Das Quanten Technology FabLab (QuFabLab) ist einer der Wettbewerbsgewinner im Rahmen der BMBF Förderung Quantum Futur Education – Netzwerk interdisziplinärer Aus- und Weiterbildungskonzepte in den Quantentechnologien.

Erstmals soll im Projekt ein Quantum Technology FabLab als Bildungs- und Kollaborationsökosystem aufgebaut werden. Hierzu wird das 600 qm große, 2012 gegründete HRW FabLab erweitert.

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Fokus des Projekts

Im Fokus des Projektes stehen Quantensensoren der 2. Generation. Diese neuartige „disruptive" Art von Sensoren nutzen gezielt quantenmechanische Effekte von einzelnen oder wenigen Teilchen bzw. Zustände dieser.

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Anwendungsfälle

Es können beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen in Diamant, sogenannte Farbzentren (nitrogen-vacancy Center) zur hochgenauen Messung von Magnetfeldern eingesetzt werden.

Angebote des Projektes

Es werden Angebote für Unternehmen, Forscher:innen und den wissenschaftlichen Nachwuchs geschaffen, um für das Potential von Quantensensoren zu sensibilisieren und Quantenkompetenzen zu vermitteln.

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Bereiche

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Qufablab Learn

Wie können wir verschiedene Zielgruppen für Quantenphänomene aufschließen und für die Auseinandersetzung mit den physikalischen und mathematischen Grundlagen begeistern?

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Qufablab Make

Projekte und Prototypen mit Quanten-Phänomenen entwickeln und umsetzen

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Qufablab Share

Unser Wissen, unsere Konzepte und unsere Funktions-/Makromodelle zu teilen ist eines unserer zentralen Anliegen.

Detailbeschreibung

Das im Folgenden dargestellte Stufenmodell verbindet die Bausteine der Teilprojekte als didaktische Gesamtkonzept einer innovativen Bildungs- und Kollaborationsumgebung, die sowohl viele Personen aktiviert (Breitenwirkung) als auch den Übergang in immer höherwertigere Angebote ermöglicht und fördert.

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Es entsteht ein Bildungsangebot entlang der gesamten Bildungskette, dessen Qualität kontinuierlich evaluiert (AP7) und mit der Unterstützung des industriellen und wissenschaftlichen Beirats gesichert wird. Den zentralen Baustein zur ersten Ansprache und zum Aufschließen und Motivieren der verschiedenen Zielgruppen bildet das Quantum Technology FabLab (stationär, mobil und virtuell, AP2 & AP3) als Kollaborations- und Lernumgebung.

Hier werden viele Unternehmen, Forscher:innen und der wissenschaftliche Nachwuchs mobilisiert, sich aktiv weiterzubilden und mit den anderen Akteuren zu kollaborieren. Ein weit gefächertes Bildungsangebot aufbauend auf dem Bachelor und Master des Quantum Engineering an der Universität des Saarlandes (AP6) mit Übergangsmöglichkeiten zur Promotion steht am anderen Ende unserer Bildungskette. Hierfür werden angepasst an die unterschiedlichen Bildungsstufen offene Lernmaterialien (OER) entwickelt und didaktische Makro- und Funktionsmodelle in Kooperation mit dem FabLab umgesetzt (AP4) und genutzt. Für Unternehmen des Anlagen- und Maschinenbaus (AP7) werden passgenaue Weiterbildungsformate erschaffen, die die Verbindung technologischer Möglichkeiten und Eigenschaften von Quantensensoren der 2. Generation mit Anforderungen und Problemstellungen aus industriellen Anwendungen aufzeigen (AP5) und den Einstieg in F&E oder die Weiterqualifizierung ermöglichen. Abgerundet wird das Konzept durch den Austausch von Forscher:innen, den wissenschaftlichen Nachwuchs und die Möglichkeit der Einbindung weiterer Experten durch einen zusätzlichen F&E-Etat.

