Digitale Assistenz- und Lernsysteme - Gestaltung lernförderlicher Systeme für die manuelle Montage - Industrie 4.0 Management
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Assistenzsysteme
Digitale Assistenz- und Lernsysteme
Gestaltung lernförderlicher Systeme für die manuelle Montage
Tina Haase, Dirk Berndt, Fraunhofer IFF Magdeburg, Wilhelm Termath und Michael Dick,
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Die Autoren stellen einen methodischen Ansatz für die lernförderliche Gestal-
tung von Assistenzsystemen vor und leiten Anforderungen an deren Gestal- Digital Assistance and Learning Systems −
tung ab. Sie legen der Gestaltung dieser Systeme ein grundlegendes Verständ- Design of Systems for Manual Assembly
nis der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine zugrunde, das Entschei- Conducive to Learning
dungen und Verantwortung auch weiterhin beim Menschen verortet. The authors present a methodological approach for
Abschließend zeigen die Autoren konkrete Erfordernisse und Maßnahmen designing assistance systems conducive to learning
eines partizipativen Gestaltungs- und Einführungsprozesses. and derive requirements for their design. They base
the design of these systems on a fundamental
understanding of the cooperation between humans
and machines, which still places decisions and re-
Digitale Assistenzsysteme unterstützen wachenden und kontrollierenden sponsibility with humans. Finally, the authors show
den Mitarbeitenden in der betrieblichen Funktion. Erfahrungen, die der Mitarbei- concrete requirements and measures of a partici-
Praxis bereits in vielen Tätigkeitsberei- tende früher bei der Bearbeitung kleiner patory design and implementation process.
chen [1]. In der Instandhaltung ruft die Störungen machen konnte, bleiben Keywords:
Arbeitsperson aktuelle Zustandsdaten heute weitgehend aus. Dennoch ist es assistive technology, conducive to learning, learning
komplexer technischer Anlagen ab, erforderlich, dass der Mitarbeitende in in the work process, activity system
öffnet in der Arbeitssituation die aktu- der Fehlersituation schnell, effizient und
ellsten Wartungsdokumente zu einer richtig reagiert. Das Dilemma der Auto-
fehlerhaften Komponente und erhält mation [4] macht deutlich, dass die
Dr.-Ing. Tina Haase leitet die Arbeitsgruppe Digitale Assistenz-
mit Bezug zu dieser Maschine die Infor- Unterstützung für den Mitarbeitenden und Lernsysteme in der Abteilung Fertigungsmesstechnik und
digitale Assistenzsysteme am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb
mation, welcher Mitarbeitende dort zwar zu einer Entlastung führt, ihm aber und -automatisierung IFF in Magdeburg.
wann die letzte Wartung durchgeführt auch Erfahrungen als Bedingung der
Dr.-Ing. Dirk Berndt ist stellvertretender Institutsleiter des Fraun-
hat [2]. Kompetenzentwicklung vorenthält, die hofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in
Magdeburg und leitet dort die Abteilung Fertigungsmesstechnik
durch neue Lerngelegenheiten kom- und digitale Assistenzsysteme.
Digitale Assistenz- und pensiert werden könnten.
Wilhelm Termath ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl
Lernsysteme Betriebspädagogik der Otto-von-Guericke-Universität Magde-
Dequalifizierung burg.
In der manuellen Montage werden As- Prof. Dr. Michael Dick ist Arbeits- und Organisationspsychologe
und leitet den Lehrstuhl Betriebspädagogik an der Otto-von-Gue-
sistenzsysteme eingesetzt, um die Mon- Insbesondere in standardisierten Pro- ricke-Universität Magdeburg.
teure bei der Montage zunehmend zessen und Tätigkeiten ist der Einsatz
variantenreicher Produkte zu unterstüt- digitaler Assistenzsysteme mit dem Ri-
zen. Schritt-für-Schritt-Anleitungen auf siko der Dequalifizierung verbunden.
