Virtuelle Realitäten sind computergenerierte Echtzeit-Darstellungen von realen oder fiktionalen Umgebungen. Sie werden etwa in der Industrie, Medizin, Architektur oder in Computerspielen ein-gesetzt. Auch im Rahmen von Lernen und Wissenserwerb erlangen virtuelle Realitäten zunehmende Bedeutung.

Virtuelle Welten können zumeist über den Computer und das Internet betreten werden. Als wichtiges Merkmal ist hier die simultane Partizipation mehrerer Nutzer kennzeichnend, die sich unabhängig voneinander im virtuellen Raum bewegen können. Die Intensität der Interaktion ist durch die jeweilige Ausprägung der Virtuellen Welt bedingt. Diese reicht von rein textbasierten Anwendungen bis hin zu komplexen, hochauflösenden, dreidimensionalen Umgebungen.

Alle dreidimensionalen Welten unterliegen bestimmten physikalischen, sozialen und biologischen Gesetzen, die vom Erfinder, Designer oder Entwickler festgelegt werden. Hierbei wird häufig zu den eigens definierten Gesetzmäßigkeiten der realen Welt zurückgegriffen, um dem Benutzer eine intuitive Bedienung der Welt zu ermöglichen und ihm den Einstieg in dieses relativ neue Medium zu erleichtern.

Eine virtuelle Welt ist in der Regel Software-basiert, und es liegt entweder eine Client-Server- oder eine Peer-to-Peer-Architektur zugrunde. Der Benutzer interagiert mittels eines Avatars mit der virtuellen Welt.

Wie können Lerninhalte in virtuellen Welten sinnvoll veranschaulicht werden?

Einer der Vorteile des Einsatzes von virtuellen Welten in der Lehre sind die bisher ungekannten Möglichkeiten der Veranschaulichung. Veranschaulichung kann auch durch eine hohe Unmittelbarkeit der Lernerfahrung erreicht werden.

Dabei lassen sich zwei Veranschaulichungsprinzipien identifizieren:

  1. Verräumlichung: Es wird ein räumliches Szenario geschaffen, das den Eindruck vermittelt, sich in einer künstlichen Welt zu befinden. Dies erhöht die Präsenz der Lernenden und führt zu einer hohen Vertrautheit.
  2. Ansprache mehrerer Sinneskanäle: Durch verschiedene technische Möglichkeiten kann neben dem visuellen Eindruck, der durch stereoskopische Darstellung möglicherweise so-gar einen dreidimensionalen Charakter hat, auch ein auditives oder haptisches Feedback vermittelt werden

Die Entscheidung, welche Form der Veranschaulichung gewählt wird, hängt wesentlich vom Lern-inhalt ab. Im Folgenden werden unterschiedliche Formen der Veranschaulichung dargestellt.

Formen der Veranschaulichung:

  • abbildungsgetreue Veranschaulichungen
  • schematisierende Veranschaulichungen
  • Kombinationsmöglichkeiten von abbildungsgetreu und schematisierend
  • konkretisierende Veranschaulichungen
  • metaphorische Veranschaulichung

abbildungsgetreue Veranschaulichungen

Abbildungsgetreue Veranschaulichungen bieten sich an, wenn es sich bei dem Lerngegenstand um reale Sachverhalte handelt oder wenn in Trainingswelten gelernt werden soll, weil das Lernen in der Originalumgebung zu aufwändig oder zu gefährlich ist. (Simulatoren für Flugzeugcockpits oder Steuerungszentralen von Atomanlagen) Denkbar ist auch, dass die Originalumgebung noch nicht oder nicht mehr existiert. (in der Architektur virtuelle Rundgänge durch geplante Bauten oder Rekonstruktionen von Gebäuden in der Archäologie)

Vorteil: Präsentationsform, mit einem besseren Erinnerungsfaktor als rein textuell dargebotenes Material.

