KI und AR im Studium Was kann Digitalisierung in der Grundlehre von Ingenieuren leisten?

Um das Studium der Technischen Mechanik modern auszurichten, ist ein Wandel durch Digitalisierung notwendig. Die Aufgaben der Anpassung der Lehre und des Lernens seien dabei so herausragend, dass dafür Künstliche Intelligenz, Augmented Reality und Audience-Response-Systeme am besten geeignet scheinen, so Professor Georg-Peter Ostermeyer vom Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS). Genau diesen Weg beschreitet das Institut nun in drei Pilotprojekten.

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Braunschweig – Die Digitalisierung prägt zunehmend die Arbeit von Ingenieurinnen und Ingenieuren. In der Industrie 4.0 ist sie ein unverzichtbarer Bestandteil. Heute besteht eine hohe Datenverfügbarkeit, Ingenieurinnen und Ingenieure benötigen dafür Methodenkenntnisse, um die Daten optimal zu nutzen. Gleichermaßen sind sie an ethische, politische und ökologische Grenzen gebunden. Dahinter verbirgt sich die grundlegende Frage: Was müssen Ingenieurinnen und Ingenieure zukünftig wissen, was müssen sie können? Sie müssen Schnittstellen bedienen, interdisziplinär in Teams zusammenarbeiten, sich in kurzer Zeit in spezifischen Aufgaben zurechtfinden und gleichzeitig über ein breites Wissen verfügen – das sind nur einige der großen Herausforderungen, denen sich der akademische Nachwuchs stellen muss. „Das werden sie können, wenn sich das verändernde Berufsbild auch in der Lehre widerspiegelt“, sagt Professor Georg-Peter Ostermeyer vom Braunschweiger Institut für Dynamik und Schwingungen (kurz IDS). Er ist überzeugt, dass die Forschung auf das Morgen, die Lehre auf das Übermorgen ausgerichtet sein muss.

Aber was kann Digitalisierung in der Grundlehre leisten? Wie kann man sie für eine bessere Lehre und besseres Lernen für das Übermorgen einsetzen? Unter Leitung von Ostermeyer entwickelt Jennifer Olearczyk gemeinsam mit Dennis Schulz Antworten darauf. Olearczyk ist Medienwissenschaftlerin, die sich am Institut für Dynamik und Schwingungen in die Ingenieurslehre einarbeitet und diese mit dem Fokus „Medien als Teil von Lehrkonzepten“ betreut. Mit Olearczyk soll nun eine Außensicht in den Ingenieurwissenschaften Einzug halten. Drei Pilotprojekte sind dabei darauf ausgerichtet, der Grundlehre digitalen Schwung zu verleihen.

Augmented-Reality-Anwendung bereits im Einsatz

Ostermeyer ist Olearczyk durch die Carol AR-App aufgefallen und hat sie zu sich ans Institut geholt, an dem bereits vorher an Künstlicher Intelligenz in der Lehre geforscht wurde. Seine Idee: die Technologie hinter der App und das Vorlesungsskript zusammenzubringen. In ihrer Zeit bei der Projektgruppe „Lehre und Medienbildung“ hat Olearczyk die Carol AR-App und eine zugehörige Administrationseinheit konzipiert, da der Markt kein intuitives System zum individuellen und datenschutzkonformen Einsatz von Augmented Reality an einer deutschen Hochschule anbot. Die Software wurde im Wintersemester 2018/19 am Institut für Dynamik und Schwingungen in der Grundvorlesung „Technische Mechanik 1“ als Pilotprojekt eingesetzt. Die rund 500 Studierenden können damit via Smartphones und Tablets im gedruckten Skript ergänzende Medien wie Erklärvideos und Animationen abrufen.

Für die Folgeveranstaltung im Sommersemester 2019 wurde der Umfang der abrufbaren Informationen erweitert um interaktive, per Touch beeinflussbare Grafiken und animierte 3D-Modelle, die sich Studierende „auf den Schreibtisch projizieren“ können. Diese Augmented-Reality-Funktionen sollen Lernende dabei unterstützen, die fachlichen Zusammenhänge besser nachzuvollziehen. Eine weitere Ausbaustufe der so genannten Hybride Learning Resources sind Videosprungmarken: Die Smartphone-Kamera erkennt mithilfe der App spezifische Stellen im Skript und springt zugehörige Timecodes in aufgezeichneten Vorlesungen an. Diese können so virtuell in kleine Vorlesungseinheiten geteilt werden, mit denen sich wesentlich effizienter lernen lässt als jeweils mit einer ganzen Vorlesungseinheit von 90 Minuten.