einem arbeitsplatznah installierten Das technische System liefert die erfor-
Display sind hier derzeit am weitesten derlichen Informationen zur Bearbeitung
verbreitet [3]. Die Assistenzinhalte der des nächsten Arbeitsschritts und der
Anwendungen sind ebenso heterogen Mitarbeitende führt diese aus. Oft ist es
wie die verschiedenen Ausgabegeräte nicht erforderlich, zu verstehen, warum
zu deren Anzeige. Aber auch über deren die Durchführung in einer bestimmten
konkrete Gestaltung hinaus geht der Weise erfolgen muss, oder welche alter-
Einsatz digitaler Assistenzsysteme mit nativen Vorgehensweisen denkbar
verschiedenen Herausforderungen wären. In diesem Szenario wird dem
einher: Mitarbeitenden in der Zusammenarbeit
von Mensch und Maschine die ausfüh-
Ironies of Automation rende Rolle zugewiesen. Es gibt Kons-
tellationen, in denen dieses Szenario
Infolge der zunehmenden Vernetzung, seine Berechtigung hat, beispielsweise
Automatisierung und Digitalisierung der bei der beruflichen Rehabilitation und
Maschinen und Anlagen verändert sich der Inklusion leistungsgewandelter tina.haase@iff.fraunhofer.de
www.iff.fraunhofer.de/de/geschaeftsbereiche/
die Aufgabe des Menschen im Arbeits- Mitarbeitender. Um Mitarbeitende aber fertigungsmesstechnik-digitale-assistenzsyste-
system immer stärker hin zu einer über- langfristig zu befähigen, in sich wan- me.html
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Assistenzsysteme
einzelnen Operationen
realisiert wird (Bild 1).
Die Relevanz dieser Unter-
scheidung für die Gestal-
tung von Assistenzsyste-
men liegt darin, der Ar-
beitsperson einen Bezug
zum eigentlichen Gegen-
stand ihrer Arbeit als
sinnstiftendem und damit
motivierendem Element
zu ermöglichen. Die Arbeit
ist in einen gegenständli-
chen, sozialen und kultu-
Bild 1: Tätigkeitssystem und delnden und komplexen Arbeitssystemen sicher rellen Rahmen eingebettet, der dem Individuum
Verortung des Assistenzsys- agieren und neue Problemlösungen aus vorhan- das Potenzial zur Expansion eröffnet. In [9] be-
tems (in Anlehnung an [8]). denen Erfahrungen generieren zu können, ist schreiben die Autoren die Ableitung des Modells
hingegen eine ganzheitliche und lernförderliche eines Lerntätigkeitssystems vor diesem theore-
Arbeitsgestaltung erforderlich. tischen Hintergrund.
Wir betrachten hier Assistenzsysteme für manu- Ableitungen für den Gestaltungs- und
elle Montageprozesse. Diese sind häufig stark Implementierungsprozess
arbeitsteilig und auf wenige Operationen redu-
ziert. Das Assistenzsystem soll aber als fähigkeits- Mit diesem Anspruch werden im Folgenden
verstärkendes System ein Lernen im Prozess der Überlegungen für den Gestaltungs- und Imple-
Arbeit ermöglichen, den Handlungsspielraum mentierungsprozess lernförderlicher und arbeits-
der Monteure erweitern, sich an ihre Bedürfnisse platzintegrierter Assistenzsysteme entwickelt.
und die Arbeitssituation anpassen und zur Qua- Zunächst werden Einflussgrößen ermittelt, die
litätssicherung beitragen. Das bedeutet, dass nicht die spätere Technologieauswahl und -gestaltung
nur die Ausführung, sondern auch die Planung bestimmen. Dazu werden Verfahren der Arbeits-
und Evaluation einer Handlung ermöglicht und und Anforderungsanalyse eingesetzt. Es werden
Literatur unterstützt werden muss. dann konkrete Lernförderlichkeitsdimensionen
eingeführt und mit dem Konzept des Tätigkeits-
[1] Niehaus, J.: Mobile Assistenzsysteme
für Industrie 4.0: Gestaltungsoptio-
Das Tätigkeitssystem als theoretischer systems verschränkt. Eine nachhaltige Nutzung
nen zwischen Autonomie und Rahmen und Akzeptanz der entwickelten Lösung soll durch
Kontrolle. Düsseldorf 2017.
[2] Keller, A.; Haase, T.: Kognitive Assis-
einen partizipativen Einführungs- und Gestal-
tenzsysteme in der Prozessindustrie. Die Einlösung des Anspruchs einer ganzheitli- tungsprozess unterstützt werden. Abschließend
Ergebnisse eines partizipativen
Gestaltungsansatzes. In: Gesellschaft
chen, partizipativen Arbeitsgestaltung erfordert werden wichtige Erkenntnisse dieses Prozesses
für Arbeitswissenschaften (Hrsg.): eine entsprechende theoretische Rahmung. aus der praktischen Durchführung vorgestellt.
