Digitale Transformation zur Hochschule 4.0

Themen wie Industrie 4.0 und Digitalisierung sind in aller Munde. Wird es an deutschen Hochschulen auch eine digitale Revolution geben? Häufig sieht der Alltag dort noch anders aus

Oftmals sind Computer-Pools der Universitäten technisch nicht auf dem neuesten Stand. Rechenzentren stehen vor der Herausforderung traditionelle Hardware-Infrastrukturen fortlaufend zu erneuern und deren Software manuell auf aktuellem Stand zu halten. Viele Hochschulen haben daher noch einen weiten Weg der digitalen Transformation vor sich.

Um den Startpunkt einer solchen Transformation zu finden, ist es wichtig, die Abläufe an Hochschulen zu verstehen. Die Form der Lehre besteht in der Regel aus Vorlesungen und praktischer Anwendung der theoretischen Inhalte in Form von Laborübungen. Dieses Arrangement soll Studierenden neben dem Wissen aus Vorlesungen zusätzlich fundierte praktische Kenntnisse vermitteln. Vor allem technische Vorlesungsveranstaltungen behandeln meist komplexe Inhalte, die in Laborübungen durch Aufgaben und Beispiele vertieft werden. Laborübungen dieser Art werden üblicherweise an hochschulinternen Pool-Computern durchgeführt. Dabei werden meist individuelle Softwarelösungen benötigt, die meist spezielle Konfigurationen erfordern.

Besonders softwarezentrische Labore, wie Programmier-, SAP-, oder Datenbankübungen erfordern einen hohen administrativen Aufwand. Dieser umfasst Neuinstallationen, Updates und Wartung der Software. Ein zusätzlicher organisatorischer Aufwand entsteht durch die örtliche Abhängigkeit der Laborübungen von der Hochschule, einer begrenzten Anzahl von Pool-Computer sowie variierenden Teilnehmerzahlen.

In der Vergangenheit genügte das einmalige Einrichten eines Computer-Pools, um langfristig einen erfolgreichen Laborbetrieb zu gewährleisten. Diese komfortable Situation hat sich zwischenzeitlich grundlegend verändert. Häufige Updates und schnell wechselnde Softwareanforderungen erschweren die Bereitstellung identischer Laborumgebungen auf den einzelnen Pool-Computer. Zudem müssen Mitarbeiter des Rechenzentrums aufgrund dynamischer Veränderungen der Anforderungen die vorhandene IT-Infrastruktur mit erheblichem Aufwand auf einem aktuellen Stand halten.

Somit ist die Aufrechterhaltung des Laborbetriebs für Hochschulen eine große Herausforderung und zusätzlich mit erheblichen Kosten verbunden. Die Herausforderung soll zukünftig durch den Einsatz von flexiblen cloudbasierten Infrastrukturen und Technologien der Vergangenheit angehören.

Cloud-Technologien als Schlüssel der Hochschule 4.0?

Durch moderne Cloud-Infrastrukturen ergeben sich im Software- und Hardwarebereich neue Potenziale. Im Fokus stehen dabei eine Senkung der Kosten und die Reduktion des administrativen Aufwands für Laborumgebungen. Die Nutzung der Laborumgebung gestaltet sich flexibler, wodurch eine Standortunabhängigkeit erreicht wird. Nachfolgend werden die Potentiale der Cloud-Technologien im Umfeld von Hochschul-Laboren aufgezeigt.

Potential - Administration der Labore

Die Administration von Laboren im IT-Umfeld ist mit viel Wartungsaufwand verbunden. Dieser Wartungsaufwand liegt in den Händen der Mitarbeiter des Rechenzentrums, in deren Zuständigkeitsbereich fällt das Einspielen neuer Software oder bestimmter Updates auf Computer-Pools. Wenige Mitarbeiter des Rechenzentrums sind in der Verantwortung, eine Vielzahl an Laborumgebungen zu administrieren.

Durch Cloud-Infrastrukturen kann diese einseitige Verantwortung von den Händen weniger Mitarbeiter in die Hände vieler Mitarbeiter verlagert werden. Laborverantwortliche können nach ihren eigenen Vorstellungen entsprechende Laborumgebungen eigenständig gestalten und einsetzen. Neben einer verbesserten Administration wird ebenso die Flexibilität erhöht.

