Christoph Holtmann, LinkedIn Profil, [email protected]
04.12.2019
Abstract
Im Folgenden wird eine kollaborative Mixed Reality Lernplattform beschrieben und aufgezeigt. Die Softwareplattform ist in Lehrveranstaltungen als ergänzendes Hilfsmittel zum Lehren, Lernen und Experimentieren einsetzbar. Mithilfe der Mixed Reality Anwendung soll das Stellen und Lösen neuer Aufgaben ermöglicht sowie eigenständiges oder gemeinsames und praxisorientiertes Lernen gefördert werden. Im Vordergrund der kooperativen Erfahrung steht, dass sich alle Nutzerinnen und Nutzer in derselben realen und virtuellen Umgebung befinden und jeweils die gleichen Inhalte aus ihrer individuellen Perspektive wahrnehmen können. Dennoch ist auch eine Lösung für verteiltes gemeinsames Lernen und remote Erfahrungen angedacht.
Die Lernplattform beinhaltet unter anderem individuelle und gemeinschaftliche Organisations- und Lernbereiche, beispielsweise in Form von virtuellen Schreibtischen, auf welchen, in Ergänzung zum realen Tisch, virtuelle und interaktive Inhalte bereitgestellt werden können. Zusätzlich können auf einem digitalen Whiteboard oder 3D-Präsentationsflächen Lerninhalte gezeigt, erlebt und interaktiv genutzt werden. Mithilfe von virtuellen Erlebniswelten werden auch komplexe Sachverhalte nachvollziehbar. Weitere Werkzeuge und Mechaniken unterstützen die Interaktion und Kommunikation zwischen Lehrenden und Lernenden, oder die Organisation von Inhalten und Lehrveranstaltung. Derzeit liegt ein dokumentierter und evaluierter Prototyp für die Microsoft HoloLens vor.
Keywords: Mixed Reality, Bildung, Lernplattform, Kollaboration, Immersion, Lehren, Lernen, Didaktik, User Experience, Interaktion, Lehr- und Lernprozess
Im Rahmen des #WirfürSchule Hackathons, einer Initiative von Digitale Bildung für Alle e.V. und der Lehrer*innen-Community von lehrermarktplatz.de, vom 08. bis 12.06.2020, konnte ich das hier beschriebene Konzept weiter ausbauen. Infos dazu gibt es in diesem Video und auf DevPost.
Übersicht & Fragestellungen
Die Konzepte, die Entwicklung und die Untersuchungen des hier aufgezeigten Projektes werfen einige grundlegende Fragestellungen zu Mixed Reality im Bildungsbereich auf. Die Frage: „Eignet sich Mixed Reality als Medium für den Einsatz im Unterricht?“ bildet die Grundlage für alle spezifischeren Fragestellungen, kann aber nur durch die Beantwortung ebensolcher beantwortet werden. Neben der Frage: „Für welche Anwendungsszenarien, Themenbereiche und Unterrichtskonzepte im Bildungsbereich eignet sich die Mixed Reality Technologie am besten?“, ist beispielsweise interessant „Welche Werkzeuge und Mechaniken sollte eine Mixed Reality Anwendung/Lernplattform beinhalten, um Lehr- und Lernerfahrungen positiv zu unterstützen?“. Nicht zuletzt sollte dafür geklärt werden: “Welche Mittel, Methoden und Werkzeuge brauchen insbesondere Lehrkräfte für die Gestaltung, Vorbereitung und Durchführung von Lehrveranstaltungen mithilfe von Mixed Reality Technologien und Anwendungen?“. Auch wenn sich diese und weitere Fragen bei der Untersuchung eines neuen und interdisziplinären Themas ergeben, fokussierte sich die Untersuchung anhand des Prototypens insbesondere auf den kollaborativen Aspekt. Gleichzeitig steht das Ziel eine übergeordnete Plattform zu schaffen, über welche Lerninhalte bereitgestellt werden können im Vordergrund, sodass Fragen wie: „Welche Werkzeuge und Mechaniken sollte eine solche Lernplattform beinhalten, um Lehr- und Lernerfahrungen positiv zu unterstützen?“, oder “Wie lässt sich eine Mixed Reality Lernplattform, unter Berücksichtigung des Curriculums, des Datenschutzes, oder technischer und finanzieller Herausforderungen in das Gesamtkonzept Schule einbinden?“, ein Rolle spielen. Für die Konzeption des Test-Prototyps wurden nicht nur die Erfahrung aus anderen Mixed Reality Projekten einbezogen, sondern auch verschiedene Lerntheorien und die Ideen und Meinungen von Lehrkräften berücksichtigt. Ein großer Teil der Entwicklung und Auswertung fand im Zuge eines Masterprojektes unter wissenschaftlicher Begleitung des Forschungs- und Weiterbildungszentrum Kultur und Informatik der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin und der Forschungsgruppe Creative Media statt. Betreut wurde das Masterprojekt durch Prof. Dr.-Ing. Carsten Busch.
