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Virtual Reality-Lehre: Harvard startet öffentliche 3D-Vorlesung

Die Virtuelle Realität erhält Einzug ins E-Learning. Die Elite-Universität Harvard setzt jetzt auf die VR-Lehre. Und auch in Berlin gibt es Bildung in 3D.

Virtual Reality-Lehre: Harvard startet öffentliche 3D-Vorlesung
[ArtFamily/Shutterstock]

Die digitale Darstellung einer virtuellen Welt in 3D reift als Technologie zunehmend heran. Die grundsätzliche Basistechnik wurde zwar bereits vor vielen Jahren entwickelt. Trotzdem kam man lange Zeit nicht wesentlich über Prototypen und Zukunftsvisionen heraus. 

Warum also gerade jetzt der Hype um die Virtuelle Realität?

Um eine für die menschliche Wahrnehmung realitätsgetreue Darstellung zu ermöglichen, ist eine ausreichende Performance der Grafikhardware erforderlich. Diese sog. Rendering Speed hat in jüngster Zeit ein hohes Niveau erreicht. Somit können 3D-Umgebungen endlich dargestellt werden, ohne beim Nutzer durch zeitliche Verzögerungen und Ruckeln der Bilder für Unmut zu sorgen. Gleichzeitig sind immer bessere 3D-Brillen verfügbar.


Virtuelle Realität kommt jetzt auch ins Bildungsumfeld

Nach diversen spezialisierten Industrieanwendungen stößt die VR-Technologie daher inzwischen auch im Consumer-Bereich auf starkes Interesse (z.B. im Computer-Gaming).  Und jetzt wird immer öfter auch mit VR-Anwendungen im Feld der Bildung und Lehre experimentiert. 


Das moderne Lernerlebnis dürfte daher in den nächsten Jahren von der Virtuellen Realität stark geprägt werden.


Harvards größte Vorlesung digital in 3D

Die unter Studenten der Harvard University beliebteste Vorlesung ist ein Einführungskurs in die Informatik (Computer Science 50 bzw. "CS50"). Über 800 Studierende schreiben sich in einem Semester in diesen Kurs ein. Und das erscheint noch verschwindend gering im Vergleich zum Interesse an der Online-Version: die weltweite Teilnehmerzahl an CS50 als kostenlosem MOOC (d.h. "Massive Open Online Course") hat bereits die Millionengrenze überschritten.

Im Wintersemester 2016/17 wird CS50 nun auch in der Virtual Reality-Version angeboten. Studierenden wird so mit entsprechender Hardware die 3D-Teilnahme an der Vorlesung ermöglicht. Konkret bedeutet das, dass der CS50-Student mit Datenbrille ein durchaus vergleichbares Vorlesungserlebnis erhält, als würde er in der ersten Reihe an der Präsenzvorlesung teilnehmen. 

In den verfügbaren VR-Videos auf YouTube erhält man dann in der Tat ein bisher einmaliges digitales Vorlesungserlebnis: Als Teilnehmer sitzt man hier "vom Sofa aus" in der ersten Reihe, der Professor läuft auf und ab, neben einem sitzen die Kommilitonen. Und vor einem befindet sich sogar ein virtueller Laptop, auf dem die Folien zur Vorlesung sichtbar sind. So kann eine moderne Online-Vorlesung aussehen!

(Hinweis: Auf Youtube ansehen; ein PC mit Mausnavigation zeigt allerdings nicht das volle Erlebnis, besser sind ein modernes Smartphone, YouTube App und evtl. Google Cardboard!)

Und was heißt das für die Zukunft der VR-Lehre in Harvard?

Etwaigen weiteren VR-Vorlesungen steht man dort grundsätzlich sehr optimistisch gegenüber. Hier zeigt sich einmal mehr, dass in den USA gegenüber neuartigen Lerntechnologien eine große Offenheit und Begeisterungsfähigkeit besteht. Im Gespräch mit Edukatico heißt es über zukünftige VR-Angebote: 

"VR is still in its infancy but we envision unique use cases for it such as meeting one-on-one with remote faculty, and whole new experiences that no other medium has been able to offer.  There's just something about it that's really engaging.
(Dan Coffey, Senior Educational Production Technologist, Harvard University)


Was ist Virtual Reality?

