Moderne Gestaltung von Lehrveranstaltungen für dislozierte Studienstandorte durch interaktives Videostreaming in Verbindung mit praxisorientierte Laborübungen

Umgesetztes Projekt

Ziele

Ausgangslage:

 

Im Wintersemester 2009/10 wurde österreichweit erstmalig das Bachelor-Studium Mechatronik als „joint degree program“ von der Leopold-Franzens Universität Innsbruck (LFUI) und der Privaten Universität für Gesundheitswissenschaften, Medizinische Informatik und Technik (UMIT) eingerichtet. Nach erfolgreichem Studienaufbau am Campus Nordtirol wurde das Studium im Studienjahr 2016/17 zusätzlich um den Campus Mechatronik Osttirol erweitert. Dadurch soll auch in einer peripheren Region (in diesem Fall Osttirol) u.a. durch das Angebot eines soliden Grundlagenstudiums im Bereich der Mechatronik dem Wegzug von wichtigen Fachkräften entgegengewirkt und die Bildungsperspektive engagierter Maturant/inn/en vor Ort gestärkt werden. Zur Sicherstellung eines qualitativ hochwertigen Studiums in Osttirol wurde ggst. Lehrveranstaltung via Videostream bidirektional und live nach Osttirol übertragen. Übungen hingegen werden Vorort abgehalten um eine hochwertige Betreuung sicherzustellen.

 

Motivation:

 

Um die Qualität der Vorlesung an beiden Standorten (Nordtirol und Osttirol) in gleichem Maße zu gewährleisten, musste der Vortagsstil bzw. das didaktische Vorlesungskonzept für eine Live-Übertragung angepasst werden. Eine Randbedingung stellte dabei die aktive Einbindung und die Motivation der Studierenden in Osttirol dar, welche über 100km Luftlinie entfernt sitzen und die Vorlesung via Livestream verfolgen. Nur so kann der Studienerfolg gewährleistet werden. Für mich, als Junior Scientist und Lehrender mit noch geringer Lehrerfahrung, war die Überarbeitung der nominierten Lehrveranstaltung eine spannende Herausforderung und belohnende Erfahrung zugleich. Nicht zuletzt konnte ich neue Lehrzugänge ausprobieren, die vor allem bei den noch jüngeren, technikbegeisterten Studierenden dieser LV sehr gut ankamen.

 

Ziele:

 

*) Studierendenzentrierte und motivierende Lehrveranstaltungskonzeption - auch für Studierende an dislozierten Studienstandorten

*) Solide und adäquate Vorbereitung der Studierenden für die entsprechenden Laborübungen

*) Eigenständiges und praxisnahes Arbeiten während der Laborübung

*) (Kritische) Reflexion und Protokollierung der Ergebnisse im Endbericht

*) Anpassung der Lehrinhalte entsprechend der Evaluierungsergebnisse

*) Förderung des eigenverantwortlichen Lernens der Studierenden

*) Ausbau überfachlicher Kompetenzen

Kurzzusammenfassung (dt.)

Bedingt durch die dislozierte Standorterweiterung des Bachelorstudiums Mechatronik im WS 16/17 musste die LV „Elektronik“ überarbeitet werden, sodass die LV an beiden Standorten (Nordtirol, Osttirol) in gleicher Qualität durchführbar ist. Angesichts der vorhandenen Lehrexpertise am Stammsitz Nordtirol wurde eine Übertragung der Lehrinhalte etabliert. Eine Randbedingung stellte dabei die aktive Einbindung der Studierenden in Osttirol sowie ein studierendenzentriertes Unterrichtssetting dar. Daher wurde die bestehende LV wie folgt überarbeitet:

Eine „streamingfähige“ Ausarbeitung der Vorlesungsfolien mit Lückentexten und leeren Seiten ermöglicht es, mit einem Tablet die Entwicklung der Lehrinhalte für den Standort Nordtirol sowie Osttirol nachvollziehbar und interessant zu gestalten. Die Anbindung des Tablets mittels Wireless-Display (WiDi) an die Streaminganlage und einen Beamer ermöglicht eine Live-Übertragung der Inhalte zu den dislozierten Zuhörer/inne/n. Die Flexibilität der kabellosen Anbindung des Tablets ermöglicht eine einfache Weitergabe des Tablets an Studierende im Seminarraum, wodurch auch die Studierenden aktiv in die Vorlesung eingebunden werden. Somit dient das Tablet als ein interaktives Element zwischen Lehrenden und Studierenden – aber auch unter den Studierenden – und unterstützt das aktivierende Spannungsmoment der Vorlesung. Eine bidirektionale Video- und Audioübertragung ermöglicht es, dass sich die Studierenden sehen und hören können.

