Ingenieurausbildung mit Cross Reality neu gestalten

Sehr interessanter Beitrag von Dr.-Ing. Dominik May im Rahmen des Hochschulforum Digitalisierung zur Cross Reality in den Ingenieurswissenschaften.

Die Digitalisierung verĂ€ndert nahezu alle Lebensbereiche, so auch die Hochschullehre. Das ist nicht neu. Spannend ist allerdings, in welcher Form und Vielfalt sich diese VerĂ€nderung prĂ€sentiert. Jeder Fachbereich steht da vor seinen eigenen Herausforderungen, aber eben auch vor ganz individuellen Möglichkeiten der Innovation durch und mit Digitalisierung. In diesem Beitrag beleuchte ich meinen eigenen Fachbereich, die Ingenieurwissenschaften. In diesem Bereich habe ich selbst studiert und darin bin jetzt seit ĂŒber 10 Jahren forschend und lehrend aktiv, genauer gesagt im Bereich der Ingenieurdidaktik bzw. Engineering Education Research. Dazu spĂ€ter noch etwas mehr. Die Überschrift dieses Beitrags sollte daher also heißen: „Wie Cross Reality die Hochschullehre in den Ingenieurswissenschaften verĂ€ndern kann und wird“. Doch was ist Cross Reality eigentlich?

Was ist Cross Reality?

Wie so hĂ€ufig gibt es nicht die eine korrekte Definition. Der Begriff Cross Reality, oder auch XR, wird von unterschiedlichen Bereichen der digitalen Wirtschaft und Unternehmen in unterschiedlicher Weise genutzt. So fragte auch das WIRED Magazin in einem Online-Artikel im Mai letzten Jahres „So
 What is XR?“ [1]. Die erste Antwort war vage: „It’s a real thing but also, not a real thing. Depending on who you ask, XR can either encompass a bunch of immersive video standards; suggest an intensified media experience; or just serve as a catchall phrase for AR and VR—marketing speak, really.“ Eine klarere Antwort gibt Jim Malcolm, General Manager des Technologieunternehmens Humaneyes, im gleichen Artikel: „XR does not refer to any specific technology. It’s a bucket for all of the realities.“ Und so möchte ich den Begriff Cross Reality auch im Weiteren benutzen, als Sammelbegriff aller digital erstellten oder unterstĂŒtzten RealitĂ€ten im Sinne von Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) und Mixed oder Merged Reality (MR). FĂŒr die ingenieurwissenschaftliche Lehre bieten Cross-Reality-Technologien besonderes Innovationspotential. Aus meiner Sicht gilt dies vor allem im Bereich des Lehrens und Lernens im Labor, einem seit Jahrzenten integralen und essentiellen Bestandteil eines jeden ingenieurwissenschaftlichen Studiengangs.

Das Labor in der Ingenieurausbildung

Bereits Anfang des letzten Jahrhunderts wurde die Laborausbildung und ihre Relevanz fĂŒr die ingenieurwissenschaftliche Ausbildung diskutiert und beschrieben [2]. Trotz ihrer Wichtigkeit hat sich die Nutzung des Labors als didaktischer Raum ĂŒber Jahrzehnte hin kaum verĂ€ndert. So wurde es im weitesten Sinne genutzt, um naturwissenschaftliche ZusammenhĂ€nge zu demonstrieren oder nachzuvollziehen [3]. Mit steigender Anstrengung im Deutschen Hochschulraum, die Verbesserung der Lehre in den Fokus zu nehmen, hat sich dies in den letzten Jahren geĂ€ndert. Die „Neuentdeckung“ didaktischer Konzepte wie Problem-Based-Learning oder auch Research-Based-Learning haben auch die Ingenieurausbildung und damit die Laborlehre beeinflusst und fĂŒr Innovationen gesorgt. In etwa im gleichen Zeitraum, beginnend Mitte der 90er Jahre, wurde mit den ersten Schritten zur Digitalisierung des Fernunterrichts auch der Startpunkt zur Digitalisierung der Laborlehre gesetzt. Physisch existierende Laboreinrichtungen wurden ĂŒber das Internet zugĂ€nglich und nutzbar gemacht [4, 5]. Das Konzept des Remote Labors war geboren. Was frĂŒher noch vor allem im Kontext der Fernlehre verstanden und entwickelt wurde, wird heute im Kontext der Digitalisierung gesehen und hat in Form der Community Working Group Remote-Labore in Deutschland auch in der Hochschulforum-Digitalisierung-Community bereits einen festen Platz.

