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Lehren und Lernen mit VR/AR

In den letzten Jahren konnten in dem Bereich Virtual Reality, nicht zuletzt durch neuartige Head-Mounted-Displays und Eingabegeräte, immense Fortschritte erzielt werden. Am Lehrstuhl steht vor allem das Potenzial dieser neuen Technologie für die Bildung im Fokus. Kein anderes digitales Medium bietet momentan die Möglichkeit sich so direkt und intensiv mit dem Lerngegenstand auseinanderzusetzen, wie es bei VR der Fall ist. Unsere Forschungsschwerpunkte liegen vor allem auf den möglichen Interaktionsformen und dem Präsenzerleben. Dabei sind für uns insbesondere die Auswirkungen auf das Lehren und Lernen von Interesse. Eine Sonderform von VR stellt Augmented Reality dar, bei der der Fokus der Nutzer zwar in der physischen Realität verbleibt, diese jedoch um virtuelle Artefakte und Informationen erweitert wird. Auch hier sind am Lehrstuhl bereits spannende Projekte entstanden, um die didaktischen Möglichkeiten von AR auszuloten.

Die Lehrstuhlmitglieder Raphael Zender und Matthias Weise sind außerdem Initiatoren und Sprecher des Arbeitskreises VR/AR Learning, der den Fachgruppen E-Learning und Virtuelle Realität und Augmented Reality der Gesellschaft für Informatik zugeordnet ist. Der Arbeitskreis befasst sich mit aktuellen Entwicklungen, Herausforderungen und Trends zu Lehr- und Lernszenarien mit Technologien der Virtual und Augmented Reality.

Projekte und Publikationen

Auswahl von Interaktionstechniken für Virtual Reality-Anwendungen

Bei der Entwicklung von Virtual Reality-Anwendungen ist die Auswahl der passenden Interaktionstechniken eine elementare Aufgabe. So kann man sich in VR z.B. fliegend, per Teleportation oder durch physische Fortbewegung durch die Welt manövrieren oder Objekte durch direktes Greifen oder über einen Lichtstrahl selektieren bzw. manipulieren. Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Techniken ist groß und je nach Anwendungsszenario haben diese Vor- und Nachteile für die Nutzenden der Anwendung. Ein Promotionsprojekt am Lehrstuhl soll bei der Entscheidungsfindung unterstützen. Dazu werden Interaktionstechniken hinsichtlich vorher definierter Kriterien untersucht und verglichen. Mit Hilfe eines Tools soll es dann ermöglicht werden, Anforderungen in Abhängigkeit des Anwendungsszenarios zu definieren und so die richtigen Interaktionstechniken auszuwählen.

Publikation: Weise, M.: "Auswahl von Interaktionstechniken für Virtual Reality-Anwendungen", in: Mensch und Computer 2018 - Tagungsband. Regensburg: Gesellschaft für Informatik e.V.

Bearbeiter: Matthias Weise

Chancen und Herausforderungen beim Lernen und Lehren mit VR/AR-Technologien

Virtual und Augmented Reality sind derzeit stark diskutierte Technologien. Insbesondere wird ihnen ein hohes Potential zur Verbesserung des Lehrens und Lernens und zur Realisierung neuartiger Lehr-/Lernszenarien zugesprochen. Doch welchen Mehrwert bieten diese Technologien tatsächlich für Bildungssettings? Ein Beitrag für die  e-Learning Fachtagung Informatik (DeLFI) trägt einen Ausschnitt vom aktuellen Forschungsstand als Positionspapier des Arbeitskreises VR/AR-Learning der Gesellschaft für Informatik (GI) zusammen. Im Rahmen eines kollaborativen Online-Brainstormings wurden dafür Fachexperten gebeten vielfältige Chancen und Herausforderungen von VR/AR für die Lehre und das Lernen zu identifiziert. Das Ergebnis wurde u.a. anhand einer Literaturrecherche untermauert und bewertet.

Publikation: Zender, R.; Weise, M.: von der Hyde, M.; Söbke, H.: "Lehren und Lernen mit VR und AR – Was wird erwartet? Was funktioniert?", in: Die 16. e-Learning Fachtagung Informatik (DeLFI), 2018.

Bewertung von Naturgefahren mit Hilfe von Virtual Reality

Die Analyse und Bewertung von Naturgefahren setzt Fähigkeiten voraus, die im Studium der Geowissenschaften meist nur durch praktische Lerneinheiten im Feld erworben werden können. Dies stellt die Lernenden und Lehrenden vor allem vor finanzielle Herausforderungen und ist mit hohem Aufwand verbunden. Virtual Reality hat das Potenzial durch die Möglichkeit der immersiven dreidimensionalen Simulation ähnliche Erfahrungen virtuell nachzubilden und kann somit den Hindernissen in der Lehre von Naturgefahren begegnen. Im Rahmen einer Masterarbeit wurden potenzielle Aufgaben betrachtet, die im Rahmen eines Lernszenarios zur Vermittlung von grundlegender Fähigkeiten für die Analyse und die Bewertung von Naturgefahren genutzt werden können. Eine Auswahl dieser Aufgabenstellungen wurde in einer VR-Lernanwendung umgesetzt, die auf dreidimensionalen Modellen der Region nahe des Vulkans Chaitén basiert. Diese wurden aus Bildern einer Drohnenbefliegung und frei zugänglichen Geodaten generiert.

Publikation: Richter, A.; Weise, M.: "Bewertung von Naturgefahren mit Hilfe von Virtual Reality", in: Die 16. e-Learning Fachtagung Informatik (DeLFI), 2018.

