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Jun.-Prof. Dr. -Ing. Sulamith Frerich
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M.Sc. Robert Kuska
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Was machen wir im Kernbereich "Virtuelle Lernwelten"

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Virtuelle Lernwelten

Die virtuellen Lernwelten dienen zur aktiven und erweiterten Vertiefung von Lehrinhalten während der Vorlesung und darüber hinaus. Sie fördern eine vielfältige und anwendungsbezogen Lehre und erweitern die Verfügbarkeit von Laboren für alle Studierenden. Dies wird durch die Ausarbeitung und Perfektionierung von entfernt steuerbaren realen Versuchseinrichtungen und Simulationen erreicht.

Im Rahmen einer Ausschreibung durch ELLI sind im Bereich Virtuelle Lernwelten 9 Projekte entstanden, die entweder eine simulierte Umgebung (Virtuelle Labs) oder einen Fernzugriff auf einen realen Versuchsstand (Remote Labs) bereitstellen. Die geförderten Projekte werden je von einem Lehrstuhl an einer der drei Ingenieurfakultäten (Bauingenieurwesen, Maschinenbau und Elektrotechnik) aufgebaut und betreut.

 

Remote Labs

  • Remote Labs sind real existierende Versuchsstände, die der Nutzer von seinem Computer über eine bereitgestellte Bedienoberfläche steuern kann.
  • Nach Veränderung der eingestellten Parameter, werden die neu gemessenen Werte angezeigt.
  • Zum Schutz des Versuchsaufbaus werden die Variationsgrenzen einzelner Parameter vorgegeben.

Virtuelle Labs

  • Bei den virtuellen Labs werden am Computer reale Gegenstände oder Prozesse digital abgebildet und ihr Verhalten simuliert.
  • Ohne aufwendige messtechnische Bestimmungen, erhält man so erste angenäherte Parameter zu dem simulierten Objekt.

 

Die Projekte sind nachfolgend aufgelistet:

 

VRL-Abwasser

Virtual und Remote Lab mit Laborkläranlage und Laborbiogasreaktor
  • Ziel: Studierende sollen Online-Überwachungs- und Steuerkonzepte von Kläranlagen erproben, die in der Praxis häufig eingesetzt werden.
  • Zweistufiges Lehrkonzept: Den Studierenden wird eine virtuelle Abbildung der Anlage zum Testen und Simulieren zur Verfügung gestellt. Sie sollen in Kleingruppen von 4-8 Teilnehmern arbeiten und die Experimente interaktiv durchführen, diskutieren und die Parameter optimieren. Danach sollen die realen Betriebseinstellungen im Remote Lab überprüft werden und eine Live-Übertragung per Video geschaffen werden, um zu sehen, was an der Anlage passiert.
  • Realität: Die Realität wird durch die Vorgabe von Parameterstreuung abgebildet.
  • Abschlussbewertung: Anhand eingegebener Ergebnisse bevor die Freischaltung des Remote-Versuchs erfolgt. Weiterhin wird ein Abschlussprotokoll für die Abschlussbewertung herangezogen werden.
  • Anwendung: Dieser Versuchsaufbau kann in Vorlesungen, Praktika und bei studentischen Arbeiten angewendet werden.

Elektromobilität im Web-Lab

Scheitelrollenprüfstand für Elektrofahrzeuge
  • Ziel: Studierende erarbeiten sich selbständig Inhalte und wenden diese direkt am Prüfstand an.
  • Kontinuierliches, stufenweises Lehrkonzept: Input wird per Fragebogen überprüft und Antworten schalten Teilnahme am Experiment frei, danach neuer Input usw.
  • Realität: Die Realität wird durch die Aufnahme von realen Messungen abgebildet.
  • Abschlussbewertung: Die Abschlussbewertung wird in Form eines Abschlussberichts im Praktikum bzw. einer Diskussion in der Vorlesung gegeben.
  • Anwendung: Dieser Versuchsaufbau kann im Bachelorpraktikum und in den Mastervertiefungseinrichtungen eingesetzt werden.

Entwicklung neuartiger Steuergeräte und deren Vernetzungskonzepte im Auto

mit virtueller Entwurfs- und Evaluationsumgebung
  • Ziel: Studierende durchlaufen alle Stationen der Vorserienentwicklung bis zum Prototyp. Virtuell entwickelte Module können später in einem realen Fahrsimulationsstand getestet werden.
  • Lehrkonzept: Die Thematik wird durch Tests mit Fragen als Zwischenevaluation erarbeitet. Auf diese Weise lassen sich Wissens Lücken gezielt aufdecken und schließen. Die Studierende erhalten anschließend zwei Aufgabenstellungen:
    1.Studierende entwickeln einen eigenen Prototypen
    2.Studierende optimieren vorgegebene, fehlerbehaftete Prototypen im Team
  • Realität: Abbildung von Fragestellungen aus dem späteren Ingenieursalltag und Bearbeitung eben dieser mittels einer Kombination aus Virtueller Entwicklungsumgebung und einem realen Fahrsimulator zur Beurteilung des Lösungsansatzes.
  • Abschlussbewertung: Durch Vorstellung des Ergebnisses oder prozessbegleitend möglich.
  • Anwendung: In gezielten Vorlesungen und Übungen.

