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Denkschrift zur Didaktik der Mechanik

Erarbeitet vom gleichnamigen GAMM-Ausschuß
Redaktion: Erwin Stein, Hannover
April 1999

Präambel

Die Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik (GAMM) erkennt als zuständige berufsständige Organisation für die im deutschen Sprachraum und darüber hinaus in Mitteleuropa tätigen Mitglieder (Professoren, Dozenten, wissenschaftliche Mitarbeiter, Doktoranden) im Bereich der theoretischen, angewandten, numerischen und experimentellen Mechanik die Notwendigkeit, kritisch und konstruktiv zu der derzeit in Vorbereitung befindlichen Reform der Ingenieurstudiengänge Stellung zu nehmen.

Die Sorge der GAMM gilt der möglichen ungleichgewichtigen Reduktion der Lehre im Grundlagenfach "Technische Mechanik" angesichts weiterer geplanter Studienzeitverkürzungen und neuer integrierter Studienmodelle. Aus der Einsicht und Überzeugung, daß eine gründliche Mechanik-Ausbildung im Grund- und Hauptstudium in der für Ingenieure angemessenen Modellbildung und Lösung technischer Problemstellungen gerade unter den Bedingungen der Informations- und Kommunikationsgesellschaft und der weiteren erkennbaren Entwicklungen wesentlich zur Qualitätssicherung der gesamten Ingenieurausbildung beiträgt, setzte der GAMM- Vorstandsrat im Jahre 1994 den GAMM-Ausschuß "Didaktik der Mechanik" ein, der in Zusammenarbeit mit dem DEKOMECH (Deutsches Komitee für Mechanik) die vorliegende Denkschrift ausgearbeitet hat. Hierin sollen insbesondere Inhalte, Strukturen und Mindestumfang der erforderlichen und zeitgemäßen Mechaniklehre im Grund- und Hauptstudium dargelegt und begründet werden.

Den Ausführungen von Bundespräsident Roman Herzog vom 29.01.1998 in der Zeitschrift "Die Zeit" folgend, müssen wir "die inhaltliche Debatte endlich beginnen", um zu zukunftsweisenden Studienreformen zu kommen. Es muß herausgearbeitet werden, was unverzichtbares "Basiswissen" und was "Überblickswissen" über "Fakten, Probleme und Theorien" sein soll.

Der Ruf der Generalisten nach einer immer weitergehenden Zersiedelung der Ingenieurstudiengänge wird der Industrie und der Gesellschaft nicht helfen. "Multa non multum" ist und sollte auch weiterhin einer akademischen Ausbildung wesensfremd sein.

Die Ausbildungsziele der Universitäten müssen auch in Zukunft der Berufsfähigkeit, nicht der Berufsfertigkeit gelten, um Weiter- und Neubildung während des gesamten Berufslebens zu ermöglichen.

Im Beruf Verantwortung übernehmen – auch für die hiervon betroffenen Menschen – sollte nur, wer sein Fach in den Wirkzusammenhängen verstanden hat und weiß, wie weit Näherungstheorien und Berechnungs- methoden bei neuen Projekten oder neuen technologischen Entwicklungen tragen. Die fachliche Zuverlässigkeit der Ingenieure hängt daher entscheidend vom notwendigen und wohlverstandenen Basiswissen ab.

Die vorliegende Denkschrift wurde anläßlich der GAMM-Jahrestagung 1999 in Metz am 12. April 1999 von der deutschen Sektion der GAMM bei einer Stimme Enthaltung einstimmig beschlossen.

 

1. Kernforderungen für die zukünftige Ausbildung von Ingenieuren im Fach "Technische Mechanik" mit den Teilbereichen "Theoretische, Analytische und Numerische sowie Experimentelle Mechanik"
  • Der berufsfähige Universitätsabschluß in den Ingenieurwissenschaften muß vor allem die grundlagenbezogene und zuverlässige Denkfähigkeit im jeweiligen Fachgebiet gewährleisten, nicht zuletzt um Verantwortung für die Sicherheit von Ingenieurprodukten übernehmen zu können. Außerdem ist die kontinuierliche Weiterbildung nur durch abrufbares verstandenes Basiswissen, nicht durch Überblickswissen möglich. Hierzu muß auch in Zukunft die Mechanik einen signifikanten Beitrag leisten, sie ist für bestehende und neue Technologien unverzichtbar.
  • Gerade die Dominanz der Informations- und Kommunikationstechniken für die heutige globale Gesellschaft erfordert gesichertes Basiswissen der Ingenieure. Der einfache Zugang Unwissender oder Halbgebildeter zu leistungsfähigen aber auch mit erheblichen Unzulänglichkeiten versehenen Programmsystemen kann fatale Folgen haben. Insbesondere die Bewertung numerischer Ergebnisse erfordert ein vollständiges Denken in den Zusammenhängen einer Ingenieuraufgabe. Deshalb ist die "Kunst" der angemessenen physikalisch-mathematischen Modellbildung von großer Bedeutung. Wir müssen uns hüten, Studierende zum lediglichen Anwenden unverstandener wissenschaftlicher Erkenntnisse auszubilden, die nur vorgefertigtes Wissen mit großen Unsicherheiten in ihre Arbeit einbringen. Hieraus kann kein Technologiefortschritt entstehen.
  • Die Vermutung, in Zukunft würden mehr Absolventen im Dienstleistungsbereich als in Entwicklungs- und Forschungsbereichen benötigt, ist zwar richtig, aber diese Dienstleister, z.B. Berater in Software- oder Zulieferfirmen, sollten auch zuverlässige Ingenieure sein. Außerdem kommt es heute darauf an, nicht kurz- sondern langfristig gute Umsätze und Gewinne in der Industrie zu haben, und dafür ist solide Fachkompetenz erforderlich. Das Bohren dünner Bretter wird daher unsere technologische Zukunft aushöhlen.
  • Die Ingenieurfachbereiche sind aufgerufen, in der anstehenden neuen Studienreform die "Mechanik" im Grund- und Hauptstudium weiterhin im erforderlichen Umfang als durchgängiges Grundlagenfach zu verankern. Im Hauptstudium ist die Mechaniklehre in der Theorie sowie in den numerischen und experimentellen Methoden auszubauen und mit den anderen Fächern für bestimmte technische Disziplinen zu verzahnen. Die Aufteilung in Pflicht- und Wahlanteile hängt dabei von den Vertiefungsrichtungen ab.

