Michael Auer, Wolfgang Scharl, Christian Dorninger
Fachschulschule Technikum Villach und Technikum Wien, Österreich
Bundesministerium für Bildung, Wien, Österreich
E-Mail: m.auer@cti,ac,at; christian.dorninger@bmbwk.gv.at
In den letzten Jahren wurden für Österreichs technische Lehranstalten eine Reihe von Ausbildungsprofilen, Schulentwicklungskonzepten und Kurssystemen zum elektronischen Lernen in Vorbereitung auf die Wissensgesellschaft erprobt. Ein wichtiges Element ist die Erforschung, wie weit virtuelle Systeme im Labor und der Konstruktion reale Versuchsaufbauten und Versuchsanordnungen ersetzen oder nur ergänzen können. In einem gemeinsamen Projekt der Fachhochschule Technikum Kärnten, Studiengang Elektronik, Villach mit den Höheren technischen Lehranstalten in Klagenfurt, Lastenstrasse und Mössingerstrasse, Pinkafeld, Wiener Neustadt, Wien-3, Rennweg und am TGM, Wien-20 werden fachdidaktische und technische Lösungen erprobt. Dabei wird Online Labs und Simulationen eine wichtige Rolle im Schnittpunkt zwischen theoretischem und praktischem Unterricht zugeordnet.
ABSTRACT
In the last years, new concepts of engineering education and e-learning environments in the laboratories have been improved at technical colleges in Austria (students with age 14 to 19). Some important elements are studies, if virtual systems in laboratories and engine construction lessons can be substituted or even completed by virtual systems and simulations. In a project of the Fachhochschule Villach, Technikum Kärnten in common with technical colleges in Burgenland, Carinthia, Lower Austria and Vienna, technical and didactical solutions of virtual laboratory concepts are approved. Online Labs and laboratory simulations may play an important role as enrichment of theoretical lessons and for preparations of laboratory work of the students.
Key-words: Online Laboratories, e-learning didactics in labs, remote-laboratories, simulation.
Nichts ist stärker als eine Idee, deren Zeit gekommen ist (V. Hugo)
The eLearning Action Plan1 of the EU defines e-learning as: “the use of new multimedia technologies and the Internet to improve the quality of learning by facilitating access to resources and services as well as remote exchanges and collaboration”.
Durch die Interaktivität dieser Plattformen ist ein ständiger Dialog unter den Lernenden und mit dem Lehrer möglich; Botschaften können in Zweiweg-, Mehrweg- oder in für alle Teilnehmer zugänglicher Form dargestellt werden. Dabei bildet die Zusammenarbeit auf Online-Basis unter den Lernenden und Schülern ein wesentliches Element, das für den Lernerfolg eine zentrale Bedeutung bekommt (kooperatives e-Learning). Wissen wird nicht nur aufgenommen, sondern in der Gruppe auch gemeinsam aktiv entwickelt.
Im Unterricht der Höheren technischen Lehranstalten bestehen die Grundelemente der Ausbildung im allgemeinbildenden, fachtheoretischen und fachpraktischen Unterricht (Reihefolge von ca. 20 Gegenstandsbereichen in den Lehrplänen, z.B. HTL für Elektronik, 2001). Während die allgemeinbildenden Gegenstände nach der Logik des klassischen Oberstufenunterrichtes ablaufen, sind Fachtheorie und Fachpraxis sehr spezifische Ausbildungselemente dieses berufsbildenden Vollzeitschulmodells. Den Schülern vermittelt dieses „Dreibein“ der Bildung im Medium des Berufes eine abwechslungsreiche Lern- und Arbeitswoche mit vielen unterschiedlichen Anforderungen.
Theorie- und Laborunterricht waren dabei meist fein säuberlich getrennt. Die Erfahrung mit den „Ingenieurprojekten“ im letzten Ausbildungsjahr zeigt aber, dass ein engerer Zusammenschluss von Theorieunterricht und Laborbetrieb bereits in den Vorjahren recht nützlich sein kann.
