Wie Schüler mit EMT- und Konvertermodellen Selbstvertrauen aufbauen

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Schüler entwickeln mehr Selbstvertrauen in den Grundlagen der Notfallmedizin und der Konvertertechnik, wenn sie anhand sicherer, physikalisch fundierter Simulationen üben, anstatt sich nur auf die Theorie zu verlassen.
• Virtuelle Labore nehmen den Schülern die Angst vor Fehlern, sodass sie frei experimentieren und praktische Intuition entwickeln können.
• Transparente Modelle helfen den Schülern, interne Abläufe zu erkennen, wodurch abstrakte Konzepte auf visuelle und interaktive Weise leichter verständlich werden.
• Geführte Übungen schaffen einen strukturierten Weg, der schrittweise Wissen aufbaut und die Schüler auf praktische Hardware-Aufgaben vorbereitet.
• Moderne Simulationswerkzeuge unterstützen sowohl das Lernen der Studierenden als auch die Lehre der Dozenten, indem sie wiederholbare Arbeitsabläufe bieten, die das technische Verständnis vertiefen.

Studierende der Energietechnik sehen sich oft mit einer gewaltigen Kluft zwischen der Theorie im Unterricht und der Praxis konfrontiert. Komplexe Themen wie elektromagnetische Transienten (EMT) und Grundlagen von Stromrichtern können abstrakt bleiben, sodass die Studierenden unsicher sind, wie sie Formeln oder Konstruktionsprinzipien in der Praxis anwenden sollen. Um echtes Vertrauen in EMT- und Wandlermodelle aufzubauen, bedarf es mehr als nur Vorlesungen und Gleichungen – es erfordert praktische Erkundungen in einer sicheren, intuitiven Simulationsumgebung. Dieser Thought-Leadership-Beitrag untersucht, warum intuitive Simulation ein wichtiger Treiber für das Lernen ist, wie sie häufige Schwachstellen in der Ausbildung im Bereich Energietechnik behebt und wie sie sowohl Studenten als auch Dozenten unterstützt.

„Simulationen helfen dabei, Abstraktes konkret zu machen und scheinbar trockene, langweilige Berechnungen in visuelle und interaktive Phänomene zu verwandeln.“

Theorie allein schafft kein Vertrauen in die Grundlagen von EMT und Konvertern.

Wenn man sich beim Unterrichten der Grundlagen von EMT und Wandlern allein auf die Theorie verlässt, kann dies zu einem lückenhaften Verständnis bei den Studierenden führen. Viele Studenten haben Schwierigkeiten, die Formeln aus dem Lehrbuch mit dem Verhalten realer Schaltungen in Verbindung zu bringen – beispielsweise sich vorzustellen, wie die Stromwellenformen eines Wandlers auf ein Steuersignal reagieren oder wie sich eine transiente Überspannung in einem Stromnetz ausbreitet. Studien haben gezeigt, dass Studierende zwar nur etwa 10 % von dem behalten, was sie lesen oder hören, sichaber bis zu 90 % von dem merken, was sie aktiv tun (auch wenndies über eine Simulation geschieht). Mit anderen Worten: Das praktische Bearbeiten eines Problems – wie der Bau eines einfachen Gleichrichtermodells oder die Simulation eines Kurzschluss-Transienten – festigt das Gelernte weitaus besser als passives Lernen.

Entscheidend ist, dass Theorie allein nicht das Selbstvertrauen vermittelt, mit realen Geräten umzugehen. Ein Student kann zwar eine Prüfung über Wandlertopologien mit Bravour bestehen, sich aber dennoch zögern, im Labor einen Wandler zu entwerfen oder damit zu experimentieren. Das liegt daran, dass abstraktes Wissen nicht in intuitives Verständnis oder praktische Fähigkeiten umgesetzt wurde. Bildungsforscher stellen fest, dass Computersimulationen diese Lücke schließen können, indem sie es den Studenten ermöglichen, Theorien in einem realistischen Kontext in die Praxis umzusetzen. Durch die Interaktion mit EMT- und Wandlermodellen auf dem Bildschirm beginnen die Studierenden zu verstehen, wie sich die Gleichungen im dynamischen Verhalten auswirken. So können sie beispielsweise den Zündwinkel eines Thyristors in einer Wandlersimulation anpassen und sofort die Auswirkungen auf Spannungen und Ströme beobachten – wodurch die Theorie mit konkreten Ergebnissen verknüpft wird. Ohne solche Erfahrungen bleibt die Theorie ein „theoretisches” Konzept, und den Studierenden fehlt oft das Selbstvertrauen, dass sie vorhersagen oder kontrollieren können, was in einem realen Schaltkreis passieren wird.

