Learning by Doing -Roboter und

Laborexperimente

Bernardo WagnerLearning Lab Lower Saxony

Universität HannoverZentrum für Didaktik der Technik

Institut für Systems Design - FG Echtzeitsysteme

Grundsatz eigener Arbeit

Effektives, nachhaltiges Lernen setzt einen aktiven, „produzierenden“ Lernenden voraus, der an realen Aufgabenstellungen arbeitet. Dies gilt in besonderer Weise in technisch geprägten Wissensbereichen.

Passives, konsumierendes Lernen führt zu trägem Wissen und ist ungeeignet problemlösende Kompetenzen beim Lernenden heranzubilden.

Learning by Doing, Learning by Teaching ...

Telerobotics1. Remote Exploration (NASA Mars Sojourner, Internet Telescope ...)2. Internet Teleoperation (Telepainting, Spiele ...)3. Internet Service Robots (Museumsführer, Warenschau ...)

NASA Mars Sojourner

Mercury 1994Australia‘s Telerobot

Bradford Robotic

Telescope

Puma

PaintRed Rover

Rhino

Telepistemology

„Access, agency, authority, and authenticity are central issues for the subject of telepistemology: the study of knowledge acquired at a distance. One of the great promises of the Internet is its potential to increase our access to remote objects.“

Ken Goldberg, MIT 2000

Telegarden Projekt

1995

Virtuelle und ferngesteuerte Labore

Definitionen nach Poindexter und Heck1):

„Virtual labs are software simulations of physical devices.“

„Remote labs are actual laboratory experiments that are run remotely via a Web interface.“

1) IEEE Control Systems, Feb. 1999

„Distributed online labs are remote labs where students from different locations can cooperatively work within virtual teams on real distance lab experiments.“

Remote Access to Laboratories and Robots

•Zugriff auf entfernte Labore (Fernuniversität)•Vorlesung/Seminar (hereingeholte Wirklichkeit)•Interaktive Skripten, Bücher ...•Weiterbildung mit Übungsanteilen, Produktschulung•Online-Hilfe für komplexe Geräte, Anlagen ...

•Experimente an schlecht erreichbaren Orten (z.B. Mars) oder unwirtlichen, gefährlichen Orten (z.B. : Wüste, Vulkane, Meeresboden, Bohrlöcher ...)•gemeinsame Nutzung „teurer“ Forschungsinvestitionen

•Wartung von Anlagen und Geräten•Maschinensteuerung, Prozessvisualisierung, Teleoperation•Fernüberwachung (WebCam)•Zugang zu unsicheren Orten (z.B. Brandbekämpfung)•internationales, kooperatives Arbeiten in Projekten

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Internet-assisted Laboratories (I-Labs)

The goal of this WGLN project is to:

1. Investigate how to optimally design and organize distributed online laboratories that allow: a) teams of students to remotely access laboratory devices and b) remote collaboration in performing experiments.

2. Implement three I-Labs using the optimized approach; a) one in optics at Stanford, b) one in control engineering at Hannover andc) one wind tunnel experiment at Stockholm.

3. Evaluate the use of these distributed laboratories in teaching and training environments, including testing of usefulness of the distributed labs at the partner institution for application in teaching and training

4. Build a common laboratory toolbox for easy remote lab construction.

I-Labs

Hannover:Online Automation Lab

Stanford:Lab on a Dime

Stockholm:Linear Cascade Facility

Struktur eines Laborversuch

Experiment

Server

Clients

Pro

cess

Pro

cess CONTROLLER

with embeddedWebserver

Web

serv

er

Video-server

I/OServer

Webcam

SQL

O

I

TCP/IPPort

JDBC

http

http

I-Labs Herausforderungen

• Eingeschränkte Wahrnehmung (Sicht wird auf Bildschirm

begrenzt, kein Geruch, keine Berührung etc.)

• Kooperation und Kommunikation in virtuellen Teams

(soziale Bindungen, Vertrauen etc.)

• Organisation wirksamer tutorieller Hilfe, Anleitung etc.

• Prozessdatenaustausch (Echtzeitanforderungen!)

• Randbedingungen wie Zuverlässigkeit, Datensicherheit,

Schutz vor Gefahren

• Video- and Audiosignale für die Online-Überwachung

(hohe Datenraten!)

