Gestalten und Evaluieren von eLearning Szenarien/Einsatz von virtuellen Realitäten für das Lehren und Lernen

Der Einsatz von virtuellen Realitäten für das Lehrern und Lernen ermöglicht es den Lernenden in eine dreidimensionale, vom Computer erzeugte virtuelle Welt einzutauchen, wobei der User auch die Möglichkeit hat, mit Hilfe verschiedender Eingabe- (z.B. Datenhandschuh) und Ausgabegeräte (z.B. Head-Mounted Displays) in dieser Welt zu interagieren und diese zu verändern (Schreier, 2002). Je mehr Sinne dabei angesprochen werden, desto realitätsnaher wird der Lernende die virtuelle Umgebung wahrnehmen. Eingesetzt wird diese Technologie vorwiegend in der Industriebranche (z.B. Montagesimulation), in der Forschung (z.B. Analyse medizischer Datensätze) sowie in der Ausbildung (z.B. Flugsimulation) (LRZ München). Zu den Vorteilen dieser virtuellen Realitäten zählen einerseits die anschauliche, dreidimensionale Darstellung und andererseits die Möglichkeit, sich in dieser Welt zu bewegen (z.B. Perspektiven verändern) und diese auch zu beeinflussen (z.B. Maschinen bedienen, Gegenstände berühren) (Schwan & Buder, 2002).

Begriffsbestimmung

Der Begriff „Virtuelle Realität“ (Virtual Reality, VR) geht auf Jaron Lanier zurück, der damit Ende der 80er Jahre die damals aktuellen technischen Entwicklungen im Bereich computergenerierter Erlebniswelten und interaktiver Mensch-Computer-Schnittstellen zu einem Begriff zusammenfassen wollte (Bente, Krämer & Petersen, 2002). Grundsätzlich bezeichnet der Begriff „einerseits eine den menschlichen Sinnen vorgetäuschte, künstlich erzeugte Umgebung, andererseits aber auch das Fachgebiet, das sich mit deren Erzeugung beschäftigt“ (http://www.lrz-muenchen.de/services/peripherie/vr/).

Bereits Mitte der 70er Jahre gebrauchte Myron W. Krüger den Ausdruck „Artificial Reality“ in Zusammenhang mit den ersten Ansätzen im Bereich der 3D-Display-Technologien. Auch der Begriff „Cyberspace“, eingeführt von Science-Fiction Autor William Gibson, wird oft synonym zu VR gebraucht. Schließlich hat sich auch der Sprachgebrauch seit Ende der 80er Jahre vom Begriff „Simulation“ bzw. „Computersimulation“ auf „Virtual Reality“ verschoben (Bente et al., 2002).

Diese verschiedenen Begriffe überschneiden sich häufig, werden oft unterschiedlich definiert und es werden in der Fachliteratur Diskussionen darüber geführt, welcher Begriff der geeignete sei. Dennoch hat sich der Begriff „Virtual Reality“ durchgesetzt, worunter aber oft sehr unterschiedliche und vielfältige Technologien und Anwendungsfelder verstanden werden. Die meisten der gängigen VR-Definitionen beziehen sich auf die Hardwarebedingungen, die eine VR ausmachen, d.h. die Eingabe- und Ausgabemedien, die einen möglichst realistischen Eindruck der künstlichen Welt vermitteln. Beispielsweise werden Datenhandschuhe oder Head-Mounted Displays oft als notwendige Bedingungen für ein VR-Erlebnis gesehen (Bente et al., 2002).

Technologische Grundlagen

Klassifikation von VR-Systemen

Die Thematik VR ist ein sehr komplexer Gegenstandsbereich, der zahlreiche Einsatzfelder und Forschungsbereiche umfasst. Bei VR-Systemen im technologischen Sinn handelt es sich um dreidimensionale, vom Computer erzeugte Welten. In diesen Welten interagieren die Nutzer mit Hilfe von speziellen Ein- und Ausgabegeräten (Datenhandschuh, Head-Mounted Displays, Ganzkörperanzüge etc.), wodurch sie sich in den virtuellen Welten bewegen können und diese auch zum Teil beeinflussen können (Schreier, 2002).