Arbeit interdisziplinär analysieren
- bewerten - gestalten. Dortmund
Diese kann sich am hierarchischen Modell
2019. menschlicher Arbeitstätigkeit [5] orientieren. Die Parameter mit Einfluss auf die
[3] Haase, T.; Radde, J.; Keller, A.; Berndt,
D.; Dick, M.: Integrated Learning and
Operation als kleinste Einheit umfasst lediglich Wirksamkeit des Assistenzsystems
Assistive Systems for Manual Work die Ausführung einzelner Handlungsschritte, die
in Production-Proposal for a Syste-
matic Approach to Technology
Handlung hingegen umfasst auch deren Ziele In der Weiterentwicklung der bisher oft technik-
Selection and Design. In Internati- und Planung. Erst auf der Ebene der Tätigkeit zentrierten Entwicklungsprozesse bedarf der
onal Conference on Applied Human
Factors and Ergonomics (S. 853-
aber werden individuelle Motive wirksam, die wirksame Einsatz von Assistenzsystemen der
859). Cham 2020. als Treiber bewusster und absichtlicher Lernpro- Betrachtung vielschichtiger Einflussfaktoren.
[4] Bainbridge, L.: Ironies of automation.
In: Analysis, design and evaluation
zesse [6] erforderlich sind. Auf dieser Ebene Diese wurden auf der Basis praktischer Erfah-
of man–machine systems. Perga- geraten auch die Rahmenbedingungen der rungen in der Gestaltung und Erprobung von
mon 1983.
[5] Hacker, Winfried u. Pierre Sachse:
Organisation und die Arbeitsgestaltung in den Assistenzsystemen sowie von Literaturrecherchen
Allgemeine Arbeitspsychologie. Blick. Die aus Arbeiten der kulturhistorischen ermittelt und in eine Morphologie überführt.
Göttingen [u.a.]. 2014.
[6] Volpert, Walter: Das Modell der hi-
Schule [7] entwickelte Tätigkeitstheorie [8] be- Bild 2 zeigt einen Auszug dieser Morphologie.
erarchisch-sequentiellen Hand- trachtet Tätigkeiten in ihrem gegenständlichen Die Auswahl der inhaltlichen Kriterien wird in
lungsorganisation. In Hacker, W.,
Volpert, W. & von Cranach, M. (Hg.):
Charakter als Verbindung zwischen dem Indivi- [11] ausführlich beschrieben.
Kognitive und motivationale Aspek- duum und der Organisation bzw. der Gesell-
te der Handlung. Berlin: Huber 1983.
S. 38–58.
schaft. Sie repräsentieren ein materielles oder Für die Nutzbarmachung dieser Morphologie
[7] Kölbl, C.: Kulturhistorische Schule. ideelles Motiv für das Individuum. Die Handlung werden die Einflussfaktoren mit konkreten be-
In: Mey, G.; Mruck, K. (Hrsg): Hand-
buch Qualitative Forschung in der
ist dagegen auf das Ziel einer konkreten Aufga- trieblichen Erfahrungsgeschichten verknüpft.
Psychologie. Wiesbaden 2010. be bezogen, die mit der Durchführung von Ziel ist es, den Transfer theoretischer Gestal-
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Assistenzsysteme
tungsparameter in die Praxis zu fördern und Beispiel wird erläutert, dass die erfahrenen Bild 2: Auszug aus der
Unternehmen dafür ein unterstützendes System Mitarbeitenden die Relevanz des Einsatzes eines Systematik der Technologie-
an die Hand zu geben. interaktiven 3D-Modells aufgrund ihrer beruf- auswahl und -gestaltung.
lichen Erfahrung besser beurteilen können.
Bild 3 zeigt die praktische Umsetzung der in- Jüngere Mitarbeitende hingegen stellen höhe-
teraktiven Systematik. Sie wird webbasiert re- re Anforderungen an die Visualisierung, weil
alisiert und ermöglicht zunächst das Erkunden sie ähnliche Anwendungen im privaten Umfeld
der Gestaltungsdimensionen und der zugehö- nutzen.
rigen Kategorien. So ist z. B. bei der Betrachtung
der Arbeitsperson die Altersstruktur ein Krite- Die Erfahrungsgeschichten werden von be-
rium, das die Gestaltung der zukünftigen Lösung trieblichen Erfahrungsträgern selbst formuliert
beeinflusst. Dazu kann der Anwender in der („von der Praxis für die Praxis“), ggf. redaktionell
Systematik eine hinterlegte Erfahrungsgeschich- bearbeitet und sind im System mit den zuge-
te der Firma A abrufen. Dort wird beispielhaft hörigen Einflussgrößen und Gestaltungs-
die folgende Erfahrung beschrieben: das Un- elementen verknüpft. Über die Angabe von
ternehmen A war bei der Einführung einer Kontaktdaten können interessierte Anwen-
Virtual Reality-Anwendung für Instandhaltungs- der*innen in Austausch mit den Erfahrungs-
monteure zunächst skeptisch, ob die älteren trägern kommen.
