Die Digitalisierung verändert nahezu alle Lebensbereiche, so auch die Hochschullehre. Das ist nicht neu. Spannend ist allerdings, in welcher Form und Vielfalt sich diese Veränderung präsentiert. Jeder Fachbereich steht da vor seinen eigenen Herausforderungen, aber eben auch vor ganz individuellen Möglichkeiten der Innovation durch und mit Digitalisierung. In diesem Beitrag beleuchte ich meinen eigenen Fachbereich, die Ingenieurwissenschaften. In diesem Bereich habe ich selbst studiert und darin bin jetzt seit über 10 Jahren forschend und lehrend aktiv, genauer gesagt im Bereich der Ingenieurdidaktik bzw. Engineering Education Research. Dazu später noch etwas mehr. Die Überschrift dieses Beitrags sollte daher also heißen: „Wie Cross Reality die Hochschullehre in den Ingenieurswissenschaften verändern kann und wird“. Doch was ist Cross Reality eigentlich?

Was ist Cross Reality?

Wie so häufig gibt es nicht die eine korrekte Definition. Der Begriff Cross Reality, oder auch XR, wird von unterschiedlichen Bereichen der digitalen Wirtschaft und Unternehmen in unterschiedlicher Weise genutzt. So fragte auch das WIRED Magazin in einem Online-Artikel im Mai letzten Jahres „So… What is XR?“ [1]. Die erste Antwort war vage: „It’s a real thing but also, not a real thing. Depending on who you ask, XR can either encompass a bunch of immersive video standards; suggest an intensified media experience; or just serve as a catchall phrase for AR and VR—marketing speak, really.“ Eine klarere Antwort gibt Jim Malcolm, General Manager des Technologieunternehmens Humaneyes, im gleichen Artikel: „XR does not refer to any specific technology. It’s a bucket for all of the realities.“ Und so möchte ich den Begriff Cross Reality auch im Weiteren benutzen, als Sammelbegriff aller digital erstellten oder unterstützten Realitäten im Sinne von Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) und Mixed oder Merged Reality (MR). Für die ingenieurwissenschaftliche Lehre bieten Cross-Reality-Technologien besonderes Innovationspotential. Aus meiner Sicht gilt dies vor allem im Bereich des Lehrens und Lernens im Labor, einem seit Jahrzenten integralen und essentiellen Bestandteil eines jeden ingenieurwissenschaftlichen Studiengangs.

Das Labor in der Ingenieurausbildung

Bereits Anfang des letzten Jahrhunderts wurde die Laborausbildung und ihre Relevanz für die ingenieurwissenschaftliche Ausbildung diskutiert und beschrieben [2]. Trotz ihrer Wichtigkeit hat sich die Nutzung des Labors als didaktischer Raum über Jahrzehnte hin kaum verändert. So wurde es im weitesten Sinne genutzt, um naturwissenschaftliche Zusammenhänge zu demonstrieren oder nachzuvollziehen [3]. Mit steigender Anstrengung im Deutschen Hochschulraum, die Verbesserung der Lehre in den Fokus zu nehmen, hat sich dies in den letzten Jahren geändert. Die „Neuentdeckung“ didaktischer Konzepte wie Problem-Based-Learning oder auch Research-Based-Learning haben auch die Ingenieurausbildung und damit die Laborlehre beeinflusst und für Innovationen gesorgt. In etwa im gleichen Zeitraum, beginnend Mitte der 90er Jahre, wurde mit den ersten Schritten zur Digitalisierung des Fernunterrichts auch der Startpunkt zur Digitalisierung der Laborlehre gesetzt. Physisch existierende Laboreinrichtungen wurden über das Internet zugänglich und nutzbar gemacht [4, 5]. Das Konzept des Remote Labors war geboren. Was früher noch vor allem im Kontext der Fernlehre verstanden und entwickelt wurde, wird heute im Kontext der Digitalisierung gesehen und hat in Form der Community Working Group Remote-Labore in Deutschland auch in der Hochschulforum-Digitalisierung-Community bereits einen festen Platz.

