Corona-Klassenzimmer: Ein Blick auf das Bildungsplattform-Chaos in Deutschland

Bei der Landtagswahl in Baden-Württemberg sind Corona und Bildung Topthemen. Kein Wunder, denn die Schulen und Hochschulen mussten letztes Jahr in ganz Deutschland – wie vielerorts weltweit – kurzfristig auf Online-Lehre umstellen. Dadurch verzeichnete hierzulande eine Vielzahl an Software-Tools für das sogenannte Distance Learning einen extremen Nutzungszuwachs. Jedoch vergeht kaum eine Schulwoche ohne Meldungen über Ausfälle und weitere Probleme beim Online-Unterricht. Da liegt es nahe, sich das wirre Feld der Bildungsplattformen in Deutschland mal genauer anzuschauen. Welche Tools setzen Schulen hierzulande ein? Wer betreibt die Systeme? Wo liegen die größten Probleme und wie könnten uns Zahlen bei Skalierungsüberlegungen helfen?

Breites Feld von Bildungsplattformen

Da dieser Blog von der Hochschule der Medien betrieben wird, fangen wir bei den Hochschulen an. Im Wintersemester 2020/21 waren knapp 3 Millionen Studierende an deutschen Hochschulen eingeschrieben [1]. Zur Nutzung von Software für Online-Lehre lässt sich hier zusammengefasst sagen: Hier findet sich fast alles, was der Markt zu bieten hat. Die Universitäten und Hochschulen kochen meist ihre eigene Suppe und selbst innerhalb einer Institution ist die Software-Landschaft oft groß.

Als Beispiel die drei größten staatlichen Hochschulen im Land: Adobe Connect nutzt die Fernuni Hagen neben dem Dienst „DFNconf“ vom Deutschen Forschungsnetz [2], den nutzt auch die Universität zu Köln, aber auch Zoom [3,4], das neben anderen Systemen auch an der Ludwig-Maximilians-Universität München zum Einsatz kommt [5]. Eine Liste der Landesstudierendenvertretung Baden-Württemberg listet daneben unter anderem noch Cisco Webex, BigBlueButton, GoToMeeting und Teams als Videokonferenz-Tools auf, für die Bereitstellung von Lehrmaterialien etwa Moodle oder ILIAS – oft sind es innerhalb einer Hochschule mehrere ähnliche Tools [6]. An der HdM zum Beispiel sind mir mindestens Moodle, ILIAS, eigener Fileserver im Stundenplansystem, Zoom, BigBlueButton und alfaview untergekommen. 

Unterschiede weisen die Systeme nicht nur in ihren Funktionalitäten auf – vermutlich der Grund, warum Lehrende so unterschiedliche Präferenzen durchsetzen –, sondern auch in ihrer Systemarchitektur. Zoom-Verfechter merken meist an, dass Zoom das mit Abstand stabilste System sei, während Kritiker aufgrund mangelnden Datenschutzes auf eigens gehostete Open-Source-Tools wie BigBlueButton verweisen.

Die Freiheit der Lehre zeigt sich neben der föderalistischen Struktur und der Zuständigkeit verschiedener Ministerien auch bei den Schulen. Im Schuljahr 2020/21 gehen in Deutschland knapp 11 Millionen Schülerinnen und Schüler auf eine allgemeinbildende oder berufliche Schule, die meisten davon in Nordrhein-Westfalen (ca. 2,5 Mio.), Bayern (ca. 1,6 Mio.) und Baden-Württemberg (ca. 1,5 Mio.) [7]. Über welche Tools der Online-Unterricht erfolgt, können Schulen meist selbst entscheiden, viele Bundesländer stellen aber Plattformen bereit. 

So existieren die Systeme HPI-Schulcloud (ein 2017 gestartetes Pilotprojekt des Hasso-Plattner-Instituts, das aufgrund der Pandemie für alle Schulen geöffnet wurde), Mebis in Bayern, Lernraum Berlin, lern:line und LOGINEO in Nordrhein-Westfalen, Moodle-Instanzen in Baden-Württemberg, Sachsen-Anhalt, Rheinland-Pfalz und Hessen, NiBis in Niedersachsen, Lernsax in Sachsen, weBBcloud in Brandenburg, digital.learning.lab in Hamburg und vermutlich noch mehr [8,9,10]. Neben den Tech-Giganten wie Google, Microsoft und Zoom sind Anbieter wie itslearning ebenfalls kommerziell. Ein großer Teil der anderen Lösungen basiert auf der Open-Source-Plattform Moodle, darunter zum Beispiel Mebis, Lernraum Berlin, LOGINEO und die HPI-Schulcloud [8,10]. Nicht alle Lernplattformen bieten auch die Möglichkeit, Videokonferenzen abzuhalten, die meisten Open-Source-Lösungen, die dies ermöglichen, nutzen die Open-Source-Lösungen BigBlueButton oder Jitsi. Schauen wir uns also einige dieser Systeme in ausgewählten Bundesländern mal genauer an, um wiederkehrende Probleme zu erkennen.

