Zuletzt aktualisiert am 30.05.2025

MELODI: A Mass E-Learning System for Design, Test, and Prototyping of Digital Hardware

Bei dem Projekt handelt es sich um ein neues Projekt / eine wiederholte Einreichung

info@photo-simonis.com

Das Bild zeigt das Entwicklerteam neben dem MELODI-Schaukasten.

Ars Docendi Kriterien

Digitale Transformation und Künstliche Intelligenz
Innovative Hochschuldidaktik
Studierenden- und Kompetenzorientierung
Partizipation und Mitgestaltung

Gruppengröße

> 150

Anreißer (Teaser)

MELODI bietet allen Interessierten die Möglichkeit zu verstehen, wie Prozessoren und Computer aufgebaut sind und funktionieren. So kann man selbst Hardware-Designs ausprobieren und zum Leben erwecken, ohne selbst teure Hardware anschaffen zu müssen.

Kurzzusammenfassung des Projekts

MELODI ist eine hocheffiziente und flexible E-Learning-Lösung für das Unterrichten von digitaler Hardware-Entwicklung an der TU Wien. Es ermöglicht Studierenden das Erlernen von Hardwarebeschreibungssprachen und den praktischen Umgang mit Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) und vermittelt damit essenzielle Kenntnisse für die Entwicklung moderner Hardwarearchitekturen. MELODI automatisiert die Aufgabenstellung, Validierung, Bereitstellung und Visualisierung von Hardware, was den Ressourceneinsatz und den Zeitaufwand für die TU Wien stark reduziert. Es ermöglicht den Studierenden, in ihrem eigenen Tempo zu lernen und praktische Erfahrungen zu sammeln. Das System erfordert lediglich einen Internetzugang und eine E-Mail-Adresse und ist damit für alle Studierenden gleichermaßen und ohne finanzielle Belastung (etwa für spezielle Hardware oder einen leistungsstarken Computer) verwendbar.

MELODI stellt damit eine zeitgemäße Ergänzung zur bewährten Präsenzlehre (Vorlesungen, Laborübungen) dar.

Video über Melodi

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

MELODI is an efficient and flexible e-learning solution for teaching digital hardware development at TU Wien. It enables students to learn hardware description languages and the practical use of field-programmable gate arrays (FPGAs) and thus imparts essential knowledge for the development of modern hardware architectures. MELODI automates the task definition, validation, provision, and visualization of hardware, which greatly reduces the use of resources and saves time for TU Wien. It allows students to gain practical experience and to learn at their own pace. The system only requires internet access and an e-mail address and can therefore be used by all students equally and without any financial burden (e.g. for special hardware or a powerful computer).

MELODI thus represents a contemporary supplement to the proven classroom teaching (lectures, laboratory exercises).

Nähere Beschreibung des Projekts

Ausgangssituation:

Angesichts der immer weiter voranschreitenden Durchdringung des Alltags mit computerähnlichen Geräten (Embedded Systems) stellt das digitale Schaltungsdesign einen wichtigen Grundpfeiler der technischen Ausbildung auf dem Gebiet der Elektronik dar. Der praxisnahe Unterricht gestaltet sich bei einer großen Anzahl an Teilnehmenden allerdings schwierig und ressourcenintensiv: Die zum Einsatz kommende Hardware ist kostspielig, die Software aufwändig in der Installation. Schon aufgrund der Heterogenität der Ausrüstung der Studierenden kann nicht davon ausgegangen werden, dass alle die entspechende Software und ein komplexes Setup installieren können bzw. wollen. Zeitgemäße Übungshardware ist zudem kostenintensiv und kann daher nicht allen Studierenden zur Verfügung gestellt werden.

Lösung:

An unserem Institut wurde die E-Learning-Plattform MELODI ("Mass E-Learning Of design, test, and prototyping DIgital hardware") entwickelt, um eine flexible Lösung für das Unterrichten von digitalem Hardware-Design, Testing und Prototyping zu bieten. Besonders für den Fern- oder E-Learning-Bereich, der auch aufgrund der COVID19-Pandemie weltweit zu einer wichtigen Notwendigkeit geworden ist, bietet MELODI eine effiziente Lösung.