Ablauf vom Erstellen eines neuen Labors durch Professoren bis hin zur Nutzung des Labors in der Cloud durch Studierende.

Potential - Flexibilität

Eine optimierte Administration wirkt sich positiv auf die Flexibilität von Laborumgebungen aus. Änderungen an der Gestaltung der Labordurchführung kann die verantwortliche Person direkt vornehmen. Selbst kurzfristige Änderungen können problemlos in den Laborbetrieb einfließen. Für Professoren bietet eine Cloud-Infrastruktur mehr Flexibilität. Studierende erhalten die Möglichkeit, ihre Laborübungen außerhalb der Hochschule durchzuführen. Durch diese örtliche Unabhängigkeit sind Studierende in der Einteilung ihrer Zeit deutlich flexibler.

Labore, die eine spezielle Hardware voraussetzen, wie zum Beispiel Messeinrichtungen, profitieren nicht von der gewonnenen örtlichen Unabhängigkeit. Die Laborpräsenz der Studierenden in der Hochschule ist in diesem Fall nach wie vor erforderlich.

Potential - Variable Kosten

Die Flexibilität von Cloud-Infrastrukturen baut mit dem Konzept Pay-Per-Use auf einem modernen Abrechnungsmodell auf. Betrachtet man aktuelle Laborumgebungen, so verursachen diese zum größten Teil fixe Kosten. Dazu zählen beispielsweise die Anschaffung, die Wartung und der Betrieb von Computer-Pools sowie Server-Infrastrukturen, die stark von der Teilnehmerzahl einer Laborübung abhängen.

Cloudanbieter hingegen setzen mit Pay-Per-Use auf eine variable Kostenabrechnung. Die Zahlung erfolgt nur für die tatsächliche Nutzungsdauer der jeweiligen Services. Das bedeutet nicht, dass Pay-Per-Use immer einen günstigeren Laborbetrieb ermöglicht. Allerdings kann der Bedarf an Pool-Computern je nach Anzahl der Teilnehmer skaliert werden.

Potential - skalierbare virtuelle Rechenleistung

Virtuelle Rechenleistung bietet die Möglichkeit, diese nach Bedarf anzupassen. Wird vorübergehend mehr Rechenleistung benötigt, kann diese mit geringem Aufwand entsprechend skaliert werden. Diese variable Anpassung ist zugeschnitten auf das Pay-Per-Use Abrechnungsmodell. Eine kurzzeitige Erhöhung der Rechenleistung hat eine kurzzeitige Erhöhung der Kosten zur Folge.

Ein Vorteil dabei ist die schnelle Bereitstellung hoher Rechenleistung für spezifische Anwendungsfälle. Somit muss keine teure Hardware zusätzlich angeschafft werden, die nur selten zum Einsatz käme. Eine über die Cloud verfügbare Laborumgebung ist durch Cloudservices vollständig virtualisierbar und somit nicht an die Infrastruktur der Hochschule gebunden.

Die aufgezeigten Potenziale von Cloudtechnologien zeigen neue Möglichkeiten, die in der Vergangenheit nur erschwert umsetzbar waren. Aus den neuen Möglichkeiten resultiert der Wunsch vollständig virtualisierte Laborumgebungen auf Basis von cloudbasierten Technologien einzusetzen. Ein erster Ansatz dazu, wurde im Hochschulforschungsprojekt namens "Cloudlab" verfolgt.

CloudLab - Das Labor der Zukunft?

Um eine Modernisierung von Laborübungen zu erreichen, wurde innerhalb des Masterstudiengangs "Angewandte Informatik" der Hochschule Esslingen das Forschungsprojekt "CloudLab" ins Leben gerufen. Im Rahmen des Projekts erforschen Studierende die Potentiale von Cloud-Technologien für den Einsatz im täglichen Hochschulleben und die digitale Modernisierung konventioneller Laborübungen. Hierbei steht vor allem die Entwicklung eines cloudbasierten Laborsystems im Vordergrund. Das System kann als virtuelle Laborumgebung in der Cloud betrachtet werden und soll in Zukunft vor allem die aktuelle Übungsinfrastruktur der Labore ersetzen.

Wie soll das funktionieren?

