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Digitale Schule

Das Thema “digitale Schule” ist für Schulen, Bildungsministerien, Lehrer, Schüler sowie Eltern präsent. Klar ist, dass eine Digitalisierung in allen Schulformen und Jahrgangsstufen erfolgen muss. Die Schwerpunkte sind dabei je nach Alter und Art der Bildungseinrichtung unterschiedlich.
In diesem Ratgeber geht es zunächst um eine technische Basis, also um die Frage, wie man ohne hohe Kosten und mit möglichst vorhandenen Geräten die grundlegende Infrastruktur für die digitale Schule schaffen kann. 

Wissenswertes zur digitalen Schule

Schon die Kleinsten bedienen Tablets problemlos.

Während im Privatleben die Nutzung von mobilen Geräten und vernetzbaren Technologien wie Smart Home Alltag ist, sind viele Bildungseinrichtungen noch lange nicht so weit. Denn es hakt an vielen Stellen: Finanzierung, Zuständigkeiten von Schulen und Bildungsverwaltungen, Auswahl der Geräte und sinnvolle Einbindung in den Unterricht - um nur einige zu nennen.

Dies macht das Thema oftmals so komplex, dass es viele Verantwortliche vor der scheinbaren Mammut-Aufgabe zurückschrecken lässt. Denn sie müssten zunächst die Voraussetzungen schaffen, um digitale Bildung überhaupt zu ermöglichen. Schon ein flächendeckendes, schnelles WLAN fehlt an vielen Schulen. Dabei nutzen Tablets und Whiteboards wenig, wenn das Netzwerk nicht stabil und zuverlässig funktioniert.

Die gute Nachricht ist: Mittlerweile gibt es Systeme, die mit geringem Aufwand und niedrigen Kosten sowie unter Nutzung der vorhandenen Infrastruktur eine optimale IT-Ausstattung gewährleisten. Denn "digital" bedeutet nicht gleichzeitig, dass man eine Vielzahl an neuen, teuren Geräten kaufen muss.

Im Folgenden zeigen wir allen Interessierten beispielhafte Wege, wie sie die ersten Schritte in Richtung digitale Schule gehen können.

Digitalisierung der Schule und des Unterrichts

Um den Schritt in die Zukunft zu wagen, sind zwei Aspekte zu berücksichtigen, die den Erfolg des digitalen Lernens ausmachen:

3D Drucker unterstützen den Unterricht in den MINT-Fächern.

Digitalisierung der Schule

Die Infrastruktur muss stimmen, weil sie die Basis aller weiteren Bemühungen um eine Digitalisierung des Unterrichts bildet. In der Regel handelt es sich um einmalige Arbeiten wie das Einrichten von Hardware. Dazu gehört die Ausstattung für stabiles WLAN und die Vernetzbarkeit der Geräte genauso wie ausreichende Möglichkeiten zum Laden sowie zum Transportieren und Aufbewahren von Tablets, Notebooks, Kameras oder Smartphones.

 

Digitalisierung des Unterrichts

Dies beinhaltet den täglichen Umgang mit digitalen Medien und Geräten. Hier sind Fragen zu klären, wie man 3D Drucker, Tablets, Smartphones oder Messgeräte zur digitalen Messwerterfassung sinnvoll und in Verbindung mit den jeweiligen Fachcurricula im schulischen Alltag einsetzt. Der Entwurf didaktischer Szenarien und die Anpassung von Lehrplänen ist deswegen ebenfalls ein zentraler Bestandteil. Genauso wichtig ist es, den Kindern den kritischen, reflektierten Umgang mit dem Internet und den sozialen Medien beizubringen.

Voraussetzungen in den Schulen

Zu den grundlegenden Voraussetzungen, um eine Schule zur digitalen Schule zu machen, gehört eine zuverlässige Internetanbindung mit zeitgemäßer Bandbreite, also mit einer stabilen Datenübertragung von mindestens 16.000 kbit/s. Diese Bandbreite muss in allen Räumen funktionieren, in denen mit internetfähigen Geräten gearbeitet werden soll. Zudem ist es wichtig, dass das Netzwerk eine hohe Zahl an Nutzern aushält. Denn surfen mehrere Schulklassen gleichzeitig, muss die Verbindung unverändert konstant bleiben. Sie darf nicht abbrechen oder langsamer werden.

Ausreichende Geldmittel, um die bestehende Netzwerktechnik und vorhandene digitale Medien zu ergänzen, sind ebenfalls notwendig. Hinzu kommen langfristig Kosten für Schulungen, Verbrauchsmaterialien, Lizenzkosten für Software und Apps sowie Personal zur Administration und Problembehebung.

