Achema 2022: Smart Education Photometer erweitert experimentelles Lehren und Lernen um intelligente Technologie

Um (natur-)wissenschaftliche Inhalte im Schulunterricht nachvollziehbar zu vermitteln, ist experimentelles Lernen unabdingbar. Dabei entwickeln sich Experimentiermaterialien ständig weiter und bieten neue didaktische Möglichkeiten. So arbeiten Forschende an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) an einem intelligenten Photometer. Neben seiner Funktion als Mess- und Experimentierplattform kann es etwa Benutzerpfade speichern, um nachfolgend mittels Künstlicher Intelligenz das Lehr- und Lernerlebnis zu optimieren. Ihr Projekt „Smart Education Photometer“ präsentieren die Forschenden vom 22. bis 26. August auf der Achema am Forschungsstand Rheinland-Pfalz (Stand A35, Halle 6).

Grundsätzlich wurde das Smart Education Photometer (SmaEPho) mit Analogien zu einem Photometer entwickelt, welches bereits im naturwissenschaftlich-technischen Unterricht an weiterführenden und berufsbildenden Schulen zum Einsatz kommt (desklab gUG, Schriesheim). Mit dem System lassen sich Stoffkonzentrationen in Lösungen bestimmen – beispielsweise Ionenkonzentrationen in Gewässerproben. Die zu messende Probe wird mit dem Licht einer austauschbaren LED mit einer spezifischen Wellenlänge bestrahlt. Durch eine Messeinrichtung wird der Teil des Lichtes, welcher nicht durch die Probe absorbiert wird, erfasst und mit Hilfe einer kleinen Schaltung in eine messbare Spannung umgewandelt. Diese Spannung wird von der dritten Gerätekomponente, einem Mikrocontroller, gemessen, weiterverarbeitet und als optische Dichte auf einem integrierten Display angezeigt. Dadurch lernen Schülerinnen und Schüler auch, wie die Messtechnologie an sich funktioniert.

Das Konzept der TUK-Forschenden geht jetzt noch einen entscheidenden Schritt weiter: Indem das Gerät zugleich zum Forschungsinstrument wird, wollen sie das experimentelle Lehren und Lernen mit dem Photometer mit dem Nutzen der smarten Technologie entsprechend verbessern. „Alles, was auf dem Gerät passiert, können wir nachvollziehen, weil das SmaEPho die Benutzerpfade in Echtzeit an den digitalen Zwilling überträgt“, erläutert Frederik Lauer, der am Lehrstuhl für Entwurf mikroelektronischer Systeme promoviert. „So erfahren wir, wann welches Kabel in welche Buchse am Steckbrett gesteckt wurde oder welche der LEDs sich wann in der Messeinrichtung befand.“ Damit eröffnet sich eine Reihe von Forschungsansätzen, etwa zum adaptiven Lernen. Dabei können Forschungsfragen bezüglich der Anpassung von Lerninhalten an die Präferenzen der Lernenden betrachtet oder beispielsweise die Frage geklärt werden, wie häufige Benutzerfehler vermieden werden können. Darüber hinaus ist es möglich, die didaktische Qualität von Unterrichtskonzepten vergleichend zu beurteilen. So hätten Lehrende künftig zusätzliche Informationen an der Hand, die ihnen helfen, Unterrichtseinheiten mit dem Photometer effektiver zu gestalten.

Was lässt sich mit den aufgezeichneten Benutzerpfaden konkret bewirken? Lena Geuer, die am Lehrstuhl Bioverfahrenstechnik promoviert, gibt ein Beispiel: „Aktuell bildet die App eine zusätzliche digitale repräsentative Ebene, die alle Änderungen am physischen SmaEPho in Echtzeit visualisiert und aufzeichnet. Diese Funktionalität bildet die Grundlage für eine Vielzahl weiterer Visionen: Eine geplante Möglichkeit ist, dass wir den Lernenden nutzerspezifische Hilfestellungen in einem digitalen Zwilling oder in einer Augmented-Reality-Umgebung anbieten. Hierzu wollen wir mithilfe der gesammelten Benutzerdaten eine Künstliche Intelligenz trainieren, die etwa unterschiedliche Fehlerquellen, Defizite und Unterstützungsbedarfe erkennen und dazu passende Hilfestellungen bzw. Hinweise generieren kann, die auf dem digitalen Zwilling visualisiert werden.“

Das SmaEPho vollzieht einen weiteren Schritt hin zur Digitalisierung von Lehr- und Lernmaterialen und bildet eine Plattform für den Einsatz in vielfältigen Forschungsbereichen. Die Idee zum smarten Photometer ist hervorgegangen aus U.EDU, einem Projekt der „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“, mit der die TUK ihre Akti­vitäten in allen Pha­sen der Lehrer­bildung verstärkt. Den Nutzwert des SmaEPho haben Lauer und Geuer über eine Usability-Studie mit SchülerInnen ermittelt. „Die positiven Ergebnisse bezüglich der Usability des SmaEPhos legen den Grundstein für den Einsatz der Hardware für eine Vielzahl von weiteren, aufbauenden Forschungsfragen“, so die Doktorandin.

Auf der Achema erhalten Interessierte anhand eines Demonstrators einen praktischen Eindruck vom intelligenten Photometer und seinen erweiterten digitalen Möglichkeiten.

Über U.EDU
Koordiniert wird das Vorhaben U.EDU durch das Zentrum für Lehrerbildung (ZfL) der TUK, worin das Vorhaben strukturell eingebunden ist. Mehr zu U.EDU finden Sie auf der Gesamtprojekthomepage https://www.uni-kl.de/uedu/ 
Das Vorhaben "U.EDU: Unified Education – Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette" wird im Rahmen der gemeinsamen "Qualitätsoffensive Lehrerbildung" von Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert.

Fragen zum Teilprojekt Smart Education Photometer beantworten:

Prof. Dr. rer. nat. Roland Ulber
E-Mail: ulber@mv.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4043

Lena Geuer (M.Ed.)
E-Mail: geuer@mv.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-5477

Frederik Lauer (M.Sc.)
E-Mail: flauer@eit.uni-kl.de
Tel.: 0631 205- 4181

Fragen zum Gesamtprojekt U.EDU beantworten:

Prof. Dr.-Ing. Norbert Wehn
Projektleiter U.EDU
E-Mail: wehn@eit.uni-kl.de
Tel. 0631 205-4436

Prof. Dr. Jochen Kuhn
Externe wissenschaftliche Begleitung U.EDU
E-Mail: jochen.kuhn@lmu.de

Hintergrund: „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“

Ziel der Qualitätsoffensive Lehrerbildung ist die qualitative Weiterentwicklung der Lehrerbildung in Studium und Lehre durch die Unterstützung von innovativen Konzepten. Durch eine stärkere interdisziplinäre Ausrichtung sowie die Einbeziehung der Schulen soll das Studium praxisnäher werden. Auch den Herausforderungen der Heterogenität und Inklusion sowie Lehren und Lernen mit digitalen Medien trägt das Bund-Länder-Programm verstärkt Rechnung. Hierfür stellt der Bund für die Länder und Hochschulen bis zum Jahr 2023 bis zu 500 Millionen Euro bereit.