Real-World Analytics vereint Ingenieursklassen auf zwei Kontinenten

Herausforderung

Die überwiegende Mehrheit der Studenten der Ingenieurwissenschaften strebt nach ihrem Abschluss eine Karriere in der Industrie an. Sie darauf vorzubereiten, nicht nur erfolgreich zu sein, sondern auch echte Innovationen und eine globale Weltanschauung in ihre Fachgebiete einzubringen, ist keine leichte Aufgabe.

Lösung

Die Studierenden werden ermutigt, JMP sowohl im Klassenzimmer als auch außerhalb zu verwenden.

Ergebnisse

Indem Pan JMP im Ingenieursunterricht einsetzt, bereitet er seine Studenten auf wettbewerbsfähige Karrieren bei einigen der Top-Unternehmen nicht nur in den USA, sondern auf der ganzen Welt vor.

Wenn sich Studenten der California Polytechnic State University (Cal Poly) für ein Ingenieursstudium entscheiden, wissen sie, dass ihnen eine Karriere in einer Branche bevorsteht, die Innovationen belohnt – insbesondere, wenn diese Innovationen durch präzise und genaue Analysen unterstützt werden. Daher ist die Vorbereitung der Studierenden auf eine Beschäftigung im Ingenieurwesen zum Eckpfeiler der Pädagogik des 21. Jahrhunderts in den Ingenieurslehrstühlen der Universitäten auf der ganzen Welt geworden.

Jianbiao John Pan, PhD, ist Professor für Industrie- und Fertigungstechnik an der Cal Poly und Experte für Mikroelektronik und elektronische Verpackung. Jedes Quartal unterrichtet er Grundkurse zu verschiedenen Themen, von der Einführung in die Entwicklung und Analyse technischer Tests bis hin zu weiterführenden Kursen wie Qualitätstechnik, Versuchsplanung und Zuverlässigkeitstechnik.

Wie andere führende Persönlichkeiten in der Ingenieurausbildung versucht Pan, seine Studenten durch projektbasiertes, aktives und kooperatives Lernen zu motivieren.

Jianbiao John Pan, PhD, ist Professor für Industrie- und Fertigungstechnik und Experte für Mikroelektronik und elektronische Verpackung. Seine Kurse im Fertigungstechnik sind speziell darauf ausgelegt, Studierende auf anspruchsvolle Karrieren in der Branche vorzubereiten.

Das Cal Poly College of Engineering ist eine der führenden Ingenieurausbildungsstätten des Landes. Die Professoren der Cal Poly vertreten eine projektbasierte Lehrphilosophie, die Theorie mit praktischer Praxis verbindet. Sie hat eine Mission: Wir möchten „eine hervorragende ‚Learning by Doing‘-Ausbildung bieten und gefragte Fachkräfte hervorbringen, die vom ersten Tag an reif für die Ausbildung sind.“

Pan führt die Studierenden anhand eines Beispiels durch, wie Analytik zur Bewältigung von Herausforderungen bei der Qualitäts- und Prozessverbesserung eingesetzt werden kann. Während er die Analyse vorführt, können die Studierenden diese in JMP auf ihren eigenen Monitoren verfolgen und mit den Daten herumspielen, um selbst zu sehen, was möglich ist.

„JMP ist sehr leistungsstark und verfügt über solch dynamische Grafiken“, sagt Pan. Diese Flexibilität, gepaart mit der benutzerfreundlichen Oberfläche, macht JMP zu einem wichtigen Werkzeug für Studierende, die sich durch das Erkunden und Experimentieren mit Daten selbst technische Konzepte aneignen möchten. „Während wir die Konzepte durchgingen, hat Dr. Pan JMP aufgerufen und auf sehr greifbare Weise gezeigt, wie das aussieht“, sagt der Doktorand David Otsu. „JMP war großartig zum Lernen und zum anschließenden Anwenden des Gelernten.“

Interaktive JMP^{® -Analysen} ermöglichen engagiertes Lernen in den Bereichen Qualität, Zuverlässigkeit und Versuchsplanung

Dabei geht man davon aus, dass die Studierenden intellektuell stärker gefördert werden, wenn man die Theorie in einen Kontext setzt, indem man sie in nachvollziehbare Probleme einbettet. Um Anwendungen und praktische Übungen in den Unterricht zu integrieren, ist allerdings auch die Einführung neuer Technologien erforderlich, die für die Schüler leichter zugänglich sind.

Für Pan bedeutet das, seinen Studenten die statistische Datenermittlungssoftware JMP vorzustellen. „JMP ist sehr leistungsstark und hat so dynamische Grafiken – das gefällt mir sehr“, sagt er. „Sie können den Maßstab und den Typ sowohl auf der Y- als auch auf der X-Achse problemlos bearbeiten und sogar die Schriftgröße ändern. Sie haben so viel Freiheit.“ In seinem Kurs zum technischen Testdesign verlässt er sich nach eigenen Angaben auf Analysemodelle – Verteilung, Anpassung von Y durch X, Matched Pairs und Anpassungsmodell. In fortgeschritteneren Kursen ergänzt er den Kurs um Versuchsplanung, Qualität und Prozesse sowie Zuverlässigkeit und Überlebensfähigkeiten.

