Embed Size (px)
Citation preview
1
MESA – Medieneinsatz in der Schweißausbildung
Abschlussbericht
Zuwendungsempfänger: Förderkennzeichen:
BIBA – Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH (BIBA) 01PD14016A
Institut Technik und Bildung (ITB), Universität Bremen 01PD14016B
C + P Bildung GmbH (CPB) 01PD14016D
Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH, Niederlassung
Bildungszentren Rhein-Ruhr (GSI)
01PD14016F
Vorhaben:
MESA – Medieneinsatz in der Schweißausbildung
Laufzeit des Vorhabens:
01.08.2015 – 31.07.2018
2
Inhaltsverzeichnis
1. Kurze Darstellung des Vorhabens ................................................................................................... 4
1.1. Aufgabenstellung ......................................................................................................................... 4
1.2. Voraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde ........................................... 4
1.3. Planung und Ablauf des Vorhabens ............................................................................................ 5
1.4. Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde ...................................... 6
1.5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen ......................................................................................... 7
2. Eingehende Darstellung des Vorhabens ....................................................................................... 10
2.1. Verwendung der Zuwendung und des erzielten Ergebnisses ................................................... 10
2.1.1. Gesellschaftlicher und branchenspezifischer Bedarf ............................................................ 10
2.1.2. Gesamtziele des Verbundprojektes ...................................................................................... 11
2.1.3. Methoden und Ergebnisse der Anforderungsanalyse ........................................................... 12
2.1.4. Methoden und Ergebnisse der technischen Konzeptentwicklung ........................................ 15
2.1.4.1. Heterogenität des Arbeitsumfelds .................................................................................... 16
2.1.4.2. Verwendbare Medientechnologien .................................................................................. 16
2.1.4.3. Training von Schweißaufgaben in Zwangshaltungen ........................................................ 17
2.1.4.4. Gestaltung einer E-Learning Plattform .............................................................................. 18
2.1.4.5. Entwicklung einer App zur Überwindung von Sprachbarrieren ........................................ 19
2.1.5. Methoden und Ergebnisse der didaktischen Konzeptentwicklung ....................................... 21
2.1.5.1. Lernförderliche Aspekte in Ausbildungsberufen der Schweißbranche ............................. 21
2.1.5.2. Gestaltung von mediengestützten Lern- und Arbeitsaufgaben ........................................ 22
2.1.5.3. Gestaltung eines Train-the-Trainer Konzepts .................................................................... 25
2.1.6. Erprobung und Evaluation der Konzepte .............................................................................. 26
2.1.6.1. Gegenstand und Methode der Erprobungen .................................................................... 26
2.1.6.2. Evaluation der Ergebnisse aus der Erprobung .................................................................. 29
2.1.7. Weiterführende Untersuchungen ......................................................................................... 31
2.1.7.1. Der Simulator als Instrument für Berufsorientierung und Sprachförderung .................... 31
2.1.7.2. Der Simulator als Medium zur Vorbereitung auf Prüfungen in der Ausbildung ............... 32
3
2.1.7.3. Der Simulator als Assistenzsystem im Teach-In von Schweißrobotern ............................ 33
2.2. Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises............................................................ 34
2.3. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .................................................... 35
2.4. Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse ................................................. 35
2.5. Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen ............................................... 36
2.6. Veröffentlichungen des Ergebnisses ......................................................................................... 37
2.7. Quellenverzeichnis .................................................................................................................... 37
4
1. Kurze Darstellung des Vorhabens
1.1. Aufgabenstellung
Das Projektvorhaben MESA – Medieneinsatz in der Schweißausbildung konzentrierte sich auf den
Einsatz digitaler Medien zur beruflichen Bildung in der Schweißbranche, da hier ein deutlicher
Reformierungsbedarf identifiziert wurde.
Zum Zeitpunkt der Antragstellung waren Trainingssimulatoren für Schweißprozesse eine
branchenspezifische Neuentwicklung, die deutliche Vorteile im Lernprozess bieten kann. Die
Einbettung von Simulationen in der beruflichen Aus- und Weiterbildung ist eine komplexe
Herausforderung (Mansfeld 2013), da zum optimalen Einsatz digitaler Medien in der beruflichen
Bildung auch eine lerntheoretische Einbindung erforderlich ist. Dies erfordert insbesondere die
Gestaltung von Lehr-Lern-Arrangements, die sich explizit den Anforderungen eines gleichermaßen
kontextspezifischen als auch simulationsgestützten Lernens stellen (vgl. Albers 2011; Tulodziecki
2011).
An dieser Stelle knüpfte das Projektvorhaben MESA an, um digitale Medien in bedarfsorientierte und
didaktisch fundierte Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen zu integrieren. Um eine möglichst
praxisnahe Orientierung und gute Verwertbarkeit der Projektergebnisse zu garantieren, sollte eine
enge Zusammenarbeit mit Vertreter/innen von Industrieunternehmen, Bildungseinrichtungen und
Verbänden verfolgt werden. Die Projektergebnisse sollten in Form eines Leitfadens publiziert
werden. Die Aufgabenstellung und der Innovationsgehalt von MESA lagen daher nicht in der
Entwicklung neuer Technologien, sondern in deren Einbettung in ein bedarfsorientiertes und
technologieübergreifendes Blended-Learning-Konzept für die berufliche Aus- und Weiterbildung in
der Schweißbranche.
1.2. Voraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde
Die für die Durchführung des Vorhabens notwendigen Ressourcen waren von Beginn an vorhanden.
Mit den Industriepartnern konnte technisches Personal in die Anforderungsanalysen und
Erprobungen einbezogen werden, sodass die erforderliche Praxisnähe der Projektentwicklungen
gewährleistet werden konnte. Des Weiteren bestand Zugriff auf die bereits in den Betrieben
vorhandenen digitalen Medien und die Möglichkeit Erprobungen im Rahmen der durchgeführten
Bildungsmaßnahmen durchzuführen.
Durch die Forschungspartner war wissenschaftlich ausgebildetes Personal mit einschlägigen
methodischer Erfahrungen verfügbar. Ebenso gab es von vornherein inhaltlich Schnittstellen zu
5
anderen F&E-Vorhaben der Institute, deren Ergebnisse als Vorarbeiten oder Methoden in MESA
aufgegriffen wurden. Diese waren:
QinDiLog – Qualifikationserfordernisse durch das „Internet der Dinge“ in der Logistik
(16.03.2009–12.04.2010, BMBF)
SPIKO – Spielend unternehmensübergreifende Kooperationen erleben (01.12.2003–
31.10.2006, BMBF)
CYPROS – Cyber-Physische Produktionssysteme – Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung
durch die Vernetzung intelligenter Systeme in der Fabrik (15.09.2012–14.09.2015, BMBF)
TARGET – Transformative, Adaptive, Responsive and enGaging EnvironmenT (01.06.2010–
31.10.2012, EU)
GaLA – Games and Learning Alliance is the Network of Excellence (NoE) on Serious Games
(01.10.2010–30.09.2014, EU)
Robidlog – Robotik und Logistik (01.03.2013–31.08.2014, Land Bremen)
BIVEE – Business Innovation in Virtual Enterprise Environments (01.10.2011–31.12.2014, EU)
ArKoH – Arbeitsprozessorientierte Kompetenzentwicklung für den Hafen der Zukunft
(01.12.2013–28.02.2017, BMBF)
Vila-b – Virtuelles Lernen auf der Baustelle (01.01.2008–31.12.2010, BMBF)
KoDiN – Kollaboratives Diagnosenetzwerk für die Kfz-Servicearbeit (01.07.2011–30.06.2014,
BMBF)
Kompetenzwerkst@tt 2.0 (01.01. 2012–31. 12. 2014, BMBF)
Strategisch passten die Projektinhalte sehr gut zu den strategischen Zielen der Projektpartner. Für die
Praxispartner war dies maßgeblich die Qualitätssteigerung der angebotenen
Qualifizierungsmaßnahmen durch didaktisch und praktisch fundierten Einsatz digitaler Medien und
für die wissenschaftlichen Institute ergaben sich Möglichkeiten, um Kompetenzen im Umgang mit
digitalen Medien auszubauen und das Profil im Umfeld der Industrie 4.0 zu stärken.
1.3. Planung und Ablauf des Vorhabens
Der geplante Ablauf von MESA (Abbildung 1) begann mit der Anforderungsanalyse (AP1), wobei die
aktuelle Situation in der Praxis und der Stand der Technik detailliert erfasst wurden. Die erzielten
Analyseergebnisse bildeten die Grundlage für die weitere Projektarbeit. Anschließend erfolgte die
Konzeptentwicklung, welche in technische (AP2) und didaktische (AP3) Entwicklung unterteilt wurde.
Parallel fand eine kontinuierliche Erprobung und Evaluation der Konzepte statt (AP4), deren
Ergebnisse in die Entwicklung rückgekoppelt wurden. Abschließend wurden die Projektergebnisse in
einem Leitfaden zusammengefasst und Umsetzungsempfehlungen abgeleitet (AP5) mit Schwerpunkt
6
auf das Train-the-Trainer Konzept und ein Konzept zur Überwindung von Sprachbarrieren. Die
Verbundkoordination (AP6) erstreckte sich als Unterstützungsprozess über die komplette
Projektlaufzeit.
Abbildung 1: Struktureller Aufbau des Gesamtvorhabens
Während der Durchführung des Vorhabens gab es nur geringfügige Planabweichungen und
Probleme, die während der regelmäßig durchgeführten Konsortialtreffen gelöst werden konnten,
sodass die geplante Struktur bestand hatte. Für die Umsetzung der Zielsetzung des
Verbundvorhabens war jedoch eine kostenneutrale Verlängerung der Projektlaufzeit von 30 auf 36
Monate erforderlich. Gründe für die Notwendigkeit der Verlängerung war eine Verzögerung der
Konzeptentwicklung durch Personalwechsel beim Forschungspartner ITB sowie die Verfügbarkeit
passender Übungsgruppen für die Erprobungen. Dies wirkte sich im zeitlichen Ablauf ebenfalls auf
das Arbeitspaket 5 aus, dessen Inhalte auf Ergebnissen der Erprobung basieren.
1.4. Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde
Der wichtigste Forschungsgegenstand des Projekts waren Trainingssimulatoren für die
Schweißausbildung. Zum Projektbeginn war auf wissenschaftlicher Ebene bereits der Lerneffekt von
Simulatoren für verschiedene Schweißverfahren nachgewiesen (Stone et al. 2013, Yang et al. 2010).
Im Zeitraum zwischen Beantragung und Projektbeginn hatte sich der Marktpreis der Simulatoren
erheblich verringert und der Reifegrad der Technologien erheblich verbessert, sodass ein
kommerzieller Nutzen möglich wurde. Zur Verfügung standen Geräte auf Basis von Virtual Reality (z.
B. VR Tex 360 von Lincoln) und Augmented Reality (z. B. Soldamatic von Seabery).
7
Der Beitrag von MESA lag wie beabsichtigt nicht in der technischen Entwicklung von
Trainingssimulatoren sondern in der Erforschung ihrer Anwendung. Forschungsbedarf bestand unter
Anderem in der Analyse der unterschiedlichen Technologien, der praktischen Anforderungen, der
didaktischen Verwendung sowie der Verbindung mit anderen digitalen Medien.
1.5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Eine Zusammenarbeit mit Partnern außerhalb des Verbundprojektes fand auf mehreren Ebenen
statt:
• Zu Projektbeginn fand ein reger Erfahrungsaustausch mit Vertretern des Projekts „SALTO
- Einsatz digitaler Medien in den Bildungsprozessen des deutschen Sports“ statt.
• Im Rahmen der Anforderungsanalyse wurden Besuche bei der Volkswagen AG und der
Alexander Binzel Schweisstechnik GmbH & CO. KG durchgeführt.
• Es wurden erweiterte Verbundtreffen mit externen Partnern ausgerichtet, um die
Projektinhalte möglichst praxisnah zu orientieren. Diese fanden am 20.01.2016 bei der
GSI – Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH in der Niederlassung der
Bildungszentren Rhein-Ruhr und am 13.01.2017 bei der C+P Bildung GmbH statt.
