EPOT3D – Förderung des räumlichen Denkens im Grundlagenunterricht Elektrotechnik
Summary
In diesem Projekt wurde eine E-Learning-Umgebung für die Vermittlung der Grundlagen der Elektrotechnik an der Hochschule Luzern - Technik & Architektur realisiert. Ziel der Umgebung ist die Förderung eines fundierten Verständnisses für elektrische Netzwerke. Ein solches erfordert ein Potentialdenken, das auf dem räumlichen Vorstellungsvermögen aufzubauen hat. Nur wer in der Dimension der elektrischen Potentiale denken kann, verfügt über das notwendige Verständnis zur Analyse und zum Entwurf von Schaltungen. Die Schwierigkeit des konventionellen Unterrichts liegt darin, dass das räumliche Denken durch Lehrmaterial in Skript- oder Buchform nur mühsam aufgebaut werden kann. Neue elektronische Hilfsmittel wie z.B. Tablets, die einerseits über leistungsfähige 3D-Visualisierung und andererseits über Interaktionsmöglichkeiten über Touchscreens verfügen, sind dafür viel besser geeignet. Hinzu kommt, dass eine gut konzipierte elektronische Lernhilfe mit vielen interaktiven Elementen den Unterricht abwechslungsreicher macht - und Freude am Unterricht steigert den Lernerfolg. In der entwickelten Umgebung werden elektrische Netzwerke räumlich dargestellt. Für die elektrischen Potentiale steht die dritte Dimension zur Verfügung. Beginnend beim einfachen Spannungsteiler ermöglicht die 3D-Darstellung unmittelbar ein Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Spannungen, Strömen und Widerständen. Zentral dabei ist, dass das Verständnis über das räumliche Denken zustande kommt, das in der Folge auch zur Erfassung komplexerer Netzwerke zur Verfügung steht (die ebenfalls dargestellt werden können). Eine erste Version der Umgebung wurde als App für das Betriebssystem Android entwickelt. Zusätzlich wurde eine Portierung auf HTML 5 durchgeführt, um die Umgebung als SCORM-Lernmodul in einem LMS (e.g. ILIAS) anzubieten.
Lehr- und Lernszenario
Als Lern-Inhalt (SCORM-Modul) in einem LMS (e.g. ILIAS) kann die E-Learning-Umgebung als Basis für die Durchführung einer Vorlesung fungieren. Die Umgebung kann auch als Grundlage für einen SPOC oder MOOC dienen.
Ausgangslage / Motivation
In den vergangenen Jahren haben Psychologen und Hirnforscher in vielfacher Weise die zentrale Rolle des räumlichen Denkens bei der Lösung von Problemen der Physik und Technik aufgezeigt. Auf diese Erkenntnisse baut das Projekt auf, wobei zur Umsetzung neue Technologien zum Einsatz kommen. Die 3D-Darstellungen sollen ein Angehen und Verstehen der Problemstellungen über das räumliche Denken fördern. Im Zentrum steht die Idee, dass ein erfolgreicher Umgang mit elektrischen Schaltungen nur über ein fundiertes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Spannungen, Strömen, Widerständen etc. möglich ist. Um diese Zusammenhänge zu erfassen, müssen die Studierenden an das Denken in elektrischen Potentialen herangeführt werden. Dies wiederum erfordert den Einsatz des räumlichen Vorstellungsvermögens. Die E-Learning-Umgebung stellt elektrische Netzwerke in realistischer Weise dreidimensional dar. Damit wird bei Problemstellungen der Weg zum Ziel über das räumliche Denken geführt. Zudem sollen Interaktivität, Animation der Stromflüsse und realistisch dargestellte Komponenten wie z.B. Batterien ein abwechslungsreiches Lernerlebnis bieten.
Vorgehen
Die E-Learning-Umgebung soll Studierenden im 1. Semester des Bachelorstudiums helfen, ein fundiertes Verständnis für elektrische Netzwerke zu entwickeln. Die Umgebung verbindet Theoriefragmente mit Übungsaufgaben und bildet eine zentrale Komponente des Unterrichts. Zu den 2D-Schaltplänen der Aufgaben (und Einführungen in die Theorie) steht stets eine 3D-Ansicht mit Potential- und Stromflussanimation zur Verfügung. Dazu kommen spielerische Elemente wie z.B. Glühbirnen und Heizkörper, die richtig angeschlossen werden müssen.
Medien/Technik
Die E-Learning-Umgebung wird über ein LMS (e.g. ILIAS) zur Verfügung gestellt. Die 3D-Darstellungen laufen direkt über OpenGL, was hohe Detailtreue mit Beleuchtungseffekten und flüssigen Animationen erlaubt. Die elektrischen Komponenten sind mit der 3D-Modellierungssoftware Blender entworfen worden.
Erfahrungen
Die erste Version der E-Learning-Umgebung wurde im Herbstsemester 2015 eingesetzt und ist von Seiten der Studierenden sehr positiv bewertet worden. Auch geben die Resultate der Modulendprüfungen Anlass zu Optimismus, doch reichen die vorliegenden Daten noch nicht aus, um statistisch signifikante Aussagen zu machen.
Kontaktperson
Thomas Hunziker: thomas.hunziker@hslu.ch