Idee
Dieses Video zeigt ein Beispiel mit virtuellen Unterrichtsinhalten zum Thema Elektrotechnik.
Konzept & Prototyp
Userstory
Am Vortag der nächsten Unterrichtseinheit plant die Lehrkraft die Inhalte und Themen für die kommende Unterrichtsstunde. Hierfür verwendet sie neben den üblichen herkömmlichen Werkzeugen eine Software (sowohl auf dem Computer als auch auf der Mixed Reality Brille) für die Planung der Mixed Reality Inhalte. Anhand von Blaupausen und Modulen lassen sich schnell und individuell einzelne Themen, Informationen, Bilder und 3D Inhalte für die Lehrveranstaltung zusammenstellen und speichern. Hierbei hilft eine Übersicht über die Inhalte der letzten Unterrichtseinheiten und der nach Curriculum noch zu lehrenden Themen. Es lassen sich einzelne Slots beispielsweise für die Hausaufgabenüberprüfung, das Zeigen von 3D-Simulationen oder Gruppenarbeiten an virtuellen Aufgaben konzipieren. Die Software bietet zudem den Austausch unter Kollegen an, sodass Unterrichtsplanung gemeinsam stattfinden und genutzt werden kann.
Am nächsten Unterrichtstag kann die Mixed Reality Brille, sowohl der Lehrkraft als auch den Lernenden, durch eine Auflistung, die für den Tag anstehenden Unterrichtsstunden und Aufgaben anzeigen. Die Lernenden haben ihre Mixed Reality Brille dazu aus ihrem Spint geholt oder wie die Lehrkraft von Zuhause mitgebracht. Ein Mixed Reality Raumleitsystem kann bei der Wegfindung zum Unterrichtsraum helfen und frühzeitig über die nächste anstehende Veranstaltung informieren.
Bei Ankunft im Veranstaltungsraum schaltet sich die Mixed Reality Lernplattformsoftware automatisch in den Unterrichtsmodus und gibt sowohl für die Lehrkraft als auch für die Lernenden den Zugriff auf nötige Werkzeuge und Informationen frei und lädt alle nötigen Daten aus dem eigenen Nutzerprofil. Es wird zudem die virtuelle Einrichtung geladen und angezeigt, sodass Arbeitsplätze oder die Tafel, aber auch im Raum platzierte Informationen und Dekorationen, nicht immer wieder aufs Neue eingerichtet werden müssen.
Die Mixed Reality Lernplattform hilft nun der Lehrkraft die geplanten Inhalte zu präsentieren und Aufgaben zu verteilen. Auch bei organisatorischen Aufgaben unterstützt die Anwendung durch Abstimmungsfunktionen beispielsweise bei der Planung der nächsten Exkursion. Ein Wechsel aus Lernsituation mit und ohne Mixed Reality Technologie lockert den Unterricht auf und ermöglicht die bestmögliche Nutzung der Vorteile verschiedener Werkzeuge und Technologien.
Zum Abschluss der Lehrveranstaltung werden alle nötigen Informationen im Profil der Nutzerinnen und Nutzer gespeichert und der Fortschritt festgehalten. Alle Lernenden bekommen noch mögliche vertiefende Lerninhalte und Übungsaufgaben freigeschaltet. Die Mixed Reality Plattform informiert alle über die nächsten Veranstaltungen und Aufgaben. Danach ist erstmal Pause und die Mixed Reality Brillen werden in den Spint eingeschlossen.
Lehr- und Lernraum
Die Mixed Reality Anwendung ist als digitale Erweiterung der physischen Plattform „Unterrichtsraum“ konzipiert. Der reale Raum soll bei der Einbindung der digitalen Inhalte genauso genutzt werden wie das vorhandene Mobiliar und Unterrichtsmaterialien. Die Mixed Reality Plattform ergänzt den limitierten Raum mit neuen, auf spezielle Themen und Anforderungen, angepassten Inhalten. Der Klassenraum kann somit sowohl als individualisierbare Umgebung, als auch als Projektionsfläche für immersive Szenen und virtuelle Erlebnisse genutzt werden.
