Virtual und Augmented Learning: Spielerisches Lernen in neuen Dimensionen

veröffentlicht am 25. Juni 2019 in Digitalisierung  .

In meinen Beiträgen "Die Digitalisierung der Arbeitswelt erzwingt Bildung 4.0" und "Woher kommt und wohin geht Lernen 4.0?" bin ich bisher allgemein auf das Thema "Digitales Lernen" eingegangen. Dieser Artikel bleibt dem Grundthema treu, erweitert es jedoch um Mixed Reality. Sie erfahren heute, wie AR/VR unsere komplette Lebenswelt und damit auch bekannte Lernprozesse auf den Kopf stellen und grundlegend verändern.

Kinder erleben das Lernen neu mittels VR-Brillen

Foto: STEMShare NSW auf Unsplash

Definition & Entwicklung: Mixed Reality in der Vergangenheit und heute

Der Begriff Mixed Reality (zu Deutsch: gemischte Realitäten) entwickelte sich in den letzten zwei Jahren und wurde zum Oberbegriff von Augmented und Virtual Reality. Augmented Reality (kurz AR) ist die Integration von virtuellen Objekten in die reale Umgebung, z.B. das Einblenden von Richtungspfeilen in der Routenplanung. Die bekannteste AR-Brille ist die Hololens von Microsoft. Als Virtual Reality (kurz VR) dagegen wird der komplette virtuelle Nachbau der realen Umgebung und der sich darin befindlichen Elemente definiert.

  • Wirklich neu ist dies nicht, da Milgram bereits 1994 das Reality-Virtualty Continuum zur Einordnung des Verhältnisses von Virtualität zu Realität beschreibt. Für ihn zählen TV & Filme sowie AR zur realen Umgebung. Videospiele und VR betrachtet er als virtuelle Umgebung.
  • Auch die ersten Versuche eine virtuelle Realität zu kreieren, sind mittlerweile 90 Jahre alt. So wurde 1929 der erste Flugsimulator von Edwin Link entwickelt. Dieser bestand aus einem bewegungssensitiven, verkleinerten Flugzeugmodell (ähnlich einem Flug- oder Fahrtautomaten für Kinder am Eingang von Supermärkten), einem Ventilator, einer großen Kinoleinwand und einem Projektor. Finanziert wurden dieser und weitere Flugsimulatoren (wie 1944 Whirlwind und 1982 VCASS-Programm für Kampfpiloten) u.a. von der US Airforce.
  • Mithilfe des 1962 von Morton Heilig entwickelten Sensorama, konnte eine Motorradfahrt durch New York simuliert werden. Dabei wurden zwei Kinoprojektoren zur stereoskopischen Darstellung, einen beweglichen Sitz zur Simulation des Fahrgefühls und ein Kopfhörer für den echt wirkenden Geräuscheindruck verwendet.
  • Auch das erste Head Mounted Display (1968) von Ivan Sutherland liegt bereits über 50 Jahre zurück. Eine Steuerung war nur indirekt möglich, jedoch gab es die ersten Räume mit 3D-Objekten in der eigens dafür entwickelten Software "Sword of Domokles" zu sehen.
  • Neben der Verbesserung und Verbreitung von Computertechnik entstanden stets neue Eingabemöglichkeiten. So bereitete bspw. die PlayStation 2 über die Eye Toy Kamera (2003) den Weg für die Steuerung von Spielen anhand von Gesten. Erkennungsmethoden über Sprache und Gesten wurden kontinuierlich weiterentwickelt. Heute helfen uns Google Home, Siri oder Alexa bei der Beantwortung unserer Fragen und führen Befehle aus. Dank Google Glass (2013), der auf dem Markt verbreitenden VR- und AR-Brillen und Smartphone-Apps hat sich auch die grafische Darstellung deutlich verbessert.

Wie genau funktionieren "Virtuell und Augmented Reality"?

In der virtuellen Realität wird die Umgebung vollständig nachgebaut. In der helmähnlichen Brille befindet sich ein hochauflösendes HMD, welches den größten Teil unseres Sichtfeldes abdeckt. Nutzer treten dabei nicht als sie selbst auf, sondern verwenden Avatare - also ein digitales Abbild. In dieser Welt geben die Entwickler die Interaktionen, Grenzen und Möglichkeiten strikt vor.

