Aufwertung der technischen Labore mit LabsLand

Einleitung: Das Dilemma von Laboren in der modernen Ingenieurausbildung

Alle Ausbilder sind sich einig: Studierende brauchen praktische Erfahrungen im Labor. Aber kann das tatsächlich in einem modernen Ingenieurkurs vermittelt werden? Das ist der Punkt, an dem die Dinge kompliziert werden.

Die Organisation von praktischen Übungen ist traditionell schwierig und unpraktisch. Jeder Schüler muss in ein physisches Labor gehen, wo die Hardware oft teuer ist und die Geräte schwer zu warten und in einwandfreiem Zustand zu halten sind. Pannen führen häufig zu einer Entgleisung der Aktivitäten, das Labor kann nicht zu den Zeiten geöffnet und beaufsichtigt werden, zu denen die Schüler gerne hingehen würden, und eine Vielzahl anderer Probleme schränkt die Zahl der Übungen ein, die die Ausbilder effektiv durchführen können, oder erschwert es, sie eng mit der Theorie abzustimmen.

Das Ergebnis ist, dass die praktische Arbeit zwar von allen geschätzt wird, aber oft schwierig umzusetzen ist und zu wenig genutzt wird.

Heute bietet uns die Technologie ein neues Werkzeug, um dieses Problem zu verringern: Fernlabore (Remote Labs) - Systeme, die es Studenten ermöglichen, über das Internet auf echte Laborgeräte zuzugreifen. Trotz des Namens zielen Fernlabore weder darauf ab, traditionelle Labore zu ersetzen, noch sind sie auf Fernunterricht ausgerichtet. Fernlabore sind ein leistungsfähiges Instrument, um die praktische Ingenieurausbildung flexibler und effektiver zu gestalten.

Was ist LabsLand?

LabsLand ist eine Plattform, die über das Internet Zugang zu echten technischen Geräten für den Unterricht bietet. Es handelt sich nicht um Simulationen, sondern um echte Hardware. Die Ausbilder können dann praktische Erfahrungen bequem und effektiv anbieten, ohne die logistischen Hindernisse traditioneller physischer Laborsitzungen.

Dies ist nicht nur ein Mittel für den Fernunterricht. Es handelt sich um ein allgemein verwendbares Instrument zur Unterstützung von praktischen Sitzungen. Die Ausbilder können mehr praktische Einheiten einbauen und diese sogar bequem mit ihrem theoretischen Unterricht verbinden. Die Studierenden erhalten Zugang zu einer Vielzahl von realen Geräten, auf die sie in Sekundenschnelle zugreifen können, und zwar jederzeit und überall - sie sind nicht mehr an einen bestimmten Standort oder den begrenzten Zeitplan eines physischen Labors gebunden.

Ein wichtiger Aspekt ist, dass im LabsLand alles auf realen Geräten basiert, nicht auf Software-Emulationen oder Simulationen. Die Studierenden führen Code aus und greifen auf Geräte und Anlagen zu, die auf der ganzen Welt verteilt sind.

LabsLand wurde für die Ingenieurausbildung entwickelt. Es enthält Sicherheitsebenen, um zu gewährleisten, dass die Studierenden sicher experimentieren können, ohne die Geräte zu zerstören, es bietet Lernanalysen und Zugangskontrolle und es lässt sich in alle wichtigen LMS-Plattformen integrieren.

DigiKey ist ein strategischer Partner, der uns bei der Entwicklung und Bereitstellung effektiver Lösungen für die Ingenieurausbildung in großem Umfang unterstützt.

Nicht nur für den Fernunterricht

Auch wenn es auf den ersten Blick so aussehen mag, als ob Fernlabore für den Fernunterricht gedacht sind, so ist dies nicht der Fall. Fernlabore sind ein Instrument für alle Arten von technischen Kursen und Schulungen, und auch Präsenzuniversitäten sind häufige Nutzer von Fernlaboren.

Selbst wenn herkömmliche physische Labore zur Verfügung stehen, können Lehrkräfte ihr Instrumentarium um Fernlabore erweitern, um sicherzustellen, dass die Studierenden Zugang zu einer breiteren Palette von Geräten erhalten, den Zugang zu den Laboren nahtlos in den theoretischen Unterricht integrieren und den Studierenden den Zugang zum Labor rund um die Uhr ohne Einschränkungen ermöglichen.

