Allgemeines
Lehrende*r
Oliver Theel
Veranstaltung
Got you − Entwurf, Bau und Betrieb von Sensoren zum Detektieren seltener Ereignisse
Modul
inf800 – Proseminar Informatik
pb193 – Arbeitsfeld / Technik Biologie III
Studiengang
Informatik – Master of Education / (Zwei-)Fach-Bachelor
Wirtschaftsinformatik – Fach-Bachelor
Fakultät
Fakultät II – Informatik, Wirtschafts- und Rechtswissenschaften
Institut
Department für Informatik
Semester
SoSe 2022
Turnus
unregelmäßig
Anzahl Studierende
8
KP des Moduls
3
Prüfungsform
Portfolio
Kategorien
Forschendes Lernen
Informatik
Seminar
Das Lehrprojekt zum Forschenden Lernen soll im Rahmen des Seminars 2.01.800-A mit dem Titel „Got you – Entwurf, Bau und Betrieb von Sensoren zum Detektieren seltener Ereignisse“ realisiert werden. Das Modul richtet sich an Studierende aus den Studiengängen Bachelor Informatik und Wirtschaftsinformatik sowie an die Studierenden des Master of Education Informatik aber auch an Studierende weiterer technikbezogener Studiengänge sowie an Gaststudierende im Rahmen des Studiums Generale. Dabei sollen in einem ersten Durchlauf des Moduls im Sommersemester 2022 bis zu acht Studierende betreut werden. In weiteren Durchläufen des Moduls soll die Kapazität unter Berücksichtigung des notwendigen Gesamtbetreuungsaufwands ggf. angepasst werden. Die Durchführung des Seminars ist in verschiedenen, jeweils Coronapandemie-konformen, Präsenzgraden möglich.
Inhalte und Ziele
Die studentischen Teilnehmer/innen setzen sich im Rahmen des Seminars jeweils mit folgender (allgemeiner) Fragestellung auseinander, die anschließend (siehe nachfolgender Abschnitt) konkretisiert wird: Wie muss ein Sensor konzeptionell ausgelegt, wie realisiert und wie betrieben werden, um ein relevantes, naturphänomenologisches Ereignis, das nur sporadisch auftritt, sicher detektieren zu können?
(Lern-)Aktivitäten der Studierenden
Jede/r Studierende ist dabei gehalten, sich über Naturphänomene (wie z. B. Luft-, Boden oder Gewässerverschmutzung, Klimaerwärmung, Waldsterben, Artensterben, Ausbreitung invasiver Arten, Gesteinsdrift, Bodenbewegungen, Gletscherschmelze) und damit verbundene relevante Ereignisse (wie z. B. Überschreitung eines kritischen Verschmutzungsgrenzwertes, Populationsexplosion von Schädlingen, kritischer Stress an tragenden Gebäudeteilen) zu informieren und sich anschließend für ein Naturphänomen sowie ein relevantes, damit in Bezug stehendes Ereignis zu entscheiden. Beispielsweise könnte ein/e Studierende/r das Naturphänomen „Auftauen von Permafrostböden als Folge der Klimaerwärmung“ wählen und als verbundene relevante Ereignisse „kritische Rissbildungen an Bauwerken“ (wie Brücken oder Hochhäuser), die auf betroffenen Baugrund fußen. Im Weiteren bearbeitet der/die Studierende diese selbstgewähle, konkretisierte Forschungsfragestellung.
Nun muss individuell untersucht werden, welche Möglichkeiten es prinzipiell gibt, das gewählte Ereignis detektieren zu können. Dabei muss bedacht werden, dass eine Detektion 1) sicher (im Sinne von „zuverlässig“) erfolgen muss und 2) der Sensor u. a. über einen sehr langen Zeitraum betrieben werden können muss, da es sich nach Voraussetzung um ein zu detektierendes Ereignis handelt, das sporadisch, also u. U. erst nach Wochen, Monaten oder Jahren, auftritt. Mittels Literaturrecherche, Vergleich ggf. exisitierender Sensoren, Kombination existierender Sensoren für Teilaspekte oder Entwurf eines neuartigen, eigenen Sensors soll letztendlich ein geeigneter Sensor identifizert und anschließend realisiert werden. (Die Abteilung Systemsoftware und verteilte Systeme verfügt über ein entsprechend ausgerüstetes Hardware-Labor, das Werkzeuge und Werkplätze zur Verfügung stellen kann; des Weiteren können Dienste der universtären Werkstätten in Anspruch genommen werden.) Dabei könnte die Anforderung „sicherer Sensor“ z. B. durch ein einfaches, robustes oder fehlertolerantes Design erfüllt werden. Die Anforderung „langer Betriebszeitraum“ könnte durch ein Design erfüllt werden, bei dem der Sensor durch das Detektieren des Ereignisses selbst die nötige Energie zur Ereignisdetektion erzeugt (z. B. Induktion durch eine Bewegung) oder aber durch den Einsatz regenerativer Energiequellen (wie z. B. Sonnenlicht oder Wärmedifferenzen). Zudem muss, z. B. auf Grundlage eines Mikrokontrollers (wie ein Arduino) oder eines Einplatinencomputers (wie ein Raspberry Pi), ein einfaches informatisches System realisiert werden, an dem der Sensor angeschlossen ist und das in der Lage ist, zu erkennen und zu protokollieren, ob der Sensor ein einsprechendes Ereignis detektieren konnte. (Ein solches informatisches System kann von einem Studierenden der Informatik sehr leicht umgesetzt werden; es stellt keine Forschungsherausforderung dar, wird im Weiteren jedoch benötigt.)
