DistLab

Distanz-Labore in der MINT-Ausbildung

Ausgehend von den Erfahrungen der ortsungebundenen Anwendung digitaler Tools (z.B. Virtual Machines) in Laborveranstaltungen zur Programmierung und Data Science soll mit dem Vorhaben DistLab nunmehr die ortsungebundene, digitale Durchführung von Laborveranstaltungen erprobt werden. Laborveranstaltungen sind vor allem in ingenieur- und naturwissenschaftlichen Studiengängen ein immanent wichtiger, curricular verankerter Bestandteil. Die Digitalisierung und Virtualisierung von Laborveranstaltungen bieten den Studierenden zahlreiche neue Chancen, bspw. Labore auch außerhalb der regulären Lehrzeiten, damit in größerem Umfang und zeitlich flexibel verfügbar zu machen.

Das Projekt im Detail

Team

Projektleitung

Prof. Dr. rer. nat.
Christian Bunse

Prodekan, Professor

Tel:

+49 3831 45 7306

Room:

306c, Haus 4

Arbeitsgruppe

Prof. Dr. rer. nat.
Jan-Christian Kuhr

Mess- und Regelungstechnik, Physik | BAföG-Beauftragter der Fakultät Maschinenbau

Tel:

+49 3831 45 6800

Room:

305, Haus 19

Prof. Dr. rer. nat.
Lieven Kennes

Studiendekan .Bafög-Beauftragter

Tel:

+49 3831 45 6716

Room:

321, Haus 21

Torsten Wieck

Projektmitarbeiter

Tel:

+49 3831 45 6796

Room:

303, Haus 4

Andreas Reinke

Laboringenieur

Tel:

+49 3831 45 6570

Room:

113, Haus 20

Sophia Prohaska

Projektmitarbeiterin

Room:

323

Felix Hoentzsch

Projektmitarbeiter

Room:

323, Haus 21

Christian Tokaji

Projektmitarbeiter

Tel:

+49 3831 45 6733

Room:

206, Haus 19

Mitwirkende Studierende

Heiko Hillenhagen
Fakultät Maschienenbau
Studiengang Maschienenbau Master

 

Fakultät ETI

Ziel des Arbeitspaketes an der Fakultät Elektrotechnik und Informatik ist die Konzeption, der Aufbau und die Evaluation eines Ansatzes zur Durchführung von Laborveranstaltungen in hybrider Form. Damit soll es Studierenden ermöglicht werden, Laboreinrichtungen und Systeme (Roboter) über ein digitales Interface auf einer lokalen Aktionsfläche zu nutzen, um bspw. Fahraufgaben oder Logistikprobleme zu bearbeiten.

Konkret soll hierbei das Robotik-Labor der Fakultät für Elektrotechnik & Informatik als Basis dienen. Hier lernen Studierende die Software-Entwicklung im Themenumfeld des autonomen Fahrens (bspw. zur Teilnahme am internationalen Turtlebot AutoRace Wettbewerb) und der künstlichen Intelligenz.

Das Hybrid-Labor soll Studierende in die Lage versetzen, Versuche und Projekte mit (räumlich entfernten) Laborgeräten, via Internet, zu Hause durchführen zu können. Die im Rahmen des Projekts entwickelte Infrastruktur bietet dabei eine vollständige Umgebung zur Programmierung, Inbetriebnahme und Beobachtung der Experimente über das Internet. Die Realisierung eines Hybrid-Labors ermöglicht Zeit- und ortsungebundenes Lernen und erlaubt Studierenden praktische Erfahrung zu sammeln. Die Architektur des Hybrid-Labors ist dabei als räumlich verteiltes, komponentenbasiertes System konzipiert, das auf Open Source Software basiert und in einem heterogenen Systemumfeld einsetzbar ist.

Fakultät MB

Im Rahmen des Arbeitspaketes an der Fakultät für Maschinenbau sollen virtuelle Labore aufgebaut werden, die die laborpraktische Ausbildung in den Gebieten Regelungstechnik und Robotik auf eine neue Stufe heben. Die Studierenden arbeiten statt am realen Objekt zunächst mit einem virtuellen Zwilling. Dieser virtuelle Zwilling verhält sich genauso wie sein physisches Gegenstück in der realen Welt.

Im ersten Schritt erhöht sich die Verfügbarkeit der Versuche. Die virtuellen Zwillinge stehen studierenden online auf Abruf zur Verfügung, sie können selbstständig oder in kleinen Lerngruppen genutzt werden. Hierdurch können Labor-Präsenzzeiten sogar in die häusliche private Umgebung verlagert werden, das selbstbestimmte Lernen der Studierenden wird so ermöglicht.