Fernlabore ersetzen nicht notwendigerweise herkömmliche Laboratorien - sie ergänzen sie. Die Lehrkräfte können bequemer arbeiten, Engpässe abbauen und mit weniger Aufwand konsistent und zuverlässig mehr Laborzeit anbieten.

Abbildung 1. UPNA-Studenten in einem Klassenzimmer, die das Fernlabor von LabsLand nutzen, um auf echte FPGAs zuzugreifen und sie in Echtzeit zu programmieren. (Bildquelle: LabsLand)

Fernlabore sind keine Simulationen

Fernlabore sind keine Simulationen. Die Studierenden greifen nicht nur auf Software zu, die das Verhalten oder die Realität eines physischen Geräts nachahmt - sie interagieren mit echter, 100% echter Hardware.

Viele Tools bieten simulierte oder emulierte Geräte. Diese Werkzeuge können sehr nützlich sein, und LabsLand hat nicht die Absicht, sie zu ersetzen. Aber irgendwann müssen die Studierenden mit echten Signalen und Komponenten arbeiten - und genau das bietet das LabsLand.

Simulationen werden immer durch die Annahmen des Programmierers vermittelt. Sie verhalten sich so, wie jemand beschlossen hat, dass sie sich verhalten sollen. Das bedeutet, dass die Schüler unerwartete Ergebnisse, Grenzfälle oder Hardware-Macken, die in der realen Welt auftreten, übersehen können - und das sind oft die wertvollsten Lernmomente. Und das ist für Ingenieure von entscheidender Bedeutung, denn schließlich müssen ihre Lösungen genau den realen Bedingungen entsprechen.

Bei LabsLand ist die Schnittstelle übersichtlich und über einen Browser zugänglich. In nur wenigen Sekunden kann ein Student die Website öffnen und die vollständig konfigurierten Geräte benutzen. Aber unter all dem interagieren sie mit echter Hardware - und sie wissen, dass ihr Lernen in der Realität verankert ist.

Abbildung 2. Studierende, die die Fernlaborausrüstung persönlich besichtigen. (Bildquelle: LabsLand)

Genauso wirksam wie traditionelle Labore

Mehrere empirische Studien haben bestätigt, dass die von LabsLand angebotenen Fernlabore die pädagogische Wirksamkeit traditioneller praktischer Labore erreichen oder sogar übertreffen können. Eine Studie der University of Washington verglich Studenten, die digitale Schaltkreise unter Verwendung von FPGA-Hardware entweder aus der Ferne oder persönlich lernen. Die Ergebnisse, die sich auf die Bloom'sche Taxonomie stützen, zeigen, dass die Schüler des Fernlabors bei Aufgaben, die eine Analyse erfordern, eine deutlich höhere Leistung erzielten, ohne dass es auf anderen Ebenen, wie dem Verstehen oder Anwenden von Konzepten, zu einem Lernabfall kam. Auch ein Experiment an der Universität von Deusto, bei dem das VISIR-Fernlabor (das inzwischen durch das weiter unten erläuterte LabsLand Hive ersetzt wurde) eingesetzt wurde, zeigte statistisch signifikante Verbesserungen zwischen den Ergebnissen vor und nach dem Test über mehrere Institutionen und Ausbildungsstufen hinweg, mit einer großen Cohen-Effektgröße von 1,0 - was auf einen starken positiven Lerneffekt hindeutet.

Eine von der Monash University Malaysia durchgeführte Studie ergab, dass Studenten, die die FPGA-Fernlabore von LabsLand nutzten, nicht nur häufiger auf die Geräte zugriffen (über 20.000 Nutzungen in einem Semester), sondern auch über ein höheres Engagement und eine höhere Zufriedenheit im Vergleich zu früheren Präsenzphasen berichteten. Die Feedbackdaten zeigten eine bessere Übereinstimmung mit den Lernergebnissen des Kurses, und die Studenten, die die Fernlabore nutzten, berichteten über bessere Lernerfahrungen im Vergleich zu den Kohorten ohne Zugang. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass Fernlabore nicht nur ein Ersatz sind, sondern eine pädagogisch robuste und skalierbare Erweiterung der Ingenieursausbildung darstellen.