Das Ziel von MELODI ist es, dass Studierende ein Hardwaredesign modellieren und die Funktionskontrolle ihrer Lösung auf einer echten Hardware (einem FPGA) aus der

Ferne über eine Website mit Webcam (gerichtet auf die Hardware) überprüfen und damit auch interagieren können. Ein konkretes Beispiel wäre etwa die Ansteuerung eines kleinen Displays. Die Studierenden müssen die entsprechende Hardware (Ansteuerlogik) modellieren und können auf der Website dann interaktiv Text an das Display senden und den Erfolg ihrer Lösung über die Webcam beobachten.

MELODI bietet eine flexible Komplettlösung für die oben genannten Anforderungen von Studierenden und Universitäten. Das System kommuniziert über E-Mail und generiert automatisch Aufgaben (eine zufällige Variation einer Vorlage, die von den Lehrenden erstellt wurde) und ermöglicht damit hunderte individuelle Aufgabenstellungen. Die Studierenden lösen die Aufgabe am eigenen Computer und schicken diese per E-Mail an unser System, welches die Lösung zunächst mittels eines Simulators auf Korrektheit testet. Anschließend erhalten die Studierenden Feedback. Sobald die Lösung der Studierenden als korrekt bewertet wird, wird sie automatisch an die Hardware, welche an der TU Wien stationiert ist, weitergeleitet. Dabei handelt es sich um ein FPGA-Entwicklungskit, das mit verschiedenen (elektrischen und mechanischen) Hardwarekomponenten (z.B. Motor, Display, LEDs, etc.) erweitert wurde. Nach Einsendung einer korrekten Lösung bekommt man Zugriff auf eine Website, welche visuelles Feedback (über eine Kamera) der Hardware ermöglicht. Darüber hinaus interagieren die Studierenden mit ihrer Hardware über virtuelle Tasten.

Auf der Seite der Studierenden sind die Anforderungen minimiert: Alles, was sie benötigen, ist ein E-Mail-Konto, ein beliebiger Texteditor, ein Browser und eine Internetverbindung, um alle Schritte des Entwurfs, Testings und Prototypings digitaler Hardware durchzuführen. Sie können auch das Lerntempo ihrem eigenen Rhythmus anpassen, da sie das gesamte System zu jeder Tages- und Nachtzeit von überall auf der Welt nutzen können.

Auf der Seite des Lehrendenteams bietet MELODI eine webbasierte Benutzeroberfläche, um Aufgaben zu erstellen, den Betrieb des Systems zu überwachen und Statistiken über die Nutzung und Leistung der Studierenden zu sammeln.

Auf Seiten der Universität werden dadurch die erforderlichen Ressourcen erheblich reduziert. Es werden keine Laborflächen oder Geräte mehr benötigt. Ein Server mit den entsprechenden Lizenzen und mindestens ein FPGA-Entwicklungskit mit wenigen Hardwarekomponenten sind die einzigen nicht-personellen Kosten. Insbesondere die neuartige partielle Rekonfiguration, die für MELODI verwendet wird, verbessert die Ressourcenauslastung und reduziert die erforderliche Wartezeit für die Studierenden, um auf eines der FPGAs zugreifen zu können.

Auch in der Zeit nach der COVID19-Pandemie hat sich MELODI sehr gut als zeitgemäße Ergänzung zur bewährten Präsenzlehre etabliert.

Akzeptanz und Resonanz

Die Studierenden bestätigen im persönlichen Gespräch die hohe Attraktivität des Systems. Geschätzt wurden unter anderem die interessanten Anwendungsbeispiele (rotierende Fahnen, ansteuerbares Display etc.). Positiv empfunden wurde auch die Tatsache, dass MELODI zu jeder Tag- und Nachtzeit verwendet werden kann - unabhängig von Laboröffnungszeiten (die Logfiles mit den Zugriffen auf MELODI bestätigen das im Form einer hauptsächlich nächtlichen Aktivität). Die übergeordnete Lehrveranstaltung wurde auch wegen MELODI für die TU-internen "Best Teaching Awards" nominiert, wie folgende Studierendennominierung exemplarisch zeigt.

Studierendennominierung für den TUW Best Lecture Award:

"Kompetentes Team aus 3 Lehrenden, die den Stoff mit viel Freude am Thema sehr gut präsentieren. Mit kleinen interaktiven Quizzes und der Veranschaulichung von konkreten Abläufen im Mikroprozessor inkl. Publikumsbeteiligung wurden die Inhalte sehr gut übermittelt. Die Onlinelernsysteme VELS und MELODI sind ebenfalls maßgeblich für die Nominierung. Die Lehrenden haben stets auch den Sinn hinter den Inhalten vermittelt und hatten stets ein offenes Ohr, bzw. eine offene Bürotür, für offene Fragen."