Cross-Reality-Labore

Remote-Labore sind nur ein Ergebnis der Innovationen rund um Labore in der Lehre. Mit dem Begriff Online-Labor werden alle Arten digital bzw. online gestĂŒtzten Lehr-Lernlabore beschrieben. Hier schließt sich der Kreis zu Cross Reality, da auch fĂŒr Online-Labore AR und VR eine besondere Rolle spielen. Wir können also auch von Cross-Reality-Laboren anstelle von Online-Laboren sprechen. Zu Augmented-Reality-Laboren gehören beispielsweise Versuchsaufbauten, die wĂ€hrend des Experiments um AR ergĂ€nzt werden, um z.B. Echtzeitdaten wie Temperatur oder Druck direkt am VersuchsgerĂ€t anzuzeigen. Der Begriff Remote-Labore beschreibt, wie oben angedeutet, einen Versuchsaufbau, der sich physisch real vorhandener VersuchsgerĂ€te bedient, wobei jedoch der Versuchsvorgang ĂŒber das Internet von praktisch ĂŒberall und jederzeit durchgefĂŒhrt werden kann. Ich schließe diese Art von Laboren ebenfalls in die Gruppe der XR-Anwendungen ein, da es sich auch hier um eine digital vermittelte bzw. erweiterte RealitĂ€t handelt. Ebenfalls zu Remote-Laboren gezĂ€hlt werden solche Labore, die vorher erstellte Videoaufnahmen des Experiments nutzen. Diese Videosequenzen werden jedoch vom System so zusammengestellt, dass Studierende am Computer einen Versuch so durchfĂŒhren können, als ob sie synchron auf das reale Equipment zugreifen, Einstellungen vornehmen und Versuchsdaten erhalten. Der Begriff Virtuelle Labore beschreibt virtuelle Umgebungen, voll- oder teil-immersiv, welche Simulationen fĂŒr die Darstellung des Versuchs nutzen. Dabei können die Versuchsdaten ebenfalls simuliert sein oder auf DatensĂ€tze realer Experimente zurĂŒckgreifen.

Alle oben genannten AnsĂ€tze der Cross-Reality-Labore beinhalten sowohl Chancen als auch Herausforderungen fĂŒr die Lehre. So stehen den Vorteilen dieser Labore, wie etwa gesteigerte FlexibilitĂ€t oder LaborkapazitĂ€ten (um nur zwei von vielen zu nennen), auch unweigerlich Nachteile gegenĂŒber. Cross-Reality-Labore lassen per Definition in den allermeisten FĂ€llen ein haptisches GefĂŒhl und den direkten rĂ€umlichen Bezug zum Experiment vermissen. Allerdings stellt sich auch die Frage, ob dies ĂŒberhaupt nötig ist. Oder anders gefragt: Was sollen die Studierenden im jeweiligen Labor lernen? Geht es um haptische Fertigkeiten oder konzeptionelles VerstĂ€ndnis? Soll der Umgang mit GerĂ€tschaften geĂŒbt oder das Anwenden theoretischer Modelle veranschaulicht werden? Kurz gesagt, welche Form von Lehr-Lernlabor (von real bis zu voll virtualisiert) eignet sich fĂŒr das jeweilige Lehr-Lernziel? Dies muss immer ganz individuell beantwortet werden.

Cross-Reality-Labore in der Praxis

Ich möchte im Folgenden drei Beispiele zur Veranschaulichung von Cross-Reality-Laboren erlÀutern. Alle drei Beispiele stammen hier aus der Forschung und Lehre am College of Engineering der University of Georgia (UGA):