Insgesamt müssen zukünftige Ingenieure nicht nur einen - hoffentlich nicht zu eng definierten - Nutzeffekt haben, sondern sie müssen als Intellektuelle die Fähigkeit zur eigenen kritischen Einsicht aufgrund eines soliden Wissens haben. Dies ist für die gedeihliche Entwicklung von Technik für die Welt von morgen unerläßlich.

 

2. Die Mechanik in den Ingenieurwissenschaften, ihre Bedeutung für das erkenntnis- und anwendungs- orientierte zukünftige Ingenieurstudium
2.1. Zur geschichtlichen Entwicklung der Mechanik

Die Mechanik ist das älteste und zugleich ein modernes, entwicklungsstarkes und weit verzweigtes Teilgebiet der Physik.

Sie entstand aus der geometrisch orientierten &Mechanica Practica" (Bezeichnung von I. Newton) der Ägypter, Griechen (man denke an Archimedes) und Römer mit bedeutenden, grundlegenden und praktischen Beiträgen bis ins europäische Spätmittelalter (z.B. mit der Konstruktion von Uhren), war aber mit den Bezeichnungen mechanae und technae nicht Bestandteil der Naturphilosophie, etwa im Rahmen der Kategorienlehre des Aristoteles, sondern galt als kunstvolle und ideenreiche Fähigkeit zur Überlistung der Naturgesetze, um z.B. Räder- und Schöpfwerke sowie Kriegsgeräte zu erfinden und zu bauen.

In der Renaissance, der Wiege der Neuzeit, wurde von Italien aus durch Leonardo da Vinci und dann im 17. und 18. Jahrhundert durch die Begründer der heutigen Naturwissenschaft und Mathematik, nämlich Galileo Galilei, Christiaan Huygens, Isaac Newton, Gottfried Wilhelm Leibniz, Johann und Jacob Bernoulli, Leonhard Euler, Joseph Louis Lagrange und anderen, eine axiomatisch begründete, mathematisch abstrakte Theorie der Bewegungen von idealisiert starren und deformierbaren Körpern sowie von Fluiden und Gasen unter dem Einfluß von Kräften erfunden und entwickelt. Newton selbst nennt die neue Mechanik in seinem epochalen Werk "Prinicpia Mathematica Philosophiae Naturalis" aus dem Jahre 1685 "Mechanica Rationalis", nämlich eine durch Experimente an der Natur gestützte und durch die Ratio geprägte eigentlich physikalische Mechanik im Gegensatz zur praktischen Mechanik des Altertums.

Jeder Versuch, die abstrakte Struktur der Newtonschen Axiomatik mit den wesentlichen Ergänzungen durch Euler und des sich hierauf aufbauenden Lehrgebäudes der klassischen Mechanik über anschauliche Denkhilfen hinaus zu vereinfachen, muß scheitern; so äußerten sich immer wieder bedeutende Forscher, u.a. Albert Einstein. Man bedenke, daß die drei Keplerschen Gesetze, die dieser durch die Auswertung von Beobachtungen der Planetenbahnen und durch Eingebung entdeckt hatte, von Newton in seinen "Principia" mit Hilfe von 5 Erklärungen und 3 Axiomen völlig deduktiv und abstrakt auf etwa 20 Seiten hergeleitet werden. Dies war nach den Fallgesetzen des Galilei der erste Paukenschlag der neuzeitlichen Naturwissenschaft, nämlich unter Verwendung von systematisch ineinandergreifenden, als richtig erkannten und nicht weiter reduzierbaren Naturgesetzen schwierige mechanische Probleme in ein widerspruchsfreies mathematisches Modell, z.B. in Form von Differentialgleichungen, zu bringen und diese wenn möglich analytisch oder auch numerisch zu lösen. Anschließend müssen die Ergebnisse experimentell oder durch komplexere physikalisch-mathematische Modelle überprüft werden, um sicherzustellen, daß man im Rahmen der Theorie nicht nur richtig, sondern auch hinreichend vollständig gedacht hat. Und in diesem Jahrhundert mußte dann bei neu entdeckten grundlegenden Effekten auch die Basis der Theorie erweitert werden, was zur Relativitätstheorie, zur statistischen Mechanik sowie in der Theorie nichtlinearer dynamischer Systeme zur Beschreibung fraktaler oder chaotischer Erscheinungs- und Bewegungsformen führte.

