Forschungsbasiertes Lernen im Praktikum

Simulation optischer Sensoren am Institut für Elektro- und Informationstechnik

Einmal selbst am Puls der Forschung arbeiten – dies möchte das Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik Bachelorstudierenden in dem neuen Wahlpflichtpraktikum „Simulation optischer Sensoren“ im 3. Studienjahr am ermöglichen. Ziel ist es, den Studierenden Fähigkeiten im wissenschaftlichen Arbeiten zu vermitteln.

Text: Projektteam

Gefördert mit dem PerLe-Fonds für Lehrinnovation

Um dieses Ziel zu erreichen, soll im Praktikum ein Forschungszyklus mit den folgenden Schritten durchlaufen werden:

 

Abbildung 1

Um das erfolgreiche Durchlaufen des Forschungszyklus innerhalb eines Semesters zu ermöglichen, haben wir das Thema nahe unserer eigenen Forschung angesiedelt und die allgemeine Methode auf eine Simulationsarbeit mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) eingegrenzt.

Für die Planung und Ausarbeitung des Praktikums haben wir zunächst zwei Weiterbildungen zu den Themen „Forschungsbasierte Lehre – Von der Theorie zu ersten Umsetzungsideen“ und „Herausforderung Laborpraktikum – Wie man Studierende an das wissenschaftliche Arbeiten heranführt“ besucht. Dank der Unterstützung des Projekts erfolgreiches Lehren und Lernen (PerLe) konnten wir zwei studentische Hilfskräfte einstellen, die zusammen mit uns das Praktikum weiter gestaltet und als Testgruppe absolviert haben.

Rechtzeitig zum Sommersemester 2018 war die Planung abgeschlossen und das Praktikum wurde erstmals als Wahlpflichtpraktikum angeboten. Die Anmeldebilanz war ernüchternd: 0 Anmeldungen. Gleichzeitig hatte das ebenfalls am Lehrstuhl angebotene traditionelle versuchsbasierte Praktikum „Mikro-Nano-Optosystemtechnik“ 30 Anmeldungen. Neue Angebote müssen sich natürlich erst einmal etablieren, trotzdem hatten wir damit gerechnet, dass der forschungsbasierte Ansatz des Praktikums so attraktiv ist, dass wir Anmeldungen erhalten würden.

Zum Wintersemester 2018/19 haben wir unsere Beschreibung geändert und einen stärkeren Fokus auf das Erlernen von Methoden im Vergleich zur Forschung gesetzt. Die aktuelle Modulbeschreibung ist in der Box unten gegeben. Daraufhin gab es Anmeldungen und wir haben das Praktikum erstmals durchgeführt. In Bilanz war das Praktikum für die Studierenden ein herausforderndes Praktikum, in dem sie nach eigenen Angaben viel Neues gelernt haben. Für uns Lehrende war es spannend, den Fortschritt im Lernen zu sehen. Im Sommersemester 2019 bieten wir das Praktikum nun erneut an und hoffen, dass es sich etabliert und wir steigende Teilnahmezahlen erreichen. Geöffnet ist das Praktikum auch für Studierende anderer Fachrichtungen, die Ihre theoretischen Kenntnisse in der numerischen Simulation für eine praktische Fragestellung einsetzen möchten.

Insbesondere schätzen die Studierenden an dem neuen Praktikum, dass es sie gezielt auf die Durchführung der Bachelorarbeit vorbereitet und dass dort das Schreiben wissenschaftlicher Texte gelernt wird. Weiterhin erlernen die Studierenden praktische wirtschaftsrelevante Kompetenzen, besonders in Simulation und Datenanalyse. Damit ist das Praktikum nicht nur für Studierende relevant, die weiter einen akademischen Weg beschreiten wollen, sondern vermittelt praktische Kernkompetenzen für ingenieurwissenschaftliches Arbeiten in der Industrie. Gerade in einem Studiengang, in dem wenige Absolventinnen und Absolventen in der Wissenschaft bleiben möchten, ist es wichtig für ein breites Studierendeninteresse, diesen Aspekt in der Beschreibung zu betonen. Auch wenn für uns Lehrende Forschungskompetenzen zu erlangen ganz selbstverständlich das oberste Ziel war, scheint dieses von den Studierenden nur bedingt so gesehen zu werden.

Aktuelle Modulbeschreibung

Im Praktikum Simulation optischer Sensoren erlernen Sie die Simulation von Sensoren mit Hilfe der Finite Elemente Methode (FEM). Diese Simulationsmethode wird in Industrie und Forschung weitverbreitet eingesetzt. Sie ermöglicht die näherungsweise Berechnung des mechanischen, elektrischen, magnetischen, optischen und thermischen Verhaltens von beliebig geformten Baugruppen. Dabei können die Eigenschaften einzeln, aber auch gekoppelt analysiert werden und es können weitere physikalische Eigenschaften hinzugefügt werden. Im Praktikum kommt die Software COMSOL Multiphysics® zum Einsatz. Der Fokus des Praktikums liegt in der praktischen Anwendung der Finite Elemente Methode am Beispiel optischer Sensoren wie Ring-, Plasmonen- und Wellenleiterresonatoren. Die mathematischen Grundlagen der Methodik können vorher oder im Anschluss in anderen Modulen erlernt werden. Das Praktikum ist in drei Phasen unterteilt. Neben Fähigkeiten in der Computersimulation erlernen Sie insbesondere Kenntnisse und Fähigkeiten im wissenschaftlichen Arbeiten. Ein Teil des Praktikums ist als Projektphase ausgelegt, in der Sie das Verhalten einer selbst gewählten Sensorstruktur simulativ erforschen.

Phase 1: Lernen von Simulations- und Forschungsmethoden (5 Wochen)

  • Optische Sensorik
  • Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM)
  • Datenanalyse (z.B. mit Matlab)
  • Der Forschungszyklus

 

Phase 2: Entwickeln einer Computersimulation zu eigener Forschungsfrage (5 Wochen)

  • Projektarbeit in 2er Gruppen
  • Wöchentliche Zwischengespräche

 

Phase 3: Auswertung, Interpretation, Präsentation der Ergebnisse (2 Wochen)

 

Abbildung 2: Eindrücke aus dem Praktikum

 

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