„Die Abwesenheit von Gefahren bei der Arbeit mit dem digitalen Zwilling ist der größte Vorteil, der sich bietet. Es kann nichts passieren, im schlimmsten Fall stürzt der PC mal ab.“
Michael Dietz (M. Sc.), Wissenschaftlicher Mitarbeiter im STARFISH Teilprojekt „Virtuelle Labore“
Die Corona-Pandemie hat die Digitalisierung der Hochschullehre in einem nie dagewesenen Tempo vorangetrieben. Doch gerade für praxisorientierte Studiengänge in den Bereichen Maschinenbau, Verfahrens- und Elektrotechnik stellt die Verlagerung von Laborpraktika in den virtuellen Raum eine besondere Herausforderung dar. An der Technischen Hochschule Nürnberg hat ein Team vom Nuremberg Campus of Technology (NCT) im Rahmen des Projekts STARFISH eine zukunftsweisende Lösung entwickelt: Virtuelle Labore mit digitalen Zwillingen.
Das Konzept basiert auf der Erstellung simulierter Modelle realer Maschinen und Versuchsstände im Computer. Diese digitalen Zwillinge bilden das Verhalten der physischen Geräte mit einstellbarem Detailgrad nach. In einem zweiten Schritt wird der komplette Labor-PC virtualisiert, sodass Studierende über eine Remote-Desktop-Verbindung und einen speziellen Zugangscode von überall auf ihre individuelle Arbeitsumgebung zugreifen können.
„Problem-Based Learning“ als didaktischer Ansatz
Das didaktische Konzept der virtuellen Labore folgt dem „Problem-Based Learning-Ansatz“. Studierende müssen selbstständig Problemstellungen identifizieren, Lösungswege finden und sich fehlende Kenntnisse aneignen. Dabei bearbeiten sie Schritt für Schritt komplexere Aufgaben, die auf realen Herausforderungen in der Industrieautomation basieren. Die Zusammenarbeit in Gruppen und die Nutzung von Besprechungsforen fördern zusätzlich die Teamdynamik und den Wissensaustausch.
Virtuelle Labore bieten gegenüber physischen Laboren zahlreiche Vorteile. Da es sich um Computersimulationen handelt, sind Beschädigungen der Versuchsstände selbst bei Fehleingaben ausgeschlossen. Zudem können die virtuellen Labore unbegrenzt vervielfältigt werden, sodass eine große Anzahl von Studierenden gleichzeitig an den Projekten arbeiten kann. Die Ortsunabhängigkeit und zeitliche Flexibilität ermöglichen es den Lernenden, ihre Praktika selbstgesteuert zu absolvieren und dabei wertvolle praktische Erfahrungen zu sammeln.
Virtuelle Labore an der Ohm
An der TH Nürnberg werden virtuelle Labore bereits erfolgreich in verschiedenen Projekten eingesetzt. So entwickeln Studierende beispielsweise einen digitalen Zwilling für die virtuelle Inbetriebnahme eines 3D-Druckers oder bearbeiten Aufgaben in den Bereichen Materialflusssimulation, Fördertechnik und Prozesstechnik. Doch auch für andere Studiengänge wie Mathematik und Physik sind Anwendungen denkbar, etwa die Simulation eines klassischen Pendelversuchs.
Die Entwicklung virtueller Labore mit digitalen Zwillingen an der TH Nürnberg zeigt exemplarisch, wie die Digitalisierung der Hochschullehre gelingen kann. Durch die innovative Verknüpfung von Theorie und Praxis in einer virtuellen Umgebung werden Studierende optimal auf die Herausforderungen der Industrie 4.0 vorbereitet. Es bleibt spannend zu beobachten, welche weiteren Anwendungsmöglichkeiten sich für diese zukunftsweisende Technologie in der Hochschulbildung noch ergeben werden.
Weiterführender Lesestoff
Der digitale Zwilling, Ohm Journal 2020/02 https://www.th-nuernberg.de/fileadmin/abteilungen/kom/kom_docs/OHM-Journal/2020-02_Ohm-Journal.pdf
Virtuelle Labore an der Ohm (Video) https://mediasharing.service.th-nuernberg.de/video/Virtuelle-Labore-Videopraesentation-Maerz-2022/f934831656fb4396740b22230e80e970
Vermittlung von Digitalisierung und Systemmodellierung für die virtuelle Inbetriebnahme mit virtuellen Laboren (Video) https://mediasharing.service.th-nuernberg.de/video/Vermittlung-von-Digitalisierung-und-Systemmodellierung-fuer-die-virtuelle-Inbetriebnahme-mit-virtuellen-Laboren/2cdc0e6672b7f5f0e9625e1565351acd
Teaching Digitalization and Systems Modeling for Virtual Commissioning Using Virtual Labs https://ieeexplore.ieee.org/document/9152258
On the Development of Virtual Labs Using Digital Twins and a Proposal for Didactic Optimization Using Design-Based Research https://ieeexplore.ieee.org/document/9514044
Der Beitrag wurde veröffentlicht im Juli 2024.
