Flexibel Forschen – Die Relevanz von Virtual-Reality-Labs in Studium und Ausbildung

Die Freiheit virtueller Aufarbeitung

Die Visualisierung und Erkundung wissenschaftlicher Daten ist nicht nur für Entdeckungen von wesentlicher Bedeutung. Das Labor ist auch integraler Bestandteil in ingenieur- und naturwissenschaftlichen (MINT-oder STEM-) Studiengängen. Es dient der berufsvorbereitenden Vermittlung von Fertigkeiten, wobei Studierende in den Forschungsstätten allerdings auch zu eigenständigen Problemlösungen motiviert werden sollen, wichtige Erfahrungen im Rahmen praktischer Versuche sammeln und empirisches Arbeiten lernen. In der Realität erweist es sich jedoch oft als schwierig, junge Akademiker umfassend auf das reale Feld der Anwendung hin auszubilden: „learning-by-doing“-Ansprüche im Bereich wissenschaftlichen Experimentierens greifen häufig viel zu kurz. So fehlt es mitunter an materiellen und personellen Ressourcen, weitaus häufiger aber an verfügbaren Laborplätzen im Verhältnis zur Anzahl der Studierenden.

Um diese anhand von Online-Simulationen zu eigenständiger Prüfungsvorbereitung anzuleiten, haben die meisten Fachhochschulen und Universitäten inzwischen vielfältige E-Learning-Programme auf den Plan gerufen, aus denen sich weitere Vorteile für die Lernenden ergeben:

• orts- und zeitunabhängiges Arbeiten im virtuellen Labor
• Erhöhte Selbstlernkompetenz
• Effektivere Vorbereitung auf Präsenzlaboratorien
• Unproblematische Durchführung besonders zeit- und kostenintensiver/gefährlicher Versuche
• Beliebiges Wiederholen von Versuchen/Replikation unter gleichen experimentellen Bedingungen
• Selbstgesteuertes Lernen – Individuelles Tempo
• Multi-User-Zugriff auf den Laborplatz

Hochschulen bietet das virtuelle Labor mehr infrastrukturelle Flexibilität sowie Entbindung von materiellen und personellen Kosten in puncto Beschaffung und Anleitung.

Doch welche Vorteile bieten sich hier konkret durch Virtual Reality? Die neue Kooperation zwischen Google und VR-Education-Entwickler Labster führt uns justament in die richtige Richtung…

Next Level: Learn Twice As Much

So verspricht es Labster jedenfalls auf seiner Homepage. Und auch wenn die Partnerschaft mit Google virtuelle Neuheiten zaubert, so ist das Unternehmen doch seit einigen Jahren ein alter Hase in der Entwicklung von Ausbildungssystemen an Universitäten in aller Welt. So gab es bislang Online-Labor-Plattformen und Virtual-Reality-basierte Labs für mehrere Elite-Institutionen weltweit. Neu ist in diesem Kontext aber auch, dass lizenzfreie Versionen über den App-Store erhältlich sind, waren sonst sämtliche Programme allein den akademischen Einrichtungen vorbehalten.

Die School of Life Sciences der Universität Arizona, ebenfalls maßgeblich an der Entwicklung der neuen Labster-App beteiligt, möchte nun in diesem Herbst ihren ersten Abschluss in Online-Biologie vorstellen, der insgesamt 30 verschiedene VR-Simulationen aus den Bereichen Zell- und Molekularbiologie, Ökologie und Tierphysiologie anhängig sind.

In Google Daydream VR migriert, bietet die Software in Samsung-Gear-/ Daydream-Headsets, eine virtuelle Experience der Superlative. Die Labore offerieren eine Vielheit an Forschungsszenarien, z. B. ist es auf molekularer Ebene möglich, naturwissenschaftliche Einheiten zu vergrößern und zu betrachten, chemische Verbindungen in beschleunigte prozessuale Zustände hinein zu manipulieren (sodass entsprechende Ergebnisse schneller evaluiert werden können), als auch zeitliche Beschränkungen aufzuheben und in der Timeline zurückzugehen. Denn falls ein Fehler die Untersuchung nichtig zu machen droht, kann das Experiment problemlos korrigiert und wiederholt werden. Die virtuellen Labore beinhalten, verglichen mit einem Präsenzlabor, reale Elemente und knüpfen an exemplarische Forschungsgrundlagen an. So gibt es bei der Laborarbeit auch Labortische und Abzugsvorrichtungen, entsprechende Mechanik und Elektronik. Teure Maschinen der molekulargenetischen Diagnostik stehen Studenten virtuell ebenso zur Verfügung, wie auch das Arbeiten an sonst sehr kostspieligen Mikroskopen.