  1. In einer Lehrveranstaltung in der Elektrotechnik nutzen die Studierenden Lochrasterplatten um Schaltkreise zu bilden und zu testen. HierfĂŒr ist jedoch das VerstĂ€ndnis notwendig, auf welche Weise die Lochraster in der Platte verbunden sind. Mit Hilfe einer simplen AR-Anwendung fĂŒr Smartphones, welche von einem Kollegen am College entwickelt wurde, kann dieses VerstĂ€ndnis gefördert werden [6]. Die Studierenden können hierbei die Kamera ihre Smartphones ĂŒber die Lochraster halten und die AR-Umgebung zeigt die interne Schaltung in der Platte an. In einem weiteren Schritt können auch exemplarische Schaltkreise mit den notwendigen elektrotechnischen Komponenten angezeigt werden.
  2. In einem anderen Beispiel aus dem Bereich des Bioingenieurwesens können die Studierenden mithilfe eines Remote-Labors (in diesem Fall basierend auf Videosequenzen) einen Versuch durchfĂŒhren [7]. Dieser zeigt die Diffusionsgeschwindigkeit einer Natriumlösung in destilliertem Wasser. Dabei können die Studierenden zwischen unterschiedlich konzentrierten Lösungen wĂ€hlen und den Versuch entsprechend auswerten. Die Studierenden können hierbei unabhĂ€ngig von Öffnungszeiten zum realen Labor diesen Versuch beliebig oft durchfĂŒhren, mit den Parametern frei experimentieren und auf diese Weise eigenstĂ€ndig Prozesswissen entwickeln. Gerade in Bereichen, in denen auch einfache Laborversuche ressourcenintensiv sind, können Remote-Labore daher besondere Vorteile bieten.
  3. Ein letztes Beispiel aus dem Bauingenieurwesen [8]: FĂŒr TĂ€tigkeiten zur Landvermessung ist das Equipment teuer und der Zugang fĂŒr Studierende dadurch hier vor Ort stark eingeschrĂ€nkt. Fehlende Ressourcen zur intensiven Auseinandersetzung mit den TĂ€tigkeiten des Landvermessers durch die Studierenden und das Fehlen geeigneter GrundstĂŒcke im direkten Umkreis der UniversitĂ€t haben dazu angeregt, eine voll-immersive VR-Anwendung zu entwickeln. In dieser können die Studierenden in Gruppen genau diese TĂ€tigkeit einĂŒben. Wie in der physisch-realen Welt können sie auch in der VR gemeinsam das notwendige Equipment nutzen, sich frei in der entwickelten Umgebung bewegen, miteinander interagieren und die Versuche zur Landvermessung durchfĂŒhren.

Dies sind nur drei von vielen Beispielen an der UGA, welche mithilfe von Cross Reality-Technologie das Lehren und Lernen in den Ingenieurswissenschaften verÀndern. Alle drei Beispiele werden einerseits zur Vorbereitung auf aber auch als Möglichkeit zur Nachbereitung von TÀtigkeiten in der realen Welt genutzt.

Ingenieurausbildung mit Cross Reality neu gestalten

Unsere Intention an der UGA ist es, ein vielfĂ€ltiges und zukunftsorientiertes Ökosystem unterschiedlicher realer und digitaler Lehr-Lernlabore fĂŒr die Ingenieurausbildung zu schaffen. In diesem sollen die Studierenden wie selbstverstĂ€ndlich alle Laborformen nutzen können, je nachdem welches Lernziel erreicht werden soll, welches Equipment gerade verfĂŒgbar ist oder auch welche persönlichen Vorlieben die Lernenden im individuellen Fall haben. So kann es sein, dass unterschiedliche Studierende mit verschiedenen AnsĂ€tzen durch unterschiedliche Laborversionen unterstĂŒtzt lernen und dennoch zum gleichen Ziel kommen. Daher nutzen wir den Begriff der Cross Reality-Labore noch in einem anderen VerstĂ€ndnis, im Sinne eines flexiblen und bedarfsorientierten Wechsels zwischen den unterschiedlichen RealitĂ€ten, sozusagen „(a)cross realities“. Denn eines muss klar sein, bei der weiteren Entwicklung und EinfĂŒhrung von Cross-Reality-Laboren geht es weder um die Nutzung nur einer Technologie noch um den Ersatz von realen Laboren oder gar der Lehrenden. Es geht immer um eine sinnvolle ErgĂ€nzung und Kombination. Studierende mĂŒssen und werden weiterhin im Labor stehen und mit ihren eigenen HĂ€nden Experimente durchfĂŒhren. Doch was ist, wenn das Equipment gerade anderweitig in Gebrauch, kaputt oder schlicht nicht verfĂŒgbar ist? Dann können Online-Labore eine fundamentale Bereicherung sein. Was ist, wenn Studierende selbstĂ€ndig einen wichtigen Versuch aus der Vorlesung vor- oder nachbereiten wollen? Auch dies können sie unabhĂ€ngig von Zeit und Ort mit Online-Laboren tun. Was ist, wenn Studierende standort- oder gar lĂ€nderĂŒbergreifend in Teams arbeiten sollen, aber dadurch die DurchfĂŒhrung realer Versuche als Teil des Kursinhaltes verhindert wird? Auch dafĂŒr bieten Online-Labore neue Wege der Gestaltung praxisorientierter Lehr-Lernumgebungen im Labor. SelbstverstĂ€ndlich bleibt es auch weiterhin die Aufgabe von Lehrenden, die Studierenden durch den Lernprozess im Labor zu begleiten und zu unterstĂŒtzen, ganz unabhĂ€ngig von der Art des Labors. Online-Labore und Cross-Reality-Technologie bieten jedoch ganz neue Möglichkeiten, diesen Prozess zu gestalten.