FPGA-Labor: Digitaler Entwurf an jedem Ort

Das LabsLand-FPGA-Labor (in den Lizenzen LCAL0001, LCAL9001 und LCAL9002 enthalten) bietet Studenten Zugang zu echten FPGA-Boards wie dem Terasic DE1-SoC und DE2-115, die sich in Universitäten und Unternehmen auf der ganzen Welt befinden. Diese Boards sind mit echter Peripherie - wie LEDs, Schaltern, 7-Segment-Anzeigen und internen Taktgebern - verbunden und können mit VHDL, Verilog oder SystemVerilog programmiert werden.

Neben den Grundlagen unterstützt dieses Labor auch modernere Peripheriegeräte. Einige Boards sind mit VGA-Bildschirmen, Audioausgängen und sogar mit realen Einrichtungen wie einem intelligenten Parksystem oder einem Nintendo-Controller verbunden. Diese Geräte können von der Logik des Schülers, die auf dem FPGA läuft, ferngesteuert werden. Der Student schreibt seinen HDL-Code, lädt ihn hoch und erhält Zugriff auf das eigentliche Board und die Peripheriegeräte, mit denen er in Echtzeit interagieren kann.

Video 1: Ein Student benutzt den Altera Terasic DE1-SoC aus der Ferne: links ein Echtzeit-Kamerafeed und rechts die Bedienelemente, darunter 10 Schalter, 4 Knöpfe und ein virtueller NES-Controller. (Videoquelle: LabsLand)

Für Einsteiger bietet das Labor Tools wie den Digital Trainer und den Boole Designer, mit denen Kernkonzepte wie Logikgatter, kombinatorische Systeme und Boolesche Algebra vorgestellt werden - und das alles mit echter Hardware unter der Haube.

Abbildung 3. LabsLand Prism4 ermöglicht den Fernzugriff auf vier Altera DE1-SoC-FPGAs, wobei die durchsichtige Abdeckung zur besseren Sichtbarkeit entfernt ist. Mehrere Kabel sind angeschlossen, um Video- und Audioverarbeitung sowie zusätzliche Peripheriegeräte zu ermöglichen. (Bildquelle: LabsLand)

STM32-Labor: Eingebettete Systeme

Das LabsLand STM32-Labor (in den Lizenzen LCAL0004, LCAL9001 und LCAL9002 enthalten) ermöglicht den Fernzugriff auf echte Nucleo-WB55RG-Boards von STMicroelectronics, so dass Embedded Systems, IoT oder die Programmierung von Mikrocontrollern gelehrt und geübt werden können, ohne dass eine Hardware-Einrichtung erforderlich ist.

Das Labor unterstützt mehrere Entwicklungsumgebungen - darunter die webbasierte LabsLand IDE, Keil Studio Cloud, ARMs Online-Mbed-Compiler und Offline-Toolchains wie STM32CubeIDE oder GCC-basierte Umgebungen. Diese Flexibilität ermöglicht es Lehrkräften, dasselbe Labor sowohl für Einführungs- als auch für Fortgeschrittenenkurse zu verwenden. Sehen Sie sich zum Beispiel diesen Udemy-Kurs mit diesem Fernlabor an.

Die Platinen sind mit einer Reihe von echten und emulierten Peripheriegeräten verbunden: LEDs, RGB-LEDs, Servomotoren, LCD-Bildschirme sowie Schalter, Tasten und Potentiometer. Es unterstützt auch die Stromüberwachung, so dass die Studenten den Stromverbrauch unter verschiedenen Bedingungen analysieren können - was in Kursen über energieeffizientes Rechnen oder stromsparende IoT-Systeme nützlich ist.

Video 2: STM32-Nucleo-Fernlabor mit Schaltern und Tastern, SPI-gesteuertem Display, LEDs, Servomotoren und UART sowie einer realen Anwendung, bei der die Schüler mit dem echten Board einen simulierten Parkplatz über die GPIO steuern können. (Videoquelle: LabsLand)

Es gibt auch moderne Konfigurationen, die das Board mit interaktiven virtuellen Umgebungen verbinden, wie z. B. ein Parkautomatisierungssystem. Diese Szenarien sind besonders nützlich, wenn eingebettete Systeme mit Logik auf Systemebene oder Simulationen kombiniert werden.