Die nachfolgende Abbildung skizziert die Inhalte unseres didaktischen Stufenmodells – wir beginnen mit dem Aufschließen von Unternehmen, um ein Bewusstsein zu schaffen. Nachwuchswissenschaftler:innen werden in unterschiedlichen Säulen adressiert, wobei wir insbesondere die Anwendungsorientierung in Ingenieurstudiengängen in den Fokus setzen. Darauf folgt – ebenfalls eine Kernkompetenz der FabLabs – der tatsächliche Einsatz in der unternehmerischen Produktentwicklung.

Teilvorhaben

Kompetenzerfassung und Entwicklung des didaktischen Konzepts

Ziel ist es, zum einen aus den didaktischen Konzepten der Teilprojekte ein innovatives und schlüssiges didaktisches Gesamtkonzept zu bilden (AP1) und dessen Qualität zu sichern. Zum anderen wird hier für die Entwicklungsarbeit des Projektes ein Kompetenzmodell entwickelt. Basierend auf dem Unified Competence Model des EU Quantum Flagship Projects wird zunächst ein generischer Kompetenzrahmen entworfen. Dieser wird im Laufe des Projektes ausgebaut, für verschiedene Zielgruppen und Niveaus angepasst und um Anwendungsaspekte der Quantensensorik erweitert. Methodisch werden insbesondere Experten aus Hochschul- und Unternehmenskontext in die Entwicklung und Evaluation des Modells einbezogen (beginnend mit Experteninterviews, abschließende Delphi-Studie).

Ausbau, Weiterentwicklung und Betrieb des HRW FabLab als Kollaborations- und Bildungsumgebung zum Quantum Technology FabLab

Es wird erstmalig ein FabLab zum Quantum Technology FabLab erweitert und die Kollaboration mit der Community von über 2000 FabLabs initiiert (AP2). Konzeptionell bauen wir hier auf unsere Erfahrungen zum Einsatz von FabLabs als Digital Innovation Environments auf (vgl. Hellwig et al, 2021). Unser didaktische Grundkonzept basiert auf dem ARCS (Attention, Relevance, Confidence, Satisfaction)-Modell des Motivationsdesigns von Keller (2010). Es bildet die didaktische Grundlage zum erfolgreichen Aufschließen und Aktivieren von Menschen entlang der gesamten Bildungskette (AP2, AP4). Wir verwenden dabei ein konstruktivistisches Lehr- und Lernmodell, um Lernenden im Rahmen einer „Ermöglichungsdidaktik“ explorative Wege zur Erweiterung ihres Wissens und ihrer Kompetenzen zur Verfügung zu stellen. Die Gestaltung und der Aufbau der Quantum Technology FabLab als attraktive und inspirierende Bildungs- und Kooperationsumgebung („Enabling Spaces“ nach Peschl & Fundschneider, 2012) unterstützt das didaktische Grundkonzept und die aktive Einbindung von Nutzer:innen (Bøjer, 2020). Mit den Methoden der CoCreation (Gouillart, 2014) und des Co-Designs entsteht ein pulsierender Ort, an dem offene Lernmaterialien (OER) und didaktische Makro- und Funktionsmodelle entwickelt und erprobt werden (AP4). Erstmalig werden wir Konzepte des Service-Learning, wie wir sie in den letzten Jahren zur kollaborativen Entwicklung von Assistenzsystemen durchgeführt haben, auf Quantentechnologien übertragen und so Sensoranbieter, potenzielle Anwender und Studierende gemeinsam forschen und entwickeln lassen (Konopek et al, 2018).

Quantifizierte Ziele: Durchführung von mehr als 40 offenen Labveranstaltungen, mehr als 25 Workshops mit KMU, mehr als 15 Workshops mit Schulen. Präsentation auf den jährlichen zentralen Fab-Konferenzen mit dem MIT, gemeinsame Präsentation auf der “Sensor und Test” und der Didacta. Entwicklung von mehr als 10 Makro-/Funktionsmodellen, curriculare Verankerung in Masterstudiengängen, Umsetzung eines Service-Learning-Konzeptes. Durchführung von Bachelor-/Masterabschlussarbeiten mit KMU. Qualifizierungsveranstaltungen und Praktika für Projektpartner und den wissenschaftlichen Nachwuchs anderer Hochschulen.