Herausforderung Datenschutz

Dein Einsatz von populären kommerziellen Produkten wie Zoom und Teams war vor allem zu Beginn der Pandemie eine schnelle und naheliegende Lösung. Schulen und Bundesländer überlassen Probleme wie Skalierung und DDoS-Absicherung großen Konzernen, die das bekanntlich auch ziemlich gut können. Probleme entstehen hier beim Datenschutz. In Berlin wurde zum Beispiel eine Grundschule verwarnt, die Teams im Unterricht einsetzte, ohne hierfür eine schriftliche Einverständniserklärung von den Eltern einzuholen. Es folgten eine Verwarnung der Berliner Beauftragten für Datenschutz und Informationsfreiheit und die Rückkehr zu Aufgaben in Papierform [11].

Auch an anderen Orten in Deutschland bilden sich zum Beispiel in den Elternschaften aufgrund von Datenschutzbedenken Widerstände gegen kommerzielle Software an Schulen. Datenschutzkonforme und gleichzeitig stabile Lösungen für Videokonferenzen und Schulkommunikation sind möglich, allerdings nicht von heute auf morgen. So entsteht die Gefahr, durch versäumte Digitalisierung in der Vergangenheit in ein Abhängigkeitsverhältnis zu Konzernen zu geraten, anstatt das Geld jetzt in die Entwicklung funktionierender und datenschutzkonformer Lösungen zu stecken [12].

Systemausfälle keine Seltenheit

Die bereits bestehenden oder rasch aufgebauten datenschutzfreundlichen Eigenlösungen der Bundesländer erzeugten aber ebenfalls negative Schlagzeilen. Sowohl zu Beginn der Schulschließungen als auch nach den Weihnachtsferien wurde über zahlreiche Ausfälle der Schulplattformen im ganzen Land berichtet.

Das Kultusministerium in Bayern betreibt seit 2014 die Lernplattform Mebis basierend auf der Open-Source-Software Moodle. Im ersten Lockdown war das Bundesland dadurch besser aufgestellt als die meisten anderen, trotzdem gab es Probleme. Zu Beginn der Umstellung auf Online-Lehre hatte die Plattform mit Ausfällen zu kämpfen. Laut Mebis war der Grund dafür eine DDoS-Attacke, manche Medien vermuten als Grund lediglich die große Anzahl an gleichzeitigen Zugriffen von Schüler:innen und Lehrer:innen [13]. Der Chaos Computer Club München kritisierte die zentrale Systemarchitektur, wobei das ganze Bundesland auf ein Servercluster in einem Rechenzentrum zugreift. Dadurch wird bei Problemen wie einem DDoS-Angriff der gesamte Schulbetrieb lahmgelegt [13]. 

Mebis erklärt auf seiner Website, dass sich die Zahl der zeitgleichen Nutzerinnen und Nutzer aufgrund der Schulschließungen vervierzigfacht habe. Die Server seien im März 2020 von 6 auf 28 leistungsfähigere erhöht worden, die CPUs verfielfacht auf 256. Daneben seien Teilsysteme auf unterschiedliche Server verteilt und Prozessoptimierungen durchgeführt worden, die leider nicht weiter erläutert werden, sodass das System nun wieder stabil laufe [14]. Dabei bietet Mebis nicht mal eine integrierte Videokonferenz-Lösung. Dafür, so informiert das Kultusministerium Bayern auf seiner Website, werden Schulen Lizenzen für Microsoft Teams zur Verfügung gestellt [15]. 

Auch in Baden-Württemberg war am ersten Schultag im Januar bei einigen Schulen Moodle nicht nutzbar, laut Kultusministerium laufe es bei der großen Mehrheit aber störungsfrei [16]. 2021 stehen für den Betrieb der BigBlueButton-Server 1,3 Millionen Euro zur Verfügung. 154.000 Nutzer:innen verwendeten das Tool mittlerweile täglich in 13.000 Konferenzen an 1.600 Schulen [17]. Moodle wurde diesen Mittwoch und Donnerstag von etwa 390.000 Personen an 1.500 Schulen genutzt, insgesamt von circa 440.000 Schülerinnen, Schülern und Lehrkräften täglich. Beide Systeme laufen derzeit stabil und die Serverkapazitäten werden fortlaufend angepasst [18]. Unklar ist, was der doch noch große Rest der laut Adressdatenbank des Kultusministeriums insgesamt ungefähr 5.000 Schulen in Baden-Württemberg [19] nutzt. 

Architekturprobleme in Moodle

In Berlin kommt über den Lernraum Berlin ebenfalls Moodle zum Einsatz. Anfang 2021 nach den Weihnachstferien kam es ebenfalls zu Ausfällen des Systems, das von bis zu 120.000 Schüler:innen und Lehrkräften genutzt wird. Mithilfe von Analysen stellte man schließlich fest, dass Datenbankindizes fehlten, sodass beim Aufruf häufige Anfragen auf eine einzelne Tabelle mit Daten über Kurse und Termine zu zu hoher Last führten. Das Problem ist möglicherweise erst so spät aufgefallen, weil Berlin nur wenige Moodle-Instanzen betreibt, die sich mehrere Schulen teilen. Dadurch wurde die Datenbank-Tabelle deutlich länger, als es beim Betrieb einer Instanz pro Schule üblicherweise der Fall ist. Den Fehler entdeckte die Firma infra.run, die mit dem Verein cyber4EDU zusammen BigBlueButton-Cluster für Schulen betreibt. Der veröffentlichte Patch half laut Golem auch anderen Moodle-Betreibern wie BelWü in Baden-Württemberg bei Performance-Problemen [20, 21].