Die folgenden Auszüge aus der routinemäßigen studentischen Lehrveranstaltungsbewertung zeigen, dass MELODI die Lehrveranstaltung aufwertet:

Besonders gefallen hat mir:

"[...] MELODI als Bonusprogramm ist trotz Betaphase schon sehr gelungen."
"Die art und Weise der Aufgeben (VELS und MELODIE)"

Meine selbständige Auseinandersetzung mit den Lehrinhalten wurde gefördert:

"Besonders mit VELS, MELODI und dem STM32"
"[...] Die MELODIE Erweiterung zählt da natürlich auch dazu."

Nutzen und Mehrwert

Durch den Einsatz von MELODI kann den Studierenden in der Lehre des Bachelorstudiums "Elektrotechnik und Informationstechnik" erstmals ermöglicht werden, eigene Hardwaredesigns auf realer Hardware zu testen. Aufgrund der hohen Anzahl an Studierenden (100-200 Studierende pro Semester) ist die Anschaffung der benötigten Hardware zur Ausgaben an jede/n Studierende/n ansonsten finanziell nicht realisierbar. Durch den Einsatz von MELODI und insbesondere der neuartigen partiellen Rekonfigurierbarkeit des FPGAs konnte der benötigte Hardwareaufwand um den Faktor 10-20 reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht das FPGA den Test und die Validierung von Projekten in Echtzeit, wodurch es eine unmittelbare Rückmeldung über die Ergebnisse der eigenen Arbeit gibt und der Lernprozess vertieft wird.

Die am Institut verfügbare Hardware ermöglicht die zeitlich flexible Verwendung durch mehrere Studierende gleichzeitig, die sich damit oft auch während der Nachtstunden befassen. Die Hardware ist bewusst in einem gut sichtbaren Schaukasten platziert, um dadurch das Interesse und die Motivation auch bei anderen und evtl. zufällig passierenden Studierenden zu fördern.

Der hohe Grad an Automatisierung ermöglicht es, die freiwerdenden Ressourcen anderweitig - zB in die Ausgestaltung des Unterrichts und die persönlich Betreuung von Studierenden - einzusetzen.

Übertragbarkeit und Langlebigkeit

Das Projekt läuft seit 2022

MELODI wird derzeit während der Lehrveranstaltung "Mikrocomputer VU" eingesetzt und erfreut sich bei den Studierenden wachsender Beliebtheit und Akzeptanz. Eine Weiterentwicklung und Anpassung der Aufgabenstellung ist durch die Natur des eingesetzten FPGAs jederzeit möglich und denkbar einfach. Dadurch kann auch der nach einigen Jahren einsetzenden "Abnützung" der Aufgabenstellungen von Anfang an entgegengewirkt werden. Es ist durchaus angedacht und gewünscht, dass die an MELODI übenden Studierenden später selbst als Entwickler/innen tätig werden und das System weiterentwickeln.

Im Prinzip kann MELODI an jeder anderen technischen Universität oder auch an höheren technischen Lehranstalten eingesetzt werden, wobei - wenn überhaupt - nur minimale Anpassungen erforderlich sein werden (kleinere Klassengrößen benötigen weniger Rechenaufwand für Simulation und Systhese).

Institutionelle Unterstützung

Das Projekt MELODI begann als ambitionierte Bachelorarbeit und wurde auf Institutsebene entwickelt. Dabei wurden keine besonderen Fördermittel der Fakultät oder der TU Wien in Anspruch genommen. Bedingt durch einen Forschungsschwerpunkt des Institutes konnten verschiedene Einrichtungen (Lizenzen, Server) synergetisch verwendet werden.

Die Studierenden nutzen das an der TU Wien etablierte System der Lehrveranstaltungsbewertung und geben am Ende jedes Semesters wertvolles Feedback. Dieses wird natürlich für weitere Verbesserungen von MELODI verwendet. Zudem bestärken uns mehrere Nominierungen für die "Best Teaching Awards" der TU Wien, das System beizubehalten und weiter zu entwickeln.

Zudem bietet MELODI eine Nachfrage-Möglichkeit via Email, um schon während des Betriebs Fragen zu stellen oder Feedback zu geben.