Die Schüler hätten die Möglichkeit, Dinge praktisch ausprobieren zu können, neben den „trockenen“ Theoriestunden intermediäre Erfahrungen mit teilweise „animierten“ elektronischen Lehr- und Lernmaterialien zu sammeln und quantitative Betrachtungen mit anschaulichen Beispielen zu ergänzen.
Umgekehrt ist eine Theorieanreicherung der fachpraktischen Ausbildungsteile durchaus nützlich. Länger zurückliegende Laborvorbereitungen können durch leicht abrufbares elektronisches Erklärungsmaterial wieder ins Gedächtnis gerufen werden.
Diese e-learning Lektionen (gerade in der technischen Grundausbildung gibt es eher wenige gute Weblektionen – zumindest in deutscher Sprache) können vor allem auch in den „unbetreuten“ Stunden ausserhalb der Unterrichtszeit eingesetzt werden. Die Idee der im Unterricht verwendeten Weblektionen kann eine Verbindung zum „Nachmittagsbereich“ (der an der HTL allerdings kaum existiert) erschließen und gewisse Lernerfahrungen verdichten (viele Schüler brauchen eine „eigene“ Arbeitsweise, wo sie sich allein auf eine Fragestellung konzentrieren können – dies kann nicht nur im Unterricht mit der vorgegebenen „Lerngeschwindigkeit“ oder Konzentrationsmängel bei Mitschülern passieren).
Hier setzt die Überlegung ein, die Michael Auer (2002) in den Publikationen „Development of Environments for Online-Labors“ oder „XML-basierte Lösung für Online Labors ausgeführt hat: Laborbetrieb findet nur im klassischen Sinne mit realen Versuchsaufbauten und lokal im Labor statt; es gibt auch andere Möglichkeiten:
Experimentator
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Experiment |
lokal |
remote |
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real |
Präsenz – Labor |
Remote Labor |
|
virtuell |
Lokale Simulation |
Virtuelles Labor (+ Simulation) |
Vor allem die virtuelle Labortätigkeit mit hohen Simulationsanteilen erscheint Fachleuten für den HTL-Unterricht in einer „Vermittlung zwischen Theorie und Präsenzlabor“ gut geeignet.
An einer Schnittstelle zum Endverbraucher werden diese virtuellen Benutzeroberflächen auch in der technischen Alltagspraxis von Ingenieuren (und Anwendern !) immer wichtiger. Daher müssen sie auch mit all den gängigen Softwarewerkzeugen (Matlab + Simulink, Matlab-Webserver, Analog- und Digitalsimulation und CAD-System beim Schaltungsentwurf, ASIC-Design (XILINX), Heranziehung des XML-Standards für die Dokumentenbeschreibung u.a.) im (Theorie)unterricht am Weg zum Labor Einzug finden.
Bei all den Teststellungen zum Thema „Online-Labors“ an Universitäten und Fachhochschulen werden derzeit viele Einzellösungen etabliert (die FH Kärnten, Studiengang Elektronik hat eine Liste von ca. 380 Online-Lab-Einzelösungen zusammengestellt). Nun wurde ein Verbund von österreichischen Labors unter Nutzung der im Rahmen des Projektes VELO (Virtual Electronic Laboratory; virtuelle Laborversuche in Grundlagen der Elektronik) mit Teilnahme der Fachhochschule Technikum Kärnten, Fachhochschule Technikum Wien, Fachhochschule Hagenberg, der TU-Wien-IIEM-Institut und der Universität Klagnefurt, IIS-Institut gesammelten Erfahrungen etabliert. Die im Projekt genannten österreichischen HTLs werden eingeladen, hier – auch unter Ausweitung der Palette von Fachrichtungen - mitzumachen.
Darüber hinaus geht es aber um eine Entwicklung von Standards (z.B. Gestaltung der Benutzeroberfläche, Navigation und Bedienung) und eine Entwicklung von Standard-Werkzeugen und Standard-Umgebungen, mit denen man
den Anwendern einen einheitlichen Zugang zu Online-Labs verschaffen kann und
die Lehrenden von zeitraubenden und aufwendigen Programmierarbeiten usw., die eigentlich nichts mit ihren eigentlichen Fachgebiet zu tun haben, weitgehend zu befreien.
