[Fach- und Methodenkompetenz in medizinnahen (technischen) Studiengängen durch den Bau digitaler Durchlicht- und holografischer Mikroskope vermitteln: Ein Pilotprojekt]

 Christian Hanshans ¹
Friederike Burkhardt <sup>1

1</sup> Hochschule München, Fakultät VI, angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik, München, Deutschland

Zusammenfassung

Diese Arbeit beschreibt ein fachübergreifendes Lehrkonzept für medizinnahe Studiengänge. Die Studierenden bauen, testen und optimieren hierbei über ein Semester zwei Typen von Mikroskopen – kostengünstige, digitale, automatisierte Durchlichtmikroskope und 3D-holografische Mikroskope. Das Projekt ist in die Vorlesungen Medizintechnik, Medizinische Bildgebung sowie Anatomie und Physiologie eingebettet und zielt darauf ab, theoretisches Wissen mit praktischer Anwendung zu verknüpfen.

Das Konzept umfasst Vorlesungen, interaktive Seminare, Laborübungen und selbstständige Projektarbeit. Die Studierenden erlernen praktisch die technischen Schritte: 3D-Druck, Verkabelung, Programmierung, Zusammenbau und Anwendung der Mikroskope. Zu den wesentlichen Lernzielen zählen das physikalische Grundlagenwissen, die Anwendung von Fertigungsverfahren, die gezielte Nutzung von Open-Source-Ressourcen und schließlich der Einsatz des selbst konstruierten Mikroskops im praktischen Teil einer medizinischen Vorlesung. Darüber hinaus fördert der projektbasierte Ansatz methodische Kompetenzen, Problemlösefähigkeiten sowie soziale Kompetenzen und Teamfähigkeit.

Der erste Durchlauf zeigte eine gesteigerte Beteiligung der Studierenden und verbesserte Prüfungsergebnisse bei den teilnehmenden Studierenden. Qualitative Rückmeldungen hoben die motivationale Wirkung des Projekts hervor. Obwohl das Konzept für Studierende der Medizintechnik entwickelt wurde, enthält es gut übertragbare Elemente, die sich in vielen Bereichen der medizinischen Ausbildung nutzen lassen. Neben didaktischen Aspekten bieten Ansätze auf Basis von Open-Source und 3D-Druck kostengünstige und nachhaltige Alternativen zu teuren traditionellen Laborgeräten.

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Einleitung

In der Medizintechnik-Ausbildung ist es eine zentrale Herausforderung, theoretisches Wissen mit praktischen Erfahrungen zu verknüpfen. Hochwertige Laborgeräte wie digitale, automatisierte Durchlicht- oder gar holografische Mikroskope sind oft zu teuer für den regulären Lehrbetrieb. Um diese Lücke zu schließen, entwickelt dieses Projekt ein pädagogisches Konzept, das Studierenden das Bauen, Verbessern und Anwenden von DIY-Mikroskopen (do-it-yourself) auf Basis von Open-Source und kostengünstigen Komponenten ermöglicht.

Das Projekt ist in der Studienrichtung Medizintechnik verankert und fachübergreifend in die Lehrveranstaltungen „Medizintechnik 1“, „Medizinische Bildgebung“ und „Anatomie und Physiologie 1“ eingebunden. Es verbindet technische und methodische Fertigkeiten mit Problemlösungskompetenz und basiert auf sozial-konstruktivistischen und situierten Lernprinzipien. Diese praxisorientierte Initiative stärkt nicht nur die technischen Kompetenzen in Physik, Ingenieurwesen, Rapid Prototyping und Programmierung, sondern auch überfachliche Fähigkeiten wie Teamarbeit und Projektmanagement.

