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Sitzungsübersicht
Sitzung
F9‒H05: Lehren und Lernen mit Virtual und Augmented Reality
Zeit:
Freitag, 27.03.2020:
9:00 - 10:45

Ort: H05

Präsentationen

Lehren und Lernen mit Virtual und Augmented Reality

Chair(s): Sebastian Habig (Universität Duisburg-Essen), Sarah Malone (Universität des Saarlandes)

DiskutantIn(nen): Detlev Leutner (Universität Duisburg-Essen)

Die Begriffe Virtual und Augmented Reality (VR/AR) bezeichnen die Einbettung digitaler Inhalte in reale Umgebungen in Echtzeit (Azuma, 1997). Vor dem Hintergrund der rasanten technischen Entwicklung und der Digitalisierung von Lernangeboten wird VR und AR Lernszenarien großes Potential zugeschrieben, um innovative, lern- und motivationsförderliche Lerngelegenheiten für verschiedenste fachliche Domänen zu schaffen (Chen, 2016; Garzotto, Gelsomini, Occhiuto, Matarazzo, & Messina, 2017; Kesim & Ozarslan, 2012). Obwohl in den letzten Jahren zahlreiche VR/AR Lernsettings entwickelt wurden, ist bisher jedoch relativ wenig darüber bekannt, unter welchen konkreten Bedingungen diese eine lern- bzw. motivationsförderliche Wirkung haben und welche Rolle kognitive und affektive Lernvoraussetzungen in diesem Zusammenhang spielen (Bacca et al., 2014; Ibánez & Kloos, 2018; Radu, 2014).

Das Ziel dieses interdisziplinären Symposiums ist es, Ergebnisse bisheriger Forschung zum Einsatz von VR/AR Lernsettings zusammenzuführen und vor dem Hintergrund einer gemeinsamen theoretischen Basis zu diskutieren. Die fünf Beiträge dieses Symposiums beleuchten aus kognitionspsychologischer und fachdidaktischer Sicht bedeutende individuelle Faktoren und deren potentielle Bedeutung für das Lernen mit VR/AR an Schulen, Universitäten und beruflichen Ausbildungsstätten. Darüber hinaus werden, basierend auf den Ergebnissen der Studien, Implikationen für die Gestaltung von VR/AR Lernszenarien abgeleitet.

Im ersten Beitrag von Albus und Kolleginnen werden kognitionspsychologische Gestaltungsprinzipien des Lernens mit Medien (Mayer, 2005, 2009) bezüglich ihrer Gültigkeit innerhalb von Virtual Reality Lernsettings geprüft. Konkret wird mittels einer experimentellen Studie untersucht, welche Rolle Annotationen in virtuellen Lernsettings im Vergleich zu einer Kontrollgruppe spielen. Erste Ergebnisse zeigen differentielle Wirkungen der eingesetzten Lernsettings hinsichtlich des germane cognitive load.

Der zweite Beitrag von Tangocci und Bannert beleuchtet die Wirkung eines virtuellen Lernsettings für Berufsschülerinnen und -schüler hinsichtlich Lernleistungs- und motivationalen Variablen im Vergleich zu einem äquivalenten, Tablet-basierten Lernszenario. Darüber hinaus wird die Frage untersucht, inwieweit VR einen Einfluss auf die Akzeptanz dieser Technologie von Berufsschülerinnen und -schülern im Vergleich zum traditionellen Lernen hat. Auch in diesem Beitrag werden die Ergebnisse vor dem Hintergrund von Theorien zum Lernen mit Medien diskutiert.

Im dritten Beitrag von Keller et al. wird eine experimentelle Studie vorgestellt, in deren Rahmen vergleichend die Effekte einer Lernumgebung untersucht werden, die klassische textbasierte Information mit AR Repräsentationen verknüpft. Es wird dabei angenommen, dass durch die Visualisierung von dreidimensionalen Informationen mittels AR die extrinsische kognitive Belastung beim Lernen im Vergleich zu einer Kontrollgruppe, gesenkt werden kann. Der Beitrag fokussiert ebenso die wahrgenommene Benutzerfreundlichkeit der eingesetzten Lernanwendung, deren Zusammenhang zur kognitiven Belastung und die Rolle von räumlichen Fähigkeiten beim Lernen mit AR.