• Über den Verbundpartner GSI bestand ein kontinuierlicher Kontakt zu dem „Arbeitskreis
zur Integration der Simulation in die Ausbildungsrichtlinien“ des „DVS - Deutscher
Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V“. Der DVS mit seiner Tochter DVS
Media waren zudem als assoziierter Partner eng mit dem Projekt verbunden.
• Der Verbundpartner CPB ist an der länderübergreifend besetzten Prüfungsaufgaben- und
Lehrmittelentwicklungsstelle (PAL) der IHK Region Stuttgart beteiligt und bringt dort die
Projektergebnisse in die Gestaltung des Lehrberufs „Konstruktionsmechaniker“ ein.
• Im Projektverlauf wurden außerdem die folgenden Organisationen zur Unterstützung
und Evaluation der Anforderungsanalysen, zum Erfahrungsaustausch sowie im Rahmen
von Workshops, Erprobungen und Evaluationen der Projektergebnisse in das Projekt
involviert:
o Berufsbildende Schule für Metalltechnik, in Bremen
o Berufskolleg des Kreises Kleve in Kleve
o BBS Landkreis Wesermarsch
o Berufsbildende Schulen II Leer
o K+G WETTER GmbH
o Lauber Stahlbau Inh. Hartmut Lauber e.K.
• Weiterhin fand reger Erfahrungsaustausch durch die aktive Teilnahme/Präsentation bei
den folgenden Veranstaltungen statt:
8
o März bis Mai 2016: Durchführung von Evaluationsprojekten an BBS Leer (Projekt
„Berufsorientierung mit dem Simulator für Schüler/innen mit
Migrationshintergrund“) und BBS Brake (Projekt „Prüfungsvorbereitung für
Zwischen- und Abschlussprüfung in der Ausbildung“)
o 23.-25. Juni 2016: Teilnahme an IPW-Tagung, Hamburg, Vorstellung der Ergebnisse
der Evaluationsprojekte und erste Schlussfolgerungen für ein Train-the-Trainer-
Konzept
o 15.-16. Februar 2016: Teilnahme an eQualification, Berlin, Vernetzung mit Projekten
o 20.-21. Februar 2017: Statuskonferenz eQualification 2017. In einer Projektlupe
wurde der Status des Verbundprojektes vorgestellt und die Teilnehmer hatten die
Möglichkeit einen Trainingssimulator für Schweißer auszuprobieren.
o 11.-13. Mai 2017: Teilnahme an IPW-Tagung, Ilmenau, Vorstellung des didaktischen
Konzepts und der Umsetzung von Blended-Learning sowie Lern- und Arbeitsaufgaben
für Lehr-Lernprozesse im Hinblick auf Schweißverfahren.
o Am 29. August 2017 luden die Handelskammer Bremen und die Oldenburgische IHK
zu einem Treffen im Rahmen ihrer Reihe „Wirtschaft trifft Wissenschaft“ ein. Dies
fand in Kooperation mit dem BIBA – Bremer Institut für Produktion und Logistik
GmbH und dem Forschungsverbund LogDynamics der Universität Bremen statt.
Während eines Vortrags sowie des anschließenden Get-togethers hatten die
Teilnehmer Gelegenheit sich über MESA zu informieren.
o 26. September 2017:Teilnahme an der DVS Gesprächsrunde zum Thema Moderne
Ausbildungskonzepte im Rahmen der Messe Schneiden und Schweißen 2017 in
Düsseldorf
o Vom 27. bis 28. November 2017 fand im Pentahotel Leipzig die Fachkonferenz
“Berufsbildung 4.0 – Zukunftschancen durch Digitalisierung” statt. Das MESA-Projekt
war hier mit einem Ausstellungsstand auf dem konferenzbegleitenden Marktplatz
vertreten. Im Rahmen dieser Ausstellung wurden Digitalisierungsprojekte zum
Anfassen und Mitmachen präsentiert.
o Am 06. Dezember 2017 hat das Bundesinstitut für Berufsbildung (BIBB) im Rahmen
der Konferenz “Online Educa Berlin” einen Pre-Conference Workshop zum Thema
“Individualisierung der Lernprozesse – Welche Möglichkeiten bieten digitale
Medien?” ausgerichtet. Das Projekt MESA wurde hierzu als eines von drei Projekten
des Förderprogramms „Digitale Medien in der beruflichen Bildung“ ausgewählt und
hatte Gelegenheit sich dem Fachpublikum zu präsentieren.
9
o Vom 23.-27. April 2018 war das Projekt auf der Hannover Messe 2018 am Stand des
BMBF mit einem Demonstrator vertreten.
o Am 2. Mai 2018 präsentierte sich das MESA-Projekt auf der re:publica 2018 in Berlin.
Dies geschah auf Einladung der Zentralstelle der Bundesregierung für internationale
Berufsbildungskooperation (GOVET) des Bundesinstituts für Berufsbildung (BIBB).
10
2. Eingehende Darstellung des Vorhabens
2.1. Verwendung der Zuwendung und des erzielten Ergebnisses
Im folgenden Abschnitt werden zunächst die Projektziele vom gesellschaftlichen und
branchenspezifischen Bedarf zum Projektbeginn abgeleitet und im Anschluss die erzielten
Projektergebnisse detailliert beschrieben.
2.1.1. Gesellschaftlicher und branchenspezifischer Bedarf
Die Berufsgruppe „Metallerzeugung, -bearbeitung, Metallbau“ gehört zu den Berufsgruppen mit dem
größten Fachkräftebedarf (BA 2015). Das Schweißen ist dabei ein wesentlicher Aufgabenbereich
dieser Berufsgruppe. Es ist davon auszugehen, dass die demografische Entwicklung den
Fachkräftemangel erheblich verschärfen wird. Aus diesem Trend leitet sich ein deutlicher Bedarf an
neuen Ansätzen ab, die die Attraktivität der einzelnen Fachrichtungen steigern und die
Ausbildungsinhalte stärker an den Bedürfnissen der industriellen Praxis orientieren. Im Rahmen von
MESA – Medieneinsatz in der Schweißausbildung wurde dies für die Schweißbranche verfolgt.
Speziell die Schweißer/innen, die manuelle Schweißverfahren praktizieren, bilden eine eher
traditionelle Berufsgruppe, in der die Nutzung von IT vergleichsweise schwach ausgeprägt ist (Mutch
2002). Dementsprechend wurde auf Modernisierungen auch im Projektverlauf zum Teil mit
Widerständen reagiert. Um dem zu begegnen ist ein klar formuliertes Konzept erforderlich, welches
seine Inhalte auf real existierende Arbeitsprozesse stützt. Im Vorfeld zu MESA wurden daher im
erweiterten Projektnetzwerk und auf der Fachmesse SCHWEISSEN & SCHNEIDEN 2013 folgende
branchenspezifische Probleme und Bedürfnisse identifiziert:
Hohe Verletzungsgefahr: Schweißer/innen und Brennschneider/innen sind eine
Berufsgruppe mit einem überdurchschnittlichen Anteil an Berufsunfähigkeitsfällen, was auf
die hohen und langfristigen motorischen Belastungen zurückzuführen ist (Liebers, Caffier
2009). Weitere Gefährdungspotenziale bestehen durch die verwendeten Materialien und
entstehenden Dämpfe, welche sich bei langfristiger Exposition negativ auf die Gesundheit
auswirken können (Lundin et al. 2011). Schweißer/innen üben daher nur selten ihren Beruf
bis zum Pensionsalter aus (Sepp 2006).
Keine Prozesskontrolle: Der manuelle Schweißprozess ist ein Verfahren, welches
üblicherweise den Einsatz eines stark verdunkelnden Sichtschutzes erfordert. Die
Beobachtung der Körperhaltung und Bewegungen, die nicht in unmittelbarer Nähe zur
Schweißflamme erfolgen, werden durch diesen Sichtschutz stark erschwert. Demzufolge wird
die Arbeit größtenteils am Ergebnis beurteilt. Der Arbeitsprozess selbst bleibt oft
unbeobachtet und entzieht sich so einem Feedback. Üblicherweise werden Schweißer/innen
11
daher anhand der Güte ihrer Schweißnähte beurteilt, der Schweißprozess selbst ist kaum
Gegenstand der Kompetenzentwicklung (DVS 2012).
Überdurchschnittlicher Leistungsdruck: Die Arbeitsergebnisse von Schweißern werden in der
Regel sehr streng überprüft (Mutch 2002), da sie in der Regel sicherheitsrelevant sind und
unerkannte Fehler fatale Folgen haben können. So entsteht ein Leistungsdruck, der in
Kombination mit fehlender Prozessunterstützung nicht nur einen wesentlichen Stressfaktor
darstellt, sondern auch die Kompetenzentwicklung einschränkt. Dies sowie die hohe
körperliche Belastung wirken sich negativ auf die Attraktivität der Ausbildungsberufe in der
Schweißbranche aus, was wiederum den Fachkräftemangel verschärft.
Demografischer Wandel: Der Anteil der sozialversicherungspflichtig Beschäftigten in der
Schweiß- und Verbindungstechnik mit einem Alter unter 25 Jahren lag zum 31.03.2018 bei
4,2% (BA 2018).
Hoher Zertifizierungsaufwand: Im gesetzlich geregelten Bereich ist eine theoretische und
praktische Prüfung der Schweißer/innen nach DIN EN ISO 9606-1 vorgeschrieben, welche 2-
jährig zu erneuern ist. Außerdem muss eine Anwendung der Kenntnisse halbjährig durch den
Arbeitgeber bestätigt werden. Dieser Prozess wird häufig als sehr aufwändig empfunden und
umgangen, sodass ein großer, ungeregelter Bereich besteht, in dem ohne Zertifikate
geschweißt wird.
Migrationshintergrund: Zum Ausgleich des Fachkräftemangels werden zu großen Teilen
Fachkräfte mit fehlenden Sprachkenntnissen eingesetzt (IFOK 2011). Zum Jahresanfang lag
der Ausländeranteil unter den sozialversicherungspflichtigen Arbeitnehmer/innen bei 22,5%
(BA 2018). Resultierende Kommunikationsprobleme wirken sich wiederum negativ auf die
Lernprozesse im Arbeits- und Ausbildungsprozess aus.
Weiterbildungsbedarf: Wie in anderen industriellen Bereichen, besteht auch in der
Schweißbranche ein Interesse daran die Wettbewerbsfähigkeit durch Qualitätsverbesserung
und Kompetenzentwicklung der Beschäftigten zu verbessern. Ausbildungsbetriebe und
Weiterbildungseinrichtungen können hier einen deutlichen Beitrag liefern.
Die beschriebenen Punkte bildeten die Grundlage, von der die Projektziele von MESA abgeleitet
wurden.
2.1.2. Gesamtziele des Verbundprojektes
Die allgemeinen Projektziele von MESA orientierten sich unmittelbar an den identifizierten
Bedürfnissen der Schweißbranche und damit zusammenhängend an den Anforderungen und
12
Bedarfen der Zielgruppen Lehrende und Lernende. Mit der Umsetzung eines mediengestützten Aus-
und Weiterbildungskonzeptes wurden durch MESA folgende Ziele angestrebt:
Zugang verbessern: Ableitung von Maßnahmen und Empfehlungen zur Gestaltung eines
erleichterten und attraktiveren Zugangs zu den Ausbildungsberufen der Schweißbranche.
Effizienz steigern: Identifikation von Maßnahmen zur Reduktion von Kosten,
Schadstoffemissionen und Ressourcenverbrauch in der Schweißausbildung um jeweils
mindestens 20%.
Prozessbegleitende Unterstützung: Konzeptionierung von Maßnahmen, insbesondere der
Integration ergonomischer Aspekte, in Beruf und Ausbildung zur Stressreduktion und
Vermeidung von Langzeitschäden.
Didaktische und arbeitsprozessorientierte Medienintegration: Entwicklung und Umsetzung
eines didaktischen Konzepts zur Einbindung von Schweißsimulatoren und mobiler Endgeräte
in die berufliche Aus- und Weiterbildung.
