{"id":1145,"date":"2021-07-01T14:08:00","date_gmt":"2021-07-01T12:08:00","guid":{"rendered":"https:\/\/blendedlearning.th-nuernberg.de\/portal_digitale_lehre\/?post_type=praxisbeispiel&p=1145"},"modified":"2023-10-31T16:16:56","modified_gmt":"2023-10-31T15:16:56","slug":"grundlagen-aktiv-vernetzen-das-projekt-multipendel-modell-und-simulation","status":"publish","type":"praxisbeispiel","link":"https:\/\/leko.service.th-nuernberg.de\/portal-digitale-lehre\/praxisbeispiele\/grundlagen-aktiv-vernetzen-das-projekt-multipendel-modell-und-simulation\/","title":{"rendered":"Grundlagen aktiv vernetzen: Das Projekt MULTIPENDEL \u2013 Modell und Simulation"},"content":{"rendered":"\n

In diesem Praxisbeispiel erfahren Sie, wie Sie mit einer freiwilligen Zusatzveranstaltung den Studierenden die M\u00f6glichkeit bieten, Fachinhalte erfahrbar zu machen und damit Berufschancen zu verbessern. Die Veranstaltung erm\u00f6glicht praxisorientierte Erfahrungen, bspw. in Softwarel\u00f6sungen (hier MATLAB) und den Erwerb von Methodenkompetenzen. Gro\u00dfe Teilnehmerzahlen und positive Umfrageergebnisse best\u00e4tigen den Bedarf an dieser Art Projektveranstaltung.<\/p>\n\n\n\n

An geeigneten Demonstratoren werden Pendelbewegungen beobachtet und in mathematische Modelle \u00fcberf\u00fchrt. Der gesamte Prozess: Ph\u00e4nomen \u2192 Modell \u2192 Algorithmus \u2192 Simulation \u2192 Interpretation wird abgebildet. So werden Fachinhalte aus Mechanik, Mathematik und Informatik aktiv zusammengef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Die Ausgangslage<\/strong><\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Die Lehrveranstaltung Numerische L\u00f6sungsverfahren (NLV) wurde im vierten Semester verpflichtend f\u00fcr alle Studierenden des Bachelorstudiengangs Maschinenbau als Teil des Moduls Ingenieurinformatik gehalten. Sie ist der Vermittlung von Methoden zur numerischen L\u00f6sung ingenieurwissenschaftlicher Aufgabenstellungen gewidmet. Im Wintersemester waren durchschnittlich 50 Studierende in der Vorlesung und im Sommersemester durchschnittlich 100 Studierende.<\/p>\n\n\n\n

Die gesamte Veranstaltung umfasste regul\u00e4r nur zwei Semesterwochenstunden. Somit war eine praxisorientierte Einf\u00fchrung in MATLAB, und insbesondere in die Programmierung mit MATLAB, leider nicht m\u00f6glich.<\/p>\n\n\n\n

Die L\u00f6sung: Ein erg\u00e4nzendes Fach mit Praxisbezug<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Daher wurde eine freiwillige Zusatzveranstaltung zur Einarbeitung interessierter Studierender in MATLAB aufgebaut. Ziel war es, an den Beispielen des einfachen Pendels als Faden-  bzw. Stabpendel und der entsprechenden Doppelpendel Bewegungsvorg\u00e4nge zu beobachten, die zugeh\u00f6rigen Differentialgleichungen zu formulieren und diese mit numerischen Verfahren, die in der Vorlesung behandelt werden, zu l\u00f6sen. Die Implementierung der Algorithmen wurde in MATLAB durch die teilnehmenden Studierenden unter Anleitung der Dozentin und studentischer Hilfskr\u00e4fte realisiert, nachdem die Studierenden anhand von ersten \u00dcbungen an die Programmierung mit MATLAB herangef\u00fchrt wurden. Die Ergebnisse dieser Zusatzveranstaltung wurden am Ende des Semesters in der regul\u00e4ren Vorlesung allen Studierenden pr\u00e4sentiert und gegebenenfalls zug\u00e4nglich gemacht.<\/p>\n\n\n\n

Wie ist das Fach aufgebaut?<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
\"Darstellung
Abb. 1: Darstellung eines Doppelfadenpendels.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Zur Motivation des physikalischen Problems werden geeignete Demonstratoren f\u00fcr ein einfaches Pendel, ein Doppelpendel, sowie sp\u00e4ter f\u00fcr kompliziertere Pendel ben\u00f6tigt. An ihnen sollen die Bewegungsvorg\u00e4nge beobachtet werden, um sie dann in mathematischen Modellen in Form von Differentialgleichungen zu formulieren. Diese sollen anschlie\u00dfend mittels geeigneter numerischer Verfahren computergest\u00fctzt gel\u00f6st werden (siehe Abb. 1). An den visualisierten L\u00f6sungen kann schlie\u00dflich das Verst\u00e4ndnis f\u00fcr die komplexen Zusammenh\u00e4nge reflektiert werden und Abweichungen zwischen Realit\u00e4t und Simulation k\u00f6nnen beobachtet werden. Somit wird die gesamte Prozesskette vom Ph\u00e4nomen zum Modell \u00fcber den Algorithmus zur Simulation und der Interpretation der Ergebnisse bis zum vertieften Verst\u00e4ndnis des Ausgangsproblems abgebildet.<\/p>\n\n\n\n