Folgende Klassifikation von VR-Systemen von Bente et al. (2002) zeigt eine Übersicht der verschiedenen VR-Technologien:

Abbildung 1: Cave; Quelle: http://www.faw.uni-linz.ac.at/save/

Abbildung 2: Head-Mounted Display, 5DT HMD 800; Quelle: http://www.vrealities.com/5dt.html

Faktoren zur realitätsnahen Wahrnehmung

Neben der Technologie ist für VR auch die Präsenzerfahrung von Bedeutung. Ein Medium wird also dann zur VR, wenn sich der Nutzer subjektiv „im System“ befindet. In der Literatur wird für diesen Aspekt, wenn simulierte Inhalte zu realen Eindrücken werden, auch der Begriff „Immersion“ (Eintauchen) verwendet (Bente et al., 2002).

Folgende Faktoren unterstützen die realitätsnahe Wahrnehmung:

• Großformatige Projektion: Das Gesichtsfeld sollte innerhalb der Darstellung liegen, wobei es optimal wäre, den Betrachter ganz mit Bildern zu umgeben.
• Stereoskopische Darstellung: Eine Fähigkeit der menschlichen Wahrnehmung ist es, räumliche Tiefe beurteilen zu können. Dadurch werden komplexe Geometrien besser verständlich als durch herkömmliche Bilder. Durch die Stereoskopie wird die visuelle Wahrnehmungsfähigkeit voll ausgenutzt.
• Positionsverfolgung (Head Tracking): Dadurch wird die Perspektive an den Betrachterstandpunkt angepasst.
• Intuitive Interaktionsmöglichkeiten mit virtuellen Objekten

Eine Verbesserung der Immersion kann dadurch erzielt werden, wenn neben der visuellen Wahrnehmung noch andere Sinne angesprochen werden wie z.B. Gehörsinn und Tastsinn (http://www.lrz-muenchen.de/services/peripherie/vr/).

Einsatzmöglichkeiten von virtuellen Realitäten

Die möglichen Anwendungsbereiche für Virtual Reality sind sehr vielfältig. Großteils wird die Technologie von Industrieunternehmen sowie von Forschungseinrichtungen genutzt.

Nachfolgende Tabelle zeigt verschiedene Einsatzgebiete und mögliche Anwendungsbereiche:

(http://www.lrz-muenchen.de/services/peripherie/vr/)

Zahlreiche Beispiele für die verschiedenen Anwendungsbereiche finden sich im Virtual Reality Center der Johannes Kepler Universität Linz. Einige davon sollen hier kurz vorgestellt werden:

Beispiel für Training

Abbildung 3: SAVE Architektur; Quelle: http://www.faw.uni-linz.ac.at/save/

Abbildung 4: SAVE Screenshot Szenario; Quelle: http://www.faw.uni-linz.ac.at/save/

Das Projekt SAVE (Safety Virtual Environment) ermöglicht das Trainieren sicherheitsrelevanter Aktionen und Abläufe in einer virtuellen Raffinerie. Die Benutzer können hier in Szenarien geschult werden, die bei herkömmlichen Trainingsmethoden zu gefährlich, zu kostenintensiv oder zu wenig eindringlich wären. Die Applikation wurde am Institut für Graphische und Parallele Datenverarbeitung in Zusammenarbeit mit dem Institut für Anwendungsorientierte Wissensverarbeitung an der JKU entwickelt und bei der OMV AG in der Raffinerie Schwechat für das Sicherheitstraining von Raffineriearbeitern erfolgreich eingesetzt (http://vrc.zid.jku.at/).

Das SAVE VR System basiert auf vier Hauptbestandteilen:

• Visual simulation: Dieses Modul simuliert das virtuelle Szenario für die Sichtweise des Benutzers. Jede Kopfbewegung wird registriert und ein neues Bild entsprechend berechnet.
• Instructor control and supervision: Dieses Programm benutzt der Trainer um den gesamten Trainingsablauf zu beobachten. Er kann auch auf die Aktionen des Schülers reagieren.
• Motion simulator: Der Schüler steht auf einer Bewegungs-Plattform, die vom Computer automatisch gesteuert wird.
• Scenario builder: Dies ist ein Design-Werkzeug, mit dem auf einfache Weise Trainings-Szenarios kreiert werden können.

(http://www.faw.uni-linz.ac.at/save/)

In einer Trainingseinheit steht dann die zu schulende Person auf der Bewegungsplattform und kann mit Hilfe eines Head-Mounted Displays in die Szenarie eintauchen.

