„PBL@CAU“: Praxisnahes Arbeiten in Projektgruppen

Innovatives Lehrkonzept am Lehrstuhl für Leistungselektronik

Professor Marco Liserre (Head of the Chair of Power Electronics) macht sich für eine enge Verzahnung von Lehre, Wissenschaft und Praxis stark. Mit seinem innovativen Lehrprojekt „PBL@CAU“ hat er das „Problem Based Learning“ (PBL) nach dänischem Vorbild an die Kieler Universität geholt.

Text: Prof. Dr. Marco Liserre
(Projektinitiator)

1. Kurzbeschreibung

Das Projekt „PBL@CAU“ hat das Ziel, problembasiertes Lernen (PBL) in einem Pilotversuch an der Technischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) zu implementieren und Erfahrungen für die Umsetzung eines innovativen und praxisbezogenen Lehrkonzeptes zu sammeln. Im Rahmen des Projektes erarbeiten sich Studierende in Gruppen mit Unterstützung lokaler Unternehmen eine aktuelle Problemstellung und arbeiten dann unter Anleitung des Professors und wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehrstuhls selbstständig an deren Lösung. Durch die Einbindung lokaler Unternehmen bei der Themenauswahl und der weiteren fachlichen Begleitung soll eine bessere Verbindung zwischen der akademischen Ausbildung und der Praxis erreicht werden.

 

 

Das Projekt PBL@CAU wurde im Wintersemester 2015/2016 am Lehrstuhl für Leistungselektronik, gefördert durch den PerLe-Fonds für Lehrinnovationen, durchgeführt und orientierte sich an dem dänischen PBL Modell der Aalborg University (AAU). Neun Studierende arbeiteten in drei Gruppen, bestehend aus jeweils zwei bis vier Teilnehmenden, mit Unterstützung der Firmen Jungheinrich AG in Norderstedt, Danfoss Power Electronics in Sonderborg und FeCon GmbH in Flensburg in den Anwendungsgebieten elektrische Antriebe und elektrisches Netz.

 

2. Einleitung

Das Projekt PBL@CAU zielt darauf ab, PBL als innovatives und praxisorientiertes Lehrkonzept an der CAU zu Kiel einzuführen. Der Projektleiter Prof. Marco Liserre war von 2012 bis 2013 an der Aalborg University (AAU) tätig, an der PBL in der Lehre seit der Gründung im Jahr 1974 erfolgreich angewendet wird. Aufgrund bestehender Kooperationen zwischen dem Lehrstuhl für Leistungselektronik der CAU und der AAU konnte das Projekt bei der Planung und Durchführung durch Prof. Tamás Kerekes begleitet werden.

Beim Lehrkonzept PBL steht nicht bloßes Lernen der Theorie, sondern auch die Anwendung des erlernten Wissens im Vordergrund. Dabei arbeiten Studierende innerhalb eines Semesters in Gruppen zusammen, sodass verschiedene akademische Stärken und Schwächen vereint werden und die Problemstellung mithilfe des kombinierten Wissens gelöst wird. Am Ende des Semesters wird ein Projektbericht abgegeben, in dem die Problemstellung erläutert wird und die Ziele, die Methodik der Problemlösung und die Ergebnisse dargestellt werden. Zusätzlich werden die wesentlichen Ergebnisse in einem Abschlussvortrag präsentiert. Die Ergebnisse schließen Modellierung, Simulationen und Laborexperimente ein. Die Studierende sind darauf angewiesen zusammenzuarbeiten und die vorher definierten Aufgaben untereinander aufzuteilen, um die am Anfang des Semesters gesetzten Ziele erreichen zu können. Auf diese Weise hat die Gruppenarbeit eine akademische und soziale Dimension, indem die Studierenden lernen als Team zu arbeiten, eine Qualifikation, die auf dem heutigen Arbeitsmarkt sehr wichtig ist. PBL bietet den Studierenden die Möglichkeit sich mit „Real-Life“ Problemstellungen der industriellen Partner auseinanderzusetzen, das theoretische Wissen in die Praxis umzusetzen und Ergebnisse selbstständig zu erarbeiten, die in zukünftige Produkte der beteiligten Unternehmen einfließen.

