Lab4home – Gestaltung praxisorientierter Distanz-Laborlehre zur Förderung von Industrie 4.0-Kompetenzen

Das „Industrie 4.0 Labor“ der FH St. Pölten ist nun seit mehreren Jahren ein fixer Bestandteil mit weitgehender Integration in Lehre und Projekte. Es werden Lehrveranstaltungen zu den bereits beschriebenen Themenbereichen Department-übergreifend im Labor abgehalten. Beispielsweise werden Grundlagen von Elektrotechnik und Maschinenbau im Bachelorstudiengang Smart Engineering vermittelt, aber auch die Aneignung von Fertigkeiten zu digitalen Produktionstechnologien (3D-Druck) im Masterstudiengang Digital Healthcare (Department Gesundheit) mit Lehrveranstaltungen gefördert. Besonderen Einsatz findet das Labor auch bei Projektumsetzungen für Bachelor- und Diplomarbeiten als auch bei speziellen Erasmus-Projekten wie dem „European Project Semester“. Dieses multidisziplinare Projekt wird zu großen Teilen (21 ECTS) im Industrie 4.0 Labor von den Incoming Students pro Semester umgesetzt.

Als der Zugang zum Lab ab dem Sommersemester 2020 nur noch sehr eingeschränkt möglich war, startete das Projekt „Lab4home“ neue technische Lösungen zu generieren, um damit das Labor in eine Art Fernlehre-Modus zu versetzen. Herausfordernd dabei ist, dass je nach Lehrveranstaltung und definierten Lernzielen der Raum in seiner Funktion stark variiert, dennoch können bereits erste angewandte Konzepte und Praxiserfahrungen vorgestellt werden.

Zielgruppenorientiere Gestaltung von virtuellen Rundgängen im Labor:

Die erste Maßnahme bedient sich einer Technologie, die nicht unbedingt als neu zu bezeichnen ist, jedoch kann die Art der Anwendung in Bezug auf die Laborlehre als sehr zeitgemäß und beispielhaft zum Thema Digitalisierung eingestuft werden. Für Lehrveranstaltungen, in denen Lernziele im Bereich von „Wissen und Verstehen“ definiert sind, schaffte man die Möglichkeit eines virtuellen Rundgangs durch das Labor. Dabei wurde der Raum bzw. die didaktisch gestalteten Lernartefakte wie z.B. der „3D-Druck-Arbeitsplatz“ oder der „Internet der Dinge-Experimentierplatz“ unter Einsatz einer 360-Grad-Panoramakamera von mehreren Standpunkten abgebildet.

Der virtuelle Rundgang wurde den Studierenden als Onlinevariante per Desktop- und Smartphone-Webbrowserapplikation (im Sinne des „Bring your own Device“- Ansatzes zur Verfügung gestellt. War zu Beginn nur möglich, sich im Raum von Standpunkt zu Standpunkt zu bewegen und das Labor anzusehen, wurden im Laufe dieser Entwicklung weitere Funktionen zum Rundgang hinzugefügt. Über sogenannte Hotspots können die Lernenden unterstützende Materialien und Informationen bei wichtigen Stationen im Labor abrufen, z.B. integrierte Videos und Fotos zum Einsatz und der Bedienung des 3D-Druckers. Im Laufe des Semesters kamen weiterer Standpunkte, Hotspots und Funktionen (z.B. Live-Daten) für verschiedenste definierte Themenschwerpunkte des Labs hinzu. Mittlerweile ist der 360-Grad-Rundgang in einigen Lehrveranstaltungen (z.B. Labor Maschinenbau und Labor Elektrotechnik) integriert und bildet ein wichtiges Element um Wissen zum Laborequipment und den damit verknüpften digitalen Technologien zu vermitteln. Wurde bis dato eine Laboreinschulung in ca. 45 Minuten in Präsenzlehre abgehalten, besteht nun die Möglichkeit, das Labor jederzeit sowie örtlich ungebunden selbstständig zu erkunden. Als ein Nachteil werden dabei jedoch noch die eingeschränkten Möglichkeiten in der Kommunikation (Fragen beantworten, etc.) als auch Interaktion (Human-Maschine-Interface, etc.) angesehen. Die bisherige Anwendung zeigt, dass virtuelle Rundgänge ein enormes Potential zur didaktischen Nutzung besitzen, wobei man aktuell noch auf viele Herausforderungen bei der technischen Umsetzung als auch im methodischen Einsatz trifft.

Elektronik-Simulations-Tools:

Wie bereits beschrieben, finden im Labor auch Übungen zur praktischen Grundlagenaneignung statt, hierbei ist es besonders wichtig auf das unterschiedliche Vorwissen der Lernenden einzugehen. Als Beispiel sei hier die Lehrveranstaltung Labor Elektrotechnik (1. Semester Bachelorstudium) genannt. Dabei bringen einige Studierende bereits erweiterte Fähigkeiten im Umgang mit Werkzeug und Equipment mit, wobei wiederum andere über keinerlei praktische Skills verfügen. In diesen Gruppen wird daher ein fachlicher Diskurs in Verbindung mit praktischen aufeinander aufbauenden Übungen (Aufbau von elektronischen Grundschaltungen) abgehalten. Es sollen Studierende mit wenig Erfahrung durch die Zusammenarbeit mit jenen mit bereits erweiterten Kenntnissen profitieren. Zusätzlich soll die gesamte Gruppe inkl. Lehrenden während der Übungen auf einer fachlichen Diskursebene deren Kenntnisse und Fertigkeiten teilen, überprüfen und erweitern.