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„Alexa, frag Carola, was ein Biegemoment ist!“

Mit dem Projekt „Assist Me“ (Artificial Intelligence for Mechanics) geht Prof. Ostermeyer bei der Digitalisierung der Lehre noch einen Schritt weiter. Der sprachgesteuerte Lernassistent „Carola“ greift auf Algorithmen Künstlicher Intelligenz (KI) zurück. So kann „Carola“ z.B. Fachbegriffe vorlesungsspezifisch erklären oder Lernende beim Lösen von Aufgaben methodisch begleiten.

Es existiert bereits ein Prototyp mit ersten Fähigkeiten auf der Basis des digitalen Sprachassistenten Alexa. Der Lernhelfer wird im Verlauf der Forschung am IDS nicht dauerhaft auf die Alexa-Technologie angewiesen sein. Inzwischen wird an einem weiteren Meilenstein des Lernhelfers gearbeitet: ohne Cloudanbindung, datenschutzsicherer, ohne Internetanbindung nutzbar. Perspektivisch kann der Assistent auch auf einem Tablet oder Smartphone abrufbar sein und könnte sogar visuelle Rückkopplung geben, etwa Fehler in Skizzen und Diagrammen anzeigen.

Die Vision ist ein KI-Begleiter für Studierende, der sowohl infrastrukturell als auch rechtlich angemessen im TU-System integriert ist. Auch wenn es noch viele Fragen zu Ethik und Akzeptanz gibt, müssen einerseits Studierende die richtigen Kompetenzen im Umgang mit KI entwickeln und sich Bildungseinrichtungen langfristig mit der Lehre zu und durch KI auseinandersetzen. Andererseits bieten sich den Lehrenden völlig neue didaktische Möglichkeiten der Strukturierung, Vernetzung und Individualisierung von Lehre. Die neuen Technologien sind verführerisch, die Möglichkeiten scheinen nahezu unbegrenzt. Um ihr Potenzial auszuloten, orientieren sich Ostermeyer, Olearczyk und Schulz jedoch am Bedarf der Studierenden. Dazu wurde u.a. analysiert, was diese von einem hilfreichen KI-Assistenten erwarten und welche Daten Studierende überhaupt preisgeben würden.

Interaktive Vorlesungen

Auch Vorlesungen erfahren immer mehr digitale Transformationen. Da Nachfragen während einer Vorlesung nur eingeschränkt möglich sind, insbesondere bei großen Grundvorlesungen, hat das Institut nun begonnen, mit einem Online-Feedbacksystem Frageslots einzubauen. Die 500 Teilnehmerinnen und Teilnehmer können mit ihrem Smartphone u.a. anonyme Freitextfragen senden, die Ostermeyer beantwortet.

Die Open-Source-Software „ARS nova“, ein so genanntes Audience Response System, bietet die Plattform dafür. Die Lehrevaluation bestätigt, dass die Studierenden diese Art des Feedbacks sehr wertschätzen.

Wichtig ist Ostermeyer und seinen Mitarbeitern, bei der digitalen Aufwertung der Lehre Schritt für Schritt vorzugehen, also die Funktionalitäten der Software Stück für Stück zu erweitern und systematisch auf weitere Lehrveranstaltungen im Maschinenbau auszudehnen. „Wir werden die Möglichkeiten von Augmented Reality und Künstlicher Intelligenz weiterhin im engen Austausch mit den Studierenden ausloten“, sagt Olearczyk. Schulz ergänzt: „Es wird neben der AR-Erweiterung des Skripts für die Vorlesung ‘Technische Mechanik 2‘ die Programmier-Lehrveranstaltung ‘Simulation Mechatronischer Systeme‘ auf eine Integration von KI-Assistenz hin untersucht.

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