Ausbilder einbinden: Erarbeiten von Maßnahmen zur Förderung der Lehrenden hinsichtlich
der Integration digitaler Medien in die Aus- und Weiterbildung von Unternehmen und
Bildungsträgern.
Selbstorganisiertes, zeit- und ortsunabhängiges Lernen ermöglichen: Gestaltung
technischer Konzepte, sodass Trainingseinheiten ohne räumliche und zeitliche Restriktionen
zur Verfügung gestellt werden können und selbstgesteuertes Lernen erleichtert wird.
Sprachbarrieren überwinden: Entwicklung und Bereitstellung von Medien, die zur
Überwindung von Sprachbarrieren beitragen.
Ausgehend von den identifizierten Zielstellungen wurde das Projekt in Anforderungsanalyse,
Konzeptentwicklung, Erprobung und weiterführende Inhalte gegliedert. Die wesentlichen Ergebnisse
sind folgend beschrieben.
2.1.3. Methoden und Ergebnisse der Anforderungsanalyse
Arbeitsteilung: Die Anforderungsanalyse wurde durch den Partner CPB koordiniert. Die
Arbeitsprozessanalysen und Experteninterviews wurden durch die Forschungspartner BIBA und ITB
durchgeführt und durch die Anwendungspartner GSI und CPB sowie die assoziierten Partner
unterstützt.
Methode
Zur Durchführung der Anforderungsanalyse wurden Arbeitsprozessanalysen sowie
Experteninterviews durchgeführt. Dies geschah zu folgenden Zeitpunkten und bei folgenden
Institutionen:
13
C&P Bildung, Breidenbach, Oktober 2015
GSI Bildungszentrum, Oberhausen, Oktober 2015
VW Werk, Braunschweig, November 2015
Berufsbildende Schule für Metalltechnik, Bremen, November 2015
Bei den jeweiligen Terminen wurden Arbeitsprozessanalysen und leitfadengestützte Interviews
durchgeführt, um konkrete Inhalte für die relevanten Themen der Schweißaus- und -weiterbildung zu
identifizieren und zu dokumentieren. Die Interviews wurden dabei mit unterschiedlichen Zielgruppen
geführt: Auszubildende, Teilnehmer/innen von Fortbildungs- und Umschulungsmaßnahmen sowie
Lehrpersonal. In den Interviews wurde u. a. nach den didaktischen Konzepten, dem bisherigen
Vorgehen bei der konventionellen Schweißausbildung sowie beim Einsatz von Schweißsimulatoren
und nach den Erwartungen an das Projekt MESA gefragt.
Neben den Interviews und Prozessanalysen wurde zur weiteren Unterstützung der
Anforderungsanalysen außerdem ein Projektworkshop organisiert, der im GSI Bildungszentrum in
Oberhausen stattfand. Insgesamt waren 18 Teilnehmer aus verschiedenen Bereichen der
Schweißbranche anwesend, denen die bisherigen Projektergebnisse präsentiert wurden.
Anschließend fand eine offene Diskussion statt, deren Durchführung den bisherigen Projektplan
grundsätzlich bestätigt hat, aber auch zusätzliche Anregungen für die weitere Konzeptentwicklung
liefern konnte.
Ergebnisse
Die bisherigen Ergebnisse unterscheiden entsprechend der Zielgruppen zentrale Inhalte und
Gegenstandsfelder in der Theorie und Praxis der Ausbildung, der Weiterbildung sowie bezüglich
eines Train-the-trainer-Konzepts und einer prozessbegleitenden Unterstützung:
Ausbildung: Für den Bereich der Ausbildung stellen schweißtechnische Inhalte in verschiedenen
Berufen einen Teil der Ausbildungsinhalte dar. In relevanten Ausbildungsberufen (bspw.
Konstruktionsmechaniker/innen mit dem Schwerpunkt Schweißtechnik, aber auch
Anlagenmechaniker/innen oder Metallbauer/innen) stellt das Thema „Schweißen“ in der Regel eine
kompakte Ausbildungseinheit dar. Dies wird damit begründet, dass in der Ausbildung die
metalltechnischen Grundlagen sowie prüfungsrelevante Lerninhalte im Vordergrund stehen.
Weiterhin hängt es von den Aufgabenschwerpunkten bzw. der Fertigungsausrichtung der
Unternehmen ab, wie intensiv das Schweißen Bestandteil der dualen Ausbildung ist. Für die
Implementierung der Schweißsimulation im Unterricht der dualen Berufsausbildung ist eine
Bezugnahme auf die Lernfelder der relevanten Berufe notwendig. Um dies für möglichst viele
Ausbildungsberufe umsetzen zu können, ist hier ein modularer Aufbau der Lern-Lehr-Arrangements
14
sinnvoll, damit unterschiedlich ausgeprägte schweißtechnische Qualifikationen entlang der
verschiedenen Lernfelder berücksichtigt werden können.
Weiterbildung: Im Bereich der Weiterbildung lässt sich festhalten, dass die Entwicklung auf dem
Arbeitsmarkt für Fachkräfte mit schweißtechnischen Kompetenzen von allen Ansprechpartnern aus
der Analysephase als eine „aktuelle Herausforderung“ gesehen wurde. Besonders der demografische
Wandel hat zur Folge, dass die Beschäftigten im metallverarbeitenden Gewerbe ein
überdurchschnittlich hohes Alter aufweisen. Dies steht im Gegensatz zu den hohen körperlichen
Belastungen, dem Leistungsdruck und den Verletzungsgefahren, die ein Tätigkeitsprofil mit einem
hohen Anteil an Schweißaufgaben beinhaltet. Dieser Wandel konnte bisher nicht aufgefangen
werden, da sich in der beruflichen Weiterbildung die Rekrutierung der Teilnehmenden schwierig
gestaltet. Bereits heute wird ein großer Bedarf an Fachkräften seitens der Betriebe nachgefragt, der
sich in Zukunft noch intensivieren wird. An dieser Stelle kann die Schweißsimulation ein innovatives
Konzept sein, um mit niedrigschwelligen Zugängen wie bspw. Gamification, Motivation für die
Teilnahme an entsprechenden Weiterbildungen zu erzeugen.
Train-the-Trainer-Konzept: Im Bereich der didaktisch-methodischen Kompetenzen der Trainer und
Ausbilder lässt sich festhalten, dass die derzeit angewandten didaktischen Konzepte für das
Vermitteln von Schweißkompetenzen oftmals eher traditionellen Ansätzen folgen, indem die Zwei-
bzw. Vier-Stufenmethode angewendet wird. Erweiterte didaktische Ansätze sind dort zu finden, wo
ein Simulator bereits benutzt wird und die Vermittlung des Schweißens von theoretischen
Selbstlerneinheiten über Übungen am Simulator bis hin zu den Schweißaufgaben in der
Schweißkabine reicht, wie bspw. bei der Weiterbildung der Gesellschaft für Schweißtechnik
International mbH, Niederlassung Bildungszentren Rhein-Ruhr. Die Ausbilder und Lehrkräfte sind
dazu oftmals Personen mit einer umfangreichen Berufserfahrung, die oft nach langjähriger Arbeit als
Schweißfachkraft ihr Wissen mit einer hohen Motivation und Identifikation mit dem eigenen Beruf
weitergeben – hier fehlt es teilweise jedoch an pädagogischen Kompetenzen, während die fachliche
Qualität eher hoch einzuschätzen ist. Für eine kompetenzförderliche Einbindung der
Schweißsimulation in die schweißtechnische Aus- und Weiterbildung wird das Projektlernen als eine
gute Möglichkeit gesehen.
Die Ergebnisse der Analyse aus den Bereichen Ausbildung, berufliche Weiterqualifizierung und den
didaktisch-methodischen Kompetenzen der Lehrpersonen erfordern einen lernortübergreifenden
Ansatz. Hierfür bietet sich im besonderen Maße das Konzept der Lern- und Arbeitsaufgaben an. Lern-
und Arbeitsaufgaben sind ein etabliertes didaktisches Konzept in der gewerblich-technischen
Berufsbildung und haben einen facharbeitsrelevanten Kontext als Ursprung für die Inhalte.
Entsprechend wird das Bildungs- und Qualifizierungspotenzial der Arbeitswirklichkeit für das
15
berufliche Lernen genutzt. Das im Vorhaben entwickelte didaktische Konzept für die Einbindung von
Schweißsimulatoren in die Aus- und Weiterbildung sowie das korrespondierende Train-the-Trainer-
Konzept beinhalten daher einen praxisgerechten Fertigungsauftrag, der an den verschiedenen
Lernorten und für verschiedene Berufe relevant ist. Eine Lern- und Arbeitsaufgabe sollte
projektförmig aufgebaut sein und das prozess- und aufgabenorientierte Lernen in problemhaltigen
Situationen und einem beruflichen Kontext fördern. Dies dient nicht nur dazu, die unterschiedlichen
Bedingungsfelder in einer Lernaufgabe didaktisch zu berücksichtigen, sondern kann die
Lernortkooperation verbessern, die Motivation der Schüler/innen steigern und verknüpft Theorie
und Praxis, im Sinne einer Kompetenzentwicklung.
Prozessbegleitende Unterstützung: Während der Interviews und des Projektworkshops wurden
Industrievertreter hinsichtlich eines Bedarfs für das Überführen realer Schweißprozesse in
Trainingssimulationen befragt. Diesbezüglich besteht ein Interesse bei der Abbildung von
Schweißarbeiten in Wärmetauschern, welche häufig in Rückenlage und in sehr beengten Räumen
durchgeführt werden. Generell wird jedoch zumeist die Ansicht vertreten, dass derartig
anspruchsvolle Schweißaufgaben nur einen kleinen Personenkreis betreffen und dass dessen
Ausbildung mit konventionellen Schweißübungen hinreichend absolviert werden kann. Ein starker
Bedarf hat sich hingegen bezüglich der Entwicklung einer App gezeigt, die beim Überwinden von
Sprachbarrieren unterstützt. Besonders in Berufsschulen und kleineren Betrieben hat die
überwiegende Mehrheit der Lernenden einen Migrationshintergrund. Hier existieren im ersten
Lehrjahr mit vielen Lernenden Sprachbarrieren, die einen großen Zeitaufwand beim Erlernen der
Fachbegriffe erfordern. Es wurde daher untersucht, mit welchen Mitteln die Kommunikation
unterstützt werden kann. Zu diesem Zweck wurde eine Applikation für mobile Geräte entwickelt, die
wichtige Fachbegriffe bildhaft darstellt und im Umfeld der Berufsschulen erprobt wurde.
2.1.4. Methoden und Ergebnisse der technischen Konzeptentwicklung
Arbeitsteilung: Die technische Konzeptentwicklung wurde durch den Forschungspartner BIBA
durchgeführt. Sie basiert auf den Ergebnissen der Anforderungsanalyse und wurde durch die
Anwendungspartner folgendermaßen unterstützt:
CPB hat Erprobungen zum Schweißen in Zwangshaltungen durchgeführt.
Die GSI hat im Rahmen der Konzeptentwicklung zur Überwindung von Sprachbarrieren
inhaltliche Beiträge zur in Abschnitt 2.1.4.5 beschriebenen App bereitgestellt und die
Erstellung der Marktübersicht zu Trainingssimulatoren für Schweißprozesse (Tabelle 1)
unterstützt.
16
2.1.4.1. Heterogenität des Arbeitsumfelds
Im Schweißbereich wurden bei unterschiedlichen Unternehmen sehr heterogene
Arbeitsumgebungen beobachtet, die auch von den Industriepartnern und Bildungseinrichtungen zum
Teil als „zwei Realitäten“ beschrieben werden. Obwohl fließende Übergänge bestehen, konnten zwei
wesentliche Kategorien hinsichtlich der Arbeitsbedingungen identifiziert werden:
Traditioneller Bereich: Geprägt von Akkordarbeit, häufiger Arbeit in Zwangspositionen,
geringem Bewusstsein für Ergonomie, Exposition zu Schadstoffen. Typische Branchen:
Schiffbau, Kesselbau.
