UMIT - Private Universität für Gesundheitswissenschaften, Medizinische Informatik und Technik GmbH
Eduard Wallnöfer-Zentrum 1, 6060 Hall in Tirol
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Konzeptionierung und Umsetzung der Lehrveranstaltung “Simulation in der Regelungstechnik”

Ziele/Motive/Ausgangslage

Im Zuge der letzten Curriculumsänderung des Bachelorstudium Mechatronik sowie der Neuimplementierung des Bachelorstudiums Elektrotechnik im Jahr 2018/19 wurde die Lehrveranstaltung „Simulation in der Regelungstechnik“ neu in den Lehrplan aufgenommen. Die Etablierung dieser Lehrveranstaltung erfolgte auf Anregung der nominierten Kollegen. Ausschlaggebend dafür waren Beobachtungen bei der Betreuung von Bachelorarbeiten und Gespräche mit den Studierenden, wonach eine praktische Umsetzung des erlernten theoretischen Wissens unterschiedlicher Grundlagenlehrveranstaltungen diese vor Probleme stellt. Zur Unterstützung des individuellen Lernfortschritts bot sich daher eine zusätzliche Möglichkeit in Form eines Wahlfaches an, das theoretisch-Erlernte auf eine praktische Fragestellung zu übertragen und dahingehende Lösungskompetenz anzuwenden und einzuüben.

Vor diesem Hintergrund war es das Ziel des Projekts, eine neue Lehrveranstaltung zu konzipieren und durchzuführen, in welcher die Studierenden das erlernte Wissen aus verschiedenen Lehrveranstaltungen kombinieren und zur Anwendung bringen müssen. Der Fokus liegt hier vor allem darauf, den Studierenden die Interdisziplinarität der einzelnen Lehrveranstaltungen und deren Schnittstellen aufzuzeigen. Weiters sollen verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung der theoretisch erarbeiteten Problemlösungen dargelegt werden. Dies beinhaltet zum Beispiel die Vorstellung verschiedener Simulationswerkzeuge bei der Anwendung von elektrischen, mechanischen, aber auch chemischen Prozessen. Am Ende der Lehrveranstaltung sollen die Studierenden in der Lage sein, selbständig eine Aufgabenstellung im Bereich der Regelungstechnik zu lösen.

Kurzzusammenfassung des Projekts in deutscher Sprache

Aufgrund von Beobachtungen der nominierten Kollegen beim Betreuen von Abschlussarbeiten und Rückmeldungen von Studierenden wurde die Lehrveranstaltung (LV) „Simulation in der Regelungstechnik“ neu konzeptioniert und seit 2018/19 im Bachelorstudium Elektrotechnik und Mechatronik angeboten. Basierend auf detaillierten Lernzielen wurde ein Lehr-/Lernkonzept ausgearbeitet und umgesetzt. Das übergeordnete Ziel ist die Studierenden besser auf die bevorstehende Präsentation der Bachelorarbeit und einen möglichen Berufseinstieg vorzubereiten. Oft fällt es den Studierenden schwer das erlernte Wissen in der Praxis anzuwenden und Ergebnisse zu präsentieren. Um diese Fähigkeiten zu stärken, müssen die Studierenden in Gruppenarbeit ein praxisnahes, interdisziplinäres, regelungstechnisches Problem lösen. Die bereits erlernte Theorie wird nochmals in kompakter Form als Einstieg vermittelt. Die LV setzt auf eine rege Interaktion zwischen Studierenden und LV-Leitern. Diese wird durch die gemeinsame Erarbeitung eines Minimalbeispiels, die Präsentationen der Zwischenergebnisse mit anschließender Reflexion sowie durch die individuelle Betreuung zwischen den Einheiten gewährleistet. Der Einsatz moderner Programmierumgebungen ermöglicht einen flexiblen und interaktiven Unterricht und einen unkomplizierten Wechsel in die Fernlehre. Die LV stieß in den ersten 2 Jahren auf eine überdurchschnittlich positive Resonanz der Studierenden und wurde 2020 mit dem Lehrepreis der UMIT TIROL ausgezeichnet.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

Due to the experience of the nominated candidates in supervising Bachelor theses, they suggested to introduce the lecture “Simulation in der Regelungstechnik” in the course of the curriculum adaption done in 2018/19. On the basis of detailed learning objectives, a teaching concept was developed and realized. The main goal of the lecture is to prepare the students for their bachelor thesis and the final presentation of the results, as well as for a possible career entry. The experiences of the nominated colleges showed, that the most challenging task for students is to apply the learned theoretical knowledge and to present the results in an appropriate way. To close this gap, the students have to solve a practical, interdisciplinary, and control-oriented task in groups of 3-4 students. Therefore, the already learned theory is provided and repeated by the lecturers in a compact form. The lecturers favor a high interaction with the students during the course. Therefore, a minimal example is elaborated by the students and the lectures during the course, the interim results are presented by the students and reflected by the lecturers, and a highly individual support of the lecturers is offered. Moreover, the use of modern programming environments allows to provide a flexible and highly interactive lecture, which can be easily switched to distance learning. In the first two years the lecture got an outstanding feedback and won the teaching award of the UMIT TIROL 2020.