Für die Integration virtueller Objekte in die Realität existieren verschiedene Verfahren. Eines besteht darin, die Umgebung in kleine Bereiche zu rastern und anhand von Koordinaten diese Objekte in den Raum abzulegen. Bei einer anderen Variante werden spezielle Symbole oder QR-Codes verwendet, um 3D-Objekte im Raum erscheinen zu lassen. Die Objekte werden auf eine durchsichtige Scheibe projiziert, sodass auch Bewegungen um das Objekt herum möglich sind.

In beiden Realitäten sind unterschiedlichste Steuerungen möglich. So kann durch Position, Sprache, Gesten, Blickbewegungen, Touch oder Knöpfe eine tatsächliche Interaktion ausgelöst werden.

Reale Anwendungsbeispiele: Vom Spiel über Sales hin zum Wissen

Beide Technologien sind bisher vor allem im Gamingbereich vertreten. Beispiele für Virtuell und Augmented Reality sind die PlayStation VR, Oculus Rift oder HTC Vive. Titel wie Resident Evil 7, Star Trek: Bridge Crew oder Batman Arkham VR führen zur Verbreitung der Technologie in unserem Wohnzimmern. Jedoch wird die Bewegungsfreiheit nach wie vor durch den Kabelsalat und die Größe der Gerätschaften eingeschränkt.

Aber auch die Industrie entdeckt zunehmend den Reiz und die Möglichkeiten der gemischten Realität. Besonders beim Produktverkauf im mittleren und höheren Preissegment wird die Realität gern den Wünschen des Kunden angepasst. So entführt Audi seine Interessenten in einem selbstkonfigurierten Fahrzeug auf eine Testfahrt mit verschiedenen Szenarien, um die Wirksamkeit der Assistenzsysteme zu demonstrieren. In der Dreamforce hingegen wurde gezeigt, welche Möglichkeiten AR beim Verkauf von Getränkeautomaten bereithält. So kann der Kunde testen, ob ein solcher Automat in seine Büroräume hinein passt und ob noch genügend Raum zum Laufen übrig bleibt. Auch IKEA hat bereits eine solche App veröffentlicht, und stellt seine Möbelstücke vorab virtuell in die Wohnzimmer seiner Kunden. Das ist Sales mal anders!

Doch abgesehen vom Produktverkauf existieren auch bereits einige wenige Lösungen zur gezielten Wissensvermittlung. Ein Beispiel zur Vermittlung des korrekten Verhaltens in Laboren ist Labster. Hier können verschiedenste Szenarien für die Kombinationen von Chemikalien ausprobiert werden. Dadurch werden Konsequenzen spielerisch aufgezeigt und in der Realität vermieden. Auch Notfalleinsätze (wie Flugzeugabstürze, Hochhausbrände oder Busunfälle) können virtuell eingeübt werden. Das Unternehmen XVR ermöglicht es u.a. mit der HTC Vive, Vorgehen und Methoden zu prüfen. Ein Gemeinschaftsprojekt der Ludwigs-Maximilians-Universität und der TU München lässt Verletzungsmuster mithilfe von Röntgen- und MRT-Aufnahmen virtuell darstellen. So kann bereits digital einen Behandlungsplan entwickelt werden, in welchem innere Verletzungen ohne zusätzliche Schnitte geheilt werden können. Auch die Uni Bremen hat ein Konzept zum Medieneinsatz in der Schweißerausbildung vorgestellt. Integriert in einem Blended-Learning-Konzept können Auszubildende ausprobieren, verschiedene Materialen zusammenzuführen. Dabei werden sie von einem Ausbilder überwacht und die Schweißnähte auf ihre Struktur und Haltbarkeit hin geprüft. Ein AR-Konzept, welches in der Logistik getestet wurde, ist das Vision Picking. Durch intelligente Navigation werden Lagerarbeiter zu den entsprechenden Regalen und Lagerorten geleitet. In den Fokus der sozialen Zusammenarbeit steht Spaces. Hier können mithilfe von Avataren Online-Konferenzen und Meetings abgehalten werden. Dabei ist es sogar möglich, unterschiedliche mediale Inhalte zu präsentieren, über ein Holodeck Objekte darzustellen, sich in den Räumen frei zu bewegen und diese realitätsgetreu auch zu verlassen. Alle diese Beispiele für den Einsatz von AR/VR sollen nur einen kurzen Abriss der aktuellen Entwicklungen aufzeigen. Sicherlich wird vor allem im Umfeld von Konzernen derzeit intensiv an weiteren Softwarelösungen gearbeitet, um Wissen noch schneller und einfacher zu vermitteln.

