Game Based Learning im virtuellen Mikrobiologie Labor

Game Based Learning
         im virtuellen Mikrobiologie Labor
     Antrag für Fellowships für Innovationen in der Hochschullehre

    Eingereicht über die Beuth Hochschule für Technik Berlin von:

    Prof. Dr. Felix Gers, Fachbereich VI - Informatik und Medien (Fellow)
    Prof. Dr. Steffen Prowe, Fachbereich V - Life Sciences and Technology

1     Einführung
Übungen für Studierende im Labor für Mikrobiologie laufen entsprechend
eines komplexen nebenläufigen Prozessplans ab. Es ist die Aufgabe der Stu-
dierenden den Ablauf der Prozesse selbständig zu planen und durchzuführen
oder auf Basis eines Skriptes die Versuche erfolgreich durchzuführen.
    Im Studienplan des 2. Fachsemesters Biotechnologie erlernen die Stu-
dierenden in ihrem ersten Pflicht-Laborpraktikum grundlegende Techniken
der Mikrobiologie und erhalten parallel zu einer theoretischen Vorlesung
praktische Bezüge. Gerade das praktische Erlernen soll didaktisch sinnvoll
die Theorie unterstützen. Die Versuche müssen vorbereitet werden (z.B.
Nährmedien ansetzen), durchgeführt werden (Inkubationen über Stunden
oder Tage; biochemische Tests; Beobachtungen) und ausgewertet werden.
Nachfolgend sind Protokolle zu erstellen.
    Damit die Studierenden die Möglichkeiten der Labore und die Betreu-
ung in den Übungen optimal ausnutzen können, sollen die einzelnen Versu-
che zuvor anhand eines Skriptes vorbereitet werden. Dies geschieht bisher
nur durch Vorbereitung auf Papierbasis, soll aber mittels diesen Projektes
zukünftig möglichst realitätsnah vorbereitet werden. Dabei ist wichtig, dass
die Planung der experimentellen Abläufe als Lernziel -soweit möglich- nicht
vorgegeben, sondern den Studierenden überlassen wird. Vor allem müssen
parallel verlaufende Versuche zeitlich gut getaktet werden, so dass nicht
ein zeitlich langes, sukzessives Abarbeiten geschieht, sondern dass geschickt
zwischen einzelnen Versuchsteilen gewechselt wird. Nur so kann im vorgege-
benen Zeitrahmen (pro Tag als auch über das Semester gesehen) das Ver-
suchspensum sinnvoll absolviert werden.
    Dieses vorab zu trainieren und gleichzeitig die notwendige Theorie vor-
zubereiten kann neben einem Skript am besten mit einer game-basierten
Simulation der dann später im Labor durchzuführenden Vorgänge erfolgen.
Gerade in einem komplexeren und sich über mehrere Wochen hinziehenden

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Versuchsablauf behalten so die Studierenden den Kontext des jeweiligen
Versuchs präsent und erzielte virtuelle Erfolge können in der Praxis der
Laborübung umgesetzt werden.
    Game Based Lerarning (GBL) hält derzeit Einzug in unterschiedliche
Bereiche von von schulischer und universitärer Lehre und industrieller Aus-
bildung. Wir gehen davon aus, dass der Bereich in den kommenden Jahren
weiter an Relevanz gewinnen wird und daher auch an Hochschulen entspre-
chend berücksichtigt werden sollte. In diesem Vorhaben soll basierend auf
dem Lernspiel “Das große Sarah Wiener Kochspiel” (ASIN: B002ENQJVK,
2009, Publisher: VHO, Berlin, Distributor: DTP, Hamburg) eine Vorberei-
tung des Praktikums ermöglicht werden. Die Gemeinsamkeit zwischen dem
Kochspiel und den Laborversuchen besteht in der zu Grunde liegenden Lo-
gik. Eine Netzstruktur verknüpft Stränge von Arbeitsabläufen, die korrekt
abgearbeitet und zeitlich richtig getaktet werden müssen.