Kurzzusammenfassung (engl.)

During the winter semester of 2016/17 the bachelor programme “mechatronics”, which is a joint degree program between the Leopold-Franzens-University (LFU) and the private university for medical informatics and technology (UMIT) in North Tyrol since 2009, was first time started as a dislocated study in East Tyrol. The main lectures are streamed to the dislocated students via a bidirectional audio- and video-stream. This requires an update of the lecture notes to design them more “streamable”. The new designed notes have “fill-in” spaces and blank pages, where the lector can write and calculate together with the students the content to fulfill the learning targets. This enables a student-orientated lecture and motivates the students to play an active part in the lecture. Students in North Tyrol can command and compute single examples of the lecture by use of a Microsoft Surface tablet that is connected to the streaming-system via wireless-display (WiDi). In addition, the dislocated students in East Tyrol can see the progress of the targets and can actively be part of the lecture due to the audio- and video-stream. For winter semester 2018/19 it is planned that the dislocated students in East Tyrol are also able to command and compute single examples by use of a visualizer with paper and pen. A visualizer is similar to an overhead projector only that the content is not projected on a wall but rather digitalized by a camera to stream the content to North Tyrol.

Nähere Beschreibung

Es werden im Rahmen der mit drei ECTS-AP ausgelegten LV „Elektronik“ vier Laborversuche durchgeführt. Jeder dieser vier Versuche ist wie folgt gegliedert:

 

*) Vorlesung:

 

Studierende erlernen die zugrundeliegende Thematik

(theoretische Wissensvermittlung, praktische Rechenbeispiele, Besprechung der Aufgabenstellung)

 

*) Vorbereitung:

 

Studierende bearbeiten eigenständig die Aufgabenstellung in Heimarbeit

(Berechnung, Simulation mit Softwaretools, Reflexion, Dokumentation)

 

*) Laborübung:

 

Studierende bauen die aus der Vorbereitung bekannten Schaltungen auf und führen Messungen durch

(Schaltungen aufbauen, Schaltungsdiagnose, Messungen durchführen, Teamarbeit)

 

*) Nacharbeit:

 

Studierende erstellen einen Abschlussbericht bestehend aus Vorbereitung und Laborprotokoll

(Ergebnispräsentation, Reflexion, Dokumentation)

 

Um den Studierenden eine möglichst freie Einteilung der Vorbereitung zu ermöglichen, wurde bei der Planung der Termine darauf geachtet, dass zwischen einem Vorlesungsteil und der dazugehörigen Laborübung mindestens zwei Wochen Zeitabstand liegen. Ebenso gilt für die nächste Vorlesung, dass diese frühestens eine Woche nach der vorherigen Laborübung stattfindet, sodass genügend Zeit für die Fertigstellung des Endberichtes zur Verfügung steht. Für die Abgabe des Endberichts sind ebenfalls mindestens zwei Wochen eingeplant, jedoch kommt es aufgrund der begrenzten Semesterlänge zu einer Überschneidung der Fertigstellung des vorherigen Berichts und der Anfertigung der neuen Vorbereitung. Da jedoch der Endbericht Größtenteils aus der Vorbereitung und den in der Laborübung beschriebenen Teilbereichen besteht, kann dieser in der Regel recht schnell erstellt werden, wodurch die Überschneidung der Zeitfenster kein Problem darstellt.

 

Die Themen der vier Teilgebiete lauten:

1) Operationsverstärker und aktive Filter

2) Komparatoren und Timer

3) Oszillatoren und Phasenregelschleifen (PLL)

4) Analog-Digital / Digital-Analog Umsetzer und Aliasing

 

Die Planung der vier Übungen unterliegt einer groben Überschlagsrechnung des Arbeitsumfangs für die Studierenden. Nachdem die LV ein Arbeitspensum von drei ECTS-AP aufweist und für einen ECTS-AP ein Arbeitsaufwand von 25h gerechnet wird, ist in Summe für ein Semester ein Sollstundenkontingent von 75h verfügbar. Pro Thema werden vier Unterrichtseinheiten (UE) Vorlesung, 15 UE eigenständige Vorbereitung, drei UE Labordurchführung sowie drei UE für die Fertigstellung des jeweiligen Endberichts abgeschätzt. Dies ergibt in Summe pro Teilgebiet 25 UE. Für die vier Laborübungen folgen daher 100 UE, was bei 45min pro UE wieder in einem Arbeitsumfang von 75h für das gesamte Semester resultiert.