Moderner Bereich: Zwangspositionen treten selten auf, bzw. werden durch
Technologieansatz (z. B. Positionierung von Schweißstücken mit Industrierobotern)
umgangen, ergonomische Arbeitshaltung wird vermittelt, saubere Arbeitsumgebungen.
Typische Branchen: Automobilbau, Maschinenbau.
2.1.4.2. Verwendbare Medientechnologien
Die technischen Konzepte basieren auf der Verwendung von Medientechnologien zur Unterstützung
von Arbeits- oder Qualifizierungsprozessen. Die einsetzbaren Technologien umfassen:
Smartphones und Tablets
o Kameras
o Mobile Internetterminals
Desktop-Computer
Videoprojektoren (Beamer)
Schweißsimulatoren
o Geräte mit Augmented-Reality-Technologie
o Geräte mit Virtual-Reality-Technologie
Während über einen Intra-/Internetzugriff eine e-Learning Plattform und der beabsichtigte Blended-
Learning-Ansatz realisiert werden können, erlaubt die Verfügbarkeit von Kameras in Kombination mit
Videoprojektoren oder Bildschirmen gegenseitiges Filmen und die gezielte Reflexion der eigenen
Körperhaltung beim Schweißen. Im beruflichen Umfeld ist dabei das Einverständnis aller Beteiligten
und des Betriebsrats einzuholen. Die Aufnahmen können nur auf freiwilliger Basis einen Vorteil durch
Selbstreflexion erbringen. Insgesamt führt dies während Übungen an Simulatoren das Ergonomie-
Bewusstsein, liefert einen neuen Blickwinkel auf die eigene Haltung und erhöht den Fokus auf den
Prozess.
17
Tabelle 1: Auswahl von auf dem Markt verfügbaren Trainingssimulatoren für Schweißprozesse
Hersteller Produkt Eigenschaften
Seabery Soldamatic Darstellung der Simulation mittels Augmented Reality über einem flexibel positionierbaren Werkstück aus Kunststoff, das haptisches Feedback erlaubt
Fronius International
Virtual Welding Darstellung der Simulation mittels Virtual Reality über einem ortsfesten Werkstück aus Kunststoff für haptisches Feedback
Lincoln Electric VRTEX 360 Darstellung der Simulation mittels Virtual Reality über einem ortsfesten Werkstück aus Kunststoff für haptisches Feedback
123 Certification
ARC+ Darstellung der Simulation mittels Virtual Reality über einem virtuellen Werkstück, kein haptisches Feedback
EWM Hightec Welding
EWM Virtual Welding Trainer Darstellung der Simulation auf einem Bildschirm, kein haptisches Feedback
GSI SLV Halle GSI SLV Halle Schweißtrainer Schweißt eine Blindraupe mit niedriger Spannung, erfordert Schutzgas und Sichtschutz
Die aktuell auf dem Markt verfügbaren Trainingssimulatoren (Tabelle 1) messen alle die wesentlichen
Schweißparameter: Brennerabstand, Anstellwinkel, Brennerwinkel, Weg und Geschwindigkeit.
Weitere Einstellmöglichkeiten von Strom, Spannung, Drahtvorschub und Schutzgasstrom haben
Einfluss auf die Simulation und Manipulationen führen zu realitätsnahen Effekten. Die wesentlichen
Unterschiede der Simulatoren bestehen in den unterschiedlichen Technologien an der Mensch-
Technik Schnittstelle. Dies wirkt sich auf die Konfigurationsmöglichkeiten der Übungen aus und ist im
Folgenden für das Training von Zwangshaltungen beschrieben.
2.1.4.3. Training von Schweißaufgaben in Zwangshaltungen
Besonders im traditionellen Bereich werden Schweißer/innen fortlaufend mit Schweißaufgaben
konfrontiert, die Schweißarbeiten in einer ungünstigen Körperhaltung oder an schwer zugänglichen
Orten erfordern. Diese sogenannten Zwangshaltungen erfordern spezielle Vorkehrungen, wie
beispielsweise Entlastung der Nackenmuskulatur durch Abstützen des Kopfes, um die Belastungen zu
verringern und mitunter langfristige Haltungsschäden zu verhindern. Trainingssimulatoren können
das gezielte Training von Schweißaufgaben in Zwangshaltungen unterstützen, da mit Wegfall des
Sichtschutzes in Form der Schweißkabine eine bessere Beobachtung und Betreuung durch
Ausbildungspersonal möglich wird. Dabei besteht allerdings ein erheblicher Unterschied zwischen
den in den Trainingssimulatoren eingesetzten Technologien:
Schweißsimulatoren mit Virtual-Reality-Technologie (VR) simulieren ein virtuelles Schweißverfahren
in einer virtuellen Umgebung. Ein haptischer Widerstand wird bei einigen Geräten über Bauteile in
Fixpositionen simuliert, fehlt bei anderen Geräten jedoch völlig. Aufgrund der vordefinierten und rein
virtuellen Umgebung ist ein Training in Zwangshaltungen hier deutlich erschwert.
18
Schweißsimulatoren mit Augmented-Reality-Technologie (AR) simulieren ein virtuelles
Schweißverfahren und stellen die reale Umgebung dar. Die Simulation kann in einer beliebigen
Arbeitsumgebung durchgeführt werden und das Bauteil kann beliebig positioniert werden. Durch
diese Freiheitsgrade ist das Nachstellen von Zwangshaltungen nahezu beliebig möglich. Im Projekt
wurden hierzu Versuche bei den Anwendungspartnern durchgeführt (siehe Abbildung 1).
Abbildung 2: Simuliertes Schweißen in Zwangshaltungen
Schweißaufgaben in Zwangshaltungen können mit AR-fähigen Trainingssimulatoren mit geringem
Aufwand gezielt trainiert werden. Die Simulation ist beschränkt auf Rückmeldungen zur Kopf- und
Brennerhaltung relativ zum Werkstück. Die Körperhaltung kann jedoch unmittelbar während der
Ausführung von Ausbildungspersonal korrigiert werden. Weitere Einschränkungen entstanden durch
die begrenzte Länge des Schlauchpakets und den vorgeschriebenen Abstand und Winkel zwischen
Helmkamera und Werkstück. Durch die Verwendung optischer Verfahren zur Ortung der Geräte im
Raum erforderte der angewandte AR-Simulator (Soldamatic) eine gleichmäßige und möglichst gute
Ausleuchtung des Übungsbereichs. Die im Helm integrierte und dimmbare Leuchte (Abbildung 2,
links) erleichtert dies erheblich, sie reicht als alleinige Lichtquelle jedoch nicht immer aus.
Training von Extremsituationen reduziert im Allgemeinen den Stress im Normalbetrieb (Lateef 2010).
Durch gezieltes Training von Schweißprozessen in verschiedenen Zwangslagen kann außerdem ein
Bewusstsein für eine ergonomische Arbeitsweise geschaffen werden, was wiederum langfristige
gesundheitliche Beeinträchtigungen reduzieren kann.
2.1.4.4. Gestaltung einer E-Learning Plattform
Auf Basis des freien und objektorientierten Kursmanagementsystems Moodle wurde eine E-Learning
Plattform für das Verbundprojekt konfiguriert und in den Erprobungen verwendet (Abbildung 3). Die
Plattform diente dabei als Medium zur Verteilung der Lern- und Evaluationsmaterialien, da der
Umfang der Erprobungen nur einen Teilbereich des Ausbildungsberufs „Konstruktionsmechaniker
(m/w)“ abdeckte und eine vollständige Umstellung der Kursorganisation auf die Blended-Learning
Plattform in der Praxis nicht zweckmäßig war.
19
Abbildung 3: Interface der Blended Learning Plattform
Des Weiteren wurden interaktive, nicht-lineare, elektronische Lehr-/Lernunterlagen erstellt, die den
Lernpfad graphisch darstellen. Dabei wurden die Inhalte in ein definiertes Format eingefügt und eine
Navigation über ein Drop-Down Menu sowie eine Übersicht realisiert (Abbildung 4). Letztere zeigt
den Übungsfortschritt an, indem bereits gelesene Abschnitte grün hinterlegt werden.
Abbildung 4: Interface der nicht-linearen Lehr-/Lernunterlagen des Lernpfads
2.1.4.5. Entwicklung einer App zur Überwindung von Sprachbarrieren
Im Rahmen der technischen Konzeptentwicklung wurde eine Applikation für mobile Android-Geräte
entwickelt. Diese ist unter dem Namen „Mesa LernApp“ im Google Play Store kostenlos verfügbar
(Abbildung 5)1. Die App greift auf eine zentrale Datenbank zu und stellt entsprechend der dort
hinterlegten Struktur und Inhalte fachbezogene Grafiken und Fotografien in Kombination mit
Textinhalten dar. Diese können über die Funktion „Teilen“ in den sozialen Medien der Anwender
1 https://play.google.com/store/apps/details?id=com.biba.mesalernapp
20
weitergegeben werden. Die hinterlegten Inhalte wurden durch das BIBA in Absprache mit den
Anwendungspartnern erstellt. Zudem wurden durch den Partner GSI 45 Fotografien von
fachbezogenen Werkzeugen, Infrastruktur und Verfahren angefertigt, die in die App aufgenommen
wurden. Diese Abbildungen sind mit einer kurzen Beschreibung versehen und können über ein
aufklappbares Menu abgerufen werden.
Abbildung 5: MESA-Lernapp im Google Play Store
Ziel der App war es zu untersuchen inwiefern der Einsatz von Smartphones oder Tablets in der
Schweißausbildung zweckmäßig ist. Der Fokus liegt dabei auf dem Einsatz der Inhalte zur
Unterstützung der fachbezogenen Kommunikation zur Überwindung von Sprachbarrieren. Damit
lieferte die App das technische Grundgerüst für Untersuchungen hinsichtlich eines Konzepts zur
Überwindung von Sprachbarrieren. Die App wurde den Anwendungspartnern zum Praxistest zur
Verfügung gestellt.
Als Ergebnis ist im Allgemeinen das Lernen mit einer App auf mobilen Endgeräten sinnvoll.
Insbesondere bieten Smartphones eine Möglichkeit zur Überwindung von Sprachbarrieren, die
speziell am Anfang der Ausbildung oft eine Hürde darstellen. Die Software muss dafür möglichst
ansprechend gestaltet sein und auf die Bedürfnisse der Zielgruppe zugeschnitten sein. Als Feedback
und Anregung für zukünftige Apps in diesem Anwendungskontext wurden die folgenden
Gestaltungswünsche genannt:
Ein genereller Fokus auf Animationen und Fotos/Bilder mit möglichst wenig Text.
Einbinden von Filmen, da viele Teilnehmer in den Kursen auf Onlineplattformen wie
YouTube nach fachbezogenen Videos suchen. Die Inhalte sind demnach einprägsamer
und können mit dem Ausbilder diskutiert werden.
21
Integration von Fragen zur Überprüfung des Lernfortschritts zum Gesehenen oder
Gelesenen, möglicherweise auch ein Test am Ende eines Kapitels.
Stärkere Verbindung digitaler und analoger Inhalte durch möglichst ähnliche und
ansprechende Gestaltung, bspw. wiederkehrende Symbole und ein einheitlicher Stil.
Eine gamifizierte Anwendung zur Förderung der Lernmotivation, an der alle
Schweißer/innen in der Ausbildung teilnehmen können und Fragen zu den
Ausbildungsinhalten beantworten, hätte erhebliches Potential. Diese wäre auch für
bereits ausgebildete und erfahrene Schweißer/innen interessant. Die von der Firma
Fronius entwickelte App „Welducation Basic“ (vgl. Abschnitt 2.5) stellt hier einen guten
Ansatz dar.
2.1.5. Methoden und Ergebnisse der didaktischen Konzeptentwicklung
Arbeitsteilung: Die didaktische Konzeptentwicklung wurde durch den Forschungspartner ITB
durchgeführt. Das Train-the-Trainer Konzept wurde dabei in Kooperation mit dem
Anwendungspartner GSI erarbeitet.
