WEBVTT 00:01.120 --> 00:04.000 Herzlich willkommen zur Vorstellung des Teilprojektes 00:04.000 --> 00:08.500 Problemorientiertes Interdisziplinäres Softwarepraktikum Mathematik 00:08.500 --> 00:11.720 aus dem Gesamtprojekt KIT Lehre Hochforschung Plus. 00:12.500 --> 00:15.240 Das Teilprojekt ist beheimatet an der Forschungsgruppe 00:15.240 --> 00:19.280 Rechenarchitektur und Parallelverarbeitung und wird vor allem betreut 00:19.280 --> 00:22.180 von Professor Wolfgang Kahl und von mir. 00:22.180 --> 00:24.020 Mein Name ist Markus Hoffmann. 00:24.860 --> 00:28.260 Am Projekt beteiligt sind ebenfalls einige Hiwis, die uns vor allen 00:28.260 --> 00:30.480 Dingen bei den Programmieraufgaben unterstützen. 00:31.320 --> 00:35.300 Das Teilprojekt selbst besteht aus zwei wesentlichen Kernaspekten. 00:35.820 --> 00:38.640 Der erste ist das Softwarepraktikum Parallelnumerik. 00:39.300 --> 00:42.400 Das Ziel im Rahmen der Förderperioden war es, dieses Praktikum zu 00:42.400 --> 00:45.800 implementieren, weiterzuentwickeln und vor allem in der Lehre zu 00:45.800 --> 00:46.460 verstetigen. 00:46.460 --> 00:50.800 Der zweite Kernaspekt ist die Entwicklung einer interaktiven Lehr-Lern 00:50.800 --> 00:54.900 -Plattform, die die Inhalte aus dem Praktikum noch einmal aufgreift 00:54.900 --> 00:58.840 und einer breiten Masse an Studierenden zur Verfügung stellt. 00:59.720 --> 01:03.740 Ich beginne zunächst mit dem Softwarepraktikum Parallelnumerik. 01:04.340 --> 01:07.500 Die Idee hinter diesem Praktikum ist zunächst mal, wie hinter jeder 01:07.500 --> 01:10.620 Lehrveranstaltung, die Aus- und Weiterbildung unserer Studierenden. 01:10.620 --> 01:13.360 Vor allem wollen wir den akademischen Fortschritt fördern. 01:13.480 --> 01:17.560 Wir wollen Wissen den Studierenden mitgeben, dass sie ihr Fachwissen 01:17.560 --> 01:18.260 vertiefen können. 01:18.680 --> 01:21.340 Aber auch Softskills sollen im Rahmen des Praktikums natürlich 01:21.340 --> 01:22.720 vermittelt werden. 01:23.440 --> 01:27.900 Dabei funktioniert das Praktikum von der Motivation her auf Basis von 01:27.900 --> 01:30.300 zwei Kernelementen. 01:30.460 --> 01:33.440 Das eine ist die Praxisrelevanz der Inhalte. 01:33.440 --> 01:37.200 Wir unterrichten also nicht nur den rein theoretischen Stoff, sondern 01:37.200 --> 01:40.640 wir versuchen auch immer, das Ganze in praktische Arbeiten 01:40.640 --> 01:46.060 einzugliedern, die die Studierenden in ihrer universitären oder 01:46.060 --> 01:48.040 beruflichen Laufbahn weiterhelfen. 01:49.000 --> 01:53.220 Und deshalb weist dieses Praktikum wirklich einen extremen Praxisbezug 01:53.220 --> 01:56.340 auf, vor allem, wenn man das unter dem Aspekt sieht, dass es auch 01:56.340 --> 01:57.740 viele Mathematiker mitmachen. 01:58.490 --> 02:02.740 Auf der anderen Seite ist einer der Kernpunkte die interdisziplinäre 02:02.740 --> 02:03.260 Arbeit. 02:03.760 --> 02:06.600 Wir legen sehr viel Wert darauf, dass die Studierenden in Teams 02:06.600 --> 02:10.640 arbeiten und dass diese Teams bezüglich ihrer Fachausbildungen sehr 02:10.640 --> 02:12.420 heterogen aufgestellt sind. 02:12.420 --> 02:16.300 Deshalb ist dieses Praktikum auch so generiert, dass es für alle 02:16.300 --> 02:18.760 Fachrichtungen aus dem Bereich der Naturwissenschaften, 02:18.800 --> 02:23.600 Ingenieurwissenschaften, Informatik, Mathematik zugänglich ist und 02:23.600 --> 02:27.180 dass die Studierenden innerhalb ihrer Teams möglichst selbstständig 02:27.180 --> 02:27.620 arbeiten. 02:27.620 --> 02:31.600 Sie werden zwar von uns betreut und auch Fragen werden beantwortet 02:31.600 --> 02:35.360 natürlich von uns, jedoch ist es uns ein Anliegen, dass die 02:35.360 --> 02:39.120 Studierenden gerade ihr Fachwissen an die anderen Teammitglieder 02:39.120 --> 02:44.300 weitergeben können und sich das Team sozusagen so selbst auch aus- und 02:44.300 --> 02:45.040 weiterbildet. 02:45.040 --> 02:48.180 Wenn man mal in dieses Praktikum hineinschaut, welche Inhalte da 02:48.180 --> 02:51.200 vermittelt werden sollen, dann bestehen die im Wesentlichen aus drei 02:51.200 --> 02:52.320 Teilen. 02:52.400 --> 02:57.500 Der erste Teil sind die Ingenieurswissenschaften, die im Wesentlichen 02:57.500 --> 03:00.040 die Modellbildung und die Evaluation beisteuern. 03:00.040 --> 03:03.920 Gemeint ist dabei, dass wir in den Ingenieurswissenschaften ja oft 03:03.920 --> 03:07.460 physikalische, naturwissenschaftliche Probleme beobachten und daraus 03:07.460 --> 03:09.240 erstmal mathematische Modelle bauen müssen. 03:09.640 --> 03:12.960 Und der Weg dahin ist nicht allen Fachrichtungen immer gleich klar, 03:13.020 --> 03:13.820 wie das funktioniert. 03:14.540 --> 03:17.540 Genauso am Ende, wenn da Ergebnisse dabei herauskommen, müssen die 03:17.540 --> 03:18.980 natürlich validiert werden. 