Den auf dem Tablet geplanten Stromkreislaufpraktisch umsetzen.

Doch nicht nur die Infrastruktur muss stimmen. Auch Lehrer müssen sich der Digitalisierung öffnen und sinnvolle Anwendungskonzepte entwickeln. Hier stellt sich die Frage: Reicht es aus, einen Text als PDF auf das Whiteboard zu spielen statt als Ausdruck auszuteilen? Viele meinen: Nein, weil kein Mehrwert entsteht. Sinnvoll wäre es beispielsweise, Links zu weiterführenden Informationen, Videos und Grafiken einzufügen oder den Text mit den Schülern gemeinsam interaktiv zu bearbeiten (Collaborative Editing).

Digitale Arbeitsmethoden brauchen allerdings nur zum Einsatz zu kommen, wenn sie tatsächlich einen Mehrwert bieten - und nicht nur, weil die Geräte zur Verfügung stehen und sie genutzt werden sollen.

Steht die Infrastruktur und existieren die ersten Ideen für den Einsatz der digitalen Medien, liegt ein großes Stück Arbeit hinter allen Beteiligten. Letztendlich sind es jedoch die Lehrer, mit denen jede Schulstunde steht und fällt. Setzen sie die vorhandenen Mittel nicht ein, kann das Konzept noch so perfekt sein. Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist daher, Lehrer in ihrem Bemühen um einen zeitgemäßen Unterricht mit digitalen Medien zu unterstützen. Ein Ansprechpartner vor Ort, der bei technischen Problemen schnell helfen kann, ist ebenfalls nicht zu unterschätzen.

Einfache Lösungen für die digitale Infrastruktur in Schulen

Zunächst gilt: Schulen brauchen sich nicht immer komplexe Systeme oder lauter neue Geräte zu kaufen. Viele Hersteller haben Produkte entwickelt, die mit geringem Budget gekauft und mit wenig Aufwand durch eine fachkundige Lehrkraft verwaltet werden können. Wir stellen Ihnen technische Möglichkeiten vor, wie Sie ein leistungsfähiges WLAN-Netzwerk installieren, das Internet in jedes Klassenzimmer bringt und vorhandene Geräte - selbst ältere Nadeldrucker - miteinander vernetzt. Außerdem zeigen wir, wie Sie vorhandene Beamer und Fernseher in smarte Tafeln verwandeln und wie Lehrer die Tablets ihrer Schüler steuern können.

Internet in jedem Klassenzimmer - mit wenig Aufwand

Fragen zu Beginn des Projekts 

Die erste Frage bei der Einführung der digitalen Schule sollte lauten: Hält das bestehende Netzwerk den Anforderungen durch eine Vielzahl an Nutzern und drahtlosen Geräten zur gleichen Zeit stand? Eine intensive Nutzung hat automatisch eine hohe Daten-, Sprach- und Videoübertragung zur Folge. Ist das Netzwerk dafür nicht ausgelegt, kommt es zu Flaschenhälsen, die zu einer Verstopfung der Datenautobahnen führen können.

Ein leistungsfähiges Netzwerk ist unbedingt notwendig.

Zudem ist die Sicherheit des Systems ein großes Thema. Denn das Netzwerk muss sensible Daten wie Notenlisten oder auch die kommenden Klassenarbeiten vor neugierigen Blicken von innen und außen schützen. Gleichzeitig dürfen Schüler aus dem Schulnetz keine jugendgefährdenden Inhalte erreichen können.

Um ein stabiles Netzwerk und die Sicherheit der gespeicherten Daten zu gewährleisten, ist eine Überprüfung des Ist-Zustands zu Beginn wichtig. Dabei sollten folgende Punkte beachtet werden:

Geräte und Nutzer: Wie hoch ist die Anzahl der Geräte mit Zugang zum Netzwerk und wie wird sich diese im Laufe der Jahre voraussichtlich entwickeln?

Storage: Benötigen Sie mehr Leistung, Kapazität oder Ausfallsicherheit für Ihren Netzwerkspeicher und Ihren Server? Dies hängt von der Komplexität der genutzten Anwendungen und Dienste ab.

Performance: Können bei erhöhtem Datenaufkommen, wie es bei großen Netzwerken in Schulgebäuden der Fall ist, Leistungsengpässe entstehen? Sollen bestimmte Dienste priorisiert werden?

