Die Module möchten den Anspruch des Konzepts einlösen, Handlungskompetenzen im Arbeitsumfeld eines cyber-physischen Systems (CPS) zu fördern. Der inhaltliche Schwerpunkt ist auf die Berufsfelder Metall-, Elektrotechnik und Informationstechnik ausgerichtet. Einzelne Module sind auch für weitere Berufsfelder geeignet.
Das modulare Angebot ist in die Wissensgebiete (Fachbereiche) eines CPS im industriellen Umfeld sowie dem Elektro-Handwerk SHK, Fahrzeugtechnik, Bautechnik gegliedert.
Industrielle Umfeld:
Umfeld Elektro-Handwerk SHK, Fahrzeugtechnik, Bautechnik:
Die Module eines Fachbereichs sind so gegliedert, dass sie eine vertikale Progression aufweisen, wie zum Beispiel:
Fachbereichsübergreifende Module fokussieren das gesamte IoT-System/CPS als zentralen Lehr- und Lerngegenstand und fassen die einzelnen Wissensgebiete wieder zusammen, um ein Prozessverständnis zu fördern.
Die inhaltliche Gestaltung der Module wird in den Arbeitskreisen der ALP geplant und definiert. Laborhefte verdeutlichen die Inhalte und geförderten Kompetenzen der jeweiligen Module und sind in den einzelnen Modulbeschreibungen verlinkt.
Das Gesamtangebot möchte Lehrkräfte dabei unterstützen, berufliche Tätigkeiten, die an künftige Fachkräfte in cyberphysischen Systemen gestellt werden, zu identifizieren und zu fördern. Diese Anforderungen und Aufgaben orientieren sich an der „Studie – Industrie 4.0 – Auswirkungen auf Aus- und Weiterbildung in der M+E Industrie bayme vbm – April 2016:
Zielperspektiven der Fortbildungsmodule („generische Handlungsfelder“)
Das Fortbildungsmodul fördert Kompetenzen und Fertigkeiten, die für Lehrkräfte in den Berufsfeldern Metalltechnik, Elektrotechnik und Informationstechnologie gleichermaßen erforderlich sind, um den Anforderungen der Digitalen Transformation im Lernfeldunterricht gerecht zu werden.
In einzelnen Laborübungen werden dabei Schritt für Schritt die Handlungskompetenz und die Handlungssicherheit der Lehrkräfte gefördert, um Komponenten eines cyber-physischen Systems (SPS, HMI, Switch, Router, ...) zu vernetzen.
Schulungsinhalte sind:
Anbindung eines Endgeräts per DHCP
Statusabfrage einer PLC (Logo SPS)
Erweiterung eines lokalen Netzwerks mit Hilfe eines Routers
Wartung im lokalen Netzwerk
Fernwartung einer PLC (Logo SPS)
Simulation eines Cyberphysischen Systems (CPS) mit dem Packet Tracer
Zudem werden mögliche Ansätze der Einbettung in den Unterricht in ausgesuchten Ausbildungsberufen aufgezeigt.
Das Modul besteht aus einem dreitägigen Präsenzangebot (M1.1.1) und einem Online-Selbstlernkurs (M1.1.2). Die Präsenzveranstaltung hat ihren Schwerpunkt in der Entwicklung der Handlungssicherheit im Umfeld eines integrierten Fachunterrichtsraumes.
Der Online-Selbstlernkurs dient der Vertiefung des theoretischen Anteils. Die Teilnahme erstreckt sich über ein ganzes Fortbildungshalbjahr, d. h. die Lernzeiten können in diesem Zeitraum individuell gestaltet werden. Empfohlen wird die Teilnahme an beiden Lehrgangsangeboten.