Dieser Bericht beschreibt Umsetzung und Ergebnisse des Projekts sowie dessen Potenzial als übertragbares Modell für andere fachübergreifende und interdisziplinäre Lehr- und Lernkontexte im Bereich medizinnaher Studiengänge oder in der medizinischen Ausbildung. Während das primäre Ziel die Förderung technischer Lernziele war, zeigt das Projekt auch, wie praxisnahe, projektbasierte Methoden Motivation und Engagement in Anatomie- und Physiologieveranstaltungen steigern können und damit den Weg für interprofessionelle Zusammenarbeit in klinischen und biomedizinischen Kontexten ebnen. Studien bestätigen den Wert der additiven Fertigung in Bildungskontexten und zeigen ihr Potenzial, das Studierendenengagement zu erhöhen und das Verständnis komplexer Konzepte zu vertiefen. In der Medizintechnik wie auch in der Medizin hat sich der 3D-Druck besonders bewährt, indem er die Herstellung von anatomischen Modellen, Prothesen und anderen biomedizinischen Geräten ermöglicht. Studien heben die Vorteile des 3D-Drucks für die Förderung interdisziplinärer Zusammenarbeit und praktischer Problemlösungsfähigkeiten bei Studierenden hervor [1]. Auf dieser Grundlage implementierte dieses Projekt einen DIY-Ansatz, der es Studierenden ermöglicht, digitale, automatisierte oder 3D-holografische Mikroskope zu konstruieren, zu programmieren und im medizinisch-praktischen Kontext zu verwenden. Das Curriculum der untersuchten Kohorte legt Wert auf aktives Lernen und Kompetenzaufbau durch praktische Erfahrungen [2], [3]. Darüber hinaus nutzt das Kursdesign sozial-konstruktivistische Prinzipien und kollaboratives Problemlösen in Gruppenprojekten. Dies soll die Beteiligung der Studierenden und den Wissensaustausch fördern und so Motivation und Engagement im Lernprozess steigern [4]. Forschungsergebnisse zeigen, dass situiertes Lernen nicht nur faktenbasiertes Wissen vermittelt, sondern auch die impliziten Fertigkeiten, die für effektives Problemlösen und die Entwicklung beruflicher Kompetenzen notwendig sind [5]. Die Bloom’sche Taxonomie betont die Entwicklung kritischen Denkens und Problemlösefähigkeiten, da von den Studierenden höhere kognitive Leistungen verlangt werden, die direkt mit den Lernzielen verknüpft sind [6], [7], [8]. Dadurch, dass die Benotung ebenfalls direkt an diese Lernziele gekoppelt ist, können Lehrende das Verständnis und die Kompetenzen der Studierenden genauer messen.

Projektbeschreibung

In diesem projektbasierten Lehrmodell entwerfen und bauen Studierende zwei unterschiedliche Arten digitaler Mikroskope, basierend auf Open-Science Ansätzen und Open-Source Komponenten, die sie anschließend zur Erarbeitung histologischer Inhalte nutzen. Dabei entwickeln sie grundlegende iterative Fähigkeiten in Konstruktion, Rapid-Prototyping, Programmierung und medizinischer Anwendung (siehe Abbildung 1 [Abb. 1]).

Die gebauten Mikroskope basieren auf Vorarbeiten von Open-Science-Initiativen und Open-Source-Elementen [3], [9]. Im Pilotprojekt wählen die Studierenden geeignete Materialien basierend auf mechanischen und optischen Eigenschaften aus. Sie drucken die notwendigen Bauteile im 3D-Druck und montieren die Mikroskope, wobei elektronische Komponenten und Software integriert werden (siehe Abbildung 2 [Abb. 2]). Der Montage- und Testprozess verläuft iterativ: Studierende justieren Optiken, optimieren mechanische Passungen, prüfen die Gesamtfunktionalität und passen die Software an.