Je nach unterrichteter Fachrichtung, Altersklasse oder Unterrichtsform kann der digitale Raum entsprechend gestaltet und mit Materialen ausgestattet sein. Wie auch im realen Klassen- oder Seminarraum sollen, trotz verschiedener Themen und Inhalte, auch in der digitalen Umgebung übergreifende Kommunikationswege, Lernmethoden und wiederverwendbare Werkzeuge genutzt werden können.
Alle folgenden Konzeptbilder, wie beispielsweise Abbildung 1, zeigen reale Objekte in schwarz/grau und virtuelle Inhalte in blau.
Präsentationsflächen
Das virtuelle Whiteboard soll als Projektionsfläche für Lerninhalte dienen. Dabei soll die Basis dem Konzept der realen Tafel folgen, dieses aber durch die neuen Möglichkeiten der Mixed Reality erweitern. So lassen sich Bilder und Videos einblenden oder 3D-Inhalte anzeigen. Zudem können die Lernenden, auch vom eigenen Platz aus, mit Informationen interagieren, sodass das Einbringen von Ideen vereinfacht wird.
Abbildung 3: (rechts) Konzept – Virtuell erweiterter Unterricht mit Beispielinteraktion
Abbildung 4: (links) Prototyp – Nachgestellte Unterrichtssituation – Virtuelle Tafel mit Beispielinhalten Abbildung 5: (rechts) Prototyp – Nachgestellte Unterrichtssituation – Virtuelle Arbeitsplätze und Tafel mit Beispielinhalten
Arbeitsplatz
Der Schreibtisch kann durch die Mixed Reality Lernplattform um einen digitalen Arbeitsbereich erweitert und mit Werkzeugen für das Lösen von Aufgaben, das Betrachten und Präsentieren von Inhalten und das Interagieren mit der Lehrperson und Klassenkameradinnen und -kameraden erweitert werden.
Abbildung 7: (rechts) Konzept – Virtueller Arbeitsplatz mit augmentiertem Buch und Bild
Abbildung 8: Prototyp – Virtuelle Übungsaufgabe
Erlebnisraum
Die Präsentation von Objekten und Informationen soll für spezielle Themen das Einbeziehen des gesamten Raums ermöglichen. Die Themenwelt wird im Klassenraum platziert und schafft eine zum Lerninhalt passende Atmosphäre sowie realitätsnahe und erfahrbare Umgebungssituationen. Lehrperson und Lernende können sich im, mit virtuellen Inhalten angereicherten, Unterrichtsraum bewegen und Inhalte beispielsweise eigenständig und individuell entdecken oder Aufgaben kollaborativ lösen.
Kommunikation und Wissensvermittlung
Um den Austausch zwischen den Nutzerinnen und Nutzern über die Mixed Reality Lernplattform zu ermöglichen, können nutzerbezogene Informationen angezeigt werden, sodass die Lehrkraft beispielsweise über Fragen, den aktuellen Bearbeitungsstand einer Aufgabe oder Probleme informiert wird.
Abbildung 11: (links) Prototyp – Nachgestellte Unterrichtssituation – Virtuelle Information, Lehrkraft FrageAbbildung 12: (rechts) Prototyp – Nachgestellte Unterrichtssituation – Nutzer/innenbezogene Informationen
Neue Möglichkeiten der Wissensvermittlung können beispielsweise durch Interviews mit historischen virtuellen Charakteren oder in Gruppenerfahrungen, -präsentationen und diskussionen an Hologrammen erfolgen.
Abbildung 14: (links) Prototyp – Nachgestellte Unterrichtssituation – Gruppendiskussion unter Verwendung eines virtuelle 3D-ModellsAbbildung 15: (rechts) Prototyp – Nachgestellte Unterrichtssituation – Lernender präsentiert ein Thema anhand eines virtuellen 3D-Modells
Austausch Realität und Virtualität
Anhand von QR-Markern lassen sich beispielsweise Informationen zu realen Objekten oder Plakaten anzeigen. Anhand von Objekterkennung kann das Innenleben passgenau über Unterrichtsinhalten eingeblendet werden. Ebenso lassen sich Fotos von mit virtuellen Informationen erweiterten Szenen aufnehmen und speichern.
Auswertung und Beurteilung
Testaufbau
Die Evaluierung des Prototyps fand in einer kontrollierten Testumgebung (größtenteils am Medienzentrum Pankow und der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin) anhand eines vorgegebenen Testablaufs statt und wurde mit dem AttrakDiff-Fragebogen und einem speziell für die Anwendung konzipierten Fragebogen ausgewertet. Insgesamt nahmen an den Nutzertests 22 Probandinnen und Probanden teil. Die Schülerinnen und Schüler waren zwischen 12 und 15 Jahren alt und besuchten die fünfte bis achte Jahrgangsstufe. Ebenso wurden die Tests mit Studierenden und Dozierenden der Hochschule für Technik und Wirtschaft durchgeführt.