Moodle sei allgemein nicht dafür gemacht, auf einer Instanz mehrere Tausend gleichzeitige Nutzer:innen zu bedienen, sagt einer der Gründer des Vereins cyber4EDU, Michael Merz, gegenüber ZEIT ONLINE. Dennoch wird das System von den Schulen sehr viel genutzt. Ein nachträglicher Umbau der Software sei aufwendig. Dennoch sei die Anpassbarkeit von Open-Source-Lösungen ein großer Vorteil, wie zum Beispiel der bereits angesprochene Datenbank-Patch zeigt [22]. 

Unterstützung kommt von Vereinen

Der Verein cyber4EDU wurde während des 36. Chaos Communication Congress gegründet. Die Mitglieder mit Expertise in IT-Betrieb, -Sicherheit und Datenschutz sowie Padagogik unterstützen ehrenamtlich Bildungseinrichtungen beim Aufbau und Betrieb digitaler Lern-Infrastruktur gegen eine geringe nicht profitable Kostenbeteiligung, allen voran durch Betrieb eines großen BigBlueButton-Clusters für Schulen, aber auch des Lernmanagementsystems Moodle und weiteren Tools für den Schulalltag. Täglich nutzen das Angebot laut Verein bereits mehrere Tausend Schüler:innen [23,24,25]. 

Beim Hosting unterstützt wird der Verein von der Firma infra.run, die nach eigenen Angaben kostendeckend arbeitet. infra.run hat die BBB-Architektur in ihre Module zerlegt und betreibt diese auf jeweils eigenen virtuellen Hosts. Mithilfe mehrerer Scalelite-Load-Balancer werden dann Raumanfragen von verschiedenen BBB-„Frontends“ wie Moodle, Greenlight oder Nextcloud auf mehrere BBB-Cluster in drei Rechenzentren verteilt. Daneben laufen übergeordnete Dienste für Backups und Logging sowie das Monitoring-System Prometheus und das Metrik-Dashboard Grafana. infra.run ist überzeugt vom Open-Source-Konzept und analysiert die betriebene Software regelmäßig intern, meldet Schwachstellen an die Entwickler:innen und baut eigene Schutzmechanismen ein. Die Systemadministrator:innen arbeiten zudem immer nach dem Vier-Augen-Prinzip zu zweit an Produktivsystemen. Die Server werden regelmäßig geupdatet und ersetzt. Automatisches Deployment mithilfe von Ansible vermeidet Konfigurationsfehler und erleichtert den Serverausbau bei steigendem Bedarf. Darüber hinaus werden neue Versionen vor Inbetriebnahme in einem eigenen Server-Cluster getestet [26,27,28].

Wer sich für ähnliche Informationen zum Betrieb von Jitsi in geshardeten Kubernetes-Clustern interessiert, findet ausführliche Informationen im Blogartikel „How to Scale Jitsi Meet“ von Martin Bock unter anderem mit Informationen der HPI-Schulcloud-Betreiber.

Eine Reihe von Sicherheitslücken 

Neben Architekturproblemen, die die Skalierung erschweren, sind auch schon einige Sicherheitslücken in den Plattformen aufgetaucht, die viele Schüler:innen in Deutschland tagtäglich nutzen. So wurde zum Beispiel im Sommer über eine XSS-Lücke in Mebis berichtet, die die Betreiber monatelang trotz Kenntnis nicht behoben [29].

Im Herbst 2020 berichtete Golem über mehrere Schwachstellen bei BigBlueButton, darunter die Dateikonvertierung durch Libreoffice beim Upload von Office-Dokumenten, wodurch zum Beispiel lokale Dateien ausgespäht und als Folge ganze Räume übernommen werden konnten. Weitere Schwachstellen stellten eine Cross-Site-Scripting-Lücke, Cookies ohne Secure-Flag, eine veraltete Ubuntu- und NodeJS-Version sowie standardmäßig unnötig offene Netzwerkports und ein Standardpasswort dar. Die BBB-Entwickler:innen reagierten auf Meldungen der Schwachstellen teils monatelang nicht und schlossen die Lücken erst nach mehrmaliger Nachfrage und ohne transparente Kommunikation nach außen. Dennoch betont auch Golem den Vorteil der kostenlosen und quelloffenen Software und schlägt eine öffentlich finanzierte Weiterentwicklung vor, die die Berliner Datenschutzbeauftragte begrüßen würde [30].

