Moderne Laborkonzepte für die akademische Ingenieursausbildung

Umgesetzte Maßnahme

Ziele

Die praktische Ausbildung in Laboratorien ist für Ingenieurstudien unerlässlich. Sowohl aus Fachhoch¬schulen, für die die praxis- und berufsfeldorientierte Ausbildung ein Grundsatz ist, als auch aus Universitäten ist ein laborzentriertes Studium in Verbindung mit der Vermittlung der theoretischen und wissenschaftlichen Grundlagen nicht mehr wegzudenken. Waren es bis vor kurzem aus¬schließlich klassische Labors, also in mit dem entsprechenden Equipment ausgestatteten Räumen der Hochschule durchgeführte Übungen zu festgelegter Zeit, so erlauben neuere Konzepte in bestimmten Bereichen eine größere Flexibilität.

Beschreibung

Sogenannte „Pocket Labs“, also tragbare und einfach zu bedienende Geräte zum Schaltungsaufbau und zur Messdatenerfassung, können in der Ingenieurausbildung als Teil eines innovativen didaktischen Konzepts angesehen werden, das verstärkt auf Eigenverantwortung der Studierenden setzt und die Motivation zum Selbststudium erhöht. Ebenso wird problemorientiertes Denken und Arbeiten gefördert, da die in den begleitenden Lehrveranstaltungen vermittelten theoretischen Inhalte in die Praxis umgesetzt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Selbstorganisation der Studierenden, da auch die Bildung von Lerngruppen mit Pocket Labs zu besseren Erfolgen und Ergebnissen führen kann. Nicht zuletzt entspricht das Konzept der Praxisumsetzung exakt dem Bildungsauftrag der Fachhochschulen; durch die frühe praktische Betätigung und die daraus resultierende Erfahrung erlangen Fachhochschulstudierende genau jene Kompetenzen, die sie im folgenden Berufsleben benötigen.

Laborkonzepte

An der Fachhochschule Kärnten wurden schon in Kooperation mit namhaften internationalen Partnern vor einigen Jahren „Remote Labs“ entwickelt, die es den Studierenden ermöglichen, bestimmte vordefinierte Übungen von Computern mit Internetzugang (also „remote“) durchzuführen. Zu beachten ist dabei, dass die jeweiligen Übungen mit realer Hardware, die sich am Hochschulstandort befindet, durchgeführt wird und es sich nicht um reine Simulationen handelt. Schließen sich – wie im vorliegenden Fall – mehrere akademische Einrichtungen zusammen, so hat dies eine wesentliche Auswirkung auf die Entwicklung und die Anwendung von Remote Labs; einerseits kann der Entwicklungsaufwand geteilt werden, und andererseits kann jede Institution aus dem gesamten Pool der gemeinsam entwickelten Laborübungen wählen und so für das jeweilige Curriculum geeignete Übungen zusammenstellen. Die Studierenden merken bei der Nutzung der Labs unter Umständen gar nicht, ob das Equipment der gerade absolvierten Übung sich in den USA, in Europa oder in Australien befindet.

Die fortgeschrittene Entwicklung von Hardwarekomponenten macht es nun im Prinzip möglich, jeder Studentin und jedem Studenten ein eigenes „Labor“ mit nach Hause zu geben – das Konzept der „Pocket Labs“, auch als „Lab in a bag“ oder „Lab in a Pocket“ bezeichnet. Während sich bei klassischen Labs die Studierenden am selben Ort wie das Laborequipment befinden, nämlich an der Universität, Schule oder Hochschule, wird der Aufenthaltsort der Studierenden bei den Remote Labs erstmals unabhängig; lediglich eine Internetverbindung ist zur Absolvierung der jeweiligen Übung erforderlich.

Bei Pocket Labs befinden sich Studentin bzw. Student wieder am selben Ort mit dem Equipment; da dieses aber transportabel ist, sind Ort und Zeit der Übung frei wählbar; von den erforderlichen Zeitgrenzen eines geplanten Lernfortschritts einmal abgesehen.

