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Social Augmented Learning: Lehren und Lernen in einer erweiterten Realität

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Das Lernen in erweiterten Lernräumen, die Facetten des Social, Mobile und Augmented Learning verbindend, stellt einen zentralen Aspekt des Forschungs- und Entwicklungsprojektes Social Augmented Learning dar. Im 2013 initiierten Projekt wurden die Ansätze dieser lerntheoretischen Konzepte in Verbindung mit einem Einsatz mobiler Endgeräte im Berufsschulunterricht zur Entwicklung einer neuartigen technologiegestützten Lehr- und Lernform herangezogen.

Ziel des Projektes war nicht nur diese Entwicklung, sondern die gezielte Überführung des Lernens mit mobilen Endgeräten und Augmented Reality in eine kohärente Medienstrategie für Berufsschulen und Ausbildungsbetriebe. Das Berufsfeld Medientechnologin bzw. Medientechnologe Druck diente bei dieser Entwicklung sowohl als Ausgangspunkt der fachinhaltlichen Auseinandersetzung, als auch als Ausgangspunkt praktischer Erprobungen. Neben dem Fachwissen rund um die schwarze Kunst müssen Medientechnologen Druck heute komplexe informationstechnische Systeme ebenso sicher bedienen wie als Schnittstelle zwischen den zahlreichen Fachabteilungen einer modernen Druckerei fungieren. Der traditionell eher handwerklich geprägte Beruf hat sich zu einer Industrie gewandelt. Konventionelle Lernmedien sind in zunehmendem Maße weniger geeignet, die Fülle der curricularen Inhalte effektiv zu vermitteln. Gerade technische Prozesse, die zuvor direkt an der Maschine gesehen und gelernt werden konnten, sind an modernen Exemplaren häufig nicht mehr einsehbar.

Im Projekt Social Augmented Learning wurde aus diesem Grund eine Anwendung für Tablets entwickelt, mit der Lernräume mittels Augmented Reality erweitert sowie AR-Lerninhalte generiert, gelehrt und gelernt werden können. Lernende können mit Social Augmented Learning ein virtuelles Fenster öffnen, durch das sie Bauelemente und Prozesse, die ansonsten hinter Stahlkonstruktionen verborgen sind, aus nächster Nähe erkunden können. Einleitend wird in diesem Beitrag zunächst der Technologiebegriff der Augmented Reality definiert, bevor die im Projekt verfolgte didaktische Positionierung aufgezeigt wird. Anschließend wird die entwickelte Lehr- und Lernanwendung beschrieben.

Augmented Reality

Augmented Reality (AR) wird definiert als die Erweiterung der Realität um virtuelle Inhalte und Zusatzinformationen. Charakterisiert ist diese Definition vom dreidimensionalen Bezug virtueller und realer Objekte in einer realen Umgebung sowie der Interaktion in Echtzeit [1]. In [2] wird die Verwendung von AR-System in fünf wesentliche Teilbereiche untergliedert:

AR-Bücher: Durch die Einbettung von AR-Markern in herkömmliche Bücher können diese unter Zuhilfenahme eines Smartphones oder eines Tablets um dynamische bzw. interaktive Inhalte erweitert werden [3]. Erste Untersuchungen deuten in diesem Zusammenhang auf ein verbessertes Verständnis der vermittelten Lerninhalte und eine hohe Akzeptanz, auch ohne eine vorherige Einweisung, hin [4].

AR-Spiele: Diese fördern den Spaß am Lernen und können den Lernenden animieren sich interaktiv mittels Versuch und Irrtum mit sehr abstrakten oder komplexen Lerninhalten auseinanderzusetzen [5]. Studien zeigen, dass AR-Spiele geeignet sind, die Geschwindigkeit des Lernens und das Engagement der Lernenden zu steigern [6].

Erkundungs-basiertes Lernen: AR-Technologie ermöglicht die Annotation verschiedenster Objekte oder Orte wie z.B. Ausgrabungen [7] mit zusätzlichen digitalen Inhalten. Die Tatsache, dass für den Lernenden im Voraus in der Regel nicht ersichtlich ist, welche Objekte mit welchen Inhalten verknüpft sind, animiert ihn verstärkt zum selbstständigen Erkunden seiner Umgebung bzw. der betrachteten Objekte. So wird die Motivation an der selbständigen Erschließung eines Themas gesteigert.