Virtuelle Welten besitzen einen höheren Darstellungsgrad an Realismus (inklusive dreidimensionalen Raumverhältnissen, stereoskopische Parallaxe sowie dynamischer Veränderungen des Geschehens oder der Eigenbewegung des Nutzers).

Höhere Authentizität in virtuellen Welten – je realistischer ein Gegenstand abgebildet ist, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Lernerfahrung auf die Bedingungen der realen Umgebung transferiert werden kann. Abbildungsgetreue Veranschaulichungen bieten auch unmittelbare Verknüpfungen zu Alltagserfahrungen und sind unter konstruktivistischer Perspektive stärker situiert als andere Darstellungsformen.

Nachteil:

  • geringeres Maß an Anregung zu einer reflektiert mentalen Verarbeitung
  • Ablenkung der Lernenden von wichtigen Informationen
  • Vielzahl und Präsenz an nicht lernrelevanten Informationen

schematisierende Veranschaulichungen

  • verzichten bewusst auf eine möglichst hohe Abbildungstreue (durch eine graphisch vereinfachte dreidimensionaler Darstellung) > beziehen sich auf reale Darstellungen.
  • Betonung und Hervorhebung von lernrelevanten Details
  • Ausblendung von irrelevanten Details eines Lerngegenstandes
  • Anwendung von Größenskalierungen – (Lern-) Gegenstand ist real, aber zu groß (Sonnensystem), zu klein (Zelle, Zellkern) oder zu zeitintensiv (Dehnung oder Raffung bzw. Kürzung der Zeitbegriffe)
  • große Wirksamkeit wenn eine Zusammensetzung aus abbildungsgetreuen und schematischen Elementen durch Formen von Überlagerungen erfolgt

Kombinationsmöglichkeiten von abbildungsgetreu und schematisierend

In virtuellen Lernumgebungen werden abbildungsgetreue und schematisierende Darstellungen wechselseitig ineinander übergeführt, z.B. indem ein schematischer Grundriss vor den Augen der Lernenden sich in ein dreidimensionales Gebäude verwandelt.

Die Ergänzung einer virtuellen Realität z.B. um textuelle oder grafische Komponenten fördert die Ausbildung multipler Repräsentationen eines Sachverhalts, was zu einem verbesserten Behalten und einem tieferen Verstehen des Sachverhalts führt.

konkretisierende Veranschaulichungen

  • beziehen sich auf abstrakte Darstellungen (in mathematisch-naturwissenschaftlichen Lernkontexten) z.B. bei der Darstellung von physikalischen Konzepten wie Beschleunigung oder elektrischen Feldern in den Virtual-Reality-Umgebungen Newton World und Maxwell World.

weitere Darstellungsprinzipien:

  • Prinzip der Sinnesskalierung (transduction) – wenn für den Menschen nicht wahrnehmbare Sinnesdaten wie elektrische Felder oder Ultraschallwellen sichtbar, hörbar oder tastbar gemacht werden
  • Prinzip der Verdinglichung (reification) – wenn völlig abstrakte Konzepte wie etwa Theorien in Objektform überführt werden

metaphorische Veranschaulichungen

VORTEIL von metaphorischer Veranschaulichungen ist die kreative Nutzung von Analogien seitens der Lernenden. Metaphorische und schematisierenden Veranschaulichungen besitzen Gemeinsamkeiten, denn in beiden Fällen werden die perzeptuellen und kognitiven Verarbeitungsprozesse der Lernenden gezielt beeinflusst – im einen Fall durch das Anbieten von Analogien und im anderen Fall durch Hervorhebungen und Auslassungen.

Sie machen somit wesentlich stärkere instruktionale Vorgaben als abbildungsgetreue und konkretisierende Veranschaulichungen, die den Lernenden zwar ein umfangreiches Informationsangebot verfügbar machen, aber deren Verarbeitungsprozesse nur in geringem Maße direkt beeinflussen.