03:19.060 --> 03:20.960 Wir müssen schauen, ob sie der Realität entsprechen. 03:21.680 --> 03:25.260 Und auch das berücksichtigt nicht jede Fachrichtung gleichermaßen. 03:25.260 --> 03:30.200 In der Mathematik ist ganz klar, dass wir natürlich uns die Theorie, 03:30.340 --> 03:33.080 die mathematische Theorie dahinter anschauen und dass wir uns auch die 03:33.080 --> 03:34.480 numerischen Verfahren anschauen. 03:34.840 --> 03:37.720 Wenn man das im Gesamtzusammenhang der interdisziplinären Arbeit 03:37.720 --> 03:41.900 betrachtet, braucht man natürlich ein Themengebiet aus der Mathematik, 03:42.020 --> 03:43.960 das irgendwie alle Bereiche betrifft. 03:43.960 --> 03:47.760 Und das sind im Wesentlichen die Differenzialgleichungen, da sehr 03:47.760 --> 03:51.280 viele naturwissenschaftliche Problematiken eben mit diesen Gleichungen 03:51.280 --> 03:52.820 modelliert werden können. 03:53.460 --> 03:57.340 Auf der dritten Seite haben wir dann die Informatik, die sich eher mit 03:57.340 --> 03:59.100 der Umsetzung dieser Verfahren befasst. 03:59.220 --> 04:02.400 Da geht es vor allem darum, dass wir ja mit großen Datenmengen zu tun 04:02.400 --> 04:06.340 haben, dass wir mit Verfahren zu tun haben, die auch sehr hohen 04:06.340 --> 04:09.320 Rechenaufwand haben und dass das Ganze irgendwie schnell und effizient 04:09.320 --> 04:10.060 funktionieren soll. 04:10.060 --> 04:12.900 Deswegen müssen wir uns da sehr viel mit Parallelisierung zum Beispiel 04:12.900 --> 04:15.420 beschäftigen, aber auch mit den Hardware-Architekturen, die da 04:15.420 --> 04:16.200 dahinter stecken. 04:16.200 --> 04:19.960 Wenn man diese drei Bereiche jetzt mal nimmt und was wir uns dafür 04:19.960 --> 04:23.260 vorgenommen haben, was so dieses Praktikum beinhalten soll und man 04:23.260 --> 04:26.840 gliedert das mal feiner auf, was da so dann alles eine Rolle spielt, 04:27.220 --> 04:30.300 dann entstehen da diese drei Waggons, die man hier an diesem Zug 04:30.300 --> 04:30.600 sieht. 04:30.600 --> 04:34.040 Und wenn man mal so schaut, was da so mit enthalten ist, irgendwelche 04:34.040 --> 04:37.160 Erhaltungsgleichungen, Funktionen oder mehr schwache Formulierungen, 04:37.600 --> 04:42.300 Skalierbarkeit, Speicherzugriff, Hardware-Sachen, da stellt man 04:42.300 --> 04:45.260 schnell fest, dass man bei sehr vielen dieser Themen schon eigene 04:45.260 --> 04:46.380 Vorlesungen halten kann. 04:46.380 --> 04:50.700 Deswegen ist das doch sehr viel Stoff, der da zusammengefasst in 04:50.700 --> 04:52.660 diesem Praktikum unterrichtet werden muss. 04:52.880 --> 04:56.960 Um das effizient zu machen, haben wir diesen Zug auf eine Schiene 04:56.960 --> 05:00.740 gestellt und diese Schiene ist abgebildet durch eine Finite-Elemente 05:00.740 --> 05:01.380 -Bibliothek. 05:01.380 --> 05:05.280 In unserem Fall ist das HighFlow und diese Finite-Elemente-Bibliothek 05:05.280 --> 05:08.920 zeichnet sich dadurch aus, dass sie sehr modular ist, was bedeutet, 05:09.240 --> 05:12.620 dass wir sehr viele Module davon verwenden können, die den Studenten 05:12.620 --> 05:14.860 zunächst mal kein Wissen vermitteln, sondern für die reine 05:14.860 --> 05:20.380 Organisation der Programmstrukturen zum Beispiel zuständig sind und 05:20.380 --> 05:23.160 wir die Studierenden darauf fokussieren können, was sie wirklich 05:23.160 --> 05:26.340 brauchen in der Praxis und was sie wirklich aus dem Praktikum 05:26.340 --> 05:27.220 mitnehmen müssen. 05:27.220 --> 05:30.780 Das heißt, sie können einzelne Verfahren davon sich erstmal anschauen, 05:30.880 --> 05:32.960 können die implementieren, können die mit anderen Verfahren 05:32.960 --> 05:36.600 verknüpfen, müssen sich aber um äußere Gegebenheiten keine Gedanken 05:36.600 --> 05:36.940 machen. 05:38.820 --> 05:41.480 Diese Stoffmenge muss man natürlich auch irgendwie in einen zeitlichen 05:41.480 --> 05:42.320 Rahmen gießen. 05:42.700 --> 05:45.840 Wenn man das Praktikum innerhalb eines Semesters stattfinden lassen 05:45.840 --> 05:49.300 möchte, ist dieser zeitliche Rahmen sehr eng. Deshalb muss man das 05:49.300 --> 05:52.300 irgendwie effizient gestalten und wir haben uns gedacht, wir machen 05:52.300 --> 05:54.840 das im Rahmen einer Dreiteilung des Semesters. 05:55.340 --> 06:00.420 Die ersten beiden Teile sind sehr ähnlich aufgebaut im Rahmen von 06:00.420 --> 06:02.960 einem Projekt, was die Studierenden bearbeiten müssen. 06:03.460 --> 06:06.740 Jedes Projekt beginnt zunächst mit Vorlesungsstunden, das sind ein 06:06.740 --> 06:10.140 paar wenige Vorlesungen, die vor allem dazu dienen, den Studierenden 06:10.140 --> 06:11.980 eine Kommunikationsbasis zu liefern. 