Nachhaltige Nutzung von im Zuge der Corona-Pandemie eingesetzten Online-Laborübungen

Ziele/Motive/Ausgangslage

Die Corona-Pandemie hat in einigen Bereichen zu alternativen und innovativen Lösungen für die praktische Ingenieursausbildung beigetragen. Distance Learning-Methoden für theoretische Inhalte sind zwar verhältnismäßig leicht umzusetzen, können aber kaum zum (berufs-)praktischen Kompetenzerwerb herangezogen werden. Online-Labore, also praktische Übungen, die entweder auf Simulationen oder auf fernbedienbarer Übungs-Hardware aufbauen, können in Lockdown-Zeiten zumindest einen Teil der praktischen Ausbildung ersetzen.

Der Aufwand für die Ausarbeitung von Online-Laboren ist allerdings relativ hoch. Anzustreben ist daher eine nachhaltige Nutzung der neuen Laborkonzepte und -übungen auch zu regulären Ausbildungszeiten, und zwar so, dass sie einen deutlichen Mehrwert zu den traditionellen Konzepten liefern.

Kurzzusammenfassung des Projekts in deutscher Sprache

Online-Labore können in Pandemie-Lockdown-Zeiten helfen, einen Teil der praktischen Ingenieursausbildung zu ersetzen. In den meisten Fällen können sie aber nur als Behelfslösung angesehen werden, da der (berufs-)praktische Kompetenzerwerb unmittelbar an der Labor-Infrastruktur einen unverzichtbaren Anteil an der Ingenieursausbildung darstellt. Verwendet man die Online-Labore allerdings als Ergänzung der praktischen Ausbildung, so ist der hohe Aufwand bei der Ausarbeitung nicht verloren; die Online-Laborübungen können bei entsprechender didaktischer Gestaltung als sinnvolle Ergänzung der Vor-Ort-Laborausbildung verwendet werden.

Aus einem solchen Konzept ergeben sich die folgenden Vorteile: Einerseits können die Online-Labore im Falle eines neuerlichen Pandemie-Lockdowns auch die praktische Ingenieursausbildung – zumindest zu einem wesentlichen Teil – sicherstellen. Darüber hinaus kann diese Methodik auch bei der Ausbildung berufsbegleitend Studierender einen wichtigen Beitrag zur Studierbarkeit leisten, da die absolut erforderliche Präsenzzeit für diese Studierendengruppe reduziert werden kann.

Dieses Projekt zeigt beispielhaft die Realisierung dieses Konzepts in der Lehrveranstaltung „Elektronische Schaltungstechnik 2“, das im Sommersemester 2021 erstmals an der Fachhochschule Kärnten, Studiengang Systems Engineering, umgesetzt wird.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

Online labs can help to replace part of the practical engineering education in pandemic lockdown times. In most cases, however, they can only be seen as a makeshift solution, since the acquisition of (professional) practical skills directly at the laboratory infrastructure is an indispensable part of engineering education. However, if the online labs are used as a supplement to the practical training, the high effort involved in their elaboration is not lost; the online lab exercises can be used as a useful supplement to the on-site lab training if they are appropriately didactically designed.

The following advantages result from such a concept: On the one hand, in the event of another pandemic lockdown, the online labs can also ensure practical engineering training – at least to a significant extent. In addition, this methodology can also make an important contribution to the studyability of part-time students, since the absolutely required attendance time for this group of students can be reduced.

This project exemplifies the realization of this concept in the course "Electronic Circuit Technology 2", which will be implemented for the first time at the Carinthia University of Applied Sciences, Systems Engineering program, in the summer semester of 2021.

Nähere Beschreibung des Projekts

In den vergangenen Jahren wurden einige Anstrengungen unternommen, die praktische Ingenieursausbildung mit Hilfe sogenannter Online-Labors (Online Labs, Remote Labs etc.) zu flexibilisieren. So setzt beispielsweise die spanische UNED (Universidad Nacional de Educación a Distancia) in ihrer Ingenieursausbildung massiv auf Online Labore; auch andere europäische Hochschulen sind bereits auf diesen Trend aufgesprungen. Hier eine kurze Begriffsbestimmung:

• Online-Labore (Online Labs) ist der Oberbegriff; sie unterteilen sich in

o Remote Labs, die eine internetbasierte Fernsteuerung von real existierenden Experimenten ermöglichen; die gemessenen Werte sind real, der Zugriff muss unter Umständen geregelt werden;

o Simulationen, die ein computersimuliertes Abbild der Realität in Form von Prozessen und/oder Systemen darstellen; hier ist der parallele Zugriff problemlos möglich, allerdings führen üblicherweise gleiche Eingaben zu gleichen Ergebnissen;

o Virtual oder Hybrid Labs, die eine Kombination der beiden oben genannten Technologien darstellen.