Wie kam das Fach bei den Studierenden an?<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Teilnahme<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Eine \u00dcberraschung war das gro\u00dfe Interesse an dem in der Vorlesung vorgestellten freiwilligen MATLAB-Pendel-Projekt. \u00dcber die H\u00e4lfte der Befragten bekundeten Interesse an einer Kursteilnahme und tats\u00e4chlich war die Teilnahmequote dann nochmal um 20% h\u00f6her. Um allen Interessierten die Teilnahme erm\u00f6glichen zu k\u00f6nnen, wurde der Kurs nicht nur f\u00fcr eine Gruppe, sondern f\u00fcr zwei Gruppen angeboten. An dieser Stelle sei das gro\u00dfe Engagement der studentischen Hilfskr\u00e4fte hervorgehoben.<\/p>\n\n\n\n

Eingangsumfrage<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Zu Beginn der jeweils ersten Kursstunde wurde gleich nach einer kurzen Einleitung eine Online-Umfrage gestartet. Die Beteiligung an der Umfrage war in beiden Gruppen mit einem R\u00fccklauf von 94 % sehr gro\u00df.<\/p>\n\n\n\n

Insbesondere wurde nach der Motivation zur Teilnahme an dem freiwilligen Extrakurs (siehe Abb. 2) gefragt. Es war m\u00f6glich, mehrere Antworten gleichzeitig auszuw\u00e4hlen. Die meisten Nennungen (30 von 49) entfielen auf verbesserte Chancen auf dem Stellenmarkt, gefolgt von der M\u00f6glichkeit, MATLAB im sp\u00e4teren Verlauf des Studiums nutzen zu k\u00f6nnen (24 von 49).<\/p>\n\n\n\n

\"Balkendiagramm
Abb. 2: Ergebnis der Eingangsumfrage: Motivation zur Teilnahme.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Abschlussumfrage<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Am Ende des Kurses wurde wieder in beiden Gruppen um die Teilnahme an einer Online-Umfrage gebeten. Die Beteiligung war mit rund 67 % nicht ganz so hoch wie bei der ersten Umfrage. Insgesamt zeigte sich unter den an der Umfrage Teilnehmenden ein gro\u00dfes (74%) bis sehr gro\u00dfes (18%) Interesse an dem durchgef\u00fchrten Kurs. Der Umfang des Lernstoffes wurde als verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig umfangreich empfunden. Das Engagement der Tutoren und der Dozentin wurde positiv angenommen. Die Teilnehmenden f\u00fchlten sich gut (38%) bis sehr gut (62%) unterst\u00fctzt. Die Einbeziehung von studentischen Hilfskr\u00e4ften, insbesondere bei der Durchf\u00fchrung von Rechner\u00fcbungen, hat sich hier als besonders effektiv erwiesen.<\/p>\n\n\n\n

Wie geht es weiter?<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
\"Demonstrator
Abb. 3: Der Demonstrator \u201cDoppelpendel\u201d mit Magnet zur Befestigung an der Tafel. (Foto: A. Papastavrou)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Veranstaltung wurde wegen der hohen Teilnahmemotivation und der positiven Resonanz zun\u00e4chst weiter angeboten. Im Sommersemester 2020 entstand daraus ein neues Wahlfach, das zum gro\u00dfen Teil auf dem beschriebenen Konzept aufbaut. Au\u00dferdem werden Teile des Konzepts in weitere Veranstaltungen des Bachelor- und Masterstudiums integriert, zum Beispiel werden die entwickelten Pendel-Modelle (Beispiel: siehe Abb. 3) zur Veranschaulichung und zur Konkretisierung abstrakter Inhalte eingesetzt. Flankierend zur Pflichtlehrveranstaltung im Master Maschinenbau \u201eAusgew\u00e4hlte Kapitel der Mathematik und Numerik\u201c wird die beschriebene freiwillige Zusatzveranstaltung \u201eEinf\u00fchrung in Matlab\u201c bei Interesse angeboten. Die im Rahmen des Projektes erarbeiteten \u00dcbungsunterlagen, Aufgaben und das Tutorial werden dar\u00fcberhinaus Studierenden, die sich f\u00fcr Projekt- oder Abschlussarbeiten im Matlab einarbeiten m\u00fcssen, zur Verf\u00fcgung gestellt.<\/p>\n\n\n\n

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Inhalt<\/h3>\n\t
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