Einfach anschaulich

Theorie und Praxis intelligent verknüpft

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© Fraunhofer IDMT — 

Mit askMe!, einer benutzerspezifisch anpassbaren Prüfungsanwendung, wird im Rahmen des Projekts »ELIXIER« Wissen anwendungsbezogen und interaktiv abgefragt.

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25. Januar 2016 — 

Unterricht in Physik, Chemie oder Biologie: Daumen rauf – oder doch eher ein Dislike? Eine eindeutige Antwort auf die Frage, wie spannend und motivierend diese Unterrichtsfächer sein können, dürfte vielen Schülern und Studenten schwerfallen. Beim Experimentieren im Übungssaal heißt es in der Regel: „Klar! Super!“ Aber sich die Grundlagen und Hintergründe mit dem Lehrbuch oder Skript aneignen? Das ist mühevolle Studierarbeit. Dabei geht es auch anders: »Virtuelle Labore« vermitteln Praxis und Theorie ganzheitlich und damit deutlich anschaulicher als klassische Lehrmittel.

 

Chemie-Übungssaal. Eine Schülerin soll selbstständig ein Experiment aufbauen und durchführen: Business as usual. Stück für Stück baut Sandra die Messgeräte auf dem Experimentiertisch auf. Sie bringt den Bunsenbrenner in Position, klemmt die Glaskolben fest. Dann aber zögert sie kurz: »An welcher Stelle wird der Temperatursensor gleich noch mal eingebaut?« Wo sonst der Lehrer eingreifen oder in Skript und Lehrbuch nach der Antwort gesucht werden muss, erscheint nun auf der Rückwand der Experimentierfläche ein erklärender Texthinweis: »Der Sensor ist entscheidend, um die richtige Vorlauftemperatur zu bestimmen. Er muss also im ersten Abschnitt des Versuchsaufbaus angebracht werden.« Auch während der Versuchsdurchführung erhält Sandra immer wieder erklärende und ergänzende Informationen zum Verlauf ihres Experiments angeboten. Etwa, was sie zur sicheren Durchführung im nächsten Schritt beachten muss, wie der aktuelle Prozessschritt in der Formeldarstellung aussieht oder ob die Werte ihrer Messsensoren im »grünen Bereich« sind. Zusätzlich zeigt ihr ein Lichtspot an, dass am Glaskolben über dem Bunsenbrenner noch etwas fehlt. Aber der neuartige, elektronische Tutor gibt nicht stupide Schritt für Schritt vor: In Abhängigkeit vom Fortschritt des Versuchsaufbaus und der Reaktionen von Sandra erkennt er, ob und welche weiteren Hinweise und Erklärungen nötig sind. 

Erweiterte Realität macht Theorie erfahrbar
In dem zur Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung vorgeschlagenen Projekt »ELIXIER« wollen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medientechnologie IDMT gemeinsam mit Wissenschafts- und Industriepartnern intelligente Laborräume entwickeln, welche erfahrungsbasiertes Lernen durch interaktives Experimentieren in erweiterten Realumgebungen ermöglichen. Der virtuelle Assistent unterstützt die Lernenden dabei nicht nur bei Vorbereitung, Aufbau und Durchführung von Experimenten in Chemie, Physik oder naturwissenschaftlichen Themen wie der Elektromobilität. Gleichzeitig lässt sich das System auch dazu nutzen, das theoretische Wissen der Lernenden in der Praxis zu prüfen: »Die erweiterte Realität der Laborumgebung wird dann nicht dafür verwendet, Anleitungen und Tipps zu geben, sondern um Aufgaben zu stellen und ihre Durchführung zu protokollieren und zu bewerten«, erklärt Christian Saul vom Fraunhofer IDMT. Die Forscher verknüpfen das Übungsequipment im Lernlabor dazu mit einer virtuellen Lernwelt. Die an den Geräten angezeigten Messwerte werden gleichzeitig an eine Software übermittelt. Zudem ist der Übungsplatz mit Kameras und Sensoren ausgestattet. Die Software bestimmt damit den status quo des Versuchsaufbaus und kann die Handgriffe des Übenden mitverfolgen. Über einen zusätzlich in die Laborumgebung integrierten Beamer lassen sich Erklärungen direkt an der Versuchsfläche einblenden. Animationen können außerdem real nicht sichtbare Vorgänge im Experiment veranschaulichen. Gezielte Lichtspots weisen auf einzelne Komponenten in der Versuchsanordnung hin und lenken so die Aufmerksamkeit.

