Interaktive, digitale Notebooks für besseres Lernen
Dank Jupyter Notebooks können Studierende Probleme im Bauwesen lösen, indem sie die Verformung von Bauwerken beobachten, die Signalverarbeitung mit Hilfe von Klängen, Musik oder Bildern verstehen und abstrakte Konzepte in der Physik begreifen – und das alles auf einfache, zugängliche Weise. Die digitale Umgebung der Notebooks kombiniert Rechenleistung mit Kursinhalten, so dass die Lernenden das rechnerische Denken üben können. Dadurch werden ihr konzeptionelles Denken gestärkt und ihre Programmierkenntnisse werden erweitert. Die Lehrkräfte nutzen die Notebooks für virtuelle Demonstrationen während des Unterrichts und für Aufgaben, die die Studierenden aus der Ferne bearbeiten können. Darüber hinaus ermöglicht die interaktive Schnittstelle der Notebooks den Studierendenn, Probleme zu lösen und ihr Wissen zu vertiefen.
Das Projekt zur Entwicklung des Einsatzes von Jupyter-Notebooks in der Ausbildung an der EPFL begann 2019: «Wir hatten schon seit einiger Zeit darüber nachgedacht», sagt Patrick Jermann, Executive Director des EPFL Center for Digital Education. «Wir haben mit Pierre Vandergheynst, dem damaligen Vizepräsidenten für Bildung der EPFL, darüber gesprochen, da die Integration von Computational Thinking in unsere Studiengänge den strategischen Bildungszielen der EPFL entsprach. Und die Jupyter-Notebooks ermöglichen es, den Studierenden mit Hilfe von Berechnungsmethoden Konzepte aus einer Vielzahl von Disziplinen näherzubringen.»
Die Jupyter-Notebooks sind eine Open-Source-Technologie, die in den USA entstanden ist: «Ursprünglich hiessen sie IPython Notebooks, nach der ersten Programmiersprache, die sie unterstützten», sagt Cécile Hardebolle, pädagogische Beraterin und Verantwortliche für das Projekt an der EPFL. «Dann kam das Jupyter-Projekt, dessen Name eine Kurzform von Julia, Python und R ist – die ersten drei Sprachen, die in der Plattform implementiert wurden. Heute gibt es viele weitere.»
Um den Einsatz von Jupyter-Notebooks an der EPFL zu unterstützen, musste das Projektteam zunächst die erforderliche IT-Infrastruktur einrichten und an die Bedürfnisse der Nutzenden anpassen. Diese Aufgabe fiel Pierre-Olivier Vallès, Systemingenieur an der EPFL, zu: «Die verschiedenen Komponenten zusammenzustellen und sie zum Funktionieren zu bringen, war ein gewaltiges Unterfangen», sagt er. «Unser Ziel war es, ein System zu schaffen, das den Bedürfnissen der EPFL entspricht und sich in unsere anderen IT-Systeme einfügt, wie die Lernplattform Moodle und unsere MOOC-Dienste.»
Der Service Jupyter Notebook for Education wurde schrittweise mit Hilfe von Lehrkräften eingeführt, die sich für die neue Lehrmethode interessierten, und von jenen, die die Notebooks bereits zu Forschungszwecken verwendet hatten. Cécile Hardebolle erklärt: «Die eigentliche technische Herausforderung bestand darin, das System an die spezifischen Lehranforderungen anzupassen. Wenn zum Beispiel ein Chemieprofessor computergestützte Chemie demonstrieren wollte und eine bestimmte Bibliothek benötigte, fügte Pierre-Olivier diese hinzu. Wir sind immer auf der Suche nach neuen Bibliotheken und Erweiterungen, die sich gut in die Lehre einfügen.» Eine Reihe von Fachgebieten, die an der EPFL unterrichtet werden – wie Chemie, maschinelles Lernen und geografische Informationssysteme – können von der digitalen Umgebung der Notebooks profitieren.
Die Verwendung von Jupyter Notebooks ist zwar einfach, die Installation der Server, die sie unterstützen, jedoch nicht. Der Mehrwert, den die EPFL bietet, besteht darin, dass die Notebooks dank noto, der zentralen JupyterLab-Plattform für den Bildungsbereich, ohne das Herunterladen und die Installation einer speziellen Software verwendet werden können. Dies spart den Lehrkräften viel Zeit und ermöglicht es den Studierenden, von überall aus zu arbeiten, auch wenn sie nicht über einen leistungsfähigen Laptop verfügen.
Die Bemühungen um die Einführung des Notebooks-Dienstes an der EPFL haben sich gelohnt: Seit 2019 haben sich über 5500 Personen mit noto verbunden, darunter Professorinnen und Professoren und Nutzende von anderen Hochschulen, die sich für die Technologie interessieren. Es gibt rund 2600 regelmässige Nutzerinnen und Nutzer, was bedeutet, dass das System robust genug sein muss, um mehrere gleichzeitige Abfragen zu bewältigen: «Wenn sich eine Klasse mit 30 Studierenden auf einmal einloggt, muss das gut funktionieren», sagt Cécile Hardebolle, «und wenn sich 50, 100 oder 200 Studierende um 8.15 Uhr einloggen wollen, müssen alle Server innerhalb von 5 Minuten wieder einsatzbereit sein.»