2.1. Als didaktisches Umfeld für diese Aktivitäten ist zusammenfassend wichtig:
· Für jedes Experiment sollte die gesamte Theorie in E-learn geeigneter Form verfügbar sein. Eine LehrerIn kann, muss aber keinerlei eigene Unterrichtsunterlagen erarbeiten.
· Eine exemplarische Aufgabenstellung mit Hinweisen zu individuellen Varianten.
· Softwaresimulation soweit dies möglich und didaktisch sinnvoll ist.
· Downloadmöglichkeit der Schülersoftware auf ein reales System mit Peripherie per Internet.
· Unmittelbare Rückmeldung der Funktion per Webcam.
· Abfrage relevanter Messdaten per Internet.
· Hinweise zu Auswertung und Protokollierung.
Schüler die die virtuellen Labors nutzen, sollten grundsätzlich von einem kompetenten Lehrer der eigenen Schule betreut werden. Diese benötigen aber Support. Erfahrungsgemäß scheitert E-learning oft an einfachen Dingen wie dem Freischalten von Firewalls, Browser-einstellungen, Softwareinstallationen, etc. Besonders bei komplexen technischen Aufgabenstellungen steigt der Supportbedarf. Gleichzeitig ist dieser Support aber die wichtigste Quelle um Fehler und Mängel zu evaluieren und das Angebot laufend zu perfektionieren.
Vorgesehen sind asynchrone Medien wie eine Newsgroup und Mailsupport.
Ein gelungenes Beispiel für ein derartige Verbundkonstruktion, die auch den Standorten fachübergreifende Ressourcen erschließt, ist der „Verbund virtuelles Labor“ der Fachhochschulen in Baden-Württemberg (FH Aalen, FH Reutlingen, FH Ravensburg-Weingarten, FH Konstanz, FH Heilbronn, Universität Tübingen; Schmid, 1999); zu besuchen ist der Verbund unter der Webseite www.vvl.de. Ein ähnliches, wenn auch mit einer anderen Philosophie aufgebautes Projekt führen die Fachhochschulen Düsseldorf und Köln mit einem „Tele-Engineering-Ansatz mit multimedialer Lernumgebung“ durch: Dabei werden Teamarbeitsformen über das Internet, Arbeiten an verteilten Anlagen und Formen technischer „Ferndiagnose“ in Laborübungen mit Studenten praktiziert.
3. KONKRETE FACHLICHE UMSETZUNG
An der Fachhochschule Technikum Kärnten in Villach wird in einem Verbund mit etlichen andern Fachhochschulen und Universitäten das bereits erwähnte Projekt VELO (Virtual Electronic Laboratory) betrieben. Weitere Entwicklungsschritte in Richtung „Remote Design und Test von Analog ASIC’s“, „Online Regelungstechnik“ und der Ausbau von Plattform- und konfortablen Runtimelösungen (z.B. für Matlab) sind vorgesehen.
In der zukünftigen
Arbeitswelt werden „Kommunikationsmaschinen“ (Verbindung von weltweit
agierenden „Breitband-Handys“ und „tragbaren“ Computern) eine zentrale Rolle
spielen und wie der Computer als „Schlüsseltechnologie“ in alle Berufsbereiche
Einzug halten. In der Ingenieurausbildung werden sie ab einem gewissen
Zeitpunkt unumgänglich notwendig sein.
Im Elektronikbereich an den HTLs zeigt sich eine Entwicklung weg von der klassischen Schaltungs- und Leiterplattenentwicklung zum ingenieurmäßigen Einsatz universeller, programmierbarer Chips und standardisierter Hardwaremodule die je nach Anwendungsfall mit Peripherie wie Sensoren und Aktoren versehen und programmiert werden. In Notebookklassen müssten solche Module für jeden Schüler zur Verfügung stehen wobei neben dem finanziellen und organisatorischen Aufwand in der Praxis stets ein erheblicher Zeitverlust durch immer wiederkehrende Installations- und Aufbauvorgänge samt den damit verbundenen Fehlern wie kaputte Kabel und Stecker auftritt. Für anspruchsvollere Aufgaben müssten weiters entsprechend aufwändige Modelle zur Verfügung stehen.
