Learning by Doing - Roboter und Laborexperimente Bernardo Wagner Learning Lab Lower Saxony Universität Hannover Zentrum für Didaktik der Technik Institut.

Präsentation zum Thema: "Learning by Doing - Roboter und Laborexperimente Bernardo Wagner Learning Lab Lower Saxony Universität Hannover Zentrum für Didaktik der Technik Institut."—  Präsentation transkript:

1 Learning by Doing - Roboter und Laborexperimente Bernardo Wagner Learning Lab Lower Saxony Universität Hannover Zentrum für Didaktik der Technik Institut für Systems Design - FG Echtzeitsysteme

2 Grundsatz eigener Arbeit Effektives, nachhaltiges Lernen setzt einen aktiven,produzierenden Lernenden voraus, der an realen Aufgabenstellungen arbeitet. Dies gilt in besonderer Weise in technisch geprägten Wissensbereichen. Passives, konsumierendes Lernen führt zu trägem Wissen und ist ungeeignet problemlösende Kompetenzen beim Lernenden heranzubilden. Learning by Doing, Learning by Teaching...

3 Telerobotics 1. Remote Exploration (NASA Mars Sojourner, Internet Telescope...) 2. Internet Teleoperation (Telepainting, Spiele...) 3. Internet Service Robots (Museumsführer, Warenschau...) NASA Mars Sojourner Mercury 1994 Australias Telerobot Bradford Robotic Telescope Puma Paint Red Rover Rhino

4 Telepistemology Access, agency, authority, and authenticity are central issues for the subject of telepistemology: the study of knowledge acquired at a distance. One of the great promises of the Internet is its potential to increase our access to remote objects. Ken Goldberg, MIT 2000 Telegarden Projekt 1995

5 Virtuelle und ferngesteuerte Labore Definitionen nach Poindexter und Heck 1) : Virtual labs are software simulations of physical devices. Remote labs are actual laboratory experiments that are run remotely via a Web interface. 1) IEEE Control Systems, Feb. 1999 Distributed online labs are remote labs where students from different locations can cooperatively work within virtual teams on real distance lab experiments.

6 Remote Access to Laboratories and Robots Zugriff auf entfernte Labore (Fernuniversität) Vorlesung/Seminar (hereingeholte Wirklichkeit) Interaktive Skripten, Bücher... Weiterbildung mit Übungsanteilen, Produktschulung Online-Hilfe für komplexe Geräte, Anlagen... Experimente an schlecht erreichbaren Orten (z.B. Mars) oder unwirtlichen, gefährlichen Orten (z.B. : Wüste, Vulkane, Meeresboden, Bohrlöcher...) gemeinsame Nutzung teurer Forschungsinvestitionen Wartung von Anlagen und Geräten Maschinensteuerung, Prozessvisualisierung, Teleoperation Fernüberwachung (WebCam) Zugang zu unsicheren Orten (z.B. Brandbekämpfung) internationales, kooperatives Arbeiten in Projekten Arbeit Forschung Lehre Einsatzformen

7 Internet-assisted Laboratories (I-Labs) The goal of this WGLN project is to: 1. Investigate how to optimally design and organize distributed online laboratories that allow: a) teams of students to remotely access laboratory devices and b) remote collaboration in performing experiments. 2. Implement three I-Labs using the optimized approach; a) one in optics at Stanford, b) one in control engineering at Hannover and c) one wind tunnel experiment at Stockholm. 3. Evaluate the use of these distributed laboratories in teaching and training environments, including testing of usefulness of the distributed labs at the partner institution for application in teaching and training 4. Build a common laboratory toolbox for easy remote lab construction.

8 I-Labs Hannover: Online Automation Lab Stanford: Lab on a Dime Stockholm: Linear Cascade Facility

9 Struktur eines Laborversuch Experiment Server Clients Process CONTROLLER with embedded Webserver Video- server I/O Server Webcam SQL O I TCP/IP Port JDBC http

10 I-Labs Herausforderungen Eingeschränkte Wahrnehmung (Sicht wird auf Bildschirm begrenzt, kein Geruch, keine Berührung etc.) Kooperation und Kommunikation in virtuellen Teams (soziale Bindungen, Vertrauen etc.) Organisation wirksamer tutorieller Hilfe, Anleitung etc. Prozessdatenaustausch (Echtzeitanforderungen!) Randbedingungen wie Zuverlässigkeit, Datensicherheit, Schutz vor Gefahren Video- and Audiosignale für die Online-Überwachung (hohe Datenraten!)

