Immersives Lernen: Didaktische Lernszenarien für den Einsatz von VR- und AR-Technologie

Komplexe Geräte besser verstehen

In diesem Lernszenario geht es darum, die Funktionsweisen von Maschinen und Anlagen verständlich zu machen. Virtuelle Nachbildungen sollen Lernenden als Übungsobjekte zur Verfügung stehen und sie in die Lage versetzen, auch reale Maschinen zu bedienen.

Die Darstellung in einer computergenerierten 3D-Umgebung wird hier gewählt, um die Anwendung zu einem emotionalen Erlebnis zu machen, aber auch um Details zu zeigen, die in der Realität nicht sichtbar sind.

Als didaktische Konzepte werden häufig das klassische "Vormachen – Nachmachen" sowie das "Aufgabenbezogene Lernen" angewendet. Auch ein spielerischer Ansatz ("Gamification") stellt eine Option dar.

• In diesem Cluster wird "Virtual Reality" deutlich häufiger eingesetzt als "Augmented Reality".
• Für eine kreative Bedienung der Maschinen eignen sich alle Ein- und Ausgabegeräte mit großen Freiheitsgraden.
• Das Szenario eignet sich prinzipiell für alle Zielgruppen. Besonders häufig werden Auszubildende und junge Erwachsene genannt.
• Lernanwendungen dieses Clusters können sowohl zum selbstorganisierten Lernen von Einzelpersonen als auch für das Lernen in der Gruppe eingesetzt werden.

Beispielprojekte

• SVL 2020 - In einer virtuellen Lernumgebung können Lernende Arbeitsprozesse unmittelbar und interaktiv an einer virtuellen Druckmaschine erleben. Hier steht vor allem das handlungsorientierte Lernen im Mittelpunkt. Entsprechend konzipierte Übungen unterstützen die Ausprägung von Handlungskompetenzen und prozeduralem Wissen.
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• HandLeVR - Im Projekt HandLeVR wird das handlungsorientierte Erlernen von Techniken zur Durchführung von Kfz-Lackierarbeiten unter Einsatz einer VR-Lackierwerkstatt didaktisch und technisch untersucht, systematisiert und implementiert.
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Bestimmte Bewegungsabläufe trainieren

VR-Lernen ermöglicht die Einübung von berufsbezogenen Bewegungsabläufen in einem gefahrenfreien Raum - zum Beispiel bei Schweißarbeiten. So kann erreicht werden, dass ein Bewegungsablauf zur Routine wird und ohne Zögern am realen Objekt wiederholt werden kann.

Zu den Vorteilen dieses Motoriktrainings gehört, dass kein Material verschwendet wird und ein Selbstlernen ohne Ausbildende möglich ist, da Assistenzsysteme in Echtzeit zurückmelden können, ob eine Bewegung korrekt ausgeführt wird oder nicht.

Als didaktische Konzepte werden häufig das klassische "Vormachen – Nachmachen" sowie das "Aufgabenbezogene Lernen" angewendet. Auch ein spielerischer Ansatz ("Gamification") stellt eine Option dar.

• In diesem Cluster ist der Einsatz von VR-Systemen, die Bewegungen im Raum ermöglichen und erfassen können, sinnvoll.
• Lehrende haben hier eher die Rolle der "Lernbegleitung", da nach einer Anleitung vor allem überprüft werden muss, ob Bewegungen korrekt ausgeführt werden.
• Bei den Zielgruppen ist die volle Bandbreite adressierbar – und zwar auf dem Einsteiger-, dem Fortgeschrittenen- und dem Expertenlevel.

Beispielprojekte

• EPICSAVE - In EPICSAVE soll ein auf VR-Technologie basierender Serious Game-Simulationsansatz angehende Notfallsanitäter/-innen auf sonst kaum trainierbare Notfälle vorbereiten - insbesondere auf einen lebensbedrohlichen allergischen Schock bei Kindern.
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• MESA - Das Projekt MESA fördert den Einsatz digitaler Medien zur beruflichen Bildung in der Schweißbranche. Als branchenspezifische Neuentwicklung bieten Schweißsimulatoren deutliche Vorteile im Lernprozess. Hier knüpft das Vorhaben an, um digitale Medien in ein bedarfsorientiertes, didaktisch fundiertes Konzept zu integrieren.
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Simulation mit virtuellen Menschenpuppen

Dieses Lernszenario richtet den Fokus auf Aufgaben in der Pflege und der Medizin. Konkret geht es um den haptischen Umgang mit anderen Menschen und deren Behandlung in diagnostischen Situationen oder Notfällen.

