DiQ: Developing an Interactive Toolset for Quantitative Ecology Education

This project aimed to enhance the teaching of quantitative concepts in biological education at ETH by boosting the creation of interactive and hands-on learning activities. Our motivation was to make science-based quantitative research and mathematical models more accessible and engaging for students. To achieve this, we collaborated with lecturers and professors developing and integrating ShinyApps-based activities into their courses› curriculum.

One of the main challenges to implement science-based interactive learning is the time and expertise required from lecturers to develop such modules. While highly sophisticated resources are available, we believe that the keys to widespread implementation in education rely on four needs: (i) ease of integration into research workflows, (ii) consistency in coding language and approaches between research and education, (iii) flexibility to adjust the need for coding experience according to the participating students› abilities and interests (e.g. concept-driven discussions vs. methodologically-driven discussions, introductory level vs. advanced level, etc.); and (iv) the existence of a critical mass of expertise (either top-down or equal-to-equal) that facilitates problem-solving in developing these modules.

To address these points, we aimed to develop and implement four interactive learning modules in two ETH courses and collect student feedback and suggestions to assess their effectiveness and their perception by students. Finally, to boost the creation of support networks within teaching staff at ETH that support educational innovation, we organized a workshop on the use of interactive and code-based exercises to enhance learning. The workshop covered the university’s strategy for interactive education and active learning strategies, discussion on how to implement these while boosting diversity and fairness, and finally hands-on practical exercises on how to implement these to the participants research using ShinyApps and Jupyter Notebooks.

Furthermore, we created interactive modules for the Scientifica A24 booth ‹Species interactions in a changing world,› focusing on the importance of data gathering, interactions, and hidden diversity. Participants directly gathered data on biodiversity, plant-pollinator interaction, and forest regeneration during the event, which was analyzed and discussed live on the booth. This allowed for enriching exchanges and discussions on their findings, the importance of biodiversity and climate change.

Overall, our project aimed to make quantitative concepts in ecological education more engaging and accessible by addressing the practical challenges faced by educators.

Wir haben vier Module für zwei ETH-Kurse entwickelt und umgesetzt: «Advanced Ecological Processes (701-0328-00L)», im Herbstsemester; und «Plant Ecology (701-0323-00L)», im Frühjahrssemester. Der Projektleiter hat sie in enger Zusammenarbeit mit den Hauptdozenten entwickelt und geleitet. Der Schwerpunkt lag darauf, dass die Dozenten die erforderlichen Werkzeuge aneignen, um sie in Zukunft unabhängig umzusetzen und weiterzuentwickeln. Tatsächlich hat im Studienjahr 2023-2024 der Hauptdozent von Advanced Ecological Processes diese Module eigenständig durchgeführt und verbessert, wobei der Projektleiter nur von aussen Unterstützung leistete. Wir haben die Rückmeldungen und Empfehlungen der Studierenden für diese Module direkt über anonyme Fragebögen nach jedem Modul bewertet. Die abschließende Bewertung der Prüfungsergebnisse zeigte gemischte Ergebnisse, wobei sich nur bei einigen modulbezogenen Fragen im Vergleich zu den Vorjahren im Durchschnitt deutliche Verbesserungen zeigten.

Der zweitägige Workshop «Interaktive und codebasierte Übungen zur Verbesserung des Lernens» fand im August 2023 statt und zog etwa 25 Teilnehmer an, hauptsächlich Lehr- und Forschungspersonal aus verschiedenen ETH-Abteilungen, insbesondere D-USYS. Der erste Tag konzentrierte sich auf konzeptionelle Fragen und Erfahrungen bei der Umsetzung von aktivem Lernen in der Hochschulbildung, während der zweite Tag praktische Empfehlungen dazu gab, wie dies mit persönlichem Forschungscode umgesetzt werden kann. Die Diskussion über die Bildungsstrategie der ETH wurde von Urs Brändle, Anouk Nguyen und Barbara Templ von LET geleitet. Prof. Elli Theobald, eine Gastrednerin von der University of Washington und führende Forscherin im Bereich aktiver Bildung, folgte mit Erfahrungen und Tischdiskussionen über die Herausforderungen und Vorteile von aktivem Lernen in Universitätsumgebungen und deren Auswirkungen auf Lernergebnisse und Vielfalt. Rubén Manzanedo sprach dann über die Erfahrungen und das Feedback der Studierenden bei der Entwicklung und Umsetzung von ShinyApp-Modulen. Der Workshop endete mit einem ganztägigen praktischen Übungsteil zum Einsatz von Jupyter Notebooks (geleitet von Katrin Bentel) und ShinyApps (geleitet von Rubén Manzanedo) zur Umwandlung persönlicher Forschung in Lernaktivitäten.