2.1.5.1. Lernförderliche Aspekte in Ausbildungsberufen der Schweißbranche
In Ausbildungsberufen wie z.B. zum/zur Konstruktionsmechaniker/in mit dem Schwerpunkt
Schweißtechnik, Anlagenmechaniker/in oder Werkzeugmechaniker/in stellt das Thema Schweißen
meist eine vierwöchige Ausbildungseinheit dar. Diese verhältnismäßig kurze Lerneinheit resultiert
aus dem Fokus der Ausbildungen, welcher auf den metalltechnischen Grundlagen sowie
prüfungsrelevanten Lerninhalten liegt. Neben der zeitlichen Eingrenzung bestehen jedoch noch
weitere Problemstellungen in der bisherigen Art der Schweißausbildung. Zwischen der Durchführung
einer Schweißung durch die lernende Person und einem Feedback durch das Ausbildungspersonal
liegt ein zeitlicher und räumlicher Versatz aufgrund der Ausbildungs- und Arbeitsstrukturen in
Hinblick auf die abtrennenden Schweißkabinen zur Sicherstellung des Arbeitsschutzes. Dadurch fehlt
besonders für das Einnehmen einer ergonomischen Haltung eine direkte und nachhaltige
Kontrollmöglichkeit. Diese Faktoren erschweren es dem/der Schweißtrainer/in ein unmittelbares und
umfassendes Feedback zu geben sowie den Überblick über mehrere Auszubildende zu behalten. Die
Beurteilung einer Schweißnaht durch den/die Schweißtrainer/in hat damit nur einen indirekten
Charakter für den/die Lernenden/e. Rückschlüsse auf wichtige Parameter wie Brennerführung und
Körperhaltung werden auf Basis des Aussehens der Schweißnaht gezogen und erschweren damit den
Lernprozess und weisen Fehlerpotentiale auf.
22
2.1.5.2. Gestaltung von mediengestützten Lern- und Arbeitsaufgaben
Lernförderliche Aspekte sind nach der Bestandaufnahme besonders in praxisrelevanten und
problemhaltigen Situationen vorzufinden. Ein möglicher Ansatz dies innerhalb der beruflichen Aus-
und Weiterbildung zu implementieren, stellt das Konzept der Lern- und Arbeitsaufgaben dar.
Entsprechend wurden im Projekt Lern- und Arbeitsaufgaben entwickelt mit unterschiedlichen
Anforderungsniveaus für die Schweißausbildung im Bereich der Aus- und Weiterbildung mit dem
besonderen Augenmerk auf die Einbindung der Schweißsimulation in die Lernarrangements. Die
Curriculumentwicklung beinhaltet das Operationalisieren und Dokumentieren zielgruppen-
spezifischer Lernziele und -inhalte, das Einarbeiten methodischer Hinweise sowie die Entwicklung
und Bereitstellung von Lehr- und Lernmaterialien.
Abbildung 6: Blended-Learning-Ansatz im Vorhaben MESA
Weiterhin wurde für die Umsetzung des didaktischen Konzepts ein Blended-Learning-Ansatz
entwickelt, der in Abbildung 6 veranschaulicht ist. Hier werden die Lernorte Seminar-/Klassenraum,
der PC-Arbeitsplatz (mit dem Zugriff auf die Lernplattform), der Simulator und die Schweißkabine
zusammengeführt, um die Vorteile von Präsenz- und Selbstlernphasen an den jeweiligen Lernorten
zu nutzen und für den Lernprozess zu kombinieren. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist, dass
er für alle Lernorte der Berufsbildung und für unterschiedliche Zielgruppen nutzbar ist. Des Weiteren
lassen sich in diesem Kontext auch Lern- und Arbeitsaufgaben einsetzen, die eine Nutzung der
Simulation auch in Kleingruppen zulassen und gleichzeitig auch die Schüler/innen berücksichtigt, die
gerade nicht am Simulator arbeiten. Dementsprechend entstand im Vorhaben eine exemplarische,
didaktisch aufbereitete Lern- und Arbeitsaufgabe, auf die im Folgenden eingegangen werden soll.
Die Lern- und Arbeitsaufgabe beinhaltet einen realen Fertigungsauftrag und sieht für daraus
abgeleitete Teilaufgaben die Verwendung des Simulators vor. Zudem wurden Kriterien für eine
didaktisch-methodische Umsetzung für den Unterricht an unterschiedlichen Lernorten entwickelt
und aufgezeigt. Ein korrespondierendes Train-the-Trainer Konzept sollte die Lehrkräfte und Ausbilder
für die Umsetzung von Lern- und Arbeitsaufgaben unter Verwendung des Simulators im Unterricht
bzw. in Ausbildungsprozessen vorbereiten und unterstützen.
23
Abbildung 7: Technische Zeichnung des im Rahmen der Lern- und Arbeitsaufgabe zu fertigenden
Fahrradständers
Gegenstand der entwickelten Lern- und Arbeitsaufgabe ist ein realer Auftrag aus einem der
beteiligten Unternehmen, der für das intendierte Setting in einem ersten Schritt angepasst wurde.
Wie aus Abbildung 7 ersichtlich, bildet ein Auftrag für die Fertigung eines Fahrradständers die Basis
für die Lern- und Arbeitsaufgabe. Diese umfasst die Fertigung und Montage einer geschweißten
Konstruktion durch Metallschutzgasschweißen (MSG), da dies einen hohen praktischen Bezug
aufweist und sich durch den Schweißsimulator gut darstellen lässt.
Die für die Umsetzung der Aufgabe notwendigen Bauteile wurden zugeliefert und sollten im
Lernprojekt gefügt werden, um so den Schwerpunkt klar auf die Anforderungen des
Schweißprozesses zu legen und Hürden durch Fertigungsentscheidungen in der Rohteilfertigung (z. B.
Werkstoffauswahl durch den Fertigungsprozess bestimmt und damit Schweißeignung beachtet) zu
vermeiden. Die Lern- und Arbeitsaufgabe ist dabei so konzipiert, dass sie an den Lernorten der
dualen Berufsausbildung anwendbar ist, die didaktische Einbindung des Simulators erfordert und
eine entsprechende Evaluation zulässt.
Die Lern- und Arbeitsaufgabe gliedert sich in mehrere Teilaufgaben, die um den Fertigungsauftrag für
einen Fahrradständer als Fügeaufgabe gruppiert sind. Anhand von technischen Zeichnungen
beschreiben die Lernenden Funktionszusammenhänge von Bauelementen und Baugruppen. Auf Basis
24
der Fertigungsdokumente erstellen sie einen Fertigungsablauf und wählen geeignete MSG-
Schweißverfahren für das Fügen der Komponenten aus. Die aktuell in der Entwicklung befindlichen
Teilaufgaben sind in Tabelle 2 dargestellt. Innerhalb einer jeden Teilaufgabe wurden folgende
Aspekte für die Verwendung im Unterricht und im Training ausgearbeitet:
Beschreibung der Teilaufgabe
Lernziele
Lerninhalte
Handlungsprodukte/Ergebnisse
Medien
Links zu relevanten Inhalten
Lernorte und methodische Hinweise
Ablaufplanung
Tabelle 2: Teilaufgaben der Lern- und Arbeitsaufgabe „Fahrradständer“
Phase
Teil-
aufgabe Inhalt
Annahme 1.1 Schweißverfahren unterscheiden
1.2 Ergonomie und Körperhaltung
1.3 Gefährdungen beim Schweißen
Planung 2.1 Schweißparameter festlegen
2.2 Verschiedene Nahtarten unterscheiden
2.3 Nahtdicken und Schweißpositionen festlegen
2.4 Naht- und Bauteilvorbereitung
2.5 Schweißfolgeplan erstellen
Durchführung 3.1 Kehlnaht simulieren
3.2 Einfluss verschiedener Schweißgrößen identifizieren
3.3 Arbeitsmittel festlegen und Arbeitsplatz vorbereiten
3.4 Verschiedene Schutzgasschweißverfahren kennen
3.5 Herstellung des Bauteils
Abschluss 4.1 Reflexion der Schweißsimulation
4.2 Prüfmethoden und Schweißfehler
4.3 Prüfmethoden anwenden
Für eine systematische Entwicklung und Aufbereitung der Lerninhalte wurde ein vom Institut Technik
und Bildung entwickeltes internetgestütztes Tool genutzt (http://www.aufgaben-manager.de). Einen
Einblick in die Entwicklungsplattform zeigt Abbildung 8. Dabei wurde für jede entstehende
Teilaufgabe mindestens ein Vorschlag didaktisch aufbereitet, wie die Schweißsimulation an
verschiedenen Lernorten und mittels verschiedener Methoden (bspw. Lehrervortrag, direkte
Instruktion, Gruppenarbeit, Demonstration, Experiment) eingesetzt werden kann. In der
25
anschließenden Erprobung wurden die unterschiedlichen Möglichkeiten zur Einbindung der
Simulation in die Lern- und Arbeitsaufgabe an verschiedenen Lernorten evaluiert.
Abbildung 8: Screenshot von der in der Entwicklung befindlichen Lern- und Arbeitsaufgabe im KWSTA-
Aufgabenmanager
Um das Ausbildungspersonal in der Umsetzung der Lern- und Arbeitsaufgabe sowie in der
Anwendung der digitalen Medien im Ausbildungsbetrieb zu fördern wurde ein Train-the-Trainer
Konzept entwickelt, das im Folgenden Abschnitt beschrieben ist.
2.1.5.3. Gestaltung eines Train-the-Trainer Konzepts
Für die Lehrenden stellen sich über die fachliche und didaktische Expertise hinaus, weitere
Anforderungen:
Aufbau von Kompetenzen zur Verwendung von Lern- und Arbeitsaufgaben als Methode
beherrschen,
Bezug zur Arbeitswelt der Lernenden herstellen können,
Ein hohes Verständnis für den Simulator, seine Bedienung und seine Funktionalitäten
besitzen,
Umgang mit dem Feedback des Simulators beherrschen.
26
Um bei den Lehrpersonen ein entsprechendes Wissen aufbauen zu können, wurden im Vorhaben im
Rahmen des Train-the-Trainer Konzepts zwei ineinandergreifende Ansätze entwickelt, erprobt und
evaluiert. Auf der einen Seite wurde ein Workshopkonzept verwendet, das im Wesentlichen die
Trainer und Ausbilder in Präsenztrainings dabei unterstützt, die Lern- und Arbeitsaufgabe als
Lernprojekt im Bildungsangebot der jeweiligen Organisation (Schule, Unternehmen,
Bildungsanbieter) umzusetzen. Parallel dazu entstanden Video-Tutorials, die auf der Lernplattform
implementiert wurden. Sie legen den Fokus auf die Verbesserung der Medienkompetenz des
Bildungspersonals, die Verwendung des Schweißsimulators in verschiedenen Settings (Unterricht,
Seminar, Selbstlernen etc.) und die reflexive Auswertung der erfassten Simulationsparameter.
2.1.6. Erprobung und Evaluation der Konzepte
Arbeitsteilung: Die Erprobung und Evaluation der technischen und didaktischen Konzepte wurde
durch den Anwendungspartner CPB koordiniert. Diesbezüglich wurden die folgenden Arbeiten
durchgeführt:
Die entwickelten Konzepte wurden im Ausbildungsbetrieb von CPB und GSI erprobt.
Die Anschlussfähigkeit der Projektinhalte an die Richtlinien des DVS wurde durch die GSI
sichergestellt.
CPB hat eine wirtschaftliche Bewertung der Trainingssimulatoren durchgeführt.
Die Erprobungsergebnisse wurden durch den Forschungspartner ITB strukturiert und
ausgewertet.
2.1.6.1. Gegenstand und Methode der Erprobungen
Inhaltlicher Schwerpunkt der Erprobung und Evaluation war die fortlaufende Anwendung und
Erprobung der didaktischen Konzepte mittels der technischen Infrastruktur sowie die Sicherstellung
der Anschlussfähigkeit an die Richtlinien des DVS und den industriellen Bedarf.