Der Bau eines motorgesteuerten Digitalmikroskops fördert primär mechatronische Kompetenzen, da er den mechanischen Aufbau sowie die Integration von Hard- und Softwaresystemen in den Mittelpunkt stellt. Hierbei beschäftigen sich Studierende mit Themen wie Konstruktion und Fertigungstechnik, Steuerung von Aktoren und hardwarenahe Programmierung. Im Gegensatz dazu erfordert das 3D-holografische Mikroskop einen physikalisch vergleichsweise einfachen Aufbau (siehe Abbildung 3 [Abb. 3]), stellt jedoch komplexere Anforderungen in algorithmischer Bildrekonstruktion und Programmierung. Diese Optionen bieten innerhalb des Projekts selbstbestimmte und individualisierte Lernwege.

19 Medizintechnik-Studierende (5. Semester) nahmen teil und arbeiteten das Semester über in Teams (Gruppengröße 2-3) zusammen. Das Projekt wurde kontinuierlich von studentischen Hilfskräften und technischem Personal unterstützt. Das Projekt wurde von Vorlesungen, interaktiven Seminaren und praktischen Laborterminen flankiert. In den technischen Vorlesungen lernten die Studierenden physikalische Grundlagen, optische Sensoren und Rapid-Prototyping-Verfahren und mikroskopische Anatomie und Anwendungen im medizinischen Fach. Die Seminare ermöglichten Diskussionen zwischen Studierenden und Lehrenden und förderten kritisches Denken. Die Sitzungen berücksichtigten unterschiedliche Vorkenntnisse der Teilnehmer.

Herausforderungen und Fehlersuche waren fester Bestandteil des Lernkonzepts. Dadurch stärkt das Projekt nicht nur technische und methodische Kompetenzen, sondern auch aktives Problemlösen und Teamarbeit.

Entsprechend der Bloom’schen Taxonomie sollten die Studierenden Fertigkeiten und Kompetenzen erwerben, die sowohl Grundlagenwissen als auch höherstufiges Denken fördern. Auf der Ebene „Wissen und Verstehen“ sollten die Studierenden mikroskopische Gewebestrukturen wiedergeben, die Grundprinzipien des Rapid Prototyping sowie Funktionen mikroskopischer Verfahren verstehen. Dieses Wissen wandten die Studierenden an, indem sie Bauteile im 3D-Druck herstellten und Steuerungseinheiten der Mikroskope programmierten. Sie bewerteten selbstständig („Analysieren“) optische Qualität und Komponentenkompatibilität. Um zu „Evaluieren“, beurteilten die Studierenden kritisch die Leistung ihrer Geräte im Vergleich zu kommerziellen Mikroskopen. Die Stufe „Erzeugen/Schaffen“ wurde erreicht, als Teams funktionsfähige Mikroskope für spezifische Anwendungen bauten und verbesserten.

Für dieses Pilotprojekt wurde ein hybrides Prüfungsformat verwendet, das traditionelle Prüfungen mit projektbasierten Beurteilungen kombiniert, um das theoretische Wissen und die praktischen Fertigkeiten der Studierenden zu erfassen [10]. Die Leistung wurde anhand von Peer-Feedback, Beurteilungen durch Lehrende und der Qualität der fertiggestellten Mikroskope bewertet.

Ergebnisse

Teilnahme und Engagement

Die Projektteilnahme war mit 69% der in das Modul eingeschriebenen Studierenden deutlich höher als die üblichen 40% bei freiwilligen Veranstaltungen. Von den regelmäßigen Vorlesungsteilnehmern nahmen 95% am Projekt teil (normalerweise nur 50% in diesem Studiengang).

Die Studierenden berichteten in qualitativen Rückmeldungen von höherer Motivation durch das Projekt. Viele schätzten die selbstständige Arbeitsweise und fühlten sich stark mit ihrer Arbeit verbunden. Ein Studierender äußerte: „Ein Mikroskop von Grund auf zu bauen, ermöglichte mir, die Eigenschaften jeder Komponente und ihren Beitrag zur Gesamtfunktionalität des Geräts zu verstehen.“

Die Studierenden berichteten, dass der Bau eigener Mikroskope ihnen half, die Komponenten und deren Zusammenspiel zu verstehen. Rückmeldungen betonten, dass das Projekt Problemlösefähigkeiten, Teamarbeit und Selbstsicherheit bei technischen Aufgaben wie Rapid Prototyping, Löten und Programmieren förderte. In der parallel laufenden Lehrveranstaltung Anatomie und Physiologie zeigten die Studierenden, die das Mikroskop gebaut hatten, eine um 22% bessere Leistung in den Laborveranstaltungen zur mikroskopischen Anatomie.