Cross-Reality-Labore

Remote-Labore sind nur ein Ergebnis der Innovationen rund um Labore in der Lehre. Mit dem Begriff Online-Labor werden alle Arten digital bzw. online gestützten Lehr-Lernlabore beschrieben. Hier schließt sich der Kreis zu Cross Reality, da auch für Online-Labore AR und VR eine besondere Rolle spielen. Wir können also auch von Cross-Reality-Laboren anstelle von Online-Laboren sprechen. Zu Augmented-Reality-Laboren gehören beispielsweise Versuchsaufbauten, die während des Experiments um AR ergänzt werden, um z.B. Echtzeitdaten wie Temperatur oder Druck direkt am Versuchsgerät anzuzeigen. Der Begriff Remote-Labore beschreibt, wie oben angedeutet, einen Versuchsaufbau, der sich physisch real vorhandener Versuchsgeräte bedient, wobei jedoch der Versuchsvorgang über das Internet von praktisch überall und jederzeit durchgeführt werden kann. Ich schließe diese Art von Laboren ebenfalls in die Gruppe der XR-Anwendungen ein, da es sich auch hier um eine digital vermittelte bzw. erweiterte Realität handelt. Ebenfalls zu Remote-Laboren gezählt werden solche Labore, die vorher erstellte Videoaufnahmen des Experiments nutzen. Diese Videosequenzen werden jedoch vom System so zusammengestellt, dass Studierende am Computer einen Versuch so durchführen können, als ob sie synchron auf das reale Equipment zugreifen, Einstellungen vornehmen und Versuchsdaten erhalten. Der Begriff Virtuelle Labore beschreibt virtuelle Umgebungen, voll- oder teil-immersiv, welche Simulationen für die Darstellung des Versuchs nutzen. Dabei können die Versuchsdaten ebenfalls simuliert sein oder auf Datensätze realer Experimente zurückgreifen.

Alle oben genannten Ansätze der Cross-Reality-Labore beinhalten sowohl Chancen als auch Herausforderungen für die Lehre. So stehen den Vorteilen dieser Labore, wie etwa gesteigerte Flexibilität oder Laborkapazitäten (um nur zwei von vielen zu nennen), auch unweigerlich Nachteile gegenüber. Cross-Reality-Labore lassen per Definition in den allermeisten Fällen ein haptisches Gefühl und den direkten räumlichen Bezug zum Experiment vermissen. Allerdings stellt sich auch die Frage, ob dies überhaupt nötig ist. Oder anders gefragt: Was sollen die Studierenden im jeweiligen Labor lernen? Geht es um haptische Fertigkeiten oder konzeptionelles Verständnis? Soll der Umgang mit Gerätschaften geübt oder das Anwenden theoretischer Modelle veranschaulicht werden? Kurz gesagt, welche Form von Lehr-Lernlabor (von real bis zu voll virtualisiert) eignet sich für das jeweilige Lehr-Lernziel? Dies muss immer ganz individuell beantwortet werden.

Cross-Reality-Labore in der Praxis

Ich möchte im Folgenden drei Beispiele zur Veranschaulichung von Cross-Reality-Laboren erläutern. Alle drei Beispiele stammen hier aus der Forschung und Lehre am College of Engineering der University of Georgia (UGA):

1. In einer Lehrveranstaltung in der Elektrotechnik nutzen die Studierenden Lochrasterplatten um Schaltkreise zu bilden und zu testen. Hierfür ist jedoch das Verständnis notwendig, auf welche Weise die Lochraster in der Platte verbunden sind. Mit Hilfe einer simplen AR-Anwendung für Smartphones, welche von einem Kollegen am College entwickelt wurde, kann dieses Verständnis gefördert werden [6]. Die Studierenden können hierbei die Kamera ihre Smartphones über die Lochraster halten und die AR-Umgebung zeigt die interne Schaltung in der Platte an. In einem weiteren Schritt können auch exemplarische Schaltkreise mit den notwendigen elektrotechnischen Komponenten angezeigt werden.
2. In einem anderen Beispiel aus dem Bereich des Bioingenieurwesens können die Studierenden mithilfe eines Remote-Labors (in diesem Fall basierend auf Videosequenzen) einen Versuch durchführen [7]. Dieser zeigt die Diffusionsgeschwindigkeit einer Natriumlösung in destilliertem Wasser. Dabei können die Studierenden zwischen unterschiedlich konzentrierten Lösungen wählen und den Versuch entsprechend auswerten. Die Studierenden können hierbei unabhängig von Öffnungszeiten zum realen Labor diesen Versuch beliebig oft durchführen, mit den Parametern frei experimentieren und auf diese Weise eigenständig Prozesswissen entwickeln. Gerade in Bereichen, in denen auch einfache Laborversuche ressourcenintensiv sind, können Remote-Labore daher besondere Vorteile bieten.
3. Ein letztes Beispiel aus dem Bauingenieurwesen [8]: Für Tätigkeiten zur Landvermessung ist das Equipment teuer und der Zugang für Studierende dadurch hier vor Ort stark eingeschränkt. Fehlende Ressourcen zur intensiven Auseinandersetzung mit den Tätigkeiten des Landvermessers durch die Studierenden und das Fehlen geeigneter Grundstücke im direkten Umkreis der Universität haben dazu angeregt, eine voll-immersive VR-Anwendung zu entwickeln. In dieser können die Studierenden in Gruppen genau diese Tätigkeit einüben. Wie in der physisch-realen Welt können sie auch in der VR gemeinsam das notwendige Equipment nutzen, sich frei in der entwickelten Umgebung bewegen, miteinander interagieren und die Versuche zur Landvermessung durchführen.

Dies sind nur drei von vielen Beispielen an der UGA, welche mithilfe von Cross Reality-Technologie das Lehren und Lernen in den Ingenieurswissenschaften verändern. Alle drei Beispiele werden einerseits zur Vorbereitung auf aber auch als Möglichkeit zur Nachbereitung von Tätigkeiten in der realen Welt genutzt.

Ingenieurausbildung mit Cross Reality neu gestalten

Unsere Intention an der UGA ist es, ein vielfältiges und zukunftsorientiertes Ökosystem unterschiedlicher realer und digitaler Lehr-Lernlabore für die Ingenieurausbildung zu schaffen. In diesem sollen die Studierenden wie selbstverständlich alle Laborformen nutzen können, je nachdem welches Lernziel erreicht werden soll, welches Equipment gerade verfügbar ist oder auch welche persönlichen Vorlieben die Lernenden im individuellen Fall haben. So kann es sein, dass unterschiedliche Studierende mit verschiedenen Ansätzen durch unterschiedliche Laborversionen unterstützt lernen und dennoch zum gleichen Ziel kommen. Daher nutzen wir den Begriff der Cross Reality-Labore noch in einem anderen Verständnis, im Sinne eines flexiblen und bedarfsorientierten Wechsels zwischen den unterschiedlichen Realitäten, sozusagen „(a)cross realities“. Denn eines muss klar sein, bei der weiteren Entwicklung und Einführung von Cross-Reality-Laboren geht es weder um die Nutzung nur einer Technologie noch um den Ersatz von realen Laboren oder gar der Lehrenden. Es geht immer um eine sinnvolle Ergänzung und Kombination. Studierende müssen und werden weiterhin im Labor stehen und mit ihren eigenen Händen Experimente durchführen. Doch was ist, wenn das Equipment gerade anderweitig in Gebrauch, kaputt oder schlicht nicht verfügbar ist? Dann können Online-Labore eine fundamentale Bereicherung sein. Was ist, wenn Studierende selbständig einen wichtigen Versuch aus der Vorlesung vor- oder nachbereiten wollen? Auch dies können sie unabhängig von Zeit und Ort mit Online-Laboren tun. Was ist, wenn Studierende standort- oder gar länderübergreifend in Teams arbeiten sollen, aber dadurch die Durchführung realer Versuche als Teil des Kursinhaltes verhindert wird? Auch dafür bieten Online-Labore neue Wege der Gestaltung praxisorientierter Lehr-Lernumgebungen im Labor. Selbstverständlich bleibt es auch weiterhin die Aufgabe von Lehrenden, die Studierenden durch den Lernprozess im Labor zu begleiten und zu unterstützen, ganz unabhängig von der Art des Labors. Online-Labore und Cross-Reality-Technologie bieten jedoch ganz neue Möglichkeiten, diesen Prozess zu gestalten.

Engineering Education Research zu Cross-Reality-Laboren

Seit mehr als zwei Jahren forsche ich an der UGA im Bereich Engineering Education und gestalte den oben beschrieben Prozess zum Aufbau unterschiedlicher Cross-Reality-Labore maßgeblich mit. Eingebettet ist meine Tätigkeit in die Arbeit des Engineering Education Transformation Institute (EETI). Ziel von EETI ist es, gemeinsam mit den Kolleginnen und Kollegen aus den jeweiligen Fachbereichen Potenziale zur Innovation des Lehrens und Lernens in den Ingenieurwissenschaften zu erkennen, Innovationen zu entwickeln, die Einführung durch empirische Forschung zu unterstützen und dabei die Erfahrungen unserer Studierenden besser zu verstehen. Es ist offensichtlich, dass wir durch die Nutzung von Cross-Reality-Technologie in der Lehre und durch das Verlagern von Tätigkeiten aus der physisch-realen Welt in die virtuelle Welt die Erfahrung der Studierenden verändern. Aus Sicht der Forschung wollen wir jedoch genau wissen, was wir in der virtuellen Welt im Vergleich zur Lehr-Lernerfahrung in der realen Welt wegschneiden oder ergänzen. Erst dieses empirisch fundierte Wissen ermöglicht die zielgerichtete Entwicklung weiterer Innovationen im Bereich Cross-Reality-Labore für die Hochschullehre. Auch wenn die Forschung im Bereich von Cross-Reality-Laboren bereits auf einige Jahrzehnte Geschichte zurückblicken kann, so steht die empirisch fundierte Lehr-Lernforschung hierzu relativ gesehen noch immer am Anfang. Bisher hat häufig die technische Entwicklung und nicht die notwendige Lehr-Lernforschung im Fokus gestanden. Auch dies ändert sich jedoch seit einigen Jahren entscheidend und der Lehr-Lernprozess selbst sowie die Erforschung des didaktischen Mehrwertes von Cross-Reality-Technologien rückt zunehmend in den Fokus.

Für die oben beschriebene Forschung bedarf es der Kollaboration vieler Partnerinnen und Partner aus den Bereichen Engineering Education Research, allgemeiner Didaktik und Lehr-Lernforschung, Hochschulleitung, Technologieentwicklung, kommerzieller Anbieter von Cross-Reality-Laboren (wie z.B. LabsLand oder Labster), Verbänden (wie der International Association for Online Engineering ‚IAOE‘) und nicht zuletzt auch den Lehrenden und den Studierenden als Forschungspartner. Diese Forschungsarbeit braucht Zeit und Geld. Einen Vorteil hier in den USA im Vergleich zu Deutschland sehe ich zurzeit in der Existenz der wissenschaftlichen Disziplin des Engineering Education Research mit einer langen Tradition, eigenen fest etablierten wissenschaftlichen Austauschformaten innerhalb der Community und eigenen finanzstarken Förderprogrammen bei der National Science Foundation. Ganz persönlich würde ich mir diese Verankerung der Ingenieurdidaktik als wissenschaftliche Disziplin in der deutschen Hochschullandschaft wünschen, auch im Sinne der Nachhaltigkeit bereits erfolgter Anstrengungen und erzielter Ergebnisse. Erste Schritte sind an unterschiedlichen Hochschulen gemacht, allerdings ist der Weg zur Ingenieurdidaktik als anerkanntes, akzeptiertes und entsprechend verbreitetes Forschungsfeld noch weit. Anleihen für diese Entwicklung können sicherlich sowohl bei der allgemeinen Hochschuldidaktik wie auch der Technikdidaktik genommen werden.

Erst kürzlich war das College of Engineering der UGA Gastgeber für die 17th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, kurz REV 2020. Das diesjährige Konferenzthema war ebenfalls “Cross Reality and Data Science in Engineering”. Dabei war es besonders spannend zu erleben, wie Beitragende aus unterschiedlichen Ländern jeweils ihre Sicht und ihre Innovationen zum Thema Cross Reality zusammengetragen und mit anderen Bereichen der Digitalisierung verknüpft haben. Cross-Reality-Labore bieten beispielsweise einen besonderen Mehrwert für Online Education im Allgemeinen und MOOCs im Speziellen. Gerade hier stellt sich die Frage nach der Einbindung von Laboren und Experimenten als Lehr-Lernformat im besonderen Maße. So sehe ich die Online-Lehre auch weiterhin als den größten Treiber im Bereich Cross Reality in der Lehre. Allerdings zeigten viele Praxisbeispiele auf der genannten Konferenz (und ich hoffe auch die oben genannten Beispiele haben dies deutlich gemacht), dass auch die Präsenzlehre von neuen Entwicklungen und Innovationen profitieren kann. Es ist kein Gegeneinander von unterschiedlichen Realitäten in der Gestaltung von Lehr-Lernumgebungen, sondern ein sich gegenseitig ergänzendes und beförderndes Miteinander. Auf diese Weise wird Cross Reality die Hochschullehre nicht nur in den Ingenieurwissenschaften zum Positiven verändern.

Fußnoten:

(1) Goode, L., Get Ready to Hear a Lot More About ‚XR‘, in WIRED. 2019, Conde Nast Company: San Francisco.

(2) Mann, C.R., A study of engineering education: prepared for the Joint committee on engineering education of the national engineering societies. 1918, New York City: Merrymount Press.

(3) Tekkaya, A.E., et al., Das Labor in der ingenieurwissenschaftlichen Ausbildung: Zukunftsorientierte Ansätze aus dem Projekt IngLab. acatech STUDIE, ed. acatech. 2016, München: Herbert Utz Verlag.

(4) Alhalabi, B., et al. Remote labs: An innovative leap in the world of distance education. in Proc. of the 5th IFAC Symp. on Advances in Control Education. 2000.(

(5) Harms, U., Virtual and remote labs in physics education. 2000, Second: Tübingen.

(6) Al Weshah, A., R. Alamad, and D. May. Work-in-Progress: Using Augmented Reality Mobile App to Improve Student’s Skills in Using Breadboard in an Introduction to Electrical Engineering Course. in International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV) “Cross Reality and Data Science in Engineering”. 2020. Athens, Georgia, USA: Springer Nature.

(7) Pokoo-Aikins, G.A., N. Hunsu, and D. May. Development of a Remote Laboratory Diffusion Experiment Module for an Enhanced Laboratory Experience. in IEEE Frontiers in Education Conference “Bridging education to the future”. 2019. Cincinnati, Ohio: IEEE.

(8) Franzluebbers, A., et al. Collaborative Virtual Reality Training Experience for Engineering Land Surveying. in International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV) “Cross Reality and Data Science in Engineering”. 2020. Athens, Georgia, USA: Springer Nature.