Ein Training an realen Menschen ist oftmals riskant. Mit anderen Fällen - zum Beispiel einem anaphylaktischen Schock - wird man als Notfallsanitäter/-in nur selten konfrontiert. Dennoch müssen im Ernstfall alle Behandlungsschritte schnell und korrekt durchgeführt werden. Um eine entsprechende Vorbereitung zu ermöglichen, können in der Virtuellen Realität dreidimensionale Trainingspuppen generiert werden, die – mittels assistierender Systeme - Rückmeldungen über die Korrektheit einer Behandlung liefern.

• In diesem Cluster ist der Einsatz von VR-Systemen, die Bewegungen im Raum ermöglichen und erfassen können, sinnvoll.
• Als didaktische Methode dominiert hier das aufgabenbezogene Lernen, aber auch "Vormachen – Nachmachen" sowie entdeckendes oder spielerisches Lernen sind möglich.
• Die Lehrenden sind hier in der Rolle der Lernbegleitung gut eingesetzt, aber auch reines Selbstlernen ist möglich.
• Geeignet sind die Anwendungen für Einsteiger/-innen und Fortgeschrittene.

Beispielprojekte

• VIGATU - Die Lehr-Lernplattform VIGATU ist zur Vermittlung von leitlinienkonformen Arbeiten mittels virtueller Realität - für Ärzte und nicht-ärztliches Fachpersonal in der Endoskopie – entwickelt worden. Für die Lernenden werden die Vorbereitung und Durchführung von Koloskopien durch den Einsatz von VR-Brillen und die Berücksichtigung von haptischem Feedback in einem sicheren Umfeld erlebbar.
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• ViTAWiN - Durch den Einsatz von VR-Technologie werden haptische Trainingspuppen um die realitätsnahe Darbietung von Symptomen ergänzt. Es entsteht eine kollaborative Lern- und Trainingsumgebung mit variantenreichen Szenarien, in der Notfallfachpflegekräfte und Rettungsfachpersonal im Team beispielsweise das Atemwegsmanagement oder wiederbelebende Maßnahmen trainieren können.
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Verhaltenstraining, um sich auf Notfälle vorzubereiten

Erste-Hilfe-Kurse oder Brandschutzübungen lassen sich auch in die Virtuelle oder Augmentierte Realität übertragen. Ziel ist hier, dass den Lernenden durch das Training bestimmte Abläufe "in Fleisch und Blut übergehen".

Es geht um die Lernziele Verstehen, Anwenden und Analysieren, ggfs. auch darum, die Ergebnisse der praktischen Erprobung zu evaluieren. Bei den affektiven Lernzielen sollen Lernende auf (neue) Reize reagieren, ihr Handeln selbst organisieren und mit Unterstützung von Lehrenden und Lernsystem reagieren.

• In diesem Lernszenario sind VR- und AR-Konstellationen sinnvoll, die möglichst viele Freiheitsgrade bieten. Notwendig sind Controller oder andere Geräte, mit denen sich die Handlungen unmittelbar steuern lassen.
• Lehrende fungieren hier eher als Coaches und Lernbegleiter/-innen.
• Adressiert werden in diesem Cluster etwas häufiger berufserfahrene Mitarbeitende, aber auch junge Erwachsene, die auf den Leveln "Anfänger" und "Fortgeschrittene" ungewohnte Situationen trainieren können.

Beispielprojekte

• TRACY B. - TRACY.B ist das Nachfolgeprojekt von TRACY, bei dem ein simulationsgestütztes Trainingsspiel für Krankenhauspersonal entwickelt wurde.
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• oKat-SIM - Ziel des Projektes oKat-SIM ist es, AR-Ansätze für die berufliche Weiterbildung von Verwaltungsmitarbeitern/-innen in den Bereichen Katastrophenschutz und zivile Sicherheit zu entwickeln und diese im Umgang mit Krisensituationen fachlich und methodisch zu schulen.
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Training zur Gefahrenprävention und zum Erlernen von Sicherheitsmaßnahmen
 

In diesem Lernszenario werden Regeln und konkrete Schritte erlernt, wie man Notfälle gezielt vermeidet. Trainings wie diese sind in der "analogen Lernwelt" u.a. als Fahrsicherheitstrainings bekannt oder als Lehrgänge zur richtigen Ladungssicherung im Frachtverkehr. Der Einsatz eines VR-Lernszenarios bietet hier die Möglichkeit – auch innerhalb von Präsenztrainings – "trockene Materie" erlebbar zu machen.