Das entwickelte, modulare Lernkonzept auf Basis von Lern- und Arbeitsaufgaben wurde bei CPB in
der überbetrieblichen Ausbildung sowie bei der GSI als zertifizierende Ausbildungsstätte mittels eines
Blended-Learning-Ansatzes und mit einem ganzheitlichen, handlungsorientierten Lehr-Lernanspruch
in drei Erprobungsgruppen umgesetzt. Im ersten Schritt erfolgte die Erprobung bei CPB, gefolgt von
zwei Erprobungsdurchläufen bei GSI mit insgesamt 20 Teilnehmern. Begleitend zur Erprobung
erfolgte die Evaluation, auf die im folgenden AP eingegangen wird. Die Ergebnisse und
Beobachtungen aus der laufenden Evaluation sind dabei jeweils in eine gezielte Anpassung der
Ausgestaltung des Lehr-/Lernkonzepts eingeflossen.
So wurden in der Durchführung der Erprobung Lehr-/Lern-Unterlagen über die vom BIBA entwickelte
E-Learning Plattform verteilt. In diesem Zusammenhang wurde die Anpassung vorgenommen, in
folgenden Erprobungen neben der digitalen Fassung auch eine Papierversion vorzuhalten, da sich
27
dies im laufenden Betrieb der Erprobung insbesondere am Lernort Schweißkabine/Werkstatt als
vorteilhaft erwies. Weiterhin erfolgte auf Basis der Evaluationsergebnisse die Überarbeitung und
Ausgestaltung der Lern- und Arbeitsaufgaben mit Konzentration auf folgende Punkte. Die Gestaltung
des Lerngegenstands ist so vorzunehmen, dass
die Anzahl und Strecke der zur Verfügung stehenden Schweißnähte am Lerngegenstand
möglichst hoch ist,
möglichst viele verschiedene Nahttypen auftreten (Kehlnaht, I-Naht, H-Naht etc.) und
die Positionen der Schweißnähte die Adressierung verschiedener Schwierigkeitsgrade
ermöglichen.
Ferner zeichnete sich auf Basis der Erkenntnisse aus der Erprobung und der begleitenden Evaluation
ab, dass eine Iterationsschleife zur Feinjustage der Schwierigkeitsgrade in den entwickelten Lehr-
Lern-Unterlagen erforderlich war, insbesondere im Hinblick auf Teilnehmende ohne Vorkenntnisse
sowie auf Anteile mit Transferleitungen. Darüber hinaus zeigte sich, dass Anpassungen am Simulator
notwendig sind. Dadurch, dass aufgrund technischer Randbedingungen in der Erfassung der
Relativposition von Werkstück zu Schweißbrenner in der Bedienung z.T. eine unergonomische
Arbeits- und Körperhaltung erforderlich ist, können Situationen entstehen, die eine Vermittlung von
Inhalten und Kompetenzen in Phasen wie z.B. „Ergonomie und Körperhaltung“, „Einfluss
verschiedener Schweißgrößen identifizieren“, „Reflexion der Schweißsimulation“ etc. aus
didaktischer Sicht stark einschränken bzw. dem entgegen wirken.
Weiterhin wurde parallel zur partizipativen Entwicklung der Lern- und Arbeitsaufgaben gemeinsam
mit Lehrenden der Verbundpartner ein zweitägiges Train-the-Trainer Workshopkonzept erprobt und
evaluiert. Auf diese Weise war es möglich den Aufbau von Kompetenzen zur Verwendung von Lern-
und Arbeitsaufgaben als Methode anzuregen, um mit diesen einen Bezug zur Arbeitswelt der
Lernenden herzustellen. Zudem wurde die konkret ausgestaltete Lern- und Arbeitsaufgabe
„Fahrradständer“ vorgestellt, Inhalte gemeinsam feinangepasst und das Pilotprojekt zur
Durchführung dieser Aufgabe geplant. Gleichzeitig konnte so die Akzeptanz für das digitale Medium
Schweißsimulator sowie das Verständnis für den Simulator, seine Bedienung und seine
Funktionalitäten gesteigert werden und es wurden Ansätze zum Umgang mit dem Feedback des
Simulators erarbeitet.
Zur Erprobung des didaktischen Konzepts wurde die entwickelte Lern- und Arbeitsaufgabe mit
Schweißanfängern im 1. Ausbildungsjahr des Ausbildungsberufs „Konstruktionsmechaniker“
durchgeführt. Die Erprobungen fanden an den Standorten der GSI in Gelsenkirchen (Abbildung 9) und
Essen (Abbildung 10) sowie bei CPB in Breidenbach statt. Hier wurde die Lern- und Arbeitsaufgabe in
28
Übungsgruppen erprobt und im Rahmen des didaktischen Konzepts die Fertigung von
Fahrradständern in Theorie, Simulation und Praxis durchgeführt.
Abbildung 9: Erprobungen in Gelsenkirchen (links: Simulation, rechts: Praxis)
Die Erprobungen wurden von Mitarbeitern des Forschungspartners ITB begleitet und Feedback der
Lernenden durch Ausfüllen von Beobachtungs- und Fragebögen dokumentiert sowie strukturierte
Interviews mit den Lehrenden durchgeführt. Die Beobachtungsbögen umfassten die Bereiche
Training am Simulator und Ergonomie. Zu den realen Schweißprozessen gaben die Gruppen jeweils
eigenes Feedback ab. Darüber hinaus wurde ein Gruppenfeedback besprochen, die Diskussion von
der Lehrperson geleitet und um ggf. fehlende Erkenntnisse erweitert.
Abbildung 10: Übungsgruppe mit Erzeugnissen der Erprobungen am Standort Essen
29
Als Ergebnis aus den Erprobungen lässt sich festhalten, dass mit Einsatz des Simulators ein deutlicher
Mehrwert in der Ausbildung geleistet wurde. Jedoch kann dieser weder den Theorieunterricht noch
die praktischen Übungen ersetzen. In Summe scheinen sich durch Kombination der unterschiedlichen
Lernmethoden die besten Ergebnisse erzielen zu lassen.
2.1.6.2. Evaluation der Ergebnisse aus der Erprobung
Die Evaluation des didaktischen Ansatzes zielte darauf ab, die Frage zu beantworten, wo
nachhaltigeres und effektiveres Lernen gefördert werden kann und wo ggf. auch Grenzen der
Simulation sowie der Digitalisierung in der beruflichen Bildung gesetzt sind. In diesem
Zusammenhang wurde im Rahmen der Durchführung bei den Erprobungspartnern ein
projektförmiger Charakter des Lernens realisiert.
Abbildung 11: Erprobung am Standort der GSI in Essen mit Hinblick auf eine individuelle Einzelfertigung
Durch gezielt gewählte, unterschiedliche Erprobungsgruppen innerhalb der Organisationseinheiten
der Partner, wurden verschiedene Lösungsansätze und Schwerpunkte verfolgt. So erfolgte die
Bearbeitung der Lern- und Arbeitsaufgaben, bedingt durch den Fokus der jeweiligen Zielgruppen, z.B.
am Standort der GSI in Essen mit Hinblick auf eine individuelle Einzelfertigung (Abbildung 11). Zum
anderen wurde z.B. am Standort der GSI in Gelsenkirchen eine Erprobung mit Schwerpunkt auf eine
taktzeitrelevante Serienfertigung durchgeführt (Abbildung 12). Auf Basis dieser unterschiedlichen
Aspekte zeichneten sich Auswirkungen auf die inhaltliche sowie organisatorische Gestaltung der
Fertigung mittels Schweißens ab, sodass in der Folge ebenfalls die entsprechende Adressierung in der
Aus- bzw. Weiterbildung erfolgte. In diesem Kontext sowie bedingt durch die Randbedingungen der
erprobenden Stellen, wie die zur Verfügung stehende Infrastruktur, zeichnete sich insbesondere eine
flexible Anpassbarkeit der Lern- und Arbeitsaufgaben positiv ab.
30
Abbildung 12: Erprobung am Standort der GSI in Gelsenkirchen mit Hinblick auf eine taktzeitrelevante
Fertigung unter Verwendung einer Vorrichtung
Die Evaluation wurde gestützt durch Fragebögen sowie Interviews der Teilnehmenden und
Lehrenden durchgeführt. Gegenstand der Evaluation bei den Lernenden und Lehrenden waren dabei
Aspekte wie der Erwerb theoretischer und praktischer Kenntnisse, das Realitätsempfinden der
Schweißsimulation, die wahrgenommene Lerngeschwindigkeit sowie die Motivation. Die Ergebnisse
der Erprobung ließen auf diese Weise Rückschlüsse darauf zu, was der Schweißsimulator in der Aus-
und Weiterbildung leisten kann und welche Grenzen sich aus Perspektive der Lernenden sowie
Lehrenden im Hinblick auf z.B. Gruppengrößen sowie Erfolgs- und Motivationsfaktoren abzeichnen.
So konnte durch die Kombination der Schweißsimulation und die Einbettung dieser in den
projektförmigen Charakter der Lern- und Arbeitsaufgabe eine hohe Motivation der Teilnehmer
beobachtet werden. Aufgrund der hohen Transparenz und dem Vorhandensein einer vollständigen
Handlung spiegelten die Teilnehmer einen guten Überblick über den Gesamtablauf wieder. Dabei
konnten gleichzeitig Planungs-, Sprach- und Sozialkompetenzen insbesondere bei heterogenen
Gruppen adressiert und Schnittstellen z.B. zu Sprachunterricht gebildet werden. Zudem zeichnete
sich bei den Lernenden ein schneller Lernerfolg ab, da der Schweißsimulator eine gute Eignung dabei
aufweist motorische Aspekte zu trainieren. Insbesondere im Kontext einer verständlichen
Vermittlung von Themen der Ergonomie äußerte sich dies positiv, da auf diese Weise der oft
theorielastige Charakter durch einen anschaulichen Praxisbezug bereichert werden kann. Weiterhin
zeigt sich, dass die Verwendung des Simulationsmodus mit Hilfestellungen durch die Lernenden
besser geeignet ist, als der Modus ohne Hilfestellungen, da es sonst dazu kommen kann, dass falsche
Brennerhaltungen erlernt werden.
In Bezug auf die Lehrenden ist festzustellen, dass Trainer-Workshops gut geeignet sind, um den
Schweißtrainer/innen ausreichende Zeitfenster zur Verfügung zu stellen, um Erfahrung mit dem
Simulator zu sammeln. Eine Sicherheit und Souveränität im Umgang mit den digitalen Medien legt
die Grundlage für eine Akzeptanz beim Einsatz in der Ausbildung und den daraus resultierenden
31
Mehrwert. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn Ausbilder/innen aufgrund des
projektförmigen Charakters in der Durchführung stärker eingebunden sind und eine Funktion des
Coaching am Simulator erfüllen. Positiv äußerte sich, dass Sprachbarrieren aufgefangen durch die
Formate des E-Learning und die vom BIBA entwickelte App zur Überwindung von Sprachbarrieren
weniger ins Gewicht fallen.
Aus ökonomischer Perspektive betrachtet ist hinsichtlich der Integration digitaler Medien speziell der
Einsatz von Trainingssimulatoren interessant. Den hohen Investitionskosten von etwa 20.000 EUR je
Einheit gegenüber stehen erhebliche Einsparungen beim Ressourcenverbrauch. Seitens der Hersteller
der Simulatoren werden hier Einsparmöglichkeiten bei den Verbrauchsmaterialien von 68% genannt
und eine allgemeine Reduzierung der Kosten um 36% (Seabery Soluciones 2016). Tatsächlich hängen
die Kosten jedoch individuell von der Abschreibung der Investitionsgüter, dem Anteil der Übungen in
der Simulation sowie den Kosten der Verbrauchsmaterialien ab. Der Anteil der Übungen, der an den
Simulatoren ausgeführt wird, hat eine entsprechende Reduktion der Emissionen und
Ressourcenverbräuche zur Folge. Eine Verlagerung von 30% der real gezogenen Schweißnähte in die
Simulation stellt im Sinne der vorgeschlagenen integrierten Ausbildung eine realistische
Größenordnung dar.