Die neuzeitliche Naturwissenschaft hat in Verbindung mit der Aufklärung im 19ten und 20ten Jahrhundert die mehrstufige technische Evolution und die Industrialisierung hervorgebracht. Aus der Rationalen Mechanik entwickelte sich in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts in Europa mit dem Zentrum Paris die Technische Mechanik als eine wesentliche Grundlage der Ingenieurwissenschaften.

 

2.2. Derzeitige Entwicklungen der Mechanik in Verbindung mit neuen Technologien

Die letzten Jahrzehnte unseres Jahrhunderts sind geprägt durch:

  • Neue computerorientierte numerische und analytische Methoden (insbesondere die Finite-Element-Methode und die Rand-Element-Methode) zur Lösung komplexer linearer und nichtlinearer Feldprobleme der Mechanik sowie Computersimulationen äußerst schwieriger Prozesse, wie z.B. Aufprall von Automobilen, Versagen von Brücken, Unter- und Überschallströmungen an Flugzeugen, statische und dynamische Berechnung von Flugzeugen oder Flugbahnen von Satelliten. Auf diesen Gebieten gibt es eine starke Verzahnung mit Entwicklungen der numerischen Mathematik, dem wissenschaftlichen Rechnen und der angewandten Informatik in jeweils für Ingenieure brauchbaren Darstellungen.
  • Mikromechanische Materialtheorie zur Modellbildung und Berechnung von hochwertigen Werkstoffen, insbesondere neuen Verbundwerkstoffen mit komplexen Eigenschaften, einschließlich Schädigung, Versagen und Lebensdauer bei verschiedenen Lastkollektiven, sowie Instabilitäten der Deformationen, z.B. lokalisierte Scherbandbildungen oder Phasentransformationen. Verwandtes gilt für die Auflösung der Mikroskale von Fluiden, insbesondere zur Beschreibung von Turbulenz und Phasenübergängen sowie für die Gasdynamik. Auf diesen Gebieten gibt es eine wachsende Zusammenarbeit mit der Materialphysik, in der es zunächst um die experimentelle und theoretische Beschreibung von Phänomenen und Wirkursachen auf verschiedenen Skalen der Betrachtung geht. Neue Entwicklungen in der Umform- und Schmiedetechnik sowie der Trenntechnik erfordern eingehende Kenntnisse der Mikromechanik und numerischer Lösungen sehr komplizierter nichtlinearer Feldprobleme. Auch die Einbeziehung von Biologen in die Entwicklung neuer Ingenieurwerkstoffe und -strukturen aus Vorbildern in der Natur ist eine zukunftsweisende Entwicklung.
  • Identifikation und Optimierung thermomechanischer Prozesse und Strukturen. Dieses wichtige, in Entwicklung befindliche Gebiet, befaßt sich mit der zuverlässigen Bestimmung von Material- und Strukturparametern mathematischer Modelle aus gemessenen Daten in deterministischer oder stochastischer Weise. Man muß das sogenannte inverse Problem lösen, also gegebene und gesuchte Problemdaten vertauschen, was i.d.R. zu großem Rechenaufwand führt. Schadenstolerante Optimierungsmethoden komplexer Ingenieurstrukturen bezüglich Abmessungen, Form, Topologie und Materialien mit neuartigen Zielfunktionen für Kosten, Versagensverhalten und Funktionsweise werden in absehbarer Zeit in die allgemein zugänglichen Progammsysteme Eingang finden.
  • Mechatronik und Adaptronik dynamischer Systeme, z.B. Roboter, sowie aktive Dämpfung von Bauwerken und Anlagen bei Erschütterungen, z.B. infolge Winderregung oder Erdbeben. Die Automation von Fertigungsprozessen stellt hohe Ansprüche an schnelle, kontrolliert geführte Bewegungen vielfältiger Art. Dieses neue Teilgebiet der Mechanik erfordert die Zusammenarbeit mit der Leistungs- und Steuerungselektronik. Neuere Entwicklungen von Flugzeugen zielen auf "adaptive" Profiländerungen der Tragflügel hin, um jederzeit stabile und energiesparende Flugbedingungen zu ermöglichen. Es ist offensichtlich, daß die zeitechte Datenerfassung und aktive Steuerung sehr effiziente numerische Methoden in Verbindung mit schnellen Rechnern erfordert. Dies gilt übrigens auch für die Steuerung von Satelliten.