1.1   Motivation
Wir wollen den Studierenden aktuelle Möglichkeiten zum selbständigen Ler-
nen zur Verfügung stellen. Die derzeit noch eingesetzten in Papierversion
vorliegenden Skripte ermöglichen lediglich eine analoge und eindimensionier-
te Beschäftigung mit den Themen der Laborübung. Auch die bereits genutz-
ten Moodle-Lernraumsysteme arbeite mit statischen Dokumenten, i.d.R. im
PDF-Format.
    Mittels spielerischer Beschäftigung als Vorbereitung wird oftmals eine
aktivere Durchdringung von Themen erreicht als bei rein theoretischer le-
sender Tätigkeit. So sind nicht alle Studierenden nach einer ”konventionel-
len”Vorbereitung in der Lage den Transfer in die praktische Laborübung zu
vollziehen. Entsprechend erstreckt sich der Betreuungsaufwand neben der
stets notwendigen aktiven Unterstützung der Tätigkeiten auch auf grund-
legende Erklärungen zum Sinn, der Theorie als auch der Abfolge der La-
borübung. Dieser Aufwand kann mittels GBL eventuell verringert werden.
Im Rahmen einer Nachbereitung der Laborübung jeden Tages können die
Studierenden anhand einer Mitschrift (elektronisch oder auf Papier) noch-
mals die virtuelle Theorie als auch ggsf weitere präsentierte Hintergründe
(Filme, Internetresourcen) mit ihren Erfahrungen abgleichen. Dadurch kann
die Erstellung eines Protokolls sinnvoll unterstützt und -für ein 2. Fachse-
mester sinnvoll- auch inhaltlich durch die Verknüpfungen gesteuert werden.
Damit kann dann eine für alle Teilnehmer gleichermassen verfügbare und
jederzeit wiederholbare Quelle der Klausurvorbereitung verfügbar gemacht
werden. Interaktive Elemente als auch nachträglich eingestellte weitere In-
formationen können den Lernstoff ergänzen. Erfolgt eine Verknüpfung mit
dem Lernraumsystem Moodle (Inhalte; News- und Diskussionsforen) oder
anderen interaktiven Tools (z.B. Dropbox, Evernote), kann auch der fachli-
che Austausch in Nicht-Präsenzzeiten moderiert werden.

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Die Nutzung von Ressourcen der Hochschule soll durch das Projekt opti-
miert werden. So soll mittels moderner IT und der GBL-Anwendung der Zu-
gang zu aktuellen und innovativen Wissensquellen koordinierter erschlossen
werden. Da sich gerade im naturwissenschaftlichen Bereich die Aktualität
der Daten schnell ändert, soll die Anwendung ein graphisches Nutzerinter-
face zum Einpflegen neuer Prozesse inklusive der Logiken enthalten.

2    Beschreibung des Vorhabens
Wir wollen GBL für die Vorbereitung von Laborübungen einsetzen, um die
Labore und die Betreuung in den Übungen optimal zu nutzen. Derzeit wer-
den Versuche anhand eines Skriptes auf Papierbasis vorbereitet. Dies soll in
Zukunft durch die GBL-Anwendung ergänzt werden. Dabei ist wichtig, das
die Planung der experimentellen Abläufe als Lernziel -soweit möglich- nicht
vorgegeben, sondern den Studierenden überlassen wird. Dies geschieht am
besten mit einer game-basierten Simulation der dann später im Labor durch-
zuführenden Vorgänge. Damit dies möglichst realistisch abläuft, agieren die
Studenten spielerisch in einem virtuellen Labor. Alle Arbeitsschritte aus
dem realen Labor können dort ausgeführt und nachvollzogen werden. Feh-
lerhafte Arbeitsschritte werden sofort aufgedeckt und gewertet, aber nicht
bereits praktisch im Labor durchgeführt. Die Anforderung alle Schritte rich-
tig durchzuführen ist notwendig, aber nicht hinreichend. Um das Versuchs-
pensum im vorgegebenen Zeitrahmen zu absolvieren, gilt es die Abfolge von
Schritten in nebenläufigen Teilprozessen strategisch so zu planen, dass diese
optimal ineinander greifen.
    Als Basismodell für die Logik der Prozesse wird -wie bei “Das große
Sarah Wiener Kochspiel”- ein modifiziertes Petrinetz eingesetzt. Die Knoten
stellen Zwischenschritte bzw. Zwischenprodukte eines Prozess dar. Über die
Nutzung von Werkzeugen und die Kombination von Knoten gelangt man zu
einen weiteren Zwischenprodukt. In einem Netz sind in der Regel mehrere
Knoten aus unterschiedlichen Arbeitssträngen aktiv. Diese sind parallel und
zeitlich richtig aufeinander abgestimmt zu bearbeiten.
    Das Nutzerinterface ist eine Abbildung des Labors in 2D oder 3D in
dem eine direkte Manipulation aller Komponenten der zu planenden Pro-
zesse möglich ist. Eingangskomponenten und Zwischenresultate können ent-
sprechend der verborgenen Prozesslogik verwendet werden. Die Studieren-
den können in beliebigen Wiederholungen versuchen den Prozessablauf zu
optimieren. Ist das Ergebnis dieser Vorbereitung hinreichend gut, kann das
Erlernte im Labor unter persönlicher Betreuung von wissenschaftlichen Mit-
arbeiterInnen und Lehrkräften umgesetzt werden.
    Zudem besteht die Möglichkeit neue Inhalte wie Lehrfilme oder vernetz-
te Internet-Resourcen zur Gerätebenutzung (bspw. Mikroskopie) einzubin-
den. Über die weitere Anbindung an das Lernraumsystem Moodle soll ein

