An interactive learning approach for domotics

Abstract

Diese Arbeit präsentiert einen interaktiven Lernansatz mittels einer software-basierten Lernplattform für den Einsatz in der Automation. Die Lernplattform ist als Ergänzung zu Einführungsvorträgen in die Automation sowie Laborarbeit gedacht und unterstützt das Konzept des Fernstudiums. Der Ansatz richtet sich sowohl an Schüler als auch Studenten in verschiedenen Altersgruppen. Es ist daher entscheidend, das Lernmaterial altersgerecht aufzubereiten, aber auch Rücksicht zu nehmen auf Unterschiede in der Erfahrung mit dem Thema. Die beiden Zielgruppen sind insbesondere Schüler bei Aktivitäten wie "Tag der offenen Tür" und "Kinder-Uni", sowie Studenten in Vorlesungen und Übungen im jeweiligen Forschungsbereich. Eine Priorität dieser Arbeit ist das Vorantreiben eines Designs, das eine niedrige Einstiegsschwelle für neue Anwender anstrebt, um so die Anfangsmotivation aufrecht zu erhalten und eine schnelle Umsetzung von Experimenten zu erlauben. Der didaktische Schwerpunkt liegt im Lernen der wichtigsten Konzepte von Kommunikationsprotokollen, hier am Beispiel KNX, sowie der Arbeitsweise der entsprechenden Netzwerkstacks in Sensoren und Aktuatoren. Durch die Möglichkeit der Lernplattform Laboraufbauten nachzubauen, können Sensor-/Aktuatorsetups sowie Kommunikationsnetze schrittweise eingeführt werden, und später im Labor weitere Experimente gleichermaßen realisiert werden. Um eine realistische Lernumgebung zu schaffen, wird der Netzwerkstack nicht simuliert, sondern verwendet die gleiche Implementierung wie reale KNX Geräte. Dies vermeidet Schwierigkeiten in der Erstellung eines exakten Simulationsmodells sowie unerwünschte Abweichungen durch die Abstraktion des Modells. Im Vergleich zu anderen Laborformen erfordert der vorgeschlagene Ansatz keine Laborgeräte, keine teuren oder restriktiven Nutzungslizenzen, unterstützt eine einfache Verteilung auf Benutzerplattformen, und das Open-Source Softwaremodell bietet Anreiz für Partizipation durch Studenten. Das Design und die Entwicklung eines Prototypen der Lernsoftware verfolgt eine plattformübergreifende Umsetzung mittels Javafx. Dies erlaubt den Einsatz auf verschiedenen Nutzerplattformen. Es trägt außerdem dem zunehmenden Einsatz von mobilen und intelligenten Geräten wie Tablets Rechnung.

This work proposes an interactive learning approach by means of a learning platform solely based on software for the field of domotics. The learning platform is intended to complement introductory courses to control and automation theory and laboratory work, and supports the concept of distance learning. The described method shall apply to a wide range of students-age. Therefore, it is crucial to provide age-appropriate education material and recognize the different levels of experience with the subject matter. In particular, the two target groups are young students participating in children's university activities ("Kinder-Uni"), and graduate level university students participating in courses in the respective field. This work encourages a design solution which maintains a low entry threshold for beginning users, to uphold motivation and allow rapid prototyping for experiments. The didactic focus is to cover the main concepts of communication protocols by example of KNX, and the functioning of network stacks in sensors and actuators. By allowing to resemble laboratory setups, the aim is to gradually introduce sensor/actuator setups and communication networks, which can later be realized for laboratory experiments. To provide a realistic learning environment, the network stack is not simulated but uses the same implementation as in physical KNX devices. This avoids the challenge of creating an accurate simulation model and introducing unwanted divergency through abstraction. Compared to other types of laboratories, the proposed software solution improves in that it requires no laboratory hardware or per-seat licencing, supports easy deployment to user platforms, and has the incentive for student participation by following an open-source software model. The design and development of the software prototype adheres to a cross-platform implementation in Javafx. This accounts for different computer platforms and the increasing replacement of traditional workstations with mobile devices especially attractive to younger students.