Virtuelle Realität (VR) bezeichnet die digitale Darstellung einer interaktiven und realitätsnahen Umgebung. Der früh entwickelte Flugsimulator ist hierfür eine bekannte Beispielanwendung. Hier können Piloten die Echtzeit-Darstellung eines Flugs und die Auswirkung Ihrer Handlungen live erfahren. Das gesamte Flugerlebnis wird dabei technisch simuliert. Die professionelle 3D-Visualisierung im Bereich der Küchen- oder Badplanung sind ein anderes industrielles Anwendungsbeispiel (z.B. der jüngst eingeführte "Holoroom" der US-Baumarktkette Lowe´s). Ebenso wurden bereits diverse VR-Computerspiele entwickelt.

Eine etwas abgeschwächte Form digitaler Realitäten ist die sog. Augmented Reality (AR). Diese stellt eine elektronisch erweiterte Realität dar, auch Blended oder Mixed Reality genannt. Dabei werden virtuelle Elemente in die reale Umgebung projiziert. Dem einen oder anderen dürfte dies aus dem Spiele-Hit "Pokémon Go" (Inhalte werden ins Bild der Smartphone-Kamera integriert) oder von den Head-Up-Displays im Automobilbereich (Information ist auf der Windschutzscheibe dargestellt) bekannt sein.


Von der 3D-Brille zum "Head Mounted Display"

In der Basisversion wird eine räumliche Darstellung z.B. über eine einfache 3D-Brille wahrgenommen. Von einem Display mit zwei übereinander gelagerten Bildern (z.B. Kinoleinwand) wird so am Auge durch die Brille eine 3D-Version erzeugt. In dieser einfachen Ausführung fehlt jedoch noch die für ein modernes VR-Erlebnis kennzeichnende Interaktivität in Echtzeit. Das Bild reagiert hierbei noch nicht auf den Zuschauer.

Anders dagegen beim sog. Head Mounted Display (HMD), also beispielsweise bei den bekannten Geräten Oculus Rift oder HTC Vive (jeweils als PC-Zusatzausrüstung). Hier sind zusätzlich Sensoren für die Bewegungen des Kopfs enthalten und die erzeugte Grafik passt sich in Echtzeit an diese Bewegungen an. Die Inhalte werden als 360 Grad-Video zur Verfügung gestellt und können somit vom Betrachter rundherum wahrgenommen werden, ganz als befinde man sich mitten im Geschehen. Noch intensiver wird dieses räumliche virtuelle Erlebnis, wenn Datenhandschuhe oder eine Gestensteuerung hinzukommen. Bei der HoloLens AR-Brille von Microsoft wird eine 3D-Darstellung in die reale Umgebung des Nutzers projiziert. Eine Einstiegsversion der HMDs stellen die VR-Brillen-Headsets für Smartphones dar (z.B. Google Cardboard oder Zeiss VR One).

Was genau soll eigentlich mit dieser Technik erreicht werden?

Ziel der modernen Virtual Reality – Technologien ist das Ermöglichen einer vollständigen Immersion, d.h. ein "Eintauchen" in die neue Welt mit möglichst allen Sinnen. Diverse Testpersonen an VR-Versuchen bestätigen immer wieder, dass dies in der Praxis auch bereits sehr weitgehend gelingt. In der sogenannten Immersive Education soll dann auf diese Weise virtuelle Bildung hautnah erlebbar werden, eben als "Immersive Learning".


1 Million Schüler auf virtuellen Schulausflügen mit Google

Wenig überraschend ist auch im Bereich der VR-Bildung der Google-Konzern einer der aktivsten Innovationstreiber. Über Google Experiences wird beispielsweise mit virtuellen Schulausflügen experimentiert. Per Juni 2016 hatten bereits 1 Mio. Schüler aus 11 Ländern an diesen "virtual field trips" teilgenommen. Sicher kein Ersatz für eine reale Exkursion, aber als Ergänzung ergeben sich hier doch interessante Einsatzmöglichkeiten. 