Um diese Art von Lehrveranstaltung in einen Fernlehre-Modus zu versetzen, wurde ein Mix aus digitalen Medien und Tools gewählt. Das zentrale Element bildet dabei eine sogenannte Elektronik-Simulationssoftware, die per Webbrowser ausgeführt werden kann. Die Herausforderung war, dass das Tool möglichst den realen Werkzeugen, Bauteilen und deren Verhaltensweisen entspricht. Nach einer Recherchearbeit wurde das Tool tinkercad.com als möglichst passend eingestuft und weiter evaluiert. Es stellte sich heraus, dass das Tool zwar sehr realistisch Werkzeuge und Bauteile, angelehnt an jene die im physischen Labor zu finden sind darstellt (z.B. Widerstände mit Farbcodes, Steckbretter, Kabel und Messgeräte), jedoch die elektrotechnischen Grundprinzipien nur im Ideal abbildet. Es werden beispielsweise keine Bauteiltoleranzen, Messfehler, etc. simuliert, was jedoch für das reale praktische Anwenden als Lernziel ganz essenziell ist. Eine ideal berechnete Schaltung weist in der Praxis immer eine gewisse Abweichung auf und um dieses Wissen dennoch in der Distanzlehre zu vermitteln, wurde zum Lernsetting, durch ein spezielles Webcam-System, zur „virtuellen“ Lehre eine reale Komponente hinzugefügt. Ein Labortisch wird dabei während der Übungen gefilmt und in das Online-Konferenz-Tool eingebunden. Die Lehrenden befinden sich dabei in Präsenz im Labor und bekommen dadurch die Möglichkeit die Elektronik-Schaltungen real umzusetzen und per Videostream der Gruppe zu vermitteln. Dadurch ist es möglich, dass Studierende virtuell deren Schaltungen aufbauen und zusätzlich wichtigen praxisorientierten Input vermittelt bekommen. Bei diesem Setting zeigt sich zudem, dass Lernende mit wenig Erfahrung, wesentlich geringere Barrieren (Angst Bauteile zu zerstören, etc.) im Umgang mit elektronischen Komponenten erleben und sich selbstsicher im spielerischen Ausprobieren fühlen. Die fachliche Diskursebene bleibt zudem aufgrund des Online-Konferenz-Tools aufrecht, dabei können Übungsaufbauten per Screensharing geteilt, analysiert und diskutiert werden. Das Lehrkonzept ist bereits fixer Bestandteil in der praktischen Distanz-Laborlehre und zeigt, dass es aufgrund der Verschmelzung von virtuellen (Simulationstool) und realen Elementen (Live-Einbindung der Lehrenden und des Laborequipments) für gewisse methodische Ansätze wesentliches Potenzial bietet. Auch wenn damit die reale Praxislehre im Labor nicht gänzlich ersetzt werden kann, sind die Studierenden dennoch in der Lage, selbstständig fachlich relevante Dinge auszuprobieren und bekommen zudem weitere Kenntnisse zu digitalen Tools, die wiederum sinnbildlich für das Thema Industrie 4.0 stehen.

Mobiles Lern-Equipment:

Ein Schwerpunkt in der Konzeption des Industrie 4.0 Labors an der FH St. Pölten und gleichzeitig ein Alleinstellungsmerkmal zu anderen thematisch ähnlichen Lernräumen an weiteren Hochschulen, stellt das dynamisch anpassbare Equipment dar. Besonders im Bereich der Masterstudiengänge werden dabei Lernziele in den Stufen des Analysierens, Synthetisierens und Beurteilens definiert. Um den Lernenden eine eigenständige und praktische Lösungsentwicklung in Bezug auf Problemstellungen der Industrie 4.0 zu ermöglichen, werden laufend Lernartefakte in Form von Demo-Installationen, Test- und Experimentier-Equipment zu Bauteilen und Maschinen bzw. auch zur Veranschaulichung von Prozessen und Zusammenhängen erarbeitet und in die Lehre integriert. Dabei setzt man weniger auf große, kostenintensive sowie starre Aufbauten, sondern mehr auf flexibel und schnell anpassbare Tools, die von Studierenden gleichermaßen wie von Lehrenden in kurzer Zeit für eine Vielzahl an individuellen Möglichkeiten einsetzbar sind. Stellvertretend für dieses Prinzip stehen dabei u.a. speziell angepasste Tablet-Dockingstations, die über gleichwertige Anschlüsse wie Industriemaschinen verfügen. Der Zweck dazu erfüllt sich dadurch, dass auf den Tablets per App verschiedenste Maschinen und Prozesse simuliert bzw. virtuell dargestellt werden können, aber gleichzeitig reale Hardware mit eingebunden werden kann. So ist es beispielsweise möglich, eine Förder-, Sortier- oder Fräsanlage am Tablet virtuell darzustellen und gleichzeitig mit realen Sensoren, Aktoren und Steuerungen zu verbinden. Natürlich lassen sich auch diese simulierten Maschinen zu einer kombinierten Anlage zusammenschalten. Der einfache und ohne sicherheitsrelevante Bedenken umsetzbare spielerische Zugang zu Maschinen ist für Studierende ein weiterer Vorteil. Wichtig dabei ist auch, dass das Lern-Equipment in mehrfacher Form verfügbar ist, somit können möglichst viele Studierende gleichzeitig und gemeinsam arbeiten. Die Gruppengröße beläuft sich in den Masterstudiengängen zumeist auf 8 bis 12 Personen, daher werden dieses Sets zumeist in einer dafür passenden Stückzahl angeschafft bzw. aufgebaut. Die Anschaffungskosten dafür sind dennoch gering und können nicht mit jenen von großen Lernfabriken verglichen werden.

