IT-Unterricht im virtuellen IT-Labor mit Varianten des „vlizedlab“

Nähere Beschreibung des Projekts

Schon bisher stellte der IT-Unterricht in IT-affinen Studiengängen – im Besonderen die Administration und Installation von Software und der Betrieb der IT-Labore – eine große Herausforderung dar. Mit dem Beginn der Corona-Krise ca. März 2020 und dem damit verbundenen plötzlichen Umstellen des Unterrichts auf Fernlehre, verschärfte sich diese Problematik. Denn nun musste auch der IT-Labor-Unterricht in die Fernlehre verlegt werden. Dafür wurden drei Lösungen erdacht und implementiert.

** Gut und bewährt – das „Vlizedlab“

Der Betrieb von IT-Laboren in IT-affinen Studiengängen unterscheidet sich grundsätzlich von der Ausbildung an Computern für bestimmte Software-Produkte. Denn in IT-Studiengängen wird nicht nur die Verwendung einzelner Software-Produkte gelehrt, sondern die Installation und Administration von Software, Computern und Netzwerken ist selbst Unterrichtsgegenstand. Das macht eine flexible Architektur und Ausstattung der IT-Labore notwendig.

Für diesen Zweck hat der Autor dieser Arbeit seit 2008 das „vlizedlab“ entwickelt, ein auf Open Source-Komponenten beruhendes Framework, mit dem der IT-Unterricht (ausschließlich) in virtuellen Computern – sogenannten Unterrichts-Computern – durchgeführt wird. Diese werden einheitlich ausgerollt und entweder auf den Rechnern der Studierenden oder auf den stationären PCs im IT-Labor betrieben.

Der zentrale Gedanke des „Vlizedlab“ ist dabei, dass die Verantwortung für die korrekte Installation der im Unterricht benötigten Software in die Verantwortung und Kompetenz der einzelnen Lehrenden fällt, die für den jeweiligen Unterrichtsgegenstand zuständig sind. Umgangssprachlich gesagt, machen die Lehrenden „virtuelle Maschinen an Stelle von Skripten“.

In IT-affinen Studiengängen an der Fachhochschule Burgenland werden die Studierenden am Anfang des Studiums einmalig in die Installation der für den Betrieb des „Vlizedlab“ notwendigen Software eingewiesen. In weniger IT-affinen Studiengängen können die Studierenden ohne vorbereitende Installation die gleichen Unterrichts-Computer im stationären Labor in den Räumlichkeiten der Fachhochschule benutzen.

Zum Vlizedlab und zu diesem stationären Labor gehört eine sparsame Server-Installation, über die die Verteilung der Unterrichts-Computer organisiert wird.

** „Corona“ und virtuelle IT-Labore

Die Liste der Anforderungen an ein virtuelles IT-Labor für den Fernunterricht liest sich herausfordernd - obwohl auf das „vlizedlab“ zurückgegriffen werden konnte:

• Eine Vielzahl an verschiedenen Unterrichts-Computern muss leicht und schnell ausgerollt werden und einheitlich in Betrieb zu nehmen sein.

• Die Lösung muss mit minimalem oder gänzlich ohne Installationsaufwand auf den Computern von Studierenden und Lehrenden funktionieren.

• Dabei sind die Computer der Studierenden und Lehrenden uneinheitlich und können nicht zentral administriert werden.

• Während des Unterrichts müssen Lehrende einfach und schnell auf die Bildschirme der Studierenden schauen können.

• Die Infrastruktur bzw. Hardware im bestehenden stationären Labor (im wesentlichen ein PC pro Arbeitsplatz) soll wenn möglich weiter benutzt werden.

• Es sollen möglichst keine zusätzlichen Kosten entstehen oder zusätzliche Hardware-Anschaffungen notwendig sein.

• Die Lösung soll möglichst kostenlos zur Verfügung stehen und Open Source sein.

• Die Lösung soll innerhalb weniger Wochen erdacht, implementiert, installiert und verfügbar sein.

** Lösung 1 - Vorhandene Ressourcen nutzen – das „lab1“

Um den Präsenzunterricht im IT-Labor möglichst reibungsfrei in die Fernlehre zu übersetzen, brauchte es parallel zu den anderen Unterrichts-Tools wie dem Video Conferencing vor allem ein Feature: Den Studierenden und den Lehrenden muss möglichst einfach ein Zugang zu den Bildschirmen auf den existierenden Labor-Computern ermöglicht werden. Das konnte erreicht werden, indem im Basis-System jedes Labor-PCs eine Desktop-Virtualisierungs-Server installiert wurde. Am zentralen Labor-Server wurde ein Übersetzer auf ein Web-Interface installiert und konfiguriert. Die Zugangsdaten wurden über die Lernplattform der Instution ausgerollt.