Details zur Präsenzveranstaltung, siehe Laborbuch
Das Fortbildungsmodul „Digitale Kommunikation in einem Produktionssystem“ fördert Kompetenzen und Fertigkeiten, die für Lehrkräfte in den Berufsfeldern Elekt-rotechnik, Informationstechnologie und Metalltechnik gleichermaßen erforderlich sind, um die Anforderungen im Umfeld von Industrie 4.0 im Unterricht beruflicher Schulen zu berücksichtigen. Die Fortbildung vermittelt am Beispiel von ASi, IO-Link und Profinet Grundlagen digitaler Kommunikation zwischen Automatisierungsgerä-ten über Feldbussysteme und Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Die einzelnen Laborübungen fördern dabei Schritt für Schritt die Handlungskompetenz und Handlungsicherheit der Inhalt der Lehrkräfte in einem integrierten Fachunterrichtsraum, der vernetzte Komponenten eines cyber-physischen Systems bereitstellt.
Feldbussysteme am Beispiel Aktor-Sensor-Interface (ASi)
Industrial Ethernet/Profinet
Punkt-zu-Punkt-Kommunikation
Zudem werden mögliche Ansätze der Einbettung in den Unterricht in ausgesuchten Ausbildungsberufen aufgezeigt.
Das Modul besteht aus einem dreitägigen Präsenzangebot (M1.2.1) und einem Online-Selbstlernkurs (M1.2.2). Die Präsenzveranstaltung hat ihren Schwerpunkt in der Entwicklung der Handlungssicherheit im Umfeld eines integrierten Fachunterrichtsraumes.
Der Online-Selbstlernkurs dient der Vertiefung des theoretischen Anteils. Die Teilnahme erstreckt sich über ein ganzes Fortbildungshalbjahr, d. h. die Lernzeiten können in diesem Zeitraum individuell gestaltet werden. Empfohlen wird die Teilnahme an beiden Lehrgangsangeboten.
Das Fortbildungsmodul „OPC UA - vertikale Kommunikation in einem cyber-physischen System“ fördert Kompetenzen und Fertigkeiten, die für Lehrkräfte in den Berufsfeldern Metalltechnik, Elektrotechnik und Informationstechnologie gleichermaßen erforderlich sind, um die Anforderungen der Industrie 4.0-Entwicklungen im Unterricht beruflicher Schulen zu berücksichtigen. Laborübungen fördern dabei Schritt für Schritt die Handlungskompetenz und Handlungssicherheit der Lehrkräfte in einem integrierten Fachunterrichtsraum, der vernetzte Komponenten eines cyber-physischen Systems bereitstellt. Zudem werden Anregungen zur Einbettung des Wissensgebiets in den lernfeldorientierten Unterricht gegeben.
Konfiguration und Implementierung von Protokollen und Diensten, um ein Produktionsnetzwerk sicher gegen Angriffe bzw. ungewollte Zugriffe zu machen.
Zudem werden mögliche Ansätze der Einbettung in den Unterricht in ausgesuchten Ausbildungsberufen aufgezeigt.
Das Modul besteht aus einem dreitägigen Präsenzangebot (M1.4.1) und einem Online-Selbstlernkurs (M1.4.2). Die Präsenzveranstaltung hat ihren Schwerpunkt in der Entwicklung der Handlungssicherheit im Umfeld eines integrierten Fachunterrichtsraumes.
Der Online-Selbstlernkurs dient der Vertiefung des theoretischen Anteils, insbesondere der allgemeinen Betrachtung von IoT-Systemen jedlicher Art und derern Sicherheitsanforderungen. Die Teilnahme erstreckt sich über ein ganzes Fortbildungshalbjahr, d. h. die Lernzeiten können in diesem Zeitraum individuell gestaltet werden. Empfohlen wird die Teilnahme an beiden Lehrgangsangeboten.
Die Ziele im Basismodul Hydraulik/Hydraulik sind:
Praxistaugliche und energieeffiziente Anlagen mit pneumatischen Aktoren erstellen und bewerten.
Praxistaugliche und energieeffiziente Anlagen mit hydraulischen Komponenten erstellen und bewerten.
Inhalt folgt.