Engineering Education Research zu Cross-Reality-Laboren

Seit mehr als zwei Jahren forsche ich an der UGA im Bereich Engineering Education und gestalte den oben beschrieben Prozess zum Aufbau unterschiedlicher Cross-Reality-Labore maßgeblich mit. Eingebettet ist meine TĂ€tigkeit in die Arbeit des Engineering Education Transformation Institute (EETI). Ziel von EETI ist es, gemeinsam mit den Kolleginnen und Kollegen aus den jeweiligen Fachbereichen Potenziale zur Innovation des Lehrens und Lernens in den Ingenieurwissenschaften zu erkennen, Innovationen zu entwickeln, die EinfĂŒhrung durch empirische Forschung zu unterstĂŒtzen und dabei die Erfahrungen unserer Studierenden besser zu verstehen. Es ist offensichtlich, dass wir durch die Nutzung von Cross-Reality-Technologie in der Lehre und durch das Verlagern von TĂ€tigkeiten aus der physisch-realen Welt in die virtuelle Welt die Erfahrung der Studierenden verĂ€ndern. Aus Sicht der Forschung wollen wir jedoch genau wissen, was wir in der virtuellen Welt im Vergleich zur Lehr-Lernerfahrung in der realen Welt wegschneiden oder ergĂ€nzen. Erst dieses empirisch fundierte Wissen ermöglicht die zielgerichtete Entwicklung weiterer Innovationen im Bereich Cross-Reality-Labore fĂŒr die Hochschullehre. Auch wenn die Forschung im Bereich von Cross-Reality-Laboren bereits auf einige Jahrzehnte Geschichte zurĂŒckblicken kann, so steht die empirisch fundierte Lehr-Lernforschung hierzu relativ gesehen noch immer am Anfang. Bisher hat hĂ€ufig die technische Entwicklung und nicht die notwendige Lehr-Lernforschung im Fokus gestanden. Auch dies Ă€ndert sich jedoch seit einigen Jahren entscheidend und der Lehr-Lernprozess selbst sowie die Erforschung des didaktischen Mehrwertes von Cross-Reality-Technologien rĂŒckt zunehmend in den Fokus.

FĂŒr die oben beschriebene Forschung bedarf es der Kollaboration vieler Partnerinnen und Partner aus den Bereichen Engineering Education Research, allgemeiner Didaktik und Lehr-Lernforschung, Hochschulleitung, Technologieentwicklung, kommerzieller Anbieter von Cross-Reality-Laboren (wie z.B. LabsLand oder Labster), VerbĂ€nden (wie der International Association for Online Engineering ‚IAOE‘) und nicht zuletzt auch den Lehrenden und den Studierenden als Forschungspartner. Diese Forschungsarbeit braucht Zeit und Geld. Einen Vorteil hier in den USA im Vergleich zu Deutschland sehe ich zurzeit in der Existenz der wissenschaftlichen Disziplin des Engineering Education Research mit einer langen Tradition, eigenen fest etablierten wissenschaftlichen Austauschformaten innerhalb der Community und eigenen finanzstarken Förderprogrammen bei der National Science Foundation. Ganz persönlich wĂŒrde ich mir diese Verankerung der Ingenieurdidaktik als wissenschaftliche Disziplin in der deutschen Hochschullandschaft wĂŒnschen, auch im Sinne der Nachhaltigkeit bereits erfolgter Anstrengungen und erzielter Ergebnisse. Erste Schritte sind an unterschiedlichen Hochschulen gemacht, allerdings ist der Weg zur Ingenieurdidaktik als anerkanntes, akzeptiertes und entsprechend verbreitetes Forschungsfeld noch weit. Anleihen fĂŒr diese Entwicklung können sicherlich sowohl bei der allgemeinen Hochschuldidaktik wie auch der Technikdidaktik genommen werden.