Aus Sicht von Studierenden und Lehrenden heisst das: Sie können mit einem einfachen Web-Browser und ihren Zugangsdaten auf ihren Labor-PC zugreifen. Keine weitere Installation von Software ist notwendig. Lehrende sehen in ihrem Web-Browser eine Namensliste ihrer Studierenden und können durch einfaches Anklicken die Bildschirme einzelner Studierender angezeigt bekommen. Auch das gleichzeitige Anzeigen mehrerer Studierendenbildschirme ist möglich.

Der Unterricht im „lab1“ funktionierte ab ca. April/Mai 2020 von Anfang an klaglos.

** Lösung 2 - Ressourcen der Studierenden nutzen – das „labx“

Zur Entlastung des „lab1“ (bei dem ja stets ein Labor-PC pro Studierendem erforderlich ist) wurde eine vereinfachte Labor-Lösung implementiert, die die Rechenleistung auf den Notebooks der Studierenden nutzt. Dieses sogenannte „labx“ deckt zwar nicht alle Features des „lab1“ ab, ist aber für eine große Mehrheit der Unterrichtsgegenstände ausreichend. Dazu werden virtuelle Unterrichts-Computer auf den Notebooks der Studierenden betrieben. Eine Zugriffsmöglichkeit für die Lehrenden auf diese Unterrichts-Computer wurde realisiert, indem in den virtuellen Unterrichts-Computern eine Software zur Verbindung mit einem Labor-Server vorinstalliert wurde, der die Übersetzung der Studierenden-Verbindungen auf ein Web-Interface durchführt. Während also Studierende auf den virtuellen Unterrichts-Computern jeweils lokal arbeiten, benötigen Lehrende lediglich einen Web-Browser um auf die Unterrichts-Computer zugreifen zu können, auf die sich sich jeweils mit einem einfachen Click in einem Web-Interface durchschalten.

Die Möglichkeiten des „labx“ beschränken sich auf jeweils einen einfach gehaltenen Unterrichts-Computer pro Unterrichtsfach. Dennoch konnte mit dem „labx“ die Auslastung des „lab1“ drastisch gesenkt werden.

** Lösung 3 - Lab-By-Code – Virtuelles Labor in der Cloud – das „labN“

Mit den Erfahrungen mit dem IT-Labor in Fernlehre und günstigeren Angeboten diverser Cloud-Provider wurde der Betrieb eines Labors auf eigener Hardware an der Institution unattraktiv. Damit erschien es angebracht, die IT-Labor-Infrastruktur neu zu denken und das unübersichtliche und storage-intensive Handling der Unterrichts-Computer einzusparen. Um für komplexen IT-Unterricht mit schnell wechselnden Unterrichts-Szenarien besser gerüstet zu sein wurde daher ein neues „Labor in der Cloud“ – genannt „labN“ – erdacht und implementiert. Der vom "lab1" bekannte einheitliche Zugang über einen Web-Browser sollte dabei erhalten bleiben. Die Eigenschaften dieses neuen „labN“ sind:

• Es wird keine eigene Hardware an der Institution mehr benötigt, sondern das Labor läuft bei einem entsprechenden Cloud-Provider.

• Ein Labor für eine Kohorte Studierender wird ausschließlich aus einem Set von Scripts erzeugt. Dieses Labor umfasst alle virtuellen Unterrichts-Computer mitsamt einem eigenen Zugangs-Server. Labore lassen sich damit kurzfristig und rasch erzeugen und auch wieder löschen.

• Diese Scripte umfassen auch die Konfiguration der Software auf den Unterrichts-Computern – es gibt keine Maschinen-Templates mehr. Ein Satz Scripte beschreibt ein Labor für eine Unterrichtsgruppe vollständig. Weil die Unterrichts-Computer beim Cloud-Anbieter stets aktuell erzeugt werden, ist auch die eingesetzte Software immer aktuell.

• Das Script-System lässt sich leicht für verschiedene Cloud-Anbieter adaptieren, die Konfiguration des Labors samt der Unterrichtsmaschinen ist davon unabhängig und verbleibt (als Script) vollständig an der Institution. Damit werden Vendor-Lockins vermieden.

• Studierende haben stets den gleichen Zugang zu ihrem (jeweiligen) Labor mit einer einheitlichen URL und ihren Zugangsdaten. Wechselt das Unterrichts-Szenario, wird einfach das virtuelle Labor hinter dieser URL mit wenigen Befehlen passend neu aufgebaut.

• Es braucht keinerlei Vorbereitung oder spezielle Hard- oder Software-Voraussetzungen auf den Notebooks der Lehrenden oder Studierenden – ein aktueller Web-Browser genügt.

