Virtual realities (VR) offer many possibilities for acquiring skills and knowledge. Although, they have the potential to change and improve learning experience, it has not yet been sufficiently investigated to what extent previous learning applications with this technology have had an influence on learning effect. Therefore, a systematic literature review is carried out in this paper to determine the influence of VR on learning effect, especially with the use of Head-Mounted Displays (HMDs). Most of the considered learning applications with VR showed a positive influence. However, only a few of the studies achieved better results compared to traditional learning methods or without the use of an HMD.
1
Menschen lernen gerne in einer natürlichen Umgebung, mit der sie sich identifizieren und in der sie untereinander interagieren können [Hö13]. Aktuelle technologische Entwicklungen, wie beispielsweise virtuelle Realitäten, bieten neue Möglichkeiten beim Erlernen von Fähigkeiten und Kenntnissen.
Hierbei gelten immersive virtuelle Realitäten (VR) als computergenerierte EchtzeitDarstellungen von realen oder fiktionalen Umgebungen, bei dem der Nutzer in den Programmablauf eingreifen und diesen verändern kann [SB06]. Im Vergleich zur VR beschreibt die augmentierte Realität (AR) eine teilweise Modifikation der realen Umgebung, bei der die reale Welt in Echtzeit in 3D registriert oder gescannt wird [Dö13]. Demzufolge verändert die VR und AR die Lernumgebung, indem alternative virtuelle Welten und Objekte dreidimensional simuliert werden. In diesem Zusammenhang gibt es viele Gründe (z. B. Psychotherapeutische Angsttherapie), sich sowohl mit VR als auch AR zu beschäftigen und entsprechende virtuelle und augmentierte Welten zu realisieren [Dö13]. Für die digitale Umsetzung in eine VR und AR müssen visuelle Ausgabegeräte verwendet werden. Ein typisches Ausgabegerät für die Simulation sind die am Kopf befestigten Head-Mounted Displays (HMDs). Vielfach wird darauf verwiesen, dass virtuelle Welten ein Wachstumsfeld mit hohem Potential zur Veränderung und Verbesserung der Lernerfahrung sind. Allerdings ist es noch ungewiss, welchen positiven Beitrag realistische Computersimulationen und interaktive VR-Systeme im Bereich der Wissensvermittlung wirklich erzeugen [SB06, BKP02]. Die Verwendung von VR bietet jedoch dem Benutzer die Möglichkeit innerhalb einer simulierten Realität zu handeln, deren Anwendung zu steuern und sich im Idealfall so wie in ihrer bekannten realen Umgebung zu verhalten [Bm09]. Sowohl der Lernprozess als auch die Lernumgebung und das intuitive Verständnis des Lernenden werden durch die Simulation einer virtuellen Welt verbessert [Iw11]. Zusätzlich dazu erhöht VR in Kombination mit spielerischen Elementen den Lerneffekt, das Verständnis der Lerninhalte, die akademische Leistung und Motivation [VFD14]. Aufgrund des aktuellen Trends und des Potentials von VR beim Lernen wird in dem vorliegenden Beitrag eine systematische Literaturanalyse zur Feststellung des Einflusses von VR und AR auf den Lerneffekt durchgeführt. Darüber hinaus wird überprüft, inwieweit der Einsatz von HMDs den Lernenden in seiner simulierten Lernumgebung beeinflusst. 2
Synonyme für eine virtuelle Realität sind Artificial Reality, Virtual Environments, Virtual World, Telepräsenz oder Cyberspace [BB94]. Diese verschiedenen Begriffe definieren die Eigenschaft der VR, nämlich eine vom Computer generierte Welt. In dieser Welt werden Objekte aus der Wirklichkeit oder Fantasie abgebildet. Nutzer können in diese Welt eintauchen und darin interagieren. Virtuelle Realitäten können beispielsweise in der Industrie, Medizin, Architektur und in Computerspielen eingesetzt werden. Dort können sie auch für den Erwerb von Wissen benutzt werden [SB06]. Der Grad der Immersion ist ein geeignetes Mittel, um die Effektivität der VR zu beurteilen. Die Immersion bezeichnet die Verbundenheit zwischen Benutzer und VR und hängt einerseits von der kompletten sensorischen Wahrnehmung des Menschen und andererseits von der Prägung des Verhaltens der virtuellen Realität selbst ab [BB94]. Um ein effektives Lernen in VR zu erreichen, sollten die Regeln in VR für einen Wissenserwerb denen der realen Welt entsprechen. Nutzer einer VR sollten nicht nur in die virtuelle Welt eintauchen, sondern auch ein bestimmtes Lernziel in jener Welt verfolgen und mit eben dieser Welt interagieren [SB02].
