Community of Practice Remote Physics Labs Leendert van Gastel, Jasper Bedaux, Jeroen Verschuur, Piet Blankert, Jan Mulder, Wopke Wijngaard 13-11-2006
Colofon Community of Practice Remote Physics Labs Stichting Digitale Universiteit Nijenoord 1, 3552 AS Utrecht Postbus 182, 3500 AD Utrecht Telefoon 030-238 8671 Fax 030-238 8673 e-mail buro@digiuni.nl Internet www.digiuni.nl Auteurs Leendert van Gastel, Jasper Bedaux, Jeroen Verschuur, Piet Blankert, Jan Mulder, Wopke Wijngaard Copyright Stichting Digitale Universiteit Deze uitgave is binnen het consortium van de Digitale Universiteit vrijelijk te gebruiken, mits voorzien van adequate bronvermelding. Niets uit deze uitgave mag buiten het consortium openbaar worden gemaakt, verspreid en/of verveelvoudigd door middel van internet, druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van het bureau van de Digitale Universiteit. Datum 13-11-2006 Kenmerk DU_3321_CoP pagina 2 van 14
Versiebeheer 1.0 Projectnaam: e Xperimenteren+ Projectnummer: 3321 Projectleider: Leendert van Gastel Programmamanager DU: M. van Geloven Penvoerende instelling: Universiteit van Amsterdam Kruislaan 404 1098 SM Amsterdam Deelnemende instellingen: o o o o Universiteit van Amsterdam, Faculteit Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica (dr L.J. van Gastel) Universiteit Twente, faculteit Technische Natuurwetenschappen (dr J.W.J. Verschuur) Vrije Universiteit, Faculteit Natuurwetenschappen, (dr P.J. Blankert) Fontys Hogeschool, Toegepaste Natuurwetenschappen (W. Wijngaard) pagina 3 van 14
Inhoudsopgave 1 Introductie 5 2 Inrichting Community of Practice 7 3 Educatieve achtergrond 9 4 Appendix: Raming van integrale kosten van enkele experimenten 11 pagina 4 van 14
1 Introductie In 2002 is in het kader van de projectlijn Ontsluiting Bestaand Materiaal van de Digitale Universiteit het project experimenteren op afstand uitgevoerd. Dit project heeft geleid tot het realiseren van een drietal experimenten, die via het internet toegankelijk zijn. Ook elders zijn al verschillende successen geboekt wat betreft experimenteren op afstand, de meeste bestaande experimenten zijn relatief simpel en niet of nauwelijks gekoppeld met zaken als journalisering, logging en opslag van meetgegevens. Juist deze integratie van al deze aspecten van een experiment, in combinatie met een toegangs en agendabeheer, biedt veelbelovende nieuwe mogelijkheden. In de jaren 2004-2006 is binnen het project e-xperimenteren+ deze aanpak verder uitgewerkt. Resultaat van dit project is een volledig Internet-geïntegreerde experimenteeromgeving, met onder andere automatische logging, opslag van meetgegevens, verwerking van meetgegevens, elektronisch journaliseren en mogelijkheden tot het voorbereiden en afronden van experimenten. Een flexibel agendasysteem zorgt ervoor dat studenten experimenten kunnen reserveren. Een initiële pool van ongeveer 12 experimenten is inmiddels opgezet. De bedoeling is dat deze pool zal uitgroeien. Dit wordt mogelijk gemaakt enerzijds door de stimulerende voorbeeldwerking van de initiële experimenten, anderzijds doordat de omgeving zó opgezet is dat eenvoudig nieuwe experimenten toegevoegd kunnen worden. Hiervoor zijn handleidingen, templates en eventueel andere hulpcomponenten geschreven. Een Community of Practice (CoP) is een goede organisatievorm om het doel van uitwisselen van kennis en ervaringen en het uitbreiden van de pool van experimenten verder vorm te geven. Deze notitie dient ter ondersteuning van de opzet van een dergelijke Community of Practice. Figuur 1: Voorbeeld lijst van experimenten met beschikbaarheid pagina 5 van 14
