Computerbasierte Lehrmodelle für Technik – interaktive Animationen in der Hochschullehre
Für Lehrveranstaltungen in den Bereichen Energie-, Elektro- und Umwelttechnik wurden an der Universität Münster computerbasierte Lehrmodelle entwickelt, die technische Zusammenhänge anschaulich vermitteln. In interaktiven Animationen können Studierende Parameter verändern und deren Auswirkungen sofort sehen. Die Open-Source-Modelle sind frei nutzbar (MIT-Lizenz) und lassen sich über einen browserbasierten Editor flexibel anpassen.
Screenshot der interaktiven Anwendung „Konstruktion von Rotorblättern für Windkraftanlagen“
Eckdaten
Kann Lösungsansätze für folgende Problemstellungen der Lehre bieten:
- Hohe Komplexität der Lerninhalte
- Passivität der Studierenden
- Heterogenes Vorwissen
- Geringer Transfer in die Praxis
Eignet sich für folgende Virtualisierungsgrade:
- Anreicherung
Nutzt folgende Medieneigenschaften zur Unterstützung des Lernprozesses:
Als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Technik und ihre Didaktik der Universität Münster entwickelte Dr. Sebastian Rikowski unter der Leitung von Prof. Dr. Christian Hein computerbasierte Lehrmodelle für die universitäre Lehre, u. a. für Lehrveranstaltungen zur Energietechnik, Umwelttechnik und Elektrotechnik. Daraus entstand seine Dissertation „Die Entwicklung computerbasierter Lehrmodelle zur Vermittlung technischer Bildungsinhalte“ (Rikowski, 2014).
Ausgangspunkt war eine Erfahrung aus der Lehre: Studierenden fällt es schwer, aus einer bloßen Gleichung die Funktion und das Verhalten eines technischen Systems abzulesen. Die Animationen zeigen deshalb eine Prinzipdarstellung des Systems in Kombination mit den zugehörigen Diagrammen und Gleichungen. Lehrende und Lernende können das System 'befragen', indem sie Eingangsparameter verändern.
So können Studierende beispielsweise die Auswirkungen von Windgeschwindigkeit, Drehzahl oder Flügelzahl auf die ideale Rotorblattform einer Windkraftanlage beobachten.
Der Mehrwert:
- Unsichtbare Vorgänge (Magnetfelder, Elektronenfluss, Kräfte) und abstrakte Darstellungen (Diagramme, technische Zeichnungen) werden anschaulich.
- Die Gestaltung stützt sich auf empirisch fundierte Modelle der Wahrnehmungs- und Kognitionspsychologie (wie z. B. der Cognitive Load Theory, Mayers Multimedia-Theorie) sowie auf technische Normen und Konventionen.
- Prinzipdarstellungen von Systemen und abstrakte Darstellungen wie Diagramme, Gleichungen oder Vektoren werden synchron dargestellt.
- Der Weg vom Konkreten zum Abstrakten wird in kleinere Lernschritte unterteilt. Dies erleichtert das Lernen.
Erkenntnis aus mehreren Überarbeitungen:
- Weniger ist mehr.
- Ein- und ausblendbare Elemente und eine vertraute Bedienung erleichtern den Einstieg.
- Zu viele Regler kosten Platz und Aufmerksamkeit.
Mittlerweile sind die ursprünglichen Flash-Anwendungen in HTML5 neu entstanden und frei als Open Source (MIT-Lizenz) auf educational-animation.org auf deutsch und englisch, ohne Werbung und Anmeldung sowie einbettbar in Moodle verfügbar. Mit dem Open Animation Lab, einem Editor im Browser, können Lehrende und Studierende eigene Lehrmodelle erstellen oder vorhandene anpassen.
Medieneigenschaften zur Unterstützung des Lernprozesses
Lernende verstellen Parameter über Regler, Eingabefelder oder direktes Ziehen (z. B. Leiter im Magnetfeld, Anstellwinkel) und sehen die Wirkung sofort im Modell und im Diagramm.
Die Animationen sind jederzeit im Browser verfügbar. Studierende können den Lernstoff damit auch zu Hause in ihrem eigenen Tempo wiederholen und vertiefen. Mit dem Open Animation Lab lassen sich eigene Lehrmodelle erstellen.
Lösungsansätze für Problemstellungen der Lehre
Für die folgenden Problemstellungen kann das Praxisbeispiel Lösungsansätze bieten:
- Hohe Komplexität der Lerninhalte:
Gleichungen und Diagramme werden am konkreten, bewegten Modell sichtbar (z. B. Rotorblatt).
- Passivität der Studierenden:
Studierende stellen selbst ein und prüfen Vermutungen, statt nur zuzusehen.
- Heterogenes Vorwissen:
Studierende lernen in ihrem eigenen Tempo. Elemente lassen sich ein- und ausblenden. Der Einstieg erfolgt vom Konkreten zum Abstrakten.
- Geringer Transfer in die Praxis:
Die Modelle zeigen reale Anlagen nach technischen Normen (Windkraft, Motoren, Wärmepumpe).
Virtualisierungsgrad
Der Virtualisierungsgrad beschreibt das Verhältnis von analogen und digitalen Elementen in einem Lehr-/Lernszenario. Das Praxisbeispiel unterstützt die folgenden Virtualisierungsgrade:
- Anreicherung
Ressourcen
Soft- und Hardware
- Früher Adobe Flash; heute HTML5
- JavaScript
- SVG.js
- PixiJS
- Open Animation Lab (Editor im Browser)
- Beamer
Open Educational Resources
Weitere Informationen zum Praxisbeispiel
- Über das Projekt „Educational-Animation.org“
- Zur Dissertation: Rikowski, S. (2014). Die Entwicklung computerbasierter Lehrmodelle zur Vermittlung technischer Bildungsinhalte. Cuvillier Verlag.
Kontakt
Sie möchten mehr über das Praxisbeispiel erfahren? Hier können Sie Kontakt zu den Autorinnen und Autoren aufnehmen:
Dr. Sebastian Rikowski
educational-animation.org / vorher Universität Münster
Technikdidaktik
Düppenbäckerweg 2
45481 Mülheim an der Ruhr
webmaster@educational-animation.org
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