Abbildung 4. Platte mit vier STM32 Nucleo WB55RG Entwicklungsplatinen, bereit für die Integration in eine Prism4-Einheit. Jedes Setup bietet Zugriff auf einen Bildschirm, einen Servomotor, LEDs und zusätzliche Peripheriegeräte. (Bildquelle: LabsLand)

Labor für analoge Elektronik: Reale Schaltungen aufbauen und messen

Mit dem LabsLand-Labor für analoge Elektronik - auch bekannt als The Hive - (Kauf der Ausrüstung LPEQ0001 oder in den Lizenzen LCAL0003, LCAL9001 und LCAL9002 enthalten) können Schüler echte analoge Schaltungen aus der Ferne aufbauen und messen. Es richtet sich an Einsteiger in die Elektronik und analoge Kurse und enthält wichtige Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden und mehr.

Video 3: The Hive in Aktion: Oben die Oszilloskopdaten von der realen Anlage, in diesem Fall an der TU Dortmund (Deutschland), wo man sehen kann, welche Komponenten verwendet wurden. (Videoquelle: LabsLand)

Die Schüler verwenden eine visuelle Schnittstelle, um Schaltkreise zu erstellen, aber hinter den Kulissen werden die Verbindungen mithilfe von relaisbasierten Schaltmatrizen physisch hergestellt. Alle Messungen werden mit echten Laborinstrumenten durchgeführt: Oszilloskop, Funktionsgenerator, Multimeter und Netzteile.

Das Labor unterstützt einen großen Katalog vordefinierter Schaltungen, darunter Widerstandsnetzwerke, RLC-Filter, Dioden und andere Standardaufbauten. Die Schaltkreise können aus dem Katalog ausgewählt oder manuell mit den unterstützten Komponenten erstellt werden. Um die Sicherheit und Praktikabilität zu gewährleisten, schränkt das System ein, was physisch konstruiert werden kann, bietet aber dennoch eine breite Abdeckung der üblichen Anwendungsfälle im Elektronikunterricht.

Dank eines nahtlosen Warteschlangensystems und eines schnellen Messumschlags unterstützt das Labor eine hohe Parallelität, so dass Dutzende oder sogar Hunderte von Schülern es ohne merkliche Verzögerung nutzen können.

Abbildung 5: Die relaisbasierten Platinen, aus denen die analogen elektronischen Schaltungen bestehen, sind gestapelt und verbunden, wobei dreifarbige Status-LEDs leuchten. (Bildquelle: LabsLand)

Abbildung 6. LabsLand-HIVE-Einheiten in verschiedenen Ländern. Oben sind zwei kleine Echtzeitkameras angebracht (Bildquelle: LabsLand).

Jederzeit und von überall aus verfügbar

Ein wesentlicher Vorteil der LabsLand-Fernlabore ist, dass sie jederzeit und von jedem Ort aus verfügbar sind. Sie müssen keine bestimmten Zeiten einplanen, im Voraus buchen, einen bestimmten Laborraum aufsuchen oder an den Zeitplan der Universität gebunden sein.

Die Schüler können die Verbindung von zu Hause oder vom Klassenzimmer aus herstellen. Viele Dozenten führen sogar während der theoretischen Vorlesungen den Einsatz von Laboren ein, indem sie reale Geräte in ihren Unterricht einbeziehen und die praktische Arbeit enger mit der Theorie verknüpfen.

Die Schüler können mehr üben - und zwar bequem, zu den Zeiten und in dem Tempo, das ihnen am besten passt -, was zu einer verstärkten Nutzung des Labors führt und die Ergebnisse verbessert.

Keine Hardware-Einrichtung, keine Wartung

LabsLand und seine Partner kümmern sich um die Infrastruktur. Auf diese Weise müssen die Institute keine Hardware einrichten oder konfigurieren und sich nicht um Wartung, Kalibrierung und Überwachung kümmern. Mehrere Exemplare der Labore werden weltweit an verschiedenen Orten verteilt.

So können sich die Lehrkräfte auf den Unterricht konzentrieren, ohne sich um Logistik, Unterbrechungen durch defekte Geräte oder technische Probleme kümmern zu müssen. Die Schüler können sich in Sekundenschnelle, jederzeit und von jedem Ort aus verbinden, ohne sich an strenge zeitliche oder geografische Einschränkungen halten zu müssen.

Und die Universitäten können einen Service anbieten, der oft nicht nur effektiver und bequemer, sondern auch um ein Vielfaches kostengünstiger ist, da die Unterauslastung der Laborgeräte und die Gemeinkosten für Anschaffung, Wartung und Betreuung erheblich reduziert werden.