Im Vergleich zur VR kann der Benutzer durch AR die reale Welt statt einer virtuellen Welt sehen. Die sogenannte reale Welt besteht aus virtuellen und realen Objekten. Es findet eine Integration einer virtuellen in die reale Welt statt. Dabei wird die reale Welt nicht komplett ersetzt, wie es bei der VR der Fall ist [Az97; Dö13]. Um die Darstellung der virtuellen Objekte erfolgreich zu gestalten, benötigt man visuelle Ausgabegeräte, wie beispielsweise Smartphones, klassische Tablet-Computer oder Handheld-Geräte. Der Ablauf der Erstellung einer AR wird in fünf Schritte geteilt. Zuerst erfolgt eine Videoaufnahme der realen Welt, anschließend wird die Bewegung des Benutzers gegenüber der Welt verfolgt. Nach der Registrierung der Objekte in der realen Welt werden die virtuellen Objekte dargestellt. Als letzter Schritt erfolgt die Ausgabe [Dö13]. Die AR bietet somit eine Möglichkeit mithilfe eines Ausgabegerätes virtuelle Objekte über die reale Welt in Echtzeit und 3D zu überlagern. Auch eine Interaktion oder Manipulation dieser Objekte ist möglich [GF14]. Mögliche Anwendungsbeispiele sind dabei das Lernen in Klassenräumen oder Laboren [GF14]. Die Lernwelten von VR und AR lassen sich in verschiedene Lernwelten aufteilen in sogenannte Explorationswelten, Trainingswelt, Experimentierwelten und Konstruktionswelten [SB02]. 3 3.1
In der vorliegenden Arbeit wird eine systematische Literaturanalyse zur Feststellung des Einflusses von virtuellen Umgebungen auf den Lerneffekt durchgeführt. Hierbei werden anhand einer systematischen Übersichtsarbeit relevante Beiträge, welche sich auf die Aufgabenstellung beziehen identifiziert und mittels festgelegter Kriterien beachtet bzw. ignoriert [RBK09]. Diesbezüglich werden vier unterschiedliche wissenschaftliche Literaturdatenbanken (ScienceDirect, ACM Digital Libary, IEEE Xplore Digital Libary, PubMed) herangezogen und nach bestimmten Suchbegriffen, hinsichtlich des Einflusses auf den Lerneffekt von VR und AR unter Verwendung von HMDs untersucht. Für die Filterung und Auswertung der unterschiedlichen Quellen wird das PRISMA-Statement für systematische Übersichten und Metaanalysen verwendet [Mo10]. Dabei setzt sich das PRISMA-Statement aus einem Flussdiagramm und einer Checkliste zusammen und soll sämtliche Informationen einschließen, welche für den Nachvollzug der Technologieevaluation von Bedeutung sind [Wi15].
