Systemtechnik (VO) , Control Systems 1 (VO) , Control Systems 2 (VO)

Umgesetztes Projekt

Ziele

Die Regelungstechnik gehört traditionell zu den „unpopulären“ technischen Fachgebieten, die von Studierenden häufig als schwierig und undurchschaubar empfunden werden. Ziel des Projektes war es, Studierende davon zu überzeugen, dass das Fach hochinteressant, spannend und mit durchschnittlichem Aufwand erlernbar ist.

Kurzzusammenfassung

Das vorliegende Projekt umfasst drei Lehrveranstaltungen aus dem Bachelorprogramm Elektrotechnik / Information and Computer Engineering / Biomedical Engineering an der Technischen Universität Graz, deren Inhalte die Bereiche der System- und Regelungstechnik abdecken. Die Vorlesungen werden klassisch an der Tafel mit Kreide und Schwamm und (nahezu) ohne vorgefertigte Folien abgehalten. Unterstützt wird der Vortrag durch zahlreiche Simulationen und Demonstrationen, die die gelernte Materie veranschaulichen und vertiefen.

Nähere Beschreibung

Aufgrund der ständig zunehmenden Komplexität und Interdisziplinarität technischer Aufgabenstellungen wird eine streng systematische Herangehensweise an die Problemlösung immer wichtiger. Das Fachgebiet der System- und Regelungstechnik vermittelt Studierenden das benötigte „Systemdenken“ und stellt daher eine zentrale Disziplin der technischen Wissenschaften dar, ihre Bedeutung wird in Zukunft noch weiter stark zunehmen. Der Anteil dieser Lehrveranstaltungen am Learning Outcome der Studien „Elektrotechnik“ und „Information and Computer Engineering“ ist daher auch für Studierende, die sich später nicht im Bereich der Regelungstechnik spezialisieren, beträchtlich.

Die Lehrveranstaltungen „Systemtechnik“ (Studium Elektrotechnik) und „Control Systems 1,2“ (Studium Information and Computer Engineering) verfolgen das Ziel, Studierenden bereits in einer frühen Phase (ab dem 3. Semester) ihrer Ausbildung die Grundlagen der System- und Regelungstechnik zu vermitteln. Im Gegensatz zu Lehrveranstaltungen, deren Inhalte mehr oder weniger eindeutig aus den Lehrveranstaltungsnamen hervorgehen (z.B. Elektronik, Mathematik, Messtechnik….) stellt die Systemtechnik für Studierende zunächst eine sehr abstrakte Materie dar. Der Nutzen und die Eleganz der in den Vorlesungen behandelten Methoden, die auf einer streng mathematischen Herangehensweise basieren, müssen überzeugend und behutsam erarbeitet werden. Nicht umsonst wird von vielen Absolventen technischer Studienrichtungen die System- und Regelungstechnik als „schwierig“, „undurchschaubar“ und leider häufig auch als „unsympathisch“ bezeichnet – klare Indizien für schwere Fehler bei der Wissensvermittlung. In den Lehrveranstaltungen „Systemtechnik“ und „Control Systems 1,2“ ist es erfreulicherweise sehr gut gelungen, die Begeisterung des Vortragenden für das Fach auf die Studierenden zu übertragen. Diese Einschätzung basiert auf studentischen Evaluierungen, Prüfungsergebnissen und auf der Tatsache, dass die Zahl der bei den Vorlesungen anwesenden Studierenden über das gesamte(!) Semester unverändert hoch ist.

Eine Herausforderung stellt die heterogene Zusammensetzung der Zuhörerschaft der Vorlesungen „Control Systems1, 2“ dar, die sich aus Studierenden der Studienrichtungen „Information and Computer Engineering“ und „Biomedical Engineering (BioMed)“ zusammensetzt. Während im Studienplan ICE die Vorlesung im 4. Semester 3 Semesterwochenstunden (SWS) umfasst, ist die Vorlesung im Studienplan BioMed im 2. Semester mit nur 2 SWS vorgesehen.

 

In den folgenden Abschnitten findet sich eine Beschreibung des Lehrkonzeptes zur Darstellung des pädagogischen und didaktischen Hintergrundes der drei Lehrveranstaltungen.

