Konzeptionierung und Umsetzung der Lehrveranstaltung “Simulation in der Regelungstechnik”

Nähere Beschreibung des Projekts

Den Kernpunkt des Projekts stellt die Konzeptionierung der Lehrveranstaltung (LV) „Simulation in der Regelungstechnik“, deren Umsetzung sowie die Erstellung verschiedener praxisrelevanter und interdisziplinärer Aufgabenstellungen dar.

Hierfür wurden anfangs die Lernziele für die LV definiert. Nachdem die LV aus Erfahrungen bei der Umsetzung von Abschlussarbeiten ins Leben gerufen wurde, standen klare Lehr- und Lernziele schon vor der Planungsphase fest. Diese hauptsächlich kognitiven Lernziele können wie folgt beschrieben werden:

Nach Abschluss der LV sind die Studierenden in der Lage …

… selbständig komplexe Aufgabenstellungen zu verstehen und zu interpretieren.

… die Problemstellung durch mathematische, nichtlineare Modelle in Form von gewöhnlichen Differenzialgleichungen zu beschreiben.

… die benötigten Modellparameter anhand von Messdaten zu identifizieren und zu validieren.

… den Einfluss von Messrauschen und Sensordynamiken zu erkennen, zu verstehen und zu modellieren.

… die Methoden der linearen Steuerung- und Regelungstechnik auf das identifizierte, nichtlineare Modell anzuwenden.

… wissenschaftliche Themen und Ergebnisse in LaTex darzustellen und aufzuarbeiten.

… komplexe Themeninhalte in einer Gruppe gemeinsam zu erarbeiten und zu präsentieren.

Um auch die sozialen Kompetenzen wie bspw. richtige Kommunikation, Präsentation von Ergebnissen, Arbeitsaufteilung und der Arbeit in Teams in der LV zu stärken, bearbeiten die Studierenden die Aufgabenstellungen in 3er bzw. 4er Gruppen. Auch dieser und in Hinblick auf die Beschäftigungsfähigkeit zumindest gleichbedeutender Kompetenzkanon ist kritisch analysiert zuvor im Curriculum etwas zu kurz gekommen und bereitet die Studiereden für den Berufseinstieg vor, da hier meist in Gruppen Problemstellungen zu lösen sind. Weiters ist die wissenschaftliche Aufbereitung und Präsentation der Ergebnisse eine sehr gute Vorbereitung auf die bevorstehende Bachelorarbeit.

Zur Sicherstellung und bestmöglichen Unterstützung der Lehr- und Lernziele während der gesamten LV wird eine praxisnahe, interdisziplinäre Aufgabenstellung von den jeweiligen Gruppen von der Problembeschreibung bis zur simulationsgestützten Umsetzung erarbeitet. Die Aufgabenstellung ist in die drei Teilabschnitte (1) Modellierung und Parameteridentifikation, (2) Beobachterentwurf und Sensormodell sowie (3) Reglerentwurf und Trajektorienplanung aufgeteilt. Zum Zeitpunkt der Antragsstellung stehen zwei unterschiedliche Projektaufgaben zur Auswahl. Einerseits ein Rohrreaktor mit temperaturabhängigen chemischen Reaktionen (Forschungsfeld Bachler, Wurm) und andererseits ein elastisch gelagerter Hängekran (Forschungsfeld Kronthaler). Das Portfolio an Projektaufgaben soll in der Zukunft kontinuierlich um neue interdisziplinäre Aufgabenstellungen erweitert werden. Beispielsweise ist angedacht, ein Mehrtanksystem und ein Populationsmodell hinzuzufügen. Auch weitere Kolleginnen und Kollegen sind interessiert, Aufgabenstellungen aus deren Forschungsfeldern (Batterieforschung, Robotik, …) in den nächsten Jahren zur Verfügung zu stellen. Zur Bearbeitung der einzelnen Teilaufgaben wird das Wissen aus verschiedensten LVen der Bachelorstudienrichtungen Mechatronik bzw. Elektrotechnik benötigt. Bspw. werden die Inhalte aus „Mechanik 1+2“, „Mathematik 1+2“, „Grundlagen der Elektrotechnik 1+2“, „Elektrische Messtechnik und Sensorik“, „Thermodynamik“, „Modellbildung und Simulation“ für die Modellierung und Parameteridentifikation benötigt, während das Erlernte aus „Numerische Mathematik“ und „Regelungstechnik und Prozessautomatisierung“ für den Beobachter- und Reglerentwurf eingesetzt wird. Um die Studierenden der beiden unterschiedlichen Studienrichtungen vorab auf denselben Wissensstand zu bringen, werden die benötigten Lehrinhalte in zusammengefasster Form zum Selbststudium zur Verfügung gestellt und auf die Unterlagen der entsprechenden Lehrveranstaltungen verwiesen. So können sich die Studierenden je nach Vorwissen individuell die benötigte Theorie aneignen und auf die jeweilige Teilaufgabe vorbereiten. Grundsätzlich sollten alle Studierende beider Fachrichtungen die benötigte Theorie bis zum Beginn der LV im sechsten Semester gehört und verstanden haben. Den Studierenden steht es frei die Implementierung der Aufgaben in der Programmiersprache ihrer Wahl zu realisieren. Im Zuge der Vorlesung werden ihnen mögliche Implementierungsvarianten in Python und in MATLAB® vorgestellt.