Die Informationsverarbeitung steht in diesem Cluster stärker im Vordergrund als die Erschaffung einer emotionalen Erfahrung. Es geht um das Verständnis und die Anwendbarkeit des Gelernten. Gleichzeitig gilt es, auf der affektiven Ebene Neues aufzunehmen.

Als didaktische Konzepte werden häufig das klassische "Vormachen – Nachmachen" sowie das "Aufgabenbezogene Lernen" angewendet. Auch ein spielerischer Ansatz ("Gamification") stellt eine Option dar.

• Dieses Lernszenario baut auf große Freiheitsgrade bei der Bewegung und den Einstellmöglichkeiten von virtuellen Geräten.
• Es eignet sich vor allem für Anfänger/-innen zu bestimmten Themengebieten. Dabei trägt die VR-Umgebung auch zur Motivation der Teilnehmenden bei.

Beispielprojekte

• MARLA - Das Verbundvorhaben MARLA verfolgt das Gesamtziel, für die Ausbildung in der Windenergietechnik - in den Berufsfeldern Metall- und Elektrotechnik - mithilfe von Mixed-Reality-Technologien, digitaler Sprachassistenz und eines Serious Game-Ansatzes eine moderne und gefahrlose Lernanwendung zu entwickeln.
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• FeDiNAR - Das Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung und Evaluation eines AR-gestützten Lernsystems mit zugehörigen Lernszenarien, um von einem Lernenden "gemachte" Fehler möglichst effizient für den individuellen Kompetenzerwerb zu nutzen.
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Handlungsorientiertes Training für unterschiedliche Fachgebiete

In diesem Lernszenario sind Projekte und Anwendungen zusammengefasst, die berufsspezifische Kompetenzen vermitteln. Dabei spielt die Anwendung von Fachwissen in bestimmten (auch ungewohnten) Situationen eine große Rolle. Es geht also um Handlungsorientierung.

Dieses Cluster charakterisiert, dass die VR- oder AR-Lernszenarien häufig die Aufgabe haben, Teilhabe an Bildung (und damit auch an Arbeitsprozessen) zu ermöglichen. Das bedeutet, dass immersive Lerntechnologie dazu eingesetzt wird, Menschen mit einer Beeinträchtigung den Anschluss an die "reguläre" Berufsausbildung zu ermöglichen.

In Sachen Technik können hier keine speziellen Empfehlungen gegeben werden. In diesem Fall sollte man in den anderen Lernszenarien schauen, welche dort beschriebenen Lernziele den eigenen berufsspezifischen Lernzielen ähnlich sind.

• In den hier genannten Beispielprojekten agieren Lehrende eher "frontal", aber auch das Selbstlernen ist möglich.
• Grundsätzlich sind handlungsorientierte Lernmaßnahmen mit VR- und AR-Systemen für alle Zielgruppen denkbar - vor allem aber für Jugendliche und junge Erwachsene auf dem Anfänger-Level.

Beispielprojekte

• InKraFT - Das Projekt InKraFT möchte für Menschen mit Behinderung neue berufliche Perspektiven im Bereich des Kfz-Handwerks schaffen. Um die Lernszenarien praxisnah umzusetzen, wird mithilfe von Virtueller Realität eine 3D-Lernwelt implementiert.
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• InProD² - Im Projekt InProD² werden bereits bestehende Bildungslösungen zusammengeführt, (teil-) automatisch sowie bedarfsorientiert aufgearbeitet und anschließend Auszubildenden mittels einer intuitiv nutzbaren Oberfläche zugänglich gemacht.
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Erläuterung von naturwissenschaftlichen Sachverhalten

In diesem Lernszenario geht es um klassische MINT-Themen (IT und Naturwissenschaften), die nicht nur berufsspezifisch sind, sondern diese mit einem spielerischen Ansatz allgemein und einführend vermitteln.