Für einen didaktisch sinnvollen Einsatz bieten sich neben einem virtuellen Labor auch remotegesteuerte Labor Module mit
Mikrocontroller (steuert Leuchtfelder, Schrittmotoren, Regelkreise,...)
ASIC - Bausteinen (Xilinx-Spartan)
PC mit universellen Mess- und Steuerkarten (National Instruments)
IEC-Bus Systeme (misst ev. eine PLL- Schaltung)
mit unterschiedlicher Peripherie an. Damit sollten möglichst universelle Experimente an realer Hardware mit einer breiten Palette möglicher Aufgaben vom einfachen Lauflicht bis zu komplexeren regelungstechnischen und messtechnischen Problemstellungen umsetzbar sein.
3.1. Teilexperiment Mikrokontroller 16-Bit mit Peripherie am TGM, Wien-20
Ein Standard-µController (80c167) wie er derzeit überall in der Ausbildung und im industriellem Einsatz zur Anwendung kommt, wird mit einfacher Peripherie (Leuchtfeld und LCD-Display) versehen. Über die Internetverbindung können Softwaremodule in den Prozessor geladen und getestet werden. Die Funktion der Software kann über den Debuggmodus oder über eine Webcam überprüft und evaluiert werden.
Mit diesem Versuchsaufbau sind Versuche vom den ersten einfachen Schritten der µC Programmierung bis zu mittleren Schwierigkeitsgraden in vielfältigen Variationen möglich. Die Entwicklung und Simulation erfolgt am Rechner (Notebook) des Schülers, nur der Test auf der echten Hardware erfolgt in realtime im virtuellen Labor.
3.2. Teilexperiment ASIC-Baustein am TGM, Wien-20
Ähnlich wie im Mikrokontroller Experiment wird ein programmierbarer ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Baustein mit Peripherie (dzt. noch offen) über das Internet programmiert werden können. Einfache Experimente können mit der Webcam, komplexere mit downloadbaren Testmustern überprüft werden.
Diese Anordnung erlaubt einfache Versuche bis hin zu komplexen Aufgabenstellungen der Signalverarbeitung.
3.3. Das automatisierte Haus der HTL-Pinkafeld
An der HTL-Pinkafeld wird derzeit eine andere Form eines Remote-Lab realisiert: Ein ganzes Haus mit Wohn-, Arbeits- und Technikbereich wird mittels LON Technologie automatisiert und damit fernsteuerbar. Über ein Webinterface wird dieses Experiment – das österreichweit sicher nicht beliebig vervielfältigbar ist – weltweit zugänglich und unter noch zu definierenden Bedingungen für den Unterricht nutzbar.
3.4. Remote Lab-Projekte an den HTLs Klagenfurt I und II
An der HTL Klagenfurt, Mössingerstrasse werden in der Elektronik-Abteilung folgende Projekte eingerichtet: XILINX-Testplatine, das Modell eines „Teach“-Industrieroboters, ein Kennlinienschreiber mit GPIB-Mess-Systemen und Nutzung der Software Labview, eine Farbmischanlage mit Simatic und Profibus DP, eine RemoteLab-Server-und Client-Konfiguration und einen „fernlenkbaren“ fahrbaren Roboter. An der HTL Klagenfurt, Lastenstrasse, werden CIM- und PPS-Projekte geplant.
3.5. Prüfstand an der HTL Wr.Neustadt
An der HTL Wiener Neustadt, Abteilungs Automatisierungstechnik wird ein Motoren-prüfstand mit entsprechenden Elementen zum Remote-Betrieb ausgestattet.
In der Elektrotechnik sind Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), zunehmend auch als Automatisierungsgeräte (AG) bezeichnet, ein wichtiger Bereich in der Ausbildung. Simulation sowohl von Steuerungen und Regelungen, als auch der gesamten zu automatisierenden Anlage sind ebenso zentrale Themen, als auch die Vernetzung von AG zur Überwachung und Führung dezentraler Prozesse.