Die Ziele im Basismodul CAD sind:
Aufbauend auf 3D-Modellen die mit CAD-Software (z. B. Inventor) erstellt sind, werden folgende Zielsetzungen umgesetzt:
Aufbauend auf 3D-Modellen die mit CAD-Software (z. B. Solid Works oder Inventor) erstellt sind, werden folgende Zielsetzungen umgesetzt:
Ziel des Lehrgangs ist, die Teilnehmer an das Thema GPS heranzuführen. Grundlagenkompetenzen im Bereich der Technischen Kommunikation (Technische Zeichnung, Datensatz) zu vertiefen. Die Teilnehmer für das Themengebiet zu sensibilisieren und Denkanstöße zu liefern, damit die Thematik GPS schülergerecht im Unterricht integriert werden kann. Weiter dient der Lehrgang dazu, Umsetzungshilfen zu geben, das Themengebiet in die didaktische Jahresplanung einer drei / dreieinhalbjährigen Ausbildung zu integrieren.
Details zur Präsenzveranstaltung, siehe Laborbuch
Ziel des Lehrgangs ist technische Zeichnungen normgerecht auf Basis von ISO GPS zu tolerieren. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer sollen dabei das Basiswissen von ISO GPS anwenden und weiter vertiefen.
Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer sollen für das Themengebiet weiter sensibilisiert werden und Denkanstöße erhalten, damit das Wissensgebiet zur GPS schülergerecht im Unterricht integriert werden kann.
Praktische Anwendung von ISO GPS an verschiedenen technischen Zeichnungen bzw. mit weiteren technischen Problemstellungen
Zusammenwirken von Konstruktion, Produktion und Qualitätswesen im Kontext der GPS
Spezifikation durch Modifikatoren (Maximum-Material-Bedingung, Minimum-Material-Bedingung, Reziprozitätsbedingung)
Teilnahmevoraussetzung
Eine Teilnahme am Aufbaukurs setzt die Teilnahme am Grundkurs voraus.
Details zur Präsenzveranstaltung, siehe Laborbuch
Ziel des Lehrgangs ist die schrittweise Entwicklung der Handlungskompetenz, die im Rahmen des Lernfeldunterrichts erforderlich ist, um berufsrelevante Kompetenzen im Umgang mit Industrierobotern zu fördern.
Die Module 4.1.x unterscheiden sich durch die eingesetzten Handlungsträger im praktischen Anteil des Lehrgangs.
Der Fortbildungslehrgang findet in Kooperation der Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung (ALP) mit der Regionalen Lehrerfortbildung (RLFB)statt.
Der Lehrgang findet daher für Lehrerinnen und Lehrer aller 7 Regierungsbezirke statt.
Kleinsteuerungen finden in kleineren bis mittleren Anlagen und Projekten Verwendung. Im Lernfeldunterricht in den Berufsfeldern Metalltechnik, Mechatronik, Elektrotechnik und Informationstechnik wird mit Hilfe von Kleinsteuerungen u. a. der Übergang von der Verbindungsprogrammierung zur Speicherprogrammierung fachdidaktisch gestaltet. Die visualisierte Programmiersprache begünstigt eine einfache Umsetzung von Steuerungsprozessen und schafft Zugang für ein breites Nutzerfeld.
Das Fortbildungsmodul M5.1 „Kleinsteuerung“ fördert den Einstieg im Umgang mit der Kleinsteuerung (LOGO!)
Lehrkräfte aus den Berufsfeldern Metall, Elektro, Mechatronik, IT
Details zur Präsenzveranstaltung, siehe Laborbuch
Ziel des Lehrgangs ist es in die SPS-Programmierung sowohl theoretisch als auch praktisch einzuführen. Das TIA-Portal ist dabei die Projektierungsumgebung in der die SPS-Programmierung stattfindet. Damit findet auch der Einstieg in diese industrietaugliche Projektierungsumgebung statt.