Im Februar berichtete Heise über Datenlecks in der HPI-Schulcloud. Über offene Endpunkte konnten Servermetriken sowie persönliche Daten von Schüler:innen wie Kontaktlisten, Arbeitsblätter, bewertete Tests und Videos abgegriffen werden. Ursache waren neben einem Konfigurationsfehler in Thüringen, wodurch ein Demo-Zugang produktiv genutzt wurde, eine fehlerhafte Zugangskontrolle bei den Endpunkten. Das HPI habe auf die Meldung schnell und korrekt reagiert, die Schwachstellen behoben und den Fall an die Landesdatenschutzbeauftragten gemeldet. Im Mai 2020 habe das Institut dagegen als Reaktion auf die Meldung einer anderen Sicherheitslücke noch Strafanzeige wegen des Ausspähens von Daten erstattet [31].

Weitreichende Folgen

Die Konsequenzen des Software-Wirrwarrs an den Schulen tragen die Schüler:innen. Das Schul-Barometer zeigte im Mai 2020, dass viele Schülerinnen und Schüler in Deutschland im Lockdown nicht digital erreicht werden konnten. Die Hälfte der befragten Schulmitarbeitenden gab an, gar keinen digitalen Präsenzunterricht abzuhalten, in Österreich und der Schweiz waren es nur circa ein Drittel. Nur knapp über ein Drittel der Schüler:innen konnten in Deutschland über Online-Plattformen erreicht werden, in Österreich und der Schweiz fast doppelt so viele [32]. Bis heute könnte sich die Situation noch verschlimmert haben. Am schlimmsten trifft es sowieso schon benachteiligte Schüler:innen [33]. „Bildungsarmut und fehlende Chancengleichheit drohen sich durch die Schulschließungen während der Corona-Krise noch weiter zu verschärfen“ [34].

Der EU-Bildungsbericht aus 2020 bestätigt das Bild. Deutschland liegt in punkto digitaler Ausstattung unter dem EU-Durchschnitt. Nur etwa ein Drittel der Schulen sei ausreichend auf den Lockdown vorbereitet gewesen [35]. Für Achtklässler kommt durchschnittlich ein Computer auf 9,7 Schüler:innen, WLAN für Schüler:innen und Lehrer:innen gibt es in Deutschland nur an 26,2 Prozent der Schulen – „der schlechteste Wert unter den teilnehmenden Ländern“ [36].

Ein Blick ins Ausland

Dass sich das Verschlafen der Digitalisierung im Bildungswesen rächt, aber auch, was möglich ist, zeigt ein Blick in andere Länder. 

So investierte Dänemark bereits 2012 massiv mit etwa 67 Mio. Euro in die Integration von IT in den Unterricht. Die WLAN-Abdeckung in den Schulen beträgt hier 100 Prozent, nahezu alle Haushalte sind mit Computern ausgestattet. Seit 2017 gibt es überall eine Lernplattform, die größte davon Aula, die mit über 550.000 täglich aktiven und insgesamt über 2,3 Mio. Nutzer:innen auf einer AWS-Infrastruktur läuft. Schon im Präsenzunterricht nutzten die Schulkinder in Dänemark von der Grundschule an Computer oder Tablets über alle Fächer hinweg, sodass der Umstieg auf Online-Unterricht leichter fiel [37,38].

Ein weiteres Beispiel: Estland mit seinen nur 1,3 Millionen Einwohner:innen investierte nach seiner Unabhängigkeit schon in der 90er-Jahren stark in digitale Infrastruktur, vor allem im Bildungsbereich. Seit 2000 hat jede Schule Internet, seit 2001 ist Internetzugang für alle Bürger:innen ein Grundrecht, alle behördlichen Services stehen online zur Verfügung. Ermöglicht hat das auch ein breites Schulungsangebot für Erwachsene. Fast alle Schulen nutzten schon vor Corona digitale Tools, allen voran die Lernplattform eKool. So gelang in Estland der Umstieg auf Distance Learning ebenfalls besser, aktuell bietet das Land einige seiner Software-Tools als Unterstützung sogar anderen Ländern an. Nach Angaben einer Schuldirektorin aus Tallinn werden im Land aber auch Teams, Skype oder Zoom für Videokonferenzen an Schulen genutzt [39,40,41,42,43].

Auch ein Land in Südamerika kommt in Sachen digitales Lernen besser durch die Corona-Krise: Uruguay investiert schon seit Jahren in digitalen Schulunterricht und hat vor zehn Jahren eine Ein-Laptop-pro-Kind-Politik eingeführt. Kostenloses Internet an wurde auch in ländlichen Gebieten ausgebaut. So ist das Land laut Angaben der staatlichen Agentur für digitale Erziehung „Plan Ceibal“ gut durch die Wochen von Online-Unterricht gekommen [43].

Eine Frage des Geldes?

Es zeigt sich, dass sich vergangene Investitionen in digitale Bildung in einigen Ländern auszahlen. Fragt man sich nun „Mangelt es in Deutschland am Geld?“, ist das nicht die ganze Antwort. Der DigitalPakt Schule (5 Milliarden Euro) trat im Mai 2019 in Kraft, wurde durch Corona nochmals aufgestockt um 500 Millionen für mobile Homeschooling-Endgeräte und denselben Betrag für Administration von Computersystemen. Doch bisher wurden trotz der Krise große Teile nicht abgerufen. Deutschland hat die Digitalisierung an Schulen verschlafen und für die Nutzung des Gelds zur Bewältigung der Probleme während der Pandemie fehlt es an IT-Kompetenz und Infrastruktur. Schulen mit iPads ohne WLAN oder Geld für Server, die niemand betreiben kann. Bis Ende 2020 sind knapp eine halbe Milliarden Euro abgeflossen und knapp doppelt so viel wurde verplant. Für 2021 sollen weitere über 2 Milliarden Euro verplant werden [44,45]. 