 

2.3. Schlußfolgerung

Die zuvor skizzierten Beispiele zeigen, daß es bei der Planung, Konstruktion, Berechnung und Fertigung heutiger Industrieprojekte - besonders mit Einbeziehung neuer technologischer Entwicklungen - ohne verläßliche Kenntnisse und eine sichere Denkfähigkeit der Mitglieder eines Projektteams aus verschiedenen Disziplinen in ihren jeweils eigenen Fachgebieten überhaupt nicht geht. Auf keinen Fall genügt das Drücken von Tasten zur Initialisierung von Programmbausteinen verfügbarer Softwaresysteme oder die Wiedergabe kurzfristig angelesener aber nicht verstandener Meinungen anderer, denn dies verursacht schwerwiegende Sicherheitsrisiken. Unabhängig davon, ob es sich bei der Ingenieurtätigkeit um ein Industrie- oder ein Forschungsprojekt handelt, kommen Synergieeffekte eines Bearbeitungsteams nur zustande, wenn sowohl angemessenes Basiswissen wie auch Überblickswissen vorhanden sind. Das Basiswissen dient dazu, kompetente und zuverlässige Beiträge leisten zu können. Das Überblickswissen ist für das Verständnis vom Zusammenwirken aller Teilbereiche und für die weitergehende Orientierung im eigenen Gebiet erforderlich.

  • Deshalb muß die Forderung nach noch mehr Breite des Primärstudiums zu Lasten der Basisfächer im Hinblick auf die weitere angestrebte Straffung und Verkürzung der Ingenieurstudiengänge als gefährlich angesehen werden. Man kann sich in einem Weiterbildungskurs leicht zusätzliches Überblickswissen verschaffen. Der Erwerb von gesichertem Basiswissen setzt jedoch ein i.d.R. mühevolles Studium voraus, wozu im Beruf meist die Zeit fehlt.
  • Die Fähigkeit zur Weiterbildung in "harten Fächern" setzt daher ausreichendes Wissen und Verständnis der theoretischen, numerischen und experimentellen Grundlagen voraus. Anderenfalls können wir den Anspruch auf Hochtechnologie nicht aufrecht erhalten, sondern sind in Zukunft eher zum Nachmachen geeignet.
  • Das neuerdings ständige Fordern von vermehrten kaufmännischen und organisatorischen Fähigkeiten der Ingenieurabsolventen seitens der Industrie wird durch die Wiederholung nicht richtiger. Basis- und Überblickswissen müssen sinnvoll aufeinander abgestimmt werden; ein Überhang an Informationen über die eigentliche Fachbasis hinaus ist jedoch angeschwemmtes Wissen und hat keinen Bestand.
  • Ein Beitrag zur Lösung dieser Problematik kann durch das zu erwartende neue Deutsche Hochschulrahmengesetz erzielt werden, das neben weiterbestehenden Diplomstudiengängen konsekutive Bachelor-Master-Studiengänge mit einem Credit-Point-System für die Prüfungsordnungen zulassen wird. Credit-Point- Systeme bieten die Möglichkeit von wesentlich freizügigeren und damit dem Studium nach Neigung besser anpaßbaren Studienordnungen als die bisherigen, z.T. sehr eng reglementiert gehaltenen Ordnungen. Gerade für die Mechanik ist es bisher nachteilig gewesen, daß immer mehr anwendungsorientierte Fächer mit Pflichtstundenanteilen in den Diplomprüfungsordnungen erschienen. Nach einem drei- bis viersemestrigen Grundstudium ohne oder mit nur sehr begrenzten Wahlmöglichkeiten sollte im Hauptstudium ein Vorlesungsüberangebot von etwa 50 % bezüglich der Pflichtstundenzahl eingeführt werden. Hierdurch können neue Vertiefungsrichtungen nach Neigung der Studierenden leichter gewählt werden, so daß auch z.B. mehr betriebswirtschaftlich und logistisch orientierte Tätigkeitsfelder im Ingenieurstudium verankerbar werden. Es darf aber kein Zweifel bestehen, daß Ingenieure (bis auf Betriebswirtschaftsingenieure, die an wenigen Hochschulen ausgebildet werden) nicht auch Betriebswirte sind und umgekehrt.
  • Als Forderung an eine Studienreform aus der Sicht des Wissenstransfers von den Universitäten in die Industrie ist die ausgewogene Lehre, Forschung und Weiterbildung einerseits zur Sicherung vorhandener und zur Gewinnung neuer Erkenntnisse und neuen Wissens und andererseits zur produktorientierten Zusammenarbeit zu nennen. Es müssen also erkenntnis- und anwendungsorientierte Lehrinhalte gut ausbalanciert und aufeinander abgestimmt sein.
  • Die technischen Büros großer Firmen wurden im Mittel erheblich verkleinert, so daß die unmittelbare Fähigkeit zur Auswertung und Ausnutzung universitärer Forschung oft nicht mehr gegeben ist. Dies liegt auch an der Art der Darstellung von Theorien, numerischen Ergebnissen und Softwareprodukten in Diplomarbeiten, Doktorarbeiten und von wissenschaftlichen Arbeiten in Fachzeitschriften. Die anwendungsorientierte und damit für Produkte verwertbare Lehre und Forschung auch in den Grundlagenfächern ist deshalb eine berechtigte Forderung für den volkswirtschaftlich wichtigen Technologietransfer.