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schneller und für alle Teilnehmer stets verfügbarer Austausch von Infor-
mationen als auch Ergebnissen erfolgen. Moodle ist an der Beuth Hoch-
schule bereits seit 2004, also seit über 6 Jahren im Einsatz. Es ist Be-
standteil der Rahmenstudienordnung zur Optimierung der Verfügbarkeit
von Lehr-Informationen. Ein solches Game-Based-Learning-System soll im
Rahmen dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekts in einer zwei Fachbe-
reiche übergreifenden Kooperation erstellt und evaluiert werden.

2.1   Ziele
Ziel das Vorhabens ist es, einen im Unterricht einsetzbaren Prototypen zu
konzipieren und zu implementieren. Dieser Prototyp soll im Zusammenar-
beit mit dem Fachbereich V im Rahmen von Laborübungen von den Leh-
renden, den technischen Mitarbeitern als auch den Studierenden evaluiert
und entsprechend der gewonnenen Erkenntnisse verbessert werden.
    Der zu erstellende Prototyp soll, ohne neue Software entwickeln zu müssen,
über ein rein graphisches Interface verfügen und um neue Laborübungen in
spielbarer Form erweiterbar sein.

3     Lehrinnovation
Das Projekt bringt synergistisch Fachrichtungen zusammen: Mikrobiologen,
Informatiker und auch Didaktiker. Bisher werden Game Based Learning Sys-
teme in Schulen, zum Beispiel im Physikunterricht und in den innerbetriebli-
chen Weiterbildung eingesetzt. Werkzeuge zu Erstellung von game-basierten
Simulationssystemen oder interaktiven Skripten für die Anwendung im Mi-
krobiologielabor gibt es derzeit nicht. Bestehende GBL-Systeme sind inhalt-
lich geschlossen, sie können nicht, wie in diesem Projekt vorgesehen, vom
Anwender auf neue Aufgaben erweitert werden.

3.1   Erprobung
In der ersten Erprobungsphase soll anhand eines einfachen Modells (z.B.
an wenigen Versuchen) der Erfolg und eventuelle Risiken/Probleme dieser
Technik evaluiert werden. Studierende sollen die Möglichkeit erhalten den
Prototyp in der Vorbereitung als auch während des Laborübungen zu nut-
zen. Parallel soll dazu das herkömmliche Papierskript bereitgestellt werden,
so dass der Wissenstransfer in jedem Fall gesichert ist. Dadurch bietet sich
auch die Möglichkeit einen Vergleich beider Systeme mit in die Bewertung
einfließen zu lassen.
    Dieser Prototyp soll dann im Zusammenarbeit mit dem Fach Mikrobio-
logie im Rahmen von Laborübungen entsprechend der gewonnenen Erkennt-
nisse verbessert werden.
    Bei der Evaluierung zu beurteilen sind die folgenden Aspekte:

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• Der didaktische Mehrwert

   • Die Übertragbarkeit der petrinetzartigen Logik auf mikrobiologische
     Prozesse

   • Die Bedienbarkeit nach HCI-Maßstäben

   • Die Zeitersparnis für den Dozenten und die Reduzierung der Labor-
     nutzung

   • Die Einsatzfähigkeit der Hard- und Software im Mikrobiologielabor

3.2   Risiken
Risiken sind sicherlich die Fokussierung auf IT-basierte Systeme im Gegen-
satz zu einer händisch durchgeführten Laborübung. Hier muss durch ei-
ne adäquate Einführung und begleitende Supervision die Vermittlung der
Fachinhalte der mikrobiologischen Laborübung sichergestellt werden. Die-
ser initial bestehende Mehraufwand muss mit einberechnet werden und die
involvierten ProfessorInnen, MitarbeiterInnen und Studierenden sollen hier-
bei unterstützt werden. Zudem kann ein stärker IT-lastiges Lernen auch auf
Ablehnung stoßen. Da aber in den Laborübungen stets die Praxis ”analog”
durchgeführt wird, kann der zu vermittelnde Stoff ebenso hierüber transpor-
tiert werden.