06:11.980 --> 06:15.140 Das heißt, wir vermitteln zwar Wissen über definierte Elemente, über 06:15.140 --> 06:18.660 Parallelisierung und so weiter, Ziel ist es aber nicht, dieses Wissen 06:18.660 --> 06:22.460 sehr tief und sehr umfangreich zu vermitteln, sondern Ziel ist es, den 06:22.460 --> 06:25.680 Studierenden vor allen Dingen Fachbegriffe mit an die Hand zu geben, 06:25.760 --> 06:28.840 sodass der Mathematiker dem Informatiker den Hintergrund erklären 06:28.840 --> 06:32.060 kann, der Informatiker dem Ingenieur die Parallelisierung und der 06:32.060 --> 06:35.120 Ingenieur den anderen beiden erklären kann, wie man eigentlich aus der 06:35.120 --> 06:37.840 Physik zu diesem mathematischen Modell kommt. 06:39.000 --> 06:42.280 Angeschlossen an diese Vorlesungsstunden ist dann immer Projektarbeit 06:42.280 --> 06:46.300 im Team, die begleitet wird durch ein Übungsblatt. 06:46.460 --> 06:49.380 Dieses Übungsblatt besteht aus mehreren Aufgaben, die alle aufeinander 06:49.380 --> 06:53.040 aufbauen, beginnt mit sehr einfachen Aufgaben, wo es zum Beispiel um 06:53.040 --> 06:56.280 die Implementierung einfacher Datenübertragungen geht, zwischen 06:56.280 --> 06:59.400 verschiedenen Hardware-Elementen und am Ende steht dann immer eine 06:59.400 --> 07:03.260 größere Projektaufgabe, die eine ganze Simulation zum Beispiel 07:03.260 --> 07:06.300 umfasst, so das Aufheizen einer Herdplatte beispielsweise, das 07:06.300 --> 07:07.280 simuliert werden soll. 07:08.000 --> 07:12.740 Abgeschlossen wird jedes dieser Teilprojekte mit einer Präsentation, 07:12.840 --> 07:16.880 jeweils über den gesamten Stock des vorangegangenen Teils des 07:16.880 --> 07:20.480 Semesters, das heißt die Präsentation von Projekt 1 beinhaltet eben 07:20.480 --> 07:23.980 das Projekt 1, die Präsentation von Projekt 2 beinhaltet Projekt 1 und 07:23.980 --> 07:24.680 Projekt 2. 07:24.680 --> 07:28.140 Abgeschlossen wird das Semester dann mit einer Ausarbeitung, die jeder 07:28.140 --> 07:32.080 einzeln machen muss und die nochmal das gesamte Semester quasi 07:32.080 --> 07:35.040 zusammenfassen soll, die Ergebnisse zusammenfassen soll, die 07:35.040 --> 07:38.340 Herangehensweise zusammenfassen soll und einfach aufzeigen soll, was 07:38.340 --> 07:40.380 so über das Semester passiert ist. 07:40.820 --> 07:44.060 Inhaltlich werden über diese zwei Projekte dann bestimmte 07:44.060 --> 07:46.720 Aufgabengebiete abgedeckt, das ist einmal die Modellierung von 07:46.720 --> 07:50.860 Simulationen, parallele Verfahren werden abgedeckt, heterogene 07:50.860 --> 07:53.900 Hardware wird abgedeckt, Ergebnis-Evaluation und Validierung wird 07:53.900 --> 07:57.500 abgedeckt und ein Aspekt, der natürlich besonders wichtig ist, auch im 07:57.500 --> 08:00.700 Rahmen von Lehrerhochforschung, ist, dass wir aktuelle 08:00.700 --> 08:02.140 Forschungsinhalte eingliedern. 08:02.220 --> 08:05.520 Das ist auch im Rahmen der praktischen Anwendung sehr wichtig, weil 08:05.520 --> 08:08.760 hier die interdisziplinäre Arbeit besonders zu tragen kommt. 08:09.320 --> 08:12.140 Wir können zum Beispiel den Informatikern sehr viel Wissen über 08:12.140 --> 08:15.420 approximate Computing-Strategien mitgeben, die gerade aktueller 08:15.420 --> 08:18.900 Forschungsinhalt sind und die können die dann auch sehr gut umsetzen, 08:19.000 --> 08:22.480 aber sie verlieren dabei oft auch aus dem Blick, dass diese Strategien 08:22.480 --> 08:25.180 auch die mathematischen Hintergrund beeinflussen und dann braucht es 08:25.180 --> 08:28.560 eben einen Mathematiker, der den Informatikern dann kurz erklärt, dass 08:28.560 --> 08:31.380 hier Konvergenzbedingungen verletzt werden und man da eine etwas 08:31.380 --> 08:33.260 andere Herangehensweise braucht. 08:33.740 --> 08:37.260 Also hier ist uns das auch sehr wichtig, dass Forschungsinhalte 08:37.260 --> 08:41.160 integriert werden, auch schon im Rahmen der interdisziplinären Arbeit. 08:42.980 --> 08:45.040 An der Stelle würde ich jetzt gerne so ein bisschen 08:45.040 --> 08:48.920 Evaluationsergebnisse aufzeigen, die so im Rahmen des Praktikums 08:48.920 --> 08:49.780 entstanden sind. 08:49.880 --> 08:54.540 Das kann ich aber leider nicht, weil wir pro Semester so vier bis 08:54.540 --> 08:58.200 sechs Studierende in etwa haben, was uns eine Evaluation praktisch 08:58.200 --> 08:59.000 unmöglich macht. 08:59.820 --> 09:03.380 Deswegen würde ich einfach gerne ein paar Erfahrungen berichten, die 09:03.380 --> 09:07.300 so in den letzten Jahren und Semestern entstanden sind und 09:07.300 --> 09:11.160 insbesondere dabei Wert auf die interdisziplinäre Arbeit legen, weil 09:11.160 --> 09:13.880 die so ein Kerngedanke eben bildet. 09:15.160 --> 09:18.840 Wir versuchen natürlich, die Gruppen so einzuteilen, dass sie eben 09:18.840 --> 09:22.440 möglichst interdisziplinär sind und das funktioniert auch relativ gut. 09:23.540 --> 09:27.320 Wir beobachten immer dann, wenn die Gruppen besonders interdisziplinär 09:27.320 --> 09:30.180 sind, dass vor allem die Ergebnisse am Ende auch besser werden. 