e-teaching.org: Der Studiengang Gebäudesystemtechnik an der HTW Dresden wurde erst vor wenigen Jahren ins Leben gerufen. Wie kam es dazu?

Prof. Dr. Heiko Werdin: Ursprünglich war die Gebäudesystemtechnik eine Studienvertiefung der Fakultät Maschinenbau. Die Idee, daraus einen eigenständigen Studiengang zu entwickeln, entstand aus dem Praxisbedarf der Branche nach qualifizierten Ingenieuren und Technikern im Bereich Gebäudetechnik. 2018 wurde dann der neue Studiengang etabliert; mein Kollege Prof. Jens Bolsenius und ich haben dabei die Leitung. Das Studienfach muss auf praxisrelevante Herausforderungen wie Klimawandel, Energiewende, Digitalisierung und Modernisierung eingehen und erfordert ein zeitgemäßes Studienprogramm mit umfangreichen Fachinhalten und modernen Lehr- und Lernmethoden.

Wie kam es zu der Idee, VR in der Gebäude- und Systemtechnik einzusetzen? Was waren die ersten Schritte?

Prof. Dr. Heiko Werdin: Ein qualitativ hochwertiges Studienprogramm in der Gebäudesystemtechnik benötigt zahlreiche Versuchsanlagen, was insbesondere bei einem neuen Studiengang eine große Herausforderung darstellt. Deshalb haben wir uns im Jahr 2021 entschieden, eine Arbeitsgruppe Gebäude 4.0 zu gründen und unter der Leitung von Dr. Linh Tuan Mai und mir innovative Lehrmethoden wie den Einsatz von VR-Anwendungen in der Lehre zu erforschen. Im Rahmen dieser Initiative wurde zunächst eine Machbarkeitsanalyse zur Erstellung interaktiver digitaler Zwillinge von Versuchsanlagen in virtuellen Umgebungen durchgeführt. Das positive Ergebnis führte dazu, dass mehrere virtuelle Heiztechnikversuche entwickelt und erfolgreich als Praktika in die Lehrveranstaltungen integriert wurden. Dieses Lernszenario, die VR-Labore für die Gebäudesystemtechnik, hat Herr Mai für die Digital Learning Map von e-teaching.org systematisch beschrieben.

Dr. Linh Tuan Mai: VR-Technologien in der Baubranche sind nicht neu, so wurde bereits in den 1990er Jahren zu Virtual Reality geforscht, um räumliche Darstellungsformen für die Branche nutzbar zu machen. Durch die Etablierung der Arbeitsmethode des Building Information Modeling (BIM) sind bei jedem neuen Bauprojekt zahlreiche digitale Baudaten verfügbar, darunter die 3D-Geometrie des Bauwerks sowie der Gebäudetechnik. Softwarelösungen ermöglichen es, digitale Modelle von Bauwerken in virtuellen Umgebungen zu visualisieren. Für einen Gebäudetechnik-Versuch in der virtuellen Umgebung reicht jedoch die 3D-Geometrie des Gebäudes und der Geräte nicht aus. Die virtuelle Anlage sollte die gleichen Funktionen und Interaktionsmöglichkeiten bieten wie eine reale Anlage. Hier kommt die Simulation ins Spiel. Durch analytische Modelle der einzelnen Komponenten können komplexe hydraulische und thermische Prozesse simuliert werden. Die Integration von VR ermöglicht es, reale Bedienkonzepte zu implementieren und den Nutzenden die Möglichkeit zu bieten, mit komplexen technischen Systemen in einer sicheren, virtuellen Umgebung zu interagieren und verschiedene Experimente durchzuführen. Dies ermöglicht es den Studierenden, praktische Erfahrungen zu sammeln und gleichzeitig innovative Ideen und Technologien kennenzulernen, die für den aktuellen Bedarf der Branche entscheidend sind.

Sie nutzen die VR-Umgebungen insbesondere im Rahmen von Praktika. Warum haben Sie sich dazu entschieden und wie läuft das genau ab?

Dr. Linh Tuan Mai: Antwort Antwort Antwort

Prof. Dr. Heiko Werdin: Antwort Antwort Antwort

[Hintergrund: Unter "Praktikum" stellen sich Lesende eher etwas anderes vor als das Agieren in einer VR-Umgebung. Ist die Nutzung in ein "reales" Praktikum integriert? Erfolgt sie alleine zuhause oder eingebettet in eine Veranstaltung an der Hochschule? Interessant wäre auch, in wievielen Veranstaltungen und mit wievielen Studierenden die Umgebung genutzt wurde. Gab es Evalutionen? Woher kommen die studentischen O-Töne? Damit Lesende wirklich eine Vorstellung bekommen, sollten diese Fragen beantwortet werden.

Interessant wäre außerdem an dieser Stelle oder ggf. in einer eigenen Frage die Zusammenarbeit zwischen der HTWD und der Uni Bamberg: Was machen die beiden Projekpartner jeweils, wie unterstützen sie sich gegenseitig, was lernen sie voneinander? Und wo ist ggf. die Perspektive des jeweils anderen ungewohnt oder aufschlussreich?

