Integration von Forschungsprojekten in die Lehre von MINT Fächern

Nähere Beschreibung des Projekts

Grundlagenfächer im MINT Bereich erscheinen Studierenden oftmals zu theoretisch und zu wenig praxisnahe. Viele Problemstellungen ließen sich auch ohne fundierten, theoretischen Unterbau durch empirische Vorgehensweisen lösen. „Man braucht das alles nicht“, bekommt man öfter zu hören. Die Notwendigkeit, präzise wissenschaftliche Methoden einzusetzen, um anspruchsvolle technische Problemstellungen zu lösen wird oftmals nicht erkannt und schon gar nicht selbst erfahren.

In vielen Studienrichtungen und Vorlesungen wird bei der Erarbeitung neuer und oft auch schwieriger Methoden im Hinblick auf deren Anwendungen und Einsatz auf später verwiesen. „Das braucht man dann und dort. Dieses und jenes kann dann, wenn Sie einmal so weit sind, damit gelöst werden“. Diese in die Zukunft weisende Motivation ist natürlich richtig und wichtig, jedoch oftmals nicht ausreichend genug, um die Studierenden wirklich dazu zu motivieren, sich jetzt schon selbständig mit der Thematik auseinanderzusetzen. Wenn es jedoch gelingt, den Einsatz wissenschaftlicher Methoden schon frühzeitig zu vermitteln und vor allem auch für die Studierenden selbst erfahrbar zu machen, so stellt das eine enorme Motivationssteigerung dar.

Grundsätzlich können anspruchsvolle Forschungsvorhaben natürlich nicht von Studierenden der ersten Semester bearbeitet werden. Diese werden üblicherweise von Professorinnen und Professoren in Zusammenarbeit mit Dissertantinnen und Dissertanten, sowie von Studierenden, die an ihren Abschlusswerken arbeiten, durchgeführt. Jedoch lassen sich viele mathematische, physikalische oder programmiertechnische Teilaspekte der Forschungsfragen oftmals in etwas vereinfachter Form so aufbereiten, dass sie bereits in den ersten Studiensemestern den Studierenden verständlich gemacht werden können und von diesen in Form von Übungsaufgaben oder kleineren Projekten bearbeitet werden können.

Die Integration von Forschungsprojekten in die Lehre von MINT Fächern soll im Folgenden beispielhaft für ein bereits umgesetztes Forschungsprojekt dargestellt werden, welches zunächst kurz beschrieben wird:

Das Projekt ALEVTOLUS wurde vom Studiengang Luftfahrt/Aviation in Kooperation mit den Firmen IBV Fallast und qpunkt GmbH durchgeführt, vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (mbvit) gefördert durch die Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) abgewickelt. Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines UAV für die verkehrstechnische Beobachtung. Eine kurze Beschreibung findet sich auch auf der Infothek des bmvit: infothek.bmvit.gv.at/vati-alevtolus/ Die Herausforderungen bestanden in der Erhöhung der Endurance und in der Erweiterung der Flugstabilität bei ungünstigen Wetterbedingungen wie Wind und Turbulenz. Dazu wurde ein Drallstabilisierungskonzept sowie ein neues Regelungsverfahren entwickelt. Zur Erprobung mussten systematische Flugversuche durchgeführt werden und die gewonnenen Daten entsprechend ausgewertet werden. Aus diesem Forschungsprojekt wurden beispielhaft folgende Teilaspekte für kleinere wissenschaftliche Arbeiten und Lehrveranstaltungen aufbereitet und von den Studierenden bearbeitet.

Leistungsoptimale Steuerallokation: hier sollen die Drehzahlen der 8 Rotoren eines Multicopters so allokiert werden, dass der Leistungsbedarf minimal wird und damit die Endurance maximiert wird. Es handelt sich dabei um eine typische Ingenieursaufgabe der Optimierung, die nur mit höheren wissenschaftlichen Ansätzen befriedigend gelöst werden kann. In der Lehrveranstaltung Lineare Algebra wurden unterbestimmte lineare Gleichungssysteme und deren Lösungsmöglichkeit mit der Moore-Penrose Pseudoinversen anhand dieser Problemstellung erörtert. In der Lehrveranstaltung Angewandte Mathematik 3 kamen numerische Optimierungsroutinen zur Lösung dieser Fragestellung zu Einsatz. Im Rahmen einer Projektarbeit der Lehrveranstaltung Informatik und Programmieren 3 wurde die entwickelte Optimierungsroutine von den Studierenden auch tatsächlich implementiert. In einer Bachelorarbeit eines Studierenden konnte das Verfahren dann in die Flughardware implementiert und durch Flugversuche getestet werden. Diese Problemstellung erstreckte sich also vom ersten bis zum sechsten Semester des Bachelorstudiums. Die praktische Anwendung der gelernten wissenschaftlichen Methoden im tatsächlich fliegenden Gerät stellte ein maßgebliches Erfolgserlebnis für die Studierenden dar. Es zeigte besonders deutlich, dass mit wissenschaftlichen Methoden wesentliche Verbesserungen in der Effizienz erzielt werden konnten.