Die LV ist in vier Einheiten gegliedert:

Erste Einheit:

Am ersten Termin werden die möglichen Projektaufgaben von den LV-Leitern vorgestellt und auf die Gruppen aufgeteilt. Die erste Theorieeinheit zur Wiederholung der benötigten Methoden wird von einem der LV-Leiter gestaltet und das weitere Vorgehen erläutert. Nach einer kurzen Einführung, welche das Thema der softwareseitigen Projektstrukturierung aufgreift, werden anhand eines Minimalbeispiels (autonomes Fahrzeug) die wichtigsten Implementierungsschritte besprochen und deren Umsetzung in MATLAB® und Python gemeinsam mit den Studierenden erarbeitet. Hierfür wird zum einen ein MATLAB® Live Skript bzw. ein Jupyter Notebook für die Implementierung in Python als Basisdatei genutzt. Den Studierenden werden die Dateien vorab als Lückentext zur Verfügung gestellt. Dadurch wird eine aktive Mitarbeit der Studierenden während der Vorlesung ermöglicht. Die eingesetzten modernen Programmierumgebungen ermöglichen die Einbindung von LaTex in den Skripten, womit die benötigten theoretischen Hintergründe in komprimierter Form integriert werden können. Dies erleichtert den Zusammenhang zwischen Theorie und Implementierung herzustellen. Die mit den Studierenden gemeinsam erarbeitete Lösung anhand des Minimalbeispiels dient als weiterführender Leitfaden zum selbstständigen Lösen der komplexeren, praxisnahen Problemstellung für die einzelnen Gruppen. Die Studierenden haben ca. 1,5 Monate Zeit den ersten Teilabschnitt auszuarbeiten und in der Simulationssoftware ihrer Wahl zu implementieren. Parallel dazu ist in diesem Zeitraum die selbstständige Aufbereitung der benötigten Theorie, anhand der von den LV-Leitern zur Verfügung gestellten Zusammenfassung, als begleitete Selbststudien-Sequenz durchzuführen. Für Fragen zur Projektumsetzung und Implementierung stehen die LV-Leiter jederzeit via Mail, Zoom oder persönlich zur Verfügung.

Zweite Einheit:

Ab der zweiten Vorlesung präsentiert jede Gruppe anhand einer zehnminütigen, in LaTex erstellten Präsentation den Kommilitoninnen und Kommilitonen und den LV-Leitern die Ergebnisse der bearbeiteten Teilaufgabe. Im Anschluss gibt es eine rege Feedbackrunde von den Kommilitonen und LV-Leitern, in der neben dem technischen Inhalt auch der Präsentationsstil und die Ausarbeitung der Folien diskutiert werden. Anschließend werden etwaige Fragen zur, im Selbststudium wiederholten, Zusammenfassung der Theorie beantwortet und die weiteren Implementierungsschritte anhand des Minimalbeispiels erarbeitet. Dabei ist anzumerken, dass nicht nur die Projektaufgabe, sondern auch das Minimalbeispiel aufbauend gestaltet ist. So wird z.B. die in der ersten Einheit implementierte Modellierung für die weiterführende Umsetzung benötigt.

Dritte Einheit:

Die dritte Einheit folgt identen der Struktur wie die zweite Einheit. Daher wird hierauf nicht näher eingegangen.

Vierte Einheit:

In der letzten (vierten) Einheit finden die finalen Präsentationen der einzelnen Gruppen statt. Ein Monat nach der Abschlusspräsentation, im Juli, ist neben der Bereitstellung des vollständigen Programmcodes auch ein wissenschaftlicher Abschlussbericht in Form eines Papers (zweispaltig, 4-6 Seiten) zu erstellen und über die Lernplattform (Moodle) abzugeben. Für die Präsentation und das Paper werden von den LV-Leitern LaTex-Vorlagen zur Verfügung gestellt.

Durch die dargestellte Strukturierung der LV wird also ein didaktischer Mix aus Vortrag/Selbststudium, für die Wiederholung der wichtigsten Theorie, einer Rechenübung, bei der gemeinsam ein vereinfachtes regelungstechnisches Beispiel (autonomes Fahrzeug) untersucht wird, einer Gruppenarbeit für die Projektabwicklung inklusive Präsentationen mit Diskussion und Reflexion sowie die Erstellung eines Beitrags in wissenschaftlicher Form erreicht.