11 Educational Robotics Roboter als Lern- bzw. Spielpartner: Spielzeug (z.B. Furby) Haustiere (z.B. Sony AIBO)... Roboter als Lernmedium: Projektlernen (z.B. Lego Mindstorm) Interaktive Displays (z.B. bug cam)... Roboter als Lerngegenstand: Reaktive Programmierung (z.B. ER1) Schreitmaschinen (z.B.: Berta)... Feuerlösch-Roboter

12 Modular Educational Robotic Toolbox (MoRob) The goal of this WGLN project is to: 1. Supply an educational platform (modular hardware and software components). 2. Improve student learning especially in robotics, mechatronics, autonomous systems and computer science through advanced experimentation. 3. Increase the attractiveness of teaching by better and faster integration of research. 4. Support teaching by reusable and sustaining material (course material and a Matlab robotic toolbox). 5. Increase the attractiveness of learning through problem-based and experimental learning while performing student projects.

13 Scalable Processing Box (SPB) Development of a standardized scalable modularized combinable processing unit to fit the requirements in the field of educational robotics....

14 KoALA - Learning by Teaching Netzunterstütztes Lehren und Lernen für eine kontinuierliche Selbstqualifizierung von Lehrkräften durch situiertes Lernen in authentischen Lernumgebungen. Kooperative Nutzung der Kursmaterialien von Lehrkräften und Auszubildenden. Didaktisch aufbereitete Informations- und Lernmaterialien für den konkreten (handlungsorientierten) Unterricht. Zusammenarbeit aller betroffenen Gruppen (Lehrer, Studienseminar, NLI, KM, Berufspädagogen und ZDT). Kontinuierliche Adaption durch begleitende Evaluation. Verbundprojekt der Länder Niedersachsen und Berlin.

15 ELAN - Lehrbausteine Automatisierungstechnik Kleine, flexibel einsetzbare Kursmodule aus dem Bereich Automatisierungstechnik (z.B.: Echtzeitprogrammierung, Entwurfs- und Modellierungsmethoden, Industrienormen, Feldbusse, Tools, Steuerungssysteme usw.). Mediengestütztes Selbstlernen aber auch Unterstützung von Präsenzveranstaltungen. Ein Mini-Projekt je Lehrbaustein. Bausteinelemente: interaktives Skript (XML) mit Flash- Animationen, integrierte Graphikeditoren, Java-Animationen, PowerPoint-Folien, teilweise Sprach- und Videoaufnahmen, Selbsttests, einfache Lernaufgaben und ein Online-Laborzugang.

16 Lehrbausteine Automatisierungstechnik Baustein: Ereignisdiskrete Modellierung mit Petri-Netzen

17 ELAN - Mediendidaktik Kompetenzentwicklungsstrategie für Lehrende Lehrende müssen auf veränderte Lehr-Lern-Szenarien vorbereitet und in der Umsetzung unterstützt werden: 1. Entwicklung und Betreuung eines mediendidaktischen Einführungs- und eines Vertiefungskurses, Infothek. 2. Individuelle Beratung bei der didaktischen Gestaltung von eLearning-Modulen und deren Evaluation. 3. Best Practices: Medieneinsatz in der Lehre (Sammlung gelungener e-Learning-Musterbeispiele in Form einer kommentierten, virtuellen Galerie). 4. Ergonomische Benutzerschnittstellen für Lerner (Standardisierung, Gestaltungsregeln). 5. Leitfaden Selbstevaluation.

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

19 Zusammenfassung Labor- und Roboterexperimente als wichtiger Träger wirksamen Lehrens und Lernens Virtuelle und fernsteuerbare Laborexperimente Educational Robotics Selbstqualifizierung von Lehrkräften Lehrbausteine für flexiblen Einsatz in der Lehre Kompetenzentwicklungsstrategie für eLearning