WLAN: Gibt es Geräte, welche die WLAN-Frequenzen stören, weil sie auf der gleichen oder auf einer benachbarten Frequenz senden?

Daten: Welche Auswirkungen hätte ein Ausfall des Netzwerks auf den Unterricht? Gibt es eine Absicherung, sodass die Lehrkräfte ohne Probleme weiter unterrichten können?

Beispielhafte Netzwerklösung für die Schule

Der Aufbau eines Netzwerks in der Schule muss verschiedene Anforderungen erfüllen. Meist sind ein Unterrichtsnetz für Lehrer und Schüler sowie ein Verwaltungsnetz für das Verwaltungspersonal mit jeweils einer Verbindung zum Internet und entsprechenden Zugriffsrechten notwendig.

Lehrer möchten ihre eigenen Geräte für den Unterricht nutzen.

Diese beiden Netzwerke weisen ein völlig unterschiedliches Nutzerverhalten auf: Während das Unterrichtsnetz von einer wechselnden Anzahl an mobilen Nutzern auf unterschiedliche Weise gebraucht wird, arbeiten im Verwaltungsnetz nur wenige Angestellte der Schule an ihren festen Arbeitsplätzen.

Außerdem zeichnet sich das Unterrichtsnetzwerk dadurch aus, dass die Benutzer eine vordefinierte Arbeitsumgebung erwarten. Das heißt beispielsweise, dass die vielfältigen Anwendungen leicht zu finden und der Jugendmedienschutz aktiviert sein muss. Dazu werden unter anderem eine Auswahl an Webseiten gesperrt, die jugendgefährdende Inhalte zeigen. Auch der Zugriff auf soziale Medien oder andere, unerwünschte Seiten, lässt sich einschränken.

Eine mögliche Herausforderung an das Netzwerk ist, dass Lehrkräfte ihre eigenen Geräte mitbringen und nutzen möchten, auf denen beispielsweise die vorbereiteten Unterrichtsmaterialien gespeichert sind (Bring your own device, BYOD). 
Darüber hinaus gibt es mittlerweile sogenannte Portable Applications, die sich auf einem Speichermedium wie einem USB-Stick befinden und an die schuleigenen Geräte angeschlossen werden können.
In beiden Fällen hat die Systembetreuung keinen Einblick, welche Risiken, z.B. Schadsoftware, die fremden Geräte mit sich bringen. Hier ist zu überlegen, wie man mit diesen Fällen umgeht. 

Eine beispielhafte Netzwerklösung mit WLAN Access Points, die alle Anforderungen berücksichtigt, zeigt die folgende Grafik. Hier sieht man deutlich die klare Trennung der Zugriffsrechte von Unterrichtsnetzwerk und Verwaltungsnetzwerk.

Beispielhafte Netzwerklösung für die Schule.

Legende:

Blau: Unterrichtsnetzwerk

Rot: Verwaltungsnetzwerk

1: Netzwerk Switch

2: Router

3: NAS

4: Server

5: Cafeteria, Bibliothek

6: WLAN Access Points

7: Laptops, Tablets, usw im Unterrichtsnetzwerk

8: Laptops, Tablets, usw im Verwaltungsnetzwerk

9: Drucker

10: WLAN Management

Was braucht man für ein funktionierendes WLAN-Netzwerk?

Haben Sie ein Konzept für Ihr WLAN-Netzwerk erstellt, geht es daran, die einzelnen Geräte auszusuchen. Dabei spielt die Kompatibilität zwischen den Geräten, die Art der Montage sowie eine einfache Installation und Wartung eine große Rolle. Weitere, wichtige Faktoren sind Sicherheit, Schnelligkeit, Flexibilität, Trennung von Nutzergruppen, Management-Möglichkeiten, bauliche Gegebenheiten und nicht zuletzt die Kosten.

Für Ihr Netzwerk benötigte Geräte müssen Sie oftmals nicht komplett neu kaufen. Vorhandene Router oder Access Points können beim Ausbau des Netzwerks in der Regel weiterhin genutzt werden.

Internet-Anschluss: Je mehr Nutzer gleichzeitig im Internet sind, desto leistungsstärker muss es sein. Sprechen Sie hier am besten mit einem Fachmann, beispielsweise Ihrem Internetanbieter.

DSL-Router: Diesen können Sie bei Ihrem Internetanbieter mieten. Möchten Sie einen leistungsstärkeren oder den aktuellsten Router, gibt es die Geräte zu kaufen.

Netzwerk Switches verteilen Daten an Endgeräte.