Die Virtualisierung ist dabei im Sinne von Blended Learning zu verstehen. Das bedeutet, dass die Digitalisierung das Präsenzformat erweitert, nicht aber vollständig ablöst. Dies kann beispielsweise so aussehen, dass Studierende am Montag die Vorlesung besuchen, am Dienstag oder Mittwoch die Lerninhalte selbstorganisiert von zu Hause (mit Hilfe des virtuellen Zwillings) vertiefen und den am Donnerstag im Labor geplanten Versuch am echten Objekt eigenständig vorbereiten können. Die Vorteile des (zusätzlichen) virtuellen Labors gegenüber dem klassischen reinen Präsenzformat sind groß und ermöglichen den Dozenten das Einbeziehen neuer didaktischer Möglichkeiten.

Fakultät WS

Im Fokus dieses Arbeitspaketes stehen die curriculare und hochschulweite Verankerung sowie die Evaluation der innovativen Lehrkonzepte.

Die Verankerung adressiert nicht nur die rechtsichere Einbettung in den Hochschulbetrieb sowie die Übertragung auf weitere Lehrveranstaltungen, sondern ebenfalls die explizite Berücksichtigung pädagogischer Konzepte und moderner Lehr- oder Lernansätze. Soziale Aspekte der Chancengleichheit aber auch der Interaktion und Gruppenbildung werden speziell berücksichtigt. Explizit soll eine Infrastruktur für Leistungskontrollen und Prüfungen entwickelt und genutzt werden.

Die neuen Lehrkonzepte, d.h. das digitale Labor sowie das Labor mit den virtuellen Zwillingen, werden nicht nur am Ende, sondern fortlaufend während der Projektlaufzeit detailliert evaluiert. Dazu werden bestehende und neu konzipierte Instrumente benutzt sowie verschiedene Untersuchungsformen. Die Kontrollgruppen sollen dabei nicht nur historischer Natur sein, vielmehr sollen auch innovative Lehrevaluationskonzepte wie das randomisierte, kontrollierte Cross-Over-Design mit nicht in die Endnote eingehenden Zwischenprüfungen verwendet werden und somit zeitliche Aspekte (Chronological Bias) sowie kohortenspezifische Verzerrungsfaktoren minimiert werden.


Mehrwert elektronischer Prüfungen

Vorteile

  • kein Ausdruck von Klausurbögen notwendig 
  • verschiedene Frageformate möglich 
  • neue Prüfungsszenarien möglich: Höhrverstehen, audiovisuelle Formate - mittels Video, Grafiken oder Animationen 
  • keine handschriftlichen Arbeiten (bessere Lesbarkeit und zunehmend mehr ungeübte Studierende bezüglich der Handschrift)
  • Shuffle-Funktionen: unterschiedliche Fragen und Fragereihenfolge für jede*n Studierende*n generierbar
  • schnellere Auswertung für Lehrende
  • schnellere Klausurergebnisse für Studierende

Nachteile

  • Zeit einplanen, um technische Erstellung der Klausur und Fragensammlung vorzunehmen
  • Studierende müssen ihren moodle-Login zum Prüfungstermin kennen (mitbringen) 

Leitfaden zu digitalen Prüfungen


Videotutorials zur Moodle-Aktivität Test

Einen Test anlegen

Fragentypen

Wahr/Falsch-Fragen


Drag & Drop

Lückentexte


Kurztext

Freitext


Multiple-Choice

Test nachbearbeiten

Exploitation

Wissenschaftliche Publikationen

Distanzlabore in der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung

Gesellschaft für Informatik e.V. (GI) (Hrsg.), INFORMATIK 2021, Lecture Notes in Informatics (LNI), Gesellschaft für Informatik, Bonn 2021

Prof. Dr. rer. nat. Christian Bunse
Prof. Dr. rer. nat. Lieven Nils Kennes
Prof. Dr. rer. nat. Jan-Christian Kuhr

Using distance labs for engineering education

4th International Workshop on Software Engineering Education for the Next Generation (SEENG), May 2022

Prof. Dr. rer. nat. Christian Bunse
Prof. Dr. rer. nat. Lieven Nils Kennes
Prof. Dr. rer. nat. Jan-Christian Kuhr

Experiences in Developing and Using a Remote Lab in Teaching Robotics

IEEE German Education Conference 2022 GeCon 2022 Networking Education, Berlin 2022

Prof. Dr. rer. nat. Christian Bunse
Thorsten Wieck

Distanzlabore in der MINT-Ausbildung

Hochschule 2031(HS2031), Workshop auf der 21ten GI-Jahrestagung, Berlin Oktober 2021

Prof. Dr. rer. nat. Christian Bunse
Prof. Dr. rer. nat. Lieven Nils Kennes
Prof. Dr. rer. nat. Jan-Christian Kuhr

Projektbezogene Beiträge der Hochschule Stralsund werden nach der Veröffentlichung und einer angemessenen Schutzfrist der Verleger in diesem Bereich zum Download bereitgestellt.