Erst kĂŒrzlich war das College of Engineering der UGA Gastgeber fĂŒr die 17th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, kurz REV 2020. Das diesjĂ€hrige Konferenzthema war ebenfalls “Cross Reality and Data Science in Engineering”. Dabei war es besonders spannend zu erleben, wie Beitragende aus unterschiedlichen LĂ€ndern jeweils ihre Sicht und ihre Innovationen zum Thema Cross Reality zusammengetragen und mit anderen Bereichen der Digitalisierung verknĂŒpft haben. Cross-Reality-Labore bieten beispielsweise einen besonderen Mehrwert fĂŒr Online Education im Allgemeinen und MOOCs im Speziellen. Gerade hier stellt sich die Frage nach der Einbindung von Laboren und Experimenten als Lehr-Lernformat im besonderen Maße. So sehe ich die Online-Lehre auch weiterhin als den grĂ¶ĂŸten Treiber im Bereich Cross Reality in der Lehre. Allerdings zeigten viele Praxisbeispiele auf der genannten Konferenz (und ich hoffe auch die oben genannten Beispiele haben dies deutlich gemacht), dass auch die PrĂ€senzlehre von neuen Entwicklungen und Innovationen profitieren kann. Es ist kein Gegeneinander von unterschiedlichen RealitĂ€ten in der Gestaltung von Lehr-Lernumgebungen, sondern ein sich gegenseitig ergĂ€nzendes und beförderndes Miteinander. Auf diese Weise wird Cross Reality die Hochschullehre nicht nur in den Ingenieurwissenschaften zum Positiven verĂ€ndern.

Fußnoten:

(1) Goode, L., Get Ready to Hear a Lot More About ‘XR’, in WIRED. 2019, Conde Nast Company: San Francisco.

(2) Mann, C.R., A study of engineering education: prepared for the Joint committee on engineering education of the national engineering societies. 1918, New York City: Merrymount Press.

(3) Tekkaya, A.E., et al., Das Labor in der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung: Zukunftsorientierte AnsĂ€tze aus dem Projekt IngLab. acatech STUDIE, ed. acatech. 2016, München: Herbert Utz Verlag.

(4) Alhalabi, B., et al. Remote labs: An innovative leap in the world of distance education. in Proc. of the 5th IFAC Symp. on Advances in Control Education. 2000.(

(5) Harms, U., Virtual and remote labs in physics education. 2000, Second: TĂŒbingen.

(6) Al Weshah, A., R. Alamad, and D. May. Work-in-Progress: Using Augmented Reality Mobile App to Improve Student’s Skills in Using Breadboard in an Introduction to Electrical Engineering Course. in International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV) “Cross Reality and Data Science in Engineering”. 2020. Athens, Georgia, USA: Springer Nature.

(7) Pokoo-Aikins, G.A., N. Hunsu, and D. May. Development of a Remote Laboratory Diffusion Experiment Module for an Enhanced Laboratory Experience. in IEEE Frontiers in Education Conference “Bridging education to the future”. 2019. Cincinnati, Ohio: IEEE.

(8) Franzluebbers, A., et al. Collaborative Virtual Reality Training Experience for Engineering Land Surveying. in International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV) “Cross Reality and Data Science in Engineering”. 2020. Athens, Georgia, USA: Springer Nature.

Zum Beitrag

 

Zur Person

Dominik May ist Assistant Professor an der University of Georgia in Athens (Georgia, USA) und Mitglied des Engineering Education Transformations Institute. Er forscht und lehrt im Bereich Engineering Education Research und fokussiert sich in seiner Arbeit auf die Entwicklung und Untersuchung online basierter Lehr-Lernlabore fĂŒr die Ingenieurausbildung. Dr. May ist VizeprĂ€sident der International Association of Online Engineering (IAOE) und Editor-in-Chief des “International Journal of Emerging Technologies in Learning (iJET)”

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