Die zu Beginn beschriebene Situation der „Nichtbetretbarkeit“ des Labors wurde besonders in diesem Lehrkonzept als Herausforderung angesehen. Im Zuge des Projekts zeigte sich aber, dass gerade durch den flexiblen Einsatz des Equipments die Umstellung in eine Distanz-Laborlehre bereits mit wenig organisatorischen Aufwand realisierbar ist. Es wurden für den „Heimgebrauch“ angepasste Sets (Kabel, benötigtes Werkzeug, etc.) und klare Abläufe für den Verleih, die Ausgabe und die Rücknahme erarbeitet. Die Studierenden konnten somit das Lehrequipment teilweise im Rucksack mit nach Hause nehmen und auf geeigneten Plätzen wie z.B. Büro- oder Küchentisch aufbauen. Hinsichtlich der Lehrmethoden zeigten sich durch die dezentrale und zeitlich ungebundene Verfügbarkeit der Hardware bereits in der Lehrvorbereitung neue Möglichkeiten. So können sich Studierende mit wenig Vorwissen durch praktische Blended-Learning-Szenarien, selbständig und von Zuhause aus auf bevorstehende Lehrveranstaltungen vorbereiten. Der Umgang mit den mobilen Lernartefakten kann bereits in der Vorbereitung ausprobiert und dadurch erste Fähigkeiten erlernt werden.

In der Distanz-Laborlehre wird dann ebenfalls wieder nach dem bereits beschriebenen Konzept der Live-Kameraeinbindung vorgegangen. Die Lehrenden befinden sich dabei wieder im Labor an der Fachhochschule St. Pölten und die Studierenden nehmen Platz in deren vorab bereits selbstständig eingerichteten Mini-Laborarbeitsplätzen. Kommuniziert wird dabei wieder über die bekannten Online-Konferenz-Tools.

Nach nur wenigen Lehreinheiten zeigte sich ein bis dato nicht bedachter Effekt in Bezug zur praxisorientierte Wissensvermittlung des Themas Industrie 4.0. Eine sehr bekannte und wichtige Eigenschaft der digitalen Transformation ist jene der Vernetzung von sogenannten dezentralen Maschinen. Um Fertigkeiten dieser Thematik zu vermitteln, wurde bis dato das hausinterne Computernetzwerk verwendet. Dazu wurden die Maschinen/Lern-Sets per Ethernet vernetzt und so die dafür relevanten Technologien und Prozesse praktisch im Labor erlebbar gemacht. Beim Projekt „Lab4home“ waren nun die Gruppen teilweise hunderte Kilometer voneinander getrennt, was die Thematik der Dezentralisierung nochmals verdeutlichte. In diesem Modus konnten die Studierenden deren Mini-Laborplätze von Zuhause aus per Internet mit den im Labor befindlichen Maschinen als auch mit den Maschinen der Gruppenmitglieder vernetzen. Damit wurde ein Austausch von Sensordaten als auch das gegenseitige Ansteuern von Aktoren wie z.B. Signallampen möglich. Eine weitere Besonderheit stellte zudem auch die Möglichkeit der Einbindung diverser Haushaltsgeräte (Kaffeemaschine, etc.) und die Interaktion mit den im Labor befindlichen Maschinen (3D-Drucker, etc.) dar.

Mit diesem Lernsetting erhalten die Studierenden die Möglichkeit auch abseits der zeitlich begrenzten Lehrveranstaltung, sich praxisorientiert und gemeinsam mit dem Thema Industrie 4.0 zu beschäftigen. Trotz des veranschaulichten Mehrwerts, benötigt es dennoch gewisse Voraussetzungen hinsichtlich eines passenden Aufstellungsplatzes des Equipments sowie eine stabile Internetanbindung welche von den Studierenden nicht als selbstverständlich definiert werden kann.