• Pocket Labs stellen eine ähnliche Entwicklung dar; hier handelt es sich um Kleingeräte, die in Verbindung mit einem Entwicklungssystem und einem PC die Studierenden direkt in Kontakt mit der Laborinfrastruktur bringen; diese Systeme sind „zum Mitnehmen“ gedacht und werden daher auch als „Lab at Home“, „Labs to go“ oder ähnlich bezeichnet. Sie sind durchaus auch dazu geeignet, das hier definierte Ziel zu erreichen und werden im vorliegenden Konzept ebenfalls unterstützend eingesetzt.

Ein Beispiel für ein in einem EU-Projekt entwickeltes Online-Laborsystem, das sowohl an der Fachhochschule Kärnten als auch in mehreren nationalen und internationalen Hochschulen eingesetzt wird, ist VISIR (Virtual Instrumentation Systems In Reality). Bei der Benutzung von VISIR können die Studierenden auf einem virtuellen Steckbrett Schaltungen erstellen, Signal- und Versorgungsquellen anschließen, sowie Messgeräte in Form von Multimetern und Oszilloskopen sinnvoll verwenden. Die Schaltungen werden nach Beendigung des Entwurfs und Übermittlung an das zentrale System durch Relais bzw. Analogschalter realisiert und die eingestellten Messungen durchgeführt. Die tatsächliche Nutzungsdauer des Systems ist daher sehr kurz; eine parallele Nutzung durch eine relativ große Anzahl von Studierenden ist daher problemlos möglich. Durch die Verwendung echter Hardware sind die Ergebnisse der Messungen auch nie vollkommen gleich und vermitteln daher auch das Gefühl, mit realer Infrastruktur zu arbeiten.

Die Lehrveranstaltung „Elektronische Schaltungstechnik 2“, Studiengang Systems Engineering, Fachhochschule Kärnten, an der das vorgestellte Konzept erstmals umgesetzt wird, beinhaltet einen Theorie- und einen Praxisteil. Beide Teile sind – sowohl hinsichtlich Aufwands der Studierenden als auch in der Beurteilung – gleich gewichtet. Der Theorieteil wird unter Verwendung der „Inverted Classroom“-Methodik vermittelt; die Übungseinheiten können entweder in Präsenz oder online durchgeführt werden, wodurch die Flexibilität der Abhaltung in Lockdown-Zeiten beziehungsweise für berufsbegleitend Studierende hier bereits gegeben ist.

Die bedeutend größere Innovation liegt in der Vermittlung der praktischen Lehr- und Lerninhalte. Folgende Übungseinheiten stehen zur Verfügung:

• ST-41: Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung (Präsenzlabor)

• CIR-21: Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung (Remote Lab)

• CIR-22: Frequenzverhalten von Transistorverstärkern (Pocket Lab)

• ST-42: Oszillatoren mit NE555 (Präsenzlabor)

• CIR-23: Oszillatoren mit NE555 (Remote Lab)

• CIR-24: Schaltnetzteile (Virtual Lab/Simulationen)

• AEE-04: Messungen an einer langen Leitung (Remote Lab mit VISIR)

Die Übungseinheiten ST-41/CIR-21 und ST-42/CIR-23 behandeln dabei jeweils das gleiche Thema; es muss auf Grund der unterschiedlichen Abhaltung, einmal in Präsenz und einmal remote, didaktisch unterschiedlich vermittelt werden. In der Remote-Version, die ja an keine von der Hochschule festgelegten Zeiten gebunden ist, steht keine unmittelbare Betreuung zur Verfügung. Die Anleitungen zur Übungsdurchführung müssen daher aufwendig erstellt werden und mögliche Fehlerquellen schon vorausahnen. Außerdem ist eine Bauteilauswahl in einem Remote Lab prinzipbedingt eingeschränkt; als Beispiel für die Auswirkung dieser Einschränkung ist hier eine Teilaufgabenstellung aus den Übungseinheiten ST-42 im Vergleich zu CIR-23 angeführt:

ST-42: Berechnen Sie die Werte der Widerstände R1 und R2 für die Erzeugung eines Rechtecksignals mit dem NE555 mit der Frequenz 1 kHz und einem Tastverhältnis 80:20. Wählen Sie die nächsten verfügbaren Werte, bauen Sie die Schaltung auf und überprüfen Sie die Erreichung der Vorgabe durch Messung.

CIR-23: Starten Sie das Remote Lab mit der Einstellung X (Anm.: wird variiert). Bestimmen Sie Frequenz und Tastverhältnis des gemessenen Signals (Anm.: beispielsweise 1 kHz/80:20). Berechnen Sie die Werte der Widerstände R1 und R2, die für die Erzeugung dieses Signals mit dem NE555 erforderlich wären. Wählen Sie die nächsten Werte aus der E24-Reihe und berechnen Sie den maximalen Fehler.

Das Lernergebnis (learning outcome) für diesen Teilversuch ist definiert als „Die Studierenden können eine Schaltung mit dem NE555 zur Erzeugung eines Rechtecksignals mit definierter Frequenz und definiertem Tastverhältnis dimensionieren.“ und kann mit beiden Durchführungsvarianten erreicht werden.