Baden-Württemberg beispielsweise stehen aus dem DigitalPakt 650 Millionen Euro zur Verfügung, bis Ende 2020 wurden knapp 12 Prozent davon bewilligt [46]. Im Vergleich wurden für 2021 wie bereits erwähnt 1,3 Millionen Euro für den Betrieb von BigBlueButton-Clustern veranschlagt [18].

Eine Studie im Auftrag der Bertelsmann-Stiftung kam 2017 zu dem Schluss, dass die Digitalisierung der Schulen in Deutschland rund 2,8 Milliarden Euro jährlich kosten würde. Der DigitalPakt, der bis 2022 veranschlagt sei, beinhalte somit zu wenig Geld. Dabei seien Erstausgaben für den Anschluss der Schulen ans Internet sowie für Fortbildungen der Lehrkräfte nicht mal enthalten [47]. Zahlen von 2020 zeigen: Gerechnet auf das Bruttoinlandsprodukt gibt Deutschland mit 4,2 Prozent weniger aus als der OECD-Durchschnitt (4,9 Prozent) [48].

Es wird klar: Digitalisierung an Schulen kostet viel Geld, vor allem aber weil es in den vergangenen Jahren bis Jahrzehnten verschlafen wurde. Außerdem scheint es nicht nur in Anbetracht von Corona alternativlos.

Bildungsplattform-Infrastruktur am Beispiel HdM

Als Referenz noch ein paar Zahlen und Fakten von unserer Hochschule HdM nach Informationen von David Prüm, der sich im Bereich der Educational IT mit dem Betrieb von Moodle und BigBlueButton beschäftigt und mir freundlicherweise Auskunft gegeben hat. 

Die HdM hat circa 5.000 Studierende und verzeichnet auf ihrer am meisten verbreiteten Lernplattform Moodle, die vor allem zum Austausch von Lehrmaterialien und Einreichen von Aufgaben dient, 7.400 registrierte Nutzer:innen. Gleichzeitig sind es aber nur circa 200, wobei sich die Zahl durch Corona etwa verdreifacht hat. Pro Tag beträgt der Moodle-Traffic circa 100 GB, an zu speichernden Dateien etc. kommen pro Semester etwa 500 GB dazu. Die geringe gleichzeitige Nutzung erlaubt den Betrieb auf aktuell nur einem Server, wobei ein Ausbau geplant ist. Ein Problem: Komplette Backups, die neben täglichen inkrementellen Backups regelmäßig stattfinden, benötigen immer mehr Zeit – aktuell schon bis zu 12 Stunden –, sodass die Gefahr von Kollisionen mit anderen Sicherungsjobs steigt.

Herausfordernder ist der Betrieb von BigBlueButton, das an der HdM von drei „Frontends“ Moodle, ILIAS und ConferenceMI angesprochen wird. Für den Betrieb ist momentan noch das Studiengangscluster Medieninformatik zuständig, das in der Pandemie-Not eingesprungen ist. Der noch laufende provisorisch eingeführte Betrieb auf 16 aufgerüsteten Pool-PCs soll mittelfristig auf neue Hardware migriert werden. Geplant sind acht 16-Core-Server mit jeweils 64 GB RAM, deren Anschaffungskosten bei jeweils circa 3000 bis 4000 Euro liegt.

Ein einzelner Server kann momentan schon bis zu 200-300 gleichzeitige Nutzer:innen bedienen, solange sie sich nicht alle in einem großen Raum befinden. Die Lastverteilung soll ebenfalls optimiert werden, da der momentane Load Balancer die Last bei hinzukommenden Teilnehmenden in einen Raum nicht effizient genug verteilt. Das Deployment soll weiterhin wie von BigBlutButton empfohlen direkt ohne Virtualisierung erfolgen. Um die Datenraten weiter zu verringern, wird voreingestellt, dass die Webcams der Studierenden standardmäßig nur für die Raum-Moderator:innen (meist Lehrende) sichtbar sind. Bei Bedarf kann das umgestellt werden.

Große Herausforderung bei BigBlueButton ist laut David Prüm die schlechte Skalierbarkeit begründet durch die Architektur des Open-Source-Systems. Ein einziger Prozess steuert alle Interaktionen. Dadurch ist es von Vorteil, mehrere Maschinen parallel zu betreiben. Weniger Bottlenecks in der neuen BBB-Version sollen die Performance ebenfalls verbessern.