Aufbau, Weiterentwicklung und Betrieb eines virtuellen Quantum Technology FabLabs als online Kollaborations- und Bildungsumgebung

In Ergänzung zu hands-on kollaborativen Lehrformen in realen QuFabLabs wird in AP3 eine virtuelle online-Lernplattform geschaffen, auf der Lehrmaterialien (Dokumente, Präsentationen, Videos, auf Simulationen basierende, teils ferngesteuerte reale Experimental-Labors, etc.) zum Selbststudium für verschiedene Zielgruppen zur Verfügung gestellt werden. Diese dient aber auch als „virtueller Ort“, wo Lernende sich treffen, austauschen oder gemeinsam Experimente durchführen können. Grundlage bilden existierende Kollaborationsplattform-Systeme, die entsprechend angepasst werden. Als Endgeräte werden Web-Browser und VR/AR-Brillen unterstützt. Für diese Lernplattform werden dann die in AP2 und AP4 geschaffenen Lehrmaterialien angepasst, ergänzt und zu einem kompletten Lehrangebot integriert. Zusätzlich werden zielgruppenspezifische Online-Workshops veranstaltet. Durch eine zielgruppenadäquate Vorstellung der Quantensensorik wird die Relevanz und Funktionsweise für verschiedene Zielgruppen mit unterschiedlichem Vorwissen und Interessen in 5 Leveln / 5 Stufen dargestellt. Die Anforderungen werden mit AP1 (Kompetenzerfassung) abgeglichen.

Quantifizierte Ziele: Erprobte attraktive Plattform, Durchführung von regelmäßigen Online-Workshops (synchron und asynchron)

Entwicklung offener Lernmaterialien und didaktischer Makro- und Funktionsmodelle

Startpunkt dieses Aspekts ist eine systematische Erfassung existierender, frei verfügbarer Lernressourcen, wie sie z.B. auch die Sammlung der Quantum Open Source Foundation1 zur Verfügung stellt. Diese werden systematisch erfasst und bezogen auf den Kompetenzrahmen bzw. verschiedene Rollen kategorisiert (AP4).

Neue OER werden entwickelt bzw. bestehende weiter auf die Thematik und Zielgruppe zugeschnitten. Wenn didaktisch/methodisch sinnvoll, werden VR- und AR-Technologien genutzt. Die Lernmaterialien werden sowohl mit Autorentools als auch in Form von Labor-basierten Experimenten erstellt. Durch exploratives Lernen wird ermöglicht, sich mit dem Aufbau von Experimenten vertraut zu machen. Eingerahmt werden diese Einheiten von erläuternden Sequenzen und einem geführtem Lernkonzept, bei denen Experten ihr Wissen in Form von aufgezeichneten Präsentationen vermitteln bzw. durch entsprechende Abläufe führen. Um das Verständnis für die Quantensensorik und deren Anwendung begreifbar zu machen, werden haptische Artefakte in Form von didaktischen Makro- und Funktionsmodellen entwickelt und gebaut (AP2). So ist geplant zur Annäherung an den Mikrokosmos ein Rasterkraftmikroskop sowohl als Funktionsmodell (Messbereich wenige Zentimeter) als auch als Open Source Hardware zur Messung im Nanometer-Bereich zu realisieren und ein interaktives Funktionsmodell für „Diamantquantensensoren“ zu schaffen. Alle Baupläne für diese Komponenten werden als Open-Source veröffentlicht und können so in anderen FabLabs, aber auch z.B. in Schülerforschungszentren nachgebaut werden.