Educational Robotics

Roboter als Lern- bzw. Spielpartner:Spielzeug (z.B. Furby)Haustiere (z.B. Sony AIBO)...

Roboter als Lernmedium:Projektlernen (z.B. Lego Mindstorm)Interaktive Displays (z.B. „bug cam“)...

Roboter als Lerngegenstand:Reaktive Programmierung (z.B. ER1)Schreitmaschinen (z.B.: Berta)...

„Feuerlösch“-Roboter

Modular Educational Robotic Toolbox (MoRob)The goal of this WGLN project is to:

1. Supply an educational platform (modularhardware and software components).

2. Improve student learning especially in robotics,mechatronics, autonomous systems and computer science throughadvanced experimentation.

3. Increase the attractiveness of teaching by better and faster integration of research.

4. Support teaching by reusable and sustaining material (course material and a Matlab robotic toolbox).

5. Increase the attractiveness of learning through problem-based and experimental learning while performing student projects.

Scalable Processing Box (SPB)Development of a

• standardized• scalable• modularized• combinable

processing unit to fit the requirementsin the field of educational robotics.

...

KoALA - „Learning by Teaching“

Netzunterstütztes Lehren und Lernen für einekontinuierliche Selbstqualifizierung von Lehrkräftendurch situiertes Lernen in authentischen Lernumgebungen.

Kooperative Nutzung der Kursmaterialien von Lehrkräften und Auszubildenden.

Didaktisch aufbereitete Informations- und Lernmaterialienfür den konkreten (handlungsorientierten) Unterricht.

Zusammenarbeit aller betroffenen Gruppen (Lehrer,Studienseminar, NLI, KM, Berufspädagogen und ZDT).

Kontinuierliche Adaption durch begleitende Evaluation.

Verbundprojekt der Länder Niedersachsen und Berlin.

ELAN - Lehrbausteine Automatisierungstechnik Kleine, flexibel einsetzbare Kursmodule aus dem Bereich Automatisierungstechnik (z.B.: Echtzeitprogrammierung, Entwurfs- und Modellierungsmethoden, Industrienormen, Feldbusse, Tools, Steuerungssysteme usw.).

Mediengestütztes Selbstlernen aber auch Unterstützung von Präsenzveranstaltungen.

Ein „Mini“-Projekt je Lehrbaustein.

Bausteinelemente: interaktives Skript (XML) mit Flash-Animationen, integrierte Graphikeditoren, Java-Animationen, PowerPoint-Folien, teilweise Sprach- und Videoaufnahmen, Selbsttests, einfache Lernaufgaben und ein Online-Laborzugang.

Lehrbausteine AutomatisierungstechnikBaustein: Ereignisdiskrete Modellierung mit Petri-Netzen

ELAN - MediendidaktikKompetenzentwicklungsstrategie für LehrendeLehrende müssen auf veränderte Lehr-Lern-Szenarien vorbereitet und in der Umsetzung unterstützt werden:

1. Entwicklung und Betreuung eines mediendidaktischen Einführungs- und eines Vertiefungskurses, Infothek.

2. Individuelle Beratung bei der didaktischen Gestaltung von eLearning-Modulen und deren Evaluation.

3. Best Practices: Medieneinsatz in der Lehre (Sammlung gelungener e-Learning-Musterbeispiele in Form einer kommentierten, virtuellen Galerie).

4. Ergonomische Benutzerschnittstellen für Lerner (Standardisierung, Gestaltungsregeln).

5. Leitfaden Selbstevaluation.

ELAN - InfothekEntwicklung eines Informationsportals, das über verschiedene Erschließungswege (Hypertext-Lexikon, Leitfäden, Best Practice-Beispiele) Informationen bietet. Die Infothek richtet sich an Lehrende, die selbst e-Learning einsetzen möchten.

Zusammenfassung

Labor- und Roboterexperimente als wichtiger Träger wirksamen Lehrens und Lernens

Virtuelle und fernsteuerbare Laborexperimente

Educational Robotics

Selbstqualifizierung von Lehrkräften

Lehrbausteine für flexiblen Einsatz in der Lehre

Kompetenzentwicklungsstrategie für eLearning