Embedded Systems Challenge - Verzahnung von theoretischem Unterricht und praxisnaher Anwendung

Nähere Beschreibung des Projekts

Die Herausforderung bezüglich der Lehr- und Lernmethode in der Lehrveranstaltung „Embedded Systems“ bzw. „Programmierübung 3“ ist es, die Heterogenität des Vorwissens zum Thema Embedded Systems zu bedienen. Denn auf der einen Seite sollen Studierende ohne Vorwissen nicht überfordert, auf der anderen Seite aber die, die schon Vorwissen haben, nicht unterfordert werden. Damit in der gesamten Bandbreite an Studierenden die Motivation und dadurch auch der Wille zur Weiterentwicklung groß bleibt, wurde die sogenannte Embedded Systems Challenge ins Leben gerufen. Durch die Projektstruktur findet Lernen durch eigene Erfahrungen, aber auch Lernen durch die Betreuung und Unterstützung durch die Lehrenden statt.

Initiiert wurde das Projekt von Bernhard Hollaus, der aufgrund langjähriger Erfahrung in der Lehre im Bereich „Embedded Systems“ auf die Heterogenität des Vorwissens aufmerksam wurde und nach einer optimalen Lösung suchte, um die daraus entstehende Problematik wie Motivationsverlust, Überforderung etc. zu lösen. So hielt er im Wintersemester 2018 / 2019 erstmals die „Embedded-Systems Challenge“ in der gleichnamigen Lehrveranstaltung „Embedded Systems“ ab. Ziel der Challenge war und ist es, dass das in der Vorlesung erworbene theoretische Wissen auf Praxisprojekte angewandt, der Lerneffekt der Studierenden erhöht und die Motivation gesteigert wird und die folgenden Lernziele erfolgreich erreicht werden:

Die Studierenden…

• kennen Funktion und Anwendung von verschiedenen Kommunikationssystemen zur Datenübertragung,
• verstehen die Umwandlung zwischen digitalen und analogen Signalen und kennen wichtige Schnittstellen,
• kennen die Grundlagen digitaler Schaltungstechnik,
• lernen den Umgang mit modernen SW-Entwicklungsumgebungen,
• sind in der Lage analoge und digitale Sensoren mit Mikrocontrollern auszulesen und weiterzuverarbeiten,
• kennen Aufbau und Funktion der Mikrocomputertechnik und können diese zur Lösung konkreter Aufgabenstellungen anwenden

Zu Beginn der ersten Einheit wird von Bernhard Hollaus klar der Ablauf der Challenge erklärt:

Studierende können Projektgruppen mit maximal 4 Personen bilden. Jede Gruppe hat dann die Möglichkeit, ingenieurwissenschaftliche Problemstellungen zu finden und diese mit ihrem Projekt zu lösen. Die Problemstellungen müssen dem Studiengang und dem Interesse der Studierenden entsprechen, was einerseits die Erreichung der Lernziele bedient und zum anderen die Motivation der Studierenden durch die eigene Projektsuche fördert.

Das Projekt wird dann im Zuge der zur Verfügung stehenden Lehrveranstaltungseinheiten erarbeitet. Dafür werden von Bernhard Hollaus Räume, Labore sowie die Hardware- und Softwareausstattung bereitgestellt.

Der Zeitrahmen der Lehrveranstaltung ist mit 2 „Semesterwochenstunden“ (= 30 Unterrichtseinheiten á 45 Minuten) und 2 ECTS Punkten beziffert.

Während dieser Zeit stehen immer 2 Lehrende für Rückfragen zur Verfügung und begleiten die Studierenden während ihrer Projektkonzeption und Ausarbeitung. Durch dieses Mentoring wird ein sozialer Rahmen geboten, der es den Studierenden ermöglicht, eigenständig an Praxisproblemen zu arbeiten, mit der Möglichkeit, durch die Begleitung der Lehrenden Herausforderungen zu diskutieren und Fragen zu stellen.

Wie erkannt werden kann, kommt hier das sogenannte „Situierte Lernen“ zum Einsatz. Da Studierende mit konkreten realistischen Problemen konfrontiert werden, welches ein Lernen mit Bezug zur Praxis verstärkt. Zudem wird durch die Gruppenbildung und die Begleitung der Lehrenden eine Lerngmeinschaft geschaffen, welche das soziale Lernen, das Zusammenarbeiten in Projektgruppen und den Wissensaustausch von Studierenden unterschiedlichen Vorwissens fördert (Greeno et al. 1993 ‚Transfer of situated learning‘).

Um das Projekt erfolgreich umsetzen zu können, werden auch lehrveranstaltungsübergreifende Kompetenzen benötigt und gestärkt. So wird verstärkt Wissen aus vorhergehenden Lehrveranstaltungen wie „Algorithmen und Datenstrukturen“, „Software Engineering“ und fachfremden Kursen wie „Projektmanagement“ wiederaufgefrischt und anwendungsbezogen gestärkt. Speziell durch die Umsetzung von Projektmanagementkenntnissen und -praktiken wird die Selbstständigkeit, das Selbst- und Zeitmanagement der Studierenden verbessert.