Der vierte Beitrag von Go & Zinn beschäftigt sich, ebenso wie Beitrag zwei, mit dem Einsatz von Virtual Reality in der beruflichen Bildung. Am Beispiel der Anwendung Virtual Physical Sensor Laboratory (VPSL) wird unter anderem der Zusammenhang zwischen dem Konstrukt spatial presence und dem flow-Erleben der Teilnehmenden untersucht. Darüber hinaus werden Implikationen für die Gestaltung von VR-Lernszenarien abgeleitet.

Im fünften Beitrag von Altmeyer et al. wird der Einsatz von AR beim Experimentieren zu Reihen- und Parallelschaltung im Physikunterricht untersucht. In einer AR-Bedingung werden Echtzeit-Messwerte genau über den korrespondierenden Bauteilen in Stromkreisen angezeigt und somit das Prinzip der räumlichen Kontiguität verwirklicht. Dieses besagt, dass durch integrierte statt Split-Source-Formate extrinsische Belastung reduziert und generatives Lernen und somit der Erwerb von Konzeptwissen gestützt werden kann. In einem Zwei-Gruppen-Pretest-Posttestdesign, werden sowohl kognitive Belastung als auch der Erwerb von Konzeptwissen in der AR-Bedingung mit einer Bedingung, bei der die Messwerte auf einer externen Anzeige präsentiert werden, vergleichen.

Abschließend wird Detlev Leutner die vorgestellten Beiträge kritisch beleuchten und die Frage thematisieren, inwieweit gängige Theorien zum Lernen mit Medien tragfähig erscheinen, um Ergebnisse zu VR/AR Lernszenarien zu interpretieren und Prinzipien zur Gestaltung von VR/AR Lernszenarien abzuleiten.

 

Beiträge des Symposiums

 

Lernen der Zukunft – Welchen Einfluss haben Gestaltungsprinzipen in Virtual Reality auf Lernerfolg und Cognitive Load

Patrick Albus, Andrea Vogt, Tina Seufert
Universität Ulm

Theoretischer Hintergrund

Mit der fortschreitenden technologischen Entwicklung und der immer umfassenderen technischen Infrastruktur an Schulen eröffnen sich neue Möglichkeiten Wissen zu vermitteln. Ob dabei der Einsatz neuer Medien wie Virtual-Reality-Brillen sinnvoll ist, wurde bisher kaum erforscht. Die marginal vorhandenen empirischen Befunde betrachten bisher die Lernprozesse wenig differenziert und zeigen eher oberflächliche beispielsweise motivationale Effekte (Merchant, Goetz, Cifuentes, Keeney-Kennicutt, & Davis, 2014). Um virtuelle Lernumgebungen lernförderlich zu gestalten, ist es wichtig, die kognitiven Prozesse, die durch das Design unterstützt werden sollen, zu verstehen. Dabei stellt sich die Frage, inwieweit sich die kognitiven Prozesse, die beim Lernen mit multimedialen Lernumgebungen angenommen werden auf das Lernen mit VR übertragen lassen. Die Cognitive Theory of Multimedia Learning (CTML) von Mayer (Mayer, 2005) beschreibt die Prozesse bei der Verarbeitung von Text und Bild als einander ergänzende Verarbeitungsstränge. Texte sollten deshalb mit Bildern ergänzt werden (multimedia principle), und das Design solcher Text-Bild-Kombinationen sollte dabei spezifischen Gestaltungsprinzipien folgen (Mayer, 2005). Ein Beispiel ist das räumliche Kontiguitätsprinzip, welches empfiehlt, dass Textteile möglichst nahe am oder im Bild platziert sein sollten, um Suchprozesse zu erleichtern und die Aufteilung der Aufmerksamkeit und damit auch den extraneous cognitive load zu reduzieren (Sweller, 2005). Konkret können in Bildern Textteile direkt an die korrespondierenden Bildelemente geschrieben werden, um die Integration der Informationen zu erleichtern. Dieses Annotationsprinzip wäre auch in virtuellen Lernumgebungen möglich.