Monteure dieses
Werkzeug akzep-
tieren und anwen- Bild 3: Navigation in der
den werden. In der Systematik und Auswahl
Erprobung beob- einer Erfahrungsgeschichte.
achtete das Unter-
nehmen dann je-
doch, dass eben
diese Monteure
mit großer Begeis-
terung dabei wa-
ren und die tech-
nischen Details
erkundet haben.
Die Erfahrungsge-
schichte gibt dafür
einen Erklärungs-
versuch und for-
muliert Take-Ho-
me-Messages. Im
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Assistenzsysteme
Lernförderliche arbeitsplatzintegrierte tierende Veränderungen müssen frühzeitig
Lern- und Assistenzsysteme in der Montage sichtbar und in ihren Auswirkungen erlebbar
gemacht werden. Die Anwender stehen für die
Eine Vielzahl digitaler Assistenzsysteme, die in Gültigkeit der Assistenzinhalte und für die
den letzten Jahren für die Unterstützung von Relevanz der Aufgabe. Sie sind die Experten für
Montageprozessen entwickelt wurden, fokus- ihren Arbeitsplatz, für die Organisation mit
sierten sich primär auf die Vorgabe richtiger ihren Regeln, Normen und Werten, und sie sind
Handlungsabfolgen. Beispiele hierfür sind Pick- Teil einer Community of Practice. Die Gestaltung
To-Light-Systeme oder Desktop-Anzeigen in der eines digitalen Assistenzsystems erfordert
Automobilindustrie. Diese Art der gelenkten und weiterhin eine technologische Perspektive und
alternativlosen Vorgabe richtiger Teiloperationen Expertise. Technologieexperten kennen den
ohne Hintergrundinformationen und ohne die technischen Möglichkeitsraum, können die
Möglichkeit der Exploration führt eher zu einer neue Lösung in die vorhandene IT-Infrastruktur
Einschränkung von Lernprozessen und zur De- integrieren und sind damit Impulsgeber für die
qualifizierung der Mitarbeitenden [10]. Technologieauswahl. Eine Lösung, die alle
Perspektiven gleichermaßen widerspiegelt,
Eine Weiterentwicklung dieser Systeme zu lern- erfordert von allen Beteiligten ein Bewusstsein
förderlichen Assistenzsystemen erfordert kon- für diese Interdisziplinarität und die Bereitschaft,
krete Gestaltungskriterien [3], die einer lern- und die Gestaltungsentscheidungen in diesem
motivationsförderlichen Arbeitsgestaltung [12- Spannungsfeld kooperativ zu vollziehen.
14] verpflichtet sind. Mechanismen, die Neugier
entfachen und die Beschäftigung mit dem Zusammenfassung und Ausblick
Lerngegenstand aufrechterhalten, können die-
se Prozesse unterstützen. Systemimmanente Digitale Assistenzsysteme werden bei der Un-
[8] Leontjew, A.: Tätigkeit, Bewußtsein,
Motivationsanreize, bspw. positive Verstärker terstützung manueller Montageprozesse
Persönlichkeit (Beiträge zur Psycho- oder Feedbacks, dienen diesem Zweck. zunehmend zur Anwendung kommen. Neben
logie, Bd. 1, 1. Auflage). Berlin 1979. der unmittelbaren Unterstützung bei der
[9] Haase, T.; Termath, W.; Dick, M.;
Berndt, D.; Schenk, M.: Workplace-in- Die formulierten Kriterien sollen über die bloße Durchführung der Tätigkeit können Assistenz-
tegrated assistance systems con- Anpassung an eine vorgegebene Abfolge von systeme zukünftig auch einen wichtigen Beitrag
ducive to learning designed for
production. In: Sihn, W.; Schlund, S. Montageschritten hinaus ein subjektives Expan- zur menschgerechten Arbeit leisten. Erste
(Hrsg): Competence development sionspotenzial abdecken. Dieses kann z. B. darin Erfahrungen in der industriellen Praxis zeigen,
and learning assistance systems for
the data-driven future. Berlin 2021. bestehen, vorhandenes Wissen zu erweitern und dass lernförderliche Inhalte zur Aufwertung
[10] Frieling, E.; Müller, R. F.; Bernard, H.; damit individuelle Ziele zu verbinden, oder sich der eigenen Tätigkeit und damit zu einer Stär-
Bigalk, D.: Lernen durch Arbeit.
