Embedded Internet (VU)

Ziele/Motive/Ausgangslage/Problemstellung

Ziel dieses Projekts ist die Erstellung von hochgradig interaktiven Vorlesungen mit stetigem Feedback, bei denen die Lehrinhalte laufend an die Bedürfnisse, Lernvoraussetzungen und Lernpräferenzen der Studierenden angepasst werden. Zu diesem Zweck ermöglicht die Verwendung von neuen digitalen Lern- und Lehrelementen, wie z.B. QR-Codes, in den digitalen Präsentationen eine einfache und schnelle Interaktion mit den Studierenden, eine Lernerleichterung des sehr umfangreichen Stoffes, und die Feststellung, ob Grundbegriffe aus den Bachelorstudiengängen wiederholt werden müssen.

Kurzzusammenfassung des Projekts

In der Lehrveranstaltung "Embedded Internet" werden die Grundlagen und Methoden der Vernetzung eingebetteter Systeme im Internet der Dinge (IoT) – eine der Schlüsseltechnologien unserer Gesellschaft sowie ein topaktuelles Thema mit höchster wirtschaftlicher Relevanz –anwendungsorientiert gelehrt. Im Rahmen dieses Projektes wurden Unterrichtseinheiten sehr interaktiv gestaltet, um ein gutes Arbeitsklima zu schaffen und den Studierenden auf Augenhöhe zu begegnen. Interaktives Kernelement sind QR-Codes in den digitalen Präsentationen: Diese enthalten verschiedene Aufgabenstellungen und ermöglichen eine einfache und schnelle Interaktion mit den Studierenden. Ihre Antworten werden anonym in Sekundenschnelle gesammelt und während des Unterrichts sofort diskutiert. Dies ist nicht nur nützlich, um komplexe Konzepte zu verdeutlichen, sondern auch, um festzustellen, ob Grundbegriffe aus den Bachelorstudiengängen wiederholt werden müssen. Den Studierenden wiederum dienen die Umfragen zur persönlichen Selbsteinschätzung ihrer Lernziele.

Weiterhin werden die Studierenden (u.a. durch Videos, Tutorials und Online-Materialien) mit den neuesten Applikationen für das Internet der Dinge begeistert sowie mit realen Problemen aus verschiedenen Anwendungsgebieten konfrontiert. Die Lehrinhalte werden laufend an die Bedürfnisse der Studierenden angepasst und orientieren sich am aktuellen Entwicklungsstand des Internet der Dinge.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

The course "Embedded Internet" teaches how to network embedded systems into the Internet of Things (IoT) - one of the key technologies of our society and a timely and highly-relevant research topic.

Frontal lectures are designed to be highly interactive, so to create a good working atmosphere in the classroom. Interactive core elements are QR-codes in the digital presentations: these contain various tasks and enable a quick and easy interaction with the students. Their answers are collected anonymously in seconds and discussed immediately during the lecture. This modus operandi is useful not only to clarify complex concepts immediately, but also to determine whether basic concepts from the bachelor's degree program need to be repeated. In turn, the quick surveys based on QR-codes help students to self-assess if the learning goals have successfully been met.

Moreover, during the "Embedded Internet" lectures, the students are inspired and captivated in actively participating and asking questions with the latest applications for the Internet of Things. Students are further confronted with practical problems from various application areas and from real-world deployments of IoT technology – often with the help of videos, tutorials, and online material. The course contents are constantly adapted to the needs of the students (also based on the feedback obtained through the quick surveys based on QR-codes) and to the current state of development in the Internet of Things.