Objekt-Modellierung: AR-Anwendungen können es Lernenden ermöglichen, selbstständig Objekte zu modellieren. Sie können diese frei im Raum betrachten und die Auswirkungen von Änderungen im Konstruktionsprozess augenblicklich analysieren. So kann das Vorstellungsvermögen der Schüler gefördert und gleichzeitig deren Motivation erhöht werden [8].

Training von Fertigkeiten: AR-Systeme eigenen sich besonders für instruktionsbasiertes Lernen, bei dem Lernende auf ein Verhalten direkt Konsequenzen erfahren, ohne sich selbst oder die Maschine einem Risiko auszusetzen. Laut [9] sind Anwendungen mit kollaborativen Aspekten besonders erfolgreich in der nachhaltigen Vermittlung von Wissen.

Die Ursprünge der Technologie lassen sich in schweren und unkomfortablen Head-Mounted-Displays (HMD) der 1960er finden. Im Laufe der Jahre sind die Geräte deutlich kleiner, komfortabler und preiswerter geworden, im Markt oder gar im Bildungsalltag sind sie aber noch nicht angekommen. Während die Google Glass gefloppt ist [10] liegt die Microsoft HoloLens erst in einer ersten [11] und die Meta in einer zweiten Entwicklerversion [12] vor. Die durch HMDs ermöglichte direkte und unmittelbar erlebbare Augmented Reality scheint damit noch weit entfernt zu liegen.

Nichts desto trotz beginnen gerade moderne mobile Endgeräte schon heute, das Potenzial der Augmented Reality zu erschließen. Über das Display des Smartphones oder Tablets können virtuelle Inhalte gleichermaßen wie bei HMDs eingeblendet werden. Zwar müssen die Geräte in einer bzw. zwei Händen gehalten werden, was den Komfort mindert, dennoch bieten sie schon heute die Möglichkeit ein Fenster in die virtuell erweiterte Realität zu öffnen.

Didaktische Positionierung

Hinter dem kompositorischen Begriff Social Augmented Learning verbergen sich zum einen die bei der Entwicklung der Lehr-/Lernanwendung eine Rolle spielenden Faktoren, zum anderen aber auch die unterschiedlichen Facetten didaktischer Methoden. Als solches dienen folgende Aspekte als Ausgangspunkt der weiteren Darstellungen:

  • Augmented Reality und 3D-Visualisierung

Kosten- und Risikoaspekte verhindern, dass Lernende die Prozesse, die sie im späteren Berufsalltag beherrschen müssen, direkt an der Maschine erlernen können. Zudem unterscheiden sich die Maschinen, an denen Auszubildende in Berufsschulen lernen, teils stark von denen, die sie im Betrieb antreffen. Augmented Reality, bei der 3D-Daten auf Basis der Konstruktionsdaten des Maschinenherstellers eingesetzt werden, kann hier zur dynamischen und interaktiven Prozessvisualisierung beitragen. Mittels Tablet oder Smartphone wird so ein virtuelles Fenster ins Innere der Maschine geöffnet. So können Lernende Prozesse und Wirkungszusammenhänge – die sie in konventionellen Lernmedien aus Grafiken, Diagrammen oder Texten abstrahieren müssten – direkt sehen, explorativ erkunden und so authentische Erfahrungen in einer erweiterten Lernumgebung sammeln.

  • Kollaboratives Lernen in Gruppen

Die mittels Augmented Reality erweiterten Lernräume dienen dabei nicht nur selbstgesteuerten, individuellen Lernaktivitäten. Auch das Lernen in Gruppen, die gemeinsame Arbeit z. B. bei der Bewältigung von Problemlösungsaufgaben, werden mit der im Projekt Social Augmented Learning entwickelten Anwendung gefördert. Darüber hinaus wird so die Kollaboration über Lernorte hinweg ermöglicht, da Nutzer unabhängig vom physischen Standort an Augmented-Reality-Unterrichtseinheiten teilnehmen können.