Indem Pan während seiner Vorlesungen JMP projiziert, demonstriert er Schritt für Schritt selbst die fortgeschrittensten Konzepte mit interaktiven visuellen Darstellungen, die die Studenten dann selbst nachbilden können, unabhängig davon, ob sie den Unterricht in JMP auf einem Laptop verfolgen oder JMP zum Erledigen von Aufgaben verwenden. „Für viele Hausaufgaben und Projekte, die in meinen Kursen aufgegeben werden“, sagt Pan, „erstellen die Schüler Diagramme und Visualisierungen.“ Diese Ergebnisse eignen sich nicht nur hervorragend für die Berichterstattung und Kommunikation von Ergebnissen, sondern auch für die Vertiefung des Verständnisses der Studierenden für die Konzepte und Theorien, die den realen Herausforderungen zugrunde liegen, denen sie später bei ihrer Arbeit in der Fertigungsindustrie begegnen können.

„Mein Schwerpunkt liegt auf der Werkstofftechnik und in diesem Bereich ist viel Experimentieren erforderlich. Glücklicherweise wird der gesamte Prozess der Versuchsplanung durch JMP vereinfacht. Wenn Sie beispielsweise eine Art teilfaktorielle Versuchsplanung durchführen, können Sie die Generierung ganz einfach in JMP einrichten. Da JMP so interaktiv und intuitiv ist, ist es viel einfacher, die Daten anzusehen und spontan damit zu arbeiten. Für jemanden wie mich, der ein visueller Lerner ist, ist das wirklich nützlich.“

— David Otsu, Doktorand

Beispielsweise untersuchten mehrere Studierende in einem kürzlich durchgeführten Abschlussprojekt die Kristallstruktur von Polymilchsäure, einem vielseitigen, biologisch abbaubaren thermoplastischen Polymer, das aus erneuerbaren Quellen wie Mais und Zuckerrohr hergestellt wird. Die biologische Abbaubarkeit des Polymers macht es zu einer idealen, ökologisch nachhaltigeren Alternative zu herkömmlichen Massenanwendungen wie Lebensmittelverpackungen und Einweggeschirr.

Da sie wussten, dass Polymilchsäure in verschiedenen Kristallisationsgraden verarbeitet werden kann, versuchten Pans Studenten, durch Variation der Polymerqualität, Verweilzeit und Abkühlungsrate diejenigen Faktoren zu identifizieren und zu untersuchen, die sich auf die Kristallisation – und damit auch auf ihr Potenzial als brauchbarer alternativer Kunststoff – auswirken. „In unserer ersten Phase konzentrierten wir uns auf ein sehr realistisches Herstellungsverfahren für PLA-Kristallinität – ein Verfahren, das man in der Industrie tatsächlich anwenden würde –, aber es funktionierte nicht“, erinnert sich Cal Poly-Student David Otsu. „Wir mussten also zu einer anderen Phase wechseln, in der wir dasselbe in einer Laborumgebung machten – sehr kontrolliert, aber nichts, was man jemals in der Produktion verwenden würde. Und von diesen Ergebnissen aus konnten wir zu einer Phase übergehen, die irgendwo dazwischen lag – einem laborgesteuerten Prozess, der am Ende tatsächlich zur Herstellung von Produkten verwendet werden konnte.“ Darüber hinaus konnten Otsu und seine Kollegen durch die Analyse der Wechselwirkungen ihrer Variablen mit hoher Sicherheit feststellen, dass Material und Abkühlungsrate einen erheblichen Einfluss auf die Kristallisation haben. „JMP hat uns dabei geholfen, eine Reihe von Experimenten einzurichten – und hat dafür gesorgt, dass das gesamte Projekt reibungslos und schnell ablief, da wir Dinge im Voraus planen konnten“, sagt er. „Da die Arbeit mit JMP so einfach ist, konnten wir uns an Änderungen und Probleme anpassen, die im Laufe des Prozesses auftraten.“

Ingenieurstudenten aus den USA und China entwickeln gemeinsam Lösungen für reale Herausforderungen

Bei Cal Poly beschränkt sich das Lernen nicht nur auf das Klassenzimmer oder den Campus. Neben seiner Lehrtätigkeit während des Schuljahres leitet Pan ein einzigartiges Auslandsstudienprogramm für angehende Ingenieure namens „Engineering in China“, für das Cal Poly eine Partnerschaft mit der Zhejiang University of Technology (ZJUT) in Hangzhou eingegangen ist. Im Sommer 2016 studierten 11 Studenten von Cal Poly und 22 von ZJUT Qualitätstechnik und arbeiteten in Teams zusammen, um echte technische Herausforderungen mit JMP zu identifizieren und zu lösen.

