Lernen mit Augmented Reality-Apps?

Digitale Tafelrunde zum Projekt ZepteR

2021 gewann Prof. Spiros Alexopoulos mit seinem Projektantrag eine Förderung des Projekts Digitalisierungsoffensive Lehren und Lernen (DoLL). Die Idee: Eine Konzeptentwicklung und Realisierung von Augmented Reality (AR) für Kraft- und Arbeitsmaschinen – kurz: ZepteR. Im Wintersemester 2022/2023 wurde das AR-Konzept nach einem Semester Entwicklungszeit in die Lehre implementiert. In einer digitalen Tafelrunde Mitte Februar berichtete Prof. Alexopoulos gut 21 Teilnehmer:innen nun von seinen Erfahrungen und tauschte sich mit anderen Lehrenden zum Einsatz von Augmented Reality-Apps in der Lehre aus.

Das Projekt ZepteR – Hintergrund und Beginn

Bereits seit 2014 ist Prof. Spiros Alexopoulos an der FH Aachen beschäftigt und lehrt im Fachbereich Energietechnik. Nach Rücksprache mit seinen Studierenden stellte er fest, dass die im Modul Wärme-, Kraft- und Arbeitsmaschinen behandelten Maschinenprozesse häufig zu abstrakt für die Studierenden sind. Unterschiedliche Strömungs- und Kolbenmaschinen, ihre Funktionsweise und Konstruktion – ja alle Prozesse, die im Innern ablaufen – sind während des Betriebs nicht einsehbar. So wünschten sich die Studierenden anwendungsorientiertere Themen und anschauliche Beispiele. Also entstand die Idee, Augmented Reality einzusetzen, mit der die Studierenden das Innenleben von Kraft- und Arbeitsmaschinen erkunden und Problemsituationen lösen, um somit generell ein besseres Verständnis für den Aufbau von Maschinen zu entwickeln. Das Ziel: Eine bessere Lernleistung durch das gesteigerte Verständnis des Modulinhalts sowie eine Steigerung der beruflichen Perspektiven der Studierenden.

Im Rahmen des Moduls Turbomaschinery im Master Energy Systems initiierte Prof. Alexopoulos bereits im Sommersemester 2020 ein Studierendenprojekt mit dem Ziel, erste einfache AR-Applikationen für Strömungsmaschinen mittels der Entwicklungsumgebung Unity für Smartphones zu erstellen. Im SQSL Projekt Karma haben die Studierenden bereits einige dieser Objekte überarbeitet, angepasst und neu erstellt. Später konnten diese den anderen Studierenden in der Vorlesung Wärme-, Kraft- und Arbeitsmaschinen als App zur Verfügung gestellt werden. Somit wurden erste wichtige Erfahrungen mit Unity gesammelt und einige einfache AR Applikationen zur Visualisierung erstellt.

Erfahrungen mit dem Einsatz der Augmented Reality-Apps

Durch die Praxiserfahrung war der Ablauf recht schnell klar: Mit Hilfe dreier studentischer und einer wissenschaftlichen Hilfskraft erstellte das ZepteR-Team ein 3D-Modell der gewünschten Maschine (z.B. Gasturbine) über die Konstruktionssoftware Inventor. Dieses galt es dann mittels Unity in eine App umzusetzen. Als Endergebnis erhielt die Entwickler:innengruppe dann eine AR-Erfahrung, die die Studierenden später über das Smartphone oder Tablet abrufen sollten. Der:die User:in der AR App befindet sich also noch in der realen Umgebung, welche um virtuelle Elemente bzw. digitale Informationen erweitert wird.

Die entwickelten Apps wurden den Studierenden des 5. Fachsemesters im Bachelor Maschinenbau über die ILIAS Plattform zur Verfügung gestellt, um die Objekte auf ihren Smartphones bzw. Tablets installieren zu können. Hierbei sah das Lernkonzept vor, dass den Studierenden nicht nur Apps bereitgestellt werden, sondern sie damit in Übungen und Gruppenarbeiten bestimmte Fragen und Aufgaben aus dem Lehrgebiet beantworten und lösen.

„Ich möchte Begeisterung, Motivation und Leidenschaft für das Fach Thermodynamik und für Strömungs- und Kolbenmaschinen vermitteln und gleichzeitig die Studierenden aktiv in der Lehre beteiligen, um tiefgehende Lernprozesse zu ermöglichen. Aus diesem Grund möchte ich Methoden und Techniken einbauen, die die Studierenden zur aktiven Mitarbeit motivieren.“

Prof. Spiros Alexopoulos, Fachbereich Energietechnik

Währenddessen begleiteten sie die Mitarbeitenden des Projekts und animierten sie durch regelmäßige Umfragen, Feedback und Kritik für die Apps zu geben. Denn die Entwicklung wurde über das gesamte Wintersemester agil gehalten und während des Einsatzes optimiert. Als Nebenprodukt entstanden einzigartige Animationen, die den Studierenden zusätzlich zeigen, wie beispielsweise Strömungen innerhalb einer Gasturbine verlaufen.

Die geteilten Erfahrungen der Studierenden verdeutlichen, dass ihnen die Animationen und Apps beim Verstehen des Themas geholfen haben. Sie befürworteten beispielsweise die Möglichkeit, die Teile einer Kreiselpumpe bewegen und individuell betrachten zu können. Mittels ihres Feedbacks arbeitet das Team nun weiter und optimiert die Apps um Funktionen wie Rotationen und der manuellen Skalierung. Zusätzlich prüfen sie, wie sie die App auch für das Betriebssystem iOS nachhaltig entwickeln und optimieren können.

Ein Ausblick

Nach dem Förderzeitraum wird das Lehrkonzept von ZepteR von Prof. Alexopoulos weitergeführt und erweitert. Im Sommersemester entstehen zwei Bachelorarbeiten, die vereinzelte Themen des Projekts weiterführend behandeln. Der etablierte AR-Inhalt soll dauerhaft bestehen bleiben und regelmäßig überarbeitet werden. Durch die vielseitigen Darstellungsmöglichkeiten stellen die AR-Apps eine Entwicklung dar, die auch in andere Ingenieursstudiengänge der FH Aachen integriert werden können. So hat nicht zuletzt diese Tafelrunde zu einem Austausch zwischen den Lehrenden beigetragen und eine Kooperation mit der Luft- und Raumfahrttechnik in Aachen wäre denkbar. Aber auch in Studienmodulen der Werkstofftechnik, den Laboren des Maschinenbaus und der Elektrotechnik, für elektrische Maschinen und in der Umweltschutztechnik ließen sich die Apps gut integrieren.