Varianten lernbezogener Interaktivität 

Die Besonderheit von virtuellen Realitäten besteht in der Interaktivität, denn Lernende können sich in der virtuellen Realität selbst gesteuert bewegen, also Standpunkt und Blickperspektive ändern,  und gegenüber Objekten und Personen, die sich in der virtuellen Welt befinden Handlungen vollziehen (Youngblut, 1998).

Varianten lernbezogener Interaktivität:

  • Explorationswelten,
  • Trainingswelten,
  • Experimentalwelten und
  • Konstruktionswelten

Explorationswelten

  • beruhen auf dem Prinzip, Informationsarrangements für Lernende flexibel „begehbar“ zu machen; z.B. rekonstruierte antike Städten und historische Gebäude, virtuelle Kunstausstellungen und Museen bis hin zu navigierbaren menschlichen Körpern oder Gehirnen.
  • Schwerpunkt liegt auf Vermittlung strukturellen Wissens über statische Sachverhalte.

Prozesse des Verstehens stehen dabei im Vordergrund:

  • Gegenstandsbereich wird für Lernende sinnlich-konkret erfahrbar gemacht
  • eigenständige Erkundungen sind möglich – Tempo frei wählbar
  • Auswahl der Inhalte bzw. Elemente der Informationspräsentationen nach eigenen Ermessen
  • Lernobjekte können von verschiedenen, frei gewählten räumlichen Blickpunkten aus betrachtet werden

Trainingswelten und Experimentalwelten

  • Ziel ist die Vermittlung prozeduraler und handlungsbezogener Fertigkeiten (Fahrsimulatoren, Training von komplexen Maschinen, G).
  • Sinnvoll wenn ein reales Training zu gefährlich oder zu teuer ist bzw. zu hohe Kosten, verursachen würde.
  • genaue Kontrolle des „Stimulus“ in der jeweiligen Situation;
  • neuartige, qualitativ hochwertige Form des Feedbacks zur Handlung in der virtuellen Realität für den Trainer möglich, (was bei einem realen Training nicht möglich wäre)
  • Das Verhalten der Lernenden ist in Trainingswelten im Gegensatz zu Explorationswelten insgesamt weniger selbst gesteuert, sondern wird in stärkerem

Möglichkeiten bestehen von der Simulationen zur Newton´schen Mechanik über Stoffwechselprozesse bis hin zur Infrastruktur von Städten.

Experimentalwelten: durch die Simulation wird den Lernenden ein Verständnis für die dem Phänomenbereich zugrunde liegenden kausalen Mechanismen zu vermitteln. Im Gegensatz zu Explorationswelten, unterstützen Experimentalwelten die Ausbildung mentaler Modelle über dynamische Gegenstandsbereiche.

Konstruktionswelten: eigenständige Schaffung von Objekten in virtuellen Welten oder ganz neuer virtueller Welten durch den Lernenden (anatomische Gestaltung von Pflanzen, oder gesamten Ökosystemen);

Konstruktionswelten dienen ebenso wie Experimentalwelten dem Erwerb mentaler Modelle über komplexe Sachverhalte.

Während Experimentalwelten ein stärker induktives Vorgehen nahe legen, beruhen Konstruktionswelten auf einem deduktiven Prinzip: die Lernenden erarbeiten vorab bestimmte Prinzipien und Konzepte, deren Schlüssigkeit und Validität sie anschließend überprüfen, indem sie sie in einer virtuellen Welt implementieren und deren „Erfolg“ beobachten.

Fazit! Für den Lernerfolg spielt hierbei nicht nur das Ergebnis eine Rolle, sondern gleichermaßen auch die Konstruktionsgenese und deren Reflexion und Diskussion durch die Lernenden.

In Evaluationsstudien zu virtuellen Lernumgebungen wurde eine Reihe von Problemen beim Wis-senserwerb in virtuellen Realitäten beobachtet (Bowman, Wineman & Hodges, 1999; Salzman et al., 1999; Roussos et al., 1999; Youngblut, 1998). Diese können nur umgangen werden, wenn einige wichtige Gestaltungsaspekte beachtet werden.