In weiterer Folge werden einige Ansätze zu Methodik und begleitender Didaktik beschrieben, wie ich sie im Rahmen meiner Lehrtätigkeit an der FH Kärnten in den letzten Jahren eingesetzt habe. Beispiele zeigen die konkrete Anwendung von Pocket Labs in verschiedenen Lehrveranstaltungen; ebenso werden Rückmeldungen der betroffenen Studierenden diskutiert.

Die wesentlichen Anforderungen an Pocket Labs sind also:

• niedrige Anschaffungskosten (wobei jeweils zu definieren ist, ob die Hardware und die Software von der Hochschule zur Verfügung gestellt wird oder ob die Studierenden für die Anschaffung selbst aufkommen müssen);

• Portabilität (deshalb auch die Bezeichnung „Pocket Labs“);

• Anwendbarkeit für mehrere Aufgabenstellungen und – idealerweise – in mehreren Lehrveranstaltungen.

Zwei Beispiele für geeignetes Equipment seien hier angeführt:

1. NI myDAQ (National Instruments). Das Gerät ist grundsätzlich eine Datenerfassungskarte mit analogen Ein- und Ausgängen sowie digitalen I/O-Ports. Zusätzlich werden Software-Instrumente (für Windows-Betriebssysteme) wie Multimeter, Oszilloskop, Funktions-generator und Bode-Analyzer zur Verfügung gestellt. Mit der zusätzlich erhältlichen LabVIEW Student Install Option für € 24,- steht eine Programmierumgebung sowie ein Simulationstool (Multisim) zur Verfügung. Die Kosten für die Anschaffung eines myDAQ belaufen sich auf ca. € 180,- für Studierende.

2. ADALM1000 (Analog Devices Active Learning Module). Hierbei handelt es sich um ein Datenerfassungsmodul mit Treibern für Windows, Linux und MacOS, Kostenpunkt ca. $ 40,-. Die Software ist zwar kostenlos; allerdings ist der Umgang mit diesem System deutlich schwieriger, so dass der Einsatz in erster Linie in Masterstudiengängen empfehlenswert scheint [6].

Beispiele für Übungen

Die folgenden drei Beispiele zeigen Übungen, die ich an der FH Kärnten im letzten Studienjahr durchgeführt habe. Die erste davon verwendet den myDAQ von National Instruments, die beiden anderen Minicomputer auf Raspberry Pi- und Arduino-Basis.

Laborübungen in Elektrotechnik und Elektronik bieten sich für die Verwendung von Pocket Labs geradezu an, sofern mit Standardbauteilen, die kostengünstig an alle Studierenden verteilt werden können, gearbeitet werden kann. Die Studierenden erhalten zu Beginn der Lehrveranstaltung die Bauteile für eine Steckbrettplatine, mit der sie die Übungen aufbauen und durchführen können (siehe die Abbildungen im Hauptdokument in Link 1).

Die Aufgabe der Studierenden besteht darin, die Schaltung, die in der Vorlesung besprochen wurde, selbständig aufzubauen, zu simulieren und zu testen. Erforderlich sind dazu der myDAQ selbst, das Steckbrett oder Experimentierboard sowie einige Standardbauteile, die zu Beginn des Studiums an die Studierenden ausgegeben werden.

Durch die Motivation zur selbständigen Absolvierung der Labs ergeben sich einige interessante und auch didaktisch überaus relevante Effekte. So kann die Übung beispielsweise je nach Vorkenntnissen schneller oder langsamer absolviert werden; bei vorläufigem Misserfolg kann die Hilfe von Kolleginnen oder Kollegen hinzugezogen werden, oder die Übung kann wiederholt werden, falls die Messergebnisse abgesichert werden sollen. In den meisten Fällen sind diese Maßnahmen bei klassischen Laborübungen nicht oder nur eingeschränkt möglich, da dabei üblicherweise nur ein enger Zeitrahmen zu Verfügung steht; die Verwendung von Pocket Labs oder Remote Labs liefert hier also eine wesentliche Steigerung der Qualität der selbständigen Erarbeitung des Lernstoffs durch die Studierenden.