Gut 200 virtuelle Ausflugsziele sind so bereits verfügbar, vom Londoner Buckingham Palace bis zum Burj Khalifa, dem weltweit höchsten Gebäude in Dubai. Eine praktische Hürde bei der Umsetzung sind allerdings (noch) die Ausrüstungskosten: die erforderliche Hardware für 30 Schüler ist in den USA für rund 10.000 USD erhältlich. 


HWR Berlin führend bei der VR-Lehre in Deutschland 

Auch in Deutschland wird bereits in diversen Einzelprojekten am Einsatz virtueller Szenarien in der Lehre gefeilt. 

Ein bereits seit einigen Jahren existierendes Beispiel sind die "Virtuellen 3D-Welten" an der Hochschule für Wirtschaft und Recht (HWR) in Berlin. Dort wird unter der Leitung des E-Learning-Beauftragten Prof. Dr. Marcus Birkenkrahe z.B. mit Seminaren in einer künstlich erzeugten Avatar-Umgebung experimentiert. Zwar wird an der HWR bisher nicht mit der vollen HMD-Technologie für Teilnehmer gearbeitet (einfache PC-basierte Monitordarstellung). Trotzdem wird ein weitgehend immersives Erlebnis erzeugt und sogar interaktive Anwendungen wie beispielsweise Kommunikationstrainings sind erfolgreich integriert. Bis zu 80 Studierende je Semester nehmen bereits an den VR-Veranstaltungen teil, auch wenn laut HWR der Hochschul-Fokus im E-Learning momentan eher noch im Bereich der MOOCs und der Blended Learning-Konzepte liegt.

Prof. Birkenkrahe hält insbesondere die neuen Möglichkeiten der Immersion in der VR-Umgebung im Unterschied zur einfachen Interaktion (z.B. im Web 2.0) für entscheidend:

"Es geht hierbei darum, dass der am Bildschirm Lernende beginnt, die Grenze zwischen seiner physischen Realität und der virtuellen Welt zu vergessen."

Obwohl es einfache Videovorlesungen an vielen deutschen Universitäten gibt, existiert an der HWR damit eine der wenigen bisherigen 3D-Varianten von Lehrveranstaltungen. Die HWR-Seminare sind jedoch nicht öffentlich zugänglich.


"Cyber Classrooms" aus dem Schwarzwald

In einem anderen Projekt werden mit dem innovativen "Cyber Classroom" des Anbieters Imsimity aus dem Schwarzwald ebenfalls immersive 3D-Lernumgebungen möglich. Damit können u.a. die chemischen Prozesse in Pflanzen und der Ablauf der Photosynthese hautnah durch die Schüler erforscht werden. Es gibt dabei Varianten für Schulen, zur Berufsausbildung und auch eine "academic edition" für Hochschulen. 

Auch wenn die tatsächlichen Nutzerzahlen dieser exemplarischen VR-Bildungsprojekte bisher noch begrenzt sind, werden hier richtungsweisende Impulse gesetzt

Es bleibt zu hoffen, dass die bisherige Skepsis gegenüber VR-Anwendungen in Deutschland in Zukunft noch etwas weiter ins Positive gewendet werden kann. Bisher war jedenfalls laut einer Befragung der GfK in einem Kreis von 22 Ländern in Deutschland die eher ablehnende Haltung gegenüber virtueller Interaktion noch am stärksten ausgeprägt.


Besseres Lernerlebnis mit VR

Die positiven Effekte der Virtual Reality-Lehre liegen auf der Hand. Das digitale Lernerlebnis wird insgesamt intensiver und liegt näher an der analogen Realitätserfahrung. Es werden drei der menschlichen Sinne gleichzeitig involviert (Sehen, Hören, Fühlen), was mit Hilfe einer modernen, schnellen Grafikausrüstung bereits für ein völliges Eintauchen (Immersion) in die digital konstruierte Umgebung sorgt. 