Wenn Lernende weniger kognitive Anstrengung in unnötige Such- und Orientierungsprozesse investieren müssen, könnten sie die frei gewordene Kapazität auch für eine intensivere Verarbeitung einsetzen. Damit könnte der germane cognitive load durch Annotationen steigen. Eine solche Entlastung sollte vor allem bei Lernenden mit geringerem Vorwissen wirksam werden, während Experten eine solche Hilfe nicht benötigen (Seufert, 2003).

Fragestellung

In der vorliegenden Studie wird demnach untersucht, welche Effekte Annotationen in virtuellen Lernumgebungen im Vergleich zu einer Kontrollgruppe haben. Es wird erwartet, dass Annotationen den Lernerfolg steigern können (H1). Zudem wird eine Verringerung des extraneous load (H2) und ein höherer germane load erwartet (H3). Da Lernende mit geringem Vorwissen eher von Annotationen profitieren könnten als Lernende mit hohem Vorwissen, wird eine signifikante Interaktion zwischen der Experimentalbedingung und dem Vorwissen erwartet (H4).

Methode

Die Stichprobe setzte sich aus N = 107 Schülern einer bayerischen Schule der Klassenstufen 8 – 10 zusammen. Davon waren 57% männlich. Das mittlere Alter betrug M = 15.3 (SD = 0.95). Die Schüler wurden zufällig einer der beiden Experimentalgruppen zugewiesen: Die Experimentalgruppe erhielt in einer virtuellen Lernumgebung zusätzliche Annotationen während in der Kontrollgruppe diese nicht vorhanden war. Als abhängige Variablen wurden die Lernleistung der Schüler und die kognitive Belastung erfasst. Nach der Bearbeitung eines domänenspezifischen Vorwissenstests folgte die virtuelle Lerneinheit zum Thema Meerwasserentsalzung. Anschließend bearbeiteten die Schüler den Lernerfolgstest und einen Fragebogen zur differenzierten Messung der kognitiven Belastung (Klepsch, Schmitz, & Seufert, 2017).

Ergebnisse

In der vorliegenden Studie konnte ein signifikanter Haupteffekt der Annotationen auf die Lernleistung gefunden werden (H1: F(1, 105) = 22,93, p1 < 0.05). Bei der Analyse der unterschiedlichen Arten der kognitiven Belastung ergab sich ein komplexes Muster. Der extraneous load unterscheidet sich nicht signifikant zwischen den beiden Gruppen (H2: F(1, 105) = .36, n.s.). In der Gruppe mit Annotationen war jedoch der germane load höher im Vergleich zur Kontrollgruppe (H3: F(1, 105) = 3.37, p1 < 0.05). Es konnte keine signifikante Interaktion zwischen Vorwissen und Experimentalbedingung gefunden werden (H4: F(1, 105) = .10, n.s.).

Diskussion

Die Annotationen helfen den Lernern bei der Verarbeitung der Information, was sich in einem verbesserten Lernerfolg niederschlägt. Da dieser Effekt nicht auf eine Entlastung zurückzuführen ist, stellt sich die Frage, welche Effekte zur Erhöhung des germane load beitragen. In weiteren Studien soll deshalb die Motivation der Lernenden als möglicher Mediator miterfasst werden.