Flexibles Modell: Abonnement oder Host

Der Einstieg in die LabsLand-Labore ist einfach: Einrichtungen können sich einfach beim Netzwerk anmelden. Die Lizenzen sind in der Regel sehr günstig und werden pro Student und Semester bezahlt. Es ist nicht notwendig, Hardware zu kaufen, und es stehen gebrauchsfertige Lerninhalte und fachkundige Anleitung zur Verfügung, damit die Lehrkräfte die Labore schnell in ihre Kurse integrieren können.

Für Universitäten, die lokale Installationen, individuelle Anpassungen und bevorzugten Zugang zu ihren eigenen Geräten wünschen, verkauft LabsLand vorgefertigte, hochmoderne Fernlabore - viele davon in Zusammenarbeit mit DigiKey -, die problemlos an jedem Institut installiert werden können und über die Institute dem Netzwerk als Anbieter beitreten können.

Institute mit eigenen Geräten erhalten mehr Kontrolle, vorrangigen Zugang zu ihren Systemen, eine kostengünstigere Nutzung und einen weltweiten Bekanntheitsgrad.

Nahtlose LMS-Integration

Der Laborzugang wird über eine einheitliche Plattform verwaltet und bereitgestellt. Es lässt sich in die meisten Lernmanagementsysteme integrieren, darunter Moodle, Blackboard, Canvas, Sakai und andere. Auf diese Weise ist der Zugang zu den Laboren und zu den praktischen Aktivitäten für die Studierenden nahtlos, alles kann an einem Ort bleiben, und es ist sogar möglich, automatische Bewertungen und andere LMS-Funktionen zu nutzen.

Die LabsLand-Plattform umfasst auch Tools für den Zugriff auf Lernanalysen, die Überwachung der Nutzung und vieles mehr.

Von führenden Institutionen geschätzt

LabsLand wird bereits von Universitäten auf der ganzen Welt genutzt. Einige von ihnen sind bekannte Institute wie die University of Washington und die University of Michigan, die beide auch LabsLand-Geräte auf ihrem Campus haben.

Die Plattform wird auch in einem breiten Spektrum von Bildungskontexten eingesetzt, darunter an Universitäten in Deutschland, Spanien, Costa Rica und Südafrika. Die Universität von Fort Hare beispielsweise nutzt LabsLand als Teil ihrer Bemühungen, den Zugang zur Ingenieurausbildung zu erweitern. Auch die UNED, eine der größten Universitäten Europas, nutzt LabsLand in mehreren ihrer Programme.

Viele dieser Universitäten nutzen die Labore nicht nur, sondern tragen auch zu ihnen bei. Einige hosten ihre eigenen Geräte und stellen sie über das Netz zur Verfügung, so dass die gleichen Labore, die sie in ihren Klassenzimmern nutzen, auch den Studierenden weltweit zur Verfügung stehen.

Dutzende anderer Universitäten in ganz Amerika, Europa, Afrika und Asien sind Teil des LabsLand-Netzwerks. Dieses Modell funktioniert bereits in großem Umfang, in verschiedenen Sprachen, Unterrichtsstilen und Kursstrukturen, was zeigt, dass Fernlabore nicht nur eine theoretische Idee sind, sondern ein praktisches und zuverlässiges Instrument, das bereits in realen Klassenräumen eingesetzt wird.

Die ersten Schritte

Die ersten Schritte mit LabsLand sind einfach. Wenn Sie daran interessiert sind, die Labore zu erkunden, herauszufinden, wie sie in Ihren Kurs passen könnten, oder einfach mehr über die Möglichkeiten zu erfahren, können Sie uns gerne kontaktieren.

Sie müssen nichts einrichten oder kaufen, um mit dem Gespräch zu beginnen. Egal, ob Sie ein Abonnement oder ein zukünftiges Hosting in Erwägung ziehen, wir helfen Ihnen gerne dabei, zu verstehen, wie es in Ihrem Kontext funktionieren könnte.

Um mit uns Kontakt aufzunehmen oder Fragen zu stellen, besuchen Sie https://labsland.com/de/contact.

DigiKey bietet zudem ein Webinar an, in dem die Mitbegründer von LabsLand die Remote-Labore für den Fernunterricht genauer vorstellen. Um Zugang zu diesem Webinar zu erhalten, klicken Sie einfach auf den Registrierungslink am Ende des Webinar-Blogs und füllen Sie die erforderlichen Informationen aus.