  • Rahmenbedingungen und Position zur Lerntheorie

Um sicherzustellen, dass das Lernen mit mobilen Endgeräten und Augmented Reality nachhaltig in der beruflichen Bildung Anwendung findet wurden im Projekt zahlreiche Erprobungen in Ausbildungsbetrieben und Berufsschulen durchgeführt [13] [14] [15]. Diese Nähe zur Bildungspraxis, schon während des Entwicklungsprozesses, diente vor allem dazu, die Authentizität und Relevanz der entwickelten Lerninhalte zu sichern. Der didaktische und lerntheoretische Hintergrund, auf den sich diese Entwicklungen stützen, wurde im didaktischen Konzept des Social Augmented Learning zusammengefasst [16].

Design und Implementation einer Augmented Reality Lehr- und Lernanwendung

Auf Basis der geschilderten lerntheoretischen Positionierung und der technischen Hintergründe wurde im Projekt Social Augmented Learning eine Anwendung für PCs und mobile Endgeräte entwickelt. Diese besteht aus drei nutzerspezifischen Modi: Der Autorenumgebung zur Erstellung und Bearbeitung von AR-Lerninhalten, dem Präsentationsmodus zur Durchführung und Moderation von AR-Unterrichtseinheiten und dem Lernmodus zum selbstgesteuerten aber auch gemeinsamen Lernen.

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Abbildung 1: Entwicklung von AR-Lerninhalten

Erstellung und Aufbereitung von AR-Inhalten

Ausgangslage der Entwicklung von Lerninhalten für den Einsatz in einer erweiterten Realität ist bereits bestehendes Unterrichtsmaterial, z. B. aus Fachbüchern. In Verbindung mit 3D-Modellen der Druckmaschine können diese im Autorenwerkzeug des Social Augmented Learning verwertet werden. Einer folienbasierten Struktur folgend können ganze Lernmodule erstellt, bearbeitet und distribuiert werden, die wiederum komplette curriculare Themengebiete abdecken können. Im Projektkontext wurden exemplarisch vier Themenkomplexe identifiziert, aufbereitet und mithilfe der Autorenumgebung umgesetzt.

Da die Erstellung von Lerninhalten für die erweiterte Realität gerade mit Blick auf komplexe 3D-Modelle keine triviale Aufgabe darstellt, wurde dieser Aspekt bei der Entwicklung der Autorenumgebung bewusst als eigenständige Komponente konzipiert. Die Aufbereitung und Bearbeitung von 3D-Daten (z. B. auf Basis von CAD-Daten) erfolgt daher außerhalb der eigentlichen Anwendung des Social Augmented Learning wie gewohnt in gängiger 3D-Software (z. B. 3ds Max, Blender), im Regelfall also durch 3D-Artists. Content-Autoren können diese 3D-Modelle importieren und zusammen mit anderen kleinteiligen Fachinhalten (Texte, Grafiken, etc.) zu einem in sich geschlossenem Lernmodul verarbeiten.

Abbildung 2: Screenshot der Autorenumgebung
Abbildung 2: Screenshot der Autorenumgebung

Lernmodule werden auf einer zentralen Plattform bereitgestellt, die an die Mediencommunity 2.0 des Zentral-Fachausschuss Berufsbildung Druck und Medien gekoppelt ist. Über diese Schnittstelle erfolgt

nicht nur die Distribution von Lerninhalten, sondern auch die Integration der kollaborativen Werkzeuge der Mediencommunity in die Lernanwendung. Eine Kommunikation ist hierbei in beiden Richtungen möglich:

Nicht nur können Inhalte der Mediencommunity (z. B. Beiträge in Lerngruppen, Glossareinträge) in der Lernanwendung referenziert und verlinkt werden, auch können nutzergenerierte Inhalte die mittels der Anwendung erstellt werden (z. B. Social Tags an der augmentierten Maschine) der Mediencommunity zur Verfügung gestellt werden. Lerninhalte werden auf diese Weise über den Rahmen der in sich geschlossenen Lernmodule hinaus um eine soziale Komponente erweitert.