Prüfung und Bewertung
Nach dem Entwurf und der prototypischen Realisierung des beteffenden Sensors soll der Sensor exemplarisch über einen gewissen Zeitraum in einer geeigneten Umgebung am informatischen System betrieben werden. Dies kann, je nach gewähltem Phänomen und Ereignis, in einer realen Umgebung stattfinden (bspw. die Detektion von Luftqualitätsgrenzwertverletzungen an einem Verkehrsknotenpunkt) oder in einer Umgebung, die die, dem Ereignis zugrundeliegenden Ursachen, (sporadisch) simuliert (bspw. durch das Senken eines Modellgebäudeteils). Ziel des Betriebs des Sensors in einer solchen Umgebung ist dabei das Erheben von empirischen Daten bzgl. der sicheren Detektion des gewählten Ereignisses über einen realen oder simulierten, möglichst langen Zeitraum. Durch die Auswertung der erhobenen Daten soll somit ein sog. „Proof-of-Concept“ erbracht werden, dass der entworfene und realisierte Sensor tatsächlich wie gefordert betrieben werden kann und dabei sicher sporadische Ereignisse detektiert.
Dokumentiert und präsentiert werden die erarbeiteten Ergebnisse anschließend wie folgt: Jede/r Studierende/r erstellt eine beschreibende Ausarbeitung (ca. 4 A4-Seiten in genormter Größe und Format) sowie eine kurze, zielführende Bedienungsanleitung seines/ihres Ansatzes und stellt diese durch einen 15-minütigen Vortrag mit Demonstration am Ende des Seminars allen Studierenden und Interessierten in einer entsprechenden Abschlussveranstaltung vor. Ausarbeitung, Bedienungsanleitung sowie Vortrag können ebenso in englischer Sprache verfasst werden. In diesem Fall darf die Ausarbeitung eine Seite kürzer ausfallen und für den Vortrag stehen fünf Minuten mehr zur Verfügung. Die Ausarbeitungen sämtlicher Studierenden gehen dabei in einen gemeinsamen Reader ein und werden allen Studierenden und der Hochschulöffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Zudem erarbeitet jede/r Studierende ein farbiges A0-Poster, das ebenfalls überblicksartig den eigenen Ansatz vorstellt. Diese Poster werden (in Präsenz oder virtuell) sowohl an der Abschlussveranstaltung als auch für Schülerinformationstage oder Tage der offenen Tür des Department für Informatik genutzt, um der breiteren Öffentlichkeit die Möglichkeiten und Ergebnisse eigener Forschung verständlich vermitteln zu können.
Insgesamt werden die Studierenden jeweils für eine konkrete Forschungsfragestellung einen geeigneten, d. h. auf die konkreten Anforderungen maßgeschneiderten, neuen Sensor in einer methodisch zielgerichteten Art und Weise entworfen, realisiert, betrieben und letztendlich bzgl. der konkreten Anforderungen hin bewertet haben, sowie ihre Ergebnisse dokumentiert, vor einer kritischen Öffentlichkeit präsentiert und argumentativ verteidigt haben.
Bei der Bewertung gehen 1) Ausarbeitung, Literatursuche, Poster und Bedienungsanleitung zu 3/10, 2) das funktionierende Gesamtsystem (Sensor, Energieversorgung, Logging und Anzeige) zu 3/10, 3) die Art und Weise des Vortrags, der Foliengestaltung, der Beantwortung von Nachfragen und die Art und Weise der Demo zu 3/10 sowie 4) aktive Mitarbeit (u.a. Einhaltung der Pflichttermine und Eigeninitiative) zu 1/10 in die Endnote ein.
Erfahrungen
Das Seminar startete mit fünf angemeldeten Studierenden, von denen vier in Erscheinung traten und zwei Studierende letztendlich das Seminar erfolgreich beendeten. Die Studierenden zeigten sich bei der Bearbeitung der Themenstellung als sehr enthusiastisch, kreativ und engagiert. Diejenigen Studierenden, die das Seminar nicht beendeten, hatten dafür entweder private, studienverlaufstaktische Gründe (z. B. zu hohe Arbeitsbelastung im laufenden Semester) oder konnten vorbereitende Arbeitsschritte nicht termingerecht zu den einzelnen Pflichtbetreuungstreffen – auch nach Rücksprache – in der frühen Semesterhälfte erbringen. Eine termingerechte Bearbeitung insbesondere dieser Arbeitsschritte (wie z. B. erste Ideenfindung und rudimentäre Konzeptionierung des Systems) ist aus der Erfahrung der Veranstalter jedoch notwendig, um letztendlich das Seminar erfolgreich abschließen zu können.
Die Poster der Studierenden sind:
Das Konzept des Seminars wurde im darauffolgenden Wintersemester im Rahmen der Veranstaltung 2.01.808-C mit dem Titel „Energize me! – Sensorsysteme mit autonomer & erneuerbarer Energieversorgung“ wiederholt. Hier lag der Schwerpunkt – wie im Titel angedeutet – auf der autonomen und erneuerbaren Energieversorgung von Sensorsystemen, die die Studierenden realisieren mussten. Sieben Studierende hatten sich für das Seminar angemeldet, fünf davon traten tatsächlich in Erscheinung; diese fünf Studierenden beendeten das Seminar erfolgreich.
Die Poster der Studierenden sind: