Wie Augmented Reality experimentelles Lehren und Lernen unterstützt

Bestimmung des Algenwachstums mittels modularem Photometer (desklab)
(c) BioVT, Lena Geuer

Lernen mit Langzeiteffekt: Insbesondere beim Vermitteln von Lehrinhalten in den MINT-Fächern ist der experimentelle Umgang mit aktuellen Themen für das Begreifen der (natur-)wissenschaftlichen Zusammenhänge unabdingbar. Gerade durch das Experimentieren lassen sich junge Menschen bereits während ihrer Schulzeit für diese Materie begeistern, was sich im späteren Verlauf auch auf die Auswahl eines Studienganges auswirken kann. Mit dem Projekt „ARWIN“ möchten Forschende der TU Kaiserslautern (TUK) Lehrkräften neue Methoden und Werkzeuge an die Hand geben, die das Durchführen von bestehenden Laborexperimenten pädagogisch anreichern – unter anderem mithilfe von Augmented Reality (AR).

ARWIN ist ein Teilprojekt unter dem Dach von U.EDU, einem Projekt der „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“. „Unser Ziel ist es, Nachwuchswissenschaftler*innen für die Natur- und Ingenieurswissenschaften zu begeistern, forschungsnahe und praxisorientierte Lehr- und Lernszenarien zu entwickeln und Brücken zur Integration in den naturwissenschaftlichen Unterricht zu schlagen“, erläutert Lena Geuer (M.Ed.) vom Lehrgebiet für Bioverfahrenstechnik an der TUK. „Begleitet durch die Kombinationen von realen und virtuellen Elementen können zusätzlich völlig neue Lehr- und Lernhorizonte erreicht werden, die sonst im Schulalltag nicht möglich sind.“

Blasensäule zur Kultivierung der Mikroalge
(c) BioVT, Lena Geuer

Der Fokus liegt bei ARWIN darauf, die auf die Schüler*innen zugeschnittene didaktische Aufarbeitung bestehender Laborexperimente aus der Bioverfahrenstechnik mit AR anzureichern, um den pädagogischen Mehrwert der Kombination von realen und virtuellen Elementen im Experimentierprozess zu entfalten. Die AR-Umgebung bietet dabei Hilfestellungen zum experimentellen Verfahren bzw. erläutert dessen fachlichem Hintergrund – zum Beispiel in Form von Videos, Text oder Bild. Diese unterstützenden Lernbausteine lassen sich auf einem Tablet anzeigen, sobald ein zugehöriges Erkennungsmerkmal wie etwa ein Bauteil der experimentellen Apparatur per Kamera gescannt worden ist.

Die medialen Eigenschaften von AR und die Kombination von realen und virtuellen Elementen zielen darauf ab, das Lernen zu fördern und die kognitive Belastung der Lernenden zu reduzieren. Die potenziellen pädagogischen Vorteile von AR sind besonders bedeutsam für natur- und ingenieurswissenschaftliche Bereiche. Dies zeigen Studien, welche positive Effekte von AR zu dem Erwerb räumlicher Fähigkeiten, praktischer Fertigkeiten, konzeptionellem Verständnis und wissenschaftlichem, forschendem Lernen beschreiben.

Um die Brücke zwischen den mit AR ergänzten Laborversuchen und den Experimentierphasen des naturwissenschaftlichen Unterrichts zu schlagen, haben die Forschenden die bereits im Projekt entstandenen Materialien in Experimentierkoffer integriert und stellen diese für Lehrkräfte kostenlos bereit. Zusätzlich besteht ein Fortbildungsangebot, in dem der Umgang mit den Experimentierkoffern vermittelt wird. Informationen zum Ausleihverfahren der Experimentierkoffer und dem Angebot der Lehrkräftefortbildungen finden Sie auf der Homepage der Bioverfahrenstechnik: https://www.mv.uni-kl.de/biovt/lehre/lehrkraefte-und-schuelerinnen/

Geuer führt aus: „Aktuell konstruieren und testen wir AR-Umgebungen zum Thema ‚Biotechnologie‘. So können Schüler*innen anhand von Experimentierkoffern die Kultivierung von Mikroorganismen in Bioreaktoren kennenlernen. Regelmäßige analytische Messungen ermöglichen es, wissenschaftliche Aussagen zum mikrobiellen Wachstum zu treffen. Die Schüler*innen wenden dabei ihr Wissen zu analytischen Methoden an, stellen Vergleiche zwischen den Methoden her und arbeiten in der Auswertung mit den eigens erfassten Daten.“

„Das Angebot an Experimentierkoffern wird fortlaufend ergänzt. Koffer für das Wachstum von Hefen und Algen sind bereits erhältlich. Ein Koffer zur Beobachtung des Wachstums von Pflanzenzellen wird in Kürze zur Verfügung stehen“, ergänzt Roland Ulber, Leiter des Lehrgebiets für Bioverfahrenstechnik.

Die AR-Umgebung zu den Laborexperimenten bietet virtuell dargestellte Hilfestellung zum realen experimentellen Verfahren, fachlichen Hintergrundwissen oder liefert zusätzliche weiterführende Informationen. Zum Ziel einer schulartspezifischen und schülerorientierten Optimierung der AR-Umgebung werden parallel zum Projektvorhaben verschiedene Untersuchungsvariablen wie beispielsweise Cognitive Load, Usability und Fach & Sachinteresse in einer Studie mit Schüler*innen erforscht.

Weitere Informationen:
Koordiniert wird das Vorhaben U.EDU durch das Zentrum für Lehrerbildung (ZfL) der TUK, worin das Vorhaben strukturell eingebunden ist. Mehr zu U.EDU finden Sie auf der Gesamtprojekthomepage https://www.uni-kl.de/uedu/

Das Vorhaben „U.EDU: Unified Education – Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette“ wird im Rahmen der gemeinsamen „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“ von Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert.

Fragen zum Teilprojekt ARWIN beantwortet:
Prof. Dr. rer. nat. Roland Ulber
E-Mail: ulber(at)mv.uni-kl.de
Tel.: 0631/205-4043

Lena Geuer (M.Ed.)
E-Mail: geuer(at)mv.uni-kl.de
Tel.: 0631/205-5477

Zum Gesamtprojekt U.EDU
Prof. Dr.-Ing. Norbert Wehn
Projektleiter U.EDU
E-Mail: wehn(at)eit.uni-kl.de
Tel. 0631-205-4436

Prof. Dr. Jochen Kuhn
Leiter des „Zentrum für Lehren und Lernen mit digitalen Medien“ der TU Kaiserslautern
Wissenschaftlicher Leiter U.EDU
E-Mail: kuhn(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631-205-2393

Hintergrund: „Qualitätsoffensive Lehrerbildung“
Ziel der Qualitätsoffensive Lehrerbildung ist die qualitative Weiterentwicklung der Lehrerbildung in Studium und Lehre durch die Unterstützung von innovativen Konzepten. Durch eine stärkere interdisziplinäre Ausrichtung sowie die Einbeziehung der Schulen soll das Studium praxisnäher werden. Auch den Herausforderungen der Heterogenität und Inklusion sowie Lehren und Lernen mit digitalen Medien trägt das Bund-Länder-Programm verstärkt Rechnung. Hierfür stellt der Bund für die Länder und Hochschulen bis zum Jahr 2023 bis zu 500 Millionen Euro bereit.

http://www.uni-kl.de

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Julia Reichelt Universitätskommunikation
Technische Universität Kaiserslautern

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