Studierende der Lehrveranstaltungen „Control Systems 1“ und „Systemtechnik“ werden in die Lage versetzt, die systemtechnisch relevanten Eigenschaften von dynamischen Systemen zu benennen und auf Basis ihrer Definitionen voneinander zu unterscheiden. Die Konzepte der Systemtechnik können anhand einfacher Beispiele erklärt, interpretiert und bewertet werden. Studierende können die Verfahren der Systemtechnik zur Lösung neuer Aufgabenstellungen einsetzen. Diese Fähigkeit ist für zahlreiche technische Disziplinen, wie zum Beispiel für die Regelungstechnik, unumgänglich. In der Vorlesung „Control Systems 2“ lernen Studierende wichtige Eigenschaften von Regelkreisen kennen und gemäß der jeweiligen Definitionen voneinander zu unterscheiden. Die Ansätze der Regelungstechnik (klassische Methoden, Zustandsraummethoden, „moderne“ Methoden) können anhand einfacher Beispiele erklärt, interpretiert und bewertet werden. Die Syntheseverfahren der Regelungstechnik können zur Lösung neuer Aufgabenstellungen eingesetzt werden.

 

Im Gegensatz zu (sehr) vielen anderen Lehrveranstaltungen wird in den Vorlesungen auf den Einsatz von Folien – Präsentationen (z.B. Powerpoint) fast gänzlich verzichtet. Da in den Vorlesungen sehr viele mathematische Herleitungen und Beweise ausgeführt werden müssen, bergen vorgeschriebene Folien die Gefahr, dass der „rote Faden“ verloren geht und wichtige bzw. schwierige mathematische Schritte nicht sofort als solche erkannt werden können. Dadurch entsteht für Studierende ein unnötiger zusätzlicher Lernaufwand und oft ein falscher Eindruck bezüglich der Schwierigkeit des Stoffes. Der klassische Tafelvortrag mit Kreide und Schwamm bietet – im Gegensatz zur Folienpräsentation – außerdem den Vorteil, dass sich das Vortragstempo den Vortragsinhalten automatisch anpasst. Durch die Verwendung mehrerer Tafeln und durch „selektives“ Löschen der Tafeln sind die relevanten Informationen stets im Blickfeld der Studierenden. Der etwas größere Vorbereitungsaufwand ermöglicht einen völlig freien Vortrag ohne „Drehbuch“. Am Ende der Vorlesung haben die Studierenden eine ausführliche Mitschrift mit allen relevanten Themen. Unterstützt wird der Vortrag durch zahlreiche Computersimulationen mit der Software Matlab/Simulink, deren Bedienung in den zugehörigen Matlab-Übungen genau erklärt wird. Ergänzend können von der Institutshomepage (www.irt.tugraz.at) sehr ausführliche Skripten heruntergeladen werden.

 

Aufgrund der großen Zahl von Teilnehmerinnen und Teilnehmern ist eine individuelle Förderung von Studierenden nur schwer möglich. Jede Vorlesung beginnt mit einer kurzen (ca. 5 - 10 minütigen) Wiederholung der zuletzt besprochenen Vorlesungsinhalte. Fragen an das Publikum über aktuelle und bereits besprochene Themen führen zu interessanten fachlichen Diskussionen, die das Verständnis des anspruchsvollen Stoffes fördern. Unterstützt wird die Vorlesung durch entsprechende Übungen und Computerübungen.

 

Die Erreichung des Learning Outcomes wird durch eine schriftliche Prüfung kontrolliert. In dieser Prüfung wird das Wissen (z.B. Definition von Systemeigenschaften), das Verständnis (z.B. die fundierte Erklärung von Begriffen), die Anwendung der Methoden (Lösen von Beispielen, die Beispielen aus der Vorlesung ähnlich sind) sowie die Anwendung der Methoden auf neue Problemstellungen bewertet.

Positionierung des Lehrangebots

Bachelorprogramm Elektrotechnik (3. Semester) Bachelorprogramm Information and Computer Engineering (4. und 5. Semester) Biomedical Engineering (2. Semester)

Weiterführende Information


Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2017 nominiert.