Quantifizierte Ziele: Entwicklung von mehr als 10 Makro-/Funktionsmodellen/Artefakten. Repository mit OER-Materialien

Konzeption und Weiterbildung zur Verbindung technologischer Möglichkeiten und Eigenschaften mit Anforderungen und Problemstellungen aus industriellen Anwendungen

Zentrales Ziel im Vorhaben QuFabLabs ist es, Unternehmen an die Quantensensorik/Quantentechnologien heranzuführen und Zugang zu diesen zu ermöglichen (AP5). Insbesondere KMUs fehlen in der Regel Möglichkeiten und Kompetenzen zum Einsatz dieser Technologien. Es besteht daher Bedarf an Weiterbildungsangeboten und Transfermaßnahmen mit nachhaltiger Wirkung. Die beteiligten Forschungseinrichtungen (Institut für Mess- und Sensortechnik, HRW; Lehrstuhl für Messtechnik, UdS, Fraunhofer IMS) haben langjährige Erfahrung in der industriellen Weiterbildung, beim Transfer neuester Forschungsergebnisse in Anwendungen und in der Unterstützung von Unternehmen bei der Entwicklung innovativer Produkte, die auf den Bereich Quantensensorik erweitert werden. Weiterbildungsangebote werden spezifisch für verschiedene Unternehmensgruppen und Anwendungsfelder bzw. Marktsegmente entwickelt und in das Angebot des QuFabLab eingebunden. Hier steht die Vermittlung der Einsatzmöglichkeiten von Quantentechnologien in den jeweiligen industriellen Anwendungen im Vordergrund. Des Weiteren sollen F&E-Projekte zwischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen initiiert werden, die einen Transfer konkreter Quantentechnologie-basierender Lösungen in die Unternehmen ermöglichen und somit zum Kompetenzaufbau beitragen. Das QuFabLab soll hierzu als Anlaufstelle für die Unternehmen fungieren. Zusätzlich kann auch der Transfer ausgebildeter Mitarbeiter aus Forschungseinrichtungen in Unternehmen einen wichtigen Beitrag leisten.

Quantifizierte Ziele: Beschreibung des Weiterbildungsprozesses, Durchführung von mehr als 15 Workshops mit mehr als 10 Unternehmen, Initiierung von mehr als 5 F&E-Projekten.

Weiterentwicklung und Etablierung von Bildungs- und Kollaborationsformaten für Unternehmen, Forscher:innen und den wissenschaftlichen Nachwuchs

Es wird ein weit gefächertes Bildungsangebot aufgebaut (AP6), das auf Basis der didaktischen Konzeption (AP1) neuartige Formate erprobt und evaluiert. Aufbauend auf den Erfahrungen mit Makro- und Funktionsmodellen für Schüler:innen und Unternehmen, dem Bachelor und Master des Quantum Engineering mit Übergangsmöglichkeiten zur Promotion wird die Kollaboration mit dem FabLab (AP2) ausgebaut, um den DIY-Gedanken als selbstwirksames Instrument aufzugreifen. Durch die Co-Creation von Quantenexperimenten und analogen interaktiven Modellen, wird das gemeinsame Verständnis für Quantensensorik der 2. Generation und deren Potentiale für Anwendungen im Anlagen- und Maschinenbau gestärkt und die intrinsische Motivation der Beteiligten vergrößert, sich mit diesem Thema genauer zu befassen. Umgekehrt werden Möglichkeiten geschaffen, QT-nahe Studiengänge und deren Absolventen für den unmittelbaren Praxisbezug aufzuschließen.

Quantifizierte Ziele: Ausbau und Weiterentwicklung des Studiengangs „Quantum Engineering“ speziell durch Vernetzung mit KMU, Aufbau eines neuen berufsbegleitenden Studiengangs, Schaffung von mehr als 5 praxisnahen Bildungsangeboten.

Das Projekt QuFabLab wird vom 1.11.2021 bis 30.10.2024 durch das BMBF gefördert.
Förderkennzeichen: 13N16042

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