Anzumerken ist, dass neben Moodle und BigBlueButton an der HdM auch andere Tools wie Zoom zum Einsatz kommen. Es ist nicht zentral bekannt, wo genau welche Tools verwendet werden und wie sich die Nutzungszahlen bei den beschriebenen Clustern verändern würden, wenn sie die alleinig verwendete Software darstellen würden. Großer Vorteil der Open-Source-Lösungen ist die Kontrolle über die gespeicherten Daten und die somit einfacher einzuhaltende Datenschutz-Konformität. Jedoch geht das Hosting mit Personalaufwand einher. Abgesehen von der aktuellen Unterstützung durch Medieninformatik sind nur zwei Personen in der Educational IT für Aufbau und Betrieb der Systeme sowie damit einhergehende Schulung der Lehrenden zuständig.

Skalierungs-Schätzungen

Nun da wir einen Überblick über Tools und deren Architekturtücken, Größenordnungen über Nutzung von Moodle und BigBlueButton an der HdM sowie Budgets haben, können wir ein paar Überlegungen zum Betrieb von Videokonferenz- und Lernplattform-Systemen für Schulen anstellen. Betrachten wir beispielhaft Baden-Württemberg.

Bei 5.000 Schulen und 1,5 Mio. Schüler:innen ergibt sich eine Durchschnittsanzahl von 300 Schüler:innen pro Schule. Bei einer durchschnittlichen Klassenstärke von 25 würden bei maximaler Auslastung 12 Räume benötigt, sodass schon zwei mit HdM-Angaben vergleichbare Server für den Betrieb von Moodle und BigBlueButton als Hauptsysteme ausreichen sollten. Bei so einer kleinen Zahl ist die Redundanz natürlich schlecht. Einmalige Anschaffungskosten lägen für die Server bei etwa 7.000 Euro, hinzu kommen Breitbandanschluss, Switches, Load Balancer etc. Insgesamt sollten sich die einmaligen Kosten unter 10.000 Euro belaufen. Die jährlichen Kosten müssen mindestens Server-Wartung, Strom und IT-Personal berücksichtigen, wobei letzteres am stärksten zu Buche schlagen wird. Ein:e Systemadministrator:in verdient laut Stepstone durchschnittlich 43.500 Euro in Vollzeit. Rechnet man mit durchschnittlich einem Tag pro Woche an Personalkosten für eine solche Person, wären das 8.700 Euro im Jahr. So können auch die jährlichen Kosten mit knapp 10.000 Euro geschätzt werden. Endgeräte für Schüler:innen und Lehrer:innen sind hier nicht berücksichtigt.

Für ganz Baden-Württemberg würde das bei einem solchen einzelschulischen Vorgehen das 5.000-Fache dieser Kosten bedeuten, also 50 Millionen Euro einmalig plus 50 Millionen Euro jährlich. Die Kosten dürften praktisch aber weit darunter liegen, wenn der Betrieb zentral organisiert und aufgebaut würde. Das heißt nicht, dass die Systemarchitektur dabei nicht verteilt aufgebaut werden kann, wie es der CCC München empfiehlt und infra.run ebenfalls beschreibt. Da Baden-Württemberg aus dem DigitalPakt Schule 650 Millionen Euro für etwa vier Jahre zustehen, wobei man neben dem Betrieb von Schulplattformen sicherlich die Beschaffung von Endgeräten, WLAN etc. einberechnen muss, erscheint das Geld dennoch ausreichend.

Neben eigenem Hosting ist das Auslagern an einen Cloud-Anbieter eine Alternative. Wir erinnern uns an das dänische System Aula, das auf Amazon Web Services läuft. Mit dem Pricing Calculator von AWS [49] kann man online Kostenschätzungen vornehmen. Einen Auszug der Website zeigt folgender Screenshot. Neben Region und Server-Parametern kann man unter anderem Lastverteilungsmuster angeben:

Für unsere Beispiel-Schule wählen wir als minimales Beispiel zwei 16-Kern-EC2-Maschinen mit 64 GB Arbeitsspeicher und veranschlagen mithilfe des BBB Bandwidth Calculators [50] einen geschätzten Traffic von 10 TB monatlich. Dieser Traffic hängt sehr stark von der Nutzungsart der Systeme ab, zum Beispiel wie viele Webcams wie lange aktiv sind, die 10 TB sind hier recht großzügig veranschlagt. Mit diesen Parametern und täglicher Höchstauslastung für circa 5 Stunden an den Schulvormittagen montags bis freitags entstehen bei AWS jährliche Kosten von circa 6.500 Euro. Server-Anschaffung, -Betrieb, Strom sowie ein Teil des Personalaufwands entfallen damit im Vergleich zur Variante mit eigenem Hosting. Dennoch bleiben teure Personalkosten für Software-Installation, -Update und -Support bestehen. 