Nahtlos weiterlernen im virtuellen Labor
Der interaktive Zugang zum Lernstoff beschränkt sich nicht auf die Arbeit im Übungssaal. Parallel dazu können die Experimente auch in komplett virtuellen Laboren auf Tablet, Whiteboard oder PC durchgeführt werden. Bunsenbrenner, Glaskolben oder Messgeräte stehen hier als fotografische Abbilder zur Verfügung, die sich auf dem virtuellen Übungsplatz anordnen lassen. Auch die Durchführung des Experiments erfolgt interaktiv per Touchscreen oder Maus. Die Studierenden können so am Bildschirm im realen Übungsaal begonnene Versuche fortsetzen, nochmals wiederholen, mit veränderten Parametern durchführen sowie zusätzliche Experimente üben. Passend zum jeweiligen Lernstoff stellt das Assistenzsystem weiterführende Materialien bereit, mit denen sich die theoretischen Grundlagen und Hintergründe erweitern und vertiefen lassen. Auch eine Überprüfung des aktuellen Lernstandes ist jederzeit möglich: Testaufgaben und Prüfungsszenarios fragen dabei nicht einfach passiv theoretisches Wissen ab. »Im virtuellen Labor gilt auch bei der Erfolgskontrolle, die erlernte Theorie in der Praxis anzuwenden und Schritt für Schritt praktisch umzusetzen«, so Saul.

Mehrwert durch Integration bewährter Systeme 
Zur Umsetzung der interaktiven Lernumgebungen im Übungssaal wie im virtuellen Labor vereinen die Forscher Systemlösungen von Fraunhofer IDMT und der Freien Universität Berlin (FU Berlin) erstmals zu einer integrierten Lern- und Assessment-Plattform. Für die Aufbereitung und interaktive Bereitstellung von Lerninhalten nutzen die Projektpartner das an der FU Berlin entwickelte »Technology Enhanced Textbook (TET)«. Das System stellt die technische Basis sowie Werkzeuge und Tools zur Verfügung, um Lerninhalte interaktiv erlebbar zu machen. Das Fraunhofer IDMT bringt in das Projekt das interaktive Prüfungs-Tool »askMe!« ein. Diese Komponente wird verwendet, um Tests und Prüfungsaufgaben zu erstellen und anzubieten, mit denen Wissen anwendungsbezogen und interaktiv abgefragt werden kann. Zudem bietet das System vielfältige Möglichkeiten zur Personalisierung der Lernumgebung. Die Lernumgebung lässt sich damit automatisch an das Vorwissen des Nutzers anpassen, persönliche Lernpräferenzen werden berücksichtigt und der Wissensstand und Lernerfolg kontinuierlich dokumentiert und analysieret. Im Rahmen des bis Ende 2018 geplanten BMBF-Projekts »ELIXIER« wollen die Partner die technologische Basis der integrierten Lernumgebung für erfahrungsbasiertes Lernen schaffen und Prototypen für den Einsatz der erweiterten Realität im Reallabor entwickeln und testen. Weiterhin werden komplett virtuelle Laborumgebungen sowie interaktive Materialien und Tests zur Lernunterstützung konzipiert und hinsichtlich Funktionalität, Usability und Lernerfolg evaluiert.  (stw)

 

Partner:

Freie Universität Berlin, Fachbereich Physik, AG Didaktik der Physik
Archimedes Exhibitions GmbH
Bauhaus Universität Weimar, Medieninformatik, Fakultät Medien - Professur für Human-Computer Interaction
LD DIDACTIC GmbH

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