Münster 2006. in einen kollegialen Zusammenhang zu stellen kung der Identifikation mit dem Unternehmen,
[11] Schenk, M.; Haase, T.; Berndt, D.; Fi- und an der Weiterentwicklung der Arbeitsprozes- dem Produkt und der Tätigkeit beitragen
scher, E.: Adaptive Assistenzsysteme
als Antwort auf komplexe Produk- se mitzuwirken. Den eigenen Beitrag an der Ge- können. Mögliche Inhalte, wie z. B. die
tionsprozesse und heterogene samtleistung sichtbar zu machen, stiftet Sinn und Funktionsweise des zu montierenden Bauteils,
Belegschaften. In: Spath, D.; Span-
ner-Ulmer, B. (Hrsg): Digitale Trans- Identität [15]. Das Assistenzsystem könnte so im entstehende Kosten oder der eigene Beitrag
formation - Gutes Arbeiten und Idealfall zum Symbol und Artefakt einer „commu- zur Nachhaltigkeit des Unternehmens, ermög-
Qualifizierung aktiv gestalten. Berlin
2019. nity of practice“ [16] werden. lichen dem Mitarbeitenden die eigene Tätig-
[12] Franke, G.; Kleinschmitt, M.: Der keit in den Unternehmenskontext einzuordnen.
Lernort Arbeitsplatz. Berlin Köln
1987. Partizipativer Einführungsprozess So werden monotone Arbeitsfolgen durch-
[13] Dehnbostel, P.: Lernen im Prozess brochen und kann der Gefahr der Dequalifizie-
der Arbeit. Münster 2007.
[14] Franke, G.: Erfahrung und Kompe- Die Wirksamkeit eines Assistenzsystems wird rung entgegengewirkt werden. Dies erfordert
tenzentwicklung. In: Dehnbostel, P. maßgeblich von der Akzeptanz des Systems bei einen Gestaltungsprozess, der von einer
u. a. (Hrsg): Erfahrungslernen in der
beruflichen Bildung – Beiträge zu den Mitarbeitenden bestimmt. relevanten betrieblichen Fragestellung aus-
einem kontroversen Konzept. geht, einen systematischen Prozess der Tech-
Neusäß 1999.
[15] Wehner, T.; Clases, C.; Endres, E.: Si- Akzeptanz, verbunden mit einer nachhaltigen nologieauswahl und -gestaltung anschließt
tuiertes Lernen und kooperatives Nutzung und einer gemeinsamen Vision der Wirk- und die Mitarbeitenden bereits früh im Prozess
Handeln in Praxisgemeinschaften.
In: Endres, E.; Wehner, T. (Hrsg): samkeit des Systems, wird bereits in der frühen beteiligt.
Zwischenbetriebliche Kooperation. Phase der Systemgestaltung durch einen Aushand-
Die Gestaltung von Lieferbeziehun-
gen. Beltz 1996. lungsprozess zwischen fachlicher, arbeitsgestal- Der Beitrag entstand im Rahmen der Projekte „Le-
[16] Wenger, E.: Communities of Practice. tender und technologischer Perspektive geschaf- ARn4Assembly“ (Förderkennzeichen 01PV18007A)
Learning, Meaning, and Identity.
Cambridge 1998. fen. Wenn es gelingt, das System zum selbstver- und „MORPH-IT“ (Förderkennzeichen 01PJ21003A),
[17] Fredrich, H.; Dick, M.; Haase, T.: Zur ständlichen „Werkzeug“ der Mitarbeitenden zu die vom Bundesministerium für Bildung und For-
Passung von Arbeitsanforderungen
und digitalen Assistenztechnologi- machen, kann eine stetige Nutzung und damit schung gefördert werden.
en in handwerklichen und indust- auch eine Aktualität der Inhalte ermöglicht werden.
riellen Montageprozessen. In: AR-
BEIT HUMAINE gestalten. 67. Früh- Schlüsselwörter:
jahrskongress der Gesellschaft für Dieses Vorgehen hat vor allem die Arbeitsor- Assistenzsysteme, lernförderlich, Lernen im Prozess
Arbeitswissenschaft 2021. Dort-
mund 2021. ganisation des Unternehmens im Blick. Resul- der Arbeit, Tätigkeitssystem
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