Zusätzlich wurden die drei konzipierten interaktiven Module für den Stand «Alpenwiese und Waldboden: Wie Arten interagieren» auf der Scientifica23 im September 2023 entwickelt und umgesetzt. Diese auf Handys ausgerichteten Apps führten die Besucher dazu, i) die verborgene Vielfalt alpiner Wiesen zu erkunden, ii) die Vorlieben von Bestäubern zu beobachten, indem sie echten Hummeln folgten und ihre Ernährungsvorlieben aufzeichneten, und iii) zu verstehen, wie Pflanzenökologen in der Lage sind, Veränderungen in zukünftigen Wäldern aufgrund des Klimawandels zu untersuchen und vorherzusagen. Ein wesentlicher Aspekt dieser Module ist, dass die Teilnehmer ihre Daten beitragen und eingeben, die dann automatisch live analysiert und offen diskutiert werden.

Wir stellten fest, dass alle beabsichtigten Ziele erfolgreich erreicht wurden. Die Aktivitäten wurden von den Studierenden gut aufgenommen und von den Dozenten positiv aufgegriffen. Die Teilnahme und Beteiligung am Workshop deuteten eindeutig auf die Existenz einer kritischen Masse von ETH-Pädagogen hin, die in die Verbesserung der Bildung interessiert sind und sich dafür begeistern. Die unerwartete Möglichkeit, zur Scientifica23 beizutragen, erwies sich als äußerst konstruktiv, um die Vorteile und Möglichkeiten interaktiver Module für die Wissenschaftskommunikation zu präsentieren, als Ergänzung zu ihrer pädagogischen Verwendung.

Die Rückmeldungen der Studierenden und ihre Auswirkungen auf ihr Verständnis wurden durch Feedback über anonyme Fragebögen und durch den Vergleich der Prüfungsleistungen zwischen modulgeführten und nicht modulgeführten Fragen in den Abschlussprüfungen beider Zielkurse bewertet.

Die Rückmeldungen der Studierenden waren äußerst positiv. Hinsichtlich des Formats bevorzugten die Studierenden eigenständiges individuelles Lernen in ihrem eigenen Tempo. Dies stand jedoch im Kontrast zu den Eindrücken der Dozenten bei der Bewertung von Prüfungen und Kursbeteiligung, die verbessert schienen, wenn die Module während des Unterrichts angeleitet und in Gruppen durchgeführt wurden. Die Anwesenheit von Dozent und Mitschülern schien auch Frustrationen bei möglichen technischen Problemen oder unklaren Anweisungen zu verhindern, die leicht zu einem Problem beim selbstständigen Lernen werden können. Diese Diskrepanz zwischen den Erfahrungen der Studierenden und der Dozenten könnte mit der Neuheit dieser Module für die Studierenden und der wahrgenommenen Sicherheit des selbstständigen Lernens zusammenhängen. Schließlich, als wir die Auswirkungen unserer Module auf die Prüfungsleistungen bewerteten, stellten wir fest, dass die Ergebnisse inkonsistent waren. Einige modulgeführte Fragen zeigten klare Verbesserungen in den Durchschnittsnoten der Studierenden, während andere im Vergleich zu den traditionellen Lehrmethoden in den Vorjahren nur geringfügige oder keine Unterschiede aufwiesen.

Der gemischte Einfluss auf die Prüfungsnoten unterstreicht die Notwendigkeit einer fortlaufenden Erforschung der effektivsten Umsetzungsstrategien. Unter Anerkennung des Gleichgewichts zwischen der Autonomie der Studierenden und dem angeleiteten Gruppenlernen schlagen wir vor, dass eine gestaffelte Einführung interaktiver Module für größere Studierendengruppen vorteilhaft sein könnte. Dies würde es ihnen ermöglichen, sich allmählich an diesen innovativen Lernansatz zu gewöhnen, mit dem sie offenbar bereit sind zu interagieren. Die Beteiligung der Teilnehmer von Scientifica23 verdeutlichte den potenziellen breiteren Auswirkungen von interaktiven Modulen in der öffentlichen Aufklärung und die vielfältigen Vorteile, die sich aus der Integration der Entwicklung interaktiver Module in den Arbeitsablauf von Forschern ergeben.

Jose Guanter-Fonds