 

3. Derzeitiger Umfang der Mechanik im Grund- und Hauptstudium an deutschen Universitäten

Das DEKOMECH (Deutsches Komitee für Mechanik) hatte im Jahre 1995 aufgrund einer Umfrage eine vergleichende Zusammenstellung des Lehrumfangs im Mechanik- Grundstudium der Ingenieurstudiengänge der deutschen Universitäten und wissenschaftlichen Hochschulen zusammengestellt und im GAMM-Rundbrief 1, 1996 veröffentlicht.

Der Fakultätentag Maschinenbau hat einen Umfang von 16 SWS für die Technische Mechanik im Grundstudium vom 1. bis 4. Studiensemester festgelegt. Hierin ist die Einführung in die Strömungslehre enthalten. Der tatsächliche Lehrumfang beträgt bis zu 18 SWS.

Im Bauingenieurwesen gibt es eine Spanne von 12 bis 18 SWS für die Technische Mechanik. Außerdem findet das Vorexamen überwiegend bereits nach dem 3. Studiensemester statt.

In der Luft- und Raumfahrt ist der Stundenumfang dem des Maschinenbaus gleich.

In der Elektrotechnik ist ein geringerer Umfang angesetzt, im Mittel 10 SWS.

Die Zuordnung der Mechanik-Institute oder -Lehrstühle zu den Fachbereichen ist unterschiedlich. Teils sind die Mechanikbereiche in die verschiedenen Ingenieurfachbereiche integriert und damit getrennt angesiedelt, teils sind sie in gemeinsamen Instituten zusammengefaßt, von denen die Lehrexporte (wie in der Mathematik) erfolgen.

In einigen wissenschaftlichen Hochschulen (z.B. an der TU Darmstadt) bildet die Mechanik einen eigenen Fachbereich.

Im Hauptstudium wird die Mechanik in einer großen Zahl von Vertiefungsvorlesungen, Übungen und Praktika gelehrt, die nach Ingenieurdisziplinen gegliedert und in den Prüfungsordnungen unterschiedlich geordnet sind.

 

4. Ziele für die zukünftige Didaktik der Mechanik – Wieviel Mechanik brauchen Ingenieure?

Unter einer Fachdidaktik werden sowohl die Curricula mit der bestmöglichen Auswahl und Folge der Inhalte und Methoden als auch die pädagogische Ausformung der Lehre und die eingesetzten Hilfsmittel verstanden, um vorgegebene Lehr- und Lernziele für das Verständnis der Zusammenhänge und für praktisch umsetzbare Fähigkeiten zu erreichen.

 

4.1. Übergeordnete Ziele und Aspekte der Didaktik der Mechanik

Gemäß den Hochschulgesetzen soll das Studium berufsqualifizierend sein, d.h. eine Berufsausübung auf wissenschaftlicher Grundlage gemäß dem allgemeinen Erfahrungs- und Wissensstand eines Faches ermöglichen.

  • Zu Beginn der Planung neuer Curricula und Stundenraster muß eine kritische Überprüfung der Auswahl und Zuordnung aller Lehrinhalte stehen, die mit den Anwendungsfächern abzustimmen ist. Verbindlich ist der Lehrstoff im Grundstudium und sollte dies auch bleiben. Im Hauptstudium ist die Mechanik derzeit im wesentlichen Wahlfach, mit Ausnahme der Mechanik-Studiengänge an einigen Universitäten (z.B. in Berlin und Darmstadt), oder Nachweisfach für bestimmte Teilgebiete. Eine seit Jahrzehnten bewährte Regelung ist der Austausch eines curricularen Prüfungsfaches gegen das Fach Mechanik entweder regulär nach DPO oder aufgrund eines Antrages an den jeweiligen Diplomprüfungsausschuß.
  • Es wird angestrebt, die Mechanik auch im Hauptstudium überall als ein reguläres, wählbares Studienfach einzurichten. Hierin müssen neben den erweiterten und vertieften Grundlagen in Theorie und Numerik unbedingt anwendungsorientierte Problemkreise gelehrt werden.
  • Mit dem angelsächsischen Credit-Point-System und einem Überangebot an Lehrveranstaltungen mit notwendigen aber einfachen Einschränkungen für die Auswahl von Fachblöcken ist es möglich, ohne Anträge und komplizierte Studienordnungen einen Studienplan nach Neigung zu verwirklichen und trotzdem das Profil einer Ingenieurdisziplin zu bewahren. Begründung: Das Diplom gilt international – in der Zwischenzeit auch in fast allen osteuropäischen Ländern – nur als erster Universitätsabschluß, der Master jedoch als zweiter, weil der Bachelor mit der Bachelor-Thesis verbunden ist. Man braucht mit dem ersten Teil des Hauptexamens, das den Bachelor-Abschluß darstellt, nur eine Bachelor-Thesis einzuführen, um dann mit dem üblichen zweiten Teil des Hauptexamens den Master-Grad zu erwerben. Für einen parallelen Diplomstudiengrad bisheriger Art wäre die Bachelor-Thesis eine Studienarbeit.
  • Es wird darauf hingewiesen, daß es in der Mechanik nicht sinnvoll ist, starke Stundenkonzentrationen von mehr als etwa 5 SWS pro Vorlesungswoche in den Anfangssemestern vorzunehmen, weil das Begreifen und das sichere Anwenden auf nichttriviale Probleme i.d.R. einen schwierigen Lern- und Setzungsprozeß erfordert. Deshalb ist es erforderlich, die Mechaniklehre zukünftig auch verstärkt im Hauptstudium weiterzuführen und für Interessierte kontinuierlich vom ersten Studiensemester durchgängig bis einschließlich zur Vertiefung anzubieten. Erst ab dem 6. oder 7. Semester sind Kompaktkurse in der Mechanik sinnvoll. Es ist von jeher ein Problem, daß die Mechanik von den Ingenieurstudierenden als logisch schwierig und abstrakt eingestuft wird. Dies wird durch die Loslösung von den späteren Anwendungen verstärkt, da Ingenieurstudierende meist induktiv, beginnend mit einfachen Beispielen, und nicht deduktiv denken. Deshalb wählen relativ wenige Studierende die Mechanik im Hauptstudium als Prüfungsfach. Daher ist die Kopplung von Theorie und Lösungsmethoden mit Experimenten anhand realer technischer Problemstellungen motivierend für das Fach selbst.

