Digitalisierung

Verfahrenstechnik digital erlebt – Schauplatz Lebensmittelindustrie

Blogbeitrag von Nadina Müller, Lukas Hollenstein, Robert Vorburger

Donnerstag, 15:30 Uhr, die Charge Vanilleschaum muss morgen raus und ausgerechnet jetzt geht die letzte 10 µm Membran kaputt. Im Lager ist nur noch eine Membran mit 20 µm Porengrösse vorhanden. Als verantwortliche Person für die Produktion wird von Ihnen eine Lösung erwartet. Lässt sich die vorgegebene Schaumspezifikation auch mit dieser Membran und entsprechend angepassten Produktionsparametern realisieren? Kann die Charge doch noch rechtzeitig produziert und ausgeliefert werden? Sie tauschen die Membran aus, erhöhen die Drehzahl von 4000 auf 6000 rpm und lassen die Membranschäumungsanlage wieder laufen. Ob die Spezifikationen erfüllt sind, lässt sich nur mit einer statistischen Analyse der Blasengrössenverteilung ermitteln. Sie nehmen eine Probe des Schaums, erstellen geeignete Mikroskopie-Bilder und führen die Auswertung durch – geschafft! Die Vorgaben sind erfüllt und die Charge kann somit noch rechtzeitig produziert und ausgeliefert werden. Sie greifen zufrieden zu einer Tasse Kaffee und… klicken sich weiter zur nächsten virtuellen Praktikumsaufgabe.

Wissenstransfer zwischen Theorie und Praxis

Im Fachgebiet Lebensmittelverfahrenstechnik bilden Praktika einen wichtigen Teil des Studiums. Anhand praktischer Versuche im Labor kann so das theoretische Wissen in die Praxis übertragen werden. Dieser Wissenstransfer kann durch den Einsatz digitaler E-Praktika im individuellen Selbststudium stark gefördert werden. Im Rahmen des E-Learning Projekts «Verfahrenstechnik digital erlebt» entwickelt die Forschungsgruppe für Lebensmitteltechnologie des Instituts für Lebensmittel- und Getränkeinnovation (ILGI) zusammen mit den Fachstellen Knowledge Engineering und Simulation & Optimization des Instituts für Angewandte Simulation (IAS) eine Web-Plattform für E-Praktika, die das Angebot an praktischen Übungen im Studium interaktiv und spielerisch ergänzt. Die E-Praktika werden parallel zu Vorlesung und ‘realen’ Praktika geführt und bilden einen integralen Bestandteil zum Erhalt des Testates.

Abbildung 1: Simulierte Membranschäumungsanlage (links) und statistische Analyse der Blasengrössenverteilung (rechts) (Darstellung Autor*innen)

Virtualisierte Anlage

Das erste in dieser Weise realisierte E-Praktikum ermöglicht den Studierenden einen persönlichen Umgang mit einer Membranschäumungsanlage zur Produktion von Lebensmittelschäumen, ohne gleich einen erheblichen Aufwand im Labor zu betreiben. Über eine einfache Benutzeroberfläche stellen die Studierenden die Parameter der virtuellen Anlage ein und erhalten sofort ein visuelles Feedback. Dies wird durch eine auf Messdaten aus dem Labor basierenden Simulation eines virtuellen Schaumes realisiert. Auf diese Weise kann der Einfluss der verschiedenen Parameter, wie zum Beispiel der Rotationsgeschwindigkeit, empirisch überprüft werden und die theoretischen Erkenntnisse werden bestätigt und praktisch erfahrbar. Das E-Praktikum Membranschäumen bietet dabei eine Visualisierung der Anlage und ein Tool zur statistischen Bildanalyse des virtuellen Schaums (Abbildung 1). Den Studierenden werden Herausforderung gestellt, die sie mithilfe dieser virtualisierten Anlage lösen können. «Durch Veränderung der Parameter sieht man direkt, was geschieht. Theorie wird auf diese Weise verständlicher, da man direkt ein visuelles Ergebnis erhält» , so das anonyme Feedback eines Studierenden.

The Magic Circle – Gamification

In seinem Buch Homo Ludens: A Study of the Play-Element in Culture definierte Johan Huizinga den Magic Circle als eine temporäre Welt innerhalb der gewöhnlichen Welt, die sich der Aufführung eines abgesonderten Aktes widmet. In diesem Sinne schaffen auch E-Praktika einen Magic Circle – versetzen die Studierenden in eine temporäre Welt, in der die Wirklichkeit spielerisch erfahren wird und sich neue Möglichkeiten bieten. So lassen sich nicht nur virtuelle Szenarien schaffen, in denen die Studierenden in eine Rolle schlüpfen, es können auch weitere Aspekte der sogenannten Gamification umgesetzt werden.

Unter Gamification wird die Übertragung von spieltypischen Elementen und Prozessen in nicht-spieltechnische Zusammenhänge verstanden. Dies mit dem Ziel, das Verhalten der Anwender zu verändern und die Motivation zu erhöhen. Die Gamification kann auf verschiedenen Ebenen des E-Praktikums stattfinden: Innerhalb eines einzelnen E-Praktikums, über alle E-Praktika eines Kurses oder gar über alle Praktika eines Semesters hinweg (alle Kurse).