 

3. Projektdurchführung

Im Rahmen des PBL@CAU Projektes war vorgesehen, zwei Studentengruppen zu bilden, die jeweils durch eine studentische Hilfskraft unterstützt werden. Jede Gruppe wird durch einen wissenschaftlichen Mitarbeiter des Lehrstuhls betreut, sodass der Fortschritt durch regelmäßige Treffen überprüft werden kann. Für ein weiteres Feedback sind Treffen mit einem Betreuer aus den Unternehmen, sowie Prof. Liserre und Prof. Kerekes vorgesehen.

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Abbildung 1: Modulkonzept

 

Die Umsetzung des Konzeptes ist in Abbildung 1 dargestellt. Zwei Richtungen stehen zur Auswahl, die von jeweils einer Gruppe gewählt werden: Elektrische Antriebe und netzgebundene Stromrichter. Insgesamt werden mit dem Projekt 16 ECTS-Punkte angeboten. Die praktischen Arbeiten im Labor und die Problemlösung im Allgemeinen entsprechen dabei dem Modul „Masterpraktikum“ (4 ECTS-Punkte) und die Literaturrecherche, Projektpräsentation und die Berichterstellung dem Modul „Seminararbeit“ (4 ECTS-Punkte). Für den notwendigen theoretischen und fachlichen Hintergrund ist die Teilnahme an den Modulen „Modeling and Control of Power Electronics Converters“ (MoCoPEC, 4 ECTS-Punkte) und, je nach Themenrichtung, „Electric Drives“ (ED, 4 ECTS-Punkte) oder „Grid Connected Power Electronics Converters“ (GriCoRES, 4 ECTS-Punkte) verpflichtend, die regulär entsprechend des Modulhandbuches mündlich geprüft werden.

Der abschließende Projektbericht soll einen Umfang von mindestens 20 Seiten pro Gruppenmitglied haben und eine detaillierte Beschreibung der Problemstellung, der verwendeten Literatur und der wesentlichen Ergebnisse (analytische Ergebnisse, Simulations- und Laborergebnisse) sowie ein Fazit der Arbeit und einen Ausblick enthalten. Die Ergebnisse sollen in einer 30-minütigen Präsentation vorgestellt werden, an die sich eine 30-minütige Fragenbeantwortung zum gesamten gewählten Themengebiet anschließt.

Aufgrund des hohen Interesses wurden insgesamt drei Gruppen gebildet, von denen zwei Gruppen das Themengebiet „elektrische Antriebe“ und eine Gruppe „netzgebundene Stromrichter“ abgedeckt haben. Die Themen wurden dabei von den Firmen Jungheinrich, Danfoss und FeCon gestellt. Im Verlauf des Projektes entschloss sich eine Gruppe dazu die Anzahl der ECTS-Punkte um den Anteil der Vorlesungs-Module zu reduzieren, sodass Module im Rahmen von 8 ECTS-Punkte belegt wurden (Masterpraktikum und Seminararbeit). Der Verlauf des Projektes lässt sich in die drei Phasen unterteilen: Themenauswahl und Problemdefinition, Gruppenarbeit und sowie Berichterstellung und Präsentation.

 

3.1 Themenauswahl und Problemdefinition

Das PBL Projekt wurde in einer Einfüh­rungsveranstaltung vorgestellt, in der die Unternehmensvertreter die Mög­lichkeit hatten ihre konkreten Problemstellungen zu präsentieren. Das Unternehmen Danfoss konnte aufgrund der langjährigen Zusammenarbeit mit der AAU einen Themenkatalog anbieten, wohingegen sich das Angebot von Jungheinrich und FeCon auf jeweils ein Thema beschränkten. Mit der Wahl des Themengebietes wurden die drei Gruppen gebildet, die dann in den folgenden zwei Wochen die Aufgabe hatten, durch Literaturrecherche die Problemstellung selbstständig konkreter zu definieren und erste Projektziele abzustecken. Dabei erhielten sie auch Unterstützung von Prof. Kerekes, der in einem Workshop den Studenten PBL und eine erfolgreiche Vorgehensweise näherbrachte.

