Computergestütztes Lernen in den Ingenieurwissenschaften

Projekt:

Virtuelle Labors im ingenieurwissenschaftlichen Fernstudium

Stand der Forschung / eigene Vorarbeiten

Unter "virtuellem Labor" wird hier eine computergestützte Lernumgebung verstanden, deren Kernstück ein Simulationsprogramm ist, das Elemente von Laborsituationen oder Laborexperimenten so auf dem Bildschirm abbildet, daß die Interaktion mit dem Programm ein realitätsanaloges Handeln ermöglicht. Das für Messungen relevante (physikalische, logische) Verhalten der Elemente eines Experiments wird vom Programm simuliert. (Beispiele dafür sind die Lernumgebung MacFrog oder die Simulationsumgebung ELS (Electronics Laboratory Simulator) des Center for Innovation in Engineering Education (CIEE) der Vanderbilt-Universität). Solche Programme sind als Lern- und Arbeitsumgebungen anzusehen, die den Aufbau tragfähiger mentaler Modelle des experimentellen Arbeitens unterstützen können.

Erste Erfahrungen zeigen, daß virtuelle Labors in einer dem eigentlichen Praktikum vorgeschalteten Phase dazu dienen können, (1) die Zeit im eigentlichen Praktikum zu reduzieren, (2) die Nachfrage von Studierenden nach Hilfe und Anleitung während des Praktikums zu reduzieren und (3) die Zufriedenheit der Studierenden mit der Laborarbeit zu vergrößern (vgl. Mosterman u.a., 1994). Insbesondere die unter (1) genannte Funktion kann im Fernstudium Präsenzphasen entlasten oder die für Praktika benötigten Präsenzphasen verkürzen.

Im DIFF wurden im Projekt "Selbstlernzentren an Fachhochschulen" bei der Erstellung und Evaluation einer multimedialen Lernumgebung zur Schwingungslehre (SLICE) konkrete Erfahrungen mit der Herstellung computergestützter Lernumgebungen gewonnen (Harms, Krahn & Kurz, 1993). Wie in diesem Projekt wird hier davon ausgegangen, daß für den Aufbau komplexer Wissensstrukturen interaktives und exploratives Lernen förderlich und entsprechend anzuregen und zu unterstützen ist. Dies gilt auch für das eigenständige Experimentieren und Auswerten bzw. Analysieren von Meßergebnissen.

 

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist die Konstruktion eines virtuellen Labors und die Untersuchung seiner Effizienz im ingenieurwissenschaftlichen Fernstudium. Dabei interessiert vor allem die Wirksamkeit eines Einsatzes des virtuellen Labors in einer dem eigentlichen Praktikum vorgeschalteten Phase (Pre-Lab-Funktion). Es soll darüber hinaus untersucht werden, inwieweit das virtuelle Labor Ersatzfunktionen innerhalb eines Praktikums übernehmen kann (Lab-Funktion).

 

Arbeitsprogramm

Ausgehend von den vorliegenden Erfahrungen wird eine Lernumgebung konstruiert, die die Funktion eines virtuellen Labors übernehmen kann. Die Lernumgebung stellt darüber hinaus auf Anforderung der Studierenden gestuft theoretisches Wissen zur Verfügung, das zur Durchführung der Laboraufgaben und zur Einordnung und Interpretation des im Labor zu erwerbenden Wissens benötigt wird.

Dabei wird die tutorielle Komponente von Lernumgebungen verstärkt berücksichtigt, z.B. ein geführter Durchgang (guided tour) und eine kommentierte automatische Demonstration. Darüber hinaus sollen Aufgaben und Problemstellungen unterschiedlichen Schwierigkeitsgrades integriert werden. Hierbei ist zu beachten, welche Arten des Wissens durch die tutoriellen Komponenten unterstützt werden sollen und in welcher Ausführlichkeit und Art die tutorielle Komponente in die Lernumgebung zu integrieren ist (Leutner, 1993).

Das virtuelle Labor wird im Hinblick auf seine Effizienz untersucht. Der Schwerpunkt wird auf den Einsatz in der Pre-Lab-Funktion gelegt. Gefragt wird nach Lernerfolg und Zeitaufwand. Insbesondere interessiert, inwieweit die für die eigentliche Laborphase nötige Zeit dadurch reduziert wird und welcher Zeitaufwand auf die Vorbereitung mit dem virtuellem Labor entfällt. Als Kontrollgruppe dienen Studierende, die das Praktikum ohne Vorbereitung mit virtuellen Labors in herkömmlicher Weise absolvieren. Für diese Untersuchung wird auf bestehende Kooperationen mit technischen Fachhochschulen zurückgegriffen werden.

 

Literatur

Harms, U., Krahn, H. & Kurz, G. (1993). Konzeption eines Hypertext-/Hypermedia-Systems zur Schwingungslehre als Selbststudieneinheit im Grundlagenstudium. In A. Melezinek, & G. Kurz (Hg.), Ingenieurpädagogik. Brücke zwischen Lehre und Forschung. Referate des 22. Internationalen Symposiums "Ingenieurpädagogik '93" (S. 331-336). Darmstadt: LTV-Verlag.

Leutner, D. (1993). Guided Discovery Learning with Computer-Based Simulation Games: Effects of Adaptive and Non-Adaptive Instruction Support. Learning and Instruction, 3, 113-132.

Mosterman, P.J., Dorlandt, M.A.M., Campbell, J.O., Burow, C., Bouw, R., Brodersen, A.J. & Bourne, J.R. (1994). Virtual Engennering Laboratories: Design and Experiments.Journal of Engineering Education, 83, 279-285.

 

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