09:30.180 --> 09:34.360 Dass zum Beispiel, wenn eine Simulation gemacht werden soll, nicht nur 09:34.360 --> 09:37.380 Vorergebnisse aus dem Übungsblatt genommen werden, die zwar eine 09:37.380 --> 09:42.460 Simulation liefern, deren Akkuratizität aber nicht besonders hoch ist, 09:42.540 --> 09:47.300 also die nicht besonders genau sind, die nur so gerade so die 09:47.300 --> 09:49.400 geforderte Simulation liefern. 09:50.480 --> 09:54.440 Während wenn diese Gruppen möglichst heterogen sind, dann beobachten 09:54.440 --> 09:57.340 wir das, was wir hier in der Mitte sehen, nämlich dass wirklich 09:57.340 --> 10:01.740 Herleitungen auf Basis der Materialeigenschaften, der Grundwahl des 10:01.740 --> 10:04.380 Materials, zum Beispiel der Geometrie usw. 10:05.320 --> 10:08.520 herausgesucht werden und damit ordentliche Modelle entworfen werden, 10:08.600 --> 10:11.700 diese Modelle auch ordentlich implementiert werden von Seiten der 10:11.700 --> 10:14.000 Mathematik mit den numerischen Verfahren und auch ordentlich 10:14.000 --> 10:17.500 parallelisiert werden von Seiten der Informatik und dann am Ende auch 10:17.500 --> 10:18.940 ordentliche Ergebnisse dabei herauskommen. 10:19.120 --> 10:21.840 Und wir beobachten auch regelmäßig, dass die Studierenden dabei sehr 10:21.840 --> 10:23.580 viel Spaß an der Thematik entwickeln. 10:23.580 --> 10:24.700 Wir sehen das hier ganz rechts. 10:25.620 --> 10:27.840 Im unteren Bereich ist das so eine Standardlösung von so einer 10:27.840 --> 10:29.180 Herdplatte, die sich aufheizt. 10:29.240 --> 10:32.820 Im oberen Bereich ist das eine Studierendenlösung, die sich mal so im 10:32.820 --> 10:36.300 Rahmen des Praktikums entwickelt hat und eben auch mal lustige Smiles 10:36.300 --> 10:36.740 zeigt. 10:37.840 --> 10:41.440 Im Rahmen des Praktikums sind dann noch so ein paar Kooperationen 10:41.440 --> 10:41.740 entstanden. 10:41.920 --> 10:45.680 Eine ist da zum Beispiel die Kooperation mit der MassSEE Modelling 10:45.680 --> 10:49.060 Week, die im Wesentlichen zunächst mal daraus besteht, dass wir für 10:49.060 --> 10:52.000 die Veranstaltung, die hier bei den Mathematikern beheimatet ist, 10:52.000 --> 10:55.780 Werbung machen und diese Veranstaltung für uns Werbung macht. 10:56.220 --> 11:01.060 Diese Modelling Week ist eine Woche, in der sich die Mathematiker in 11:01.060 --> 11:05.660 einer Jugendherberge einschließen und Probleme lösen, die eben auf 11:05.660 --> 11:07.180 Basis der Modellbildung entstehen. 11:07.680 --> 11:10.300 Das heißt auch physikalische Problemuntersuchungen, daraus Modelle 11:10.300 --> 11:13.780 bilden, die auch umsetzen, also deren Inhalte überschneiden sich ganz 11:13.780 --> 11:14.540 stark mit unseren. 11:14.540 --> 11:17.160 Und wir haben es jetzt auch schon ein paar Mal erlebt, dass Studenten 11:17.160 --> 11:20.460 von uns dann in diese Modelling Week noch gegangen sind oder umgekehrt 11:20.460 --> 11:24.800 Studierende aus der Modelling Week zu uns gekommen sind ins Praktikum. 11:25.480 --> 11:29.000 Und man merkt es immer sehr speziell, weil die Studierenden dann schon 11:29.000 --> 11:32.540 sehr viel Wissen selber mitbringen und auch nochmal sehr viel mehr aus 11:32.540 --> 11:34.720 den einzelnen Veranstaltungen mitnehmen können. 11:34.720 --> 11:39.400 Außerdem sind im Rahmen mit der Kooperation mit der Finiten Elemente 11:39.400 --> 11:42.920 Bibliothek Tutorien entstanden, die zunächst mal eigentlich dafür 11:42.920 --> 11:47.520 gedacht sind, in diese Finiten Elemente Bibliothek einzuweisen, die 11:47.520 --> 11:50.540 sich aber im Rahmen unseres Praktikums auch sehr gut nutzen lassen, um 11:50.540 --> 11:54.800 daraus eben so Simulationsaufgaben zu generieren, die sich sehr gut 11:54.800 --> 11:57.920 formulieren lassen und wo man dann auch sehr schnell den Hintergrund 11:57.920 --> 12:01.340 noch dazu liefern kann, ohne dass das große Probleme macht. 12:01.440 --> 12:04.180 Das ist vor allem dann von Vorteil, wenn man verschiedene Gruppen hat 12:04.180 --> 12:07.360 und diese verschiedenen Gruppen mit verschiedenen Aufgaben ausstatten 12:07.360 --> 12:07.660 möchte. 12:08.240 --> 12:11.220 Soviel zum Softwarepraktikum Parallelen und Numerik. 12:11.300 --> 12:14.380 Ich möchte nun anschließen mit der interaktiven Lehr- und 12:14.380 --> 12:15.120 Lernplattform. 12:15.640 --> 12:19.380 Die Idee hinter dieser Lehr- und Lernplattform war zunächst der 12:19.380 --> 12:22.100 Grundgedanke, dass im Praktikum doch sehr, sehr, sehr viel Wissen 12:22.100 --> 12:25.440 vermittelt werden muss in sehr kurzer Zeit und dass das doch den einen 12:25.440 --> 12:28.040 oder anderen Studenten abschrecken oder vielleicht auch überfordern 12:28.040 --> 12:28.420 könnte. 