Professor der Ingenieurwissenschaften setzt MapleSim für virtuelle Experimente in der Ausbildung ein

Dr. James Andrew Smith, Professor für Elektro- und Biomedizintechnik an der Ryerson University in Toronto, ist begeistert von seiner neuen Lehrmethode. Er hat Werkzeuge und Methoden eingeführt, die den Studierenden dabei helfen, Wissen durch Interaktion zu erwerben, den Stoff besser zu analysieren und somit ein tieferes Verständnis zu erreichen. Er nennt es den „induktiven Ansatz“, im Gegensatz zum traditionellen „deduktiven Ansatz“. Er betrachtet MapleSim – das Werkzeug von Maplesoft zur Modellierung und Simulation auf Systemebene – als ein revolutionäres Werkzeug zum induktiven Lernen, das sich von den klassischen deduktiven Werkzeugen wesentlich unterscheidet.

Dr. Smith hat MapleSim im dritten Studienjahr der Elektrotechnik in Kursen eingeführt, bei denen es um eine Einführung zur Robotik und zu Mikrosystemen geht. Ein Ziel dieser Kurse war es, die Studierenden mit Werkzeugen zur Analyse, Simulation, Visualisierung und zur Entwicklung vertraut zu machen. Er hat hierbei MapleSim als Werkzeug zur Modellierung auf Systemebene eingesetzt, um herauszufinden, wie ein induktiver Ansatz dazu beitragen kann, das Verständnis auf Seiten der Studierenden zu verbessern. „Ein induktiver Ansatz ermöglicht es den Studierenden, ein System zu untersuchen und aus dem beobachteten Verhalten Gleichungen abzuleiten“, erklärte Dr. Smith hierzu. „Dieser Ansatz unterscheidet sich wesentlich von der klassischen deduktiven Lehrmethode, bei der die Studierenden einen Satz Gleichungen vorgesetzt bekommen, bei dem sie anschließend herausfinden dürfen, was sie bedeuten und für welches Verhalten sie stehen. Der induktive Ansatz vermittelt Wissen durch Interaktion und spornt die Studierenden an, weiter zu forschen.“

Laut Dr. Smith haben die herkömmlichen Werkzeuge sehr wohl ihren Platz, zeigen den Studierenden jedoch nicht die Hintergründe auf und behindern so das Lernen. „Der große Unterschied bei MapleSim ist, dass die Studierenden in MapleSim die zugrunde liegenden Gleichungen kennenlernen und in verschiedenen Szenarien einsetzen können. In dieser Offenheit unterscheidet es sich sehr von allen anderen Werkzeugen auf dem Markt. Mit MapleSim können die Studierenden leicht die Verbindung zwischen den analytischen Modellen in den Lehrbüchern und den numerischen Lösungen aus der Simulation herstellen. Es hat eine ausgesprochen intuitive Benutzerschnittstelle, die es sehr erleichtert, die Software zu erforschen und zu neuen Erkenntnissen zu gelangen.“

Als Beispiel führt Dr. Smith ein einfaches Modell aus dem dritten Studienjahr an. Ein Grundkonzept, das alle Studierenden in der Elektrotechnik kennenlernen, ist das Prinzip des Operationsverstärkers. Es ist wichtig, dass die Studierenden einordnen können, wie ein Operationsverstärker ein Signal moduliert bzw. wie er ein Signal verstärkt oder dämpft, und jedes eingesetzte Simulationspaket muss in der Lage sein, dieses Konzept klar zu veranschaulichen. Nach den herkömmlichen Methoden würde der Lehrer auf ein Standard-Lehrbuch, z.B. „The Art of Electronics“ verweisen, den Studierenden die Goldenen Regeln für Operationsverstärker an die Hand geben und ihnen erklären, wie der Strom in bestimmte Anschlüsse fließt, und nicht in andere, und warum Spannungen bestimmte Werte haben sollten. Die Studierenden würden anschließend aufgefordert, die Schaltungen von Hand zu berechnen. „Dabei gibt es ein enormes Fehlerpotenzial“, so Dr. Smith. „Das verlangt von den Studierenden eine Menge, besonders wenn sie keine Erfahrung mit Elektronik haben, und es ist schwierig für sie, das alles in kurzer Zeit zu verstehen.“

Der induktive Ansatz von Dr. Smith gibt ihnen MapleSim an die Hand. Er lässt die Studierenden zuerst das Schaltbild zeichnen und danach mit MapleSim simulieren. Anschließend lässt er sie die zugrunde liegenden Gleichungen in MapleSim ermitteln, verschiedene Szenarien untersuchen und die Gleichungen analysieren, um daraus Schlussfolgerungen zu ziehen. „Das Beste daran ist, dass die Studierenden den Zusammenhang mit ihren Lehrbüchern erkennen“, lobt Dr. Smith. „Der Simulationsprozess, den sie ausführen, ist derselbe wie im Lehrbuch. Dies verstärkt das Gelesene und stellt eine anschauliche Verbindung zwischen dem her, was sie im Computer und im Lehrbuch sehen.“

Zusätzlich setzt Dr. Smith MapleSim ein, um die einfachen Beispiele im Lehrbuch zu erweitern und den Studierenden sinnvolle reale Anwendungen aufzuzeigen. Das erweitert den Horizont der Studierenden und ermutigt sie, über die engen Grenzen der jeweiligen Aufgabe hinauszudenken. Dadurch, dass MapleSim bei Multi-Domain-Systemen auf Systemebene ansetzt, werden die Studierenden häufig dahin geführt, dass sie ein Problem aus der Elektrotechnik auf Dinge übertragen, die sie in den Kursen zum Maschinenbau oder zur Mess- und Regeltechnik gelernt haben. „Für mich ist dies das wirkliche Potenzial von MapleSim“, fügte Dr. Smith hinzu. „Dank seiner Möglichkeiten zur Multidomain-Modellierung ist es allen ähnlichen Softwarewerkzeugen deutlich überlegen. Es bietet den Studierenden eine vertraute Arbeitsumgebung und hilft ihnen, sich in Probleme und Beispiele auf verschiedenen Gebieten hineinzudenken, um ein umfassendes Verständnis zu erlangen.“

Dr. Smith ist überzeugt, dass MapleSim für Lehrer in den Ingenieurfächern ein äußerst wichtiges Werkzeug ist, denn es erleichtert das induktive Lernen, dem seiner Ansicht nach die Zukunft gehört.

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