Inzwischen haben Sie bereits mehrere Jahre Erfahrung mit dem VR-Einsatz. Welche Chancen sehen Sie dabei gegenüber klassischen Lehrmethoden?

Abb. 1: Studierende nutzen das VR-Labor. Das Zitat stammt von einem Studierenden, jedoch nicht von der auf dem Foto abgebildeten Person.

Dr. Linh Tuan Mai: VR bietet eine immersive Lernumgebung, die das Engagement der Studierenden fördert und ihnen die Möglichkeit gibt, interaktive Erfahrungen zu sammeln. Durch VR können Lernende jederzeit und ohne physische Ressourcen experimentieren, was die Flexibilität und den Zugang zu praktischen Übungen erheblich erhöht. Insbesondere im Bereich der Gebäude- und Systemtechnik sind reale Experimente an Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen mit hohen Kosten, Aufwand und Zeit behaftet. VR bietet die Möglichkeit, dieser Herausforderung zu begegnen, indem sofortige und intuitive Interaktionen mit verschiedenen Modellen möglich sind. Ob die Beschleunigung oder Verlangsamung physikalischer Prozesse, das Simulieren von verschiedenen Bedingungen oder das Visualisieren nicht-sichtbarere Größen wie Druck, Temperatur oder Massestrom – VR ermöglicht Situationen leicht abzubilden und auch Fehler ohne reale Gefahren zu simulieren.

Prof. Dr. Heiko Werdin: Ein weiterer Vorteil von VR liegt in der Möglichkeit, komplexe Systemzusammenhänge einfacher und verständlicher darzustellen. Anstatt sich auf einzelne Messwerte und Diagramme zu stützen, ermöglicht die visuelle Darstellung eine unmittelbare und intuitive Einsicht in das Zusammenspiel verschiedener Parameter. Dies verbessert das Verständnis für dynamische Systemverhältnisse erheblich und erleichtert das Lernen.

Dr. Linh Tuan Mai: In der Gebäude- und Systemtechnik eröffnet VR einzigartige Möglichkeiten, die tatsächlich über die klassischen Lehrmethoden hinausgehen. Die immersive und interaktive Natur von VR erlaubt es den Studierenden, komplexe Systeme auf eine Weise zu verstehen, die in realen Umgebungen oft schwer umsetzbar ist. Während klassische Lehrmethoden die praktische Anwendung und den Umgang mit realen Geräten fördern, bietet VR die Möglichkeit, physikalische Prozesse zu manipulieren, visuell darzustellen und unter sicheren Bedingungen zu experimentieren. Zudem können die Lernenden VR nutzen, um Bedienvorgänge realer Geräte durch deren digitale Zwillinge zu erproben. Dadurch wird es möglich, das veränderte Systemverhalten beim Einsatz unterschiedlicher Hardware oder verschiedener Parametrisierungen zu beobachten. Diese Kombination aus realer und virtueller Praxis schafft ein umfassendes Verständnis, das die Studierenden optimal auf die Herausforderungen der modernen Gebäudetechnik vorbereitet.

Worauf haben Sie bei der Gestaltung der VR-Lernumgebung besonders geachtet? „Fotorealistisch" sind die von Ihnen gestalteten Räume ja nicht. [Vielleicht könnte darauf noch eingegangen werden?]

Prof. Dr. Heiko Werdin: Wichtig war es uns, eine Umgebung zu gestalten, die der Praxis gerecht wird. Das bedeutet, dass wir eine möglichst realitätsnahe Umgebung abbilden wollten, welche die Studierenden zum Erwerb von Handlungskompetenzen befähigt und immersives Lernen ermöglicht. Kompetenzvermittlung ist ein wichtiger Bestandteil des Curriculums – denn nur so bilden wir qualifizierte Fachkräfte von morgen aus. Somit war die Herausforderung, inhaltliche Relevanz mit technischer Möglichkeit und abstraktem Transfer zu kombinieren.

Dr. Linh Tuan Mai: Im Prinzip wurden detaillierte digitale Zwillinge realer Anlagen abgebildet und verwendet. Dies erlaubt eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung und Nutzung der Lernräume. Eine realitätsnahe Erfahrung wird außerdem durch die Übertragung der Bedienkonzepte realer Geräte in die virtuelle Umgebung erreicht, sodass die Lernenden mit dem System genauso interagieren können wie in der Realität. Abhängig vom Lernziel und den Lerninhalten werden aber vereinfachte Konfigurations- und Parametriermöglichkeiten implementiert, wodurch die Lernenden alle Komponenten im Raum zentral und schnell verändern können. Dadurch entstehen neben Versuchen, die das praktische Verständnis für die Bedienung und Wartung technischer Anlagen fördern, auch Experimente, die sich auf die Wechselwirkungen zwischen Systemverhalten, Parametrisierung und äußeren Faktoren konzentrieren. Aber auch die Nutzerfreundlichkeit nimmt einen hohen Stellenwert ein – neben optischen Gestaltungsmöglichkeiten sind es daher Gamification-Elemente, die zusätzlich das Motivation und Engagement der Studierenden fördern. Ob spielerische Features wie Quiz-Fragen oder Highscore-Tabellen, wichtig ist, das Engagement der Lernenden zu halten, damit eine vertiefte Auseinandersetzung erfolgt.

Was sind Ihre Lessons learned aus dem Projekt? Was würden Sie anderen Lehrenden empfehlen, die etwas ähnliches planen?

Prof. Dr. Heiko Werdin: Die Erfahrungsberichte [welche "Erfahrungsberichte"?] zeigen uns, dass die Studierenden deutlich motivierter an die Praxisphasen herangehen [sind mit den "Praxisphasen" die Zeiten im VR-Raum gemeint - oder Phasen, die sich nach dem Training in den VR-Räumen dann wirklich "in der Praxis" anschließen?]. Die Hands-On-Mentalität und die Visualisierung des Projektes erleichtern für die Studierenden den Zugang und bauen eventuell bestehende Barrieren ab. Durch die Aufgabenstellung, vernetzt zu denken, wird Wissen aus anderen Modulen angewendet und vertieft – und die Studierenden haben Freude daran.

Abb. 2: Eine Studierende agiert in der VR-Umgebung. Das Zitat stammt nicht von der auf dem Foto abgebildeten Person.

Dr. Linh Tuan Mai: Diese Freude spiegelt sich in der Motivation der Studierenden wider. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass VR nicht nur das Lernen erleichtert, sondern auch dabei hilft, aktuelle technologische Entwicklungen in der Ausbildung zu integrieren. Dies ist besonders wichtig in Bezug auf die Anforderungen der Industrie und den Umgang mit Herausforderungen wie dem Klimawandel. Doch es gab auch Herausforderungen im Projekt, etwa aufgrund fehlender Informatikkenntnisse der Studierenden, da diese in die Entwicklung der VR-Räume miteinbezogen werden sollten. So benötigten wir verschiedene VR-Crash-Kurse um Studierende für die Entwicklung von VR-Anwendungen fit zu machen und es wurden fertige Software-Infrastrukturen bereitgestellt, mit deren Hilfe die Studierenden ihr Fachwissen in die virtuelle Umgebung einbringen können, ohne ein oder zwei Semester als Informatiker studieren zu müssen.

[Unter "Lessons Learned" hatte ich nicht nur "positive Ergebnisse" erwartet, sondern eher auch Hinweise darauf, was man so nicht mehr machen würde. Gibt es solche Aspekte?

Interessant fand ich in der Antwort von Herrn Mai auch den Hinweis, dass Studierende in die Entwicklung der VR-Räume einbezogen werden sollten. Davon war bisher noch gar nicht die Rede. M.E. würde es sich lohnen, darauf noch einmal in einer gesonderten Frage einzugehen.]

Sicher haben Sie schon Pläne für die Zukunft. Wie soll es denn im Projekt weitergehen?

Dr. Linh Tuan Mai: Ab dem Wintersemester 2026 wird der Studiengang Gebäudesystemtechnik als Bachelor- und Masterstudium angeboten [wie war das denn vorher? Das wurde bisher noch nicht erwähnt und sollte m.E. oben noch ergänzt werden], wobei die praktischen Anteile im Studium erhöht werden sollen. Zudem wird ein kooperatives Studium in Zusammenarbeit mit der Handwerkskammer eingeführt. Die Lehrinfrastruktur wird weiter ausgebaut, sodass die Studierenden noch besser auf die Anforderungen der Praxis vorbereitet werden. Umfangreiche Forschungsprojekte im Bereich Extended Reality (XR) sind in der Planung, um die Nutzung verschiedener Realitätsformen in der Lehre zu erforschen und weiterzuentwickeln. [Hier ist jetzt explizit von "XR" die Rede: Soll z.B. auch AR einbezogen werden? Falls andere Techniken als VR zum Einsatz kommen, wäre es interessant, diese explizit zu nennen.] Das Ziel des Projekts ist es, die Lernräume so zu gestalten, dass die Lernenden die Versuche komplett eigenständig durchführen können. Um die Lernfähigkeit zu verbessern, sollen zahlreiche Feedback-Mechanismen implementiert werden, die die Lernenden dabei unterstützen, motiviert auf ihrem Lernweg zu bleiben [bitte hier Beispiele ergänzen, damit für die Lesenden ein konkretes Bild entsteht]. Dies erfordert außerdem eine automatische Anpassung des Schwierigkeitsgrads der Aufgaben, um sicherzustellen, dass die Lernenden weder unter- noch überfordert werden. Diese Aspekte werden in naher Zukunft als Erweiterung der bestehenden Lernräume implementiert.

Prof. Dr. Heiko Werdin: Neben diesen Impulsen arbeiten wir aktuell auch an einer mediendidaktischen Weiterentwicklung des Kurses, gemeinsam mit der Universität Bamberg und dem Zentrum für Hochschuldidaktik Sachsen. Ziel ist die qualitative Weiterentwicklung der Inhalte aus pädagogischer Sicht sowie das Ausbauen von Schnittstellen zu anderen Modulen. Denn uns ist klar: Der VR-Raum ist erst der Anfang!