Drallstabilisierung: durch Ausnutzung des Drehimpulses der Motoren und Rotoren des UAV soll eine gewichtsneutrale Stabilisierung der Fluglage erreicht werden. Bei herkömmlichen Multicopter-UAV hebt sich der Drehimpuls durch gegenläufige Rotation der Propeller auf, damit kein aerodynamisches Giermoment erzeugt wird. Es musste dazu außerdem ein neuer Regelungsalgorithmus entwickelt werden. In der Lehrveranstaltung Physik konnte das Konzept des Drehimpulses, der Kreiselmomente und der Präzessionsbewegung damit sehr anschaulich dargestellt werden. In der Lehrveranstaltung Flugmechanik wurde von den Studierenden ein flugdynamisches Simulationsmodell entwickelt, welches auch Kreiselmomente berücksichtigt. Der Vergleich der Vorhersage der Flugtrajektorie durch das Simulationsmodell mit den Flugversuchsdaten stellte für die Studiereden eine spannende Herausforderung dar. Vor allem mussten dazu die Versuche mit entsprechender Datenaufzeichnung sorgfältig geplant werden. Auch hier konnte von den Studierenden die Überlegenheit wissenschaftlichen Arbeitens gegenüber weniger systematischen trial and error Versuchen erfahren werden.

Als letztes umgesetztes Beispiel sei noch die Entwicklung eines Kalman Filters zur Positions- und Lageschätzung des UAV erwähnt. Die Theorie des Kalman Filters fällt vielen Studierenden zunächst schwer. Wenn es aber zur Anwendung des Filters in einem Fluggerät mit realen Messdaten kommt, ist auch hier wieder eine unglaubliche Motivationssteigerung zu erzielen. So wurde die Theorie des Filters in der Lehrveranstaltung Flight Control Systems mit praktischen Beispielen aus Flugversuchen des Forschungsprojektes untermauert. Die Entwicklung und Implementierung eines Positionsfilters und eines Lagefilters waren Gegenstand zweier sehr erfolgreicher Bachelorarbeiten.

Im Rahmen des Forschungsprojektes ALEVTOLUS wurden noch einige weitere Teilaspekte für die Lehre und für wissenschaftliche Arbeiten von Studierenden aufbereitet, unter anderem die Entwicklung adaptiver Regelungsverfahren. Auf diese wird hier aber nicht näher eingegangen da die Grundidee des Projektes aus den bereits erläuterten Beispielen klar hervorgeht. Außerdem waren viele Studierende in ihrer Freizeit an der Durchführung der Flugversuche und verschiedener Test beteiligt. In praktischen Projekten wurden auch verschiedene Prüfstände gebaut.

Forschungsangeleitet Lehre ist aus mehreren Gründen ein wesentlicher Erfolgsfaktor für „Gute Lehre“. Zum einen bleiben Vortragenden selbst am aktuellen Stand der Wissenschaft und können neueste Methoden und Verfahren in die Lehre integrieren. Die Studierenden auf der anderen Seite erkennen die Relevanz und den Aktualitätsbezug der behandelten Themen. Persönliche Erfolgserlebnisse, die bereits möglichst frühzeitig erfahren werden sollten, motivieren Studierende sich selbständig mit auch schwierigen Inhalten zu beschäftigen. Der Vorteil wissenschaftlichen Arbeitens und konziser wissenschaftlichen Formulierungen wird für die Studierenden greifbar.

Die niveaubezogene Aufbereitung der Inhalte aus Forschungsprojekten, stellt natürlich eine große Herausforderung an Vortragende dar und ist auch mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden. Bei manchen Inhalten ist es auch nicht immer möglich. Dem stehen aber motivierte und begeisterte Studierende, spannende und von einem guten Klima getragene Vorlesungen sowie qualitativ hochwertige Bachelor- und Masterarbeiten gegenüber. Letztendlich wird damit wird auch ein Mehrwert der Forschungsprojekte, abgesehen von den inhaltlichen Fortschritten, erzielt.