 

Effekte von Virtual Reality auf das Lernen von Berufsschülern

Elena Tangocci, Maria Bannert
Technische Universität München

Theoretischer Hintergrund

Erst in den letzten Jahren wurde ein Augenmerk auf Technologien wie Virtual Reality (VR) gelegt (z.B. Cheng & Tsai, 2013). Durch die verstärkte Entwicklung ihrer Applikationen kann eine größere Zielgruppe erreicht werden, wie zum Beispiel für Bildungszwecke (Freina & Ott, 2015). Erste Studien über VR zeigten erhöhte Aufmerksamkeit, Motivation und Zufriedenheit (z.B. Kesim & Ozarslan, 2012; Radu, 2014), Lernzuwachs und -transfer (Chen, 2016; Garzotto, Gelsomini, Occhiuto, Matarazzo, & Messina, 2017) und räumlich-visuelles Vorstellungsvermögen (Sorby & Baartmans, 1996, 2000) beim Lernprozess von Schülern.

Bacca und Kollegen (2014) fanden heraus, dass diese immersiven Technologien den Lernprozess von Berufsschülern während ihrer Ausbildung fördern und ihnen den Zugang zum Arbeitsmarkt erleichtern. Mit VR-Applikationen haben sie die Möglichkeit, dreidimensionale Objekte mehrmals und in originaler Größe zu sehen und zu erleben, was ermöglicht, räumliche Fähigkeiten zu entwickeln (Martín-Gutiérrez, Navarro, & González, 2011). Zudem können Auszubildende Situationen risikofrei erleben und üben, ohne sich selber in Gefahr zu bringen oder Sachen zu schädigen (Freina & Ott, 2015).

Fragestellung

Bislang wurden nur wenige Studien über die Effekte von VR auf das Lernen und die Entwicklung persönlicher Fähigkeiten bei Berufsschülern durchgeführt (z.B. Bacca et al., 2014). Es ist deshalb weitere Forschung erforderlich, vor allem bei der Anwendung und den Effekten von VR in der beruflichen Bildung. So ist das Ziel dieser Studie, die Effekte von VR- Lerntechnologien bei Berufsschülern hinsichtlich der drei Fragestellungen zu untersuchen: Inwieweit hat Virtual Reality Einfluss auf 1) den Lernerfolg, 2) die Motivation und 3) die Akzeptanz dieser Technologie von Berufsschülern im Vergleich zum traditionellen Lernen? Daraus leiten sich die Hypothesen ab, dass die VR-Bedingung sowohl im Wissenstest besser abschneidet als auch höhere Motivation und Akzeptanz aufweist.

Methode

In einem Experiment wurden Klassen einer deutschen Berufsschule mit N = 56 Auszubildenden im Alter von M = 19.2 (SD = 2.5) herangezogen. Sie wurden zufällig einer Kondition zugewiesen: entweder der VR-Lernbedingung (n = 30) oder der Kontrollgruppe (n = 29), bei der das Lernen mit Tablets erfolgte. Nach einem Pretest (α = .65) zur Erfassung von Vorwissen zum Umgang mit Leitern und einem Fragebogen über Erfahrungen mit VR und dem Lerninhalt Arbeitssicherheit, wurden die Schüler für die Lerneinheit mit der VR Brille einzeln vom Unterricht herausgezogen. In jeder Einzelsitzung sollten die Schüler, nach dem Durchlesen eines Informationsblattes und einer kurzen Einführung in die Technologie, Aufgaben zum Thema sicherer Umgang mit Leitern mit der VR-Brille bearbeiten. Anschließend wurde die Kurzskala Intrinsischer Motivation (KIM: Wilde et al., 2009) und Skalen des Technology Acceptance Model (TAM: Park, 2009) beantwortet und der gleiche Wissenstest erneut durchgeführt. Die Kontrollgruppe erhielt am Tablet ein vergleichbares Arbeitsblatt zum Lernthema Leitern, der weitere Ablauf blieb gleich.

