AWIMAS – Maschinensimulationen in virtuellen Umgebungen

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Das Projekt entwickelt interaktive Lernszenarien für die Aus- und Weiterbildung von Maschinenführern und -führerinnen in der Bauindustrie. Hierzu verknüpfen die Forschenden E-Learning-Elemente mit Computersimulation und Virtuellen Realitäten (VR).

Arbeitsprozessorientiertes E-Learning

Ziel des Konzeptes ist es nicht, die Lerninhalte des E-Learning-Contents sequentiell aufzubereiten. Vielmehr entwickelt das Projektteam die einzelnen Themen der Ausbildungsverordnung als arbeitsprozessorientierte E-Learning-Module. Themenübergreifende und auftragsorientierte Aufgaben nach dem Modell der vollständigen Handlung sollen das praxisorientierte Handeln der Auszubildenden sowie ihre kreative Herangehensweise an Probleme in ihrem Arbeitsalltag fördern.

Statt die einzelnen Themen linear-chronologisch zu bearbeiten, sollen sich die Auszubildenden mit komplexen Aufgabenstellungen beschäftigen, die bestimmend für ihren Beruf sind. Damit orientiert sich das didaktische Konzept an den Arbeitsprozessen der Betriebe und gibt dem Lernenden die Möglichkeit, praktische Erfahrungen zu sammeln.

Arbeitsaufgaben sind an reale Arbeitsprozesse angelehnt

Die methodisch-didaktische Grundlage für das E-Learning-Konzept bildet das Modell der vollständigen Handlung: Dabei stellt ein beruflicher Arbeitsprozess eine möglichst vollständig aufgefasste Arbeitshandlung zur Erfüllung eines betrieblichen Ablaufs dar. Das Modell gibt typische Schrittfolgen im Lernprozess vor, die die Lernenden bei der Bewältigung von Arbeitshandlungen nachvollziehen. Ein Arbeitsprozess lässt sich somit sowohl inhaltlich als auch methodisch darstellen. Als Ausbildungsmethode hat das Projekt die Lernaufgabe gewählt.

Lern- und Arbeitsaufgaben sind aus realen Arbeitsprozessen für das Lernen abgeleitete, didaktisch gestaltete Aufgaben. Das authentische und ganzheitliche Lernen steht bei dieser aufgabenorientierten und arbeitsintegrierenden Methode im Vordergrund. Sie ist lernaufgabenorientiert und eine arbeitsintegrierende Lehr-/Lernform. Das authentische und ganzheitliche Lernen steht im Vordergrund.

Instruktionen und selbstständig zu lösende Probleme dienen als Basis

Für das vorliegende Konzept haben die Projektbeteiligten eine Kombination aus Instruktion und Problemlösung als Lehrstrategie gewählt: Die Lernmodule vermitteln Wissen auf der Basis von Instruktionen. Zudem enthalten sie Komponenten, bei denen die Lernenden selbstständig Probleme und Aufgaben lösen.

Kombination aus traditionellen Präsenzphasen und E-Learning

Die Bearbeitung der Lernaufgaben findet nicht in einem reinen Präsenzlernen statt, sondern diese sind in eine Lernumgebung integriert. Das didaktische Konzept muss daher dem Blended-Learning-Ansatz entsprechen, einer Kombination aus traditionellen Unterrichtseinheiten (Präsenzphasen) und E-Learning-Anteilen (virtuelle Phasen).

Um eine optimale Ausbildung zu gewährleisten, erfolgt die Bearbeitung der Lernaufgabe in drei Schritten (siehe Abbildung 1):

  • Lösen der vorgegebenen Lernaufgabe im Lernmodul (Bildschirmorientiertes Training)
  • Durchführen notwendiger Übungen im Simulator (Simulationsbasiertes Training)
  • Ausführen des damit verbundenen Arbeitsprozesses in der Praxis (zum Beispiel auf dem Übungsgelände)
Schaubild zeigt die Schritte einer Lernaufgabe. Virtuelle Phasen: Bildschirmorientiertes Training, Simulationsbasiertes Training. Präsenzphasen: Praxis.
Abb. 1: Bearbeitung einer Lernaufgabe in drei Schritten

Das simulationsbasierte Training findet in einer eigens dafür eingerichteten VR-Umgebung – in „Sitzkisten“ oder Simulationskabinen (siehe Abbildung 2 und 3) statt. Dort interagieren die Lernenden mit einer virtuellen Welt, in die sie „eintauchen“. Die von ihnen bediente virtuelle Baumaschine übt auf die virtuelle Bauumwelt (simulierte) Kräfte aus. Daraufhin leistet die virtuelle Umwelt (simulierten) Widerstand, was sich in einer Maschinenreaktion äußert (im Extremfall Umsturz). Auf diese Weise können die Lernenden unmittelbar die Auswirkungen ihrer Handlungen erkennen. Damit ermöglicht das simulationsbasierte Training exploratives Lernen. Das heißt, die lernenden können die VR-Umgebung erkunden, indem sie diese experimentierend beeinflussen und die Folgen ihres Handelns beobachten.

