antworten als Fliesskommazahlen einreichen, um die Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen. Dazu gehören spezielle Prüfungen für Fälle, in denen Antworten nahe null liegen, um Missverständnisse zu vermeiden.

#Technische Details

Unser Ansatz zur Erstellung von Aufgaben umfasst Schritte, die genaue Berechnungen sicherstellen. Für Querschnittsbeispiele besteht die erste Aufgabe darin, die Fläche zu berechnen. Während die Studierenden grundlegende Methoden zur Zerlegung von Formen verwenden, nutzen wir den Divergenzsatz für komplexere Berechnungen.

Um den Schwerpunkt und die Trägheitsmomente zu finden, verwenden wir Integrale, die symbolisch im Backend berechnet werden. "Mechpy" erkennt Kreisabschnitte als Randkurven, wobei diese Berechnung komplexer ist.

#Auswertung des Feedbacks der Studierenden

Im Wintersemester 2022/23 wurde unsere Technologie für Übungsaufgaben in einem Statikkurs mit 235 Studierenden eingesetzt. Davon haben 143 alle drei Aufgaben abgeschlossen.

Um herauszufinden, wie die Studierenden zu dem neuen Ansatz standen, haben wir zwei Umfragen durchgeführt: eine zu Beginn und eine am Ende des Semesters. Die erste Umfrage sammelte Daten zu Demografie, Lerngewohnheiten und Vorwissen zu den Fächern. Die zweite Umfrage konzentrierte sich auf die Zufriedenheit mit dem Kurs und Meinungen zu den individuellen Aufgaben.

Die Ergebnisse zeigten, dass die meisten Studierenden mit dem Kurs zufrieden waren, wobei 47% Zufriedenheit äusserten und nur ein kleiner Teil unzufrieden war. Mehr als zwei Drittel der Studierenden schätzten die individuellen Übungen und nannten deren positiven Einfluss auf das Lernen.

#Wichtige Erkenntnisse

Die Studierenden waren der Meinung, dass die personalisierten Aufgaben sie motivierten, mehr Verantwortung für ihr Lernen zu übernehmen und sich auf wichtige Konzepte zu konzentrieren. Sie berichteten, dass die Übungen ihnen bei der Planung und Überwachung ihrer Lernprozesse halfen. Einige fanden die Benutzeroberfläche allerdings etwas kompliziert und schlugen vor, Anpassungen vorzunehmen, um die Nutzung zu erleichtern.

Insgesamt deutet das Feedback darauf hin, dass dieser neue Ansatz für Übungsaufgaben erhebliche Vorteile für Studierende und Lehrende bietet. Er ermöglicht ein höheres Engagement, eine bessere Bewertung des individuellen Fortschritts und fördert ein tieferes Verständnis mechanischer Konzepte.

Unser Ziel ist es, diese Methode weiter zu verfeinern und basierend auf dem Feedback der Studierenden zu verbessern. Der erste Erfolg lässt darauf schliessen, dass dieses System zu einem effektiveren und ansprechenderen Lernerlebnis in der Mechanik führen kann.