12:29.000 --> 12:34.000 Deswegen war der Grundgedanke, wir entwickeln eine Plattform, die sich 12:34.000 --> 12:37.800 dafür eignet, verschiedenste Studierende aus den verschiedensten 12:37.800 --> 12:41.080 Fachgebieten zu unterstützen, in das Thema hineinzukommen, sich Wissen 12:41.080 --> 12:45.000 daraus anzueignen, selber auch Experimente dann mitzumachen, Fehler 12:45.000 --> 12:47.900 machen zu können, sich selber einfach mal ausprobieren im Rahmen 12:47.900 --> 12:52.120 dieses Themas und dann eben die Möglichkeit zu bieten, dass sich die 12:52.120 --> 12:56.840 Aufgaben sowohl in der Schwierigkeit, im Lerntempo als auch in der 12:56.840 --> 12:59.920 Vertiefung an den entsprechenden Studierenden anpassen. 13:00.040 --> 13:03.180 Immer mit dem Ziel, dass der Studierende auch dorthin ausgebildet 13:03.180 --> 13:05.340 wird, wo er bisher nicht ausgebildet war. 13:05.500 --> 13:07.640 Das heißt, der Informatiker zum Beispiel auch ein bisschen mehr im 13:07.640 --> 13:10.260 Bereich der Mathematik und der Ingenieurswissenschaft beispielsweise. 13:11.440 --> 13:14.560 Ziel ist aber auch, dass der Studierende das nicht unbedingt allein 13:14.560 --> 13:17.340 machen muss, sondern dass er die Möglichkeit hat, das auch in Gruppen 13:17.340 --> 13:22.460 zu machen und dass er wirklich Einblick in ungefähr alle Fachbereiche 13:22.460 --> 13:24.740 bekommt, die da so mit anschließen. 13:25.480 --> 13:27.160 Wie soll das funktionieren? 13:27.260 --> 13:29.600 Wir haben uns zunächst mal um die Software Gedanken gemacht. 13:30.160 --> 13:33.600 Kernelement der Software ist eine 3D-Umgebung, die ich gleich noch 13:33.600 --> 13:37.380 genauer erläutern werde, auf die die Studierenden zugreifen und auf 13:37.380 --> 13:39.700 der sie quasi alles erstmal ausführen können. 13:39.860 --> 13:42.200 Das heißt, sie können dort ihre Experimente machen, sie finden dort 13:42.200 --> 13:46.480 ihr Lehrmaterial, sie kriegen dort auch die Ergebnisse her und damit 13:46.480 --> 13:52.060 es reale Ergebnisse sind, wird dieses Interface an definierte Elemente 13:52.060 --> 13:55.120 -Bibliothek gekoppelt, die wir auch schon im Rahmen des Praktikums 13:55.120 --> 13:55.560 verwenden. 13:55.760 --> 13:59.280 Die Idee ist hierbei, dass dieses 3D-User-Interface im Rahmen der 13:59.280 --> 14:03.300 Aufgaben, die dort gestellt werden, natürlich virtuelle Lösungen 14:03.300 --> 14:07.280 bereitstellen kann, die vom Studierenden dort entwickelt werden, die 14:07.280 --> 14:11.840 werden dann in Programme für Highflow umgesetzt und daher kommen dann 14:11.840 --> 14:16.740 reale Ergebnisse, das heißt, reale Simulationsergebnisse, auch reale 14:16.740 --> 14:21.140 Laufzeiten auf der entsprechenden Hardware, die da benutzt wurde und 14:21.140 --> 14:24.460 der Studierende kann genau sehen, was da jetzt genau passiert ist, ob 14:24.460 --> 14:27.780 er effizient gearbeitet hat oder eben nicht, ob er Fehler gemacht hat 14:27.780 --> 14:28.480 oder eben nicht. 14:29.040 --> 14:31.380 Auf der anderen Seite sollen Studierende ja auch im Team arbeiten 14:31.380 --> 14:36.620 können, deswegen gibt es auch noch ein MOOC-Interface innerhalb dieses 14:36.620 --> 14:39.420 Programms, das eben dazu da ist, dass Studierende miteinander 14:39.420 --> 14:43.320 kommunizieren können, dass Studierende mit dem Lehrpersonal effizient 14:43.320 --> 14:46.080 kommunizieren können, dass sie dort Hilfestellungen kriegen können, 14:46.180 --> 14:50.600 dass sie auch Anleitungen kriegen können und das Lehrpersonal auch ein 14:50.600 --> 14:53.240 bisschen die Organisation übernehmen kann an der Stelle. 14:53.780 --> 14:57.400 Das Lehrpersonal wiederum kriegt noch eine zusätzliche Option, das ist 14:57.400 --> 15:01.800 dieser Exercise Creator, die Idee dahinter ist, dass ich als Lehrender 15:01.800 --> 15:04.820 natürlich vielleicht Wert auf andere Aufgaben lege, wie das ein 15:04.820 --> 15:09.140 Kollege von mir macht und so habe ich die Möglichkeit, eigene Aufgaben 15:09.140 --> 15:12.940 zu entwickeln, die auch in dieses Interface, in dieses 3D-Interface zu 15:12.940 --> 15:16.520 integrieren, die Schwierigkeitsstufen auch unterschiedlich zu 15:16.520 --> 15:20.300 gestalten, so wie ich denke, dass es gerade am passendsten ist für 15:20.300 --> 15:26.040 meine Gruppen und so kann ich quasi dieses 3D-User-Interface immer 15:26.040 --> 15:30.420 anpassen, an das, was ich gerade meinen Studierenden an Wissen 15:30.420 --> 15:33.160 vermitteln möchte und auch die Art und Weise, wie ich das vermitteln 15:33.160 --> 15:33.500 möchte. 15:34.060 --> 15:38.140 Wir schauen mal in dieses 3D-User-Interface ein bisschen hinein. 15:38.620 --> 15:41.880 Gestaltet ist das so, wie man das hier auf der rechten Seite im Bild 15:41.880 --> 15:42.160 sieht. 