Laborpraktika zu Hause
Ein Beitrag von Anna-Sophie Barbutev
Damit Elektrotechnik-Studierende an Universitäten ihr Studium abschließen können, müssen sie ein Laborpraktikum absolvieren. Dort lernen sie, wie sie Messungen durchführen und müssen eine Prüfung ablegen. Das Problem: Laborzeiten sind rar, die Geräte teuer und oft fehlen Ressourcen zur Betreuung. Die Anwendung „PEARL“ soll eine Lösung bieten.
Der 37-jährige Elektrotechniker Mesut Alptekin hat die App im Rahmen seiner Promotion, eingebettet in das Projekt „DigiSElF – Digitalisierung als Herausforderung und Innovation in der Hochschullehre“ entwickelt: „Bestehende Labor-Simulationen funktionieren teilweise noch über den PC. Da interagieren Studierende per Maus und Tastatur mit den Werkzeugen, das ist nicht realitätsnah. Uns war es wichtig, eine App zu entwickeln, die niedrigschwellig ist und wirklich genutzt wird“, sagt Alptekin. Für seine Anwendung hat er digitale Zwillinge programmiert, die wie echte Geräte reagieren.
Lernkonzept als Basis für die technische Entwicklung
Ausgangspunkt für das Projekt war die Entwicklung eines didaktischen Konzepts: Zu Beginn lernen die Studierenden, was ein Oszilloskop ist und wie dieses funktioniert. Dann kommt die Anwendung. Im Anschluss bekommen sie Aufgaben, die später geprüft werden. Zum Beispiel sollen sie ein verrauschtes Signal mithilfe des Werkzeugs sichtbar machen. Ihr Wissen können sie in einem Quiz zur Prüfungsvorbereitung testen.
Ursprünglich hat Alptekin PEARL ausschließlich für Smartphones konzipiert. Allerdings stellte sich schnell heraus, dass eine realitätsnahe Anwendung auf einem kleinen Handydisplay nur bedingt möglich ist. „Ich habe die ganze Zeit gewartet, dass AR-Brillen günstiger werden und die Universität sich solche Brillen anschafft“ sagt Alptekin. Als das absehbar war, hat er die App für den Einsatz in der Mixed Reality modifiziert. Das bedeutet, dass Studierende mit ihrer Umgebung interagieren, die reale und virtuelle Elemente kombiniert. So können die Nutzer:innen mit virtuellen Werkzeugen hantieren.
PEARL unterscheidet sich laut Alptekin durch ein wissenschaftlich erprobtes und interaktives Lernkonzept von anderen Anwendungen. Wenn die Studierenden einen Knopf drücken, hören sie einen Tastenton. Sie können Signalparameter präzise einstellen und am Gerät ablesen: „Die Studierenden gehen so vorbereitet ins Praktikum. Viele haben mir erzählt, dass sie im Labor Angst haben, falsche Einstellungen zu wählen und überfordert sind“, erzählt Alptekin. PEARL soll Studierenden die Angst vor den Geräten nehmen. Ob das wirklich klappt, hat der Elektrotechniker im Rahmen einer Wirksamkeitsstudie analysiert. Mit Erfolg: Die Ergebnisse zeigen laut Alptekin, dass die Studierendeninteraktion in der Mixed Reality nachweislich zu einer Verbesserung der Fähigkeiten führt und gegen Unsicherheiten helfen kann. Die Anwendung ist also effektiv, aber nicht effektiver als klassische Lehrmaterialien. Diese Studie wurde allerdings mit der mobilen App durchgeführt. Für die Anwendung mit MR-Brillen erhofft Alptekin sich eine Verbesserung gegenüber klassischen Materialien.
An der Universität Paderborn wird die Anwendung mittlerweile als freiwillige Vorbereitungsmöglichkeit vor den Pflicht-Laborpraktika eingesetzt und an anderen Institutionen wie der RWTH Aachen erprobt und evaluiert. Auch andere Hochschulen zeigen Interesse. An der DHBW Stuttgart wurde die App bereits als Vorbereitungsmöglichkeit für Laborpraktika eingesetzt, für die TU Dortmund hat Alptekin extra Anpassungen vorgenommen und ein spezielles Menü des Oszilloskops eingebaut. Dort soll die Anwendung den Studierenden als Vorbereitungsangebot für die Laborpraktika zur Verfügung stehen.