3.6. Digitale Simulation von Steuerungen, Regelungen und Prozessen am TGM, Wien 20
Für die Umsetzung von Automatisierungsaufgaben werden vor der konkreten gerätetechnischen Realisierung in immer größeren Umfang Simulationen von Teilfunktionen bis hin zur gesamten Anlage durchgeführt. Geeignete Software-Tools werden zunehmend an Stelle von projektorientierten Programmen verwendet und reduzieren somit die Aufwendungen.
3.7. Vernetzung von Aggregaten am TGM, Wien 20
Moderne Automatisierungssysteme haben dezentralen Charakter und bestehen zunehmend aus Aggregaten verschiedener Hersteller. Für den Aufbau eines umfassenden Verständnisses ist es wesentlich, die wichtigsten Komponenten der Automatisierungspyramide in einer möglichst modularen und verschiedenen Aufgabenstellungen anpassbaren Form zur Verfügung zu stellen. Industrielle Bussysteme wie z.B. ASI-Bus, PROFI BUS, Industrial Ethernet, etc. sollen eine tiefgehendes Kennenlernen der wichtigsten Vernetzungsaufgaben ermöglichen.
3.8. Voice over IP – Remote-Zugang, betrieben von der HTL-Wien-3, Rennweg.
Voice over PI ist eine Technologie, über Internet telefonieren zu können. Ziel ist es, eine funk-tionsfähige Minimalkonfiguration für VoIP-Versuchsstrecken zu installieren und zu testen. Diese Installation soll über Remote-Zugang den anderen Schulen im Projekt (später auch allgemein) zugänglich zu machen. Die technische Gerätebasis sind CISCO-Komponenten. Internetsecurity spielt dabei eine wichtige Rolle.
4. ZWISCHERGEBNISSE
Zwei Bereiche bieten sich aus heutiger Sicht für den Einsatz online Labors an:
Experimente die einerseits sehr aufwändig und teuer sind und deshalb nicht an beliebig vielen Standorten realisiert werden können und andererseits auch bei remote Zugriff sinnvoll in einem Lernprozess verwendet werden können. Beispiele dafür sind das virtuelle und telemanipulierbare Roboterlaboratorium der Fachhochschule Aalen sowie das automatisierte Haus der HTL-Pinkafeld.
Experimente die von vielen Schülern für einen kurzen Zeitraum zum Beispiel zur Überprüfung der Simulationsergebnisse an realer Hardware benötigt werden. In diese Kategorie fallen die virtuellen Experimente "Mikrokontroller" und "ASIC-Baustein" die am TGM realisiert werden. In beiden Fällen werden die Ausbildungsziele vor allem in der Softwareentwicklung liegen.
Kontraproduktiv wird der Einsatz virtueller oder remotegesteuerter Labors dann sein, wenn das "Begreifen" im wörtlichen Sinn als ein wesentlicher Ausbildungsinhalt verloren zu gehen droht. Die Bildungsinstitutionen müssen sehr wohl der technischen Entwicklung hin zu Simulationen im Entwicklungsprozess sowie zu Remotsteuerungen in Wartung und Implementation folgen. Dabei darf aber nicht übersehen werden, dass die konkrete Realisierung technischer Projekte untrennbar mit der Auseinandersetzung mit defekten Komponenten, Randbedingungen, Toleranz- und Fremdeinflüssen verbunden ist. Das Knowhow damit umzugehen wird auch in Zukunft ein wesentliches Element der Ingenieursausbildung sein.
Virtuelle Labors werden deshalb die Ingenieursausbildung in Zukunft ergänzen, die reale Laborausbildung aber niemals ersetzen können.
Referenzen:
COM(2001) 172 final, 28.3.2001, ‘The eLearning Action Plan – Designing tomorrow’s education’
Baumgartner Peter, Pahr Sabine (1994) Lernen mit Software, Öster. Studienverlag, Innsbruck.
Auer Michael, Pester Andreas (2002), Development of Standard Environments for distributed Online Laboratories, Villach.
Schmid Dietmar (1999), Verbund virtuelles Labor, Folderserie, Aalen (ím Web: www.vvl.de).
Gaugg Alfred, RemoteLab-Projekte der HTL Klagenfurt II, Mössingerstrasse, hekt., 27.2.2003.
Scharl Wolfgang (2002), Verbund virtueller Labors, Projektkonzept, Wien.