Die Ziele können damit wie folgt zusammengefaßt werden:

  • Die Mechanik als mitgestaltendes Fach der Ingenieurstudiengänge, nicht nur als pro pädeutisches Fach
  • Erzeugen eines kritischen und zugleich motivierenden Bewußtseins der Lehrenden für die Ansprüche des Fachs aber auch für die Denkweise von Ingenieuren
  • Motivation der Studierenden - trotz der inhaltlichen Schwierigkeiten - durch eine verständlich aufgebaute Lehre mit qualitativen Experimenten und praxisnahen technischen Anwendungen, darunter auch spektakulären Effekten und damit durch die Verwirklichung der Leibnizschen Forderung "Theoria cum praxi"
  • Insgesamt Verwirklichung des Anspruchs: Die Mechanik trägt wesentlich zur "Qualitätssicherung und zur Innovationsfähigkeit der Ingenieure bei".

 

4.2. Mechaniklehre im Grundstudium

Sie muß eine sichere Basis für alle Anwendungen und für die weiterführende Lehre gewährleisten. Das Diplomvorexamen ist eine einheitliche Schnittstelle deutschsprachiger Universitäten, was z.B. für Studienwechsel sehr wichtig ist. Im Hauptstudium gibt es Verzweigungen der Studienpläne gemäß den Wahlmöglichkeiten der Lehrangebote, was sich bei Einrichtung von Bachelor- und Master-Studiengängen noch verstärken wird. Deshalb ist ein fundiertes Basiswissen in der Mechanik im Grundstudium wesentlich für die Zuverlässigkeit von Ingenieuren. Es geschieht nämlich häufig, daß Studierende mit "weichen Fächern" im Hauptstudium später in Bereichen arbeiten, in denen "harte Fächer" erforderlich sind.

Das sogenannte Mechaniksieb ist unerläßlich für die Sicherung der naturwissenschaftlichen Grundlagen der Ingenieure; es fördert außerdem den intellektuellen Anspruch des Universitätsstudiums. In diesem Zusammenhang darf nicht vergessen werden, daß wir eine innere Auslese der Studierenden treffen, während in den meisten anderen Ländern eine äußere Auslese durch Aufnahmeprüfungen stattfindet. Hierfür stellt die Mechanik zusammen mit der Mathematik eine notwendige Basis und Hürde dar.

Wesentliche Aspekte sind:

  • Die sorgfältige Behandlung der Grundgesetze der Mechanik
  • Die zutreffende und für die jeweilige Problemstellung angemessene physikalisch-mathematische Modellbildung für wichtige Problembereiche
  • Modellanalyse und Lösungseigenschaften für zulässige Parameterbereiche
  • Analytische und numerische Lösungen mit interessanten Anwendungen
  • Modellbewertung, insbesondere von vereinfachenden Annahmen (Hypothesen), durch Vergleich mit Versuchsergebnissen und ermittelten Lösungen für verschieden genaue Modellbildungen
  • Wichtige technische Anwendungen und Effekte
  • Bezüge zu Anwendungsfächern der eigenen und anderer Ingenieurdisziplinen

Bei aller Rücksicht auf die Probleme der Studierenden sollte man die Lehrinhalte nicht einfacher machen als sie sind.

Als Lehrumfang sind mindestens 16 SWS (Vorlesungen, Übungen, Praktika) erforderlich.