 

Wie ist der zeitliche Aufbau der Vorlesung?

 

Zu Beginn jeder LV werden die Lernziele der jeweiligen Übung erläutert und die empfohlene übergeordnete Literatur mitgeteilt. In der Vorlesung wird anschließend gemeinsam mit den Studierenden die zu behandelnde Thematik der Laborübung auf einem Microsoft Surface-Tablet erarbeitet, wobei die editierten Folien den Studierenden nach der Vorlesung über die Onlineplattform „Moodle“ zur Verfügung gestellt werden. Für eine gemeinsame Bearbeitung der Lehrinhalte durch Referent und Studierende wurden die Präsentationsfolien „streamingfähig“ gestaltet. Dies bedeutet, dass sehr viel mit Lückentexten bzw. leeren Seiten mit kurzen Aufgabenstellungen gearbeitet wird, die direkt im Zuge der LV bearbeitet werden. Durch die Anbindung des Microsoft Surface-Tablets via Wireless-Display (WiDi) an die Streamingeinrichtung und den Beamer kann das Tablet frei im Raum bewegt werden. Jeder Studierende in Nordtirol hat so die Möglichkeit aktiv am Unterricht durch Ausarbeitung von Themen am Tablet mit einem Stylus teilzunehmen. In dieser LV umfasst dies vorwiegend die Berechnung von Schaltungen, welche die Studierende einzeln, aber auch in Gruppen den weiteren Zuhörer/inne/n live präsentieren und zur Diskussion stellen. Auch die Studierenden in Osttirol können durch die digitale Eingabemethode den vorgeschlagenen Erklärungen und Berechnungen folgen. In Osttirol befinden sich ein großer Fernseher mit den Lehrinhalten vom Tablet und ein Beamer, welcher das Live-Bild aus dem Seminarraum in Nordtirol überträgt (umschaltbar Vortragender <-> Studierende). So wird sichergestellt, dass auch die dislozierten Zuhörer/inne/n aktiv Fragen stellen können, da die Video- und Audioübertragung bidirektional, also von Nordtirol nach Osttirol und retour, wie bei einer Videokonferenz, funktioniert. Aktuell können die Studierenden in Osttirol noch nicht direkt die Präsentationsfolien mitentwickeln, jedoch bietet hier ein bereits vorhandener Visualizer einen guten Ersatz. Ein Visualizer ist wie ein Overheadprojektor, jedoch wird das Bild nicht an eine Wand projiziert, sondern mit einer Kamera aufgenommen und so digitalisiert. Ab dem WS 18/19 ist geplant, dass auch Studierende am dislozierten Studienstandort handschriftliche Berechnungen auf einem Blatt Papier unter Hilfenahme des Visualizers live entwickeln und die Studierenden in Nordtirol dem Entwicklungsprozess folgen und dahingehende Ergebnisse gemeinsam mit den Kollegen in Osttirol diskutieren können. Am Ende jeder Vorlesung wird der besprochene Inhalt nochmals kurz und bündig wiederholt bzw. zusammengefasst und die über Moodle ausgehändigte Aufgabenstellung für die dazugehörige Laborübung gemeinsam durchgegangen. So können etwaige Missverständnisse vorab bereinigt werden und einer Vorbereitung zur Laborübung steht nichts mehr im Weg. Fragen können durch die gemeinsame Erarbeitung der Lehrinhalte jederzeit gestellt werden, was in der Regel auch sehr viel in Anspruch genommen wird. Neben der Lehrveranstaltung stehen die Lehrenden auch per Mail für Fragen zur Verfügung, bzw. können auch Sprechzeiten für komplexere Fragen vereinbart werden. Für Studierende am dislozierten Studienstandort bieten verschiedene Konferenzsoftwaretools wie Skype, WebEx oder Polycom die Möglichkeit einer „persönlichen“ Sprechstunde mit dem LV-Leiter.

 

Wie ist die Laborübung organisiert?

