COMPASS MAGAZINE #10
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VIRTUELLES TRAINING Simulationen sind mehr als nur Spaß und Spiel

Die Ausbildung von Technikern und Ingenieuren erfordert teure, empfindliche und manchmal gefährliche Ausstattung. Virtuelle Labore bieten hier leistungsstarke digitale Lehrmittel, die es Studierenden und Lehrern ermöglichen, die Einschränkungen der physischen Welt zu überwinden und sicher zu trainieren.

Das Internet revolutioniert unser Ausbildungswesen mit MOOCs (Massive Open Online Courses), Fernunterricht, umgedrehtem Unter ­ richt und vielem mehr. Auch wenn sich diese Online­Lehrmittel bereits bewährt haben, ist für die Erlernung bestimmter Fähigkeiten noch immer ein praktisches Training nötig. Wie wird in einem Kernkraftwerk gearbeitet, wie läuft der Betrieb auf einer Bohrinsel? Das virtuelle Labor bietet praktische Erfahrungen in einer Umgebung, wo ein Fehler nicht schlimm ist und nichts in die Luft fliegt.

Mit 3D­Simulation interagiert der Lernende mit digitaler Ausstattung, die sich wie das tatsächliche Gerät verhält. So wird ein flexibler Aufbau geboten, um durch praktische Übung ein Verständnis zu erlangen. Die Idee, von der über 20 Jahre geträumt wurde, nahm mit dem Auftauchen von Computing­Tools, die leistungsstark genug waren, um diese rechenintensiven Programme auszuführen, Form an.

„Physische Systeme sind hervorragende Lehrmittel, müssen aber mit der Zahl der Studenten multipliziert werden, so dass jeder von ihnen sie gleichzeitig benutzen kann“, erklärt Frédéric Xerri, Lehrer für Maschinenbau an der Louis Armand Highschool in Nogent­sur­ Marne, Frankreich. „Für die praktischen Übungen in meinem Lehrplan zum industriellen Produktdesign setze ich Hightech­Ausstattung ein. Einige physische Modelle kosten zwischen 10.000 und 15.000 Euro. Das bedeutet finanzielle Schwierigkeiten, selbst wenn ich die Studenten in kleine Gruppen zusammenfasse. Dank des virtuellen Labors können die Studenten an einem realistischen Modell des Tools auf ihren Computern arbeiten und dann abwechselnd das reale System ausprobieren. Diese ‚cyber­physische‘ Kombination optimiert die Zeit, die am realen Modell verbracht wird und bietet eine lehrreichere Erfahrung.“ Lernende können darüber hinaus in der virtuellen Welt Fehler ohne Konsequenzen machen, was sie besser darauf vorbereitet, mit heiklen physischen Anlagen umzugehen.

ANWENDUNGEN IN DER ROBOTIK

Das Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), eine Universität in Atlanta, die virtuelles Engineering zu ihren Fachgebieten zählt, organisiert Sommer­Workshops für Besucher der Highschool. Hier nutzen die Teenager LEGO Mindstorms NXT2, ein beliebtes Einführungskit für Programmierung und Robotik, das als virtuelle Form von praktischem Training fungiert.

„PHYSISCHE SYSTEME SIND HERVORRAGENDE LEHRMITTEL, MÜSSEN ABER MIT DER ZAHL DER STUDIERENDEN MULTIPLIZIERT WERDEN, SO DASS JEDER VON IHNEN SIE GLEICHZEITIG BENUTZEN KANN.”

FRÉDÉRIC XERRI LEHRER FÜR MASCHINENBAU, LOUIS ARMAND HIGHSCHOOL, FRANKREICH

„Die Schüler müssen Roboter bauen, die einen Hinderniskurs bewältigen“, erklärt Forschungsingenieur Srujal Patel, der die Studierenden beaufsichtigt. „Das schaffen sie aber nicht mit LEGO allein. Sie müssen die fehlenden Teile selbst entwerfen.“ Die Studierenden testen alles auf dem Computer und starten mit dem 3D­Druck ihrer Roboter erst dann, wenn ihre virtuellen Tests abgeschlossen sind. Studierende an unterschiedlichen Standorten können zugleich und gemeinsam an digitalen Modellen arbeiten. Sie können ihre Modelle optimieren, ohne am gleichen Rechner sitzen zu müssen. So entsteht vor der Herstellung ein optimierter Roboter.

VORTEILE UND TEAMARBEIT

Die Begeisterung der Lehrer lässt wenig Raum dafür, am Erfolg dieser Methoden zu zweifeln. „Es ist verlockend, alles virtuell zu machen, besonders für Studierende, die im digitalen Zeitalter geboren wurden“, gibt Xerri zu. „Glücklicherweise müssen wir die Arbeit unserer Studierenden immer überprüfen und konkret bewerten. Nichts kann das Erfolgserlebnis ersetzen, wenn wir sehen, dass das Objekt, das wir uns
vorgestellt haben, tatsächlich funktioniert.“ Ein weiterer Vorteil dieser Art des Lernens ist, dass es die falsche Handhabung oder Zerstörung eines physischen Modells verhindert und die Gefahr von Unfällen, die durch Unachtsamkeit verursacht werden, eliminiert.

Hersteller von Ausbildungsausstattung betrachten diesen Vorstoß in die digitale Welt als einen positiven Trend. „Wir liefern hochwertige Anlagen und möchten natürlich, dass sie sich rentieren“, sagt Dr. Tom Lee, Ausbildungs leiter im kanadischen Ontario bei Quanser, einem führenden Hersteller von Ausbildungsausstattung, darunter Gyroskope, Helikopter, mechanische Arme und Pendel. „Um die Einsatzkosten pro Studierendem zu reduzieren, haben wir mit CAD­Spezialisten zusammenge­ arbeitet, um sowohl unsere Tools als auch deren virtuelle Gegenstücke anbieten zu können. Das erlaubt uns den Zutritt zu Märkten, die uns sonst verschlossen geblieben wären.“

Die Pioniere des virtuellen Trainings bahnen sich einen Weg, den viele andere Ausbilder vermutlich auch einschlagen werden. Insbesondere in Ländern, in denen der Zugang zu Ausbildung eingeschränkt oder nicht vorhanden ist, kann das virtuelle Training die Tür zu dringend benötigtem Wissen und zu mehr Möglichkeiten öffnen. ◆

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von Martin Koppe