XR TwinLab: Vollständig fernsteuerbares Optikexperiment für die praktische Ausbildung an der Universität
An der Abbe School of Photonics wurde ein vollständig fernsteuerbares Experiment (XR TwinLab) entwickelt, welches eingesetzt wird, um praktische Laborerfahrung online zu vermitteln.
Foto vom XRTL Showcase (Hardwarekomponente) in einer Vitrine im Foyer des Abbe Center of Photonics in Jena.
Eckdaten
Kann Lösungsansätze für folgende Problemstellungen der Lehre bieten:
- Heterogenes Vorwissen
- Geringer Transfer in die Praxis
- Geringe Kompetenzorientierung in Prüfungs- und Bewertungsformen
Eignet sich für folgende Virtualisierungsgrade:
- Anreicherung
- Integration
- Virtualisierung
Nutzt folgende Medieneigenschaften zur Unterstützung des Lernprozesses:
Ferngesteuerte Experimente sind aus dem Alltag moderner Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht mehr wegzudenken. Automatisierung bietet unter anderem die Möglichkeit, Aufwand zu reduzieren, Daten präziser zu erheben und Gefahren für die Experiment durchführende Person auszuschließen. An der Friedrich-Schiller-Universität Jena wurde ein vollständig ferngesteuertes Experiment entwickelt, welches in einem „Experimental Optics Course“ an der Abbe School of Photonics eingesetzt wird, um praktische Laborerfahrung online zu vermitteln.
Durch die Verwendung von offenen Webtechnologien wird ein plattformunabhängiger Zugriff ohne spezifische Geräte ermöglicht. Die entwickelten 3D-druckbaren Aufsätze lassen das Hinzufügen von Aktuatoren und Sensoren zu Standardoptikkomponenten zu. Sie sind über Mikrocontroller mit einem drahtlosen Netzwerk verbunden. Während die Studierenden das Experiment über eine virtuelle Oberfläche durchführen, steuern sie somit einen realen Versuchsaufbau im Labor.
Den Entwicklerinnen und Entwicklern ist es besonders wichtig, dass tatsächlich ein echtes Experiment stattfindet, das die Studierenden mit allen Herausforderungen einer realen Umgebung konfrontiert, einschließlich systematischer und statistischer Fehlerquellen wie Rauschen oder anderer Störungen. Sie glauben, dass ein echtes Experiment die Lerninhalte überzeugender vermittelt als eine Simulation, die per se nur vordefinierte Annahmen widerspiegelt. Mit ihrem Beitrag möchten die Entwicklerinnen und Entwickler andere ermutigen ihr eigenes fernsteuerbares Experiment zu kreieren. Zu diesem Zweck folgen sie von Beginn an dem Open Source Gedanken und teilen ihre Arbeit auf Github.
Der XRTL Showcase ist nicht nur der ursprüngliche Prototyp der Aufbauten im Praktikum, sondern ist zugleich jederzeit (24/7) und für jede und jeden zugänglich. Nutzerinnen und Nutzer können dort in Echtzeit physikalische Effekte wie den Wellencharakter des Lichtes, Interferenz und Kohärenz ergründen.
Medieneigenschaften zur Unterstützung des Lernprozesses
Die Studierenden arbeiten selbstständig vollkommen digital/online mit Hilfe einer browser-basierten App an dem Experiment.
Die browser-basierte App zur Fernsteuerung des Experimentes ermöglicht den gleichzeitigen Live-Zugriff auf das Experiment. Ein integrierter Chat unterstützt die Teamarbeit zusätzlich.
Das jeweilige Experiment gibt den Lerninhalt für die Studierenden vor, jedoch ist dieser dann durch eigene Initiative beim Experimentieren zu verinnerlichen.
Lösungsansätze für Problemstellungen der Lehre
Für die folgenden Problemstellungen kann das Praxisbeispiel Lösungsansätze bieten:
- Heterogenes Vorwissen:
Die Studierenden haben unabhängig von Praktikumszeiten die Möglichkeit auf die Experimente zuzugreifen und können somit in ihrem eigenen Tempo an die Sache heran gehen.
- Geringer Transfer in die Praxis:
Fernsteuerbare Experimente und Anlagen (remote labs) sind aus der modernen Arbeitswelt nicht mehr wegzudenken. Darauf werden die Studierenden hier vorbereitet.
- Geringe Kompetenzorientierung in Prüfungs- und Bewertungsformen:
Die eigenständige Durchführung und Auswertung eines Experimentes, egal ob remote oder in Präsenz, ist hochgradig kompetenzorientiert.
Virtualisierungsgrad
Der Virtualisierungsgrad beschreibt das Verhältnis von analogen und digitalen Elementen in einem Lehr-/Lernszenario. Das Praxisbeispiel unterstützt die folgenden Virtualisierungsgrade:
- Anreicherung
- Integration
- Virtualisierung
Ressourcen
Soft- und Hardware
- JavaScript, ReactJS, 3D-Druck, Mikrocontroller (ESP32)
Open Educational Resources
Weitere Informationen zum Praxisbeispiel
Kontakt
Sie möchten mehr über das Praxisbeispiel erfahren? Hier können Sie Kontakt zu den Autorinnen und Autoren aufnehmen:
Dr. Christian Helgert
Abbe School of Photonics
Physik, Optik
Albert-Einstein-Straße 6
07745 Jena
Mail: christian.helgert@uni-jena.de
Johannes Kretzschmar
Lichtwerkstatt Jena
Informatik, Physik, Optik
Albert-Einstein-Straße 6
07745 Jena
Mail: johannes.kretzschmar@uni-jena.de
Dr. Falko Sojka
Abbe School of Photonics
Physik, Optik
Albert-Einstein-Straße 6
07745 Jena
Mail: falko.sojka@uni-jena.de
Fabian Lukas
Max Planck School of Photonics
Physik, Optik
Hans-Knöll-Straße 1
07745 Jena
Mail: fabian.lukas@uni-jena.de