 

Um eine individuelle Betreuung der Studierenden während der Labordurchführung sicherzustellen, wird zu Beginn der LV eine Gruppeneinteilung via Moodle durchgeführt. Hierbei stehen den Studierenden in Nordtirol vier Zeitslots mit je zwei Stunden zur Auswahl. In Osttirol ist aufgrund der geringen Teilnehmerzahl bislang nur ein Slot notwendig. In jedem dieser Zeitslots werden vor der Laborübung acht Zweiergruppen eingeteilt. Dem liegt auch die Anzahl von acht Laborversuchen im Mechatronik-Lehrlabor in Nordtirol zu Grunde. In der Laborübung bauen die Studierenden die in der Laborvorbereitung bereits simulierten Schaltungen real am Steckbrett auf und führen die entsprechenden Messungen durch. Wenn die Vorbereitung mit gutem Wissen und Gewissen durchgeführt wurde, ist die Zeit kein begrenzendes Limit, da die Laborübungen in der Regel gut in zwei Stunden durchführbar sind. Um für etwaige Fragen genügend Ansprechpartner zu haben, werden die bis zu 16 Studierenden pro Zeitslot von insgesamt drei Laborbetreuern (Dipl.-Ing. Jelena Ristic - Laborleitung, Luca Mayer - Studienassistent, ich – LV-Leitung) unterstützt. Nachdem in Osttirol dieses Semester nur vier Studierende an der LV teilgenommen haben, wurde die Laborbetreuung so koordiniert, dass eine Laborbetreuung (Prof. Schubert) für die Durchführung der Labore zur Verfügung stand. Die Aufgabenstellungen selbst sind größtenteils aufeinander aufbauend und stark anwendungsorientiert um den Spaß am Labor möglichst groß zu halten. So wird bei einer Laborübung ein Modellbau-Servomotor mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert, die durch eine selbst entwickelte Schaltung erzeugt wird. Bei einer weiteren Laborübung wird ein analoges Signal zuvor digitalisiert, anschließend wieder in ein analoges Signal umgewandelt und über einen Lautsprecher ausgegeben. Es ist so möglich, eingekoppelte Frequenzen (Aliasing) hörbar abzubilden. Durch entsprechende Korrektur der Schaltung durch zwei zusätzliche Filter können genau diese Frequenzen unterdrückt werden, was auch in der Übung sehr gut ersichtlich / hörbar ist.

 

Wie sieht die Beurteilung der Lehrveranstaltung aus?

 

Das Prüfungskonzept und der Beurteilungsschlüssel werden den Studierenden zu Beginn der ersten LV erläutert und über „Moodle“ veröffentlicht, um hier größtmögliche Transparenz hinsichtlich des LV-Ziels zu gewährleisten. Die Benotung ergibt sich auf der einen Seite zu 75% aus den vier Laborberichten und auf der anderen Seite zu 25% aus der Mitarbeit bei der Labordurchführung. Somit hat auch eine positive und motivierte Teilnahme am Labor einen relativ starken Anteil bei der Benotung, um eine aktive Teilnahme am Labor zu fördern und das kompetenz- bzw. anwendungsorientierte Element der LV zu stärken. Wenn Studierende einen Termin versäumen, ist die Nachholung eines Termins am Ende des Semesters möglich.

Positionierung des Lehrangebots

Die Lehrveranstaltung (LV) findet im Rahmen des Bachelorstudiums Mechatronik statt, welches seit 2009 als ein „joint degree program“ von der Leopold-Franzens Universität (LFUI) und der Privaten Universität für Gesundheitswissenschaften, Medizinische Informatik und Technik (UMIT) mit Standort Nordtirol angeboten wird. Seit 2016 wird ggst. Studium auch am dislozierten Studienstandort Osttirol durchgeführt. Die LV ist laut Curriculum im 3. Bachelorsemester als Pflichtlehrveranstaltung angesiedelt und besitzt drei ECTS-AP bzw. zwei Semesterwochenstunden. Sie baut auf die LV „Allgemeine Elektrotechnik“ im 1. Semester und „Bauelemente und Grundschaltungen“ im 2. Semester auf. Mit dem erlernten Vorwissen ist bereits eine Basis für die LV „Elektronik“ gegeben. Auf diese Vorkenntnisse wird zurückgegriffen, weshalb kurze Vorbesprechungen zu den jeweiligen Themen in den Vorlesungsteilen ausreichen.

Weiterführende Information


Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2018 nominiert.