Die selbständige Erarbeitung/Überarbeitung der Unterrichtseinheiten erfolgt in Kleingruppen. Den Teilnehmern stehen ein Selbstlernskript, Lernvideos und praktische Beispiele für den Unterricht zur Verfügung. Ausblick auf Industrie 4.0:
Ohne Kenntnis der Entwicklungsumgebung („TIA-Portal“) ist keine Umsetzung von Projekten der Automatisierungstechnik bei Verwendung von Siemens-Hardware möglich.
Ziel des Lehrgangs ist die fachliche Fortbildung der Lehrkräfte aus den Bereichen Metall/Elektro/IT mit Anregungen für die Umsetzung in den Unterricht. Die Teilnehmer und Teilnehmerinnen
GRAFCET nimmt bei interdisziplinärer Zusammenarbeit eine wichtige Rolle als Kommunikationsschnittstelle ein. Fachkräfte aus verschiedenen Bereichen (z. B. Metalltechnik, Elektrotechnik, Informationstechnologie) finden mit GRAFCET eine gemeinsame Sprache, um Projekte wirksam und kooperativ umzusetzen.
Details siehe Laborheft
Ziel des Lehrgangs ist eine Vertiefung der SPS-Programmierung mit dem Schwerpunkt Programmierung nach IEC 61131 Standard mit dem TIA Portal.
Der Lehrgang fördert Kompetenzen, die erforderlich sind, um ein IoT-System, bestehend aus Sensoren, Aktoren, Mikro-Controller, Einplatinen-Computer und Cloud-Diensten, anzuwenden, unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten in Betrieb zu nehmen und instand zu setzen. Zudem soll durch die entwickelten Kompetenzen die eigene Teilnahme oder auch die Durchführung eines Hackathons im Lernfeldunterricht ermöglicht werden.
Exemplarische Anwendungsszenarien orientieren sich an realen Geschäftsprozessen und geben Einblicke in ein interdisziplinäres Wissensgebiet.
Geförderte Kompetenzentwicklung in diesem Lehrgang:
Verwendung von Simulationswerkzeugen, um IoT-Systeme zu entwickeln.
Grundlagen der Programmierung, der Netzwerktechnik und der Elektrotechnik sind von Vorteil.
Das Modul besteht aus einem einwöchigen Präsenzangebot (T1.1) und einem Online-Selbstlernkurs (T1.2). Die Präsenzveranstaltung (Februar) hat ihren Schwerpunkt in der Entwicklung der Handlungssicherheit im Umgang mit Prototypen eines IoT-Systems.
Der Online-Selbstlernkurs (jedes Fortbildungshalbjahr) dient der Vertiefung des theoretischen Anteils. Die Teilnahme erstreckt sich über ein ganzes Fortbildungshalbjahr, d. h. die Lernzeiten können in diesem Zeitraum individuell gestaltet werden. Empfohlen wird die Teilnahme an beiden Lehrgangsangeboten.
Der Hackathon nutzt die Methodik des projektbasierten Lernens, um technische Fähigkeiten und soziale Kompetenzen auf unterhaltsame und sinnvolle Weise zu entwickeln.
Die Lern- und Innovationsfähigkeiten u. a. eines künftigen Facharbeiters stellt in einem immer komplexeren Lebens- und Arbeitsumfeld eine Schlüsselqualifikation dar, um auf den kontinuierliche Veränderungsprozess vorbereitet zu sein.
Zu diesen Fähigkeiten gehören unter anderem:
Berufliche Kompetenzen ändern sich rasch. Das alte Paradigma, hochqualifizierte Fachleute in einem bestimmten Bereich verfügbar zu haben, oder das andere Extrem, auf breit gefächerten Generalisten ohne tiefes Wissen in einem Spezialgebiet zurückgreifen zu können, ist nicht mehr effizient.
Aktuelle Arbeitsmarktanforderungen erfordern interdisziplinäre Fähigkeiten, die eine Kombination aus den beiden vorherigen Paradigmen darstellen.