15:42.560 --> 15:45.620 Wir haben also wirklich eine 3D-Experimentierumgebung, in der ich mich 15:45.620 --> 15:49.460 bewegen kann, wie ich das von Computerspielen beispielsweise gewohnt 15:49.460 --> 15:49.660 bin. 15:49.660 --> 15:51.880 Das ist auch absichtlich so. 15:52.360 --> 15:56.380 Die Idee ist dabei, dass man eine Lernmotivation sicherstellen kann, 15:56.480 --> 15:59.200 beispielsweise durch Elemente, die wir hier schon im Bild sehen. 15:59.280 --> 16:04.620 Wir sehen zum Beispiel oben links so ein paar Kennziffern, die eben 16:04.620 --> 16:06.260 für diese drei Teilbereiche stehen. 16:06.520 --> 16:08.780 Informatik, Mathematik, Ingenieurswissenschaften. 16:09.060 --> 16:11.400 Und hier kann der Studierende sehen, wie weit habe ich mich in den 16:11.400 --> 16:13.820 einzelnen Teilbereichen eigentlich schon weiterentwickelt. 16:13.820 --> 16:16.440 Wo muss ich noch was tun und wo kann ich noch was tun? 16:17.200 --> 16:21.580 Und er hat hier sozusagen den Antrieb, bestimmte Bereiche auch 16:21.580 --> 16:21.860 voranzutreiben. 16:22.740 --> 16:25.340 Das Ganze wird auch noch gesteuert durch diesen Balken, den man unten 16:25.340 --> 16:25.940 im Bild sieht. 16:26.300 --> 16:30.540 Das ist so ein Lernfortschrittsbalken, gekoppelt an einen 16:30.540 --> 16:34.640 geschichtlichen Hintergrund, sozusagen einen Story-Hintergrund, der 16:34.640 --> 16:37.700 dem Studierenden sozusagen einen Fortschritt vermittelt. 16:37.700 --> 16:41.600 Wenn er Aufgaben löst, dann sieht er sofort, ich habe mich als 16:41.600 --> 16:44.480 Charakter sozusagen weiterentwickelt innerhalb dieses Spiels. 16:46.360 --> 16:49.240 Dieser Spielecharakter ermöglicht auch eine interaktive 16:49.240 --> 16:50.200 Aufgabenführung. 16:50.320 --> 16:52.920 Wir können die Studierenden mithilfe von einer kleinen Geschichte zum 16:52.920 --> 16:54.500 Beispiel durch die Aufgaben führen. 16:55.560 --> 16:59.460 Es ermöglicht eine dynamische Anpassung an die Gegebenheiten, die ein 16:59.460 --> 17:00.380 Studierender mitbringt. 17:00.380 --> 17:03.460 Das heißt, wir können die Aufgaben so gestalten, dass sie zum Beispiel 17:03.460 --> 17:06.360 in bestimmten Fachbereichen schwerer sind als in anderen Fachbereichen 17:06.360 --> 17:10.220 oder dass sie sich im Rahmen der Aufgaben, die der Studierende löst, 17:10.280 --> 17:14.060 auch weiterentwickeln, sodass der Studierende immer wieder vor neue 17:14.060 --> 17:15.880 Herausforderungen gestellt wird. 17:17.100 --> 17:20.500 Von der Aufgabenstellung selber sieht das dann beispielsweise so aus, 17:21.060 --> 17:23.640 wie man es hier im rechten Bild sieht. 17:23.640 --> 17:27.140 Da haben wir eine Kanalströmung, die so typischerweise aus einer 17:27.140 --> 17:30.800 numerischen Problemstellung heraus stammt, nämlich aus einer Navier 17:30.800 --> 17:32.380 -Stokes -Gleichung in der Implementierung. 17:32.680 --> 17:36.380 Und dieser Kanal, der hat in der Mitte ein Hindernis und wenn dieses 17:36.380 --> 17:38.280 umströmt wird, dann entstehen da eben so Wirbel. 17:38.720 --> 17:42.000 Man kann dem Studierenden jetzt vermitteln, ja, dieses 17:42.000 --> 17:45.260 Strömungselement ist jetzt kaputt und man soll jetzt hier eine Pumpe 17:45.260 --> 17:45.740 generieren. 17:45.820 --> 17:48.080 Man sieht es auch ganz direkt, wo das Problem liegt. 17:48.120 --> 17:50.060 Die Strömung fließt offensichtlich nicht. 17:50.060 --> 17:53.060 Das heißt, es ist sehr viel effizienter darzustellen, wo ist 17:53.060 --> 17:57.380 eigentlich das Problem, was muss ich eigentlich tun, wo ist die 17:57.380 --> 18:02.660 Aufgabenstellung, was ist das relevante Wissen, was ich jetzt umsetzen 18:02.660 --> 18:02.860 muss. 18:03.680 --> 18:06.740 Das Ganze funktioniert also auch ohne viel Abstraktion. 18:06.900 --> 18:12.400 Ich kann das sehr direkt und sehr geradlinig alles darstellen. 18:12.400 --> 18:15.740 Außerdem habe ich hier die Möglichkeit, die Tutorials, die wir ja 18:15.740 --> 18:19.520 schon aus dem Praktikum kennen, sehr direkt auch abzubilden. 18:19.780 --> 18:22.960 Diese Kanalströmung ist zum Beispiel eins der Highflow-Tutorials. 18:23.640 --> 18:27.340 Das lässt sich ohne Probleme in diese Plattform integrieren. 18:28.020 --> 18:31.120 Wenn der Studierende jetzt diese Aufgabe versucht zu lösen, dann 18:31.120 --> 18:32.780 braucht er Hilfsmittel, um das zu tun. 18:32.880 --> 18:37.460 Und diese Hilfsmittel werden ihm im Rahmen dieser 3D-Umgebung in Form 18:37.460 --> 18:40.780 von solchen Maschinen zur Verfügung gestellt, wie wir sie hier im Bild 18:40.780 --> 18:41.060 sehen. 18:41.060 --> 18:44.380 Das sind jetzt mehrere Maschinen, die so im Raum verteilt sind und die 18:44.380 --> 18:47.520 auch durchnummeriert sind, sodass der Studierende quasi eine 18:47.520 --> 18:51.560 Anlaufstation nach der anderen hat, die er abarbeiten muss. 18:51.640 --> 18:56.760 Und diese Anlaufstationen sind unmittelbar gekoppelt an die 18:56.760 --> 19:00.380 verschiedenen Teile der Lösungsmethodik für solche partiellen 19:00.380 --> 19:03.220 Differenzialgleichungen, zum Beispiel an die Finite-Elemente-Methode. 