Die Suche nach Artikeln erfolgt anhand von drei Gruppen mit unterschiedlichen Begriffskombinationen. Die drei Gruppen für die Begriffskombinationen beinhalten Begriffe zu virtuellen Realitäten, VR-Brillen und zum Lernen: virtual reality, augmented reality und immersive reality head-mounted displays, virtual reality glasses und helmet-mounted displays learning und education
Nach der Literatursuche erfolgt die Auswahl der Artikel für die systematische Übersichtsarbeit anhand festgelegter Charakteristika. Dabei werden zunächst nur Originalartikel mit deutscher und englischer Sprache für die Auswahl untersucht. Ein zweites Ausschlusskriterium sind Artikel, welche die VR in Kombination mit einem HMD oder einer entsprechenden Technologie setzt. Danach werden Artikel ausgewertet, bei der VR-basierte Systeme hinsichtlich Simulationen, Spielen und virtuelle Welten verwendet werden. Abschließend wird mit der Schneeball-Methode, bei der in den Literaturverzeichnissen der Ergebnisse nach weiteren Quellen gesucht wird, der erfasste Themenbereich auf weitere relevante Artikel ausgedehnt. 3.2
Die Literaturanalyse wurde in vier verschiedenen Literaturdatenbanken durchgeführt.
Während die Datenbanken IEEE Xplore und ACM Digital Library 270 bzw. 483
Ergebnisse zu den Suchbegriffen lieferten, ergaben die Suchen bei ScienceDirect und
PubMed 2096 und 35 Ergebnisse. Aus dem gesamten Pool von 2884 Ergebnissen
wurden 1635 Duplikate entfernt. Eine anschließende Selektion nach dem
PRISMAVerfahren nach
Abb. 1: Verlauf des PRISMA-Verfahrens bei der Literaturanalyse 3.3
Bei der Untersuchung des Einflusses von VR mithilfe von HMDs auf den Lerneffekt
wurden insgesamt 16 Studien gefunden, die dies untersucht haben. Nur drei der Studien
befassen sich direkt mit dem Einfluss von HMDs [Ao07; JRB16; Lo04]. Diese drei
Studien stellten insgesamt ein positives Ergebnis bei der Benutzung von HMDs fest.
Wobei Aoki et al. (2007), bei einem Astronauten 3D-Navigationstraining ähnliche
Ergebnisse ohne HMDs erzielte. Hierfür wurde anstelle eines HMDs ein
nichtimmersives System (Desktop Monitor) verwendet.
Neun Studien haben den Einfluss einer VR auf den Lerneffekt untersucht, davon stellten
fünf einen positiven Einfluss auf die Lerngruppen fest. Eine Studie zeigte, dass das
Verständnis und die akademische Leistung durch die Verbindung von VR mit
spielerischen Elementen verbessert wurden [VFD14]. Das Lernen durch die eigene
Handlung („Learning-by-doing“) in Verbindung mit VR führt laut der Studie von
Aoki et al. 2007
probe 36 T,5 G
quantitativ
Kein signifikanter Einfluss
quantitativ
Lernprozess gefördert cyber-sickness
Aoki/Oman/
Natapoff 2007
Chittaro/
Buttussi 2015
Grabowski/
Jankowski 2014
Lernprozess quantitativ quantitativ quantitativ qualitativ quantitativ quantitativ quantitativ quantitativ quantitativ quantitativ quantitativ und qualitativ
Lernprozess gefördert; Wissenserhalt Lernprozess gefördert Tsagaan/ Nakatani 2011 gefördert, ersetzt aber kein konventionelles Lernen
Eindruck des
VR-Systems auf
alle Benutzer
Insgesamt wurden zehn Studien identifiziert, welche den Einfluss mittels AR in
Verbindung mit HMDs auf den Lerneffekt untersucht haben. Vier davon haben sich
spezifischer mit dem Einfluss auf den Lerneffekt mit Hilfe von HMDs beschäftigt
[AKG11; JBC08; MNG12; PMT16]. Alle vier Studien sind zu einem positiven Ergebnis
gekommen. Jedoch stellte sich auch heraus, dass die Verwendung der AR mit einem
HMD keinen signifikanten Unterschied zu einer Kontrollgruppe der jeweiligen Studien
ergab. In zwei Studien wird das Tragen eines HMDs als unangenehm empfunden, da
diese bei einer dauerhaften Benutzung zu schwer werden [AKK05; MNG12]. In der
Studie von
Technologie lohnt. In Tab. 2 sind die Studien mit Teilnehmerzahl und Gruppengröße, sowie deren Erkenntnisse aufgelistet.
