Interaktive Dokumente für die Lehre

Jupyter Notebooks

Prof. Dr. Richard Rascher-Friesenhausen lehrt an der Hochschule Bremerhaven im Studiengang Medizintechnik insbesondere die Fächer der medizinischen Informatik.

Unter einem Jupyter Notebook ist eine Webanwendung zu verstehen, welche interaktive Präsentationen mit eingebettetem Programmcode, Visualisierungen und Mathematik kombiniert. Es handelt sich um Literate Programming für das Webzeitalter. Aus einem gemeinsamen Dokument, dem Notebook, können sowohl Präsentationen als auch Vorlesungsmaterialien für Studierende sowie Skripte erstellt werden.

Das Jupyter-Projekt ist im Jahr 2014 aus dem IPython-Projekt entstanden, welches eine interaktive Bedienoberfläche für die Programmiersprache Python zur Verfügung stellt. Es handelt sich um eine neue Entwicklung, welche aber eine schon heute breite Unterstützung, insbesondere in der Lehre, erfährt.
Das Projekt unterstützt nicht nur die Programmiersprache Python, sondern ist auch für eine Reihe weiterer aktueller Programmiersprachen einsetzbar: C++, C, Maxima, Matlab, Octave, Julia, Lua, Processing, und viele mehr.

Mit der Umstellung der Veranstaltung „Programmierung“ (PRG) auf den Einsatz von Jupyter Notebooks möchte Prof. Rascher-Friesenhausen sowohl die Vorteile als auch die potentiellen Schwierigkeiten von Notebooks in der Lehre an der Hochschule Bremerhaven aufzeigen.
Darüber hinaus sollen die notwendigen Hardware- und Software-Voraussetzungen erarbeitet werden, um den Aufwand für das neue Lehrkonzept auch für weitere interessante Veranstaltungen abschätzen zu können.

Die Veranstaltung Programmierung (mit Python) besteht aus einer Vorlesung (2 SWS) und einer Übung (2 SWS) in Gruppen zu 15 Studierenden mit dem Programmiersystem Spyder. Spyder ist vergleichbar mit der Entwicklungsumgebung von Matlab.

Das erste Ziel ist die Übersetzung der bisherigen Vorlesungsunterlagen (TEX-PDFFolien) in das Notebook-Format. Dabei ist es notwendig, die (statischen) Programmierbeispiele in interaktive Code-Zellen umzustellen.
Diese Umstellung ermöglicht es ohne Verlassen der Präsentation auf dem gerade diskutierten
Programmier-Beispiel Fragen und Modifikationen der Studierenden direkt interaktiv zu beantworten.

Das zweite Ziel ist es, dabei die Unterlagen auf die Python Version 3 zu aktualisieren und die neuen Möglichkeiten des Notebooks (Visualisierung, Animation, Mathematiksatz) einzubauen.

Um den Studierenden die Vorlesungsmaterialien in einer sinnvollen Form zur Verfügung stellen zu können, müssen automatische Konvertierungen des Notebooks in die Formate HTML, LATEX und letztlich PDF erstellt werden. Dies ist das dritte Ziel. Dazu gehören die Erstellung von einfachen ausführbaren Computer-Skripten für die automatische Konvertierung der Notebook-Quellen in die gewünschten Lehrmaterialien.

Auch die Erstellung notwendiger, an die Hochschule angepasste Style-Sheets sowohl für die Präsentationen, als auch für die generierten PDFs, gehört dazu. Darüber hinaus sollen Navigations-möglichkeiten innerhalb der generierten Dokumente entwickelt werden, um insbesondere das Nacharbeiten der Veranstaltung zu vereinfachen.
Prof. Rascher-Friesenhausen sieht bei Akzeptanz der Lehrform bei den Studierenden auch die Möglichkeit, die angepasste elektronische Übungszettel und Klausuren zu entwickeln.

Der Einsatz der Notebooks wäre u. a. auch in den Mathematik-Veranstaltungen der Hochschule möglich.