Vor- und Nachteile der AR/VR-Technologie in Bezug auf das "Lernen von Morgen"

Große Vorteile bietet die Möglichkeit, viele Informationen zu sammeln, in verschiedenen Kontexten und Perspektiven zu beleuchten und eine passende Lösung oder einen Plan zu entwickeln. Die anschließende virtuelle Evaluation minimiert schlussendlich reale Risiken. Die Vor- und Nachbereitung, um konkrete Abläufe bei einen Flugzeugabsturz oder beim Ausbrechen einer Epidemie zu testen, ist nicht nur zeit- und kostenintensiv, sondern schlichtweg gefährlich. Durch die relative Unabhängigkeit von Ort und Zeit dieser realen Simulationen sparen Unternehmen Kosten und Fahrzeiten ein. Zudem kann eine einmal entwickelte Software bzw. Umgebung ohne Mehrkosten mehrmals genutzt werden.

Nachteile sind aktuell noch die hohen Kosten für Hardware sowie für die Entwicklung der speziell auf das Unternehmen zugeschnittenen Szenarien. Weiterhin sollte eine bestmögliche Realitätsnähe fokussiert werden. Zwar ist die Darstellung von Informationen über AR nah an der Realität, doch bei einem Notfallszenario (wie einem Brand) ist nicht nur die Optik wichtig, sondern auch die anderen sensorischen Wahrnehmungen. So unterscheidet sich z.B. der Geruch eines Holzbrandes von dem eines Ölbrandes. Ebenso müsste beim Löschen des Feuers der Wasserdruck simuliert werden. VR ist aktuell zwar eine Hilfe beim Planen des Vorgehens und der Evaluation, jedoch kann die bisherige Technik eine Ausbildung nicht vollständig ersetzen.

Persönliche Erfahrungen: Wie fühlt sich virtuelle Realität eigentlich an?

Aus wissenschaftlicher Sicht treten bei der Nutzung drei Effekte ein: Imagination, Interaktion und Immersion. Bei der Imagination schaffen unsere Vorstellungskraft und das Einbildungsvermögen realitätsnahe Situationen. Das heißt, wenn ich mir ein Aquariumsbesuch vorstelle, erwarte ich schwimmende Fische hinter Glas zu sehen. Wird diese Erwartung erfüllt, bin ich meiner Umgebung gegenüber aufgeschlossen. Interagiert die Umgebung mit mir, in dem auf meine Aktion ein Feedback erfolgt, entsteht die Immersion. Zum Beispiel wenn ich gegen ein Glas tippe, schwimmen die Fische weg. Die Immersion gibt durch Flow und Präsenzerleben das Gefühl, wirklich in dieser Welt zu sein.

Meine erste Begegnung mit der neuen VR-Welt hatte ich mit der PlayStation VR und "Until Dawn: Rush of Blood". Bei diesem Spiel, fährt man in einem Wagen durch ein Gruselkabinett und muss verschiedenste Gestalten, wie Clowns und Schweine, abschießen. Mich umgaben ein alles umhüllender Nebel, eine düstere Farbgebung und eine passende musikalische Untermalung. Durch die unheimliche Gestaltung sowie die Ruckelbewegungen des Wagens, stellten sich bereits nach wenigen Sekunden meine Nackenhaare auf und ich spürte den Angstschweiß. Durch die realistische Aufmachung des Spiels war ich sofort mittendrin (statt nur dabei). Stimmen von außen nahm ich nicht mehr wahr. Ich hatte das dringende Bedürfnis wegzurennen, was Kabel, Sitzposition und Gewicht des Apparates jedoch verhinderten. Und ja, ich gebe es zu, den Großteil dieses Erlebnisses hielt ich meine Augen geschlossen und summte die Tetris-Melodie vor mich hin. Auch wenn das Spiel als Einstieg in die Virtualität für mich nicht unbedingt geeignet war, blieb ich am Ende doch sehr beeindruckend zurück. Seitdem greife ich mir aus dem Gamingsektor eher die etwas leichtere Kost heraus und betrachte lieber die bunte Artenvielfalt der virtuellen Aquarien.

Ausblick: Wie geht es mit AR/VR weiter?