Foto: Das Bild zeigt einen jungen Mann in einem Stuhl mit einer Steuerungseinheit, über die er das Geschehen auf einem Bildschirm vor ihm steuert
Abb. 2: Beispiel für VR-Umgebung „Sitzkiste“ mit 3D-Monitor (TU Dresden)
Foto: Fahrerkabine mit mehreren Beamern
Abb. 3: Beispiel für VR-Umgebung
Foto: Einbauarbeiten für zwei Simulationskabinen im überbetrieblichen Ausbildungszentrum Glauchau
Abb. 4: Einbauarbeiten für zwei Simulationskabinen

Beispiel 1:

Thema des Lernmoduls: Wartung des Motorölkreislaufs beim Dieselmotor

Arbeitsschritt im Lernmodul:

Kontrolle des Motoröldrucks
Lernaufgabe (Teilaufgabe): Beschreibung des Vorgehens bei der Kontrolle des Motoröldrucks

Simulationsszenarien:

Erkennen von Motoröldruckproblemen im virtuellen Arbeitsprozess sowie angemessene Reaktion (zum Beispiel Abstellen der Maschine und Prüfung)

Lernaufgabe (Praxis):

Führen der Maschine, Ordnungsgemäße Durchführung einer Kontrolle des Motoröldrucks

 

Screenshot: Behandlung des Themas im Lernmodul, Abbildung zeigt Bedien- und Anzeigeeinheit mit roter Kontrollleuchte
Abb. 5: Behandlung des Themas im Lernmodul, Abbildung zeigt Bedien- und Anzeigeeinheit mit roter Kontrollleuchte
Foto: Mann, der eine universelle Bedien- und Anzeigeeinheit für Virtual Reality (VR)-Simulationsumgebung (Tablet) bedient
Abb. 6: Universelle Bedien- und Anzeigeeinheit für Virtual Reality (VR)-Simulationsumgebung (Tablet)
Foto: Variante einer Bedien- und Anzeigeeinheit mit ähnlicher Symbolik in der Maschine
Abb. 7: Variante einer Bedien- und Anzeigeeinheit mit ähnlicher Symbolik in der Maschine


Beispiel 2:

Thema des Lernmoduls: Bautechnologische Grundlagen beim Führen von Geräten für Erdbauarbeiten

Arbeitsschritt im Lernmodul:

Be- und Entladeprozess mit einem Radlader

Lernaufgabe (Teilaufgabe):

Erläuterung der theoretischen Grundlagen zur optimalen Aufstellung von Baugerät und Transportmittel zum Ladegut beim Beladeprozess

Simulationsszenarien:

Ausführung des Y-Spiels im virtuellen Arbeitsprozess, Übungsszenario zum Beladeprozess

Lernaufgabe (Praxis):

Führen der Maschine, Ordnungsgemäße Durchführung einer Kontrolle des Motoröldrucks

Grafik: Behandlung des Themas im Lernmodul. Abbildung zeigt Theorie für optimale Aufstellung beim Y-Ladespiel. Es handelt sich dabei um eine Y-förmige Fahrstrecke für den Bagger mit einem Winkel von 45 bis 60 Grad
Abb. 8: Behandlung des Themas im Lernmodul, Abbildung zeigt Theorie für optimale Aufstellung beim Y-Ladespiel
Ausschnitt aus einem virtuellen Übungsszenario: Bagger beim Be- und Entladen
Abb. 9: Virtuelles Übungsszenario
Zwei Fotos: Beladen am Silo und Entladen in den LKW. das Gezeigte dient zur Demonstration des Y-Ladespiels.
Abb. 10: Y-Ladespiel (Laden aus Silo, Entladen in LKW)

Lernmodul ist in fünf Komponenten unterteilt

Die lernfördernde Gestaltung der Aufgaben in multimedialer Form soll sich an einem ganzheitlichen Arbeitsprozess orientieren und auch fachliche Inhalte vermitteln. Dabei sollen die Aufgaben, die es in den Lernmodulen zu bearbeiten gilt, dem Modell der vollständigen Handlung gerecht werden. Das Modul besteht daher aus fünf Hauptkomponenten:

  • Einführung
  • Lernaufgabe
  • Arbeitsprozess
  • Wissen
  • Abschluss

Die Lernaufgabe stellt dabei die zentrale Komponente dar. Die weiteren Komponenten liefern die notwendigen Informationen und das erforderliche Wissen, um die Lernaufgabe zu lösen. Den Rahmen des Moduls bilden eine Einführung und ein Abschluss. Damit stellt es eine in sich geschlossene Einheit dar. Die fünf Hauptkomponenten beinhalten jeweils untergeordnete Modulkomponenten: Dabei müssen die Auszubildenden bei einigen Komponenten eine lineare Abfolge bei der Bearbeitung beachten, bei anderen Komponenten wiederum nicht (siehe Abbildung 4 und 5).

Schaubild: Die Grafik beinhaltet eine Übersicht über die genaue Modulstruktur und somit über das mikrodidaktische Konzept.
Abb. 11: Darstellung der Modulstruktur (Mikrodidaktisches Konzept)
Screenshot aus einem der Lernmodule zu dem Thema Kontrolle des Motorölstandes
Abb. 12: Praktische Umsetzung des mikrodidaktischen Konzeptes in den Lernmodulen