Langfristig ist die AWS-Variante so sicherlich die teurere, wenngleich man an den Parametern und Zahlungsmodellen im Calculator noch an vielen Stellen drehen kann. Zwei Vorteile bei der AWS-Lösung sind dagegen die hohe Ausfallsicherheit sowie Schutz gegen DDoS-Angriffe. Eine Verfügbarkeit von 99,99% wird zwar nicht garantiert, aber angestrebt und ansonsten werden von den monatlichen Kosten gestaffelt Teile zurückerstattet. Pro Stunde werden von AWS 90% Verfügbarkeit angestrebt, jede Stunde unter diesem Bereich wird erstattet [51]. Gegen DDoS-Angriffe, mit denen Schulen immer wieder zu kämpfen haben, schützt AWS standardmäßig mit dem „AWS Shield Standard“, das ohne Mehrkosten gegen häufige Angriffe auf Netzwerk- und Transport-Ebene absichert. Für zusätzlich 3.000 USD pro Monat plus Kosten je nach Datenmengen in Load Balancing etc. kann das „AWS Shield Advanced“ hinzugebucht werden, das neben Echtzeit-Erkennung von Angriffen und Schutz vor DDoS-Mehrkosten ein DDoS Reponse Team bereit stellt [52,53].

Teuer ist bei den Schulplattformen vor allem der gleichzeitige Zugriff zu den Kern-Schulzeiten. Sofern diese nicht versetzt werden, schlägt die Peak-Auslastung vor allem bei der Cloud-Lösung zu Buche. Für ganz Baden-Württemberg mit circa 60.000 Klassen, wenn man die Schüler:innenanzahl durch eine angenommene Klassenstärke von 25 teilt, wären zu Spitzenzeiten also 60.000 Videokonferenzen aktiv. Wenn wir die HdM-Serveraustattung annehmen, könnten bis zu 10 Klassen pro Server bedient werden, sodass unter Maximalauslastung 6.000 Server notwendig wären. Auch hier liegt die tatsächliche Zahl praktisch sicher niedriger.

Vergleich zu den Größten

Als Ultra Large Scale System könnte man wohl frühestens ein deutschlandweit verteiltes Schulsystem für alle Schulen bezeichnen. Die rund 11 Millionen Schülerinnen und Schüler in Deutschland zuzüglich Lehrkräfte etc. entsprächen dann maximal ein Zehntel der täglichen Nutzer:innen von Microsoft Teams, die im Oktober 2020 um die 115 Millionen tägliche Nutzer:innen vermeldeten [54]. Zoom vermeldete im April 2020 über 300 Millionen tägliche Teilnehmende, wobei gleiche Nutzer:innen pro Meeting mehrfach gezählt werden [55]. Zoom betreibt dafür 17 Rechenzentren weltweit und nutzt daneben auch Cloud-Plattformen wie AWS, Oracle Cloud und Azure [56].

Fazit

Auch wenn Online-Unterricht nicht die gesamte Lehre ersetzen kann – das merken wir auch an der HdM – wird Digitalisierung in der Zukunft der Bildung eine Rolle spielen. Das wissen die Schüler:innen selbst vielleicht besser: Über 80 Prozent sehen in der Digitalisierung eine Chance und der fehlende Einsatz digitaler Medien wird von ihnen als dringlichstes Problem an der Schule, weit vor Unterrichtsausfall oder überfüllten Klassen gesehen [57]. 

In diesem Blogpost haben wir gesehen, dass sich die in der Vergangenheit verschlafene Digitalisierung unter anderem in der Corona-Krise rächt. Leidtragende sind vor allem benachteiligte Schülerinnen und Schüler. Forderungen sind laut nach datenschutzkonformen und sicheren, aber auch nach schnell einsatzbereiten, skalierenden und ausfallsicheren Lösungen. Wir haben auch gesehen, dass solche Systeme möglich sind, sowohl in anderen Ländern als auch bereits an einigen Stellen in Deutschland. 

Die verpasste Investition in digitale Bildung kann nicht von heute auf morgen nachgeholt werden. Das gilt insbesondere für IT-Fachkräfte und im Bereich digitaler Lehre geschulte Lehrkräfte, die dringend benötigt werden. Für die Entwicklung von langfristigen, skalierenden Lösungen ist vor allem IT-Kompetenz gefragt, die an vielen Schulen fehlt. Eine von vielen Seiten, unter anderem dem Lehrerverband [9] geforderte Bündelung der Erfahrung aus einer Vielzahl an Systemen in den Bundesländern unter Einbeziehung von IT-Experten, die bisher eigenorganisiert Angebote entwickeln, könnte ein flächendeckend eingesetztes System hervorbringen, die alle Anforderungen erfüllt – sei es eine Weiterentwicklung einer bestehenden Lösung oder eine Neuentwicklung. Die Beteiligung aller späteren Nutzungsgruppen bei einer ausführlichen Anforderungsanalyse ist dabei sicherlich elementar.

Als Ausgangspunkt für den Aufbau einer deutschlandweiten Schul-Infrastruktur könnten technische Überlegungen, Lehren aus Fehlern in Systemarchitektur und -deployment sowie Weiterentwicklungen aus der Open-Source-Community, wie in diesem Artikel beschrieben, dienen.