Für die Bearbeitung des Minimalbeispiels werden bewusst MATLAB® Live Skripte und Jupyter Notebooks eingesetzt. Durch diese interaktive Umgebung kann auf theorie- und implementierungsspezifische Fragen der Studierenden während der Vorlesung rasch eingegangen werden. Eine Demonstration verschiedener Implementierungsstrategien ermöglicht einen direkten, studierendenzentrierten Diskurs. Zudem erlaubt diese Herangehensweise die Demonstration einer sauberen Dokumentation des Programmcodes, in die Theoriewissen direkt eingepflegt werden kann. Allesamt Komponenten eines (über-)fachlichen Kompetenzerwerbs und –ausbaus in einem anwendungsorientierten Setting.

Die Bewertung der LV ergibt sich aus den drei Präsentationen und dem Abschlussbericht. Dabei ist jeder der vier Teilaspekte positiv zu absolvieren. Die Präsentationen sind jeweils mit 15% und der Abschlussbericht mit 55% gewichtet. Somit können die Anmerkungen der Präsentationen im Abschlussbericht aufgearbeitet und die Note verbessert werden. Eine Reflexion der geleisteten Arbeit ist daher gegeben und kann dem Bericht entnommen werden. Die Gruppe wird von den LV-Leitern als Ganzes bewertet, wobei jedes der Gruppenmitglieder mindestens einmal aktiv präsentieren muss. Zur Bewertung der Vorträge wurde ein Schema von den LV-Leitern ausgearbeitet, welches sowohl den Inhalt der Präsentation als auch den Vortragsstil bewertet. Dieses Bewertungsschema steht den Studierenden zur gegenseitigen Einschätzung zur Verfügung, und ermöglicht eine faire Bewertung.

Aufgrund der Corona-Pandemie wurde nach der ersten Einheit im Sommersemester 2020 auf Fernlehre via Zoom© umgestellt. Dieser Umstieg war problemlos ohne etwaige Adaptionen möglich, da die Rechenübungen ohnehin am PC durchgeführt werden. Einzig die Körpersprache und der Präsentationsstil während der Vorträge der Studierenden konnte bei der Bewertung nicht mitberücksichtigt werden. Für die Studierenden stellte die Präsentation via Videokonferenz keine zusätzliche Hürde dar.

Allgemein integriert sich die gegenständliche LV sehr gut in beide Bachelorstudienrichtungen, da erlernte Theorie und Methoden unterschiedlicher LVen aufgegriffen und im Zuge einer Problemstellung entsprechend Verwendung finden. Weiters ist durch forschungs- bzw. industrienahe Anwendungsbeispiele eine zuvor fehlende Vorbereitung für die Abschlussarbeit, aber auch für den Einstieg in das Berufsleben gegeben. Das Interesse der Studierenden ist groß und auch in der LV-Evaluierung sichtbar, welche in den Sommersemestern 2019 und 2020 überdurchschnittlich gut ausgefallen ist. In den Evaluierungen von 2020 ist bspw. zu lesen „Hilfsbereitschaft, Kompetenz, harte und gerechtfertigte Kritik, wir haben extrem viel gelernt“ oder „Sehr gute Wiederholung der Lehrveranstaltung Modellbildung und Regelungstechnik. Bezug zur Praxis hergestellt“. Dies war mitunter ein Grund warum die LV 2020 mit dem Lehrepreis der UMIT TIROL ausgezeichnet wurde. Dieses Feedback freut nicht nur, sondern zeigt, dass durch das Angebot des neuen Wahlfachs tatsächlich der studentische Lernfortschritt kompetenzorientiert unterstützt werden konnte. Nichtsdestotrotz stehen die Weiterentwicklung der Lehrveranstaltung und die Erweiterung der Aufgabenstellungen um Themenschwerpunkten anderer Kollegen (u.a. Robotik oder Batterieforschung) und aktuellen Themen (u.a. Populationsmodelle) weiterhin auf der Agenda.

Abschließend kann festgehalten werden, dass im Zuge dieses Projekts die neue LV „Simulation in der Regelungstechnik“ äußerst erfolgreich etabliert wurde und einen wichtigen Bestandteil des Wahlmodulpools im Mechatronik- bzw. Elektrotechnikstudium darstellt.

Nachhaltigkeit

Das vorgestellte Lehrkonzept ist, wie durch den situationsbedingten Umstieg auf Fernlehre ersichtlich, aufgrund des Einsatzes moderner Programmierumgebungen sehr flexibel. Eine Übertragung des Lehrkonzepts auf andere LVen, in welchen die Umsetzung von bereits erlerntem Wissen in die Praxis im Vordergrund steht, ist angesichts der vorgestellten Strukturierung ohne weiteres möglich. Das vorgestellte Konzept bzw. die vorgestellte LV ist ein fixer Bestandteil des Mechatronik- und Elektrotechnikstudiums. Eine kontinuierliche Erweiterung bzw. Adaption des Aufgabenpools mit aktuellen Projektthemen soll die hohe Begeisterung des Studierenden für die LV und auch deren Forschungssozialisation langfristig unterstützen.