Die durchgeführte Testreihe vergleicht eine Unterrichtseinheit mit und ohne Mixed Reality Lernplattform.
Auswertung
Abbildung 16 zeigt, dass die Testerinnen und Tester die herkömmliche Unterrichtseinheit als neutral bewerten, also weder die Lust an der Anwendung (hedonistisch) noch der pragmatische Nutzen übermäßig stark ausgeprägt ist. Das große Konfidenzrechteck zeigt allerdings große Bewertungsunterschiede vor allem in Bezug auf die hedonistische Attraktivität an und weist eine Tendenz zum handlungsorientierten Schwerpunkt auf.
Die Attraktivität des getesteten Prototyps liegt klar im selbstorientierten Bereich. Das Konfidenzrechteck ist zudem klein, was die Sicherheit der Zuordnung zu diesem Bereich erhöht. Die hedonistische Qualität des Prototyps schneidet im Vergleich zur herkömmlichen Lernsituation damit deutlich besser ab, auch wenn der Vergleich aufgrund der bedingt aussagekräftigen Bewertung der herkömmlichen Unterrichtseinheit mit Vorsicht behandelt werden sollte.
Beim Einsatz von Medien im Unterricht sehen viele Probandinnen und Probanden Nachteile wie technische Probleme und hohe Kosten oder Ablenkung, welche sich auch bei den Angaben zu Mixed Reality im Unterricht wiederfinden, sich teils aber mit Fortschreiten der Technologie verbessern sollten. Als vorteilhaft wird vor allem die erhöhte Motivation und der Verzicht auf Arbeitsblätter und die damit einhergehende Umweltschonung benannt.
Für das Präsentieren von Inhalten mit Mixed Reality Medien sehen die Nutzerinnen und Nutzer vor allem Vorteile für gemeinschaftliches Lernen und eine bessere Visualisierung von Inhalten, befürchten aber auch eine mögliche inhaltliche Überladung. Zum Bearbeiten von Aufgaben in der Mixed Reality Lernumgebung heben die Probandinnen und Probanden die gute Veranschaulichung und neuen Möglichkeiten zum eigenständigen Lernen als positiv hervor.
Die Gesamtbewertungen zeigen Verbesserungsbedarf beispielsweise im Bereich Technologie oder Interaktion auf. Die Möglichkeiten für kollaboratives oder erlebnisreicheres Lernen hingegen werden als positiv hervorgehoben. Vor allem für komplexe Themen oder naturwissenschaftliche Unterrichtsfächer bietet sich nach Meinung der Testerinnen und Tester ein Einsatz von Mixed Reality im Unterricht an.
Fazit
Die Untersuchung von Lerntheorien wie dem Behaviorismus, ein fundierter Einblick in den Themenbereich Mixed Reality sowie über verschiedene Designkonzepte oder Risiken haben maßgeblich zur Konzeption und Gestaltung der Mixed Reality Lernumgebung beigetragen. Die prototypische Implementierung vieler Konzepte zeigt eine mögliche Umsetzung und die Machbarkeit auf. Durch den Prototyp wurden erste Tests und Analysen möglich, um einen groben Eindruck von der Attraktivität von Mixed Reality Unterrichtsszenarien zu erhalten. Die durchgeführten Studien und die Auswertungen lassen eine positive Einschätzung zu den entworfenen Konzepten und dem entwickelten Prototyp zu.
Neben diskutierten Themen und aufgestellten Fragen gilt es vor allem Überzeugungsarbeit an Bildungseinrichtungen, bei Pädagogen, Unternehmen und Entwicklern sowie in der Politik zu leisten, um eine kollaborative Zusammenarbeit bei der Umsetzung und Einführung von Mixed Reality Konzepten in den Bildungsbereich zu ermöglichen. Auch Risiken, wie der Schutz von persönlichen Daten oder der Aufwand zur Erstellung der Mixed Reality Inhalte, sollten, genauso wie die Frage nach der Finanzierung, nicht außer Acht gelassen werden. Einen entscheidenden Faktor stellt auch die Weiterentwicklung der Hardware dar.
Abschließend lässt der Eindruck aus Recherchen und das überwiegend positive Feedback der Usability-Tests zu, Mixed Reality für den Bildungsbereich großes Potential zuzuschreiben.
Austausch
Die beschriebenen Inhalte zeigen nur einen kleinen Teil des Projekts und der Auswertung. Bei Fragen melde dich / melden Sie sich gerne bei mir.
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