Beispiel für Medizin

Das Projekt “Neurochirurgieplanung in immersiven Umgebungen” wurde in Zusammenarbeit zwischen der HNO-Abteilung der Medizinischen Universität Innsbruck und dem Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der JKU entwickelt. Hierbei werden die Möglichkeiten erforscht, VR als zusätzliche Hilfe für die Planung komplizierter neurochirurgischer Eingriffe bzw. im Rahmen der medizinischen Ausbildung zu nutzen.

Abbildung 5: Neurochirurgieplanung; Quelle: http://vrc.zid.jku.at/projekte/visualisierungen/neuro/

Abbildung 6: Neurochirurgieplanung; Quelle: http://vrc.zid.jku.at/projekte/visualisierungen/neuro/

Beispiel für Design

Ein interessantes Beispiel für Design in der Automobilindustrie hat das Virtual Reality Laboratory der University of Michigan entwickelt. In der Designphase für Innenausstattungen eines Automobils kann VR gute Unterstützung leisten. Vor allem die Sichtbarkeit der Instrumente, Kontrollen und Spiegel, die Abstände oder auch die Ästhetik kann in einem virtuellen Innenraum eines virtuellen Autos getestet werden (http://www-vrl.umich.edu/project/automotive/index.html).

Abbildung 7: Virtual Prototyping; Quelle: http://www-vrl.umich.edu/project/automotive/index.html

Abbildung 8: Virtual Prototyping; Quelle: http://www-vrl.umich.edu/project/automotive/index.html

VR im Wissenserwerb

Vorteile von virtuellen Realitäten

Veranschaulichung von Lerninhalten
Virtuelle Umgebungen sind „anschaulicher“ als abstrakt-symbolische Darstellungen, wie Texte oder Formeln. Durch die dreidimensionale Darstellung haben die Lerner das Gefühl, sich in einer Welt zu befinden, was durch Technologien, die mehrere Sinne ansprechen, noch verstärkt werden kann. Die Lernerfahrung wird dadurch unmittelbarer (Schwan & Buder, 2002).

Schwan & Buder (2002) unterscheiden vier verschiedene Formen der Veranschaulichung in virtuellen Realitäten. Dabei wird zunächst von gegenständlichen und abstrakten Sachverhalten ausgegangen. Gegenständliche Sachverhalte lassen sich in virtuellen Realitäten entweder möglichst abbildungstreu oder eher schematisierend darstellen. Abstrakte Sachverhalte dagegen werden eher konkretisierend oder metaphorisch veranschaulicht.

Tabelle 1: Formen der Veranschaulichung in virtuellen Realitäten (Quelle: Schwan & Buder, 2002, S. 111)

Interaktivität in virtuellen Lernwelten
Neben der Veranschaulichung ist bei virtuellen Realitäten die Interaktivität von besonderer Bedeutung. Die Lernenden können sich in der virtuellen Welt selbstgesteuert bewegen, das heißt, ihren Standpunkt und ihre Perspektive ändern, sowie auch gegenüber virtuellen Objekten und Personen Handlungen vollziehen. Beispielsweise ist es möglich, Gegenstände zu ergreifen oder virtuelle Maschinen zu bedienen (Schwan & Buder, 2002).

Typen von Lernwelten

Nach Schwan und Buder (2002) lassen sich virtuelle Lernwelten gemäß der in ihnen vorherrschenden Interaktionsform in verschiedene Typen von Welten gruppieren:

• Explorationswelten:
  Sie ermöglichen den Lernenden die Welt flexibel und selbständig zu erkunden. Die Benutzer können über ihre Geschwindigkeit, über die Reihenfolge und den Umfang der Erkundung selbst entscheiden. Außerdem ist es möglich, Lernobjekte aus verschiedenen, frei gewählten Perspektiven zu betrachten. Beispiele für Explorationswelten sind Rekonstruktionen historischer Gebäude, virtuelle Museen oder Darstellungen menschlicher Körper.
  
  

• Trainingswelten:
  Diese Welten dienen vor allem zur Vermittlung prozeduraler Fertigkeiten. Sie werden meist dann eingesetzt, wenn ein reales Training zu aufwändig oder zu gefährlich wäre. Das Lernen ist hier weniger selbstgesteuert, sondern hängt stärker von der Aufgabenstellung und der lehrerseitigen Kontrolle ab. Beispiele für Trainingswelten sind Fahrsimulatoren, virtuelle Welten für Verhaltenstherapie oder Welten für die Bedienung komplexer Maschinen.
  