Nähere Beschreibung des Projekts

Die Lehrveranstaltung "Embedded Internet" wurde im WS 2015/16 konzipiert und erstellt um den Studierenden des Masterstudiums “Information and Computer Engineering” die Grundlagen der Vernetzung eingebetteter Systeme im Internet der Dinge (IoT) zu vermitteln. In der Lehrveranstaltung werden Grundlagen und Methoden der Vernetzung von eingebetteten Geräten anwendungsorientiert gelehrt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf drahtlosen Kommunikationstechnologien mit geringem Energieverbrauch, einschließlich Aspekten der physikalischen Schicht, Medienzugriff, Routing und Protokollen bis zur Anwendungsschicht und deren Integration in das Internet durch das IPv6-Protokoll. Die Hauptziele der Lehrveranstaltung sind die Vermittlung eines Grundverständnisses der besonderen Eigenschaften von IoT-Systemen, der wichtigsten Standards für die Kommunikation zwischen IoT-Geräten, sowie der Möglichkeiten und Grenzen der heutigen IoT-Technologie. In der Lehrveranstaltung wird besonderes Augenmerk auf die Verlässlichkeit des Internets der Dinge gelegt – eine der größten heutigen Herausforderungen beim Entwurf von kritische Anwendungen in den Bereichen Gesundheit, Transport oder Produktion (die immer einwandfrei funktionieren müssen). Der Beitrag dieser Lehrveranstaltungen am Learning Outcome des Masterstudiums „Information and Computer Engineering“ der TU Graz und insbesondere im Rahmen des in 2017 gestarteten „Major im Internet of Things“ ist daher beträchtlich.

Die Frontalvorlesungen werden mit Hilfe der Tafel, vorgefertigten Folien und medialer Unterstützung abgehalten. Unterstützt wird der Vortrag durch Rechenübungen, Online-Quiz, Videos und Tutorials, die den gelernten Stoff veranschaulichen und vertiefen. Studierende der Lehrveranstaltung "Embedded Internet" werden in die Lage versetzt, die systemtechnisch relevanten Eigenschaften der Vernetzung von Eingebetteten Systemen zu benennen und die wichtigsten Standards für die Kommunikation zwischen IoT-Geräten voneinander zu unterscheiden.

Didaktische Methoden:

Schwerpunkt der "Embedded Internet" Lehrveranstaltung ist es, den Unterricht verstärkt interaktiv zu gestalten um ein gutes Arbeitsklima zu schaffen und den Studierende auf Augenhöhe zu begegnen. Alle TeilnehmerInnen der LV werden bereits in der zweiten Vorlesung per Name angesprochen und ständig mittels Fragen eingeladen, aktiv mitzuarbeiten und vorgegebene Thematiken und Übungen selbstständig zu erarbeiten. Falsche Antworten werden immer als Gelegenheit zum Lernen aufgefasst.

Jede Vorlesung beginnt mit einer 15-minütigen Wiederholung der zuletzt besprochenen Vorlesungsinhalte. Bei der Präsentation von neuem Lehrstoff werden verschiedene Medien verwendet. Neben PowerPoint-Folien und der Tafel, werden auch Ausschnitte von Filmen aus dem Internet (z.B. TEDx Talks und Youtube Videos) präsentiert. Links zu zusätzlichem Lesematerial und verwandten Videos werden in der Fußzeile der PowerPoint-Folien hinzugefügt, damit interessierte Studierende die vorgestellten Themen besser vertiefen können. Auf den PowerPoint-Folien befinden sich Zusammenfassungen der wichtigen Konzepte und Lerntests, die die Studierenden zur Vertiefung des Lehr- und Lernstoffes beziehungsweise als Feedback, ob der Stoff richtig verstanden wurde, nutzen können.

