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Main Title: Lernerzentrierte digitale Werkzeuge zur Montagetrainingsunterstützung am Beispiel des Sondermaschinenbaus
Translated Title: Learner-centered digital tools for assembly training support on the example of special machinery
Author(s): Menn, Jan Philipp
Advisor(s): Seliger, Günther
Referee(s): Seliger, Günther
Abramovici, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erhöhung der Lern- und Lehrproduktivität mit Fokus auf der Vermittlung von Montagefertigkeiten in produzierenden Unternehmen. Kürzere Produktinnovationszyklen, stärkere Produktvariantenbildung sowie höhere Mitarbeiterfluktuation erfordern, dass Mitarbeiter immer schneller neue Inhalte verstehen und sich neue Fertigkeiten aneignen müssen. Leicht verständliche und individualisierbare Lern- und Lehrunterlagen können sie hierbei unterstützen. In der Praxis stehen jedoch oft nur statische Anleitungen und technische Zeichnungen zur Verfügung. Bei ihrer Nutzung entsteht eine hohe kognitive Distanz sowohl durch Informationsinterpretation und -übertragung aus zweidimensionalen Lehrunterlagen auf dreidimensionale physische Montageobjekte als auch durch die Interpretation textueller Bestandteile. Dies bindet geistige Ressourcen, welche für den eigentlichen Lernprozess benötigt werden. Die Nachteile herkömmlicher Lehrmethoden wie Vortrag, Projektmethode oder Fallstudie liegen in der starken Lehrerzentrierung, einem erhöhten Zeitaufwand für die erforderlichen Recherchearbeiten sowie begrenzter Eignung zur Montagefertigkeitsvermittlung. In der vorliegenden Dissertation werden lernerzentrierte digitale Werkzeuge, sogenannte Lernzeuge, sowie eine didaktische Methode für ihre Anwendung in der psychomotorischen Trainingsunterstützung entwickelt und anschließend am Beispiel der Sondermaschinenmontage implementiert und validiert. Lernzeuge sind Objekte, die dem Benutzer ihre Funktionalität automatisch vermitteln. Durch sie können Nutzer mit unterschiedlichen Qualifikationsniveaus und Sprachkenntnissen intuitiv und selbstständig den Umgang mit neuartigen Anlagen und Prozessen erlernen. In der ersten Phase der entwickelten Methode werden Vorgehensweisen, Regeln sowie eine Morphologie zur Lernzeugentwicklung gerichtet auf die jeweilige Anwendung vorgestellt. Anschließend werden die Visualisierungstechnologien Augmented und Virtual Reality, Animation, Video und Printanleitung bezüglich ihrer Eignung im Lernzeugeinsatz bewertet. In der zweiten Phase wird ein Vorgehen zur Lernzeugnutzung während des Trainings dargestellt, welches die Vorteile bestehender didaktischer Methoden für die lernerzentrierte Vermittlung psychomotorischer Montagefertigkeiten kombiniert. In der dritten Phase werden die durch nicht direkt verfügbare physische Trainingsobjekte veränderten Anforderungen der Lernzeugnutzung nach einem Training adressiert. Drei digitale Lernzeuge werden exemplarisch für Montagetrainings im Sondermaschinenbau erstellt. Das erste Lernzeug nutzt Augmented und Virtual Reality, um anhand der Montage additiv gefertigter Komponenten eines Kompressormodells ein Grundverständnis der Montagevorgänge zu vermitteln. Das zweite Lernzeug verwendet Augmented Reality, um die Montage eines Getriebekompressors über eine Datenbrille zu trainieren sowie ein weiterführendes Verständnis der Bauteilfunktionen zu ermöglichen. Ein interaktives 3D-PDF bildet das dritte Lernzeug, welches primär zum selbständigen Wiederholen der Montagevorgänge ohne physische Montageobjekte nach dem Training genutzt werden kann. Die Lernzeuge werden nach ersten Tests mit Auszubildenden und Studierenden bei einem Sondermaschinenbauhersteller von Turbomaschinen implementiert, getestet und bewertet. Es wird eine Erhöhung der Lern- und Lehrproduktivität durch den Einsatz der entwickelten Lernzeuge erreicht. Diese wird durch den Vergleich mit anderen Lernunterlagen verifiziert.
The objective of this thesis is to increase the teaching and learning productivity with a focus on conveying assembly skills in manufacturing companies. Shorter product innovation cycles, stronger product variant formation as well as higher employee fluctuation lead to the fact that employees must understand ever faster new contents and acquire new skills. Easily understandable and individualisable teaching and learning materials can support them in this. In practice, however, often only static instructions and technical drawings are available. When they are used, a high cognitive distance results both from the interpretation of information and transfer from two-dimensional training documents to three-dimensional physical assembly objects and from the interpretation of text. This binds mental resources, which are needed for the actual learning process. The disadvantages of conventional teaching methods such as lecture, project method or case study lie in the strong teacher centring, an increased expenditure of time for the necessary research work as well as low suitability for teaching assembly skills. In this dissertation, learner-centred digital tools, so-called learnstruments and a didactic method for their application in psychomotor training support are developed and subsequently implemented and validated using the example of special machinery assembly. Learnstruments are objects that automatically convey their functionality to the user. They enable users with different qualification levels and language skills to learn intuitively and independently how to handle new types of equipment and processes. In the first phase of the developed method, procedures, rules and a morphology for the development of learnstruments directed at the respective application are presented. Furthermore, the visualization technologies Augmented and Virtual Reality, animation, video and printed instructions are evaluated for their use in combination with learnstruments. In the second phase a procedure for the use of learnstruments during training is presented, which combines the advantages of existing didactic methods for the learner-centred teaching of psychomotor assembly skills. In the third phase the requirements of the use of learnstruments changed by the absence of physical training objects after a training are addressed. Three digital learnstruments are created as examples for assembly training in special machinery manufacturing. The first learnstrument uses augmented and virtual reality to convey a basic understanding of the assembly processes by means of the assembly of additive manufactured components of a compressor model. The second learnstrument uses augmented reality to train the assembly of an integrally geared compressor via a head mounted display and to enable a further understanding of the component functions. An interactive 3D PDF is the third learnstrument, which can be used primarily to repeat the assembly processes independently without physical assembly objects after the training. After initial tests with trainees and students, the learnstruments are implemented, tested and evaluated at a special machinery manufacturer of turbomachinery. An increase in teaching and learning productivity is achieved through the use of the developed learnstruments. This is validated by comparison with other learning materials.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10511
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9443
Exam Date: 12-Dec-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 30-Dec-2019
DDC Class: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): Sondermaschinenbau
Montage
Sondermaschinenmontage
Lernen
Lernzeug
digital
erweiterte Realität
virtuelle Realität
special machinery
assembly
special machinery assembly
learning
learnstrument
digital
augmented reality
virtual reality
3D-PDF
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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