  

• Experimentalwelten:
  Sie erlauben den Lernenden, die in einer virtuellen Welt herrschenden Gesetzmäßigkeiten oder die Eigenschaften von Objekten festzulegen und die daraus entstehenden Konsequenzen zu beobachten. Im Gegensatz zu traditionellen, abstrakten Computersimulationen ist die Darstellung hier realistischer und anschaulicher. Während bei Explorationswelten der Schwerpunkt eher auf der Vermittlung von strukturellem Wissen über statische Sachverhalte liegt, konzentrieren sich Experimentalwelten eher auf dynamische Gegenstandsbereiche. Die Beispiele hier reichen von Simulationen zur Newtonschen Mechanik bis zur Infrastruktur von Städten.
  
  

• Konstruktionswelten:
  Diese Welten ermöglichen den Lernenden, selbst Objekte in virtuellen Welten oder sogar ganze virtuelle Welten zu schaffen. Ebenso wie bei Experimentalwelten geht es hier um den Erwerb mentaler Modelle über komplexe Sachverhalte, doch die Konstruktionswelten beruhen eher auf dem deduktiven Prinzip. Die Lernenden erarbeiten zuerst bestimmte Prinzipien und Konzepte, deren Validität anschließend in der virtuellen Welt beobachtet wird. Beispiele für Konstruktionswelten sind chemische Moleküle über die anatomische Gestaltung von Pflanzen oder ganze Ökosysteme.

Effektivität von VR im Wissenserwerb

Oben genannte Beispiele haben die Vorteile und Möglichkeiten von virtueller Realität im Wissenserwerb aufgezeigt. Doch lassen sich diese Vorteile auch empirisch überprüfen? Mit dieser Frage beschäftigt sich der folgende Abschnitt.

Ein Beispiel für die Verwendung von virtuellen Umgebungen in einem spielerisch-lernenden Kontext ist "Quest Atlantis". Hierbei handelt es sich um ein Lehr- und Lernprojekt, welches eine dreidimensionale virtuelle Umgebung für mehrere Benutzer verwendet, um Kinder zwischen 9 und 12 Jahren zu unterrichten. Quest Atlantis kombiniert Strategien von kommerziellen Computerspiel-Umgebungen mit jenen aus der Lern- und Motivationsforschung. Die Benutzer können zu virtuellen Orten reisen um pädagogische Aufgaben zu erfüllen und mit anderen Benutzern und Lehrern kommunizieren. Das Projekt bedeutet gleichzeitig Unterhaltung und Unterricht und erhöht das Bewusstsein der Kinder für wichtige persönliche, soziale, ethische und ökologische Themen. Denn um Aufgaben erfüllen zu können, müssen die Benutzer in der realen Welt gesellschaftlich bedeutende Aktivitäten durchführen, wie z.B. ökologische Feldstudien durchführen, Familie und Freude interviewen oder gesellschaftliche Probleme recherchieren. Quest Atlantis wurde im Jänner 2005 veröffentlicht und innerhalb eines Jahres zählte man mehr als 3000 registrierte Teilnehmer, die Tausende von „quests“ erfüllt hatten (Barab, Thomas, Dodge, Carteaux & Tuzun, 2005).

Eine weitere Studie beschäftigt sich mit dem Einsatz von VR zur Training der Sicherheit von Fußgängern. 60-70% der Verletzungen von Fußgängern bei Kindern unter 10 Jahren resultieren aus einem falschen Überqueren von Kreuzungen oder dadurch, dass das Kind zwischen verschiedenen Kreuzungen plötzlich auf die Straße stürmt. Deshalb wurde ein Desktop-basiertes VR-Programm entwickelt, damit Kinder lernen und trainieren können, eine Kreuzung sicher zu überqueren. In einer Studie wurde dabei untersucht, ob die Kinder die Fertigkeiten in einer virtuellen Umgebung lernen und ob diese Fertigkeiten für sicheres Fußgängerverhalten auch in die reale Welt übertragen werden. Für das Training wurden drei 21“ Computerbildschirme verwendet, die in einem Halbkreis vor dem Kind aufgestellt wurden. In einer virtuellen Stadt musste dann ein Weg gegangen werden, der acht unterschiedliche Kreuzungen beinhaltete. Dabei sollten vier Verhaltensmaßnahmen gelernt werden: am Randstein stehen bleiben, nach links-rechts-links schauen, auf dem Gehsteig und nicht auf der Straße gehen, beim Überqueren der Straße wachsam bleiben. In zwei verschiedenen Gruppen wurde anschließend das Verhalten der Kinder nach Abschluss des Trainings überprüft. Es zeigte sich, dass in der virtuellen Welt das sichere Überqueren gelernt wurde. In der realen Welt verbesserte sich das Verhalten nur bei einer Gruppe, bei den Kindern aus der Vorstadt. Bei den Kindern aus dem Stadtgebiet wurde dies leider nicht festgestellt (McComas, MacKay & Pivik, 2002).