Supplemental Material

Supplemental Material zur Publikation Evaluating the Use of Virtual Twins in a Control Systems Course


Konferenzvorträge

Distance learning in undergraduate control systems labs by virtual twins

MathLab Expo22 - Prof. Dr. rer. nat. Jan-Christian Kuhr, Martina Müller

Self-determined distance learning by virtual twins in undergraduate control systems labs

GeCOn 2022 - Prof. Dr. rer. nat. Jan-Christian Kuhr, Martina Müller

Das DistLab Projekt und sein Beitrag zur Virtualisierung der Hochschullehre

UNIVERSITY:FUTURE FESTIVAL 2021 der Stiftung Innovation in der Hochschullehre (StIL). Berlin 2021

Prof. Dr. rer. nat. Christian Bunse

 


In den Medien

Virtuelle Zwillinge und Hybridlabore eröffnen Studierenden neue Chancen

Pressemitteilung 21. Juni 2021

Pressebox

Ansicht der Distanz-Labore

Aufnahmen November 2022

virtueller Rundgang

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Open-Source Softwarebereitstellung

- keine Daten - 

Die in diesem Projekt entwickelten Softwarelösungen werden in geeigneten Entwicklungsschritten als Open-Source-Projekt zur Verfügung gestellt. Bestandteile des Softwareprojektes, welche Herstellerlizenzen unterliegen sind hiervon leider ausgeschlossen.    

Projektidee

Im Rahmen von DistLab wird eine zentral gehostete Infrastruktur zur Nutzung von Laboren in hybrider bzw. in rein virtueller Form entwickelt, realisiert und anschließend evaluiert. Nach Abschluss des Projektes soll der Hochschule Stralsund eine weit skalierbare und einfach instanziierbare Lösung zur Verfügung stehen, welche ergänzend oder auch alternativ zu Präsenzveranstaltungen genutzt werden kann und den Studierenden ein selbstbestimmteres Lernen ermöglicht.

Innovationsidee

Die Idee des DistLab-Projekts ist der Aufbau einer adaptierbaren und vor allem skalierbaren Referenzarchitektur zur Durchführung von virtuellen und hybriden Laborveranstaltungen. Dabei sollen neben einfachen virtuellen Experimenten auch komplexere Systeme (autonome Fahrzeuge, Roboter oder Drohnen) abgebildet werden können. Das Projekt beinhaltet auch die Entwicklung von Strukturen und Regeln, um im Rahmen der virtuellen Labore ergebnissichere Prüfungen und Testate durchführen zu können. Aber auch die feste Einbindung der virtuellen bzw. hybriden Ausbildungsformate in das Curriculum ist Teil dieses Projektes.

Das DistLab-Projekt will die orts- und zeitflexible Nutzung von Laboren bzw. Laborgeräten ermöglichen (gleichmäßige Auslastung) und den Durchsatz an Teilnehmern erhöhen. Damit lassen sich die Angebotsvielfalt und die Ausbildungsqualität der Hochschule weiter verbessern. Gleichzeitig wird so auch das selbstbestimmte Lernen der Studierenden gefördert, da die Versuche zukünftig auch außerhalb des Labors und außerhalb der regulären Arbeitszeiten möglich sind – am virtuellen Zwilling.

Vision

Das DistLab-Projekt liefert einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung von Distanzformaten der Laborveranstaltungen in der MINT-Ausbildung. Gleichzeitig wird der Grad der Digitalisierung und Virtualisierung signifikant erhöht und dadurch die Lehr- und Lernqualität nachhaltig gesteigert. Neben unmittelbaren Vorteilen für die am Projekt beteiligten Labore der Hochschule Stralsund werden die Ergebnisse mittel- und langfristig auch in weiteren Lehrveranstaltungen und Hochschulen zum Einsatz kommen.

Dieses Projekt wird finanziert durch: