Hybride Lehrkonzepte mit Telepräsenzrobotern

In den Bereichen Maschinenwesen und Medizin der Technischen Universität Dresden wird getestet, wie sich Telepräsenzroboter (TPR) in der Hochschullehre einsetzen lassen. Im folgenden Kurzbericht erläutern Caroline Wermann, Anne Röhle, Jonas Mailach, Marie-Christin Willemer und Prof. Dr. Stefan Odenbach aktuelle technische Grenzen und Möglichkeiten dieser Form der robotergestützten Videokonferenz im Rahmen von Lehrveranstaltungen.
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An der Technischen Universität Dresden wird in den Bereichen Maschinenwesen und Medizin in zwei Teilprojekten (PraktikaHybrid und TelePräsenz) des von der Stiftung Innovation in der Hochschullehre geförderten Projekts virTUos der Einsatz von Telepräsenzrobotern (TPR) in der Lehre erprobt. TPR unterscheiden sich von klassischen Videokonferenzsystemen dadurch, dass die Roboter über Fernzugriff steuerbar sind und somit autonom bewegt werden können (Wolff & Möller, 2021).

Es soll untersucht werden, welche Voraussetzungen für den Einsatz von TPR gegeben sein müssen und wie zufrieden die Lernenden damit sind. Dabei werden sowohl technische als auch didaktische Aspekte berücksichtigt.  

Einsatzbereiche von Telepräsenzrobotern (TPR)

Der Einsatz von TPR eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur Inklusion von Personen, die bisher z. B. aufgrund gesundheitlicher, familiärer oder beruflicher Einschränkungen an Veranstaltungen nicht teilnehmen konnten. Außerdem erlauben TPR Einblicke in bisher unzugängliche Lernumgebungen (bspw. Versuchsanlagen mit hohen Sicherheitsauflagen, Bereiche mit besonderen Anforderungen an Strahlen- oder Infektionsschutz, Räume und Situationen, welche nur einer begrenzten Anzahl an Menschen zugänglich gemacht werden können). Solche virtuellen Exkursionen können mithilfe der Roboter flexibler gestaltet werden, da räumliche Begrenzungen (bspw. in Bezug auf die mögliche Anzahl der Besucherinnen und Besucher) und Anfahrtswege entfallen. In den Teilprojekten PraktikaHybrid und TelePräsenz werden zwei verschiedene Ansätze des Einsatzes der TPR verfolgt, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Roboter stellen. 

Im Maschinenwesen sollen die TPR eingesetzt werden, um einer großen Anzahl Studierender Einblicke in Labore, Versuchsanlagen und aktuelle Forschung zu bieten. Die TPR sollen im Rahmen von Vorlesungen verwendet werden. Anstatt Fotos oder Videos anzuschauen, könnten Versuchsanlagen synchron zur Vorlesung besucht und aktiv erkundet werden. Die Studierenden werden in die Gestaltung der Lehrveranstaltung eingebunden und erschließen sich eigenständig den Kontext der theoretischen Inhalte. Mit dieser Funktionalität kann eine Veranstaltung um einen authentischen Lernraum erweitert werden, der die universitäre Lehre mit der Arbeitswelt verbindet.

Laborbesichtigung mittels TPR
Abbildung 1: Studierende besichtigen ein Labor mittels TPR (Foto: Professur für Magnetofluiddynamik, Mess- und Automatisierungstechnik).

In Abbildung 1 ist zu sehen, wie ein Student mittels TPR ein Labor besichtigt. Er kann das Labor dabei eigenständig durchfahren und sich die Aspekte genauer anschauen, die ihn konkret interessieren. Gleichzeitig kann er sich mit den Experten vor Ort austauschen.

In Präsenz könnten sich aus Platz- und Sicherheitsgründen nur etwa drei Studierende gleichzeitig den Aufbau und die Funktionsweise des dort befindlichen Axialgebläses anschauen. Der TPR soll jedoch nicht nur für die Eins-zu-eins-Kommunikation verwendet werden, sondern Bild und Ton über das Multimedia-System des Hörsaals für die Zuschauenden übertragen. Mit einem zentralen Laptop können Studierende den Roboter abwechselnd steuern, während Fragen mit den Vortragenden direkt über den TPR diskutiert werden können. Wie eine solche Situation im Hörsaal aussehen kann, ist in Abbildung 2 zu erkennen. 

TPR-Steuerung im Hörsaal
Abbildung 2: Studierende lernen den TPR zu steuern – ein Einblick in den Hörsaal (Foto: Professur für Magnetofluiddynamik, Mess- und Automatisierungstechnik).

Im Projekt TelePräsenz der Medizinischen Fakultät werden die TPR zunächst im Rahmen der Lehre des Medizinischen Interprofessionellen Trainingszentrums (MITZ) eingesetzt. Das MITZ ist ein Skills Lab, in dem Studierende praktische und kommunikative Kompetenzen, wie beispielsweise Gesprächsführungstechniken und Basisfertigkeiten wie Blutabnehmen oder Herz-Kreislauf-Wiederbelebung, für ihren späteren Berufsalltag erlernen. Die Lehre erfolgt in Kleinstgruppen mit bis zu fünf Studierenden, nach dem Peer-Teaching-Konzept und nach dem Rotationsprinzip. Pro Trainingstag werden fünf bis sechs Unterrichtseinheiten durchlaufen. Studierende, die via TPR teilnehmen, erhalten eine Kurzanleitung für den Umgang mit dem TPR sowie einen Zugangscode, mit dem sie auf den Roboter zugreifen können. Die in Präsenz Anwesenden werden vor Beginn des Trainings darüber informiert, dass eine Kommilitonin oder ein Kommilitone via TPR zugegen ist. Die Peer-Tutorinnen und -Tutoren beziehen die remote Teilnehmenden analog den in Präsenz Teilnehmenden in die Lehre ein, indem diese in Gesprächen, Frage- und Feedbackrunden zu Wort kommen (Abb. 3).

TPR im MITZ
Abbildung 3: TPR im MITZ (Foto: Stephan Wiegand) und Teilhabe aus Sicht eines Online-Teilnehmers

Eine praktische Übung der manuellen Fertigkeiten kann mittels TPR nicht erfolgen. Allerdings können die via TPR-Teilnehmenden die Abläufe erklären, während die in Präsenz Anwesenden entsprechend der Erklärung die Handlung ausführen. Der Betreuungsaufwand für den TPR seitens des MITZ besteht in der Versendung des Zugangscodes und des Anschaltens des TPR. Sofern keine technischen Probleme auftreten, durchläuft der TPR die Unterrichtseinheiten autark, gemeinsam mit den Studierenden.

Erfahrungen in der Umsetzung hybrider Lehrkonzepte mit TPR

Getestet wurden die beiden Konzepte von Versuchsgruppen mit jeweils acht Teilnehmenden. Anschließend an die Testphase hatten die Studierenden Gelegenheit, ihre Erfahrungen mit den Robotern in einem offenen Interview bzw. einem Fragebogen mitzuteilen. Der Einsatz der TPR wurde von den Studierenden in beiden Fachbereichen trotz technischer Probleme positiv beurteilt. Folgende Punkte wurden allerdings kritisiert:

Wenn die Ausrichtung der Kamera und somit des „Kopfs“ des Roboters geändert wird, erzeugen die Motoren ein Geräusch, das von in Präsenz Teilnehmenden auf Dauer als störend empfunden wird. Die Mikrofone der TPR befinden sich nahe an den Motoren, weshalb sie während der Bewegung automatisch ausgeschaltet werden. Dadurch können die Steuernden in dieser Zeit nicht dem Vortrag bzw. Gespräch folgen. Auch das Geräusch, das durch den Antrieb erzeugt wird, ist so laut, dass es Sprechende übertönt und somit als belastend wahrgenommen wird. Es wurde außerdem festgestellt, dass der Roboter beim Überfahren kleiner Schwellen bereits instabil wird und sogar kippen kann. 

Beim Zurücklegen von Wegstrecken mit dem Roboter kommt es teilweise zum Abbruch der Internetverbindung. Dies ist mutmaßlich auf den Wechsel verschiedener Netzwerk-Accesspoints zurückzuführen. Da sich der TPR nicht automatisch neu verbindet, wird der aktuelle Anruf abgebrochen und muss neu gestartet werden.

Besonders hervorgehoben wurde die mangelhafte Video- und Tonqualität, die die Teilhabe an den Veranstaltungen erschwert und so die Kommunikation zwischen den verschiedenen Ebenen behindert. Bei der Steuerung zeigte sich außerdem ein deutlicher zeitlicher Versatz zwischen Steuerungsbefehl und Ausführung durch den Roboter. Dies ist sowohl für die Steuernden als auch die Zuschauenden belastend und führt nach einiger Zeit zu Kopfschmerzen und Übelkeit. Der Zeitversatz erschwert zusätzlich die Steuerung, sodass diese die volle Konzentration erfordert. Es konnte festgestellt werden, dass die Studierenden selbst bei Problemen, bspw. Zeitmangel, dies nicht über den TPR meldeten. Es scheint, als gäbe es hier eine Hemmschwelle in der Kommunikation über digitale Medien. 

Die Roboter verfügen über Abstandssensoren am „Fuß“, die zuverlässig verhindern, dass sie gegen Wände fahren oder Treppen herunterfallen. Problematisch ist dies bspw. nur bei Tischen, da diese nicht als Hindernis erkannt werden. Es hat sich jedoch bewährt, Absperrband zu verwenden, um so den befahrbaren Bereich abzugrenzen. Nähert sich der Roboter einem Hindernis, erscheint auf dem Bildschirm ein Warnhinweis und später wird der Bildschirm rot umrandet. Während der Fahrt ist dies hilfreich. Die Hinweise werden jedoch auch ausgelöst, wenn der Roboter steht und sich z. B. eine Person dem Roboter nähert oder jemand zu ausladend gestikuliert. In diesen Situationen werden die Hinweise als aufdringlich und ablenkend wahrgenommen.