2.1.7. Weiterführende Untersuchungen
Ergänzend zu den didaktischen und technischen Konzepten wurden weiterführende Untersuchungen
durchgeführt, die für die Umsetzung relevante Erkenntnisse geliefert haben, bzw. einen Ausblick auf
zukünftige Forschungsthemen liefern können.
Arbeitsteilung: Die im Folgenden beschriebenen, weiterführenden Untersuchungen wurden von den
Partnern durchgeführt:
ITB und GSI haben den Simulator als Instrument für die Berufsorientierung und
Sprachförderung eingesetzt und bewertet.
Das ITB hat den Simulator als Prüfungsmedium in der Ausbildung untersucht.
Das BIBA hat in Zusammenarbeit mit externen Partnern das Potential des Simulators als
Assistenzsystem im Teach-In von Schweißrobotern geprüft.
2.1.7.1. Der Simulator als Instrument für Berufsorientierung und Sprachförderung
An einer berufsbildenden Schule in Leer (Ostfriesland) wurde der Simulator in einer
„Sprachförderklasse“ eingesetzt. Mit einer Zielgruppe von 11 Jugendlichen, die allesamt einen
Migrationshintergrund und gleichzeitig sehr rudimentäre Deutschkenntnisse aufweisen, wurde als
zentrale Fragestellung untersucht, inwieweit der Simulator für diese Zielgruppe als ein Medium für
die Berufsorientierung hilfreich sein kann. Dazu setzten die Schüler/innen zunächst am Simulator
32
eine Kehlnaht-Schweißaufgabe mit dem MAG-Schweißverfahren um. Dabei wurde erhoben,
inwieweit das simulierte Schweißen sowohl motivierend als auch vorstellbar für eine berufliche
Tätigkeit ist. Bei ablehnender Haltung wurden ggf. Gründe erfasst. Nach dem gleichen Vorgehen
wurde anschließend eine Kehlnaht in der Schweißwerkstatt durch die Schüler/innen real geschweißt.
Die Evaluation der Eignung des Simulators als Entscheidungshilfe für eine berufliche Orientierung
zeigt, dass der Simulator bei der Zielgruppe eine „Richtung“ vorgibt, die durch den nachfolgenden
realen Schweißprozess verstärkt wirkt: wer nach der Simulation eher skeptisch hinsichtlich der
Motivation für eine berufliche Karriere mit Schweißaufgaben ist, der fühlt sich nach dem realen
Schweißen eher bestätigt. Ebenso wird ein vorhandenes Interesse an Schweißtätigkeiten nach der
realen Schweißübung eher bestärkt. Positiv zu vermerken war aus Sicht der Lehrkraft ein
Trainingseffekt, da die Übung am Simulator bei der gesamten Gruppe ein Ankleben des
Schweißdrahtes an der Kontaktdüse (ein „typischer Anfängerfehler“) beim Schweißen in der
Werkstatt verhinderte.
2.1.7.2. Der Simulator als Medium zur Vorbereitung auf Prüfungen in der
Ausbildung
An einer berufsbildenden Schule in Brake wurden zwei Teilzeitklassen der Fachrichtung
Metallbau/Konstruktionstechnik ausgewählt. Die erste Klasse mit 19 Auszubildenden befand sich im
2. Ausbildungsjahr, die zweite Klasse mit 17 Auszubildenden im 3. Ausbildungsjahr. Das Ziel dieses
Evaluationsprojektes war es herauszufinden, inwieweit der Simulator als ein geeignetes Instrument
zur Vorbereitung auf die Zwischen- bzw. Abschlussprüfung der praktischen Gesellenprüfung geeignet
ist. Dazu wurde ein Pre-/Post-Befragung unter den Schüler/innen durchgeführt, die die Erfahrungen
im Schweißen und eine Selbsteinschätzung vor und nach der Simulation einer Kehlnaht nach dem
MAG-Schweißverfahren erfasste.
Das Fazit der Bewertung der Eignung des Simulators als Instrument zur Prüfungsvorbereitung fiel
nicht eindeutig aus. So zeigen sich Unterschiede in der Bewertung zwischen dem 2. und 3.
Ausbildungslehrjahr, was die Einschätzung des Lerneffektes, die Realitätsnähe der Simulation und die
Möglichkeiten zur Prüfungsvorbereitung mit dem Simulator betrifft. Die Lehrkraft kam zu dem
Ergebnis, dass sich mit dem Schweißsimulator Einsatzmöglichkeiten für den Unterrichtseinstieg
ergeben, um z.B. theoretische Kenntnisse abzufragen oder einzelne Parameter in ihrer Wirkung zu
diskutieren. Auch verfüge der Simulator über ein gewisses Potenzial, was die Motivation und den
spielerischen Ehrgeiz der Auszubildenden angeht. Dennoch war eine leichte Tendenz dahingehend
erkennbar, dass der Simulator als Übungsinstrument eher für „fortgeschrittene Anfänger“ (im 2.
Ausbildungslehrjahr) geeignet sei als für die „Experten“ (im 3. Ausbildungslehrjahr).
33
2.1.7.3. Der Simulator als Assistenzsystem im Teach-In von Schweißrobotern
In Zusammenarbeit mit dem Bremer Werk der Daimler AG wurde eine Machbarkeitsanalyse zur
Anwendung von Schweißsimulatoren mit Augmented Reality Technologie zur Konfiguration von
Industrierobotern in der Automobilbranche durchgeführt. Dabei wurde ein experimentelles
Funktionsmuster gestaltet und die Funktion mittels Experteninterviews evaluiert.
Teach-In ist ein Verfahren zur Programmierung von Industrierobotern. Der Roboter wird dabei über
eine Steuerungskonsole manuell über die gewünschten Positionen gefahren und dabei werden die
erzeugten Koordinatenpunkte gespeichert und die entsprechende Programmierung erzeugt. Die
Programmierung kann anschließend in der Produktion genutzt werden.
In den Produktionslinien der Automobilindustrie sind Schweißroboter ein wichtiger Bestandteil. Die
Programmierung der Schweißnähte wird hier üblicherweise von Programmierer/innen iterativ
durchgeführt. Simulationen werden bspw. in CAD Umgebungen durchgeführt, können die Testläufe
jedoch nicht ersetzen. Da die bei den Testläufen verbrauchten Karosserieteile verschrottet werden
und aktuelle Modelle ca. 600 komplexe Schweißnähte beinhalten, hat dies hohe Kosten zur Folge.
Ein alternativer Ansatz für schwer einsehbare Schweißnähte wurde von Ni et al. (2017) entwickelt.
Hier wurden über Scanner 3D Modelle der realen Bauteile generiert. Haptische Eingabegeräte
erlauben die Definition der Nähte und Feedback wird über AR und Vibration ausgeben. Das Feedback
ist allerdings auf das Einhalten des Fahrweges limitiert.
Abbildung 13: Experimenteller Aufbau zum Teach-In eines Schweißroboters mittels Trainingssimulator
In dem experimentellen Aufbau (Abbildung 13) wurde ein Kuka-Roboter KR15 (15kg) mit
KRC4-Steuerung sowie ein Soldamatic-Trainingssimulator verwendet. Zur Befestigung des
Kamerasystems wurde eine Halterung konstruiert. Die Programmierung wurde entsprechend des
34
Feedbacks der Trainingssimulation justiert und anschließend mehrfach abgefahren. Die Ergebnisse
wurden von Auszubildenden, Ausbildern und Roboterbedienern bewertet.
Die Markierungen des Trainingssimulators konnten genutzt werden, um die Programmierung des
Roboters anzupassen. Eine entsprechend erstellte Programmierung lieferte über mehrere Versuche
konstante Ergebnisse. Die Orientierung und Position des Brenners gleichen dabei der idealen
Einstellung und durch das Kamerasystem erhält der Bediener eine bessere Sicht auf das Werkstück,
was bei schwer zugänglichen oder unergonomischen Prozessen hilft. Die Anwendung der Simulation
wurde vom Wartungspersonal prinzipiell sehr positiv bewertet, da sich so viel Aufwand einsparen
ließe.
Allerdings würde die von der Simulation verlangte Geschwindigkeit (ca. 1,5mm/s) zu einem
Durchbrennen führen. Die Anwender bewerten die Simulation als zu starr, um industriellen
Anforderungen gerecht zu werden, z. B. können innerhalb einzelner Schweißprozesse variable
Wandstärken eine Variation der Geschwindigkeit erfordern. Diese war im Rahmen der Simulation
nicht veränderbar. Des Weiteren ist die Anwendung limitiert auf die von der Simulation
vorgegebenen Übungswerkstücke. Eine Erweiterung auf Grundlage derselben Technologie ist relativ
aufwändig. Das Kamerasystem erfordert eine konstante Positionierung in einer Entfernung von etwa
300mm zum Schweißbrenner und das verwendete Stativ war relativ anfällig für Vibrationen.
Die visuelle Unterstützung des Teach-Ins mittels Augmented Reality ist prinzipiell möglich und wurde
von den Befragten als sinnvoll bezeichnet. Gute Ergebnisse entstanden bei der Orientierung und
Position des Brenners und die Verwendung für schwer zugängliche Prozesse bietet einen zusätzlichen
Mehrwert. Für den industriellen Einsatz ist jedoch eine dedizierte Anwendung erforderlich, die
entsprechend konfigurierbar ist. Ein Scanner-Modul (vgl. Ni et al. 2017) könnte die Verwendung
individueller Bauteile ermöglichen.
2.2. Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises
Der Großteil der Ausgaben der Arbeitspakete entfiel auf Personalmittel, Reisekosten und
Materialkosten über die im Detail im Verwendungsnachweis berichtet wird.
Der Personalaufwand war zur Durchführung der Teilprojekte in der ausgewiesenen Summe
erforderlich. Ein wesentlicher Posten der Materialkosten resultierte aus der Beschaffung eines
Trainingssimulators, der bei der Entwicklung der technischen und didaktischen Konzepte sowie der
Außendarstellung des Verbundprojekts eine wichtige Rolle eingenommen hat. Die Kosten des
Simulators (19.500 EUR) waren gegenüber den vor Projektbeginn dafür veranschlagten Kosten
(48.000 EUR) deutlich verringert, was durch den Neuheitsgrad der Technologien in Zusammenhang
mit dem Fortschreiten der technischen Entwicklung zu begründen ist.
35
2.3. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Digitale Medien und insbesondere Schweißsimulatoren können einen wichtigen Beitrag zur
Modernisierung der Qualifizierungsprozesse innerhalb der Schweißbranche leisten. Um dieses
Potential abzuschöpfen, ist jedoch eine didaktische Systematik erforderlich, die sich an industriellen
Bedürfnissen orientiert. Dieses Ergebnis war aufgrund seines Modellcharakters nur von einem
Verbund aus industriellen Unternehmen, Bildungseinrichtungen und wissenschaftlichen Partnern zu
bewältigen. Die Arbeiten wurden gemäß des Projektplans durchgeführt und waren für die Erfüllung
der Projektziele erforderlich.
2.4. Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden technische und didaktische Konzepte zur Verwendung digitaler
Medien entwickelt. Der Nutzen der Ergebnisse stellt sich folgendermaßen dar:
Es wurden didaktische, praxisorientierte Konzepte für die Aus- und Weiterbildungen der
Schweißbranche entwickelt, die die Integration digitaler Medien fördern. Hierdurch eröffnen
sich niedrigschwellige Zugänge für die Ausbildungsberufe der Schweißbranche, die diese für
junge Menschen attraktiver darstellen.
Die didaktischen Konzepte wurden durch eine technische Infrastruktur unterstützt, die
selbstgesteuertes Lernen fördert, indem Trainingseinheiten ohne räumliche und zeitliche
Restriktionen abgerufen werden können.
Durch anteiligen Einsatz von Trainingssimulatoren (ca. 30%) in den Qualifizierungs-
maßnahmen kann eine höhere Übungsfolge bei gleichzeitiger Reduktion von Schadstoff-
emissionen und Ressourcenverbrauch erzielt werden. In Abhängigkeit von dem Nutzungs-
grad der Simulatoren und den Investitionskosten können durch Einsparung der Verbrauchs-
materialien auch die Ausbildungskosten verringert werden.