19:04.040 --> 19:07.120 Das beginnt beispielsweise mit dieser großen Druckmaschine, die wir 19:07.120 --> 19:11.040 hier im Vordergrund sehen, wo der Studierende zunächst das Wissen 19:11.040 --> 19:16.040 abverlangt wird, eben Funktionenräume richtig auszuwählen, die 19:16.040 --> 19:18.100 passenden Differenzialgleichungen zu wählen, die passenden 19:18.100 --> 19:19.680 Randbedingungen zu wählen usw. 19:19.680 --> 19:22.980 Und geht dann weiter über die verschiedenen Maschinen, bis er am Ende 19:22.980 --> 19:27.160 an eine Programmierplattform kommt, die ihn dazu auffordert, die 19:27.160 --> 19:30.580 passende Parallelisierung zu wählen, das passende Paradigma dazu, die 19:30.580 --> 19:32.620 passende Hardware und solche Sachen. 19:33.140 --> 19:35.220 So funktioniert das Ganze quasi sehr modular. 19:35.360 --> 19:38.840 Der Studierende kann sich genau anschauen, was er tut und so können 19:38.840 --> 19:41.660 wir dem Studierenden zum Beispiel auch sehr schnell vermitteln, wo 19:41.660 --> 19:42.720 gerade Fehler entstehen. 19:42.720 --> 19:45.420 Im Grunde kann der Studierende nämlich zwei Sorten von Fehlern machen. 19:45.820 --> 19:48.840 Er kann nämlich auf der einen Seite Fehler machen, die dazu führen, 19:48.920 --> 19:51.860 dass Simulationen entstehen, die nicht mehr gültig sind, also wo keine 19:51.860 --> 19:54.300 ordentliche Simulation bei mehr entstehen kann. 19:54.700 --> 19:57.440 Das können wir hier direkt auch zeigen, indem einzelne Maschinen 19:57.440 --> 19:58.020 kaputt gehen. 19:58.100 --> 20:01.000 Die explodieren dann auch ganz nett und erzeugen Rauch und so sieht 20:01.000 --> 20:03.940 der Studierende sofort, ah, hier habe ich jetzt einen Fehler gemacht, 20:04.240 --> 20:05.520 den muss ich sofort korrigieren. 20:05.520 --> 20:08.680 Dann kann er auf der anderen Seite Fehler machen, die zwar zu einer 20:08.680 --> 20:11.760 validen Simulation führen, die aber eben nicht das Problem abbilden. 20:11.800 --> 20:14.440 Er kann zum Beispiel falsche Randbedingungen wählen, was eine 20:14.440 --> 20:16.660 ordentliche Simulation liefert, aber die eben nicht mehr in einem 20:16.660 --> 20:17.380 Kanal läuft. 20:17.740 --> 20:21.460 Das sieht er dann ganz am Ende, wenn er seine fertig gebaute Pumpe in 20:21.460 --> 20:25.440 die Aufgabenstellung wieder integriert, dann können dort nämlich so 20:25.440 --> 20:28.540 die Glaswände, die wir gesehen haben, zerbrechen und er sieht ganz 20:28.540 --> 20:31.600 gezielt, da ist ein Fehler entstanden, ich muss nochmal ran. 20:31.600 --> 20:34.640 Außerdem können wir dem Studierenden hier nochmal Lehrmaterial 20:34.640 --> 20:37.680 bereitstellen, das sehen wir hier in Form dieser blauen Punkte auf dem 20:37.680 --> 20:38.120 Podest. 20:38.900 --> 20:42.320 Das ist so eine eigene Anlaufstation, wo vom Lehrpersonal 20:42.320 --> 20:46.160 Lehrmaterialien bereitgestellt werden können, in Form von Videos, in 20:46.160 --> 20:49.800 Form von Texten, Skripten zum Beispiel oder PowerPoint-Präsentationen. 20:49.800 --> 20:54.080 Alles, was mir als Lehrender so einfällt, was ich dem Studierenden 20:54.080 --> 20:54.940 mitgeben möchte. 20:55.040 --> 20:57.600 Und so hat der Studierende eine zentrale Anlaufstelle, wo er sich mit 20:57.600 --> 21:00.420 Wissen und Informationen versorgen kann, wo er Hilfestellungen 21:00.420 --> 21:02.700 bekommt, wenn er an irgendeiner Stelle nicht weiterkommt. 21:02.700 --> 21:07.300 An den einzelnen Maschinen sind immer so kleine Terminals angebaut, 21:07.520 --> 21:10.720 die als Zugangspunkt zur Maschine quasi fungieren. 21:11.180 --> 21:14.860 Wenn man so ein Terminal anschaut oder anklickt, dann öffnet sich 21:14.860 --> 21:17.640 immer so ein Fenster und dieses Fenster sieht immer in etwa irgendwie 21:17.640 --> 21:19.180 so aus, wie man es hier im Bild sieht. 21:20.000 --> 21:24.020 Und dieses Fenster besteht immer aus so einzelnen Teilaufgaben, die 21:24.020 --> 21:27.580 jetzt den unterschiedlichen Schwierigkeitsgrad implementieren können. 21:27.800 --> 21:30.520 Beispielsweise sehen wir hier einen sehr einfachen Schwierigkeitsgrad, 21:30.660 --> 21:33.140 wo ich noch, wenn ich eine Differenzialgleichung aufstellen möchte, 21:33.500 --> 21:35.940 nur den Namen der Differenzialgleichung wissen muss. 21:36.660 --> 21:39.100 Ich kann das aber auch so gestalten, dass am Ende nur noch eine 21:39.100 --> 21:41.180 Eingabezeile da ist und der Studierende die komplette 21:41.180 --> 21:44.800 Differenzialgleichung eingeben muss, inklusive der rechten Seite, die 21:44.800 --> 21:47.620 nachher quasi die entsprechende Situation steuert. 