Die selbstgebauten Durchlichtmikroskope (siehe Abbildung 4 [Abb. 4]) erreichen eine vergleichbare Qualität wie kommerzielle Geräte, beispielsweise das im Labor verfügbare Zeiss Axiolab 5 (bei 400-facher Vergrößerung). Die Motorisierung in X/Y-Richtung ermöglicht zusätzlich automatisierte Probenscans und bietet eine kostengünstige und nachhaltige Alternative zu herkömmlicher Laborausstattung. Die Z-Achse erlaubt das (automatisierte) Fokussieren.

Die Mikroskope besitzen kein Okular. Das Bild wird in Echtzeit auf einen Bildschirm projiziert. So können alle Teammitglieder (typischerweise 3 Studierende) gleichzeitig die Probe sehen, während der Dozent erklärt. Dies führte zu lebhafteren Diskussionen im Team, da nun alle auf bestimmte Strukturen auf dem Bildschirm zeigen konnten. In früheren Semestern mit herkömmlichen Durchlichtmikroskopen waren Diskussionen seltener und oberflächlicher. Ein Beispielbild einer studentisch gebauten Mikroskopaufnahme bei 400× Vergrößerung von lymphatischem Gewebe ist in Abbildung 5 [Abb. 5] zu sehen.

Abbildung 6 [Abb. 6] zeigt ein menschliches Haar, aufgenommen mit einem 3D-holografischen Mikroskop. Dieses liefert topografische Informationen der Probe, die mit konventioneller Mikroskopie nicht erreichbar sind. Das System zeichnet Interferenzmuster eines gestreuten Laserstrahls auf, aus denen sowohl Amplituden- als auch Phaseninformationen der Probe mittels digitaler Holographietechniken berechnet werden. Da der kostengünstige Einplatinencomputer (Raspberry Pi 4B mit 4 GB RAM) nicht die nötige Rechenleistung bietet, wurden Aufnahme- und Darstellungsprozess getrennt. Eine Echtzeitfähigkeit wäre jedoch mit einem stärkeren Rechner möglich.

Die aufgezeichneten Dateien erfordern eine komplexe Bildrekonstruktion (mit einer Rechenzeit von etwa 2 Minuten pro Bild), die zu einem hochauflösenden Pseudo-3D-Bild führt. Die Materialkosten liegen ebenso wie die der digitalen Durchlichtmikroskope unter 200 €.