Die Integration ergonomischer Grundlagen in die Ausbildung und die gezielte Nachstellung
von Zwangshaltungen mittels Trainingssimulator bereitet auf schwierige Aufgabenstellungen
vor und kann zu einer Stressreduktion und Vermeidung von Langzeitschäden beitragen.
Zur Einbindung des Ausbildungspersonals wurde ein Train-the-Trainer Konzept entwickelt,
das in einem Workshopformat für den Umgang mit digitalen Medien qualifiziert und
Vorbehalten gegenüber den Technologien entgegenwirkt. Auf diese Weise wird eine
Grundlage für einen höheren Verbreitungsgrad von digital gestützten und innovativen
Schulungs- und Ausbildungskonzepten gelegt und so die Qualität der Aus- und Weiterbildung
gesteigert.
36
Es wurden Gestaltungsempfehlungen zur Integration mobiler Endgeräte erarbeitet, die einen
wirkungsvollen Ansatz darstellen, um Fachbegriffe zu vermitteln und Sprachbarrieren zu
mindern.
Eine unmittelbare Verwertung der erarbeiteten Konzepte erfolgt bei den beteiligten Organisationen
durch unmittelbaren Einsatz in den Aus- und Weiterbildungsprozessen. Bei den Forschungsinstituten
findet die Verwertung didaktischer Kompetenzen (ITB) sowie technischer Kompetenzen zu
Augmented und Virtual Reality Technologien (BIBA) durch Publikationen sowie die Gestaltung
zukünftiger Forschungsvorhaben und der universitären Lehre statt.
Die Verwertung und Verbreitung der Projektergebnisse wird außerdem durch Publikationen (vgl.
Abschnitt 2.6 des Schlussberichts) gewährleistet, ebenso wie durch Aufnahme von Empfehlungen in
die Richtlinien des DVS und die Gestaltung des Lehrberufs „Konstruktionsmechaniker“ durch die
Prüfungsaufgaben- und Lehrmittelentwicklungsstelle (PAL). Des Weiteren hat im erweiterten
Verbund ein breites Spektrum assoziierter Unternehmen und Bildungseinrichtungen (vgl. Abschnitt
1.5 des Schlussberichts) an dem Projekt mitgewirkt, was die Reichweite und Anwendbarkeit der im
Projekt erzeugten Ergebnisse fördert.
2.5. Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen
Im Rahmen der Teilprojekte werden kontinuierliche Informationsrecherchen in elektronische Quellen
(z.B. Suchmaschinen, Datenbanken) sowie den erweiterten Netzwerken der Verbundpartner und der
assoziierten Partner durchgeführt. Dabei konnten keine für die Durchführung des Vorhabens
relevanten Ergebnisse Dritter identifiziert werden. Die relevanten Studien wurden bereits bei der
Antragstellung berücksichtigt. Allerdings sind während der Projektlaufzeit in der Literatur einige
Publikationen und Produkte in einem vergleichbaren Kontext erschienen, die jedoch nicht
unmittelbar zur Zielerreichung beigetragen haben:
Winterer (2016) hat im Rahmen einer Abschlussarbeit die Fragestellung untersucht,
inwiefern Augmented Reality eingesetzt werden kann, um reale Schweißprozesse in der
Praxis mittels Augmented Reality (AR) zu unterstützen. Demnach war ein erhebliches
Potential für ein derartiges Assistenzsystem zu erkennen, allerdings war eine konkrete
Umsetzung aufgrund fehlender AR-Hardware nicht realisierbar.
Jin et al. (2018) haben ein Konzept zur Evaluation von Lerninhalten in Virtual Reality (VR)
gestützten Systemen entwickelt. Die dafür entwickelten Kriterien sollen die Entwicklung von
Lerninhalten fördern, die über VR vermittelt werden. Die Kriterien gliedern sich in die
Bereiche Lernen, Medien und inhaltliche Gestaltung. Die Ergebnisse waren jedoch nicht
37
unmittelbar auf MESA übertragbar, da im Projekt keine technologische Entwicklung von
Schweißsimulatoren beabsichtigt war.
Die Firma Fronius hat mit „Welducation Basic“ eine App veröffentlicht, die mittels eines
Multiple-Choice Konzepts Lerninhalte spielerisch vermittelt und eine Ranglistenfunktion
enthält. Eine weitere Funktion umfasst das Ziehen virtueller Schweißnähte durch möglichst
ruhiges Ziehen eines Fingers über den Touchscreen2.
2.6. Veröffentlichungen des Ergebnisses
Auf Basis der Projektergebnisse wurden die folgenden Veröffentlichungen publiziert:
Daniel, C.; Schulte, S.; Petersen, M. (2018). Virtuelles Schweißen – Digitale Lernmöglichkeiten
und didaktische Potentiale. Tagungsband der 12. Ingenieurpädagogischen Regionaltagung
(IPW), 11.-13.05.2017, Ilmenau.
Knoke, B. & Thoben, K.-D. (2017). Integration of Simulation-based Training for Welders.
Simulation Notes Europe SNE 27(1), 37-44.
Knoke, B.; Voskuhl, M.; Tebbe, M.; Häveker, M.; Gorldt, C.; Thoben, K.-D. (2018).
Experimental Adaptation of a Training Simulator for Manual Welding Processes towards the
Teach-In of Welding Robots. Tagungsband der ASIM Fachtagung, 8.-9. März 2018,
Hochschule Heilbronn, S. 249-252
Schulte, S. & Petersen, M. (2017). Der Einsatz von Schweißsimulatoren in der Ausbildung –
neue didaktische Anforderungen an die Lehrkräfte und Konsequenzen für ein Train-the-
Trainer-Konzept. Tagungsband der 11. Ingenieurpädagogischen Regionaltagung (IPW), 23.–
25.06.2016, Hamburg-Harburg. S. 109-116
Die Veröffentlichungen sind frei zugänglich und über die Projekthomepage (http://mesa-projekt.de)
abrufbar.
Des Weiteren wird auf Grundlage des Abschlussberichts ein Leitfaden in Zusammenarbeit mit der
DVS Media GmbH gestaltet. Dieser wird die Ergebnisse zusammenfassen und adressiert
Industrieunternehmen und Bildungseinrichtungen als Zielgruppe.
2.7. Quellenverzeichnis
Albers, C.; Magenheim, J. & Meister, D. M. (2011). Der Einsatz digitaler Medien als Herausforderung
von Schule ‐ eine Annäherung. In: Carsten Albers, Johannes Magenheim und Dorothee M.
2 https://www.fronius.com/de/schweisstechnik/produkte/digitale-produkte/digitale-produkte/welducation-
basic/welducation-basic
38
Meister (Hg.): Schule in der digitalen Welt. Medientheoretische Ansätze und
Schulforschungsperspektiven. Wiesbaden: VS, Verl. für Sozialwissenschaften. S. 7–16.
BA - Bundesagentur für ARbeit. (2015). Der Arbeitsmarkt in Deutschland - Fachkräfteengpassanalyse.
Nürnberg: Bundesagentur für Arbeit.
BA - Bundesagentur für ARbeit. (2018). Beschäftigte nach Berufen (Klassifikation der Berufe 2010) -
Deutschland, West/Ost und Länder (Quartalszahlen) - März 2018. Online Ressource:
https://statistik.arbeitsagentur.de/Statistikdaten/Detail/201803/iiia6/beschaeftigung-sozbe-
bo-heft/bo-heft-d-0-201803-xlsx.xlsx
Daniel, C.; Schulte, S.; Petersen, M. (2018). Virtuelles Schweißen – Digitale Lernmöglichkeiten und
didaktische Potentiale. Tagungsband der 12. Ingenieurpädagogischen Regionaltagung (IPW),
11.-13.05.2017, Ilmenau.
DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. (2012). Schweißtrainer – Eine
„Revolution“ in der fügetechnischen Ausbildung? DVS Magazin Ausgabe 01/2012.
IFOK – Institut der deutschen Wirtschaft Köln (2011). Schlussbericht zur Kurzstudie zur Erweiterung
der Grundlagenarbeit aus der Machbarkeitsstudie zum Aufbau eines berufs- und
länderübergreifenden Informationsportals (Datenbank) zur Erschließung der
Beschäftigungspotenziale von Migrantinnen und Migranten. Online Ressource:
https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Publikationen/Ausbildung-und-Beruf/erweiterung-
grundlagenarbeit-machbarkeitsstudie.pdf
Jin, M. K., Yun, H. J., & Lee, H. S. (2018). Design of Evaluation Areas Based on Type of Mobile-Based
Virtual Reality Training Content. Mobile Information Systems 2018.
Knoke, B. & Thoben, K.-D. (2017). Integration of Simulation-based Training for Welders. Simulation
Notes Europe SNE 27(1), 37-44.
Knoke, B.; Voskuhl, M.; Tebbe, M.; Häveker, M.; Gorldt, C.; Thoben, K.-D. (2018). Experimental
Adaptation of a Training Simulator for Manual Welding Processes towards the Teach-In of
Welding Robots. Tagungsband der ASIM Fachtagung, 8.-9. März 2018, Hochschule Heilbronn,
S. 249-252
Liebers, F. & Caffier, G. (2009). Berufsspezifische Arbeitsunfähigkeit durch Muskel-Skelett-Erkrankung
in Deutschland. Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin.
Lateef, F. (2010). Simulation-based learning: Just like the real thing. Journal of Emergencies, Trauma,
and Shock, 3(4), S. 348-352.
39
Lundin, J.; Checkoway, H.; Criswell, S.; Hobson, A.; Seixas, N.; Evanoff, B.; Sheppard, L. & Racette, B.
(2011). Increased risk of Parkinsonism associated with cumulative hours of welding.
Occupational and Environmental Medicine 68(1).
Mansfeld, T. (2013). Dissertationsschrift: Simulation – fach- und berufsdidaktische Innovationen in
metall- und elektrotechnischen Domänen. TU Berlin.
Mutch, A. (2002). The impact of information technology on ‘traditional’occupations: the case of
welding. New Technology, Work and Employment 13(2), S. 140-149.
Schulte, S. & Petersen, M. (2017). Der Einsatz von Schweißsimulatoren in der Ausbildung – neue
didaktische Anforderungen an die Lehrkräfte und Konsequenzen für ein Train-the-Trainer-
Konzept. Tagungsband der 11. Ingenieurpädagogischen Regionaltagung (IPW), 23.–
25.06.2016, Hamburg-Harburg. S. 109-116
Seabery Soluciones. (2016). Welding Training Comparative Study: Traditional Method VS. Soldamatic
Augmented Training Method. Online Ressource: http://www.soldamatic.com/wp-
content/uploads/2016/10/Case_Study_-Asturias_-Full_Report_EN.pdf
Sepp, R. (2006). 50plus: Ältere Mitarbeiter/-innen–Ein neues betriebliches Erfolgspotenzial. WISO
Wirtschafts-und Sozialpolitische Zeitschrift, 1(2006). S. 83-107.
Stone, R.; McLaurin, E.; Zhong, P. & Watts, K. (2013). Full Virtual Reality vs. Integrated Virtual Reality
Training in Welding. Welding Journal 92. S. 167-174.
Tulodziecki, G. (2011): Handeln und Lernen in einer von Medien mitgestalteten Welt. Konsequenzen
für Erziehung und Bildung. In: Carsten Albers, Johannes Magenheim und Dorothee M.
Meister (Hg.): Schule in der digitalen Welt. Medientheoretische Ansätze und
Schulforschungsperspektiven. 1. Aufl. Wiesbaden: VS Verlag für Sozialwissenschaften. S. 43–
64.
Winterer, M. W. (2016). Einsatz von Augmented Reality in der Schweißtechnik. FH Oberösterreich.
Online Ressource:
https://www.researchgate.net/profile/Mario_Winterer/publication/312034370_
Einsatz_von_Augmented_Reality_in_der_Schweisstechnik
Yang, U., Lee, G. A., Kim, Y., Jo, D., Choi, J., & Kim, K. H. (2010). Virtual reality based welding training
simulator with 3D multimodal interaction. International Conference on Cyberworlds 2010. S.
150-154.