Ergebnisse

Erste Befunde einer 2x2 Varianzanalyse mit dem between-Faktor Lernbedingung (VR und Tablet) und within-Faktor Zeit (Pre- und Posttest) ergaben, dass die Interaktion zwischen den Bedingungen nicht signifikant war (F(1, 57) = .27, p = .602). Es zeigte sich kein signifikanter Haupteffekt des Faktors Bedingung (F(1, 57) = 1.49, p = .23), jedoch ein signifikanter Haupteffekt für Zeit (F(1, 57) = 104.11, p < .0005). Die Bedingungen unterschieden sich nicht im Pretest. In der Varianzanalyse für die Motivationsskalen zeigte sich kein signifikanter Effekt (F(1, 57) = .213, p = .65). Auch in der Varianzanalyse für die Akzeptanzskalen zeigte sich kein signifikanter Effekt (F(1, 57) = 1.03, p = .31). Zusammenfassend unterschieden sich die Bedingungen in keiner der drei Variablen.

Die ersten Ergebnisse können anhand der Kognitiven Theorie des Multimedialen Lernens (Meyer, 2014) diskutiert werden. Weitere Analysen stehen aus, u.a. ergänzende Auswertungen des Wissenstests, der Lernprozesse der Schüler während der Interaktion mit VR, sowie der Inhalte und Länge der VR-Lernerfahrung.

 

Förderung internaler Modellbildung in Chemie durch Augmented Reality

Sebastian Keller, Sebastian Habig, Elke Sumfleth, Stefan Rumann
Universität Duisburg-Essen

Theoretischer Hintergrund

Die Nutzung kohärenter multipler externer Repräsentationen, wie Abbildungen und Texte, hat sich in vielen Fachdisziplinen als lernförderlich erwiesen – insbesondere in den Naturwissenschaften (Gilbert, 2008; Schnotz, 2014). Mit Hilfe kognitiver Lerntheorien, wie der Kognitiven Theorie des Lernens mit Medien (Mayer, 2009) und dem Integrierten Modell des Text- und Bildverstehens (Schnotz & Bannert, 2003), lässt sich diese Lernförderlichkeit erklären. Gelingt es, zunächst separat stattfindende Verarbeitungsprozesse von bildlichen und verbalen Informationen zu integrieren, steht am Ende dieses Prozesses ein integriertes mentales Modell, das mit Informationen aus dem Langzeitgedächtnis abgeglichen werden kann. Multiple externe Repräsentationen können sich inhaltlich ergänzen, was sich förderlich auf die Konstruktion mentaler Modelle auswirkt. Dennoch können Repräsentationen auch überfordern, falls Lernende nicht über entsprechende Repräsentationskompetenzen verfügen (Rau, 2017). Insbesondere in der Chemie sind Lernende mit vielfältigen Darstellungsformen in unterschiedlichen Abstraktionsebenen konfrontiert (Bille et al., 2019; Dickmann et al., 2019; Rau, 2017). Hierzu zählen auch dreidimensionale Darstellungen, die hohe Anforderungen an das räumliche Vorstellungsvermögen der Lernenden stellen, was die Konstruktion mentaler Modelle deutlich erschweren kann (Oliver-Hojo & Sloan, 2014).

Zur Unterstützung von Lernenden beim Erlernen chemischer Inhalte erscheint die Technologie der Augmented Reality (AR) vielversprechend. Erste empirische Untersuchungen, auch in den naturwissenschaftlichen Disziplinen, zur Wirksamkeit von AR-unterstütztem Lernmaterial deuten auf positive Effekte bezüglich kognitiver und affektiver Variablen hin (Ibáñez & Delgado-Kloos, 2018). Vor allem das aufgabenbezogene Interesse und die Lernmotivation können positiv durch AR-unterstützte Lernszenarios beeinflusst werden (Chen et al., 2011; Martin et al., 2012). Ebenso wird eine Förderung des räumlichen Vorstellungsvermögens durch AR berichtet (Lindgren & Moshell, 2011; Ibánez & Kloos, 2018).