Das Projekt "DigiSElF"
Die App wird im Rahmen des Projekts „DigiSElF – Digitalisierung als Herausforderung und Innovation in der Hochschullehre“ als Teil unserer Förderung „Hochschullehre durch Digitalisierung stärken“ seit 2021 unterstützt. Das Projekt wird von Prof. Dr. Katrin Tamme geleitet. „PEARL“ ist im Apple Store sowie bei Meta kostenlos verfügbar und wurde mit dem „Online Laboratory Award“ der Fachorganisation „Global Online Laboratory Consortium“ ausgezeichnet.
Alle Anfragen, die ihn erreichen, kann Alptekin nicht umsetzen, da andere Hochschulen bisweilen technische Bedarfe haben, die er aus kapazitären Gründen nicht alle bedienen kann. „Entwickelt wurde die App für die Bedarfe der Universität Paderborn. Dafür habe ich mich mit Laboringenieuren und Studierenden ausgetauscht, um gemeinsame Schwierigkeiten zu identifizieren. Signalverschiebung, Signale strecken, Signalparameter ablesen wurden da zum Beispiel genannt. Andere Hochschulen hätten wiederum andere Schwerpunkte mit den Laborgeräten.“ Eine weitere Herausforderung sei die technische Betreuung der AR-Brillen. Es reiche nicht, AR-Brillen zu kaufen. Es müsse auch geklärt sein, wer die Technik betreut und sich um Updates kümmert.
Anwendung im Ausland: PEARL in den USA
Auch im Ausland soll die App zum Einsatz kommen: „Als ich die E-Mail aus den USA bekommen habe, dachte ich zuerst, dass das Spam ist“, erzählt Alptekin. Ein Mitglied der German Faculty an der Purdue University der USA, die auch technische Fächer unterrichtet, hatte die App im Store gesehen und war überrascht vom Funktionsumfang. Durch die Anfrage entstand eine neue Forschungskooperation zur Anwendung wissenschaftlicher Fachterminologien. Speziell dafür hat Alptekin die App um eine Remote-Funktion erweitert, um standortübergreifendes, kollaboratives Arbeiten zu ermöglichen. Dafür wählen sich die Studierenden in den USA und in Deutschland parallel per AR-Brille in die Anwendung ein und können dann zu zweit am gleichen virtuellen Gerät zusammenarbeiten. Diese Interaktion wird im kommenden Jahr beforscht, um neue Erkenntnisse über die Teamfähigkeit sowie die Sprach- und Erklärkompetenz von Studierenden bei der Nutzung von virtuellen Laborgeräten zu gewinnen.
Zur Person
Mesut Alptekin
Ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Paderborn und forscht zur Restrukturierung von Laborpraktika in der Elektrotechnik.
Chancengleichheit für Studierende
Für Alptekin ist die App auch ein Weg zu mehr Chancengleichheit: „Mit der App können Studierende jederzeit von zuhause aus für ihr Laborpraktikum lernen und den Umgang mit den Werkzeugen üben. Sowas hätte ich mir als Student auch gewünscht. Für Hochschulen ohne große Ressourcen kann die App eine Möglichkeit sein, damit Studierende überhaupt mit einem Oszilloskop arbeiten können. Mich hat zum Beispiel eine argentinische Kollegin auf einer Konferenz angesprochen, die nur wenige Geräte im Labor haben – für manche ist die virtuelle Anwendung die einzige Möglichkeit, um überhaupt vertiefter mit dem Werkzeug arbeiten zu können.“
Was sich aber nie ändert: „Mir wurde auch schon von Studierenden zurückgemeldet, dass die Anwendung altmodisch aussieht. Da sage ich dann: Ein Oszilloskop sieht altmodisch aus – auch in der Mixed Reality.“
Zur Autorin
Anna-Sophie Barbutev
Anna-Sophie Barbutev ist Kommunikationsmanagerin der Stiftung Innovation in der Hochschullehre.