Neben den technischen Herausforderungen hat sich gezeigt, dass sowohl Lehrende als auch Studierende im Umgang mit den Robotern geschult werden müssen. Dies betrifft nicht nur die Steuerung, sondern vor allem den Umgang mit Problemen. Der Test im Bereich Maschinenwesen hat gezeigt, dass es für die Vortragenden schwierig ist, die Situation im Hörsaal richtig einzuschätzen. Der Kontakt zu den Studierenden ist auf eine Person begrenzt und wird zusätzlich dadurch erschwert, dass sich diese vor allem auf die Steuerung konzentriert.

Die Nutzung der TPR in diesem Szenario erfordert außerdem eine Anpassung des Vortragstils. Da der Umgang damit auch für die Studierenden neu ist und ggf. eine Hemmschwelle in der Kommunikation besteht, liegt es an den Vortragenden, aktiv den Dialog suchen. Außerdem sollte Raum gelassen werden, damit die Studierenden sich das Labor oder den Versuchsstand eigenständig anschauen können. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Studierenden für die Steuerung Zeit benötigen. Gleichzeitig müssen die Teilnehmenden wiederholt ermutigt werden, sich bei Problemen zu melden.

Fazit

Die bisherigen Erfahrungen und Befragungsergebnisse in den Bereichen Medizin und Maschinenwesen zeigen, dass der Einsatz des TPR für Studierende eine Möglichkeit zur Teilhabe darstellt. Die Studierenden erkennen das Potenzial und sind aufgeschlossen und neugierig, diese Technologie zu nutzen. Aber sowohl für in Präsenz Anwesende als auch digital Teilnehmende kann der TPR durch technische Unzulänglichkeiten eine Belastung darstellen. Verbesserungen der verwendeten Modelle, vor allem bzgl. Ton- und Videoqualität, Motorengeräusche und Internetverbindung, sind zwingend notwendig. Die aktuellen technischen Probleme verhindern, dass ein Dialog über den TPR stattfindet und dieser aktiv zum Erkunden eingesetzt wird. Die Funktionalität des Roboters wird somit erheblich reduziert. 

Die Nutzung der Roboter bietet jedoch eine Alternative zur Teilnahme an Veranstaltungen in Präsenz und ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil inklusiver Lehre. Durch die Flexibilität der TPR können bisher unzugängliche Lernumgebungen erschlossen und Lehrangebote somit praxis- und studierendenzentriert gestaltet werden. Wenn es gelingt, die technischen Aspekte zu verbessern, kann der Einsatz von TPR in der Lehre Barrieren abbauen und gemeinschaftliches Lernen ortsunabhängig ermöglichen.

Über das Projekt virTUos an der TU Dresden

Der Einsatz von Telepräsenzrobotern in der Lehre ist einer der Schwerpunkte der beiden virTUos-Teilprojekte PraktikaHybrid und TelePräsenz in den Bereichen Maschinenwesen und Medizin an der TU Dresden.

Das Projekt virTUos (virtuelles Lehren und Lernen an der TU Dresden im Open-Source-Kontext) ist ein fachübergreifendes Verbundprojekt der Bereiche Maschinenwesen, Medizin, Sprachwissenschaft und Wirtschaftswissenschaften. virTUos hat dabei die Entwicklung digital unterstützter Lehre sowie moderner Lehr-Lernkonzepte zum Ziel. Darüber hinaus sollen insulare Lösungen durch eine universitätsübergreifende Strategie für digital gestütztes bzw. hybrides Lehren und Lernen ersetzt werden. Das Projekt wird durch die Stiftung Innovation in der Hochschullehre (StIL) in der Förderlinie „Hochschullehre durch Digitalisierung stärken“ gefördert. 

Über die Autorinnen und Autoren

Prof. Dr. rer. nat. habil. Stefan Odenbach ist Inhaber der Professur für Magnetofluiddynamik, Mess- und Automatisierungstechnik an der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden.

Caroline Wermann ist wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Professur für Magnetofluiddynamik, Mess- und Automatisierungstechnik an der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden.

Marie-Christin Willemer ist Leiterin des Medizinischen Interprofessionellen Trainingszentrums (MITZ) an der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der Technischen Universität Dresden.

Anne Röhle ist wissenschaftliche Mitarbeiterin und stellvertretende Leiterin des Medizinischen Interprofessionellen Trainingszentrums (MITZ) an der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der Technischen Universität Dresden.

Jonas Mailach ist studentischer Mitarbeiter am Medizinischen Interprofessionellen Trainingszentrum (MITZ) an der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus der Technischen Universität Dresden.

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