Möglichkeiten handlungsbezogener Gestaltung von virtuellen Welten: 

  • Strukturierung des Lernprozesses
  • Festlegung und Gestaltung sinnvoller Handlungsmöglichkeiten
  • Ergänzende Unterstützung durch Rückmeldungen / Feedback

Lernprozesse in virtuellen Welten strukturieren

Lernende profitieren von virtuellen Lernumgebungen vor allem dann, wenn sie sie nicht einfach in unverbindlicher Weise „besuchen“, sondern wenn sie dabei ein spezifisches Lernziel verfolgen. Lernziele können entweder instruktional durch Lehrende gesetzt werden, oder sie können implizit durch strukturierende Maßnahmen bei der Gestaltung der virtuellen Umgebung vermittelt sein. Instruktionale Strukturierungen seitens der Tutoren sollten dabei insbesondere in explorativen Lernumgebungen Wirksamkeit entfalten. Wenn das Erkunden einer solchen virtuellen Welt an spezifische, möglichst authentische Aufgabenstellungen geknüpft ist, wird den Lernenden eine integrative und elaborierte Verarbeitung der in der Lernumgebung verfügbaren Information abverlangt.

Als günstig erwiesen hat sich die Strukturierung der Lernerfahrung in einzelne, überschaubare Abschnitte. Sie lässt sich nicht nur durch eine geeignete Wahl von Aufgaben, sondern auch durch eine geeignete Gestaltung der virtuellen Realität selbst unterstützen. Häufig anzutreffen ist eine Anordnung der verschiedenen Bereiche einer virtuellen Realität in aufsteigender Komplexität: Im Rahmen der “Design-a-Plant”-Umwelt müssen Lerner beispielsweise Pflanzen aus vorgegebenen Teilelementen „bauen“, die optimal an die in der jeweiligen virtuellen Realität herrschenden Um-weltbedingungen angepasst sind. Die Lernenden beginnen dabei mit Welten, bei denen nur wenige Umweltparameter zu berücksichtigen sind und schreiten bei deren erfolgreicher Bewältigung fort zu komplexeren Welten mit mehr Umweltparametern (Lester, Stone & Stelling, 1999).

Es lassen sich auch virtuelle Welten konzipieren, bei denen Lernende in eine fortschreitende Erzählung eingebunden sind. Lerninhalte werden in diesem Fall in einzelnen, narrativ miteinander verknüpften „Szenen“ vermittelt, wobei ein Szenenwechsel dann erfolgt, wenn bestimmte Aufgaben gelöst wurden. Der Vorteil einer solchen narrativen Einbettung besteht vor allem darin, dass sie Lernenden ein übergeordnetes Schema nahe legt, in das sie die einzelnen Wissenskomponenten integrieren können.

Eine weitere Form der Strukturierung von virtuellen Realitäten besteht schließlich in einer themati-schen beziehungsweise ähnlichkeitsbezogenen Anordnung des Lehrstoffes. Typische Beispiele dafür sind virtuelle Museen. Allerdings zeichnen sich solche virtuellen Welten gegenüber abstrakten Hypertextstrukturen durch eine geringere Flexibilität aus, da die Anzahl möglicher „Wege“ durch eine solche Ausstellung eher begrenzt ist.