Ingenieurpädagogen betonen seit langem, wie wichtig es ist, vom abstrakten zum konkreten Lernen überzugehen. Simulationen helfen dabei, das Abstrakte konkret zu machen und scheinbar trockene, langweilige Berechnungen in visuelle und interaktive Phänomene zu verwandeln. In einer Studie wurde festgestellt, dass die Einführung eines Simulationswerkzeugs in einem Kurs zur Leistungselektronik „die Qualität des Unterrichts verbesserte, indem es das Abstrakte konkret und das Langweilige interessant machte“, was wiederum das Interesse der Studierenden steigerte. Wenn die Studierenden sehen, wie ein Umrichtermodell zum Leben erwacht – mit oszillierenden Wellenformen, die auf Parameteränderungen reagieren –, wird der Stoff auf eine Weise verständlich, wie es mit reiner Theorie nicht möglich ist. Dies führt zu einem viel tieferen Verständnis der EMT-Grundlagen und der Umrichterfunktion und legt den Grundstein für echtes Selbstvertrauen.

Sichere virtuelle Labore ermöglichen es den Studierenden, ohne Angst vor Fehlern zu experimentieren.

Selbst wenn die Studierenden wissen, was sie tun sollen, kann die Angst vor dem Scheitern sie davon abhalten, es zu versuchen. In traditionellen Hochspannungs- oder Leistungselektroniklabors kann ein einfacher Verdrahtungsfehler zu durchgebrannten Bauteilen oder Sicherheitsrisiken führen. Es ist keine Überraschung, dass die Angst vor dem Scheitern ein erhebliches Hindernis für das Lernen und die Innovation darstellt, insbesondere bei Studierenden der Ingenieurwissenschaften. Die Studierenden zögern möglicherweise, zu experimentieren, oder befolgen blindlings die Anweisungen im Labor, weil sie befürchten, dass ein falscher Schritt teure Geräte beschädigen oder sie vor ihren Kommilitonen in Verlegenheit bringen könnte.

Virtuelle Labore beseitigen diese Sorgen, indem sie einen risikofreien Raum für Erkundungen schaffen. Untersuchungen zum simulationsbasierten Lernen zeigen, dass Schüler oft Angst vor der Durchführung von Experimenten haben, weil sie negative Folgen von Fehlern befürchten. In einem virtuellen Labor hingegen „können sie sicher Experimente durchführen, ohne Angst vor Schäden an den Geräten oder Verletzungen haben zu müssen“. Mit anderen Worten: Simulationen ermöglichen es den Schülern, sicher zu scheitern. Keine durchgebrannten Sicherungen, keine öffentlichen Fehler – nur Feedback und die Chance, es noch einmal zu versuchen. Diese Freiheit zu experimentieren, ohne die üblichen Risiken, verändert das Lernen grundlegend.

Betrachten Sie einige wichtige Vorteile sicherer virtueller Laborumgebungen für die Ausbildung von Rettungssanitätern und Umrichtertechnikern:

• Kein Risiko, keine Angst: Die Schüler können in der Simulation Schalter umlegen, Knoten kurzschließen oder einen Umrichter bis an seine Grenzen bringen, ohne dass dies reale Konsequenzen hat. Da sie sich keine Sorgen um Schäden an Geräten oder Verletzungen machen müssen, können sie sich ganz auf das Verständnis der Funktionsweise und der Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge konzentrieren. Dies fördert eine Haltung des Erkundens statt des Vermeidens.
• Aus Fehlern lernen: Fehler sind ein guter Lehrmeister – und in einem Simulator werden Fehler zu wertvollen Lektionen statt zu Rückschlägen. Wenn ein Schüler einen DC-DC-Wandler falsch konfiguriert und ein instabiles Oszillationsergebnis sieht, hat dieser „Fehler“ keine negativen Folgen. Stattdessen gibt die Software sofortiges Feedback, und der Schüler kann die Komponenten oder die Einstellungen des Controllers anpassen, um das Problem zu beheben. Dieses iterative Ausprobieren fördert die Problemlösungsfähigkeiten und die Belastbarkeit.
• Unbegrenztes Üben: Im Gegensatz zu physischen Labors, die durch Zeitfenster und die Verfügbarkeit von Hardware eingeschränkt sind, sind virtuelle Labors immer geöffnet. Die Studierenden können ein Experiment mehrfach wiederholen oder Parameter nach Belieben anpassen. Sie können ein EMT-Szenario (wie einen induktiven Lastschaltstoß) immer wieder simulieren und so nach und nach intuitiv verstehen, wie und warum sich die Transiente so verhält, wie sie es tut. Dieses unbegrenzte, selbstbestimmte Üben festigt die Kompetenz auf eine Weise, wie es einmalige Laborvorführungen nicht können.

Durch den Wegfall der realen Konsequenzen reduzieren sichere Simulationsräume die Lernangst drastisch . Die Studierenden haben keine Angst mehr, bei einem Fehltritt „unzulänglich“ zu wirken, und gewinnen mit jedem praktischen Versuch an Selbstvertrauen. Tatsächlich haben Pädagogen beobachtet, dass sich dieses Selbstvertrauen auf reale Labore überträgt, sobald die Studierenden ihre Fähigkeiten virtuell verfeinert haben. Denn wenn man Dutzende von Fehlerszenarien in einem virtuellen Mikronetzmodell erfolgreich gemeistert hat, geht man mit viel weniger Beklommenheit an die physischen Geräte heran. Das Ergebnis sind Schüler, die nicht nur die Theorie kennen, sondern sich auch bereit fühlen, sie anzuwenden.

Transparente Simulationsmodelle verwandeln abstrakte Konzepte in intuitives Verständnis.

Ein großer Vorteil moderner EMT- und Konvertersimulatoren ist ihre Transparenz – die Studierenden können buchstäblich sehen, was im Inneren eines Systems vor sich geht. Im Gegensatz zu einem physikalischen Schaltkreis, in dem viele Prozesse unsichtbar sind, legt ein Simulationsmodell jede Spannungs-, Strom- und Feldvariable zur Überprüfung offen. Diese Transparenz macht abstrakte Konzepte fast greifbar.

Denken Sie beispielsweise an das Konzept der transienten Stabilität in einem Stromnetz oder das Schaltverhalten innerhalb eines PWM-Wechselrichters. Auf dem Papier werden diese durch Differentialgleichungen und abstrakte Wellenformen beschrieben. In einer transparenten Simulation können die Studierenden die Reaktion des Systems Schritt für Schritt verfolgen: Sie können beispielsweise den Rotorwinkel einer Maschine während einer Störung grafisch darstellen oder die Stromspitze beim Einschalten eines Transistors heranzoomen. Komplexe Gleichungen werden so zu intuitiven Visualisierungen. Wie eine Bildungsstudie feststellte, lassen sich bestimmte theoretische Zusammenhänge „durch den Vergleich von Simulationsgrafiken“ besser verstehen. Durch die Überlagerung der simulierten Strom- und Spannungswellenformen eines Wandlers mit den erwarteten theoretischen Wellenformen verstehen die Studierenden schnell, wie sich die Theorie in die Realität umsetzt – und wo es Nuancen gibt, die die reine Theorie möglicherweise übersieht.

Ein weiterer Aspekt der Transparenz besteht darin, dass Simulationsmodelle auf realer Physik basieren und dennoch benutzerfreundlich sind. Viele weit verbreitete Simulationspakete für die Energietechnik (z. B. auf Basis von MATLAB/Simulink) bieten intuitive grafische Benutzeroberflächen. Die Studierenden bauen Schaltungen durch Drag & Drop von Komponenten, ähnlich wie beim Zeichnen eines Schaltplans. Sie können auf jedes Element doppelklicken, um dessen Parameter zu überprüfen oder zu ändern. Da die zugrunde liegenden Berechnungen auf etablierten EMT-Algorithmen und Wandlergleichungen basieren, entsprechen die Ergebnisse den physikalischen Vorhersagen – aber der Prozess der Modellerstellung und Beobachtung ist auch für Anfänger zugänglich. Tatsächlich wird der Simulator zu einer Sandbox-Version eines Energielabors, in dem alles sichtbar und einstellbar ist.