De Community of Practice beheert concreet 1. Een initiële pool van 12 experimenten die op afstand uitgevoerd kunnen worden. Deze experimenten moeten de start van een grotere pool van experimenten vormen en voor dit doel een stimulerende voorbeeldwerking hebben. Doel is ook de bijbehorende beschrijvingen, handleidingen en templates voor journaals en verslagen te produceren. 2. Een flexibele, volledig Internet-geïntegreerde omgeving waarbinnen de experimenten uitgevoerd kunnen worden, bestaande uit a. Een gecontroleerde toegangsomgeving met agendabeheer. Het agendabeheer moet goed controleerbaar worden door het gebruik van zogenaamde business rules. Deze business rules bepalen wie wanneer/waarvandaan wel/niet mag reserveren, voor hoe lang etc. b. Automatische registratie (logging) van de experimenten. Deze gegevens moeten beschikbaar blijven voor de student en gekoppeld kunnen worden aan het journaal of verslag. c. Opslag van gemeten data. Deze gegevens moeten toegankelijk blijven voor de student om later in het verslag te kunnen verwerken. Voor sommige experimenten kan het interessant zijn als de meetgegevens ook beschikbaar zijn voor andere studenten om (verschillende) metingen te kunnen vergelijken of een grotere nauwkeurigheid te behalen. 3. Het opzetten van faciliteiten om eenvoudig nieuwe experimenten aan de pool toe te kunnen voegen (handleidingen, templates, eenvoudig te configureren omgeving). pagina 6 van 14
2 Inrichting Community of Practice Hieronder volgen de aspecten die van belang zijn bij de inrichting van de Community of Practice. Doelen De doelen zijn de verbetering van het natuurkundeonderwijs op het gebied van experimenteren; de opbouw van expertise op het gebied van experimenteren op afstand en het realiseren van samenwerking binnen het hoger onderwijs op dit terrein. Gemeenschappelijk belang Dit model gaat er van uit dat er een gemeenschap is van ontwikkelaars en gebruikers uit het hoger onderwijs. Gebruik maken van de experimenten mag als je ook bijdraagt aan de gemeenschap. Dit kan door experimenten ter beschikking te stellen, door mede te ontwikkelen, door coördinerende taken, een hosting service aan te bieden, of anderszins. De gemeenschap werkt in principe met gesloten beurzen, maar er is wel een lidmaatschapscontributie. Het scherpe onderscheid van aanbieders versus afnemers is minder belangrijk. Leden van de gemeenschap De Community of Practice wordt gevormd door alle participanten, en wordt bij toerbuurt gecoördineerd door één van de leden. Ledenvergadering vindt ten minste 1 maal per jaar plaats. Hosting van een server wordt gedaan door de instellingen zelf. Als anderen hiervan gebruikt willen maken, dienen ze dit onderling te regelen. Stuurgroep Alle instellingen zijn vertegenwoordigd door een contactpersoon die zitting neemt in de stuurgroep. Deze groep komt minstens één maal per jaar bij elkaar en vergadert over de gang van zaken, mogelijke verbeteringen, de expertise-ontwikkeling en de verdeling van de contributiegelden. Potentiële leden De potentiële leden van de Community of Practice zijn te vinden binnen de universiteiten en hogescholen. Elke universiteit of hogeschool die natuurkundeonderwijs aanbiedt is een potentiële gebruiker. In Nederland zijn dit: Universiteit van Amsterdam, Vrije Universiteit Amsterdam, Technische Universiteit Delft, Technische Universiteit Eindhoven, Universiteit Twente, Rijksuniversiteit Groningen, Universiteit Leiden, Katholieke Universiteit Nijmegen, Universiteit Utrecht, Fontys Hogeschool Eindhoven, Saxion Hogeschool Enschede, Technische Hogeschool Rijswijk, Hogeschool Rotterdam. Wat betreft studentenaantallen kan men grofweg uitgaan van ongeveer 40 studenten per jaar per instelling. Buiten het hoger onderwijs is er potentieel gebruik te verwachten binnen het VWO. De experimenten kunnen een wervende werking hebben en aankomende studenten kennis laten maken met de experimentele fysica. Ondersteuning door Digitale Universiteit De Digitale Universiteit biedt ondersteuning voor CoP s. In het bijzonder biedt de DU een plek voor een website voor de CoP, en neemt de DU de afhandeling van de lidmaatschapsgelden op zich. Contributie Er is een lidmaatschapscontributie, die is bedoeld voor Expertise-ontwikkeling pagina 7 van 14