Quellen

  1. https://de.statista.com/statistik/daten/studie/221/umfrage/anzahl-der-studenten-an-deutschen-hochschulen/
  2. https://ekoo.fernuni-hagen.de/ueberblick-ueber-webkonferenzsysteme/
  3. https://rrzk.uni-koeln.de/software-multimedia/multimedia/videokonferenzen 
  4. https://rrzk.uni-koeln.de/support-information/informationen-zu-tools-fuer-kollaboratives-arbeiten
  5. https://www.it-servicedesk.uni-muenchen.de/it-angebote/zoom/index.html
  6. https://wiki.stuvus.uni-stuttgart.de/display/LAK/%5BAK+Corona%5D+Info-Sammlung 
  7. https://de.statista.com/statistik/daten/studie/981823/umfrage/anzahl-der-schueler-an-allgemeinbildenden-schulen/
  8. https://www.heise.de/news/Holpriger-Schulstart-Diskussionen-um-bundesweite-digitale-Bildungsangebote-5025952.html
  9. https://www.heise.de/news/Lernplattformen-der-Laender-funktionieren-oder-auch-nicht-5005029.html
  10. https://www.logineo.schulministerium.nrw.de/LOGINEO-NRW/Was-ist-LOGINEO-NRW/
  11. https://www.heise.de/news/Schulen-brauchen-Klarheit-beim-Datenschutz-4993139.html
  12. https://www.zeit.de/digital/internet/2021-02/digitalisierung-schulen-homeschooling-clouds-fernunterricht/komplettansicht
  13. https://www.br.de/nachrichten/netzwelt/warum-die-lernplattform-mebis-noch-immer-eine-baustelle-ist,Rx5Yp2y
  14. https://www.mebis.bayern.de/infoportal/magazin/news/mebis-in-zeiten-von-corona/
  15. https://www.km.bayern.de/allgemein/meldung/6968/digitales-werkzeug-unterstuetzt-lernen-zuhause.html
  16. https://www.news4teachers.de/2021/01/schulplattform-bricht-zum-schulstart-zusammen-mal-wieder/
  17. https://www.baden-wuerttemberg.de/de/service/presse/pressemitteilung/pid/serverkapazitaeten-von-bigbluebutton-erweitert/
  18. https://km-bw.de/,Lde/startseite/sonderseiten/statusmeldungen-digitalunterricht-corona
  19. https://km-bw.de/Schuladressdatenbank
  20. https://www.golem.de/news/moodle-was-den-lernraum-berlin-in-die-knie-zwang-2101-153427-2.html
  21. https://www.rbb24.de/politik/thema/2020/coronavirus/beitraege_neu/2021/01/berlin-lernraum-plattform-technische-probleme-schule-unterricht.html
  22. https://www.zeit.de/digital/internet/2021-02/digitalisierung-schulen-homeschooling-clouds-fernunterricht/komplettansicht
  23. https://cyber4edu.org/c4e/wiki/ueber_uns
  24. https://cyber4edu.org/c4e/wiki/unsere_angebote
  25. https://cyber4edu.org/c4e/wiki/bigbluebutton
  26. https://infra.run/about/
  27. https://infra.run/services/
  28. https://infra.run/posts/secure_bbb_hosting/
  29. https://www.heise.de/news/Hacker-finden-Sicherheitsluecken-in-Lernplattform-Mebis-4876001.html
  30. https://www.golem.de/news/big-blue-button-das-grosse-blaue-sicherheitsrisiko-2010-151610.html
  31. https://www.heise.de/news/Datenlecks-in-der-HPI-Schul-Cloud-5061903.html
  32. https://www.heise.de/newsticker/meldung/Fernunterricht-erreicht-etliche-Schueler-nicht-4722018.html
  33. https://www.oecd.org/berlin/presse/online-lernen-bleibt-fuer-viele-schulen-und-lernende-eine-herausforderung.htm
  34. https://www.deutsche-handwerks-zeitung.de/bildungsmonitor-2020-in-diesen-bundeslaendern-ist-die-bildung-am-besten/150/32542/405140
  35. https://www.zeit.de/digital/2020-11/digitalisierung-schulen-deutschland-eu-vergleich?utm_referrer=https%3A%2F%2Fwww.google.com
  36. https://www.insm-bildungsmonitor.de/pdf/bildungsmonitor_20_schulische_bildung_corona.pdf
  37. https://www.smartcountry.berlin/SmartCountryConvention/News/Artikel/WieDaenemarkDasSchulsystemDigitalisiertHatBotschafter-InterviewMitFriisPetersen.html
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  45. https://www.digitalpaktschule.de/de/die-finanzen-im-digitalpakt-schule-1763.html
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  47. https://www.heise.de/newsticker/meldung/Studie-Digitalisierung-der-Schulen-kostet-2-8-Milliarden-Euro-jaehrlich-3878484.html
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  50. https://bbb-hilfe.de/bandwidth-calculator-for-bigbluebutton/?lang=en
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  52. https://aws.amazon.com/de/shield/?whats-new-cards.sort-by=item.additionalFields.postDateTime&whats-new-cards.sort-order=desc
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  54. https://www.techrepublic.com/article/watch-out-zoom-microsoft-teams-now-has-more-than-115-million-daily-users/
  55. https://www.heise.de/newsticker/meldung/Zoom-korrigiert-runter-Nicht-300-Millionen-Nutzer-sondern-Teilnehmer-4712509.html 
  56. https://datacenterfrontier.com/inside-zooms-infrastructure-scaling-up-massively-with-colo-and-cloud/
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