Da sowohl die Studierenden als auch die Unternehmen zum Großteil keine Erfahrungen mit PBL hatten, entstanden gerade in der Anfangszeit des Projektes Probleme bei der Definition der Aufgabenstellung. Diese wurde in der ersten Phase häufig geändert, was zur Verunsicherung der Studierenden führte. Prinzipiell ist aber auch die Änderung des Zielhorizontes Teil der Projektarbeit, falls bei einer Statusüberprüfung festgestellt wird, dass ein konkretes Ziel verzögert oder nicht erreicht werden kann. Trotzdem sollte in der ersten Phase darauf geachtet werden, dass die Themenstellung konkret definiert ist, dass die Motivation der Studenten nicht abnimmt.

 

3.2 Gruppenarbeit

Während der Ausarbeitungsphase haben die Gruppen selbstständig gearbeitet und die Aufga­benschwerpunkte untereinander, idealerweise nach vorhandenen Kenntnissen, auf die Gruppenmitglieder aufgeteilt. In regelmäßigen Treffen mit dem Betreuer, mindestens aber alle zwei Wochen, wurde der Fortschritt des Projektes und auftretende Probleme mit dem Betreuer diskutiert, sodass Impulse für neue Lösungsansätze gegeben und die nächsten Zielstellungen besprochen werden konnten. Darüber hinaus fanden insgesamt drei Treffen zwischen Professor, Betreuer und der jeweiligen Gruppe statt, durch die eine weitere Hilfestellung durch eine kritische Betrachtung der bisherigen Vorgehensweise gegeben wurde. Je nach Gruppe fanden Besprechungen mit dem beteiligten Unternehmen via Skype statt oder es wurden Fragen durch Emailkontakt geklärt. Die Hürde bei den Studierenden sich bei Problemen an die Unternehmen zu wenden, war relativ hoch. Der Austausch und eventuell Berichterstattung müssten daher genauer geregelt werden. Die Präsentation der einzelnen Projektergebnisse bei den Industrieunternehmen steht zum Zeitpunkt der Berichterstellung noch aus.

Grundsätzlich traten bei den Studierenden Probleme bei der Koordination der Gruppenarbeit und der Selbstorganisation auf. Zu Beginn der Projektarbeit wurde nur wenig an dem Thema gearbeitet, sodass vor allem zum Ende des Semesters eine höhere Arbeitsbelastung auftrat. Diese fiel damit in den Prüfungszeitraum, wodurch weniger Zeit für die Laborarbeit und den Projektbericht aufgewendet wurde. Obwohl jeder Gruppe im Studentenarbeitsraum des Lehrstuhls ein PC-Arbeitsplatz zugeteilt wurde, wurden diese überwiegend nicht genutzt. In einer möglichen Umsetzung sollte darauf geachtet werden, dass geeignetere Räume zur Verfügung gestellt werden, da Diskussionen innerhalb der Gruppe im Studentenarbeitsraum des Lehrstuhls andere Studierende bei der eigenen Arbeit stören. Die prakti­schen Aufbauten zu den jeweiligen Themen wurden von den Studierenden selbst organisiert. Trotz Betreuung stellte sich in einem Fall heraus, dass falsche Bauteile für den Aufbau verwendet wurden. Dieses wäre durch eine bessere Abstimmung mit dem Betreuer vermeidbar gewesen. Ein Workshop zur Gruppenarbeit, zur Anleitung selbstständigen Arbeitens und zur Projektkoordination erscheint bei einer Implementierung sinnvoll, da die Studierenden diese Arbeitsweise nicht gewohnt sind.