Vergaderkosten Bijdrage aan hosting Bijdrage aan extra onderhoudskosten (onderhoudspot) Bij Expertise-ontwikkeling gaat het om congresbezoek, organisatie van gebruikersbijeenkomsten, etc. Bij de hosting gaat om een bijdrage aan de hostingskosten van de agenda-server. De software is zo opgezet dat de hostingskosten minimaal zijn, maar we verwachten niet dat deze bijdrage dekkend is voor de integrale hostingskosten. Bij de onderhoudspot gaat het erom enig soelaas te kunnen bieden bij scheefgroei in de hardware kosten. Als een apparaat door veelvuldig remote gebruik snel aan vervanging toe is, dan kan dankzij deze pot een bijdrage aan de vervanging geboden worden. Service niveau Gezien het experimentele karakter van deze onderwijsinnovatie is het service-niveau een moeilijk te voorspellen factor. Het is wel van groot belang bij het welslagen van deze aanpak. Het te verwachten service niveau is iets wat in de loop der tijd groeit, en is een terugkerend element in de bijeenkomsten. Gebruik door niet community-leden Voor partijen die alleen halen heeft een markplaatsmodel de voorkeur. Hierbij wordt betaald per student per experiment of voor een bepaalde hoeveelheid experimenteertijd per experiment. De prijs wordt bepaald in overleg tussen aanbieder en afnemer. Richtprijs hiervoor is 50 per studentexperiment. Facturering gebeurt direct tussen aanbieder en afnemer. De CoP is hier niet bij betrokken. Kosten Community Hosting: 2000 Congresbezoek en vergaderkosten: 2000 Onderhoudspot: 2000 Baten Community Bij deelname van 6 instellingen Contributie 6 x 1000 6000 pagina 8 van 14
3 Educatieve achtergrond De grondliggende idee achter het project is dat door faciliteiten voor experimenteren te delen met andere Hoger Onderwijs instellingen, de student een grotere pool van experimenten tot zijn beschikking heeft, terwijl er besparingen gerealiseerd kunnen worden op onderhoud en investeringen. Dus het aanbod gaat omhoog en de bezettingsgraad van de opstellingen neemt toe. Op de lange termijn zal dit tot besparingen leiden met gelijkblijvende onderwijskwaliteit, of het leidt tot een verhoging van de onderwijskwaliteit bij gelijkblijvende kosten. Vanuit de kant van de student gezien maken internetexperimenten het mogelijk op de juiste momenten in de ontwikkeling van de competenties een experiment te doen. Zo wordt vraagsturing ook wat betreft de experimenten mogelijk. De besparingen worden gerealiseerd omdat er minder experimentopstellingen nodig zijn als de bezettingsgraad omhoog gaat. Bovendien wordt de opbouwtijd en afbouwtijd van een opstelling geminimaliseerd, en is de opstelling ook buiten kantooruren toegankelijk. Onderwijskundig gezien is er een belangrijke opbrengst omdat met experimenten op afstand er een grotere focus op concepten aangebracht kan worden. Immers hoeft er geen tijd besteed te worden aan opbouw, afbouw, afregeling en dergelijke. Dus de student komt sneller in aanraking met de concepten die nodig zijn om het fenomeen te begrijpen. Experimenten op afstand zijn bijvoorbeeld ook geschikt als demonstratie-experimenten die de docent uitvoert experimenten bij theoretische vakken. Een van de winstpunten van dit project is dat de kennis en ervaring over het opzetten van experimenten op afstand door de verschillende partners samen opgebouwd worden en nadien verder verspreid. Het doel is om de voordelen van experimenteren boven een theoretische behandeling of een simulatie te behouden, maar wel efficiënter met de studententijd om te gaan. Deze voordelen zijn 1. Bij een goede academische/hbo attitude gaat het om inzicht in de materie en modelvorming, dus ook om de afbeelding van de realiteit naar modellen en theorieën. Dus moet de student met fenomeen zelf in contact gebracht worden, niet met andermans model ervan. 2. Het zelf uitvoeren heeft grote meerwaarde in beleving en motivatie van de student. 3. De aansluiting met het beroepsperspectief is beter: professionele experimentaansturing gaat steeds meer per computer. In het project wordt dan ook de standaard technologie (o.a. LabVIEW en Java) hiervoor gebruikt. 4. De werkelijkheid is vaak verrassender dan simulatie. Soms is de werkelijkheid complexer, soms eenvoudiger. Je ziet welke paramaters er echt toe doen, welke linearisaties opgeld doen, etc. Het zal overigens duidelijk zijn dat indien het doel van het onderwijs juist het aanbrengen van de praktische vaardigheden is, de experimenten op afstand niet de beste onderwijsvorm zal zijn. Een andere belangrijk aspect aan afstandsexperimenten is de veiligheid. Bijvoorbeeld zul je in het algemeen op HBO-scholen geen proeven met radioactieve straling aantreffen omdat dit te gevaarlijk is. Dus in dit kader is deze aanpak van grote waarde. pagina 9 van 14
