PetroMoM (Petrographic Mobile Microscopy): Forschendes Lernen digital: ein Beispiel aus den Geowissenschaften

von Barbara Ventura, Frank Lisker und Cornelia Spiegel-Behnke

Eine zentrale Disziplin der Geowissenschaften ist die Mineral- und Gesteinsbestimmung oder Petrographie. Unsere Studierenden schätzen die petrographischen Lehrveranstaltungen und Module stets sehr positiv ein, wünschen sich aber regelmäßig mehr Übungen und Tutorien sowie zusätzliches begleitendes Material zu selbständigem Lernen. PetroMoM macht dies möglich: überall und zu jeder Zeit.

Die Rolle der Petrographie in den Geowissenschaften

Petrographie ist ein wesentliches Untersuchungsverfahren der geowissenschaftlichen Forschung und vieler geologischer Berufe. Sie dient der Bestimmung von Mineralen und Gesteinen in mikrometer-dünnen Mineral- und Gesteinsplättchen, sogenannten Dünnschliffen, mit Hilfe eines Polarisationsmikroskops. Der Erwerb petrographischer Kompetenzen ist in jedem Curriculum eines grundlegenden geowissenschaftlichen Studiums fest verankert. Petrographische Kompetenzen werden allen Studierenden im geowissenschaftlichen Bachelorstudiengang der Universität Bremen als Pflichtveranstaltung im dritten Semester vermittelt sowie in mehreren Lehrveranstaltungen im petrologischen Schwerpunkt in höheren Semestern trainiert. Diese Lehrveranstaltungen bestehen aus einführenden theoretischen Teilen und praktischen Übungen mit dem Polarisationsmikroskop. Klassische Lernmittel
schließen einführende Texte in die Polarisationsmikroskopie (z. B. Nesse, 1991; Raith et al., 2011) und Atlanten mit Fotos von Mineralen und Gesteinen am Mikroskop (z. B. MacKenzie et al., 1989; Pichler & Schmitt-Riegraf, 1993; MacKenzie & Guilford, 1995) ein, ggf. ergänzt durch eigenständige Übungen am Mikroskop. Nach Abschluss der Lehrveranstaltungen können die Studierenden je nach Kompetenzstufe die wichtigsten Minerale mit dem Polarisationsmikroskop sicher erkennen, besitzen Ansätze zur eigenständigen und selbstverantwortlichen polarisationsoptischen Analyse von Mineralen und Gesteinen, beherrschen fortgeschrittene mikroskopische Techniken, korrelieren petrographische Untersuchungen von Gesteinsproben und Dünnschliffen mit weiteren analytischen Methoden für eine quantitative Gesteinsbestimmung und entwickeln Verständnis von Prozessen der Mineral- und Gesteinsbildung.

Obwohl die petrographischen Lehrveranstaltungen und Module stets sehr positiv evaluiert werden, wünschen sich die Studierenden regelmäßig mehr Übungen und Tutorien sowie zusätzliches begleitendes Lernmaterial. Das Angebot von Tutorien kann aufgrund zu weniger qualifizierter Tutor*innen für die sehr betreuungsintensiven Veranstaltungen, einer limitierten Anzahl von Mikroskopen, begrenzter Raum-(Labor-!)Kapazität und wenig sowie sehr empfindlichen und teuren Übungsmaterials kaum erweitert werden. Darüber hinaus steht für Gruppenarbeiten oder Kohorten in Lehrveranstaltungsgröße kaum präpariertes Material aus aktuellen Forschungsschwerpunkten und kaum für eigenständiges Studium geeignete Literatur zur Verfügung. Auch virtuelle Mikroskope (z. B. eMIK/ FU Berlin, virtualmicroscope/Open University) stellen bisher keine realistische Alternative für aktives Training und Arbeit am Polarisationsmikroskop dar. Sie erfordern eine anspruchsvolle Hardware, verfügen nur über beschränkte Einstellungsmöglichkeiten
am virtuellen Mikroskop (Objektive, Blenden, Linsen, Kompensatoren) und lassen sich nur bedingt mit den reellen Dünnschliffen und Handstücken am Fachbereich
Geowissenschaften koppeln.

