Unser Leben wird bestimmt von Abläufen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Physische und chemische Prozesse, die in solch kleinem Maßstab ablaufen, dass sie selbst unter dem Mikroskop nicht erkannt werden können. Es liegt also in der Natur der Sache, dass ein Großteil des Lehrstoffes in den Naturwissenschaften nur in der Theorie gelehrt werden kann. Doch mit der virtuellen Realität bietet sich ein neues, exzellentes Mittel, diese unsichtbaren Prozesse für Studenten sichtbar und verständlich zu machen.
Ein solches Projekt realisierte jetzt die Hochschule für angewandte Wissenschaften Merseburg zusammen mit Aspekteins. In einem computeranimierten 360-Grad-Film haben Zuschauer die Möglichkeit, in einem Raumschiff auf Molekülebene zu schrumpfen und Adsorptions– bzw. Desorptionsprozesse (die An- und Ablagerung von Molekülen an einer Festkörperoberfläche) aus nächster Nähe zu betrachten, die für viele technische Prozesse von Bedeutung sind, wie zum Beispiel die heterogene Katalyse.
Die heterogene Katalyse
Heterogene Katalyseprozesse zeichnen sich dadurch aus, dass der Katalysator und der reagierende Stoff in verschiedenen Aggregatzuständen vorliegen. Ein Vorteil ist, dass der Feststoff-getriggerter Katalysator leicht nach dem Prozess abgetrennt werden kann.
In dem 360-Grad-Film wird gezeigt, wie Moleküle aus der Gasphase dabei eine chemische Bindung mit katalytischen Zentren an der Festkörperoberfläche eingehen und dabei für eine chemische Reaktion aktiviert werden.
Durch unerwünschte Nebenprozesse kann ein solcher katalytischer Prozess aber auch blockiert werden. Auch das wird in dem Film dargestellt.
In der virtuellen Realität blicken die Studierenden durch ein Raumschiff-Cockpit und schrumpfen auf Molekül-Ebene. Hier sehen wir, wir ein katalytischer Prozess blockiert wird.
Das 360-Grad-Video
Mithilfe von 3D-Animationen wurden diese Prozesse im Nanometer-Bereich von Aspekteins erlebbar gemacht. Zuschauer finden sich im Video in einem Raumschiff wieder, das in einem Labor steht. Sie erleben, wie das Raumschiff auf Molekül-Größe schrumpft, sodass die einzelnen Bestandteile im Luft-Gas-Gemisch sichtbar werden. Zuschauer können beobachten, wie die Moleküle in der Luft aneinander stoßen und schließlich in einem Physisorptionsprozess an eine Festkörperoberfläche binden und dort Mono- und Multischichten ausbilden. Das Raumschiff fliegt weiter direkt an ein katalytisches Zentrum, wo die Prozesse der heterogenen Katalyse betrachtet werden können. Schließlich erleben Zuschauer, wie einzelne katalytische Zentren durch Reaktion mit unerwünschten Reaktionspartnern deaktiviert werden. Am Ende des Films wachsen die Zuschauer dann wieder – zusammen mit dem Raumschiff – auf normale Größe an.
Durch Einblendungen im Cockpit erhalten die Studierenden weitere Informationen.
Der Film wird unterlegt von einem Sprecher, der im Voice Over sämtliche dargestellten Prozesse ausführlich erklärt. Einblendungen von Grafiken verbildlichen die theoretischen Grundlagen nochmals genauer. Weiterhin wurde das digitale Raumschiff, in dem sich die virtuelle Kamera befindet und das dem Zuschauer damit stets sowohl als visueller Anker als auch als Bezugspunkt zum Geschehen um ihn herum dient, mit verschiedenen Anzeigen wie dem aktuellen Größenverhältnis versehen – so haben Studenten zu jeder Zeit die volle Orientierung.
Abgerundet wird der Film durch ein Quiz, das den zuvor vermittelten Lerninhalt aufgreift und so den Lernerfolg prüft.
In einem Quiz können die Studierenden ihr frisch erlangtes Wissen prüfen.
Die Umsetzung
Eine derartige Produktion, die den Ansprüchen von hochwertigem Lehrmaterial genügt, ist mit einigen Herausforderungen verbunden. Nicht nur müssen die Inhalte didaktisch aufbereitet und in einfach verdauliche Happen separiert werden, es muss natürlich auch auf die richtige Darstellung komplexer Zusammenhänge in der 360-Grad-Animation geachtet werden.
Die hohe Anzahl der dargestellten Moleküle erfordert eine Physiksimulation, die aus 3D-Software vorgerendert wird. Somit kann beispielsweise das Abprallen der verschiedenen Moleküle voneinander nachvollziehbar berechnet werden.
Doch selbst die beste Physiksimulation kommt an ihre Grenzen, wo Regeln des Makrokosmos nicht mehr greifen. Gerade die Desorption einzelner Moleküle an eine Oberfläche und die so entstehende Bildung von Mono- und Multischichten – also die Ablagerungen der Moleküle an der Oberfläche – bereiteten dem Team von Aspekteins einige Kopfzerbrechen. Nötig waren hier intensive manuelle Anpassungen und Animationen, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Um das Verhalten der Moleküle bei der Bildung von Mono- und Mulitschichten korrekt darzustellen, waren umfangreiche manuelle Anpassungen und Animationen notwendig.
Doch das Ergebnis hat sich gelohnt. Wir hoffen, dass der 360-Grad-Film Studenten erste Einblicke in den Nanokosmos der physikalisch-chemischen Prozesse und der heterogenen Katalyse geben kann und sich ihnen ein neues Verständnis für die Dimensionen und Größenverhältnisse in diesen Prozessen erschließt.
Mit VR – davon sind wir überzeugt – können auch komplexe Vorgänge verständlich und einprägsam vermittelt werden. Ganz klar: Projekte wie das 360-Grad-Video der Hochschule Merseburg mögen heute noch Vorreiter sein, werden aber schon bald nicht mehr aus dem Lehrbetrieb wegzudenken sein.
Möchten auch Sie die VR- oder 360-Grad-Technologien als Lehrmittel einsetzen? Dann würden wir uns sehr über Ihre Kontaktaufnahme freuen. Wir beraten Sie gerne.