 

4.3. Mechaniklehre im Hauptstudium, Bedeutung der Numerischen Mechanik
  • Tendenzen zur Einschränkung der Mechaniklehre entstehen aus dem allgemeinen Ziel der Studienzeitverkürzung, aber auch durch viele neue anwendungsorientierte Teildisziplinen, die in die Curricula aufgenommen werden. Dies birgt die Gefahr eines zu großen Anteils des Überblickwissens in sich.
  • Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die stürmische Zunahme computerorientierter Problemgenerierungs- und Berechnungsmethoden mit zugehörigen allgemein verfügbaren Computerprogrammen für komplexe Anwendungsgebiete, insbesondere unter Verwendung der Finite-Element-Methode. Diese werden von den Anwendungsfächern häufig in die Lehre einbezogen, ohne daß die Grundlagen der Methoden sowie deren Einschränkungen und Grenzen angemessen vermittelt werden. Ohne diese elektronischen Hilfsmittel wären viele Problemlösungen in den Anwendungsfächern gar nicht möglich. Hiermit kann jedoch nicht der Anspruch erhoben werden, auch die physikalischen und mathematischen Grundlagen von Methoden und Algorithmen sowie Bedingungen für die Konvergenz und Fehleruntersuchungen von Näherungslösungen abzudecken. Aufgrund der wachsenden Bedeutung der heutigen numerischen Methoden ist es hingegen erforderlich, deren Grundlagen in das Mechanik-Hauptstudium zu integrieren. Da diese Approximationsmethoden mechanisch und mathematisch anspruchsvoll sind, vor allem deren Stabilitäts- und Konsistenzaussagen sowie die Fehleranalysis, wird die Ansiedlung der zugehörigen Lehre der Numerischen Mechanik im Bereich der Mechanik im Einvernehmen mit der Numerischen Mathematik als die natürliche Lösung angesehen, zumal Mechaniker i.d.R. auch gute Mathematiker sind.
  • Selbstverständlich ist die Erweiterung und Vertiefung der allgemeinen Grundlagen der Mechanik für interessierte Studierende von Bedeutung. Es ist hierbei zu bedenken, daß auch der Nachwuchs für die Grundlagenfächer in Universitäten, Forschungsinstituten und Industrie herangebildet werden muß. Und es sei auch bemerkt, daß ein zu spätes Aufsatteln wichtiger Basisvorlesungen, z.B. der allgemeinen Kontinuumsmechanik, nicht mehr strategisch genutzt werden kann, vor allem bei der Erstellung von Dissertationen als Mitarbeiter in Instituten oder als Studierende in einem Graduiertenkolleg.
  • Es wird hervorgehoben, daß das Primärstudium die Innovations- und Weiterbildungsfähigkeit für das gesamte Berufsleben ermöglichen muß. In einem Technologieland müssen also die Grundlagen dafür gelegt werden, daß Ingenieure nicht nur heute und morgen sondern auch übermorgen noch neue Technologien zustande bringen.
  • Als Lehrumfang sind je nach Prüfungsplan Teilfächer und Gesamtfächer von 8 bis 16 SWS angemessen und sinnvoll.

Allgemeine Aspekte der Mechaniklehre im Hauptstudium sind deshalb:

  • Die Mechanik als eigenständiges Fach in der Verknüpfung von Theorie und Lösung, Experiment und Numerik sowie mit Lösungen anspruchsvoller technischer Probleme
  • Eine gemischt streng analytische und zielorientierte Denkweise zur logisch strukturierten, schrittweise vereinfachten Modellbildung mit der bewußten Unterscheidung zwischen wesentlichen und vernachlässigbaren Phänomenen mit Hilfe von Grenzbetrachtungen und Abschätzungen zulässiger Parameterbereiche, d.h. nach dem Ingenieurgrundsatz; "So genau wie nötig und so einfach wie möglich".
  • Die Einbeziehung der computerorientierten numerischen Lösungsmethoden (Finite- Element-Methoden, Finite Randintegralgleichungsmethoden, Finite Differenzen- Methoden, Finite Volumenmethoden u.a.) in Verbindung mit der physikalisch- mathematischen Modellbildung und interessanten Anwendungen. Die Abstimmung der Schnittstellen mit den zugehörigen Lehrveranstaltungen der Numerischen Mathematik ist hierbei wichtig. Es ist auch erforderlich, programmtechnische Aspekte zu behandeln und diese mit der angewandten Informatik abzustimmen.
  • Der Beitrag der Mechanik dazu, der zunehmenden Tendenz des Nur-Tastendrückens und der Zahlengläubigkeit von akademisch ausgebildeten Ingenieuren entgegenzuwirken und die von kritischer Einsicht geprägte Anwendung von Programmsystemen zur Regel zu machen.
  • Das Verständnis für eine von der Materialphysik abgeleitete Materialmechanik unter Einbeziehung von Mikroskalen und praktischen Ergebnissen
  • Die Beschreibung komplexer Bewegungs- und Deformationsabläufe sowie der Beanspruchungen von Strukturen und deren Stabilität in kombiniert experimentell-- theoretisch--numerischer Vorgehensweise
  • Die Beschreibung von Strömungs- und Transportvorgängen in Natur und Technik, insbesondere Skalenprobleme und Phasenübergänge in gemischt experimentell- theoretisch--numerischer Vorgehensweise
  • Parameteridentifikation von Material-, Struktur- und Prozeßparametern durch Lösung der inversen Probleme mit deterministischen oder stochastischen Methoden
  • Struktur-, Prozeß- und Systemoptimierung zur Erzielung von Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit unter vielen einschränkenden Bedingungen. Wichtige Aspekte hierbei sind die kurz- und langfristige Lebensdauer einer Struktur oder von Funktionsweisen.
  • Sicherheits- und Zuverlässigkeitstheorie technischer Systeme, Risikoabschätzung unter verschiedenen Aspekten.
  • Computer-Simulation komplexer gekoppelter Probleme, z.B. von Wind-Fluid-Strukturinteraktion sowie der Versagensprozesse von Strukturen in Integralbauweise, akustische Abstrahlungsprobleme u.v.a.
  • Durchführung gemischt theoretisch-experimentell-numerischer Studien- und Diplomarbeiten
  • Beiträge zum Technologietransfer Universität–Industrie durch die verständliche Einbeziehung neuer Forschungsergebnisse in die Lehre sowie in Veröffentlichungen und Lehrbücher

