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Leibniz Universität Hannover
Universität Kassel
Universität Paderborn
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Foto: Adelheid Rutenburges

E-Learning-Elemente zur Unterstützung des Studieneinstiegs in den Bachelor- und Masterstudiengängen der Elektrotechnik

Kurzbeschreibung

In der Eingangsphase der Bachelorstudiengänge Elektrotechnik verfügen die Studierenden häufig nicht über die benötigten Mathematikkenntnisse, um gezielt mit den technischen Veranstaltungsinhalten umzugehen. Entsprechende Kompetenzen werden dabei erst später in den Veranstaltungen der höheren Mathematik vermittelt. Eine weitere Herausforderung sind die heterogenen Eingangsvoraussetzungen der Studierenden. Eine ähnliche Situation ergibt sich in der Eingangsphase der internationalen Masterstudiengänge Elektrotechnik. Hier verfügen die Studierenden aufgrund unterschiedlicher Lehrpläne verschiedener Herkunftsländer ebenfalls über heterogene Eingangsvoraussetzungen und Mathematikkenntnisse. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden verschiedene E-Learning-Elemente wie spezielle Wikis, innovative Webanwendungen und 3D Lehrvideos zur Unterstützung der Studierenden entwickelt und evaluiert.

Bachelorstudiengänge Elektrotechnik

Ein Beispiel aus den Bachelorstudiengängen ist die Lehrveranstaltung Grundlagen der Elektrotechnik A des GET Labs an der Universität Paderborn. Hier werden unter anderem elektromagnetische Felder behandelt. Dabei müssen die Studierenden beispielsweise mit Mehrfachintegralen (z. B. Gaußsches Gesetz der Elektrostatik) unter Verwendung unterschiedlicher Koordinatensysteme umgehen (z. B. Kugelkoordinaten). Zur Unterstützung der Studierenden wurde daher ein Online-Angebot auf Basis eines Wikis entwickelt (GET A Wiki), das im Rahmen eines Blended Learning-Ansatzes in die Lehrveranstaltung integriert wird. Dabei wird das Wiki zum einen systematisch in den Präsenzveranstaltungen eingesetzt, um kurze mathematische Exkurse zu realisieren. Zum anderen sind die Studierenden dadurch regelmäßig in Kontakt mit dem Wiki und werden zur Aufarbeitung individueller Schwierigkeiten außerhalb der Präsenzveranstaltungen motiviert. Dazu sind die Kursmaterialien auch systematisch mit dem Wiki verlinkt. Die nachfolgende Abbildung verdeutlicht den Ansatz:

Abb. 1: Visualisierung des Blended Learning-Ansatzes

Damit werden mathematische Themen unmittelbar im Kontext der technischen Veranstaltungsinhalte vermittelt (Situierter Ansatz, Mathematik on Demand). Der Fokus liegt dabei auf spezifischen Schwerpunktthemen, die im Rahmen einer innerhalb der Lehrveranstaltung durchgeführten Studie als besonders schwierig identifiziert wurden. Neben unterschiedlichen Arten von Artikeln und Übersichtsseiten enthält das Wiki verschiedene interaktive Webanwendungen, Videos mit 3D Animationen, deskriptive Grafiken und quizzartige Aufgaben zur Selbstkontrolle. Damit lassen sich komplexe technisch-mathematische Zusammenhänge in vergleichsweise kurzer Zeit verdeutlichen. Bei den Videos liegt der Fokus speziell auf Kompetenzen der mathematischen Modellierung, des Umgangs mit mathematischen Symbolen und Formalismen sowie mathematischer Argumentation im Kontext elektromagnetischer Felder. Verschiedene Evaluierungen zeigen die hohe Akzeptanz des Ansatzes durch die Studierenden und deutliche Indizien für dessen Wirksamkeit.