 

3.3 Berichterstellung und Präsentation

Die Berichterstellung und Abgabe erfolgte am Ende des Semesters, dessen wesentliche Punkte in einer 30-minütigen Präsentation vorgestellt wurden. Der Bericht und die Präsentation sollten folgende Aspekte abdecken: Einleitung und Problembeschreibung, theoretische Grundlagen, Simulationsergebnisse, experimentelle Ergebnisse sowie Fazit und Ausblick. Im Anschluss der Präsentation wurden den Studierenden fachliche Fragen zu ihrer Arbeit gestellt. Insgesamt entsprachen die Ausarbeitungen nicht vollständig dem Anspruch an wissenschaftliche Arbeiten. Obwohl die Studierenden am Projektbeginn ausdrücklich auf die Vorgaben an den Bericht hingewiesen wurden und zusätzlich Beispielberichte von der AAU vorlagen, wurden diese nicht zur Zufriedenheit des akademischen Anspruchs erfüllt.

In einer zukünftigen Umsetzung müsste den Studierenden deutlicher gemacht werden, dass die Qualität ihrer Arbeit anhand des Berichtes bewertet wird. Hier stellte sich eine Schwäche der Umsetzung des Pilotversuches heraus, da die Berichterstellung und Präsentation Bestandteil des nicht benoteten Moduls „Seminararbeit“ ist. Somit ist ein Einfluss auf die notengebenden Module mit der pilothaften Umsetzung innerhalb der gültigen Prüfungsordnung nicht möglich. In einer zukünftigen Umsetzung wäre es sinnvoll, dass auch die Berichterstellung und Präsentation als Gruppenleistung benotet wird. Zu diskutieren wäre, ob im Anschluss der Präsentation durch gezielte Fragestellungen an einzelne Gruppenmitglieder oder durch eine Einzelbefragung in der Notengebung differenziert werden kann.

Die Studierenden haben sehr gute Noten in den im Projekt enthaltenen Vorlesungsmodulen erzielen können, was darauf schließen lässt, dass die gleichzeitige praktische Anwendung von Vorlesungsinhalten und den dafür notwendigen Transferleistungen ein großes Interesse, tieferes Verständnis und ein nachhaltigeres Lernen ermöglichen.

 

4. Evaluation und Bewertung

Nach Abgabe der Berichte wurde den Studierenden die Möglichkeit gegeben, den Verlauf des Projektes und das Projekt als Ganzes zu bewerten. Im Folgenden sind die Ergebnisse der Evaluation zusammengefasst, an der insgesamt 5 Studierende (von 9 Studierenden) teilgenommen haben.

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Die Erwartungen an das Projekt wurden nicht ganz erfüllt, obwohl die Studierenden betonen, dass die praktische Anwendung (in Simulationen und im Labor) des Lehrinhaltes innerhalb eines Semesters eine sinnvolle Ergänzung ist und zum nachhaltigen Lernen beiträgt. Kritisiert wird, dass zu Beginn des Projektes die Aufgabenstellungen der Unternehmen zu weit gefasst waren und die Arbeitsrichtung nicht klar genug war, beziehungsweise auch von den Betreuern/Unternehmen zu Beginn häufig geändert wurde.

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Insgesamt erscheint die Arbeitsbelastung der Studierenden als angemessen. Es wird angemerkt, dass die Arbeitsbelastung zu Beginn des Projektes im Vergleich zum Ende geringer war, sodass Konflikte mit Prüfungen anderer Vorlesungen entstanden und so zu wenig Zeit für die Projektarbeit zur Verfügung stand. In mehreren Kommentaren wird zudem deutlich, dass die Gruppenorganisation und –zusammenarbeit nicht reibungslos funktionierte und dadurch die Themenfindung und -definition erschwert wurde. Die fachliche Betreuung wird als sehr gut bewertet. Insgesamt wird das Projekt als gut bewertet und die Studierenden würden die Teilnahme an dem Projekt weiterempfehlen.