Als Magic Circle für die Ebenen 1-3 wird ein Industriebetrieb nachgestellt. Die Studierenden bewegen sich in einem virtuellen Lebensmittelbetrieb, wo sie durch die Produktionsleitung verschiedene Aufgaben erhalten. Der virtuelle Betrieb ist als Grundriss auf der Benutzeroberfläche abgebildet, worauf sich die Studierenden und Praktikumsleiter/-innen als Avatare bewegen können (Abbildung 2). Die einzelnen Praktika sind schematisch dargestellt und können per Klick aufgesucht werden. Bei Fragen können die Studierenden das virtuelle Linienbüro der Abteilungsleitung aufsuchen. Dadurch öffnet sich das praktikumsspezifische Forum, wo Fragen durch die Praktikumsleiter/-innen oder Mitstudierende beantwortet werden können.

Abbildung 2: Draft zu einer möglichen Benutzeröberfläche in Form eines Grundrisses eines Betriebs in der Lebensmittelprodukt. Darstellung: Autor*innen

Für allgemeine Fragen bezüglich des Verfahrenstechnik-Praktikums kann das Forum über das «Betriebsleitungsbüro» aufgesucht werden. Offene Fragen im Forum werden durch ein Symbol beim entsprechenden Icon angezeigt (ähnlich wie Benachrichtigungen bei einer Smartphone App). So sehen alle Studierenden auf der Plattform auf den ersten Blick, wo Support benötigt wird. Für direkte Fragen oder Kommentare an die Praktikumsleiter/-innen kann durch einen Klick auf deren Avatar ein Fenster geöffnet werden, um eine E-Mail zu senden.

Über die Icons der realen Praktika gelangen die Studierende zur Ablage aller relevanten Informationen und Anleitungen (ersetzt Moodle als Datenablage). Zusätzlich könnten die Vorbereitungsaufgaben an dieser Stelle platziert und vor dem Praktikum gelöst werden. In einer «Übungswerkstatt» können Zusatzaufgaben zu den einzelnen Praktika durchgeführt werden. Dort kann die Theorie repetiert und sich auf die einzelnen Praktika vorbereitet werden.

Die eigenen Daten (vergangene Resultate, Punktzahlen, Coins etc.) können im eigenen «Büro» in einem Bildschirm angesehen werden. Die Studierenden sammeln über alle Ebenen Punkte. Diese Punkte helfen, um neue Levels zu erreichen. Alle Studierende beginnen mit dem Status (Level) «Praktikant/-in». Durch das Sammeln von Punkten werden die nächsten Levels erreicht:  Praktikant/-in à Mitarbeiter/-in à Fachmitarbeiter/-in à Abteilungsleiter/-in à Produktionsleiter/-in à Betriebsleiter/-in. Wenn Sie einen Blick in das e-Praktikum werfen möchten, könnten Sie folgenden Testzugang nutzen: Username und Passwort: «student»

Wohin geht die Reise?

Das erste E-Praktikum wurde im Herbstsemester 2019 erfolgreich durchgeführt. Die Rückmeldung der Studierenden war sehr positiv und bestätigt den Nutzen solcher E-Praktika im Unterricht. Auch wenn E-Praktika kein vollwertiger Ersatz für echte Praktika im Labor oder im Betrieb selbst sind, so erweitern sie doch die Palette an didaktischen Möglichkeiten und führen insbesondere im Selbststudium zu mehr Motivation. Und in einer Welt, in der das Internet nur einen Fingertipp entfernt ist, ermöglichen E-Praktika ein individualisiertes und ortsunabhängiges Lernen.

Das Angebot an E-Praktika und E-Übungen auf der erstellten Plattform soll systematisch weiter ausgebaut werden. In einem nächsten Schritt erfolgt eine Verknüpfung weiterer Fächer, zum Beispiel durch die Einbindung einer ergänzenden Mess-/Regeltechnik-Übung in das existierende E-Praktikum Schäume aus dem Bereich Lebensmittelverfahrenstechnik. Auch sollen weitere gänzlich neue E-Übungen und E-Praktika folgen.

Parallel soll das Gamification Konzept weiter umgesetzt werden. Die Punkte werden über das Lösen der Aufgaben im Praktikum gesammelt. Ein Praktikum gibt maximal 150 Punkte. Wo wie viele Punkte verteilt werden, wird vom jeweiligen Praktikumsleiter/-in definiert. Zusätzlich können die Studierenden durch die zufriedenstellende Beantwortung von Fragen im Forum jeweils 10 Zusatzpunkte einholen. Die Aufgaben in den E-Praktika sind im Schwierigkeitsgrad aufsteigend (stellt so die Verbindung zum Status (Level) her). In der Übungswerkstatt können zudem zusätzliche Punkte gesammelt werden.

Die Studierenden sehen auf der Benutzeroberfläche in ihrem «Büro», wo sie im Vergleich zu ihren Kommilitonen stehen. Die Punkte der Mitstudierenden sind anonymisiert. Nur die «Leaderin» oder der «Leader» wird namentlich genannt. Zusätzlich zur Einzelleistung kann im virtuellen Warenausgang eingesehen werden, wieviel die gesamte Klasse bereits erspielt hat. Dies wird in Form von Lebensmittelpaletten im Warenausgang dargestellt (z.B. eine Palette pro 500 Punkte).

Am Ende des Semesters werden die Studierenden mit Preisen belohnt

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass das in diesem E-Learning Projekt erarbeitete Konzept, die implementierte Web-Plattform und das umgesetzte erste E-Praktikum ein erfolgreicher Schritt hin zu einer virtualisierten Lernumgebung ist. Diese begünstigt den individualisierten und mit Spass angereicherten Transfer von theoretischem Wissen zu praktischen Kompetenzen als Ergänzung zum realen Üben im Labor, ganz im Sinne einer Fachhochschule. Das Projektteam freut sich bereits, die anstehenden Erweiterungen in Angriff zu nehmen.

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