Creating a didactic concept to teach the fundamentals of artificial neural networks to PhD students

Abstract

Context: Given the recent stunning advances of applying neural network (NN) models in the context of science, it is natural for PhD students to show an interest in using these models in their own research. Problem: However, in order for NN to be useful in research, one has to address the gap between the education about NN and the knowledge of how they can be applied. Objective: The goal of this thesis is to elucidate what PhD students need to learn in order to be able to use NN successfully and to develop a concept for a game-based learning framework that achieves this goal. Method: Through the use of a survey of Master and PhD students, we investigate what NN related competencies PhD students are interested in, what they need to learn and how they prefer to learn them. By then applying the resulting design principles and competencies to a concept for a learning game, we provide a prototype of this might look like. Finally, we provide an evaluation of this concept by interviewing representatives of the target group-PhD students. Result: We show that the concept that we developed was judged positively by the interviewees. The design principles and competencies that we extracted from the survey seem to be to the satisfaction of students. However, it remains unclear if a game can deliver the high information density that PhD students expect while learning, given that they are subject to strict time constraints. Conclusion: It appears as though the idea of a learning game that teaches NN holds merit and definitely can serve to increase the motivation of students that engage with this topic. Future work is needed in order to see if such a game, if fully implemented, truly can square with PhD students’ expectations or if it is better suited for undergraduate level-teaching.

Kontext: Die jüngsten Fortschritte in der Anwendung neuronaler Netzwerke (NN) in der Wissenschaft haben bei Doktoranden ein wachsendes Interesse geweckt, diese Modelle in ihrer eigenen Forschung einzusetzen. Problem: Um neuronale Netzwerke effektiv in der Forschung nutzen zu können, muss die Lücke zwischen der theoretischen Ausbildung und dem praktischen Anwendungswissen geschlossen werden. Während bereits zahlreiche Programme und Methoden für Kindergarten, Schule und untergraduierte Studiengänge entwickelt und erforscht wurden, existieren zum Zeitpunkt dieser Arbeit nur wenige Ansätze zur Vermittlung von KI-Kompetenzen für graduierte Personen. Zielsetzung: Ziel dieser Arbeit ist es, ein didaktisches Konzept zu entwickeln, das Doktoranden die notwendigen Kenntnisse vermittelt, um neuronale Netzwerke erfolgreich anzuwenden. Zudem wird eine spielbasierte Umsetzung dieses Konzepts konzeptionell ausgearbeitet. Die Arbeit untersucht sowohl das didaktische Konzept als auch die vorgeschlagene spielbasierte Umsetzung, um deren Wirksamkeit und Akzeptanz bei der Zielgruppe zu bewerten. Methode: Mittels einer Umfrage unter Master- und Doktoranden wird ermittelt, welche NN-bezogenen Kompetenzen für Doktoranden besonders relevant sind, welche Lerninhalte erforderlich sind, um diese Kompetenzen aufzubauen, und welche Lernmethoden bevorzugt werden. Die Umfrageergebnisse werden in ein didaktisches Konzept überführt, das notwendige Kompetenzen definiert, und in Gestaltungsprinzipien sowie Inhalte für eine spielbasierte Umsetzung überführt. Abschließend wird das Konzept durch Experteninterviews mit Vertretern der Zielgruppe – den Doktoranden – evaluiert. Ergebnis: Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte didaktische Konzept von den Befragten positiv bewertet wurde. Die aus der Umfrage abgeleiteten Gestaltungsprinzipien und Kompetenzanforderungen scheinen den Erwartungen der Studierenden zu entsprechen. Es bleibt jedoch unklar, ob ein Spiel die erforderliche Informationsdichte vermitteln kann, die Doktoranden angesichts ihrer strengen zeitlichen Vorgaben erwarten. Schlussfolgerung: Ein Lernspiel zur Vermittlung von Kompetenzen im Bereich neuronaler Netzwerke erscheint vielversprechend und könnte die Motivation der Studierenden in diesem Bereich steigern. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um zu prüfen, ob ein vollständig implementiertes Spiel den Erwartungen der Doktoranden gerecht wird oder ob es sich besser für die Lehre in Bachelor- und Masterstudiengängen eignet.