Switching Netzwerk: Ein Switch verteilt die Daten an den Port, an dem das Endgerät angeschlossen ist. Hier liegt der Unterschied zu Repeater Hubs, welche die Daten an alle bereit stehenden Ports schicken. Es gibt verschiedene Arten von Switches. Empfehlenswert ist ein PoE Switch (Power over Ethernet), der nicht nur die Weiterleitung von Daten, sondern auch die Stromversorgung der angeschlossenen Access Points, Kameras, usw. übernimmt. So spart man sich das zusätzliche Verlegen von Stromkabeln. Weiterhin sollten die Switches für große Nutzerzahlen zu administrieren sein, indem der Netzwerkadministrator per Fernkonfiguration Zugriff auf das Gerät hat.

Die Switches sollten unauffällig angebracht sein und leise laufen, beispielsweise ohne Lüfter. Zur Montage eignen sich die Zwischendecken in den Klassenzimmern, wenn kein zentraler Raum für die Netzwerkverkabelung zur Verfügung steht. Achten Sie auf geeignete Montage-Systeme.

WLAN Access Points dienen als Schnittstelle zwischen kabellosen Geräten wie Computer oder Tablet und einem kabelgebundenen System. Mit diesen können Sie beispielsweise abgeschlossene Netzwerke für definierte Räume wie Physiksaal oder einem bestimmten Klassenzimmer einrichten.Sie sind per Kabel oder Funk mit dem Netzwerk verbunden, besitzen jedoch eine eigene Funkkennung (SSID, Service Set Identifier). So verringert sich die Höhe des Datentransfers zwischen Endgerät und Access Point sowie zwischen Access Point und Router nicht. Die Kapazität bleibt auf der gesamten Strecke zwischen Router und Endgerät gleich.

NAS bieten Speicherkapazität für umfangreiche Datenmengen.

Server ermöglichen die Speicherung von Daten und Programmen, die den im Netzwerk befindlichen Geräten (Clients) zur Verfügung gestellt werden. Sie sind für große Nutzergruppen und deren einfache Administration gedacht und deshalb modularer und leistungsfähiger als Netzwerkspeicher (NAS). 

Netzwerkspeicher (Network Attached Storage, NAS) sind wichtig, damit für große Datenmengen eine einfache Speicherkapazität vorhanden ist. So können Backups des Verwaltungsnetzes oder wichtige Daten für Schülerprojekte problemlos gespeichert werden. Diese lassen sich sowohl lokal als auch per Fernzugriff, wenn die Schüler beispielsweise von Daheim aus an einem Projekt arbeiten, abrufen. Sie erreichen jedoch nicht die Komplexität, Flexibilität und Leistungsfähigkeit von dezidierten Server-Lösungen. Sie können als "Mini-Server” gelten.

Alternativen zu Access Points sind Repeater. Diese fungieren als Signalverstärker und erweitern auf diese Weise das bestehende WLAN-Netzwerk. Allerdings ist zu beachten, dass Endgeräte und Repeater auf einer anderen Frequenz interagieren als Repeater und Router (Cross Band Repeating oder Intelligent Cross Band Repeating). Findet dies auf der gleichen Frequenz statt, halbiert sich die Datenübertragungsmenge (Same Band Repeating), der Transfer dauert entsprechend lange.  

Multi-Gigabit Switches (optional): Sollten herkömmliche Switches keine ausreichenden Geschwindigkeiten beim Datentransfer bieten, sind Multi-Gigabit Switches eine Alternative. Diese erreichen eine Geschwindigkeit von bis zu 10 GB/s, können also mit großen Datenpaketen wie Serverbackups oder Videodaten umgehen. Sie erkennen zudem automatisch, welche Geschwindigkeit das angeschlossene Gerät braucht und stellen diese zur Verfügung.   

WLAN Management: Dies ermöglicht die zentrale Administration der Access Points. Meist stellen Anbieter von Netzwerklösungen zwei Varianten zur Verfügung: Der Controller bietet ein lokales Management aller Access Points sowie die permanente Überwachung des gesamten WLAN-Netzwerks. Je nach Ausführung lassen sich bis zu 600 Access Points verwalten.
Alternativ ist die Administration cloudbasiert möglich, zum Beispiel über eine App. Deren Vorteil ist, dass das System zentral von jedem Ort aus verwaltet werden kann. Zugang zu den Management Systemen gewähren die Hersteller direkt in Form einer App oder einer Software.