Die grundlegende Idee ist die Bereitstellung von virtuellen Maschinen für Studierende innerhalb der Cloud. Diese bereitgestellten Maschinen können Studierende während eines Semesters nutzen, um praktische Übungen neben den theoretischen Vorlesungsveranstaltungen durchzuführen. Zudem ermöglicht das cloudbasierte Laborsystem den Professoren die Verwaltung und Konfiguration verschiedener Laborübungen über eine webbasierte Benutzeroberfläche. Diese bietet Professoren die Möglichkeit, Laborumgebungen zu erstellen und die Anzahl der teilnehmenden Studierenden festzulegen. Studierende können dabei beliebig nach Semester und Laborgruppen eingeordnet werden.

Während des Anlegevorgangs einer Laborübung erfolgt eine grundlegende Konfiguration der virtuellen Maschinen. Dies ermöglicht, spezifische Anforderungen wie beispielsweise Art des Betriebssystems, Leistungsstärke der Hardware oder zusätzlich erforderliche Software festzulegen. Die Anforderungen der benötigten Laborumgebung können je nach Art der praktischen Übung sehr unterschiedlich sein.

Nach dem Anlegen eines Labors erhalten Professoren sogenannte Zugangstoken für Studierende. Diese Zugangstoken werden von Studierenden benötigt, um Zugriff auf ihre jeweilige virtuelle Maschine zu erlangen. Am Ende eines Semesters haben Professoren die Möglichkeit, die virtuellen Maschinen zu löschen und die Laborübung für das kommende Semester neu zu konfigurieren.

Welche Vorteile ergeben sich?

Von einem cloudbasierten Laborsystem profitieren Studierende, Professoren und die Hochschule selbst. Studierenden wird eine flexible Möglichkeit geboten, um ihre praktischen Laborübungen durchzuführen. Hierbei spielt es keine Rolle, ob sich ein Studierender direkt an der Hochschule oder am anderen Ende der Welt befindet. Eine standortunabhängige Nutzung ist zukünftig kein Problem, da sich die jeweilige Laborumgebung virtuell in der Cloud befindet.

Neben den Studierenden können auch Professoren für ihre Laborübungen Vorteile gewinnen. Durch die Nutzung von Ressourcen aus der Cloud kann jede Laborumgebung individuell an ihre Anforderungen angepasst werden. Zu den Anforderungen gehören zum Beispiel verschiedene Software, Hardware oder spezielle Infrastrukturen, die für praktische Übungen benötigt werden. Zudem kann jede Laborübung flexibel auf verschiedene Teilnehmerzahlen angepasst werden. Dies ist ein wichtiger Punkt, da sich die Teilnehmerzahlen im Sommersemester und Wintersemester oft sehr unterscheiden.

Für die Hochschule ist der Einsatz von cloudbasierten Laborumgebungen wegen der Einsparungen von Kosten sehr attraktiv. Da Cloud-Anbieter heutzutage sehr moderne und flexible Kostenstrukturen anbieten, kann die Hochschule ihre derzeit konstant vorhandenen Kosten für Laborübungen zukünftig nach Bedarf variabel gestalten. Neben dem Vorteil der variablen Kosten kann die Hochschule Studierenden ein innovatives und digitales Lernumfeld bieten, welches die Attraktivität der Hochschule für Studierende deutlich steigert.

Wie geht es weiter?

Das Forschungsprojekt Cloudlab wurde im Sommersemester 2018 initiiert und steht noch in den Kinderschuhen. Daher stellt die beschriebene Funktionalität des CloudLab-Systems nur den grundlegenden Kern dar. Zukünftig wird dieser Kern mit neuer Funktionalität und innovativen Ideen fortlaufend erweitert. Hierzu werden jedes Semester neue Studierende für das Projekt begeistert, um die Entwicklung weiter voranzutreiben.

Das Ziel des Forschungsprojekts ist nicht nur die Bereitstellung von virtuellen Maschinen, sondern die dynamische Bereitstellung komplexer virtueller Infrastrukturen für Laborübungen. Dies soll Studierenden eine attraktive und innovative Möglichkeit bieten, um theoretische Lerninhalte praktisch einzuüben. Die Initiierung des Forschungsprojekts kann somit als erster Schritt in Richtung einer digitalen Modernisierung der Hochschule gesehen werden.