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Jupyter Notebook für Constructivist Digital Learning

Projektmitglieder: Sebastian Klaßmann, Timo Varelmann, Nils Dahmen, Uwe Seifert

Im Jahre 2018 wurde nach einem Testlauf auf einem externen Testserver eine institutseigene, interaktive Programmierumgebung für den Lehr-/Lernbetrieb im Kontext der rechnergestützten Musikwissenschaft (computational musicology) und Kognitiven Musikwissenschaft (cognitive musicology) im Netzwerk der Universität zu Köln eingerichtet: das Jupyter Notebook. Diese Plattform basiert auf dem zellenbasierten, interaktiven Dateiformat Jupyter Notebook und wird mit Hilfe eines Jupyterhubs über eine als Webserver konfigurierte Virtuelle Maschine des Regionalen Rechenzentrums bereitgestellt. Jupyter Notebook ermöglicht die interaktive Texterstellung und Ausführung von Programmcode in den Programmiersprachen Python, Julia und R. Ein notebook besteht aus einer Kombination zellenbasierter, aktiver Codeelemente mit aufbereitetem Text (über Markdown und LaTex). Als graphische Benutzeroberfläche (GUI) wird das stetig vom Jupyter Project weiterentwickelte Jupyterlab verwendet, welche sich über frei zugängliche Erweiterungen durch sinnvolle Zusatzfunktionen, wie beispielsweise der Einbindung von LaTex Code, der Konvertierung von Notebooks in alle gängigen Dateiformate wie beispielsweise PDF sowie der Darstellung von Programmcode als mehrdimensionalen Präsentationen im Stile von reveal.js erweitern lässt.

Der Einsatz von Jupyterhub ermöglicht Lehrenden und Studierenden einen intuitiven, explorativ-exemplarischen Zugang zu grundlegenden Methodenkompetenzen und Diskursen der computational musicology und cognitive musicology. Er kann in Seminarkontexten als digitaler Raum den materiellen und sozialen interaktiven Raum der Präsenzkurse erweitern und somit einen hybriden Lehr-/Lernraum im Sinne eines third space mit zu konstituieren oder auch selbstständig in Form reiner Internetkurse eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird auf die containerbasierte Bereitstellung individueller Arbeitsbereiche für Lehrende und Studierende gesetzt, welche allen beteiligten Personen über jedes internetfähige Gerät mit aktuellem Webbrowser zugänglich sind. Auf diese Art können Hardware- und Softwareinkompatibilitäten aufgrund individueller Einzelplatzinstallation, welche in der Vergangenheit eine wesentliche Hürde der Umsetzung rechnerbasierter Methodenkompetenzen dargestellt haben, nahezu gänzlich vermieden werden. Vor diesem Hintergrund ermöglicht der Jupyterhub des Instituts durch ein umfassendes E-Learning-Angebot, welches beispielsweise die Bereitstellung von Kursmaterialien, relevanten Datensätzen für Analysevorhaben und virtuellen Klassenräumen samt individualisierten Arbeitsaufträgen umfasst, im Zusammenspiel mit traditionellen Seminarstrukturen die Umsetzung von Strategien des integrierten Lernens (blended learning).

Im Zuge erster Erfahrungen im Lehrbetrieb wurden im Rahmen einer Arbeitsgruppe traditionelle Workflows akademischer Praxis hinterfragt und aktuelle, interdisziplinäre Forschungsdiskurse aus der Perspektive der rechnerbasierten Musikforschung aufgearbeitet. Darüber hinaus wurden im Rahmen verschiedener Seminare die Möglichkeiten adaptiver Lern- und individualisierter Prüfungsformate unter Berücksichtigung der geschaffenen Infrastruktur, sowie unter Einübung guter Wissenschaftspraxen erprobt und die didaktischen Konsequenzen der Arbeit mit der Jupyter-Notebook-Umgebung reflektiert. Hierdurch und durch erste, gänzlich in dieser Arbeitsumgebung konzipierten und verfassten Modulabschlussarbeiten liegen empirische Werte vor, die zu einer fundierten Weiterentwicklung dieser Bemühungen als digitales Lehr-/Lernkonzept befähigen.  Derzeit operieren wir auf diesem Gebiet nahe am state-of-the-art der Einbeziehung interaktiver, computationeller Lehr-/Lernformate, wie er beispielsweise in (Rossant 2018) skizziert wird.

Augenblicklich werden anknüpfende Methoden der wissenschaftlichen Publikation und dezentraler Workflows mit Hilfe von Versionskontrollsoftware und deren Erweiterungen (Git / GitHub / GitPages) erprobt und konnten bereits erfolgreich in unterschiedliche Seminare integriert  werden. Einen ersten Eindruck vermittelt die gänzlich über Jupyter und GitPages betriebene Website des Seminars computational musicology (https://sebastianklassmann.github.io). Ein wesentliches Vorhaben für die nahe Zukunft besteht in der Erweiterung digitaler Interaktion in Lehr-/Lernkontexten durch die Möglichkeit kollaborativer Programmierung in Echtzeit, sowie dem Ausbau eines institutseigenen Korpus bereitgestellter exemplarischer Modelle und Experimente in Form von Jupyter Notebooks. Auch sollen reine Webseminare unter Einbeziehung der Plattfomen Adobe-Connect und Basic Support for Cooperative Work erprobt werden.

Vertiefender Literaturhinweis:
Rossant, C. (2018). IPython Interactive Computing and Visualization Cookbook: Over 100 hands-on recipes to sharpen your skills in high-performance numerical computing and data science in the Jupyter Notebook. Packt Publishing Ltd.