 

4.4. Zur Bedeutung von Experimenten für die Mechaniklehre

Im Grundstudium sind qualitative Demonstrationen und Experimente von großem pädagogischem Wert, weil sie die abstrakte Theorie für Ingenieurbedürfnisse veranschaulichen. Begleitende Seminare in Mechaniklabors und Wettbewerbe, z. B. Traglastwettbewerbe mit gewichtsoptimierten Strukturen aus Pappe, Holz oder Preß- platten, können sehr motivierend sein. Hierbei treten die Mängel von zu einfachen Modellbildungen, d.h. die Gefahr der Vernachl6auml;ssigung wichtiger Effekte, besonders zutage.

Im Hauptstudium sollten vermehrt qualitative und quantitative Versuche eingesetzt werden. Dies ist sowohl erkenntnism6auml;ßig als auch methodisch (z.B. bei Parameteridentifiktionen) oder zur Aufdeckung maßgebender Wirkmechanismen von großer Bedeutung. Eine ganzheitliche Betrachtung erfordert also die strategische Einbeziehung von Experimenten. Deshalb sollten auch vermehrt experimentelle Studienarbeiten in Verbindung mit numerischen Simulationen durchgeführt werden. Demzufolge ist die Erhaltung und der Ausbau von Labors im Bereich der Mechanik unbedingt notwendig.

 

4.5. Allgemeine didaktische Gesichtspunkte

Für die gesamte Mechaniklehre gelten folgende Gesichtspunkte:

  • Faszination der physikalischen Leistungsfähigkeit einfacher, abstrakter mathematischer Modelle
  • Logische Systematik von Modellfolgen verschiedener Genauigkeitsstufen und deren Ordnungsstrukturen, unbedingt verknüpft mit vergleichenden Ergebnissen aus Berechnungen und Experimenten
  • Motivation für die "Aufschlüsselung" von Analyse und Synthese technischer Problemstellungen
  • Einbeziehung elektronischer Lehrprogramme (Teachware) sowie allgemein zugänglicher Software in Lehre und Eigenstudium. Hiermit können grundsätzliche Effekte und Parameterstudien nichttrivialer Probleme effektiv studiert werden. Dies trägt entscheidend zur Motivation und zum Lernerfolg bei, nämlich selbst - auch mit numerischen Experimenten - schwierige Zusammenhänge aufschlüsseln zu können und sie mit dem Lehrgebäude in Einklang zu bringen
  • Wecken eines kritischen Verständnisses für neue technische Entwicklungen in der Wechselwirkung von Mensch und Natur
  • Erlernen des arbeitsteiligen Entwickelns und Forschens zur Erzielung ganzheitlicher, optimaler Lösungen im kritischen Diskurs
  • Bewußtmachen der Notwendigkeit des nicht nur richtigen sondern auch hinreichend vollständigen Denkens zur Abschätzung aller möglicher Einflüsse eines Problems. Man bedenke dessen Bedeutung für öfters erforderliche Rückrufaktionen technischer Produkte.

 

5. Schlußbemerkung

Die vorliegende Denkschrift dient der grundlegenden Erörterung von Ingenieurstudiengängen aus der Sicht des Grundlagenfaches Mechanik. Es wurden viele Aspekte dieser strittigen Thematik dargelegt und die aufgestellten Thesen begründet.

Die GAMM, die sich als europäische Gesellschaft mit Schwerpunkt im deutschsprachigen Raum versteht, und das DEKOMECH, das im Bereich der Mechanik die Interessen aller deutscher Dozenten und Professoren sowie vieler Mitarbeiter in Industrie, Wissenschaft und Verwaltung vertritt, möchten als berufsständige Vertretungen und als verantwortliche Mitgestalter der zukünftigen technologischen Entwicklung Ansprechpartner und Mitwirkende zukünftiger Curricula und Studienpläne von Ingenieurstudiengängen sein. Sie bitten um Einbeziehung in die weiteren Beratungs- und Entscheidungsprozesse, in denen auch deutliche europäische und weitere internationale Koordinierungen erforderlich sind.