Masterstudiengänge Elektrotechnik

Aufgrund des Erfolgs des Ansatzes wurde dieser auf die Lehrveranstaltung Robotics des GET Labs im internationalen Masterstudiengang Electrical Systems Engineering übertragen (Robotics Wiki). Die spezifischen Schwerpunktthemen sind hierbei insbesondere die Kinematik und Dynamik von Roboterarmen und mobilen Robotern. Neben den mathematischen Inhalten werden mit dem Wiki insbesondere auch fachspezifische Kompetenzen vermittelt. Außerdem stehen Matlab- bzw. Octave-basierte Simulationen aus dem Bereich der Robotik zur Verfügung, die direkt im Browser ausgeführt werden können, ohne weitere Software zu installieren. Auf diese Weise wird eine systematische Verknüpfung von Theorie und Praxis erreicht.

Ausgewählte Publikationen

Hennig, M., Mertsching, B. (2017). Innovative 3D Animations for Teaching Electromagnetic Field Theory and its Mathematics in Undergraduate Engineering. Proc. of the 3rd International Conference on Higher Education Advances, S. 625-632.

Nickchen, D., & Mertsching, B. (2016). Combining Mathematical Revision Courses with Hands-on Approaches for Engineering Education Using Web-based Interactive Multimedia Applications. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 228, S. 482-488.

Hennig, M., Mertsching, B., & Hilkenmeier, F. (2015). Situated Mathematics Teaching Within Electrical Engineering Courses. European Journal of Engineering Education, 40(6), S. 683-701.

Hennig, M., Gaspers, D., & Mertsching, B. (2013). Interactive WebGL-based 3D Visualizations for Situated Mathematics Teaching. Proc. of the 12th International Conference on Information Technology Based Higher Education and Training.

Auszeichnungen

Aufgrund der Empfehlung der Kommission für Lehre, Studium und Qualitätsmanagement wurde die Entwicklung von Teilen der E-Learning-Elemente mit dem Förderpreis für Innovation und Qualität in der Lehre der Universität Paderborn ausgezeichnet.

Die Übertragung des Ansatzes auf die Masterstudiengänge Elektrotechnik wurde vom Stifterverband der deutschen Wissenschaft gemeinsam mit der Daimler und Benz Stiftung sowie den Daimler-Fonds im Rahmen der Initiative MINTernational Digital ausgezeichnet und gefördert.

Sowohl die Lehrveranstaltung Grundlagen der Elektrotechnik A als auch Robotics werden regelmäßig mit dem E-Learning Label der Universität Paderborn ausgezeichnet.

Links zu abgeschlossenen Projekten

I-WIRE – Internationalization through Web-based Interactive Robotics Education:
http://getwww.uni-paderborn.de/research/completed/i-wire

Lehrinnovationen zur Mathematikausbildung in der Elektrotechnik (LEMMA):
https://www.khdm.de/ag-ing-math/lemma-lehrinnovationen-zur-mathematikausbildung-in-der-elektrotechnik/

Situierter Erwerb von Mathematikkenntnissen in den Ingenieurwissenschaften:
http://www.khdm.de/ag-ing-math/situierter-erwerb-von-mathematikkenntnissen-in-den-ingenieurwissenschaften/

Beispiele aus den Wikis

Abb. 2: Startseite des GET A Wikis
Abb. 3: Startseite des Robotics Wikis
Abb. 4: Interaktive Webanwendung zum Kugelkoordinatensystem aus dem GET A Wiki
Abb. 5: 3D Lehrvideo zum Gaußschen Gesetz der Elektrostatik aus dem GET A Wiki

[LINK zum Video]

Deskriptive Grafik zur rotatorischen Transformation aus dem Robotics Wiki
Ansprechpartner

Markus Hennig
Universität Paderborn

Büro:       P 1.7.08.4
Telefon:  +49 5251 60-2221
E-Mail:    hennig(at)get.uni-paderborn(dot)de

Ansprechpartner

Prof. Dr. Bärbel Mertsching
Universität Paderborn

Büro:        P 1.6.02
Telefon:  +49 5251 60-5293
E-Mail:     mertsching(at)get.uni-paderborn(dot)de