Transparenz bedeutet auch, dass die Studierenden Ursache und Wirkung innerhalb eines Systems nachvollziehen können. Wenn eine EMT-Simulation nach dem Auslösen eines Leistungsschalters Schwingungen anzeigt, kann ein Studierender das Modell anhalten und untersuchen, um die Ursache zu finden (möglicherweise einen resonanten LC-Pfad). Wenn die Leistung eines DC-DC-Wandlers nicht den Erwartungen entspricht, können sie interne Variablen (Induktionsstrom, Diodenzustand usw.) überprüfen, um die Ursache zu diagnostizieren. Diese Praxis des Öffnens der Black Box führt zu einem tieferen Verständnis. Anstatt Wandler oder transiente Phänomene als magisch oder undurchschaubar zu betrachten, verstehen die Studierenden intuitiv, wie jeder Teil des Systems zum Gesamtverhalten beiträgt. Ein Pädagoge beobachtete, dass die Verwendung einer visuellen Simulationsumgebung es den Lehrkräften ermöglichte, das dynamische Systemverhalten einfach zu demonstrieren, indem sie die Eingaben änderten und den Studierenden in Echtzeit zeigten, was passiert, was „das Interesse der Studierenden weckt“ und sie zum Lernen der Leistungselektronik motiviert. Kurz gesagt, transparente Simulationsmodelle verwandeln theoretische EMT- und Wandlerkonzepte in lebendige, interaktive Lektionen – und schaffen so eine starke intuitive Grundlage, die dem reinen Theorieunterricht oft fehlt.

Geführte Übungen bereiten die Schüler darauf vor, selbstbewusst mit physischer Hardware umzugehen.

„Geführte Übungen sorgen dafür, dass es nicht wirklich das erste Mal ist, wenn ein Schüler zum ersten Mal mit komplexen Geräten in Berührung kommt.“

Obwohl das freie Erkunden sehr wertvoll ist, profitieren Schüler sehr von einem strukturierten Lernpfad, wenn sie sich zum ersten Mal mit den Grundlagen von EMT und Konvertern beschäftigen. Geführte Übungen – wie Schritt-für-Schritt-Simulationslabore oder progressive Aufgabenstellungen – bieten eine Stütze, die Anfängern hilft, die Grundlagen von EMT in einer logischen Abfolge zu üben. Der Einstieg mit einfachen Modellen und die schrittweise Steigerung der Komplexität verhindern, dass Anfänger überfordert werden, und bauen gleichzeitig ihre Fähigkeiten und ihr Selbstvertrauen schrittweise auf.

Eine geführte Übung könnte beispielsweise mit einem einfachen RC-Schaltkreis beginnen, um eine transiente Reaktion zu veranschaulichen, und dann komplexer werden: zuerst ein Einphasen-Gleichrichter, dann ein Vollbrückenwandler mit Steuerung und schließlich ein netzgekoppeltes Wechselrichtersystem. In jeder Phase kann die Übung die Schüler dazu anregen, Ergebnisse vorherzusagen, die Simulation durchzuführen und über etwaige Unterschiede nachzudenken. Dieser Ansatz stellt sicher, dass die Lernenden die Kernprinzipien (wie Zeitkonstanten oder PWM-Effekte) verstehen, bevor weitere Ebenen hinzukommen. Wenn sie dann zu fortgeschrittenen Szenarien gelangen, verfügen sie über ein durch Praxis entwickeltes Verständnis-Toolkit. Die Forschung unterstützt diesen schrittweisen Ansatz – eine Studie ergab, dass die Kombination von interaktiven Simulationen mit angeleiteter Problemlösung die systematischen Problemlösungsfähigkeiten der Studierenden in Ingenieurkursen deutlich verbesserte (InSiDE-Simulationen für die Dynamikausbildung).