3.3   Verstetigung der Lehrinnovation
Die Etablierung des Lernsystems zur Vorbereitung von Laborübungen durch
die Studierenden über das Forschungsvorhaben hinaus wird angestrebt. Da
durch das von uns genutzte Moodle-System immer mehr Studierende neue
Möglichkeiten der IT nutzen (z.B. Laptop mit PDF in der Vorlesung; Zu-
griff auf Internetresourcen über WLAN während Laborübungen), soll hier-
mit eine neue Möglichkeit der Bereitstellung von Inhalten für Laborübungen
verfügbar gemacht werden. Nach diesem Pilotprojekt sollen weitere Labo-
re diese Möglichkeit nutzen. Ziel ist zudem eine IT-Plattform-unabhängige
Software einzusetzen. Dadurch können die Inhalte von allen Studierenden
gleichermaßen genutzt werden, vor allem wird die Intensität der Vorberei-
tung auf Laborübungen durch schnell verfügbare Lehrinhalte (Internetre-
sourcen, Filme, verlinkte Dokumente, Verweis auf bereits geübten Lehrin-
halt) verbessert und zudem fokussiert auf die gewünschten Inhalte.
    Über eine Kooperation mit einem externen Dienstleister (Publisher) sol-
len die Inhalte, also die Software mit den Laborübungen, über das Inter-
net auch anderen Hochschulen zugänglich gemacht werden. Geplant ist ein
Geschäftsmodell für die erstellten GBL-Anwendungen zu entwickeln.

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3.4   Transfer auf andere Lehr-Lern-Situationen
Die im Mikrobiologielabor dargestellt Lehrinnovation kann auch auf andere
Disziplinen mit vergleichbaren Lehr-Lern-Situationen übertragen werden.
    Das System soll ein graphisches Nutzerinterface zum Einpflegen neuer
Prozesse einschließlich der entsprechenden Logiken enthalten. Damit ist es
auch für weitere Labore an der Hochschule, anderer Bildungseinrichtungen
und für Betriebe zur innerbetrieblichen Weiterbildung als auch zur Einar-
beitung neuer Mitarbeiter interessant.
    Jegliche weitere Inhalte und laborähnliche Strukturen können das Sys-
tem modular ebenso nutzen und eigene Inhalte einpflegen.

3.5   Expertise
Mit dem Stand der Technik von GBL-Anwendungen sind die Partner aus
dem Fachbereich Informatik bestens vertraut und möchten ihr Wissen und
ihre Erfahrungen in diese Forschungsarbeit einbringen. Die Expertise auf
diesem Gebiet macht sie zuversichtlich, das Forschungsvorhaben erfolgreich
durchführen zu können. Relevante Veröffentlichungen:
Gers, F. A., ”Next-Gen Game Development”, Game Face, Online Publica-
tion, 2007.
Gers, F.A., Softwaredesign für “Das große Sarah Wiener Kochspiel”, ASIN:
B002ENQJVK, Publisher: VHO, Berlin, Distributor: DTP, Hamburg, 2009.

     Für Mikrobiologen als Partner aus dem Fachbereich Life Sciences and
Technology sind die wissenschaftlichen Inhalte als auch die Zusammenar-
beit mit den Wissenschaftliche Labormitarbeitern täglicher Erfolgsgarant
für die Lehre im Labor. Daher ist ihnen die Interaktion mit Studierenden
sehr vertraut und kann durch eine andere und ihrer Ansicht nach vertiefen-
dere GBL-Methode nur verbessert werden.

4     Arbeitsplan
Ein Arbeitsplan mit einer Aufteilung in Arbeitsblöcke und auf die beteiligten
Kooperationspartner liegt diesem Antrag bei.
    Der zeitliche Rahmen für das Vorhaben beträgt sechs Monate. Nach einer
ersten Planungs- und Entwurfsphase sollen deren Ergebnisse in einem Tref-
fen aller Beteiligten evaluiert werden. Danach erfolgt die Implementierung
der Anwendung und das Einpflegen der Versuche wie im Planungs-Treffen
vereinbart in die Prozesslogik. Diese wird mit der Präsentation eines Pro-
totypen abgeschlossen. Die Evaluation und Tests im Mikrobiologie-Labor
erfolgen unter Beteiligung aller an der späteren Anwendung beteiligten Per-
sonen. Nach einer abschliessenden Arbeitsphase zur Beseitigung von Bugs

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und zur Einarbeitung von Nutzerwünschen wird das Projekt mit einer Do-
kumentation abgeschlossen. Eine Publikation der Ergebnisse ist geplant.