Die Bausteine von PetroMoM

Wir haben PetroMoM (Petrographic Mobile Microscopy) im Hinblick auf die Bedürfnisse der Studierenden, auf die vorhandene Ausstattung und auf die Förderung der eigenen Reflexion der Studierenden, ihrer kreativen Auseinandersetzung und ihrer kritischen Haltung gegenüber Fragestellungen und Lösungen durch Erweiterung eines forschungsnahen, eigenständigen Lernens konzipiert. PetroMoM enthält auf bestehende Lehrangebote zugeschnittenes Lernmaterial in Form digitaler Bausteine und beinhaltet (1) eine Datenbank, (2) interaktives Übungsmaterial und (3) ein Skript mit Beispielen aus den Übungen im Plenum. Grundlage für die Zusammenstellung des neuen Lernmaterials war die Digitalisierung der Dünnschliffe aus der Lehrkollektion für die petrographische Untersuchung von Mineralen und Gesteinen (Aufnahmen bei unterschiedlichen Einstellungen, s. Beispiel in Abb. 1). Die Zusammenstellung eines Dünnschliff-Fotokatalogs ist essentiell, da Petrographie weitgehend auf dem Wiedererkennen von Bildern basiert und ein Vergleich virtueller Dünnschliffe mit den im Plenum behandelten reellen Dünnschliff-Material Anfänger*innen Sicherheit gibt. Allerdings war die sehr zeitaufwendige Katalogisierung aufgrund fehlender Fragestellung und wenig innovativer Ansätze nicht als studentisches Projekt oder Abschlussarbeit geeignet und konnte nur dank der Förderung im Rahmen von ForstA verwirklicht werden.

(1) Die Datenbank ermöglicht die Gliederung aller Bilder in mehreren thematischen digitalen Katalogen, z. B. nach Mineralen, Gesteinen, Eigenschaften (Farbe, Lichtbrechung, Doppelbrechung, optischer Charakter, Spaltbarkeit etc.) und geologischen Umfeldern. Diese eröffnen den Studierenden mit relevanten Beispielen
die Möglichkeit, ihre Kenntnisse eigenständig zu testen, zu vertiefen und zu erweitern,
sowie identische Schliffsegmente gemeinsam zu diskutieren. Die Studierenden haben Zugang zu einzelnen Katalogen mit originalen und visuell bearbeiteten Varianten sowie zum gesamten Lernangebot. Ein Vorteil gegenüber der Nutzung traditioneller Bestimmungstabellen (z. B. Tröger, 1982) und gedruckter Atlanten ist die schnelle und sichere Erschließung von Mineralen über verschiedene Kriterien innerhalb der Datenbank.

(2) Das interaktive Übungsmaterial wird den Studierenden über die Lernplattform Stud.IP im EduWork Builder des Zentrums für Multimedia in der Lehre (ZMML, Uni Bremen) zugänglich gemacht. Die interaktiven Übungen beinhalten eine Zusammenfassung von Leitfragen zu einzelnen petrographischen Themen
anhand nachbearbeiteter Dünnschliffbilder. Die Markierung bestimmter Merkmale und die Einbettung von Sprechblasen unterstützen die Studierenden sich auf wesentliche Aspekte der Mineralbestimmung zu konzentrieren. Das Quiz-Format wird als Lernstrategie und als Vorbereitung für die Klausur in Zusammenhang mit dem Einführungskurs „Polarisationsmikroskopie“ eingesetzt und ist zusätzlich für die Wiederholung und Vertiefung für Studierende höherer Semester gedacht.

(3) PetroMoM enthält eine allgemeine Anleitung zum selbständigen Mikroskopieren in Form eines Skripts mit Beispielen aus den Übungen im Plenum. Diese zunächst in Deutsch verfassten Unterlagen werden im Hinblick auf eine Internationalisierung der Studienangebote auch in englischer Sprache angeboten.

Die zwei Fotos zeigen einen identischen Ausschnitt eines Gesteinsdünnschliffs am Mikroskop mit unterschiedlichen Einstellungen: in einfach polarisiertem Licht (links) und unter gekreuzten Polarisatoren (rechts). Das Gestein, ein Granat-Peridotit aus Scourie (Schottland), entstammt dem Erdmantel. Das große Mineral in der Mitte (blassrosa auf dem linken Foto, schwarz auf dem rechten) ist ein Granat. Dieses Mineral bildet sich hauptsächlich unter hohen Temperaturen und Drücken. Der Granat ist von mehreren Plagioklas-Feldspäten (farblos auf dem linken Foto, grau bis weiß auf dem rechten) umrandet, die sich auf Kosten des Granats bei Druck- und Temperatur-Änderungen gebildet haben. Zu diesen Bildern gelangen die Nutzer*innen von PetroMoM über verschiedene Schlagwörter aus unterschiedlichen
Kategorien, z. B. Gesteine, Minerale, Eigenschaften oder Umwandlungen.