Asai/Kobayashi/Kondo 2005
probe 22 T
quantitativ
C
quantitativ
Dünser et al. 2006
Sicherheit Angenehme Benutzung, Schwindel durch HMD Die systematische Litertaturanalyse nach dem PRISMA-Statement lieferte 26 Studien, die sich mit dem Einfluss von VR und AR mithilfe eines HMDs auf den Lerneffekt beschäftigen. Die meisten Studien berichteten über einen positiven Einfluss, aber nur wenige über einen besseren Einfluss auf den Lerneffekt durch VR oder AR mit HMDs als VR oder AR ohne die Benutzung der Displays oder konventionellen Lernmethoden. Im Bereich der VR stellt der Großteil der Studien einen positiven Effekt auf den Lerneffekt fest. Bei Studien mit Kontrollgruppen und der Benutzung von HMDs widersprechen sich die Ergebnisse. Während die Mehrheit keinen Unterschied zwischen Versuchs- und Kontrollgruppe feststellen konnte, wird dieses Ergebnis von einigen Studien widerlegt. Durch die nicht eindeutigen Ergebnisse ist in diesem Bereich eine Vertiefung der Forschung nötig. Dies könnte durch weitere Versuche mit Kontrollgruppen, die speziell den Einfluss von HMDs auf den Lerneffekt betrachten, durchgeführt werden.
Bei der Teilung in die Bereiche Simulation und virtuelle Lernumgebung ergeben sich die positiven Effekte aus unterschiedlichen Gründen. VR als Simulation bietet mögliche Vorteile in der Verhinderung von Gefahrensituationen für den Lernenden und Ressourcenschonung. Die virtuelle Lernumgebung wirkt sich hingegen positiv auf das Engagement und die Motivation des Lernenden aus. Dadurch ist eine Verbesserung des Lerneffekts zu erwarten. Diese muss allerdings noch weiterführend erforscht werden. Dazu bieten sich Versuche an, die Engagement und Motivation von Versuchspersonen bei der Benutzung von Lernumgebungen mit VR, beispielsweise mit Fragebögen, messen. Anschließend besteht die Möglichkeit die Auswirkungen auf den Lerneffekt und die Langfristigkeit dieser Effekte zu untersuchen.
Neben Motivation und Engagement hat auch der Grad der Immersion und cyber-sickness einen Effekt auf den Lerneffekt. Durch eine verstärkte Immersion kann sich der Lernerfolg verbessern, wohingegen cyber-sickness den Lernenden bei der Erfüllung seiner Aufgabe behindert. Beide Effekte sind bei der Entwicklung neuer Lernanwendungen zu berücksichtigen.
Die Immersion kann beispielsweise durch eine Vergrößerung des gleichzeitig wahrnehmbaren Sichtfeldes (Field of View) und des maximal möglichen Sichtfeldes (Field of Regard) verbessert werden [RA10]. Die cyber-sickness wird durch die Latenzzeit zwischen Eingabe des Benutzers und Ausgabe in der VR beeinflusst. Eine geringe Latenz, speziell bei schnellen Bewegungen in der VR, ist erstrebenswert, um die Effekte der cyber-sickness zu verringern [SNL16].
Das Ergebnis bei Untersuchungen mit einer AR ähnelt denen mit VR. Konnte in einer Studie ein verbessertes Abschneiden der Gruppe mit AR gegenüber einer Kontrollgruppe festgestellt werden [YL14], weisen die restlichen Studien nicht auf signifikante Unterschiede zwischen Kontroll- und Versuchsgruppen hin, stellen aber durchaus einen positiven Einfluss auf den Lerneffekt fest.