Messung von thermophysikalischen Stoffdaten

anhand von vier Remote-Versuchsständen: Dichte, Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Feuchte
  • Ziel: Studierende sollen ein Problembewusstsein für die Bestimmung von Stoffdaten entwickeln. Der Versuch ermöglicht die Variation der Fragestellung und damit einhergehend die Kombination der Messungen, die zur Bearbeitung der gestellten Aufgabe notwendig ist.
  • Lehrkonzept: Schwierigkeitsgrad der Versuche ist auf Einsteiger abgestimmt. Die Komplexität der Messungen ist beliebig anpassbar. Anschließend können Studierende ihre Ergebnisse mit Literaturdaten und Referenzwerten abgleichen.
  • Realität: Die Messunsicherheit der einzelnen Sensoren stellt eine reale Messsituation dar. Von außen eingebrachte Störungen sind im Regelfall nicht vorgesehen, da diese aufgrund der Komplexität abträglich für den Lerneffekt sind. Für die Nachbearbeitung ist ein Vergleich mit falschen Messergebnissen möglich.
  • Abschlussbewertung: Die Ergebnispräsentation ist im Gespräch und in Berichtsform möglich.
  • Anwendung:Im Praktikum sowie als vorlesungsbegleitender Versuch zur Anschaulichen Demonstration ist dieses Modell anwendbar(erweiterter Variation der Parameter möglich).

Virtuelles Labor für SPS-Programmierung

mit 20 Arbeitsplätzen
  • Ziel: Studierende programmieren in vorlesungsbegleitenden Übungen speicherprogrammierbare Steuerungen nach Industriestandard. Die Wirkung des Programms wird in einer 3D-Simulation einer realen Industrieanlage sichtbar.
  • Lehrkonzept: Studierende können Wissen aus Vorlesung eigenständig durch Ausprobieren von virtuellen Modellen vertiefen. Der Schwierigkeitsgrad lässt sich anhand der Aufgabenstellung variieren.
  • Realität: Störgrößen können durch Betreuer eingebracht bzw. variiert werden. Außerdem können gezielte Probleme programmiert werden.
  • Abschlussbewertung: Durch eine Klausur am Ende des Semesters.
  • Anwendung: Für die Nachbereitung von Verlesungen in Übungen und für die Klausurvorbereitung anwendbar.

TeleLab Robotik

Remote Lab für Mechatronik- und Robotik Ausbildung
  • Ziel: Studierende steuern über das Remote Lab einen komplexen Roboterarm und erlernen unterschiedliche Regelungsansätze für elektrische Antriebe.
  • Zweistufiges Lehrkonzept:
    1. Das Verhalten des Roboters wird zunächst in Abhängigkeit des Wissensstandes von den Studierenden simuliert und das Ergebnis von einem Betreuer beurteilt.
    2. Anschließend wird der Bewegungsablauf auf dem Roboterarm ausgeführt und ist über eine Webcam nachvollziehbar.
  • Realität: Aus Sicherheitsgründen wird Remote Lab gegenüber Abweichungen vom geregelten Versuchsbetrieb abgesichert.
  • Abschlussbewertung: Keine Angaben
  • Anwendung: In Vorlesungen und Fachlaboren anwendbar.

Remote Lab zur Geräuschanalyse und Maschinendiagnose

anhand eines Hubwerksgetriebes
  • Ziel: Studierende beschäftigen sich mit Getriebegeräuschen und diagnostizieren Betriebszustände und Lagerschäden.
  • Lehrkonzept: Für die Studierenden ist eine Individuelle Zuordnung von Aufgabenstellungen möglich. Hierbei bewegen sich die Studierenden mit Hilfe von Leitfragen durch den Versuch und können selbständig nach Hinweisen für die Lösung auf einer Online-Plattform suchen. Der Remote-Aufbau sorgt für zeitliche Unabhängigkeit und eine höhere Kapazität im Vergleich zu konventionellen Laborversuchen. Zusätzlich ermöglicht eine akustische Kamera moderne Geräuschdetektion anzuwenden.
  • Realität: Durch die Abweichung der Maschinenkomponenten.
  • Abschlussbewertung: Erfolgt prozessbegleitend durch eine Ergebnisüberprüfung.
  • Anwendung: Einbindung in Vorlesung und Fachlabore.

Online Aufklärung eines axialen Temperaturprofils in Rohrreaktoren

mittels Faseroptischer Temperaturmesstechnik
  • Ziel: Studierende beschäftigen sich mit der Erfassung eines axialen Temperaturverlaufs in Wärmetauschern oder Rohrreaktoren mittels eines faseroptischen Temperatursensors.
  • Lehrkonzept: Die Gegenüberstellung von im Vorfeld formulierten Erwartungen mit den realen Messwerten zeigt den Gültigkeitsbereich von Korrelationen, Genauigkeitsgrenzen sowie die Fehlersensitivität von Sensoren auf. Das Anpassen der Betriebssituation bringt immer wieder neue Betriebspunkte hervor, in denen ein eindimensionaler Wärmeübergang berechnet werden kann. Auch das Herbeiführen von extremen Betriebszuständen, die durch die Studenten an Hand von Messwerten des faseroptischen Sensors identifiziert werden können, ist möglich. Hierdurch gelangen die Studierenden zu einem Einblick in die realen Wärmeübertragungsvorgänge.
  • Realität: Die Ungenauigkeit des Sensors und der reale Versuchsaufbau sorgen für eine gewisse Messunsicherheit und führen bei wiederholter Messung auch das Problem der Reproduzierbarkeit deutlich vor Augen.
  • Abschlussbewertung: Dokumentation und Aufbereitung des Versuchs durch die Studierenden und durch Ergebnisüberprüfung.
  • Anwendung: Flexibel an den Lehrplan anpassbar. Ein Einsatz als Vorlesungsversuch ist ebenso denkbar wie die Anpassung des Schwierigkeitsgrades durch die unterschiedliche Freigabe der veränderbaren Parameter des Versuchs bzw. der Aufgabenstellung für den Einsatz als Fachlaborversuch.