Bearbeiter: Andreas Richter

Simulation von Störungen im Unterricht

Während des Lehramtsstudiums ist praxisnahe Erfahrungen wichtig, um angehende Lehrende bestmöglich auf ihr späteres Arbeitsleben vorzubereiten. Durch diverse selbst gestaltete Unterrichtseinheiten und Hospitationen wird so ein Eindruck vom Schulleben gewonnen. Es ist jedoch auch notwendig die Studenten auf mögliche Szenarien vorzubereiten, die nicht alltäglich im Schulleben sind. Ein gängiges Mittel, um die Reaktion auf Störungen während des Unterrichts zu üben, sind Textbeschreibungen.  Mittels dieser Texte beschreiben Studierende, wie sie sich in bestimmten Situation verhalten würden. Hier ist ein hohes Maß an Empathie nötig, um sich in die beschriebene Rolle zu versetzen, und so gab es hierzu bislang eher distanziertes Feedback. Die Schritte zu gesteigerter Immersion führten über klassische Lernvideos auf Leinwänden bis hin zu 360°-Videos. In einer Projektarbeit am Lehrstuhl wird diese Idee weitergeführt und eine interaktive virtuelle Welt erstellt, in der verschiedene Arten von Schülerverhalten modelliert werden kann und eine direkte Intervention ermöglicht wird. Das Projekt wird im Rahmen eines Masterstudiums entwickelt und soll Experten befähigen Schülerverhalten innerhalb einer virtuellen Welt auszulösen, während eine angehende Lehrperson eine Unterrichtseinheit in eben dieser Welt abhält. So wird eine Reaktion mit sehr hoher Immersion herausgefordert, die dann analysiert und bewertet werden kann.

Bearbeiter: Axel Wiebke

Augmented Reality-Lernszenario im Automobilbereich

Die Ausbildung in der Automobil-Industrie zeichnet sich durch eine enge Verzahnung von Theorie und Praxis aus. Unter Verwendung der Microsoft Augmented Reality Brille Hololens wurde ein Lernszenario konzipiert, das eine kontextbasierte Unterstützung des Lernenden bei einer realen Getriebemontage im Sichtfeld durch holografische Einblendungen ermöglicht. Darüber hinaus wurde durch die Implementierung eines Frameworks zur Erstellung von Lernszenarien der Zugang für Experten der jeweiligen Wissensdomäne geebnet. Trotz der bei diesem Medium erhöhten Komplexität der verwendeten Technologien soll so der Aufwand zur Realisierung neuer Lernszenarien im Vergleich zu herkömmlichen Lehrmethoden nur geringfügig steigen. Die Masterarbeit ist in Kooperation mit dem an der Mercedes-Benz Ludwigsfelde GmbH angeschlossenen Bildungszentrum entstanden.

Publikation:  Tallig, G.; Zender, R.; Runge, M.: Frameworkbasiertes Augmented Reality-Lernszenario in der Kfz-Ausbildung. In: Workshopband der 15. e-Learning Fachtagung Informatik (DeLFI), 2017.

Bearbeiter: Gregor Tallig

Festplattenwechsel in VR

Virtuelle Lernumgebungen können für Lernende die Möglichkeit bieten, Inhalte aus der Theorie in einer simulierten Praxissituation gefahrlos anzuwenden. Im Rahmen einer Masterarbeit wurde ein Prototyp entwickelt, der den Festplattenwechsel in einem Storage Aria Network (SAN) simuliert und es Studierenden und Auszubildenden informatiknaher Fachrichtungen ermöglicht, theoretische Lerninhalte zu netzbasierten Speichersystemen praktisch zu erfahren. Für die Umsetzung wurde ein didaktisches Konzept gemäß des konstruktivistischen Lernansatzes erarbeitet und ein effizientes Bedienungskonzept anhand eines Natural User Interfaces implementiert, welches durch das CORPUS-Framework realisiert wurde. 

Publikation: Lutze, F.; Zender, R.; Lucke, U.: "HardDrive Exchange – Eine VR-Lernanwendung zur Durchführung von Festplattenwechseln in Speichersystemen", in: Die 14. e-Learning Fachtagung Informatik (DeLFI), 2016.

Bearbeiter: Fabian Lutze

CORPUS - Framework zur systematischen Gestenerfassung und -verarbeitung

Sensoren, die die Bewegungen des menschlichen Körpers erfassen können, nehmen eine immer wichtigere Rolle bei der Mensch-Computer-Interaktion ein. Sie erlauben das Ableiten von Gesten, die das intuitivere Steuern neuartiger Anwendungen, wie das rechnerunterstützte Konstruieren oder Virtual Reality Applikationen, ermöglichen. In einer Masterarbeit wurde das Framework CORPUS entwickelt, das die Daten mehrerer Sensoren zusammenführt und Client-Anwendungen über ein einheitliches Körpermodell zur Verfügung stellt. Der Zugriff auf das Modell erfolgt dabei über einen RESTful Webservice oder eine WebSocket-Verbindung. Durch die Abstraktion von den Sensoren ermöglicht das Framework somit, eine einfachere Entwicklung von Applikationen,  die den steigenden Anforderungen an die Kommunikation zwischen Mensch und Computer gerecht werden. Um die Funktionsfähigkeit des Frameworks nachzuweisen, wurde eine VR-Anwendung implementiert, die es dem Nutzer ermöglicht die Grundlagen des Pianos zu erlernen.

Publikation: Weise, M.; Zender, R.; Lucke, U.: "Systematic Fusion of Gesture Sensors for Practical Learning in Virtual Environments", in: Proc. 15th IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies (ICALT 2015), IEEE, 2015.

Bearbeiter: Matthias Weise

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Dr.-Ing. Raphael Zender

 

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Matthias Weise, M.Sc.

 

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