Bereits in meinen Artikel zum Lernen 4.0 habe ich auf die beständige technologische Verbesserung und die Trends Künstliche Intelligenz (KI), Internet of Things (IoT) und Robotik verwiesen. Was Mixed Reality angeht, befinden wir uns momentan noch bei einer anderen Darstellungsform des e-Learnings. Wir können zwar mit anderen eingeschränkt interagieren, sind aber noch lange nicht so flexibel, wie mit dem Smartphone. Schuld daran sind die Größe der Geräte und die eher hoch dimensionierte Daten- und Stromversorgung - zumindest wenn wir die großen Hersteller beobachten.

  • Das Digital Lab der Bauhausuniversität Weimar untersucht u.a. Möglichkeiten einer Mehrbenutzer VR. Über große Bildschirme bzw. Leinwände, Kinect-Kameras und kabellose Brillen werden mehrere Bildperspektiven abgebildet und in einzelnen Brillen durchgeschalten. Dadurch entsteht beim Nutzer die Illusion, dass sich alle Mitglieder in einem Raum befinden und auf die gleiche Stelle zeigen. Hier benötigt der Nutzer zwar dennoch einen Projektionsraum, ist aber freier in seinen Handlungen. Diese Technologien werden in wenigen Jahren vermutlich in eine ganz normale Brille oder Kontaktlinsen hineinpassen, wodurch wir auf das Level des Smart Social Learnings kommen.
  • Aber auch das Gedankenspiel MR mit Robotik und Künstlicher Intelligenz zu verbinden, ist heute nicht mehr so weit entfernt. Ein Anwendungsbeispiel: Pflegeroboter können die Patientenüberwachung übernehmen. Tauchen Symptome auf, die der KI unbekannt sind, kann sich ein Mitarbeiter (ähnlich einem Callcenter) auf den Roboter schalten. So erhält der Mensch alle wichtigen Informationen und kann entweder über den Roboter selbst Gegenmaßnahmen (z.B. Wunden verbinden) einleiten oder einen Notarzt informieren.
  • In Kombination mit dem Internet der Dinge kann das, noch in den Anfängen steckende Virtual Shopping, Einkäufe zukünftig effizienter gestalten, ohne das auf das Shopping-Erlebnis an sich verzichtet werden muss. So kann in der Mittagspause bspw. der Kühlschrank nach seinen aktuellen Inhalten befragt werden. Sogleich werden benötigte Produkte im virtuellen Lebensmittelmarkt eingekauft und stehen am Abend vor der Haustür. Lust- oder Frustkäufe sind jedoch auch hier nicht ausgeschlossen.

Fazit: Und was lernen wir daraus?

Mixed Reality verändert unsere persönliche Wahrnehmung und kann nützlich sein bei der Wissensaneignung. Wie bei jeder Technologie, lauern dennoch auch hier Gefahren, denen wir uns bewusst sein sollten. Simulierte Realitäten bieten uns zwar einen erweiterten Handlungsspielraum, stellen jedoch immer noch nur einen Teil bzw. Ausschnitt der wirklichen Realität dar. Zwei Materialien können beim Schweißen tatsächlich so reagieren, wie die Simulation es zeigt. Doch was ist mit anderen Umwelteinflüssen, wie Ablenkungen durch Kollegen oder Verunreinigungen am Arbeitsplatz, weil z.B. unter freien Himmel gearbeitet wird?

Umso komplexer die Szenarien werden, desto schwieriger wird die Handhabung einer Simulation. Auch steigen Entwicklungszeit und -kosten an, sodass eine Simulation am Ende teurer werden könnte, als ein tatsächlicher Praxistest.

Wird das Konzept des Blended Learnings mit Mixed Reality kombiniert, lassen sich Lernfortschritte ressourcensparend und effektiv erzielen, da die verschiedenen Trainingselemente hier individuell auf den Lernenden angepasst werden können.

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Cornelia Herre

Hier bei TecArt bin ich für das Innovationsmanagement, die Informationssicherheit und den Datenschutz verantwortlich. Als gelernte Fachinformatikerin und studierte Organisations- und Personalentwicklerin (M.A.) vereine ich zwei Wissenwelten, die mir meine tägliche Arbeit erleichtern. Für interne und externe Forschungsvorhaben finde ich schnell geeignete Szenarien in den Bereichen Cloud-Computing, Mixed-Reality, Industrie und Arbeit 4.0. Als TÜV-zertifizierte Datenschutzbeauftragte und Informationssicherheitsbeauftragte der TecArt kümmere ich mich u.a. um die Themen DSGVO und Datensicherheit.

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