Die Unterrichts-Computer können auch einer größeren Zahl von Studierenden 24/7 zur Verfügung gestellt werden. Mitarbeitskontrollen, Prüfungen und Abgaben können ähnlich wie im „lab1“ leicht durchgeführt werden, ohne dass tatsächlich etwas abgegeben werden muss – die Kontrolle erfolgt jeweils direkt auf den Unterrichts-Computern durch die Lehrenden.

Die Kosten für den Betrieb eines solchen „labN“ sind dabei vertretbar und bewegen sich im Bereich von € 5,- pro Unterrichts-Computer und Monat (Stand März 2022) für ein 24/7 zugängliches Labor. Das „labN“ soll daher in Zukunft den Einsatz eigener Labor-Hardware an der Fachhochschule Burgenland dauerhaft ablösen.

** Status des Projekts

Sowohl das „vlizedlab“ als auch dessen Erweiterungen, das „lab1“, das „labx“ und das „labN“ wurden vom Autor dieser Arbeit als Kitt zwischen existierenden Open Source-Software-Komponenten entwickelt und sind ihrerseits als Open Source Software unter GPL entwickelt worden, sodass das vlizedlab und alle seine Varianten jederzeit an anderen Institutionen lizenzkostenfrei eingesetzt werden können.

„vlizedlab“, „lab1“, „labx“ und „labN“ sind im produktiven Einsatz im Unterricht an der Fachhochschule Burgenland, das „vlizedlab“ seit ca. 2008, „lab1“ und „labx“ seit ca. April/Mai 2020, „labN“ seit Beginn 2022.

Mit Stand Jänner 2021 arbeiteten an der Fachhochschule Burgenland rund 250 Studierende in 13 Laborgruppen mit ca. 10 Lehrenden im „lab1“ bzw. im „labx“ und erhielten Unterricht in den verschiedenen Fächern der Bachelorstudiengänge „IT Infrastruktur-Management“, „Software Engineering und vernetzte Systeme“ sowie im Masterstudiengang „Cloud Computing Engineering“. Für das „labN“ sind es seit Februar 2022 fünf Laborgruppen mit in Summe ca. 90 Studierenden.

Nachhaltigkeit

Sowohl das „vlizedlab“ als auch dessen Erweiterungen, das „lab1“, das „labx“ und das „labN“ wurden vom Autor dieser Arbeit als Kitt zwischen existierenden Software-Komponenten entwickelt. Alle verwendete Software steht unter Open Source-Lizenz. Auch die Skripts und Konfigurationen, die diese Pakete zum „vlizedlab“ bzw. zu „lab1“, „labx“ und „labN“ verbinden, sind als Open Source Software unter GPL entwickelt worden, sodass das vlizedlab und alle seine Varianten jederzeit an anderen Institutionen lizenzkostenfrei eingesetzt werden können.

Vor allem der Einsatz des "labN" ist besonders leicht übertragbar, weil es dazu keiner eigenen Hardware an der Institution bedarf. Ein neues "Labor" kann mit entsprechendem Fachwissen in wenigen Minuten errichtet werden.

Zu beachten ist auch, dass das "vlizedlab" und seine Varianten, im besonderen das "labN" ohne Herstellerabhängigkeit auskommen. Die gesamte Laborinfrastruktur bleibt in Templates und/oder Scripten gespeichert vollständig in der Hand der Institution und kann jederzeit anderen Instutionen zur Verfügung gestellt oder mit anderen Cloud-Providern betrieben werden.

„vlizedlab“, „lab1“, „labx“ und „labN“ sind im produktiven Einsatz im Unterricht an der Fachhochschule Burgenland, das „vlizedlab“ seit ca. 2008, „lab1“ und „labx“ seit ca. April/Mai 2020, „labN“ seit Beginn 2022.

Mit Stand Jänner 2021 arbeiteten an der Fachhochschule Burgenland rund 250 Studierende in 13 Laborgruppen mit ca. 10 Lehrenden im „lab1“ bzw. im „labx“ und erhielten Unterricht in den verschiedensten Fächern der Bachelorstudiengänge „IT Infrastruktur-Management“, „Software Engineering und vernetzte Systeme“ sowie im Masterstudiengang „Cloud Computing Engineering“. Für das „labN“ sind es seit Februar 2022 fünf Laborgruppen mit in Summe ca. 90 Studierenden.

Eine Weiterentwicklung des "vlizedlab" erfolgt ständig entlang der Unterrichtsanforderungen. Im Besonderen ist eine Integration in die Lernplattform der Fachhochschule Burgenland (Moodle) geplant.