Fragestellung

Bisher ist jedoch wenig über die konkreten Bedingungen bekannt, die zu den positiven Effekten von AR-unterstützten Lernsettings führen. Daher verfolgt das vorzustellende DFG-geförderte Forschungsprojekt u. a. die Forschungsfrage, ob sich AR-unterstützte Lernmaterialien zu Inhalten der organischen Chemie lernförderlicher auswirken, als äquivalentes Text-Bild-Material ohne AR-Unterstützung und ob ggf. das räumliche Vorstellen in diesem Zusammenhang moderierend wirkt. Im Rahmen experimenteller Studien mit Chemiestudierenden wird dabei auch untersucht, ob der Einsatz von AR einen Einfluss auf die kognitive Belastung beim Lernen hat und welche Rolle die wahrgenommene Benutzerfreundlichkeit der Lernanwendung spielt.

Methode

In einer ersten Studie mit 22 Chemiestudierenden (11 weiblich) wurden die kognitive Belastung beim Umgang mit der selbstentwickelten AR-App sowie die wahrgenommene Benutzerfreundlichkeit der App erhoben. Die drei Dimensionen kognitiver Belastung wurden mit Hilfe eines Fragebogens nach Klepsch et al. (2017) auf einer Skala von 1 (niedrig) bis 6 (hoch) gemessen. Für die Messung der Benutzerfreundlichkeit wurde auf die System Usability Scale (SUS: Brooke, 1996) zurückgegriffen.

Ergebnisse & Diskussion

Die mittlere intrinsische Belastung, die die Komplexität des Lerninhaltes selbst beschreibt, liegt im mittleren Bereich (M = 3,29; SD = 1,26). Hingegen wird die extrinsische Belastung beim Lernen mit AR als eher gering eingestuft (M = 2,05; SD = 0,90). Der gemessene germane load liegt im Vergleich eher hoch (M = 5,23; SD = 0,54). Der Befund der geringen extrinsischen Belastung wird auch durch die Bewertung der Benutzerfreundlichkeit der App gestützt. Über die 10 Items des SUS wurde für jeden Probanden bzw. jede Probandin ein Usability-Score berechnet. Für insgesamt 18 der 22 Teilnehmenden liegt der Usability-Score im höchstmöglichen Bereich. Tendenziell deutet sich eine negative Korrelation zwischen wahrgenommener Benutzerfreundlichkeit und extrinsischer kognitiver Belastung an, die im Rahmen der folgenden experimentellen Studie auf Signifikanz geprüft wird.

Die Ergebnisse dieser ersten Studie deuten darauf hin, dass das Lernen mit AR im Kontext der organischen Chemie aufgrund integrierter Informationsrepräsentation geeignet zu sein scheint, Lernprozesse zu unterstützen. Dies mag durch die hohe Benutzerfreundlichkeit der Technik begründet sein. Neben den dargestellten Ergebnissen sollen im Rahmen des Symposiums auch Erkenntnisse aus der sich anschließenden experimentellen Studie zur Wirksamkeit von AR-unterstützen Lernen präsentiert werden.

 

An Explorative Evaluation of a Virtual Physical Sensor Laboratory (VPSL) in the Context of School Teaching and Learning

Qi Guo, Bernd Zinn
Universität Stuttgart

Theoretical Background

Virtual Reality offers the possibilities of situational knowledge transfer and flexible learning, which are independent to the learning location and learning time (cf. Zinn, Guo & Sari 2016; Ariali & Zinn 2018). The simulation of a physical experiment enables not only the presentation of virtual objects and the information in VR but also the visualisation of the elements that are not visible in the real world, such as atoms, electrons and waves (cf. Blümel, Jenewein & Schenk 2010; Schuster et al. 2014). Virtual Reality gives a new perspective of user experience in learning, represented in the constructs of spatial presence, flow experience and learning motivation that can be assessed by the surveys with the students. Spatial presence, the state that one feels present in the virtual circumstances, may be related to the effective learning in a virtual environment (cf. Lombard et al. 2015). Flow experience describes an optimal mental state of being fully immersive in a highly engaging activity, which may also be relevant for learning outcome (cf. Csikszentmihalyi 1997; Engeser et al. 2005). The perceived usability has significant effects on the use intentions of the VR technology (cf. Pletz & Zinn 2018). Therefore, the constructs of spatial presence, learning motivation, flow experience and usability were surveyed to evaluate the application VPSL.