Eine Abhaltung der gesamten Lehrveranstaltung „Elektronische Schaltungstechnik 2“ in der maximalen Präsenzvariante kann daher so aussehen:

• Vermittlung der Theorieinhalte mittels „Inverted Classroom“-Methodik; Übungs- und Wiederholungseinheiten in Präsenz an der FH.

• Präsenzlabor ST-41: Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung. Nach Absolvierung Freischaltung des Remote Labs CIR-21 zum selben Thema für Wiederholung und Festigung.

• Pocket Lab CIR-22: Frequenzverhalten von Transistorverstärkern.

• Präsenzlabor ST-42: Oszillatoren mit NE555. Nach Absolvierung Freischaltung des Remote Labs CIR-23 zum selben Thema für Wiederholung und Festigung.

• Virtual Lab CIR-24: Schaltnetzteile.

• Remote Lab mit VISIR AEE-04: Messungen an einer langen Leitung.

Auch hier sind Distant Learning-Elemente vorhanden, da es bei einigen Übungen nicht erforderlich ist, die Laborinfrastruktur mehrfach aufzubauen, beispielsweise ein 100 Meter langes Koaxialkabel für die Übung AEE-04.

Die volle Remote-Variante der Lehrveranstaltung sieht dann aus wie folgt:

• Vermittlung der Theorieinhalte mittels „Inverted Classroom“-Methodik; Übungs- und Wiederholungseinheiten über Online-Tools (MS Teams oder Zoom).

• Remote Lab CIR-21: Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung.

• Pocket Lab CIR-22: Frequenzverhalten von Transistorverstärkern.

• Remote Lab CIR-23: Oszillatoren mit NE555.

• Virtual Lab CIR-24: Schaltnetzteile.

• Remote Lab mit VISIR AEE-04: Messungen an einer langen Leitung.

Die beiden Remote Labs CIR-21 und CIR-23, die in der Präsenzvariante lediglich zur Wiederholung und Festigung vorgesehen waren, ersetzen also in diesem Fall die Präsenzlaborübungen ST-41 und ST-42 vollständig. Dies ist eine deutliche Verbesserung gegenüber Totalausfällen von Laborübungen, wie sie in den vergangenen Lockdowns teilweise vorgekommen sind.

Durch dieses Konzept für eine Lehrveranstaltung mit hohem Praxisanteil ist es nicht nur möglich, unterschiedliche Durchführungsvarianten für Vollzeit- und berufsbegleitend Studierende anzubieten, sondern auch in Pandemie-Lockdown-Zeiten die weitestgehend vollständige Erreichung der Lehr- und Lernziele, vor allem auch des praktischen Kompetenzerwerbs, sicherzustellen. Auch während des Semesters kann problemlos von einer Durchführungsvariante zur anderen gewechselt werden; ebenso sind Mischformen der oben gezeigten Varianten möglich.

Mehrwert

Der Mehrwert des Projekts ergibt sich klar aus der Flexibilität der Durchführung solcherart konzipierter Lehrveranstaltungen. Studierende müssen nicht fürchten, entweder auf Grund unvorhersehbarer Ereignisse oder wegen Berufstätigkeit und beruflicher Verpflichtungen, auf Lehr- und Lerninhalte verzichten zu müssen. Lehrende können schnell und ohne Aufwand auf diese Situationen reagieren und müssen nicht im laufenden Studienjahr neu bzw. umplanen.

Übertragbarkeit/Nachhaltigkeit

Das Konzept funktioniert nur, wenn es auf möglichst viele Lehrveranstaltungen angewendet werden kann. Es wird allerdings Bereiche geben, die sich besser, und welche, die sich weniger anbieten; so wird im ersten Studienjahr doch wohl mehr Wert auf eine praxisnahe Ausbildung gelegt werden müssen.

Aufwand

Das Konzept wurde im Laufe des letzten Wintersemesters entwickelt. Der Aufwand wird vorrangig durch die Anzahl der Remote bzw. Pocket Labs bestimmt, die für die Umsetzung des Konzepts in einer Lehrveranstaltung erforderlich sind. Als Faustregel hat sich für eine Übung der mittlere Aufwand von 80 Personenstunden (zwei Wochen) ergeben. An der FH Kärnten ist die Infrastruktur für Remote und Pocket Labs vorhanden; gegebenenfalls muss auch dieser Aufwand dazugerechnet werden.

Positionierung des Lehrangebots

Vertiefende Ausbildung im ingenieurwissenschaftlichen Bachelorstudium.

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2021 nominiert.
Ars Docendi
2021
Kategorie: Methoden des Distance Learning und deren nachhaltiger Einsatz
Ansprechperson
FH-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Thomas Klinger, MLBT
Engineering & IT
+43 676 89015 2100
Nominierte Person(en)
FH-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Thomas Klinger, MLBT
Engineering & IT
Themenfelder
  • Didaktische Methode
  • Organisatorische Studierendenunterstützung
  • Infrastruktur
  • Berufsbegleitend Studieren
Fachbereiche
  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik/Ingenieurwissenschaften