In der Praxis werden die Studierenden auch dazu motiviert, Lerngruppen zu bilden. Es ist anzuraten, bei Pocket Lab-Übungen gemeinsame Arbeiten nicht nur nicht zu verbieten (was auch gar nicht überwachbar wäre), sondern zu fördern. Eine Individualleistung kann beispielsweise die Erarbeitung eines eigenen Messprotokolls darstellen.

Im Masterstudiengang „Systems Design“ der Fachhochschule Kärnten werden unter anderem Lehrinhalte zu fortgeschrittenen Kapiteln der Bildverarbeitung angeboten. Verwendet man dazu einen Minicomputer wie den Raspberry Pi, der mit Kameramodul bereits um ungefähr € 60,- erhältlich ist, kann man jede Studentin und jeden Studenten mit einem eigenen Bildverarbeitungssystem ausstatten, mit dem sowohl in der Lehrveranstaltung selbst als auch zuhause an Aufgabenstellungen gearbeitet werden kann.

Auch zu Vermittlung von Inhalten des Internet of Things (IoT) kann Hardware eingesetzt werden, die den Anforderungen von Pocket Labs entspricht. So ist die Verwendung eines Arduino-kompatiblen Mikrocontrollerboards für die Messung von Umweltdaten, ausgeführt ähnlich einer Armbanduhr, möglich. Die gemessenen Daten werden über Bluetooth an ein Smartphone übertragen, mit Ort und Zeit der Messung verknüpft und an eine zentrale Datenbank übermittelt. Der Aufbau der Hardware und die Entwicklung der Software erfolgt zweckmäßigerweise in Gruppen; auch Wettbewerbe mit Jurybewertung sind möglich und motivationssteigernd für die Studierenden.

Kombination der Konzepte

Die beschriebenen Übungen stellen natürlich nur Beispiele dar, wie Pocket Labs in der Ingenieur-ausbildung eingesetzt werden können. Selbstverständlich ist es nicht möglich und sinnvoll, die gesamte praktische Ausbildung auf Pocket Labs umzustellen, da auch die anderen Laborformen ihre Berechtigung und sinnvolle Einsatzmöglichkeiten haben. Da Pocket Labs nur mit kostengünstigen Standardkomponenten eingesetzt werden können, bleibt für Spezialequipment nur die Verwendung in Online Labs und klassischen Labors.

So können Pocket Labs beispielsweise als Vorbereitung für klassische Laborübungen fungieren; Bauelemente wie Bipolar- oder Feldeffekttransistoren können mit Pocket Labs auf ihre grundlegenden Eigenschaften untersucht werden, Kennlinien können aufgenommen werden, und so die Basis für weitere Übungen geschaffen werden. In einer darauffolgenden „klassischen“ Laborübung können die Grundlagen verwendet werden, um z.B. Verstärkerschaltungen aufzubauen und zu testen.

Auch Remote Labs können für Übungsaufgaben verwendet werden, bei denen es nicht möglich ist, jeder und jedem Studierenden ein Messobjekt auszuhändigen. Handelt es sich beispielsweise um die Messung von Parametern einer versteckten Schaltung, also einer „Black Box“, so ist es ratsam, diese zentral an einem Hochschulstandort zu installieren und den Studierenden Zugriff mittels eines Remote Labs zu gewähren [3].

Zusammenfassend: Hat eine Hochschule Einsatzmöglichkeiten für alle drei Labortypen, und setzt sie sie sinnvoll entsprechend den jeweiligen Vorteilen ein, so kann sie damit eine moderne und qualitativ hochwertige praxisorientierte Ingenieursausbildung durchführen.

Evaluierung der Verwendung von Pocket Labs durch Studierende

Pocket Labs sind an der Fachhochschule Kärnten erst seit zwei Studienjahren im Einsatz; strukturierte Daten bezüglich der Rückmeldung von Studierenden sind daher erst im Aufbau. Das Ergebnis erster Umfragen soll dennoch gezeigt werden; weitere Evaluierungen sind vorbereitet bzw. in Auswertung.