Research Questions

With the increasing development of the innovative technology in academic and economic fields, as well as in the context of the digitalisation in schools and “vocational education 4.0”, there is a rising tendency of the implementation of various modern technology into the school teaching and learning (cf. Van Ackeren et al. 2019; Zinn 2017). Despite the fast development of the technology, the delay of the implementation of the novel technology reveals the invisible hesitations of the schools, which are related to the shortage and the weakness of the technical infrastructures, the financial support, as well as the corresponding competence of teachers (cf. Zinn 2019). Therefore, it is critical whether the application offers an effective user interface and a functional user experience in the context of vocational learning (cf. Dörner et al. 2013). The interactive VR application of Virtual Physical Sensor Laboratory (VPSL), developed by Ditton (2018), is a learning aid in technical instruction. In this study, VPSL was implemented in vocational school classes, focusing on an evaluation of the systematic description of the application VPSL in vocational education and training (VET).

Methods

The study focuses mainly on a systematic evaluation of the developed virtual reality environment VPSL on the constructs of spatial presence, flow experience and motivation based on the theoretical foundations. The study was participated by the students in the majors of Automotive Mechatronics, Mechatronics as well as Technology and Management from VET schools (N = 145). Firstly, there was an introduction to VPSL and the following course. Then the students entered VPSL with VR headsets, where there were five physical sensor experiments with introductions and interactive experiment components. The students should follow the instructions, learn the theoretical knowledge, conduct the experiments and fill out the worksheets. After the experiment, all participants filled in the questionnaires regarding the learning experience with VPSL.

Results

The descriptive statistical analyses of spatial presence, flow experience and motivation indicate overall positive evaluations of VPSL. The structural equation model highlights that the spatial presence has a significant influence on the variance of flow experience. The model also explains the correlations between learning motivation, spatial presence and flow experience. This study also gives suggestions for the further implementation of VR learning environments in VET schools, in terms of the safety aspects, the usability improvement and the human-technology interactions.

 

Augmented Reality zur Förderung des Konzeptverständnisses beim Lernen durch Experimentieren in der Physik

Kristin Altmeyer1, Sebastian Kapp2, Michael Thees2, Sarah Malone1, Jochen Kuhn2, Roland Brünken1
1Universität des Saarlandes, 2Technische Universität Kaiserslautern

Theoretischer Hintergrund

In den Naturwissenschaften stellt das Experimentieren im Labor eine einzigartige Lernerfahrung dar. Positive Lernergebnisse sind dabei jedoch nicht garantiert (z.B. Husnaini & Chen, 2019). Es hat sich gezeigt, dass Lernprozesse beim Experimentieren dadurch unterstützt werden können, dass Lerninformationen virtuell dargeboten werden (Jones, 2019). Allerdings wird bei ausschließlich virtuellen Experimentierumgebungen bemängelt, dass keine praktische Experimentierfähigkeit (manuelle Fehlerbehebung, taktile Informationen) vermittelt werden kann (De Jong, Linn & Zacharia, 2013). Eine Möglichkeit zur Integration virtueller Informationen in reale Lernumgebungen und dadurch zur Verbindung der Vorteile beider Experimentierumgebungen stellt Augmented Reality (AR) dar. Überblicksartikel bezeichnen AR als hilfreiches instruktionales Werkzeug, das sich positiv auf den Lernerfolg auswirken kann (für eine Metaanalyse siehe Garzón & Acevedo, 2019). Damit solche Anwendungen die Lernenden nicht überfordern, sondern sich als lernförderlich erweisen, sollten sowohl ihr Mehrwert in einem bestimmten Lernkontext als auch ihre Gestaltung theoretisch und empirisch begründet werden. Laut Santos et al. (2014), verwandelt AR traditionelle Lernkontexte in Multimediasettings, was es erlaubt, empirisch gut erprobte theoretische Modelle zum Multimedialernen (z.B. Cognitive Theory of Multimedia Learning, CTML; Mayer 2005) zu nutzen, um Gestaltungsprinzipien für AR-Lernszenarien abzuleiten.