Ein Hackathon ist ein Beispiel für eine projektbasierte Lernmethode. Es handelt sich um eine wettbewerbsorientierte Veranstaltung, bei der Teams an der Entwicklung von Ideen, der Zusammenarbeit, dem Design, dem Prototyping, der Iteration und der Präsentation einer Lösung für eine vorgeschlagene Herausforderung arbeiten.
Der Begriff "Hackathon" setzt sich zusammen aus dem Wort "Hack", das für experimentelles Programmieren, Basteln, Entwerfen und Prototyping steht, und dem Wort "Marathon", das eine lange und schwierige Aufgabe in einem begrenzten Zeitraum bezeichnet.
Die Veranstaltung beginnt mit einer Präsentation, in der der Ablauf beschrieben und das Thema und die spezifische Herausforderung des Hackathons vorgestellt werden. Die Teilnehmer führen dann ein Brainstorming durch und bilden Teams auf der Grundlage ihrer individuellen Interessen und sich ergänzenden Fähigkeiten. Ein Hackathon kann von einigen Stunden bis zu mehreren Tagen dauern. Der Lehrgang setzt einen dreitägigen Hackathon um. Für eine Umsetzung an der Schule kann der Zeitplan angepasst werden.
Am Ende des Hackathons präsentieren und demonstrieren die Teams ihren Prototyp vor einer Jury und vor den anderen Teams. Die Jury wählt das Siegerteam und eine Preisverleihung findet statt.
Als Jurymitglieder werden in der Regel Fachleute, Wirtschaftsexperten, Startup-Gründer und Innovationsexperten ausgewählt. Auf diese Weise kommen die Schülerteams in Kontakt mit der Fachwelt.
Die Teilnehmer:innen entscheiden sich für eine Herausforderung, an der sie während des Hackathons arbeiten wollen, und die Teams werden gebildet.
Die Teilnehmer:innen schlagen eine konkrete Lösung für ihr Problem vor. Diese Phase wird wiederholt, bis die endgültige Version der Lösung mehrere Iterationen durchlaufen hat.
Die Teilnehmer:innen entwickeln ein Storyboard, das die Anwendung in Form eines Storyboards/Zeitplans beschreibt.
Es gibt mehrere Experten-Checkpoints an Tag 1 und Tag 2, die es den Teilnehmer:innen ermöglichen, Feedback von Mentoren aus verschiedenen Bereichen wie Netzwerk, Elektronik, Programmierung, Design und Unternehmertum zu erhalten.
Tag 2 ist dem Bau des Prototyps und der Einholung von Feedback von den Experten gewidmet.Tag 2 ist dem Bau des Prototyps und der Einholung von Feedback von den Experten gewidmet.
Die Teilnehmer:innen erhalten ein „Pitch-Training“, das ihnen hilft, ihr Konzept zu formulieren und die Funktionsweise ihres Prototyps innerhalb eines begrenzten Zeitraums zu präsentieren.
Die Teilnehmer:innen bereiten dann ihre Präsentation und Demonstration vor, die sie der Jury präsentieren.
Die Teilnehmer:innen sind bereit, ihre Arbeit zu präsentieren. Sie werden der Jury und den anderen Teams zeigen, wie wirkungsvoll ihre Konzepte sind, und die Jury wird ein Siegerteam auswählen.
Technische Fähigkeiten:
Soft Skills:
Die Verwendung von "Digitalen Zwillingen" hat in der Industrie Einzug gehalten. Ziel ist es, durch deren Verwendung Kosten zu sparen. Und dies bereits bei der Konstruktion der Anlage. So kann zum Beispiel die Inbetriebnahmezeit einer Anlage entscheiden verkürzt werden, wenn diese bereits vorbereitend mit einem "Digitalen Zwilling" erfolgt ist. Auf diese Veränderung des Arbeitsprozesses sollen Schüler:innen berufsqualifizierender Schulen vorbereitet werden. Durch den praxisorientierten Ansatz des Lehrgangs können die Teilnehmer:innen qualifizierter über Virtualisierungsansätze in der Automatisierung urteilen und den Einsatz im eigenen Lernfeldunterricht reflektieren.