21:47.620 --> 21:52.480 Und so können hier quasi verschiedene Schwierigkeitsgrade direkt 21:52.480 --> 21:53.540 implementiert werden. 21:54.180 --> 21:57.260 Und jetzt kann der Studierende natürlich auch hier Probleme bekommen 21:57.260 --> 22:01.740 und deswegen werden zu den einzelnen Teilaufgaben auf der rechten 22:01.740 --> 22:04.760 Seite hier immer wieder Buttons bereitgestellt, die hier rot umrahmt 22:04.760 --> 22:04.940 sind. 22:05.460 --> 22:08.720 Und über diese Buttons erhält der Studierende quasi direkt Zugriff 22:08.720 --> 22:11.280 nochmal auf speziellen Lehrstoff, der sich direkt auf diese 22:11.280 --> 22:12.620 Aufgabenstellung bezieht. 22:12.740 --> 22:15.440 Das heißt, der Lehrende kann hier nochmal Lehrstoff hinterlegen in 22:15.440 --> 22:19.420 Form zum Beispiel von Videos oder auch hier in Textform, Skripte, 22:19.720 --> 22:23.020 PowerPoint -Präsentationen, der direkt nochmal erklärt, was es mit 22:23.020 --> 22:25.320 dieser Aufgabe auf sich hat. 22:25.320 --> 22:29.580 Und diese Teilaufgaben wiederum zusammenbilden ein zusammengefasstes 22:29.580 --> 22:33.400 Themengebiet, jetzt auch aus dem Bereich der finiten Elemente, sodass 22:33.400 --> 22:36.520 das Ganze immer irgendwie blockweise funktioniert und sodass zum 22:36.520 --> 22:39.320 Beispiel einzelne Blöcke unterschiedliche Schwierigkeitsgrade haben 22:39.320 --> 22:39.560 können. 22:39.680 --> 22:42.540 Das heißt, wenn ein Informatiker in der Mathematik noch nicht ganz so 22:42.540 --> 22:45.040 weit ist, kann es da ein bisschen einfacher gestaltet sein, wie es 22:45.040 --> 22:47.820 später in den informatischen Abschnitten ist, wo es um die 22:47.820 --> 22:49.340 Parallelisierung, um die Hardware geht. 22:49.920 --> 22:52.280 Da kann es dann doch deutlich schwerer sein. 22:52.280 --> 22:57.060 Soviel mal zur Vorstellung der interaktiven Lehr- und Lernplattformen. 22:58.100 --> 23:00.640 Abschließend möchte ich das Teilprojekt einfach nochmal ganz kurz 23:00.640 --> 23:01.380 zusammenfassen. 23:01.880 --> 23:03.700 Es besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen. 23:03.800 --> 23:07.080 Das eine ist das Softwarepraktikum Parallelenumerik, das inzwischen 23:07.080 --> 23:11.560 als erfolgreiches Lehrkonzept in unseren Lehrplan integriert wurde. 23:11.560 --> 23:15.020 Wir schätzen dabei sehr die interdisziplinäre Arbeit, weil wir 23:15.020 --> 23:17.940 feststellen, dass Studierende davon sehr viel mehr mitnehmen können, 23:18.040 --> 23:21.840 als wenn die Forschungsgruppen, die hier entstehen, eher heterogen 23:21.840 --> 23:22.620 sind. 23:22.620 --> 23:27.320 Und deshalb ist unser Ziel, auch über das Projekt Lehrhochforschung 23:27.320 --> 23:31.480 hinaus, die Kooperation mit anderen Instituten weiter auszubauen, 23:31.560 --> 23:35.060 sodass das Praktikum insgesamt etwas bekannter wird, wir aus den 23:35.060 --> 23:38.580 verschiedenen Fachbereichen noch mehr Studenten ins Praktikum 23:38.580 --> 23:42.300 hineinziehen können und so ein bisschen mehr Gruppen bilden können, 23:42.380 --> 23:45.320 die auch im Wesentlichen sehr heterogen arbeiten können. 23:45.320 --> 23:48.000 Der zweite Teil ist diese interaktive Lehr-Lern-Plattform. 23:48.260 --> 23:50.880 Wir haben gesehen, dass es eine virtuelle Experimentierumgebung ist, 23:50.900 --> 23:54.560 die dem Studierenden alle Möglichkeiten bietet, sich in die Methode 23:54.560 --> 23:56.520 der Finiten Elemente, in das Lösen partieller 23:56.520 --> 24:00.040 Differenzierergleichungen sehr tief hineinzuarbeiten, mit Hinblick auf 24:00.040 --> 24:03.020 alle Aspekte, die da eben so wichtig sind, angefangen von der 24:03.020 --> 24:06.500 Modellierung über die Mathematik, über die Informatik bis hin zur 24:06.500 --> 24:09.800 Evaluierung der Ergebnisse, die dann real auch von der Finiten Element 24:09.800 --> 24:14.120 Bibliothek erzeugt werden, in der er komplett Einblick erhält, auf 24:14.120 --> 24:17.520 Basis seines Vorwissens den Schwierigkeitsgrad eingestellt kriegen 24:17.520 --> 24:19.300 kann und das auch in Teamarbeit lösen kann. 24:19.760 --> 24:23.020 Aktuell ist das System in dem Zustand, dass es in die erste Testphase 24:23.020 --> 24:25.460 übergehen kann, damit wir auch feststellen können, dass das System 24:25.460 --> 24:28.780 stabil läuft, dass es die Kinderkrankheiten überwunden hat, dass es 24:28.780 --> 24:32.800 auch das liefert, was es soll im Rahmen des Lehraspekts, den es haben 24:32.800 --> 24:33.040 soll. 24:33.140 --> 24:37.360 Und wir hoffen, dass da in naher Zukunft auch ein ordentliches 24:37.360 --> 24:38.840 Programm daraus entsteht. 24:40.100 --> 24:42.120 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit. 24:42.500 --> 24:45.580 Das war die Vorstellung des problemorientierten, interdisziplinären 24:45.580 --> 24:46.900 Softwarepraktikums Mathematik.