Fragestellung

Durch den Einsatz von AR beim Experimentieren kann insbesondere das auf der CTML basierende Prinzip der räumlichen Kontiguität verwirklicht werden. Dieses besagt, dass durch integrierte statt Split-Source-Formate extrinsische Belastung reduziert (Schroeder & Cenkci, 2018), generative Lernprozesse gefördert (Mayer, Moreno, Boire & Vagge, 1999) und letztlich auch z.B. konzeptuelles Lernen erleichtert wird (Vosniadou, 2007). Diese Annahmen sollten in der vorliegenden Studie überprüft werden.

Methode

In einem Zwei-Gruppen-Pretest-Posttest-Versuchsplan führten Studierende (N=50) Experimente zu Gesetzmäßigkeiten der Reihen- und Parallelschaltung durch, wobei ihnen die Messwerte in Echtzeit auf einem Tablet-PC präsentiert wurden. Anhand eines Arbeitsheftes wurden die Teilnehmer angeleitet, zunächst Schaltkreise aufzubauen, anschließend eine Spannung anzulegen, diese zu manipulieren, die Veränderung der Messwerte zu beobachten und Lernaufgaben dazu zu lösen. Die Hälfte der Lernenden wurde zufällig einer AR-Bedingung zugeteilt, bei der ihnen beim Betrachten der aufgebauten Schaltkreise durch die Tabletkamera Echtzeit-Messwerte direkt über den jeweiligen Bauteilen angezeigt wurden (integriertes Format). Die andere Hälfte der Lernenden experimentierte ohne AR. Ihnen wurden die gleichen Informationen ebenfalls auf einem Tablet angezeigt, allerdings in Form einer Übersicht (Split-Source-Format). Vor und nach der Laborarbeit bearbeiteten die Teilnehmer einen standardisierten Konzepttest zur Elektrizitätslehre (Urban-Woldron & Hopf, 2012). Außerdem erfolgte nach dem Experimentieren eine an die Lernsituation angepasste differenzierte Messung der subjektiven kognitiven Belastung (Leppink, Paas, Van Gog, Van der Vleuten & Van Merrienboer, 2014). Die erlebte Nutzbarkeit der verschiedenen Systeme wurde ebenfalls nach dem Experimentieren erfasst (System Usability Scale; Brooke, 1996).

Ergebnisse

Entgegen der Annahme zeigte sich zwischen den beiden Bedingungen kein signifikanter Unterschied in der wahrgenommenen extrinsischen Belastung (t(48) = 1.62, p = .112). Dies kann als Folge eines Bodeneffektes interpretiert werden, da die extrinsische Belastung insgesamt als sehr gering eingeschätzt und die Nutzbarkeit beider Systeme im Mittel als „exzellent“ klassifiziert wurde. Für den Lernerfolg im Konzepttest zeigte sich, dass während beide Gruppen vergleichbare Leistungen im Pretest zeigten, nur in der AR-Bedingung signifikante Leistungszuwächse von Pre- zu Posttest festgestellt werden konnten (F(1, 48) = 3.75, p = .029, ηp² = .075). Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass das integrierte Format, das beim Experimentieren mit AR aus dem Experimentalaufbau und den virtuellen Messwerten gebildet wurde, auch die mentale Integration essentieller Informationen unterstützt und somit den Aufbau von Konzeptverständnis gefördert hat. Dass der Lernerfolg insgesamt gering und auch der Effekt von AR weniger deutlich als in vorangegangen Studien war (Garzón & Acevedo, 2019), könnte dadurch begründet sein, dass der Erwerb von Konzeptwissen ein relativ ambitioniertes Lernziel darstellt, das insbesondere durch Methoden des entdeckenden Lernens über einen kurzen Interventionszeitraum nur schwer zu erreichen ist (z.B. Kirschner, Sweller & Clark, 2006).