Unter anderem bei den erforderlichen Experimenten zu Lernzwecken in den naturwissenschaftlichen MINT-Fächern kann diese Option des realitätsnahen Erlebens große Vorteile bringen. Ebenso beispielsweise beim Erlernen von Fertigkeiten wie z.B. in der Medizinerausbildung, wo heute bereits Operationstrainings in einer VR-Umgebung erfolgen können.

Lohnt sich der VR-Einsatz in der Lehre?

Es werden Forschungsergebnisse zitiert, die einen 90%igen Lernerfolg bei Simulationen sehen, im Vergleich zu 20-30% Erfolg beim Sehen oder Hören von Lerninhalten. Und auch wenn dazu sicher noch fundierte wissenschaftliche Arbeiten nötig sein werden: bereits vor 2.500 Jahren bemerkte Konfuzius über das eigene Erleben als Methode im Lernprozess: "Ich höre und vergesse, ich sehe und behalte, ich handle und verstehe."


Bildung für alle

Gleichzeitig gelten für die Virtual Reality-Bildungsszenarien natürlich die gleichen Vorteile wie für das E-Learning im Allgemeinen. Die variablen Kosten bzw. Grenzkosten der Übermittlung von Wissen sinken auf Null. Jeder weitere Teilnehmer am Bildungsprozess verursacht kaum weitere Kosten. Durch diese Skalierbarkeit wird der Zugang zur Bildung für weitere Interessenten erleichtert. Eine kostengünstige und ressourcenschonende Ausbildung wird für fast unbegrenzte Teilnehmergruppen möglich. Neue Lerninteressenten bekommen somit erstmaligen oder zumindest einfacheren Zugang zu Lerninhalten (Voraussetzung wie immer beim E-Learning: vorhandene Hardware bei den Teilnehmern und ausreichende Computer Literacy).


Die größte Hürde für VR

Auf der Kontra-Seite lässt sich dagegen nur wenig gegen Virtuelle Realität im Bildungsprozess sagen. Natürlich sind die langfristigen Auswirkungen von VR-Abläufen (medizinisch und psychisch) auf den menschlichen Körper genau im Auge zu behalten. Prof. Birkenkrahe von der HWR Berlin weist z.B. darauf hin, dass VR-Veranstaltungen aufgrund der sensomotorischen Besonderheiten im Vergleich zur Präsenzlehre von Teilnehmern oft noch als anstrengender empfunden werden. Gleichzeitig sei auch der didaktische Aufwand durch die Lehrenden bei der Erstellung von VR-Seminaren nicht zu vernachlässigen.

Als eigentliches Haupthindernis in der Verbreitung von VR-Lehrszenarien können jedoch die recht hohen Anfangsinvestitionen gelten, die sozusagen die Kehrseite der geringen laufenden Kosten sind. Die entsprechende Hardware dürfte sich jedoch in den nächsten Jahren weiter dramatisch verbilligen. Und mit der Umlage der Fixkosten auf entsprechend hohe Teilnehmerzahlen werden diese auch zunehmend besser erträglich.


VR-Bildung: "Transforming the delivery of knowledge"

Nicht umsonst sprechen Experten von bahnbrechenden Möglichkeiten der virtuellen Realität im Bildungskontext. Die inzwischen verfügbare Grafikleistung ermöglicht es jetzt, bestehende Visionen nun Schritt für Schritt mit immer neuen Anwendungen in das Lernumfeld einzubringen. Die erforderliche 3D-Ausrüstung bei Bildungsteilnehmern dürfte sich u.a. auch aufgrund der Consumer-Anwendungen weiter verbreiten (analog zu PC und Smartphone). Führende internationale Experten vermerken daher in einem aktuellen Bildungsreport

"These technologies are poised to impact learning by transporting students to any imaginable location across the known universe and transforming the delivery of knowledge and empowering students to engage in deep learning."
(NMC Horizon Report 2016)


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[Update Mai 2017: Den aktuellen Stand der VR-Technik für 360 Grad-Videovorlesungen stellte das CS50-Team aus Harvard in diesem Vortrag vor.]



20.07.2016
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