Die zwei Fotos zeigen einen identischen Ausschnitt eines Gesteinsdünnschliffs am Mikroskop mit
unterschiedlichen Einstellungen: in einfach polarisiertem Licht (links) und unter gekreuzten Polarisatoren (rechts). Das Gestein, ein Granat-Peridotit aus Scourie (Schottland), entstammt dem Erdmantel. Das große Mineral in der Mitte (blassrosa auf dem linken Foto, schwarz auf dem rechten) ist ein Granat. Dieses Mineral bildet sich hauptsächlich unter hohen Temperaturen und Drücken. Der Granat ist von mehreren Plagioklas-Feldspäten (farblos auf dem linken Foto, grau bis weiß auf dem rechten) umrandet, die sich auf Kosten des Granats bei Druck- und Temperatur-Änderungen gebildet haben. Zu diesen Bildern gelangen die Nutzer*innen von PetroMoM über verschiedene Schlagwörter aus unterschiedlichen Kategorien, z. B. Gesteine, Minerale, Eigenschaften oder Umwandlungen.

PetroMoM im Studium

Die Arbeit mit PetroMoM stärkt grundlegende Fertigkeiten und Kompetenzen der Studierenden im Fach Geowissenschaften:
• Handhabung des Polarisationsmikroskops als wichtiges Hilfsmittel eines Geowissenschaftlers
• Erkennen wesentlicher Eigenschaften von Mineralen (Lichtbrechung, Isotropie, Doppelbrechung etc.)
• Identifikation von Mineralen
• Bestimmung von Mineralparagenesen und Gesteinen.

PetroMoM ergänzt die bisher als traditionelle Veranstaltungen im Plenum mit festen Präsenzzeiten durchgeführten petrographischen Übungen durch ein räumlich und zeitlich flexibles Online-Format für ein breites Hardware-Spektrum (PC/ Laptop, Tablet und Handy). Das Projekt ermöglicht eine effizientere Nutzung der umfangreichen
Dünnschliffsammlung am Fachbereich Geowissenschaften und ermöglicht die Einbindung sonst nicht zugänglicher Einzelschliffe. Eine wesentliche Rolle spielt zudem die dezidierte Übereinstimmung der digitalen Beispiele mit dem in den praktischen Übungen während der Präsenzphasen untersuchten Material, die PetroMoM deutlich von traditionellen Lernmaterialien unterscheidet.

Direkte Bezüge zu aktuellen Forschungsschwerpunkten, wie z. B. Polar- oder Ozeanboden-Forschung, werden in den Übungen thematisiert und bilden die Grundlage von Hausarbeiten in Form kleiner Forschungsprojekte. PetroMoM dient jedoch nicht nur der Einführung in die petrographische Arbeitsweise im zweiten Studienjahr, sondern kann unabhängig für Wiederholungen, Festigung petrographischen Wissens und im Rahmen petrologischer Projekte in höheren Semestern und im Masterstudium sowie von angrenzenden Fächern und Disziplinen eingesetzt werden.

Die neue Entwicklung der petrographischen Module hebt die zentrale Rolle des individuellen Studiums hervor und verbessert die Lehr- und Lernbedingungen. Die Flexibilisierung von Präsenzzeit und Selbststudium soll die Studierenden terminlich entlasten und die eigene Verantwortung erhöhen, wobei der direkte Kontakt zwischen Studierenden und Lehrenden durch die Präsenzphasen erhalten bleibt. Dieses Format berücksichtigt außerdem die unterschiedlichen Lernstrategien der Studierenden und fördert ihre eigene Neugier und die Umsetzung ihrer fachlichen Interessen.

Ein besonderer, zunächst nicht absehbarer Mehrwert von PetroMoM erschloss sich in der gegenwärtigen COVID-19-Pandemie, die Präsenzveranstaltungen erheblich einschränkt. Das Projekt bietet die Möglichkeit, virtuelle Einführungsvorlesungen mit virtuellen Übungen zu verknüpfen und die hierbei gewonnenen Beobachtungen und Erkenntnisse anschließend in wenigen Präsenzveranstaltungen mit kleiner Teilnehmendenzahl an reellen Dünnschliffen gezielt zu verifizieren.