Diskussion

Die Lerneffektivität von Trainingswelten ist mittlerweile belegt, die empirische Evidenz für die Eignung virtueller Welten zur Vermittlung konzeptuellen Wissens ist aber noch sehr gering. Virtuelle Realitäten haben zwar eine hohe Nutzungsmotivation für die Lernenden, es ist aber gegenwärtig noch offen, welche Rolle die Neuartigkeit des Mediums dabei spielt.

Insgesamt gesehen hat jedoch die virtuelle Realität ein großes Potential auf den verschiedensten Gebieten und bietet auch für das Lehren und Lernen zahlreiche Vorteile. Nachteile kann man darin sehen, dass diese Technologie zur Zeit großteils auf Forschungseinrichtungen und Bildungseinrichtungen beschränkt ist. Nur selten haben Privatpersonen die Möglichkeit Zugang dazu zu bekommen. Aufgrund der rasanten, technischen Weiterentwicklungen kann man aber durchaus vermuten, dass auch diese Technologie in nicht allzu ferner Zukunft auch für Einzelpersonen leistbar und nutzbar sein wird. Somit könnte man an Asimovs Vision vom mechanischen Lehrer von vor 50 Jahren mit der heutigen Vision vom virtuellen Lehrer in der virtuellen Schule anschließen.

Literaturverzeichnis

Asimov, I. (1954). Die Schule. In M. H. Greenberg (Hrsg.), Die Asimov-Chronik. Die vierte Generation (S.104-108). München: Wilhelm Heyne.

Barab, S., Thomas, M., Dodge, T., Carteaux, R. & Tuzun H. (2005). Making Learning Fun : Quest Atlantis, a game without guns. Educational Technology Research & Development 53 (1), 86-107.

Bente, G., Krämer, N. C. & Petersen, A. (2002). Virtuelle Realität als Gegenstand und Methode in der Psychologie. In G. Bente, N. C. Krämer & A. Petersen (Hrsg.), Virtuelle Realitäten (S. 1-26). Göttingen: Hogrefe.

FAW Uni Linz. URL: http://www.faw.uni-linz.ac.at/save/ (07.02.2006).

Lannen, T., Brown, D. & Powell, H. (2002). Control of virtual environments for young people with learning difficulties. Disability and rehabilitation 24 (11-12), 578-586.

LRZ München. URL: http://www.lrz-muenchen.de/services/peripherie/vr/ (11.12.2005).

McComas, J., MacKay, M. & Pivik, J. (2002). Effectiveness of Virtual Reality for Teaching Pedestrian Safety. CyberPsychology & Behaviour 5 (3), 185-190.

Schreier, M. (2002). Realität, Fiktion, Virtualität: Über die Unterscheidung zwischen realen und virtuellen Welten. In G. Bente, N. C. Krämer & A. Petersen (Hrsg.), Virtuelle Realitäten (S. 33-53). Göttingen: Hogrefe.

Schwan, S. & Buder, J. (2002). Lernen und Wissenserwerb in virtuellen Realitäten. In G. Bente, N. C. Krämer & A. Petersen (Hrsg.), Virtuelle Realitäten (S. 109-129). Göttingen: Hogrefe.

Virtual Reality Center JKU. URL: http://vrc.zid.jku.at/projekte/visualisierungen/neuro/ (07.02.2006).

Virtual Reality Center JKU. URL: http://vrc.zid.jku.at/projekte/welten/save/ (07.02.2006).

VRL University of Michigan. URL: http://www-vrl.umich.edu/project/automotive/index.html (10.02.2006).

Kontrollfragen

• In welche Systeme lassen sich VR-Technologien klassifizieren?

• Welche Einsatzmöglichkeiten von virtuellen Realitäten kennen sie?

• Nennen und beschreiben sie kurz verschiedene Typen von Lernwelten.