 

Augmented Reality im Unterricht

Im Präsentations- sowie Lernmodus können vorhandene Lernmodule geöffnet und zur Erweiterung von Lernräumen genutzt werden. Beim Präsentieren wird entweder über ein lokales Netzwerk oder über das Internet eine Sitzung des Lernmoduls geöffnet, der Lernende beitreten können – es entsteht also eine digitale Lerngruppe, bei der Lernende synchron vernetzt sind, unabhängig von ihrem physischen Standort.

Abbildung 3: Auszubildende lernen im Augmented Reality Modus der Anwendung

Die am mobilen Endgeräte geöffneten Instanzen der Anwendung synchronisieren sich selbstständig mit allen anderen eingeloggten Instanzen. Dies ermöglicht zum einen die Steuerung des aktuellen Lerninhaltes durch die Lehrperson, der die jeweils sichtbaren Inhalte, z. B. also die aktuelle Folie des Lernmoduls, vorgibt. Zum anderen kommen hier die durch die Anbindung an die Mediencommunity ermöglichten kollaborativen und kommunikativen Werkzeuge zum Tragen. So können sich Anwender unter anderem in einer aktiven Sitzung untereinander austauschen, visuell einzelne Maschinenelemente hervorheben, Multiple Choice Fragen beantworten oder Anmerkungen und Kommentare an der augmentierten Maschine hinterlassen. Neben diesem geführten, formalen Unterricht stellt die Lernanwendung einen Modus zum selbstgesteuerten Lernen zur Verfügung, den Lernende z. B. zur Prüfungsvorbereitung nutzen können.

In der Erweiterung der Realität, die über eine eigene Schaltfläche gestartet werden kann, wird das 3D-Modell positionsgenau an einem an der Druckmaschine angebrachten Marker ausgerichtet und kann interaktiv erkundet werden – Lernende navigieren den realen Raum wie gewohnt und steuern so unmittelbar auch die Sicht auf die per Augmented Reality eingeblendeten Lerninhalte.

Fazit

Social Augmented Learning stellt eine schon heute funktionsfähige Lösung für arbeitsplatznahes Lernen mit mobilen Endgeräten und Augmented Reality dar. Die Implementierung in den betrieblichen und schulischen Bildungskontext wird dabei durch die Einbeziehung der Branchenakteure auch über die Projektlaufzeit hinaus sichergestellt. Zusätzlich konnten und werden durch die durchgeführten Erprobungen in Berufsschulen und Ausbildungsbetrieben bereits zahlreiche Multiplikatoren generiert werden, die die Anwendung entweder schon im Unterricht einsetzen oder den Einsatz in naher Zukunft planen.

Die mobile und augmentierte Mediennutzung bietet die Möglichkeit, völlig neue Formen des arbeitsplatzorientierten Lehrens und Lernen zu etablieren. Speziell Augmented Reality ermöglicht es Prozesse zu durchleuchten während sie ablaufen. Nichts desto trotz sind mobile Endgeräte zwar in den Händen der Auszubildenden angekommen, im Ausbildungsalltag finden sie heutzutage aber noch keine Verwendung. Das Potenzial von Smartphones und Tablets liegt daher zurzeit noch größtenteils brach.

Projektförderung

Das diesem Bericht zugrunde liegende Forschungs- und Entwicklungsprojekt Social Augmented Learning wird durchgeführt von der Bergischen Universität Wuppertal, dem Zentral-Fachausschuss Berufsbildung Druck und Medien (Kassel), dem Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD (Rostock), dem MMB-Institut für Medien- und Kompetenzforschung (Essen) und der Heidelberger Druckmaschinen AG (Heidelberg). Es wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 01 PF 10010 von 2013-2016 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

[1] R. T. Azuma, „Recent Advances in Augmented Reality,“ IEEE Computer Graphics & Applications, Volume 21, Issue No. 6, pp. 34-47, 2001.

[2] A. Alkhamisi und M. Monowar, „Rise of Augmented Reality: Current and Future Application Areas,“ International Journal of Internet and Distributed Systems, Vol. 1 No. 4, pp. 25-34, 2013.

[3] S. Yuen, G. Yaoyuneyong und E. Johnson, „Augmented reality: An overview and five directions for AR in education.,“ Journal of Educational Technology Development and Exchange, Jg. 4, Nr.1, pp. 119-140, 2011.