Fazit und Ausblick

PetroMoM hat innovative didaktische Ansätze in die Lehre der Petrographie an unserem Fachbereich eingebracht und neue Impulse für ein aktives forschendes Lernen gesetzt. Die erste komplette Version von PetroMoM wird ab Wintersemester 2020/21 curricular eingebettet und durch unmittelbare Rückmeldung über Stud.IP und umfangreiche Evaluation am Ende des Semesters detailliert evaluiert. Im Sommersemester 2021 soll PetroMoM im Rahmen der Lehrveranstaltung “Petrologische Übungen” erneut getestet und von den Studierenden evaluiert werden. Ergänzungen und Optimierungen werden in den folgenden Semestern sukzessiv eingepflegt. Anschließend wird eine englische Version von PetroMoM für die im WiSe 2021/22 beginnenden internationalen Studiengänge BSc Marine Geosciences und MSc Applied Geosciences erarbeitet.

Der dritte Baustein von PetroMoM, einschließlich des Skripts mit Beispielen aus unseren Präsenzveranstaltungen, soll der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt und demnächst als Open Source veröffentlicht werden. Zusätzliche in Kooperation mit dem ZMML geplante Tutorials sollen grundlegende mikroskopische Techniken veranschaulichen und die Dynamik der Untersuchungsprozesse im Labor unterstreichen. Die Grundidee und die gesammelten Erfahrungen bilden das Gerüst für ein potentielles studentisches Projekt oder für eine Abschlussarbeit mit didaktischem Schwerpunkt. Perspektivisch wäre ein interdisziplinäres studentisches Projekt (Medien-Geowissenschaften) zur Entwicklung einer interaktiven Webseite für Mobilgeräte nach Abschluss von PetroMoM ein weiteres nachhaltiges Endprodukt.

Literatur:

• eMIK: http://www.cms.fu-berlin.de/geo/fb/e-learning/emik/index.html. FU Berlin.
• MacKenzie, W.S. & Guilford, C. (1995): Atlas gesteinsbildender Minerale in Dünnschliffen. Stuttgart: Enke.
• MacKenzie, W.S., Donaldson, C.H. & Guilford, C. (1989): Atlas der magmatischen Gesteine in Dünnschliffen. Stuttgart: Enke.
• Nesse, W.D. (1991): Introduction to optical mineralogy. Oxford: Oxford University Press Inc.
• Pichler, H. & Schmitt-Riegraf, C. (1993): Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff. Stuttgart: Enke.
• Raith, M.M., Raase, P. & Reinhardt, J. (2011): Leitfaden zur Dünnschliffmikroskopie. Online: http://www.minsocam.org/msa/openaccess_publications/Thin_Sctn_Mcrscpy_2_rdcd_grm.pdf
• Tröger, W.E. (1982): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale Teil I.: Bestimmungstabellen. Stuttgart: Schweizerbart.
• virtualmicroscope: https://www.virtualmicroscope.org. Open University.

Über die Autor*innen:

Barbara Ventura ist Wissenschaftliche Angestellte in Studien und Praxis Büro und
Lehrbeauftragte am Fachbereich Geowissenschaften (FB 5). Sie ist Ansprechpartnerin für ForstA, General Studies und Qualitätsmanagement und verantwortlich für das Projekt PetroMoM.

Frank Lisker ist Akademischer Rat und Privatdozent am Fachbereich Geowissenschaften (FB 5). Er untersucht Versenkungs- und Exhumierung im Kontext intrakontinentaler Extension und dem Zerfall von Superkontinenten sowie deren Konsequenzen für die tektonische und geomorphische Geschichte neu entstehender
Großstrukturen und Klimaentwicklung.

Cornelia Spiegel-Behnke ist Professorin, Leiterin der Arbeitsgruppe Geodynamik der
Polargebiete und Studiendekanin am Fachbereich Geowissenschaften (FB 5). Ihre
Forschungsschwerpunkte bestehen in der Weiterentwicklung thermochronologischer
Methoden und der Untersuchung von Sediment-Provenienzen und -Bilanzen sowie
der Kopplung von Tektonik, Erosion, Sedimentation und Klima.

Bildnachweise:

Autor*innenfotos: Barbara Ventura; Frank Lisker; Cornelia Spiegel-Behnke
sonstige Fotos: Alfried Krupp Wissenschaftskolleg Greifswald

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.