Een soortgelijke reden is die van de schaarsheid. Zeer dure apparatuur alleen voor onderwijsdoeleinden aanschaffen gebeurt zelden. Echter kan onderzoeksapparatuur in de loze tijd heel goed voor onderwijs gebruikt worden met behulp van deze afstandstechnologie. Bijvoorbeeld is het werken met een Scanning Tunneling Microscoop een boeiende ervaring voor een student, maar momenteel slechts voor zeer weinigen weggelegd. De laatste opbrengst van het project die we willen noemen is dat de combinatie van experimenten en Internet een meerwaarde voor de meting met zich mee brengt. Bijvoorbeeld kunnen nu metingen die door één student gedaan zijn, makkelijk gedeeld worden met andere studenten. Door de data op te slaan in een database kan dit eenvoudig gerealiseerd worden. Bij sommige metingen is immers de herhaling van belang om betere schattingen van parameters te kunnen maken. Bij andere experimenten is juist de geografische spreiding van belang, bijvoorbeeld bij het meten van kosmische straling, of bij het doen van meteorologische of milieukundige experimenten. Omdat de meetopstellingen toch met Internet gekoppeld zijn, zijn dit soort experimenten met deze aanpak eenvoudig te realiseren. pagina 10 van 14
4 Appendix: Raming van integrale kosten van enkele experimenten Om een indicatie te hebben van de integrale kosten die bij experimenteren op afstand zijn gemoeid zijn hier de kosten voor enkele experimenten uitgewerkt. Bij de personele lasten is uitgegaan van het superbruto salaris van een medewerker in schaal 10. Lichtsnelheid (UvA) Lokaal experiment Internet experiment Bouwkosten Apparatuurkosten Opstelling 2000 2000 Stappenmotor (2x) 1600 Webcam 100 Computer 1000 1000 subtotaal 3000 4700 Installatie apparatuur Opbouwen opstelling, testen, etc. (lokaal 10 dagen; extra voor internet 10 dagen) 2000 4000 subtotaal 5000 8700 Software LabVIEW (faculteitslicentie) - - Ontwikkeling besturing- en analysesoftware (5/10 dagen) 1000 2000 Totale bouwkosten 6000 10700 Gebruikskosten per jaar Technische begeleiding (lokaal 6 dagen, internet 2 dagen) 1200 400 Onderhoud apparatuur 1000 1200 Onderhoud software 300 400 Apparatuur materiaalkosten (vervanging/reparatie) 300 470 Vloeroppervlak 600 600 Totale gebruikskosten per jaar 3400 3070 pagina 11 van 14
Niveauregeling (Fontys) Lokaal experiment Internet experiment Bouwkosten Apparatuurkosten Vat+pomp+versterker 600 600 Niveautransmitter 1000 1000 Stand alone Regelaar 1300 1300 PC 1000 1000 Webcam+Software 200 subtotaal 3900 4100 Installatie apparatuur 1600 1600 Software Communicatie PC-Regelaar 1000 1000 Communicatie PC-Internet 1000 Totale bouwkosten 6500 7700 Gebruikskosten per jaar Toezicht website 1000 Toezicht practicum 1000 Onderhoud apparatuur 300 300 Onderhoud software 200 400 Vloeroppervlak 908 681 Totale gebruikskosten per jaar 2408 2381 pagina 12 van 14
Fresnel Diffractie (VU) Bouwkosten Apparatuurkosten HeNe laser met instelhouders 2220 2220 Fotodiode en versterker met spleet en houder 2200 2200 Stappenmotor en controlunit (lokaal 1x; extra voor internet 2x) 1070 3210 Webcam Logitech (3x) - 300 Optische componenten (Ruimtelijk filter + houder) 1200 1200 Buigingsobjecten 240 240 Object carrousel - 1000 Data acquisitie kaart met accessoires 950 950 Computer 1200 1200 subtotaal 9080 12520 Installatie apparatuur Opbouwen opstelling, testen, etc. (lokaal 10 dagen; extra voor internet 3 dagen) 2000 2600 Bevestigingsmateriaal, matrixplaten, etc. 1550 1900 subtotaal 3550 4500 Software LabVIEW (faculteitslicentie) - - Ontwikkeling website (25 dagen) - 5000 Ontwikkeling besturing- en analysesoftware (lokaal 50 dagen; extra voor internet 15 dagen) 10000 13000 Totale bouwkosten 22630 35020 Lokaal experiment Internet experiment Gebruikskosten per jaar Technische begeleiding (lokaal 6 dagen; besparing internet 3 dagen) 1200 600 Onderhoud apparatuur (6 dagen) 1200 1200 Onderhoud software (lokaal 3 dagen; extra voor internet 3 dagen) 600 1200 Vloeroppervlak ( lokaal 5 m 2 ; besparing internet 2 m 2 ) 1500 900 Afschrijving apparatuur (gem. 5 jaar) 2500 2500 Totale gebruikskosten per jaar 7000 6400 pagina 13 van 14
Community of Practice Remote Physics Labs pagina 14 van 14