Im Laufe des Sommers unterrichtete Pan die Studenten in den Grundlagen des Qualitätsmanagements und der ANOVA. Anschließend bauten die Schüler auf ihrem Gelernten auf, indem sie ein Teamprojekt vorbereiteten. Darin wurden sie gebeten, ein technisches Problem zur Qualitätsverbesserung innerhalb eines bestehenden Systems – beispielsweise eines Krankenhauses, einer Bank oder eines Verkehrsnetzes – zu identifizieren, für dieses Problem relevante Daten zu sammeln, die Daten zu analysieren, eine Präsentation vorzubereiten und einen Bericht zu verfassen.

Cal Poly bietet Ingenieurstudenten außerdem die einmalige Gelegenheit, im Ausland in China zu studieren. Die Kursarbeit im Qualitätsingenieurwesen wird durch eine unabhängige Projektkomponente ergänzt, in der die Studierenden vor die Herausforderung gestellt werden, Lösungen für technische Probleme der realen Welt zu entwerfen. „Ich habe in China den Kurs „Qualitätstechnik“ von Professor Pan besucht und mit Studenten [der Zhejiang University of Technology] an einem Projekt zum Transportsystem in Hangzhou gearbeitet. „JMP war sowohl im Unterricht als auch für das Projekt wirklich nützlich“, sagt Student Wade Bedinger.

„JMP ist flexibel, sodass Sie viele verschiedene Dinge tun können. Sie können Ihre Diagramme so ändern, dass sie optimal in Präsentationen passen, und die Achsen so manipulieren, dass die Daten angezeigt werden, auf die Sie sich wirklich konzentrieren möchten.“

— Wade Bedinger, Student

Als ein Team in einem örtlichen Krankenhaus in Hangzhou lange Wartezeiten und ein ineffizientes Registrierungssystem feststellte, sahen die Studenten darin eine Möglichkeit zur Verbesserung. Sie machten sich daran, eine Lösung zu entwickeln, die das Patientenerlebnis verbessern würde. Dazu begannen sie mit der Datenerfassung: Anzahl der Patienten nach Tageszeit, Dauer der Wartezeiten und Verweildauer im Anmeldeprozess. Anschließend analysierten die Studierenden die Daten und machten Verbesserungsvorschläge.

„[In Dr. Pans Unterricht] haben wir Six-Sigma-Prozesse zur Analyse von Teamprojekten verwendet. Das Projekt hat mir auf jeden Fall dabei geholfen, die statistische Prozesskontrolle und eine Reihe verschiedener Qualitätsmodule zu erlernen, indem ich mir die verfügbaren Diagramme angesehen habe. „Die Schnittstelle von JMP ist sehr schön – Sie können die Rohdaten verwenden, um Diagramme zu erstellen und die Daten zu analysieren und zu interpretieren.“

— Kyle Batman, Student

Das Lernziel des Programms bestehe nicht nur darin, dass die Studierenden erlernte technische Konzepte auf bestehende Systeme anwenden, sondern auch darin, „unsere Studierenden darauf vorzubereiten, in einem multidisziplinären, internationalen Teamumfeld zu arbeiten.“ Es ist eine sehr, sehr wichtige Fähigkeit – in einem Team arbeiten zu können, unterschiedliche Kulturen zu verstehen und Sprachbarrieren zu überwinden.“ Und dieses Thema ist heute im Ingenieurbereich besonders relevant.

„Es ist so wichtig, sich auf die Branche abzustimmen“, sagt Pan. Da so viele globale Fertigungsunternehmen nach erstklassigen Absolventen suchen, sorgt Pan dafür, dass seine Studenten Cal Poly mit dem richtigen Rüstzeug verlassen – einem überragenden Verständnis von Konzepten und Theorien des Ingenieurwesens, einer nachgewiesenen Fähigkeit zur Zusammenarbeit mit Kollegen aller Herkünfte und Nationalitäten und Erfahrung mit den Technologien des Fachs.

Vorbereitung der Studierenden auf eine Karriere in der Industrie nach dem Abschluss

Vor einigen Jahren, so erzählt Pan, sei ihm beim Besuch einer Reihe von Ortsgruppentreffen der American Society for Quality in San Jose, Kalifornien, aufgefallen, dass viele Branchenführer JMP verwendeten. „Ich dachte, es wäre eine gute Idee, unseren Studenten den Umgang mit JMP beizubringen, da so viele von ihnen später für diese Unternehmen in Kalifornien arbeiten werden.

„Wir bieten die Ausbildung an und unsere Studierenden sind nach ihrem Abschluss mit ihren Kenntnissen der Software im Vorteil.“

„Durch mein Studium der Qualitätstechnik bei Dr. Pan in China habe ich mein Verständnis für die Verarbeitung großer Datenmengen erweitert. Wir konnten unsere Kenntnisse im Bereich Ingenieurwissenschaften und Statistik mit verschiedenen Softwarepaketen in der Praxis anwenden, ich verwende jedoch hauptsächlich JMP. Ich weiß, dass mir im Fertigungsbereich Statistiksoftware wie JMP bei der Analyse großer Datensätze eine entscheidende Rolle bei der Analyse mehrerer Dimensionen spielen wird. Mir wurde gesagt, dass in der Fertigung jeder JMP zur Analyse verwendet.“

— Kyle Batman, Student