Outdoor Access Point (optional): Um im Freien Zugriff auf das WLAN der Schule zu haben, gibt es spezielle Outdoor Access Points. So können Aufgaben im Sportunterricht oder Projektarbeiten an der frischen Luft mit stabilem Netzwerk- und Internetzugriff  bearbeitet werden.

Vorhandene Geräte in das neue WLAN-Netzwerk einbinden und Geld sparen

Im Unterricht

Steht das WLAN, geht es an die Anschaffung neuer Enderäte. Das kann schnell mehrere tausend Euro pro Gerät kosten, wenn man auf neue Technologien wie Whiteboards setzt. Um die digitale Schule zu realisieren, müssen jedoch auch in diesem Bereich keine teuren Anschaffungen gemacht werden. Der Nadeldrucker im Sekretariat und die (HDMI-)Fernseher oder Monitore in den Klassenzimmern lassen sich problemlos weiternutzen.

Um das digitale Lernen effektiv zu gestalten, müssen die vorhandenen WLAN-fähigen Medien miteinander verbunden werden. Ist ein stabiles WLAN-Netzwerk vorhanden, lassen sich beispielsweise die Tablets oder Notebooks von Lehrkraft und Klasse im Netzwerk koppeln und mit interaktiven Tafeln oder WLAN-fähigen Fernsehern verbinden. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise:

  • Die Schüler bearbeiten Aufgaben in Kleingruppen. Der Lehrer möchte die Gruppenarbeit beenden oder etwas zur Aufgabe erklären. Um die Aufmerksamkeit der Schüler auf sich zu lenken, sendet er von seinem Tablet aus eine Nachricht auf jedes Schüler-Tablet mit der Aufforderung, nach vorne zu schauen.
  • Ein Schüler hält ein Referat. Der Lehrer gibt den Bildschirm des Vortragenden für den Fernseher frei, sodass alle Mitschüler die vorbereitete Präsentation, ein Video oder Bilder sehen.
  • Der Lehrer kann mit einer geeigneten App alle Bildschirme seiner Klasse aufrufen und sieht so, wie weit seine Schüler mit der gestellten Aufgabe sind.
  • Ein Schüler rechnet auf der interaktiven Tafel. Seine Berechnungen erscheinen auf den Bildschirmen der Mitschüler und der Lehrkraft. Diese kann auf ihrem Tablet etwas ergänzen, was ebenfalls auf allen Geräten sichtbar wird (Bidirektionale USB-Touch-Eingabenübertragung).

Was Sie zur Umsetzung brauchen, ist ein interaktiver Display Adapter und Access Point. Diese einzigartige Lösung bietet beispielsweise Silex an.

In der Verwaltung und zur Organisation des Unterrichts  

Auch die Verwaltung ist im Netzwerk eingebunden.

Diese Vernetzung funktioniert nicht nur in der Klasse, sondern auch rund um die Organisation und Verwaltung der Schule. Dazu ist ein USB Device Server ausreichend. Dieser Adapter verbindet USB-Geräte mit dem Netzwerk, die eigentlich nur mit USB-Kabel an einem einzelnen Computer funktionieren. Beispielsweise Scanner, Drucker oder Kameras. Selbst alte Nadeldrucker lassen sich mit diesem Adapter mühelos in das moderne Umfeld integrieren. Sind die Geräte am Device Server angeschlossen, werden sie WLAN-fähig.

Vorhandene Treiber und Software-Programme auf den PCs können weiterhin genutzt werden. Die zum Device Server gehörende Software fügt dem Betriebssystem des Computers, von dem man drucken möchte, einen virtuellen Port hinzu. Auf diese Weise verhält sich das Betriebssystem so, als ob der Drucker direkt angeschlossen wäre, obwohl sie über die WLAN-Netzwerkverbindung bidirektional kommunizieren.

Vorteil: Ein umständliches Umstecken zwischen mehreren Computern ist nicht nötig. Lehrerkollegium und Sekretariat greifen bequem auf die gleichen Geräte zu, egal wo sie sich gerade im Schulgebäude befinden. Dabei hat jeder die gleichen Rechte und Zugriffsmöglichkeiten, die er auch hätte, wenn er direkt mit dem USB-Gerät verbunden wäre.

Wenn größere Datenmengen von Kamera oder Scanner übertragen werden, macht es Sinn, die Datendurchsatzrate des Servers zu berücksichtigen und ggf. einen USB3-Device-Server zu verwenden. Vor dem Einsatz sollte überprüft werden, ob alle einzubindenden Geräte kompatibel sind. Nicht jeder Device Server arbeitet nämlich mit jedem USB-Gerät zusammen.

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