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.

Mehrwert

Durch die Realisierung des Projekts wurde für die Studierenden eine wichtige Ergänzung im Mechatronik- bzw. Elektrotechnikstudium geschaffen. Die Studierenden sind nach Absolvieren dieser LV noch besser auf die anstehende Abschlussarbeit (Bachelorarbeit) und angesichts der darin erprobten Theorie-Anwendung-Verschränkung einen möglichen Berufseinstieg vorbereitet. Zudem wird den Studierenden im Laufe der LV klarer, wozu bestimmte und teilweise theoretisch abgehandelte Themen im Sinne der Grundlagenfächer im Studium behandelt wurden, bei denen zuvor der Kontext mit der Anwendung nicht für jede bzw. jeden sichtbar war. Den nominierten LV-Leitern ist aufgefallen, dass der Aufwand bei der Betreuung von Abschlussarbeiten bei Studierenden, die die LV „Simulation in der Regelungstechnik“ besucht haben, deutlich verringert wurde, da die Studierenden nach Absolvierung dieser LV auf die in gegenständlicher LV erworbenen und erprobten Kompetenzen im Zuge der Erarbeitung der Präsentation und der Abschlussarbeit aufbauen können. Die LV hat die Qualität der Präsentationen der Abschlussarbeiten wesentlich verbessert. Positiver Nebeneffekt stellt zudem die unterstützte Forschungssozialisation der Studierenden im Rahmen des neuen Wahlfachs dar, diese bietet für die Studierenden einen kleinen Einblick in die Forschungsthemen des Instituts für Automatisierungs- und Regelungstechnik der UMIT TIROL.

Übertragbarkeit/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.

Aufwand

Im Zuge des Projekts wurde eine komplett neue LV entwickelt bzw. implementiert. Damit einher ging ein immenser zusätzlicher Zeitaufwand. Zusätzliche Kosten sind durch das Projekt keine entstanden. Die zeitlichen Aufwände lassen sich grob wie folgt gliedern und abschätzen:

*) Konzeptionierung (ca. 40h)

*) Vorbereitung der 2 Projektthemen (Aufgabenstellung, Messungen, Lösung) (ca. 320h)

*) Vorbereitung des Minimalbeispiels und Lückentexte in Python und MALAB® (ca. 40h)

*) Aufbereiten und Zusammenfassen der benötigten Theorie (ca. 80h)

*) Erstellen der LaTex-Vorlagen für die Präsentation und das Paper (ca. 10h)

Da die LV jährlich angeboten wird, reduziert sich der Aufwand auf eine kontinuierliche Verbesserung. Für die Erstellung neuer Projektthemen wird für die saubere Ausarbeitung der Themen (Aufgabenstellung, Messungen, Lösung) ca. vier Arbeitswochen eines Mitarbeiters benötigt.

Positionierung des Lehrangebots

Die Lehrveranstaltung (LV) „Simulation in der Regelungstechnik“ findet als Wahlfach im sechsten Semester des Bachelorstudiums Mechatronik sowie des Bachelorstudiums Elektrotechnik statt. Beide Studiengänge werden als sogenanntes „Joint Degree Programme“ von der Leopold-Franzens-Universität (LFU) und der Privaten Universität für Gesundheitswissenschaften, Medizinische Informatik und Technik (UMIT TIROL) am Standort Nordtirol angeboten. Die Hinterlegung des Wahlfachs in den beiden Curricula ist auf die Anregung der nominierten Kollegen zurückzuführen. Beobachtungen bei der Betreuung von Bachelorarbeiten und Rücksprache mit Studierenden führten zur Erkenntnis, dass eine fachlich übergreifende LV, bei der ein Projekt von der Problembeschreibung bis hin zur Lösung durchzuführen ist, im Lehrplan fehlte. Zudem soll die LV zur Vorbereitung für die Präsentation der Bachelorarbeit sowie für den Berufsalltag dienen. Die LV wurde von den nominierten Kollegen selbstständig konzipiert und umgesetzt.

Links zum Projekt
Links zu der/den Projektmitarbeiter/innen
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Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2021 nominiert.
Ars Docendi
2021
Kategorie: Lernergebnisorientierte Lehr- und Prüfungskultur
Hochschullehrpreis 2020
Kategorie: Umsetzung des UMIT TIROL-Lehreleitbilds
Link zum Hochschulpreis
Ansprechperson
Dipl.-Ing. Philipp Kronthaler
Department Biomedizinische Informatik & Mechatronik, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik
050 8648 4011
Nominierte Person(en)
Dipl.-Ing. Phillip Kronthaler
Department Biomedizinische Informatik & Mechatronik, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik
Simon Bachler, MSc.
Department Biomedizinische Informatik & Mechatronik, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik
Dipl.-Ing. Jens Wurm
Department Biomedizinische Informatik & Mechatronik, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik
Themenfelder
  • Neue Medien
  • Didaktische Methode
  • Infrastruktur
  • Wissenschaftliche (Abschluss)Arbeiten
Fachbereiche
  • Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik/Ingenieurwissenschaften