Durch die Unterschiede in den Technologien zwischen VR und AR lässt sich ableiten, dass sich AR eher als unterstützende Technologie zum Lernen eignet, wohingegen VR eine vollständige Lernumgebung darstellen kann. Bei beiden Technologien ist jedoch ein hoher Grad an Immersion wichtig, um ein gutes Ergebnis zu erzielen.
[AKK05] Asai, K.; Kobayashi, H.; Kondo, T.: Augmented Instructions – A Fusion of Augmented Reality and Printed Learning Materials. In (Goodyear, P.; Sampson, D. G.; Yang, D. J.; Kinshuk; Okamoto, T.; Hartley, R.; Chen, N., Hrsg.): Proc. of the 5th IEEE Int. Conf. on Advanced Learning Technologies, IEEE Computer Society, Taiwan, S. 213-215, 2005. [Ao07]
Aoki, H.; Oman, C. M.; Buckland, D. A.; Natapoff, A.: Desktop-VR system for preflight 3D navigation training. Acta Astronautica 63/7, S. 841-847, 2008. [AON07] Aoki, H.; Oman, C., M.; Natapoff, A.: Virtual-Reality-Based 3D Navigation Training for Emergency Egress from Spacecraft. Aviation, Space and, Environmental Medicine 78/8, S. 774-783, 2007.
Azuma, R., T.: A Survey of Augmented Reality. Presence: Teleoperators and Virtual Environments 6/4, S. 355-385, 1997.
Bullinger, H.-J.; Bauer, W.: Strategische Dimensionen der Virtual Reality. In (Warnecke, H. J.; Bullinger, H.-J., Hrsg.): Virtual Reality ’94 Anwendungen und Trends, Springer Berlin Heidelberg, S. 15-26, 1994. [Bm09]
Brill, M.: Virtuelle Realität, Springer Berlin Heidelberg, S. 6, 2009 [BKP02] Bente, G.; Krämer, N. C.; Petersen, A.: Virtuelle Realität als Gegenstand und Methode in der Psychologie. In (Bente, G.; Krämer, N. C.; Petersen, A., Hrsg.): Virtuelle Realitäten, Hogrefe Verlag, Göttingen, S. 1-32, 2002. [Az97] [BB94] [Co13] [Dü06]
Chow, J. et al.: Music Education using Augmented Reality with a Head Mounted Display. In (Smith, T. S.; Wünsche, B. C., Hrsg.): Proc. of the 14th Australasian User Interface Conference, Australian Computer Society, Australien, S. 73-79, 2013. Dünser, A. et al.: Virtual and Augmented Reality as Spatial Ability Training Tools. In (Hinze, A.; Nichols, D. M.; Masoodian, M., Hrsg.): CHINZ ’06 Proc. of the 7th ACM SIGCHI New Zealand chapter’s international conference on Computer-human [Dö13] [GF14] [GJ14] [Hö13] [Iw11] [JBC08] [JF00] [JRB16] [Kl14] [Ku13] [Lo04] interaction: design centered HCI, Neuseeland, S. 125-132, 2006.
Dörner, R. et al.: Virtual und Augmented Reality (VR/AR): Grundlagen und Methoden
der Virtuellen und Augmentierten Realität, Springer Berlin
Gutiérrez, J. M.; Fernández, M. D. M.: Augmented Reality Environments in Learning, Communicational and Professional Contexts in Higher Education, Digital Education Review, S. 61-73, 2014. [Mo10]
Peruzzi, A. et al.: Effects of a virtual reality and treadmill training on gait of subjects with multiple sclerosis: a pilot study. Multiple Sclerosis and Related Disorders 5, S. 91-96, 2016. [RA10] [RBK09] [SB02] [SB06] [SNL16] [TSK97] [VFD14] [Wa96] [Wi15] [YL14]
Ragan, E., D.: The Effects of Higher Levels of Immersion on Procedure Memorization Performance and Implications for Educational Virtual Environments. Presence: Teleoperators and Virtual Environments 19/6, S. 527-543, 2010.