Gestaltungsmöglichkeiten bei der Einrichtung von Hilfestellungen, Wissensdiagnose und Feedback

  • Festlegung von Anzahl und Art der Handlungsmöglichkeiten anstelle unbegrenzter Möglichkeiten
  • Ein großer Umfang an potenziellen Handlungen ist zwar mit einem größeren Spielraum bei der Exploration, aber möglicherweise auch mit einer Ablenkung vom eigentlichen Lerngegenstand verbunden.
  • Nachteil: Verzicht auf Interaktionsmöglichkeiten, die jedoch spezifisch für virtuelle Realitäten sind.
  • Gewährung einer Außensicht und Innensicht zum konkreten Sachverhalt:
  • Vor allem bei Explorationswelten hat es sich als günstig erwiesen, Lernenden sowohl eine Außensicht auf den Sachverhalt (exocentric frame of reference) als auch eine Innensicht zu ermöglichen (egocentric frame of reference); d.h. das Geschehen von verschiedenen Positionen aus zu betrachten, die in der Realität unmöglich wären
  • Eine weitere Strategie zur Minimierung der kognitiven Belastung und Vermeidung einer dysfunktionalen Handlungswahl besteht in der Bereitstellung möglichst „natürlicher“ Verhaltensformen, die direkt aus dem Repertoire von Alltagshandlungen übernommen werden können. Eine zusätzliche Übereinstimmung von Handlungen und Handlungsfolgen in der virtuellen Realität mit solchen in der realen Welt ist darüber hinaus bei Trainingswelten gegeben. Hier hat eine Reihe von empirischen Studien gezeigt, dass unter diesen Bedingungen ein positiver Transfer des motorischen und prozeduralen Wissens auf reale Situationen erreicht werden kann (Handlungsrepertoires auf „natürliche“ Handlungen um eine Designstrategie, die zwar eine hohe Konsistenz und Transferierbarkeit gewährleistet, die aber gleichzeitig verbunden ist mit einem Verzicht auf Interaktionsmöglichkeiten, die spezifisch für virtuelle Realitäten Dies ist besonders für solche virtuelle Welten von Be-deutung, die keinen Realismus anstreben, sondern auf den Prinzipien der Größenskalierung, Sinnesskalierung oder Verdinglichung beruhen)
  • In komplexen virtuellen Lernwelten finden sich hierfür vor allem drei Methoden: sie erlauben den Nutzern “metaphorische” Handlungen (in der NICE-Umgebung können Kinder beispielsweise eine Wolke ergreifen und über eine Pflanze ziehen, um sie zu bewässern; sie positionieren „virtuelle Geräte“ in der virtuellen Welt (etwa einen Videorecorder, um ein Geschehen in der virtuellen Realität protokollieren zu können), oder der Nutzer verfügt über textbasierte oder ikonische Menüs, die er in sein Blickfeld einblenden und aus denen er Handlungen auswählen kann

Gestaltung des Feedbacks

  • Im Rahmen komplexer Lernumwelten birgt eine ausschließlich selbst gesteuerte Vorgehensweise der Lernenden die Gefahr eines geringen Lernerfolgs oder sogar des Erwerbs von Fehlkonzepten. Der Lernprozess in virtuellen Simulations- und Konstruktionswelten sollte deshalb angereichert werden mit angemessenen Hilfestellungen sowie Mechanismen der Wissensdiagnose und –rückmeldung

Eine instruktionale Strategie besteht darin, die Nutzung der virtuellen Realität in einen entsprechend vor- und nachbereitenden Unterrichtskontext einzubetten. Beispielsweise fan-den Bowman et al. (1999), dass Lernende von den Informationen, die in der virtuellen Welt vermittelt wurden, nur in vergleichsweise geringem Umfang direkt profitierten, dass aber eine verbesserte Lernleistung hinsichtlich der darauf folgenden Behandlung des Themas im Unterricht gegeben war.

Sinnvoll ist zudem, direkt in die virtuelle Welt wissenserwerbsbezogene Hilfestellungen zu integrieren. Dies kann sowohl lernergesteuert erfolgen, indem in kontextsensitiver Weise zusätzliche Informationen abgerufen werden können

Auch Elemente intelligenter tutorieller Programme, die aufgrund von lernerbezogenen Diagnosemechanismen eine aktive Hilfestellung geben, sind vorteilhaft. Beispielsweise können Lernende von einem virtuellen pädagogischen Agenten begleitet werden.