Darüber hinaus dienen geführte Simulationslabore als Brücke zur Arbeit mit echter Hardware. Sie machen die Studierenden in einer risikoarmen Umgebung mit Verfahren und Fehlerbehebung vertraut. Wenn es dann an der Zeit ist, physische Geräte zu verwenden, schneiden Studierende, die virtuelle Übungen absolviert haben, oft deutlich besser ab. In einem Fall gaben 94 % der Studierenden an, dass sie durch die Nutzung virtueller Laborsimulationen als Übungsinstrument Fachwissen und Vertrauen in ihre Laborfähigkeiten erworben haben und sich besser auf Präsenzlaboren vorbereitet fühlen. Dies ist ein eindrucksvoller Beweis dafür, dass gut konzipierte Simulationsaktivitäten die Bereitschaft für die reale Welt stärken können. Die Studierenden betreten das Hardware-Labor, nachdem sie dies im Wesentlichen bereits in der virtuellen Welt getan haben: Sie haben die richtigen Wellenformen gesehen, Fehler gemacht und korrigiert und den Arbeitsablauf eines Experiments gelernt.

Selbstvertrauen wächst Hand in Hand mit Kompetenz. Durch das Üben der EMT-Grundlagen und der Bedienung von Umrichtern in geführten Simulationen bauen Anfänger sowohl ihr Verständnis als auch ihr Selbstvertrauen stetig auf. Anstatt sich zum ersten Mal mit Unsicherheit einer Hochleistungsumrichter-Demonstration zu stellen, gehen sie diese wie eine vertraute Übung an. Ein anschauliches Beispiel stammt aus dem Bereich der Biologie, wo Studenten zunächst in einem virtuellen Labor den Umgang mit Mikroskopen lernten; die Dozenten stellten fest, dass diese Studenten später im Umgang mit echten Mikroskopen deutlich geschickter und selbstbewusster waren. Das gleiche Prinzip gilt in der Energietechnik: Ein Student, der ein fehlerhaftes Wechselrichtermodell virtuell debuggt hat, wird sich bei der Fehlersuche an einem physischen Wechselrichter im Labor viel sicherer fühlen. Geführte Übungen sorgen dafür, dass das erste Mal, wenn ein Student mit komplexen Geräten in Berührung kommt, nicht wirklich das erste Mal ist – er hat es virtuell gemacht, darüber nachgedacht und ist bereit, es in der Realität erfolgreich umzusetzen.

Wie SPS SOFTWARE das Lernen der Schüler unterstützt

Der Aufbau von Vertrauen in EMT- und Konvertermodelle beginnt mit einem Lernraum, der zugänglich, strukturiert und sicher wirkt. Dies entspricht auch dem Ansatz, den OPAL-RT SPS SOFTWARE bei der Unterstützung der Ausbildung verfolgt. Studierende machen oft konstantere Fortschritte, wenn sie mit einem Modellierungswerkzeug klein anfangen und ihr Wissen Schritt für Schritt aufbauen können. Hier kommt es auf ein klares, physikalisch fundiertes Verhalten an. Die Plattform bietet eine intuitive Möglichkeit, Ideen zu testen, interne Signale zu überprüfen und unter Anleitung Schritte zu üben, ohne Angst vor Fehlern zu haben. Diese Art des Lernens hilft den Studierenden, Theorie und Praxis auf eine Weise zu verbinden, die in jeder Phase erreichbar erscheint. Das Ergebnis ist eine größere Bereitschaft, wenn die Studierenden schließlich im Labor mit Hardware arbeiten.

Auch Pädagogen profitieren von einem Modellierungssystem, das mit den Lernenden mitwächst, anstatt ihre Neugier einzuschränken. SPS SOFTWARE unterstützt transparente Komponentenmodelle, unkomplizierte Simulationsabläufe und strukturierte Übungen, die sich nahtlos in den Unterricht zu den Grundlagen der EMV und der Umrichtertechnik einfügen. Lehrkräfte können diese Tools nutzen, um den Unterricht zu vertiefen, das Systemverhalten visuell zu veranschaulichen und Möglichkeiten für eigenständiges Erkunden zu schaffen. Wenn die Lernenden mehr Sicherheit gewinnen, können sie in derselben vertrauten Umgebung von einfachen Schaltungen zu fortgeschrittenen Systemstudien übergehen. Dies schafft einen langfristigen Weg zum Erlernen der Materie und unterstützt gleichzeitig die Lehrziele moderner Energietechnikprogramme.