Als Schwächen werden die Organisation und die Zusammenarbeit mit Industriepartnern genannt. Es sei angemerkt, dass die Bewertung der Zusammenarbeit mit den Industriepartnern sehr unterschiedlich ausfällt, sodass darauf zu schließen ist, dass dieses Problem nicht in jeder Gruppe auftrat. Als Stärken des Projektes werden die inhaltliche Verbindung von Seminararbeit und Laborpraktikum genannt sowie das industrienahe und praxisorientierte Themenangebot. Als positiv wird ebenfalls hervorgehoben, dass Vorlesungsinhalte teilweise direkt Anwendung gefunden haben und die Theorie auf diese Weise nachhaltig vermittelt werden konnte.

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5. Fazit

Im Rahmen des mit dem PerLe-Fonds für Lehrinnovationen geförderten Projektes PBL@CAU, das im Wintersemester 2015/2016 am Lehrstuhl für Leistungselektronik durchgeführt wurde, wurde ein innovatives und praxisbezogenes Lehrprojekt in Form eines Pilotversuches implementiert. Mit Unterstützung lokaler Industrieunternehmen haben Studierende in drei Gruppen eine Projektarbeit auf Basis der in dem Semester vermittelten Vorlesungsinhalte umgesetzt. Durch die direkte praktische Anwendung der Theorie wird ein nachhaltiges Lernen gefördert. Zudem werden die Studierenden vor die Herausforderung gestellt, in einem Team die Arbeit selbstständig zu koordinieren und umzusetzen, sodass die komplexe Problemstellung erfolgreich gelöst werden kann. Diese Arbeitsweise wird bisher in den Masterstudiengängen Elektrotechnik und Informationstechnik und Wirtschaftsingenieurwesen Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Fakultät nur unzureichend vermittelt, obwohl sie ein wesentlicher Bestandteil der heutigen Arbeitswelt ist.

Die Erfahrungen aus dem Pilotversuch zeigen, dass die Studierenden Defizite bei der Gruppenarbeit aufweisen. Eine dauerhafte Implementierung im Lehrbetrieb ist daher sinnvoll, sollte aber in Zusammenarbeit mit weiteren Lehrstühlen erfolgen, um interdisziplinäre Projekte zu ermöglichen. Auf diese Weise kann der Studiengang besser abgebildet werden, da ansonsten eine Konzentration von ECTS-Punkten auf einen Lehrstuhl entstehen kann, die in der Prüfungsordnung nicht vorgesehen ist. Zudem kann die Attraktivität der Projekte durch interdisziplinäre Problemstellungen weiter gesteigert werden. Weiterhin sollte bei einer weiteren Implementierung diskutiert werden, ob das Projekt um ein theoretisches Fach reduziert werden sollte, um den Fokus stärker auf die eigentliche Projektarbeit zu legen. Es sollte aber sichergestellt werden, dass das Projekt auch anteilig durch Noten bewertet wird, damit ein Anreiz für eine qualitativ hochwertige Projektarbeit geschaffen wird.

Innerhalb des Projektes führten organisatorische Probleme zu Unsicherheiten bei den Studierenden, die einen erfolgreichen Projektverlauf erschwerten. Zu klären ist zudem, wie in Fällen vorgegangen wird, sollten einzelne Gruppenmitglieder oder eine gesamte Gruppe das Projekt abbrechen. Das eigentliche Ziel, eine praxisorientierte Vermittlung von Vorlesungsinhalten, wurde mit dem Projekt erreicht.

 

5. Ausblick

Auch im laufenden Jahr wird wieder ein PBL-Projekt mit zwei Studierendengruppen angeboten. Die Schwierigkeiten aus dem ersten Durchlauf sollen gelöst werden, indem diesmal eine kleinere Version des Projekts (nur 8 ECTS) stattfindet.

 

Dieses Lehrvorhaben wurde mit dem PerLe-Fonds für Lehrinnovation gefördert

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