Ausgangssituation

Das Fach Systemnahe Programmierung in C (SPiC) vermittelt als Grundlagenveranstaltung Konzepte der Mikrocontrollerprogrammierung und systemnahen Entwicklung unter Linux. Zielgruppe sind vor allem Studierende der Mechatronik, Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik (EEI) und Physik. Insgesamt werden im Übungsbetrieb etwas mehr als 300 Studierende betreut.

In SPiC wird ein selbstentworfenes Mikrocontrollerboard - das SPiCboard - verwendet, dessen vielfältige Peripherie von den Studierenden programmiert wird. In bisherigen Semester wurden den Studierenden in „Lötübungen“ die Bauteile für das SPiCboard zur Verfügung gestellt und gebaut.
Das Digitalkonzept musste drei wichtige Herausforderungen lösen:
- Wie kann der Stoff aus Vorlesung und Übung digital vermittelt werden?
- Wie kann das SPiCboard im digitalen Raum nachgebildet und programmiert werden?
- Wie kann die enge Betreuung der Studierende beim Programmieren gewährleistet werden?

Ziele

Durch die Lösung der Übungsaufgaben auf der selbst gebauten Hardware und wird das Zusammenspiel zwischen Hardware und Software anschaulich vermittelt. Zusätzlich werden die Unterschiede zwischen Simulator und echter Hardware vermittelt.

Die einfache Benutzbarkeit der Entwicklungsumgebung ist ein Schlüssel zum Erfolg, weshalb bereits vor der Corona-Pandemie für das SPiCboard eine eigene auf den Übungsbetrieb zugeschnittene integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) entwickelt wurde.

Konzepte, Umsetzung, Methoden

Alle verwendeten, modifizierten oder entwickelten Komponenten sind bewusst freie Software und können somit kostenlos von Studierenden eingesetzt als auch für andere Lehrveranstaltungen übernommen werden. Außerdem erlaubt erst der Zugriff auf den Quellcode der Komponenten die nahtlose Integration in ein Übungssystem wie sie jetzt in der VM umgesetzt ist. Ebenso sind alle erstellten Medien auf unserer Webseite ohne Zugriffsbeschränkungen abrufbar: [Zur Website]

Insbesondere die Kombination von synchronen und asynchronen Angeboten und die Verwendung verschiedener Vermittlungsmedien (Virtuelle Maschine, Dialog in Videokonferenzen, Videos) war herausfordernd aber spannend. Die Lehrveranstaltung demonstriert erfolgreich, wie der zuvor aus Laborhardware und lizenzpflichtiger Software bestehende Präsenzuntericht auch für größere Veranstaltungen in eine digitale Lehre überführt werden kann - ohne Einschränkungen in Umfang und Qualität.

Systemnahe Programmierung in C (SPiC)
- Vorlesungs- & Übungsvideos
- synchrone interaktive Vertiefungsübungen per Zoom/BBB
- synchrone Rechnerübungen per Zoom/BBB
- virtuelle Maschine (VM)
- Webzugriff per HTML5/XPRA falls der Zugriff per VM nicht funktioniert. Die Lösung wurde später erweitert, so dass das Werkzeug nicht nur für SPiC, sondern der ganzen Informatik bereit steht.
- selbstentwickelte integrierte Entwicklungsumgebung (IDE)
- inklusive kleinem Video/Screencast zur Veranschaulichung
- Hardware-Simulator
- Webkorrektur
- StudOn Forum

Zentrale Serviceangebote und genutzte Unterstützung

• Finanzmittel für Hilfskräfte

Erfahrungen

Erfahrungen aus den letzten Semestern für digitale Lehre
- Klare Kommunikationskanäle: zu viele Kanäle verwirren
- Durchgängiger Internetzugang nach wie vor nicht immer gegeben – reine Onlinelösungen zum Programmieren nicht geeignet
- Sehr heterogene Geräteausstattung der Studierenden; reine browser-basierter Fallbacklösung nötig
- Austausch zwischen den Studierenden fehlt und kann nur schwer digital nachgebildet werden. Möglichkeiten gemeinsam an Programmcode zu arbeiten werden sehr vermisst.
- Fragestunden werden sehr unterschiedlich angenommen – oft durch das „das schaue ich später an“ kommen während des Semesters wenig Fragen
Erfahrungen für die Lehrenden
- Gute digitale Lehre bindet sehr viele Ressourcen

Artefakte & Materialien

Vermittlung systemnaher Programmierung während Corona [PDF]

Vorlesungs- & Übungsvideos: [hier klicken] und [hier klicken]
Virtuelle Maschine (VM): [hier klicken]
Selbstentwickelte integrierte Entwicklungsumgebung (IDE): [hier klicken]
Hardware-Simulator: [hier klicken]

Weitere Informationen sowie die in dieser Präsentation referenzierten Softwarelösungen, Videos zu Vorlesung & Übungen und Details zur Hardware sind über die Webseite der Lehrveranstaltung – ohne Zugangsbeschränkung – abrufbar [hier klicken]

Die Evaluationsergebnisse der Studierendenbefragung sind öffentlich zugänglich: https://www4.cs.fau.de/Lehre/SS20/V_SPIC/Evaluation/

Erfolgskriterien

- Primärer Erfolgsgrund war der hohe Zeitaufwand der beteiligten Mitarbeiter (3 wissenschaftl. Mitarbeiter + Dozent und etliche Tutoren).
- Das konsequente Mitdenken von Fallbacklösung (keine stabile Internetverbindung, verschiedene HW/SW-Umgebung der Studierenden)
- Das regelmäßige Angebot Fragen (synchron und asynchron) zu stellen, so dass Probleme schnell abgestellt werden können

Weitere Informationen

Dieses Projekt wurde im Jahr 2020 mit dem „ALEX FAU-schnell-digital-Lehrpreis“ in der Kategorie „Innovation Award“ ausgezeichnet [weiter lesen].

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