Das individuelle Erleben von Phänomenen in Natur und Technik motiviert Lernende sicherlich mehr als das Auswendiglernen von Formeln und Definitionen. Hier setzen die eher spielerischen VR-Szenarien in diesem Cluster an. Sie betonen den erfahrungsbasierten und experimentierenden Charakter der Naturwissenschaften.

• In diesem Cluster werden VR-Szenarien sowie Augmented Reality eingesetzt. Die technische Konstellation hängt vom spezifischen Lernziel ab.
• Adressiert werden insbesondere Auszubildende und Studierende, aber auch Schüler/-innen, die für MINT-Berufe begeistert werden sollen.

Beispielprojekt

• GLARS - Am Beispiel der Ausbildung von biologisch-technischen Assistenten/-­innen ist ein multimediales Lernangebot entwickelt und erprobt worden. Die Grundlage stellt dabei ein spielerisches Szenario dar, das als Alternative Reality Game (ARG) angelegt ist.
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Training zur Verbesserung der Kommunikations‑ und Interaktionskompetenzen

In diesem Cluster befinden sich Projekte und Anwendungen, die den Anspruch stellen, Sozialkompetenzen zu vermitteln. Auch hier geht es um handlungsorientiertes Lernen – man lernt also nicht bloß Fakten auswendig, sondern übt Kompetenzen durch die Interaktion mit anderen Menschen (oder Avataren) in einer VR- oder AR-Umgebung ein. Dies hat den Vorteil, dass man in einem "geschützten Raum" auch Hemmungen überwinden kann und sich nicht davor fürchten muss, von anderen dabei beobachtet zu werden.

Bei den theoretischen Grundlagen der didaktischen Konzepte dominiert der konstruktivistische Ansatz. Die Lernumgebungen helfen dabei, die Praxis des sozialen Umgangs nicht nur zu verstehen, sondern auch zu analysieren und zu evaluieren. Und das Lernen hat auch eine affektiv-emotionale Seite, zum Beispiel indem man auf neue ungewohnte Dinge reagiert.

• Bei den VR-/AR-Endgeräten sind viele Konstellationen möglich. Manche Szenarien sind so aufgebaut, dass man von einem festen Platz aus agieren kann, bei anderen ist es sinnvoll, sich im VR-Raum zu bewegen.
• Bewährt ist der Einsatz von 360-Grad-Videos mit Handlungen, die sich Lernende aus verschiedenen Blickwinkeln ansehen können. Im Gegensatz zum einfachen Trainingsvideo fühlen sich Lernende im 360-Grad-Video durch seinen immersiven Charakter stärker als Teil des Geschehens und sind auch emotional "bei der Sache".
• In den meisten Fällen haben Lehrende hier die Rolle der Lernbegleitung, aber auch das Selbstlernen von Einzelpersonen ist möglich.
• Als Zielgruppe werden hier Auszubildende, junge Erwachsene sowie Lehrende genannt.

Beispielprojekte

• incluMOVE - Das Projekt incluMOVE zielt darauf ab, Menschen mit Behinderungen auf dem Weg ins Arbeitsleben so zu unterstützen, dass berufliche und lebenspraktische Fähigkeiten für eine möglichst selbständige Zukunft erworben werden. Zu diesem Zweck werden AR-Technologien bei Montagetätigkeiten eingesetzt.
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• VR-Klassenzimmer

Einsatz von Systemen, die bei unterschiedlichen Handlungen unterstützen

Das Prinzip von Hilfesystemen, die auf Zuruf Unterstützung leisten, lässt sich auch auf Lernprozesse übertragen. Die Projekte zu diesen Lernszenarien liefern beispielsweise kurze Informationstexte, wenn bei der Montage von Bauteilen etwas nicht verstanden wird. Andere blenden visuelle Informationen in einer AR-Brille oder auf einem Tablet ab, die Dinge im Realbild erläutern.

Bei diesen überwiegend konstruktivistischen Lernszenarien werden vor allem die Lernziele "Verstehen" und "Anwenden" unterstützt. Im Sinne des "Adaptiven Lernens" (an die momentanen Bedarfe der Lernenden angepasstes Lernen) werden textbasierte oder visuelle Bausteine als "Learning on demand" (Lernen bei Bedarf) angeboten.

