Interaktions- und Game-Design in VR - Serious Games für den Informatikunterricht

VR - Serious Games für den Informatikunterricht

VR-Lernanwendungen bieten das Potential, Lerninhalte interaktiv und greifbar zu machen. Insbesondere in der beruflichen Bildung existieren so bereits Anwendungen zum Training von Handlungsabläufen. Doch auch Fächer mit abstrakten Inhalten, wie die Informatik, können von dem Medium profitieren. Hierfür muss jedoch die Technologie, das Game-Design und der Lerninhalt aufeinander abgestimmt sein.

Forschungsansatz

Im Zentrum der Arbeit steht der „Inside the System“-Ansatz, bei dem Lernende buchstäblich in informatische Systeme eintreten und deren Funktionsweise durch interaktive Handlungen nachvollziehen können. Die Gestaltung der VR-Lernspiele folgt einem wissenschaftlich begründeten Designprozess, der auf Konzeptuellen Modellen, geeigneten Metaphern sowie etablierten Prinzipien der VR- und Multimedia-Forschung aufbaut. Die für diese Arbeit entwickelten Lernspiele „Inside the Router“ und „Inside the CPU“ bilden die zentralen Untersuchungsobjekte. Sie wurden so konzipiert, dass abstrakte Prozesse in einer reduzierten, kohärenten und interaktiv erfahrbaren Weise repräsentiert werden. Ergänzend wurden haptische Tangible-Varianten sowie Web-Versionen der Spiele entwickelt, um VR- und Realwelt-Interaktionen systematisch vergleichen zu können.

Ziele und wissenschaftlicher Beitrag

Ein zentrales Ziel der Dissertation ist die Untersuchung des lernpsychologischen Einflusses unterschiedlicher räumlicher Interaktionsformen innerhalb derselben VR-Technologie. Im Mittelpunkt steht dabei der Vergleich zwischen räumlicher Interaktion im Room-Scale-Format, bei der Interaktionsobjekte im Raum verteilt sind und Lernende sich aktiv zwischen ihnen bewegen, und stationärer Interaktion, bei der alle relevanten Objekte in unmittelbarer Greifreichweite um einen festen Standpunkt angeordnet sind. Beide Varianten nutzen dieselbe Hardware, dieselben Controller und dieselben Interaktionsmechaniken; sie unterscheiden sich ausschließlich durch die Größe der Play Area und die räumliche Struktur des Game Designs.

Gerade diese Dimension ist didaktisch und praktisch besonders relevant: Während Room-Scale-Interaktion ein immersives, körperlich eingebettetes Lernen ermöglicht und damit potenziell den Aufbau mentaler Modelle unterstützt, ist sie im Schulkontext organisatorisch schwerer einsetzbar. Platzbedarf, Sicherheitsanforderungen und die räumlichen Gegebenheiten vieler Informatikräume können den Einsatz limitieren. Die Dissertation geht daher der Frage nach, welche zusätzlichen Lernvorteile durch echte räumliche Bewegung entstehen, ob diese Effekte signifikant über die stationäre VR-Interaktion hinausgehen und in welchen Fällen ein reduziertes, platzsparendes Design dennoch didaktisch wirkungsvoll bleibt.

Forschungsfragen

Wie können effektive VR Serious Games zu Informatikthemen in einem systematischen Prozess entwickelt werden?
Wie beeinflussen metaphernbasierte, nicht realitätsbezogene fiktive Welten den Lernprozess in VR-Serious Games?
Welche Effekte haben Interaktionen auf den Lernprozess in VR Serious Games in fiktiven Welten?
Welche Effekte haben Personenunterschiede (Vorwissen, Interesse, VR-Erfahrung) auf den Lernprozess in VR Serious Games in fiktiven Welten?

Offene Bereitstellung der Lernanwendungen

Die im Rahmen der Dissertation entwickelten VR-Lernspiele werden als freie und offen zugängliche Software veröffentlicht, sodass interessierte Lehrkräfte die Anwendungen unmittelbar in ihrem eigenen Unterricht einsetzen können. Ergänzend werden für beide VR-Anwendungen funktionale Web-Versionen bereitgestellt, die am Desktop genutzt werden können und insbesondere für Schulen ohne VR-Ausstattung eine niedrigschwellige Alternative darstellen. Alle Anwendungen werden unter einer offenen Lizenz bereitgestellt, sodass sowohl Installationsdateien für VR-Headsets als auch browserbasierte Varianten dauerhaft zugänglich sind. Ziel ist es, den Transfer der Forschung in die Schulpraxis zu erleichtern und Lehrkräften erprobte Werkzeuge zur Vermittlung abstrakter informatischer Prozesse an die Hand zu geben.

Inside the Router

Eine Lernanwendung zum Thema Routing in Heimnetzen. Die Lernenden müssen Datenpakete in Form von Kapseln in einem Rohrpostsystem durch Fangen und Werfen weiterleiten.

Download, Source Code und Web-Version

Screenshot der Anwendung Inside the Router

Inside the CPU

Eine Lernanwendung zum Thema Von-Neumann-Rechner. Die Lernenden müssen Macro-Code in Micro-Code übertragen und eine Von-Neumann-Maschine in Form einer Fabrikanlage bedienen.

Download, Source Code und Web-Version