Weiterhin werden regelmäßig während des Unterrichts mehrere Online-Quiz durch QR-codes gestellt. Diese enthalten verschiedenen Aufgabenstellungen und Übungstypologien (z.B. Multiple-Choice Fragen, Lückentexte) und ermöglichen eine einfache und schnelle Interaktion mit dem gesamten Publikum im Hörsaal (es gibt keine Punkte oder Noten darauf). Diese Online-Quiz werden mit Hilfe der Polldaddy Plattform entworfen: Die Studierenden scannen den auf den Folien gezeigten QR-Code mit der Kamera ihrer Smartphones und Ihre Antworten werden anonym in Sekundenschnelle gesammelt und während des Unterrichts sofort diskutiert. Dies ist nicht nur nützlich, um komplexe Konzepte zu verdeutlichen und Unklarheiten zu vermeiden, sondern auch um festzustellen ob Grundbegriffe aus den Bachelor-Studiengängen wiederholt werden müssen. Die Lösungen der Online-Quiz werden nach jedem Unterricht zusammen mit den Folien ins TeachCenter der TU Graz gestellt, sodass die Studierenden diese selbständig jederzeit wiederholen können um den Stoff noch weiter zu verinnerlichen.

Unterstützt wird die Vorlesung durch entsprechende Übungen in denen die Studierenden die Inhalte der Vorlesung problemorientiert nachbearbeiten und vertiefen. Diese Übungen werden klassisch an der Tafel mit Kreide und Schwamm erklärt. Für Studierende, die die Vorlesung nicht besuchen können, werden vorgefertigte Folien mit den Lösungen zur Verfügung gestellt. In allen Veranstaltungsteilen werden die StudentInnen kontinuierlich zu aktiver Teilnahme animiert, u.a. durch regelmäßige Hausaufgaben zur Wiederholung und Festigung des Lehrstoffes. Die ausgearbeiteten Hausaufgaben werden in der nächsten Einheit präsentiert, wobei insbesondere auf typische Fehler und aufgetretene Schwierigkeiten bei der Lösung der Aufgabenstellungen eingegangen wird. Bei der Besprechung der Übungsaufgaben wird deshalb nicht nur die Lösung vorgestellt, sondern auch erklärt, wie man auf die Lösung kommen kann und wo die Fallstricke liegen. Zusätzlich werden parallel zur Vorlesung durch die Lehrveranstaltung "Embedded Internet, LU" auch praktische Programmierübungen von IoT-Systemen angeboten.

Lehrmaterialien:

Die Lehrmaterialien umfassen einen Mix aus Büchern, Folien, Übungen, Videos und Online-Quizfragen. Sie sind so strukturiert, dass Studierende sie örtlich und zeitlich unabhängig bearbeiten können (zwei Studenten mit Vollzeitjobs haben den Kurs aus der Ferne besucht). Ergänzende Literatur und Links zu zusätzlichem Lesematerial und verwandten Videos werden in der Fußzeile der PowerPoint-Folien hinzugefügt, damit interessierte Studierende die vorgestellten Themen besser vertiefen können.

Prüfungsmodus:

Die Erreichung des Learning Outcomes wird durch mehrere Hausaufgaben (20 Punkte) und eine schriftliche Abschlussprüfung (80 Punkte) überprüft. Durch fünf Hausaufgaben wird die praktische Anwendung der in der Vorlesung gelernten Methoden bewertet. Durch eine 90 Minuten lange Abschlussprüfung werden das Wissen und das Verständnis der grundlegenden Konzepte beurteilt. Die Abschlussprüfung beinhaltet eine Mischung aus offenen Fragen, Mehrfachauswahl und praktischen Problemen. Eine zusätzliche mündliche Prüfung ist möglich falls die Prüfung nicht bestanden wurde.

Stetiges Feedback:

Die Lehrveranstaltung wurde im Rahmen von Diskussionen mit den StudentInnen dauernd weiterentwickelt und angepasst. Anonymes Feedback wurde drei Wochen nach Vorlesungsbeginn mit einem Formular gesammelt um Schwachstellen in den Lehrmaterialien klarzumachen und um den Kurs zu verbessern. Als Ergebnis wurden, u.a. auf Wunsch der Studierenden, zusätzliche Tutorials zur Vorlesung hinzugefügt und es wurden einige Hausaufgaben neu gestaltet.