„We want to build the best possible future education platform, and we want to reach as many students as possible. We are driven by impact and securing quality education. With Google, this is the first time we feel that both hardware and software are ready to provide students worldwide with high-quality virtual education at a low price.“                                                                             

Michael Bodekaer, Co-Founder & CTO Labster

Die Anwendung, die auf Gamification-Elementen, VR-Storytelling und einem Scoring-System mit mathematischen Algorithmen (das offene Untersuchungen ermöglicht) basiert, bietet durch die Möglichkeit immersiven Lernens, einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen E-Learning-Plattformen. Wie sagte einst Konfuzius: „Ich höre und vergesse, ich sehe und behalte, ich handle und verstehe“…

Motorik trainieren

Webbasierte E-Learning-Simulationen dienen der Umsetzung metakognitiv-strategischer Prozesse. Diese fördern das Verstehen und Erkennen von Lernaufgaben, dienen der Aktivierung einer breiten Wissensbasis, und wirken, entsprechend ihrer diesbezüglichen Ableitbarkeit, bei der Entwicklung von Lernstrategien. Der Pädagoge Edgar Dale erforschte schon Mitte des letzten Jahrhunderts im Bereich der Mediendidaktik und entwickelte den „Cone of Experience“.

Nach Dale, der auch langjähriger Professor der State University in Ohio war, ist die direkte Lernerfahrung (enaktive Repräsentation) der effektivste Lernansatz, auf den idealerweise ikonische Repräsentationen (visuelle Abbildungen von Originalen, die durchaus akustisch oder haptisch, z.B. in Form von Blindenschrift, begleitet sein können), sowie „symbolische Repräsentationen der Wirklichkeit“ aufbauen. Er differenziert in seiner Ausführung zwischen dem basalen „Learning-By-Doing“, dem dann erst „Learning by Observation“ und „Learning by Abstraction“ folgen. Für Dale gibt es eine Grundlage beim effektiven Lernen: Erfahrungen aus erster Hand, der eigenen Erfahrung nach, sammeln. Denn 90 Prozent von dem, was an Wissen bei uns „hängenbleibt“, was wir an Wissen in unserem neuronalen System erfolgreich implementieren können, findet seinen Ausgang auf der praktischen Ebene. Obgleich Dale an den aktiven Lernansatz des Schweizer Pädagogen Johann Pestalozzi relatiert, nimmt der „Cone of Experience“ Bezug auf eine differenzierte Untersuchung visueller Medien. So sind verbale Nachrichten und Textinformationen hochgradig abstrakt, während die reale Erfahrung sinnlich wahrgenommen (nach Dale: „gesehen, gehandhabt, geschmeckt, berührt, gefühlt und gerochen“) wird, d.h. perzeptuell erfolgt.

Virtual-Reality-Anwendungen und Perzeption

Dale untersuchte insbesondere die Lernprozesse im frühkindlichen Alter und kam zu dem Schluss, dass eben auch hier erst eine stabile enaktive Ebene, maßgeblich zu weiteren Lernerfolgen beiträgt. Letztlich sprach er sich für eine konstruktive Einbindung audiovisueller Medien aus, denn zu fördern sei eine „erinnerungswürdige“, ganzheitliche Lerneinheit, ohne reines Auswendiglernen. Während Augmentierte Realität ebenfalls gamifiziertes, visuell-akustisches Lernen bietet und eine spannende & sinnvolle Ergänzung im Sinne des Blended Learning sein kann, erschaffen Virtual-Reality-Simulationen (unter Einbeziehung von HMDs) teils hoch-immersive Lernerfahrungen. Reale Umgebungen werden hier nicht nur virtuell erweitert, sondern führen zu einer direkten Virtual Reality Experience – einer „als-ob“-Erfahrung von Wirklichkeit, die dem User Einfluss auf das Gesehene bietet und ihn auf der Handlungsebene motiviert.

Die Virtual Reality Brille dient hier als Fenster in eine Welt, die nicht nur eindrucksvoll dreidimensionale Bilder im Sichtfeld des Anwenders zu generieren weiß, sondern darüber hinaus auch reale Bewegungen authentisch ins Virtuelle übersetzen kann. Die Wahrnehmungsschwelle, die zwischen dem realitätsgebundenen Ich und dem virtuellen Ich-Eindruck besteht, wird durch Kopf-Tracking weiter reduziert. PC-gebundene Virtual-Reality-Systeme ermöglichen zusätzliche Freiheitsgrade (neben den x,-y,-z-Achsen mobiler VR-Systeme), indem sie Lage-Positionen des Anwenders im realen Raum durch z.B. Lighthouse-Tracking erfassen. Hierbei lässt sich die virtuelle 3D-Umgebung interaktiv erkunden.

Wissenschaftler haben durch Studien herausgefunden, dass die Präsenzerfahrung in virtuellen Welten nicht nur das Gefühl der Selbsteffizienz im Glauben an die eigenen Kompetenzen stärkt, sondern, in Bezug auf die unmittelbare Handlungsumgebung, auch einen erhöhten Grad an Verantwortungsbewusstsein mit sich bringt. Wird gemeinsam laboriert, fördert Multi-User-Access zudem informelle Lernprozesse (jegliche Lernerfahrung außerhalb des institutionellen Rahmens), während der gamifizierte Ansatz, durch z.B. Scoring oder atavarisches Feedback, die Aufnahme komplexerer Lerninhalte erleichtern kann. Ein weiterer Vorteil: Da beim User verschiedene Sinneskanäle angesprochen sind, können Lerninhalte im Gehirn optimaler vernetzt und später besser erinnert werden. Was Dale wohl zu VR-Education gesagt hätte?

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