[4] R. Grasset, A. Dünser und M. Billinghurst, „Edutainment with a mixed reality book: a visually augmented illustrative childrens‘ book,“ Proceedings of the 2008 International Conference on Advances in Computer Entertainment Technology. ACM., pp. 292-295, 2008.

[5] P. O‘Shea, R. Mitchell, C. Johnston und C. Dede, „Lessons Learned about Designing Augmented Realities,“ International Journal of Gaming and Computer-Mediated Simulations, 1(1), pp. 1-15, 2009.

[6] M. Zoellner, D. Stricker, G. Bleser und Y. Pastarmov, „iTACITUS–Novel Interaction and Tracking Paradigms for Mobile AR,“ in VAST, 2007, pp. 26-30.

[7] R. De Lorenzo, „Augmented Reality and On-Demand Learning,“ 17 Oktober 2009. [Online]. Available: https://themobilelearner.wordpress.com/2009/10/17/augmented-reality-and-on-demand-learning/. [Zugriff am 9 März 2016].

[8] H. Kaufmann, D. Schmalstieg und M. Wagner, „Construct3D: a virtual reality application for mathematics and geometry education,“ Education and Information Technologies, 5. Jg., Nr. 4, pp. 263-276, 2000.

[9] M. Roussos, A. Johnson, T. Moher, J. Leigh, C. Vasilakis und C. Barnes, „Learning and Building Together in an Immersive Virtual World,“ Presence: Teleoperators & Virtual Environments, 8. Jg., Nr. 3, pp. 247-263, 1999.

[10] „Google schwört Kostendisziplin. Konzern erklärt Datenbrille erstmals öffentlich zum Flop,“ Frankfurter Allgemeine Zeitung, p. 25, 31.01.2015.

[11] A. Kipman, „Announcing Microsoft HoloLens Development Edition open for pre-order, shipping March 30,“ 29 Februar 2016. [Online]. Available: https://blogs.windows.com/devices/2016/02/29/announcing-microsoft-hololens-development-edition-open-for-pre-order-shipping-march-30/. [Zugriff am 8 März 2016].

[12] M. Friberg, „Introducing the Meta 2 Development Kit,“ 2 März 2016. [Online]. Available: http://blog.metavision.com/introducing-the-meta-2-development-kit/. [Zugriff am 8 März 2016].

[13] C. D. Fehling, „Praxistest: BKDM NordOst e.V.,“ 8 Oktober 2014. [Online]. Available: http://www.social-augmented-learning.de/praxistest-bkdm-nordost-e-v/. [Zugriff am 9 März 2016].

[14] C. D. Fehling, „Status Update: Dezember 2014,“ 17 Dezember 2014. [Online]. Available: http://www.social-augmented-learning.de/status-update-dezember-2014/#Erprobungen. [Zugriff am 9 März 2016].

[15] J. Klein-Wiele, „Erprobung des 2. Lernmoduls,“ 13 Oktober 2015. [Online]. Available: http://www.social-augmented-learning.de/erprobung-des-2-lernmoduls/. [Zugriff am 6 März 2016].

[16] C. D. Fehling, L. Goertz und T. Hagenhofer, „Didaktisches Konzept des Projektes Social Augmented Learning,“ 9 April 2015. [Online]. Available: http://www.social-augmented-learning.de/wp-content/uploads/2015/04/SAL_Didaktisches_Konzept_20150409.pdf. [Zugriff am 8 März 2016].

Christian Dominic Fehling

Christian Dominic Fehling

Christian Dominic Fehling, M.Sc. arbeitet seit 2013 als wissenschaftlicher Miterarbeiter im Institut für Systemforschung der Informations-, Kommunikations- und Medientechnologie (www.sikom.uni-wuppertal.de) der Bergischen Universität Wuppertal. Nach seinem Studium der Druck- und Medientechnologie, bei dem er sich vor allem auf den Einsatz moderner Medien und Technologien in Unternehmen spezialisierte, arbeitet er aktuell im BMBF-geförderten Forschungsprojekt Social Augmented Learning (www.social-augmented-learning.de) an der Entwicklung einer Lehr- und Lernanwendung, mit der Augmented Reality in der beruflichen Aus- und Weiterbildung eingesetzt werden kann.