• Einsetzen kann man VR-/AR-Assistenzsysteme zum eigenverantwortlichen Selbst-Lernen, aber auch zum Lernen in Gruppen.
• Dieses Lernszenario eignet sich hervorragend für das aufgabenbasierte Lernen und einen forschend-entwickelnden Unterricht. Auch spielerische Elemente sind dabei möglich.
• Es kann die gesamte Bandbreite von VR- und AR-Systemen eingesetzt werden.
• Generell eignen sich assistierende Lernsysteme für alle Lernzielgruppen. Die passenden Einsatzszenarien finden Auszubildende und junge Erwachsene/Berufseinsteiger – vor allem auf dem Anfängerlevel.

Beispielprojekt

• LeARn4Assembly - Ziel des Vorhabens LeARn4Assembly ist es, die Arbeitsqualität von Mitarbeitenden in der (De-) Montage verschiedener Industrien zu erhöhen und das Prozessverständnis zu fördern. Dazu wird ein arbeitsplatzintegriertes Lern- und Assistenzsystem entwickelt, das die Technologien der virtuellen und erweiterten Realität nutzt.
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Training, um über die Konsequenzen der eigenen Handlungen zu reflektieren

In diesem Lernszenario wird die Vermittlung ethischen Handelns – verbunden mit einer Aufforderung zur Reflexion über das eigene Tun - angestrebt.

Eingesetzt werden sehr unterschiedliche didaktische Konzepte, die aber immer das konkrete Handeln in den Vordergrund stellen, z. T. auch auf spielerische und kreative Weise. Gezeigt werden auch emotional aufgeladene Situationen wie Konflikte zwischen Mitarbeitenden, bei denen Lernende Entscheidungen treffen müssen, wie sie sich in dieser Situation verhalten würden.

• In diesem Lernszenario kommen sehr unterschiedliche VR- und AR-Systeme zum Einsatz. Allerdings sind hier Systeme mit großen Freiheitsgraden nicht zwingend notwendig.
• Häufiger genannt wird das aufgabenbasierte Lernen, aber auch die gezielte Reflexion, z. B. durch Notizen oder in Diskussionsrunden.
• Einsetzen lässt sich dieses Lernszenario an vielen Orten. Lehrende haben dabei die Rolle des Coachs oder Lernbegleiters.
• Ein Einzeltraining ist möglich, doch sinnvoller ist hier das kollaborative Lernen in der Gruppe.

Beispielprojekt

• ViRDiPA - Die interdisziplinäre Forschungsgruppe ViRDiPA entwickelt, erprobt und evaluiert ein Blended-Learning-Qualifizierungskonzept zum Einsatz von VR-Technologie in der Pflegeausbildung. Ziel ist die Förderung von Medienkompetenz und medienpädagogischer Kompetenz, um bestehende und eigenständig produzierte VR-Trainingsbausteine passgenau in der Pflegeausbildung einzusetzen.
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Einsatz von Gestaltungsumgebungen zur Erstellung von VR-/AR-Lernszenarien

Die Projekte in diesem Cluster erstellen vor allem Werkzeuge, mit denen ganz neue VR-/AR-Inhalte für diverse Anwendungszwecke erstellt werden können.

Diese Autorenwerkzeuge sind zum Beispiel in der Lage, ganz unterschiedliche externe Objekte in eine virtuelle Welt zu integrieren: 3D-Objekte, Fachinhalte, Video und Audiodateien sowie interaktive Elemente (z. B. Quizzes). Sie verfolgen in der Regel das Ziel, virtuelle Lernszenarien zu erstellen, die später auch in anderen Lernkontexten wiederverwendet werden können. So muss nicht für jede Lernanwendung jedes Element völlig neu programmiert werden. Sie machen damit einen ersten Schritt in Richtung einer inhaltlichen und strukturellen Standardisierung von VR- und AR-Inhalten

Beispielprojekte

• ViRDiPA - Die interdisziplinäre Forschungsgruppe ViRDiPA entwickelt, erprobt und evaluiert ein Blended-Learning-Qualifizierungskonzept zum Einsatz von VR-Technologie in der Pflegeausbildung. Ziel ist die Förderung von Medienkompetenz und medienpädagogischer Kompetenz, um bestehende und eigenständig produzierte VR-Trainingsbausteine passgenau in der Pflegeausbildung einzusetzen.
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