4.1   Kooperationspartner
Mit der Firma Villa Hirschberg Online GmbH (VHO), die “Das große Sa-
rah Wiener Kochspiel” entwickelt und publiziert hat, ist eine Kooperation
vereinbart.
    Vorgänge in Küche und Labor, also kochen und ansetzen von vorzube-
reitenden Materialien ist, bezogen auf die Ablauflogik vergleichbar. Paral-
lele Prozesse müssen damit zum richtigen Zeitpunkt initiiert, gesteuert und
überwacht werden. Reaktionskomponenten bzw. Zutaten werden zusammen-
geführt, evtl. wieder getrennt und mit wieder anderen zusammen weiter
verwandt. Es steht im Labor als auch in der Küche stets ein gewünschtes
positives Ergebnis als Ziel vor Augen, so dass zielgerichtet gearbeitet werden
kann.

4.2   Eigene Arbeiten
Der wissenschaftlich-technische Überbau und die Leitung des Projektes mit
der Koordination der verschiedenen Disziplinen soll von der Beuth Hoch-
schule übernommen werden.
   Dabei werden der Informatikteil und der mikrobiologische Teil auf die
entsprechenden Fachbereiche aufgeteilt.

4.3   Publikation der Ergebnisse
Die Ergebnisse des Vorhabens sollen publiziert werden. Dabei sind für die
verschiedenen Aspekte des Projektes separate Veröffentlichungen geplant:

    • Eine didaktische Anwendung im Mikrobiologielabor

    • Games Based Learning im Labor mit mobilen Anwendungen

    • Erweiterte Petrinetze zur Modellierung mikrobiologische Prozesse

    • Kriterien für die Bedienbarkeit von Anwendungen zur Unterstützung
      von Unterricht im Labor

5     Finanzplan
Ein Finanzplan entsprechend der Aufteilung in Arbeitsblöcke der beteiligten
Kooperationsparten liegt diesem Antrag bei. Der finanzielle Rahmen für das
Vorhaben beträgt 50.000 Euro.

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Game Based Learning im virtuellen Mikrobiologie-Labor

Eingereicht über die Beuth Hochschule für Technik Berlin von:
Prof. Dr. Felix Gers, Fachbereich VI - Informatik und Medien (Fellow)
Prof. Dr. Steffen Prowe, Fachbereich V - Life Sciences and Technology

Zusammenfassung
Game Based Learning (GBL) hält derzeit Einzug in unterschiedliche Berei-
che von schulischer und universitärer Lehre und industrieller Ausbildung.
Mittels spielerischer, interaktiver Beschäftigung wird oftmals eine aktive-
re Durchdringung von Themen erreicht als bei rein theoretischer lesender
Tätigkeit. Wir gehen davon aus, dass der Bereich in den kommenden Jahren
weiter an Relevanz gewinnen wird und daher auch an Hochschulen entspre-
chend berücksichtigt werden sollte.
     Wir wollen GBL für die Vorbereitung von Laborübungen im Fach Mikro-
biologie anwenden. Diese laufen entsprechend eines komplexen nebenläufigen
Prozessplans ab. Es ist die Aufgabe der Studierenden den Ablauf der Pro-
zesse selbständig zu planen und im vorgegebenen Zeitrahmen erfolgreich
durchzuführen.
     Um die Labore und die Betreuung in den Übungen optimal zu nutzen,
wollen wir den Studierenden mittels einer game-basierten Simulation die
Möglichkeiten zur selbständigen, realitätsnahen Vorbereitung zur Verfügung
stellen.
     Dazu agieren die Studenten spielerisch in einem virtuellen Labor. Als
Basismodell für die Logik der Prozesse wird ein modifiziertes Petrinetz ein-
gesetzt. Das Nutzerinterface ist eine Abbildung des Labors in dem eine di-
rekte Manipulation aller Komponenten der zu planenden Prozesse möglich
ist. Eingangskomponenten und Zwischenresultate können entsprechend der
verborgenen Prozesslogik verwendet werden. Die Studierenden können in be-
liebigen Wiederholungen versuchen den Prozessablauf zu optimieren. Ist das
Ergebnis dieser Vorbereitung hinreichend gut, kann das Erlernte im realen
Labor unter persönlicher Betreuung umgesetzt werden.

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