Diskussion

Die Projektteilnahme lag mit 69% deutlich über der üblichen Teilnahmequote von 30-40% bei freiwilligen Veranstaltungen. Das hohe Engagement zeigt, dass die Studierenden das Projekt als sehr relevant für ihre Ausbildung empfanden. Während des Projekts entstanden Herausforderungen durch fehlende Hardwarekomponenten und die Gruppendynamik. Diese Schwierigkeiten sind typisch für interdisziplinäre, praxisnahe, technische Projekte [1]. Bei fehlenden elektronischen Komponenten wählten die Studierenden alternative Bauteile und lernten zusätzlich Löten und elektronische Integration. Dies förderte komplexere Denkprozesse und Problemlösefähigkeiten im Sinne der Bloom'schen Taxonomie [7]. Diese Anpassungen zeigten, wie wichtig Flexibilität und Problemlösungsfähigkeiten in ingenieurwissenschaftlichen Projekten sind. Organisatorische Probleme beim Arbeiten in Teams verdeutlichten den Bedarf an gezielter Unterstützung bei Kommunikation und Teamkoordination. Diese Erfahrungen waren wichtige Lerngelegenheiten und entsprechen der Theorie des situierten Lernens, da die Studierenden realen technischen und organisatorischen Problemen begegneten, wie sie im Beruf häufig auftreten [5]. Die pädagogischen Ergebnisse entsprechen sozial-konstruktivistischen Prinzipien und zeigen die Wirksamkeit aktiven und kollaborativen Lernens. Die Studierenden übernahmen Eigenverantwortung für ihre Projekte, was vermutlich zur höheren Motivation und besseren Prüfungsleistung beitrug. Die Nutzung von Open-Source Ressourcen motivierte die Studierenden, Verbesserungen und Modifikationen mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu teilen und förderte die Wertschätzung für Wissensaustausch. Trotz des Erfolgs gab es einige Herausforderungen. Da die Veranstaltung freiwillig war, entstand ein Selektionsbias, der bei der Betrachtung der Ergebnisse ebenso wie die geringe Anzahl der Studierenden und kleine Vergleichsgruppe zu berücksichtigen ist. Zusätzlich erforderten logistische Probleme wie Lieferverzögerungen und unterschiedlich gut funktionierende Teams Flexibilität und Problemlösungsfähigkeiten. Dies zeigt, wie wichtig strukturierte Anleitung und kontinuierliche Unterstützung in projektbasierten Lernformaten sind. In künftigen Lehrveranstaltungen wird daher vermehrt die Möglichkeit zur Teamarbeit angeboten und weitere Anwendungsfelder für das Konzept verschränkter Lehrveranstaltungen mit semesterbegleitenden Projekten erschlossen. Eine detaillierte und systematische wissenschaftliche Begleitung ist notwendig, um die Wirksamkeit der Maßnahme zu objektivieren und mit klassischer Lehre vergleichen zu können. Kooperationen mit medizinischen Fakultäten könnten die Grundlage für interprofessionelle Ausbildung legen, indem Mediziner und Ingenieure gemeinsam reale Probleme lösen und Teamfähigkeiten entwickeln.

Fazit

Das Projekt zeigt den Wert fachübergreifenden und interdisziplinären Lernens: Die Studierenden wenden ihr technisches Wissen in medizinischen Kontexten an und verknüpfen so Technik und Medizin. Der Bau der Mikroskope fördert Zusammenarbeit und technische Expertise gleichermaßen und vermittelt für medizinnahe, technische Berufe wichtige praktische Fähigkeiten.

Obwohl das Projekt für Medizintechnik-Studierende konzipiert wurde, lassen sich die Kernprinzipien auf die medizinische (oder pflegewissenschaftliche) Ausbildung übertragen. Die Integration von Open-Science bzw. Open-Source Quellen und praktischen Methoden bereichert auch medizinische Grundlagenfächer wie die der mikroskopischen Anatomie und macht komplexe Konzepte (wie das Thema Mikroskopie) zugänglicher und ansprechender. Dies könnte auch für Medizin- oder Pflegestudierende relevant sein. Die Kombination aus Vorlesungen, interaktiven Seminaren und praktischen Laborübungen bietet eine umfassende Lernerfahrung und bereitet die Studierenden auf reale biomedizinische Herausforderungen vor. Das Projekt zeigt außerdem, dass budgetbewusste Alternativen zu herkömmlicher Laborausstattung mit Hilfe von günstiger Elektronik und 3D-Druck durchaus selbst hergestellt und sinnvoll im Lehrbetrieb eingesetzt werden können.

ORCIDs der Autor*innen

• Christian Hanshans: [0000-0002-1923-7791]
• Friederike Burkhardt: [0009-0000-4306-7051]

Interessenkonflikt

Die Autor*innen erklären, dass sie keinen Interessenkonflikt im Zusammenhang mit diesem Artikel haben.

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Literatur

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