Das Projekt geht damit über das „learning by doing“ hinaus und fördert einen integrativen, inklusiven Ansatz, der die Problemlösung durch Heranziehen und Festigen von Wissen aus anderen Curricularen-Modulen unterstützt.

In der letzten Lehrveranstaltungseinheit müssen dann im Rahmen einer sogenannten „Pitch-Präsentation“ die Ergebnisse des Studierenden inklusive einer Selbstreflexion vor allen Mitstudierenden und dem Team des Departments Medical & Health Technologies vorgestellt werden. Die Reflexion ist ein integraler Part der Präsentation, welche es den Studierenden erlaubt, das Projekt und alle Projektschritte sowie die Anwendung des Wissens Revue passieren zu lassen und zu Erkennen, inwieweit dieses Projekt ihnen dabei geholfen hat, die Lernziele zu erreichen und ihr Wissen zu festigen.

Circa zwei Wochen nach Lehrveranstaltungsende müssen die Studierenden dann noch einen Projektbericht und ein Pitch-Video abgeben.  

Aus diesen drei Teilen setzt sich dann auch die Note wie folgt zusammen.

• Präsentation des Projektes 20 %
• Abgabe Pitch-Video 30 %
• Abgabe des Projektberichts 50 %

In den diversen Evaluationsmaßnahmen konnte zum Projekt ausschließlich positives Feedback gesammelt werden. So finden die Studierenden, dass diese Art der interaktiven und studienzentrierten Wissensvermittlung einen positiven Effekt auf die Lernergebnisse und die Motivation hat. Die große Abschlussveranstaltung, bei der auch das Team des Departments teilgenommen hat, wurde ebenso als äußert wertschätzend und positiv wahrgenommen. Zudem konnten bereits Projekte, die während dieser „ES-Challenge“ entwickelt wurden, wie beispielsweise die Konstruktion einer „bionischen Hand“, erfolgreich für weitere Lehrkonzepte und die Forschung verwendet werden.

Nachhaltigkeit

Das Lehrprojekt wurde als „Embedded Systems Challenge“ im Wintersemester 2022/2023 bereits zum fünften Mal durchgeführt. In der Vergangenheit fand diese Challenge im Vorgänger Bachelorstudiengang „Mechatronik – Spezialisierung Medizintechnik“ vier Mal statt.

Im Wintersemester 2022/2023 feierte die Challenge ihre Premiere im „neuen“ Bachelorstudiengang „Medizin-, Gesundheits- und Sporttechnologie.“ Es ist ebenso für die nachkommenden Jahrgänge geplant, diese Challenge beizubehalten und die Studierenden an ihren eigens gewählten ingenieurwissenschaftlichen Projekten arbeiten zu lassen.

Dissemination/Transfer

Derzeit gibt es noch keine konkrete Übertragung einer solchen Challenge in andere Lehrveranstaltungen. Dennoch wurde seitens der Studierenden bei dem sogenannten „Semester-Resümee“ (Mündliches Resümee des gesamten Jahrganges und der Studiengangsleitung) der Wunsch angebracht, mehr solcher Projekte im Rahmen von diversen Lehrveranstaltungen anzubieten und damit die „Hands-on-Mentalität“ zu stärken und die Eigenständigkeit und Motivation der Studierenden zu fördern. So werden nun also auf Seiten des Hochschulteams des Departments Medical & Health Technologies Überlegungen angestellt, um das Konzept der „Embedded Systems Challenge“ auch in andere Lehrveranstaltungen zu übertragen und ähnliche Projekte mit Fokus auf den jeweiligen Lehrveranstaltungsgegenstand anzubieten.

Institutionelle Unterstützung

Das Projekt wird durch die zur Verfügung Stellung von Hard- und Software, Infrastruktur und Personal durch die Hochschule unterstützt. Insbesondere haben die Studierenden dabei die Möglichkeit, die Medizintechniklabore sowie das Studierendenlabor für die Herstellung ihrer Projekte zu verwenden. Die Labore sind bestens ausgestattet und bieten allerhand Möglichkeiten, wie beispielsweise 3D-Drucker, Lötstationen uvm. Zudem werden den Studierenden diverse Materialien zur Verfügung gestellt, wie bspw. Schrauben, Kabel, Platten etc. Darüber hinaus stehen die Lehrenden und auch weitere Hilfskräfte wie Wissenschaftliche Mitarbeitende oder Laboringenieure den Studierenden stets unterstützend zur Seite und helfen bei Problemen und Fragen. Die Hochschule versucht demnach, die Eigenständigkeit der Studierenden bei der Erarbeitung der Projekte im Rahmen der „Embedded Systems Challenge“ bestmöglich durch Infrastruktur, finanzielle Entlastung durch Bereitstellung von Materialien sowie durch die Förderung durch das Hochschulpersonal zu unterstützen.