Aktives Lernen durch interaktive Simulationen

Kontext

Die im Bereich Maschinenbau (hier im Speziellen der Getriebetechnik) entwickelten Simulationen werden in Vorlesung und Übung zur Veranschaulichung von praktisch relevanten Anwendungsszenarien und Experimentalaufbauten verwendet. Weiterhin werden damit die für die Lehrveranstaltung benötigten mathematischen Grundlagen wiederholt.

Verwendet werden solche Simulationen nicht nur bei Bachelor- und Masterstudierenden an Hochschulen und Fachhochschulen, sondern auch bei Schüler.innen an Schulen der Primar- und Sekundarstufe. In unserem Fachbereich handelt es sich um mehrere Veranstaltungen im Bachelor und Master Maschinenbau mit einer durchschnittlichen Teilnehmerzahl von 40-50 Personen. Die Betreuung erfolgt dabei parallel zur Vorlesung und Übung im Rahmen eines Lernmanagementsystems (OPAL) und dessen Möglichkeiten zur Einbettung von interaktiven Inhalten. Die Simulationen werden in der Übung gezeigt, um das Verständnis für die Übungsaufgaben zu verbessern und dienen anschließend eingebettet im Lernmanagementsystem als Selbststudiumselemente. Bei Fragen und Problemen wird per Mail nachgeholfen. Diese Vorgehensweise funktioniert sowohl in Präsenz- als auch in rein digitalen Lehrformaten.

Problem

Studierende können komplexe Praxisbeispiele (praktisch relevante Objekte und Szenarien) oftmals nur teilweise verstehen, da eine interaktive Beschäftigung gar nicht oder nur im Rahmen eines Praktikums möglich ist. Dieses Problem wird in einer rein digital stattfindenden Veranstaltung noch verstärkt.

Wirkkräfte

Die theoretische Beschäftigung mit Lerninhalten führt bei Studierenden oftmals nur zu einem geringen Verständnis von Objekteigenschaften und -verhalten im Kontext eines Anwendungsszenarios. Komplexe Sachverhalte können in einer Tafelvorlesung oder -Übung nur schlecht experimentell erfahren werden. Praktika wiederum sind mit einem wiederkehrenden, hohen Aufwand verbunden und z.B. in einer Krisensituation nur bedingt durchführbar.

Die Motivation, sich mit praktisch relevanten Inhalten auseinanderzusetzen, ist zwar prinzipiell recht hoch, allerdings fehlt bei der Vorbereitung auf Praktika oder bei der Anwendung von Methoden auf dem Blatt Papier eine gewisse Art von Feedback. Es besteht somit seitens der Studierenden keine Möglichkeit, die Inhalte eigenständig auf interaktive Weise zu erleben oder durch Versuch und Irrtum beim Experimentieren Schlussfolgerungen zu ziehen.

Lösung

Komplexe Sachverhalte werden im Rahmen von interaktiven Simulationen anschaulich dargestellt und können durch die Studierenden experimentell sowie auf spielerische Weise erlebt werden.

Details der Lösung

Simulationen werden softwaregestützt erstellt und anschließend den Studierenden auf verschiedene Weise zur Verfügung gestellt. Die Interaktion mit der Simulation sollte zunächst im Rahmen einer Lehreinheit gezeigt, dann sollte aktiv dazu aufgefordert werden, diese zu wiederholen. Nur so können die Vorteile der Interaktion gegenüber der bloßen Beobachtung von Sachverhalten genutzt werden.

Der Ablauf zur Verwendung von interaktiven Simulationen im Rahmen einer Lehrveranstaltung entspricht grob folgendem Muster:

1. Planung und Erstellung der Simulation
2. Zeigen der Simulation und der Möglichkeiten zur Interaktion im Rahmen einer Lehreinheit
3. Bereitstellung der Simulation in einem geeigneten Format
4. Aufforderung an die Studierenden selbstständig mit der Simulation zu interagieren.
5. Beobachtung der Interaktion (falls möglich) und Beantwortung von dabei aufkommenden Fragen
6. Support bei Fehlermeldungen und anderen technischen Hürden
7. Falls möglich: Auswertung der erzielten Simulationsergebnisse und Einbeziehen der daraus ableitbaren Verständnisprobleme in der folgenden Lehreinheit
8. Einholen von Feedback durch gezielte Evaluationen
9. Verbesserung, Weiterentwicklung und Wartung der Simulation entsprechend des Feedbacks durch die Studierenden

Stolpersteine:

• In der Regel sind Simulationen nur bedingt barrierefrei umsetzbar.
• Lehrende sollten die Fähigkeiten zur Erstellung interaktiver Simulationen besitzen.
• Der zeitliche Aufwand zur Planung und Erstellung von Simulationen ist sehr hoch.
• Vorausgesetzt ist immer eine funktionierende technische Infrastruktur zur Bereitstellung digitaler Inhalte auf Webseiten (bspw. durch ein Lernmanagementsystem).
• Es gibt viele technische Hürden bei der Implementierung und Bereitstellung der Simulationen.
• Das heterogene Umfeld der durch die Studierenden genutzten Hard- und Software muss von den Lehrenden berücksichtigt werden.

Folgen (Vorteile, Nachteile)

Positive Seiten:

• Studierende lernen selbstgesteuert im digitalen Raum.
• Die interaktive Beschäftigung mit den Inhalten motiviert und hilft dabei, Fragestellungen selbstständig zu beantworten.
• Wenn Übungsaufgaben direkt in einer Simulation abgebildet wurden, können Studierende ihre Lösungsversuche selbstständig kontrollieren.
• Durch Nutzung von Open Educational Resources (OER) und deren Lizenzmodelle können von anderen Personen entwickelte Simulationen für den eigenen Kurs genutzt und die eigenen Inhalte für andere Lehrerende zur Verfügung gestellt werden.
• Die Simulationen können sowohl in Vorlesung und Übung zur Veranschaulichung genutzt als auch für das Selbststudium bei rein digitalen Formaten oder als Blended Learning Element in Lernmanagementumgebungen eingebettet werden.

Negative Seiten:

• Werden die erstellten Simulationen von den Lehrenden nicht ausreichend geprüft, kann ein fehlerhaftes Modellverhalten der Objekte zu Verständnisproblemen seitens der Studierenden führen.
• Lehrende müssen sich auf dem Gebiet der zur Erstellung und Bereitstellung benötigten Tools und Dateiformate ständig weiterbilden, um Verbesserungen, Weiterentwicklungen sowie notwendige Wartungsarbeiten an den Simulationen auch in Zukunft vornehmen zu können.
• Bei Fehlermeldungen und technischen Hindernissen müssen die Lehrenden den Studierenden Support anbieten und auch leisten können.