Für diese – erste – Befragung wurden die Antworten von 25 Vollzeit-Studierenden und 32 berufsbegleitend Studierenden auf vier Fragen ausgewertet. Die Fragen lauten (in Klammer die Bandbreite der Antworten, vier Abstufungen möglich):

• Q1: Die Pocket Labs haben mein Verständnis für den Lehrstoff … (gefördert – nicht gefördert).

• Q2: Die freie Zeiteinteilung bei der Verwendung der Pocket Labs war … (sehr hilfreich – weniger hilfreich).

• Q3: Der Einsatz von Pocket Labs macht die Lehrveranstaltung anschaulicher. (trifft zu – trifft nicht zu)

• Q4: Die Verwendung von Pocket Labs in dieser Lehrveranstaltung halte ich generell für … (gut – schlecht).

Die Auswertung (Details und Grafiken siehe Link 1), dass die Pocket Labs überwiegend gut ankommen; der Zeitfaktor ist verständlicherweise bei den berufsbegleitend Studierenden viel stärker ausgeprägt. Gerade für berufsbegleitend Studierende ist eine Zeiteinteilung ihrer Tätigkeiten und Aufgaben während des Studiums essentiell; sie müssen mit der Doppelbelastung Beruf-Studium, zu der auch noch die Organisation der spärlichen Freizeit hinzukommt, fertigwerden. Jede Maßnahme, die sie bei ihrer Selbstorganisation unterstützt, ist daher sinnvoll und kann zu einer leichteren organisatorischen Bewältigung des Studiums führen.

Ausblick und Zusammenfassung


Auf Grund der positiven Erfahrungen wird der Einsatz von Pocket Labs an der Fachhochschule Kärnten weiter ausgebaut. Es ist eine aktuelle Aufgabe, weitere Anwendungen und Übungen in weiteren Lehrveranstaltungen zu finden, die auch – im Zusammenhang mit didaktischer Unterstützung – vom Einsatz von Pocket Labs profitieren können. Es ist davon auszugehen, dass auch die Motivation der Studierenden weiter zunehmen wird, wenn sie erkennen, dass ihr persönliches Laborequipment in größerem Umfang als bisher Verwendung findet.

Zusammenfassend kann der Einsatz von Pocket Labs in der Ingenieurausbildung als innovatives didaktisches Konzept angesehen werden, das verstärkt auf Eigenverantwortung der Studierenden setzt und die Motivation zum Selbststudium erhöht. Ebenso wird problemorientiertes Denken und Arbeiten gefördert, da die in den begleitenden Lehrveranstaltungen vermittelten theoretischen Inhalte in die Praxis umgesetzt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Selbstorganisation der Studierenden, da auch die Bildung von Lerngruppen mit Pocket Labs zu besseren Erfolgen und Ergebnissen führen kann. Nicht zuletzt entspricht das Konzept der Praxisumsetzung exakt dem Bildungsauftrag der Fachhochschulen; durch die frühe praktische Betätigung und die daraus resultierende Erfahrung erlangen Fachhochschulstudierende genau jene Kompetenzen, die sie im folgenden Berufsleben benötigen.

Ausgewählte Literatur zum Thema

1. Klinger, T., Madritsch, C.: Collaborative Learning using Pocket Labs. IMCL 2015, Thessaloniki, Greece (2015)

2. Pester, A., Madritsch, C., Klinger, T.: Collaborative Learning with Cyber-Physical Systems. EDUCON 2015, Tallinn, Estonia (2015)

3. Klinger, T., Garbi-Zutin, D., Madritsch, C.: Parallel Use of Remote Labs and Pocket Labs. REV 2017, New York (2017; submitted)

4. Klinger, T.: Pocket Labs for Mobile Learning; in: Auer et al. (Ed.): Cyber-Physical Laboratories in Engineering and Science Education (2017; submitted)

5. Klinger, T., Madritsch, C.: Use of Virtual and Pocket Labs in Education. REV 2016, Madrid, Spain (2016)

6. Madritsch, C., Klinger, T., Pester, A., Schwab, W.: Using Pocket Labs in Master Degree Programs.

Positionierung des Lehrangebots

Gesamtes Bachelor- bzw. Masterstudium

Weiterführende Information


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