In Laborübungen werden mit verschiedenen Werkzeugen (MCD, SIMIT, FluidSim) virtuelle Anlagen in Betrieb genommen und einfache virtuelle Anlagen erstellt. Jedes der ausgewählten Werkzeuge unterstützt die Erstellung eines "Digitalen Zwillings" und die Inbetriebnahme über ein SPS-Programm. Anforderungen an die Handhabung der Werkzeuge und sowohl technische als auch didaktische Ansprüche an die Virtualisierung sind im Wesentlichen die Unterscheidungsmerkmale. Die Kenntnisse darüber sind Entscheidungsgrundlage für eine qualifizierte Auswahl des geeigneten Werkzeugs. Der Einsatz "Digitaler Zwillinge" im Lernfeldunterricht in integrierten Fachunterrichtsräumen (IFU) bereichert die Methodenvielfalt und kann aufgrund der höheren Verfügbarkeit - gegenüber Realausstattung - die Schüleraktivierung steigern. Ein Garant für diesen, in Aussicht gestellten Mehrwert, ist eine fundierte Entscheidungsstrategie.
Details zur Präsenzveranstaltung, siehe Laborbuch
Die Verwendung von digitalen Zwillingen und Simulationen hat in der Industrie Einzug gehalten. Ziel ist es, durch deren Verwendung Kosten zu sparen. Und dies bereits bei der Konstruktion der Anlage. So kann zum Beispiel die Inbetriebnahmezeit einer Anlage entscheiden verkürzt werden, wenn sie vorher bereits mit einem digitalen Zwilling erfolgt ist. Um die SuS auf die Anforderungen der modernen Arbeitswelt gut vorzubereiten, ist die Verwendung von digitalen Zwillingen auch im Unterricht sinnvoll. Dabei gibt es eine Vielzahl von Programmen, mit denen eine virtuelle Inbetriebnahme möglich ist. Für die Verwendung im Unterricht bieten sich u. A. SIMIT an. Die Nutzung von SIMIT zur Erstellung von Simulationen in der Automation steht im Fokus dieses Lehrgangs.
Details zur Präsenzveranstaltung, siehe Laborbuch
Die Verwendung von digitalen Zwillingen und Simulationen hat in der Industrie Einzug gehalten. Ziel ist es, durch deren Verwendung Kosten zu sparen. Und dies bereits bei der Konstruktion der Anlage. So kann zum Beispiel die Inbetriebnahmezeit einer Anlage entscheiden verkürzt werden, wenn sie vorher bereits mit einem digitalen Zwilling erfolgt ist. Um die SuS auf die Anforderungen der modernen Arbeitswelt gut vorzubereiten, ist die Verwendung von digitalen Zwillingen auch im Unterricht sinnvoll. Dabei gibt es eine Vielzahl von Programmen, mit denen eine virtuelle Inbetriebnahme möglich ist. Für die Verwendung im Unterricht bieten sich u. A. der NX Mechatronics Concept Designer (MCD) an. Die Nutzung von MCD zur Erstellung von Digitalen Zwillingen in der Automation steht im Fokus dieses Lehrgangs.
Am Beispiel eines virtuellen Transportbands sollen Teilschritte in der Entwicklung eines Digitalen Zwillings mit dem NX Mechatronics Concept Designer eingeübt werden.
Das Ziel des Lehrgangs ist den Teilnehmern:innen eine Einführung in das Gebiet des maschinellen Lernens zu vermitteln. Die Teilnehmer sollen nach dem Lehrgang dabei in der Lage sein, einfache Neuronale Netze selbst in Python für einfache Problemstellungen aufzubauen, zu trainieren und anzuwenden. Anregungen und erprobte Unterrichtsbeispiele sollen den Übertrag in die eigene Unterrichtspraxis befördern.
Details zur Präsenzveranstaltung, siehe Laborbuch