Virtual Reality in der Hochschullehre: Mathematik-Modul

Ein Gastbeitrag von Breakpoint One

Virtual Reality (VR) hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Werkzeug für die Hochschullehre entwickelt. Immer mehr Hochschulen und Bildungseinrichtungen nutzen VR-Technologien, um ihren Studierenden ein einzigartiges und interaktives Lernerlebnis zu bieten und Lehrenden die Option auf eine andere Lehrvermittlung zu ermöglichen. 

Das Potenzial von VR in der Hochschullehre liegt darin, dass Studierende durch Gamification motiviert werden können, sich aktiv mit dem Lernmaterial auseinanderzusetzen und interaktive Lernerfahrungen zu sammeln. Es gibt keine Einschränkungen wie bei traditionellen Lehrmethoden, bei denen die Studierenden entweder nur zuschauen oder ihre Erfahrungen auf begrenzte praktische Experimente beschränkt sind. Durch den Einsatz von VR kann eine realistische, immersive Lernumgebung geschaffen werden, die das Lernen erleichtert und das Interesse am Thema steigert.

Video: Zusammenarbeit von Breakpoint One und BHT

Hier kann VR für die Lehrenden ein Mittel sein, u.a. die Vorstellungskraft der Studierenden zu stärken und so ein besseres Verständnis zu schaffen. Durch das Projektteam  MINT-VR-Labs der BHT, die eine Projektförderung durch die Stiftung Innovation in der Hochschullehre in Höhe von 1,96 Mio bis Juli 2024 erhalten haben, ist BPO als Kooperationspartner beauftragt worden, u.a. ein VR-Mathe-Modul in Zusammenarbeit mit dem Projektteam und der zuständigen Professorin Katharina Höhne zu entwickeln.

Die Mathematik spielt an unserer Hochschule eine wesentliche Rolle. Die ingenieurtechnischen Studiengänge benötigen eine mathematische Grundausbildung. Manchmal fehlt es den Studierenden an der einen oder anderen Stelle an der richtigen Vorstellungskraft, da Mathematik doch sehr abstrakt sein kann, sagt Prof. Dr. Katharina Höhne von der Berliner Hochschule für Technik (BHT),

Da die Inhalte laut Höhne in den verschiedenen Studiengängen teilweise sehr ähnlich sind, wurde für einen ersten Prototypen ein Thema gewählt, das möglichst viele Ingenieurstudierende anspricht: Funktionen mehrerer Veränderlicher. Funktionen von zwei Variablen können im Raum in Form von Flächen dargestellt werden. 

Es gibt schon Computerprogramme, wie z.B. GeoGebra, die solche Flächen dreidimensional darstellen, jedoch auf einem zweidimensionalen Bildschirm, sagt Höhne. VR bietet die Möglichkeit, das volle 3D-Erlebnis zu erfahren.

VR-Mathe-Modul

Das Modul besteht aus verschiedenen Herausforderungen, die es den Spieler:innen erlauben, mathematische Funktionen zu manipulieren, um beispielsweise ein Gebirge zu generieren oder Murmeln in ein Ziel zu führen. Komplexe Konzepte wie die Kosinusfunktion oder die Berechnung solcher Murmelbahnen können auf diese Weise besser verstanden werden. 

Es gibt mehrere Levels, von Mountain Match bis Marble Run und einen Freeplay Modus. Der Schwierigkeitsgrad steigt mit jedem Level und es gibt immer mehr Parameter, die manipuliert werden müssen, um das Ziel zu erreichen. Das Modul bietet nicht nur eine interaktive Lernerfahrung, sondern kann auch von mehreren Studierenden gleichzeitig gespielt werden, um gemeinsam Fortschritte zu erzielen.

Mountain Match 1 und 2, Marble Run und Freeplay

Mountain Match 1 ist ein Spiel, bei dem auf der einen Seite eine vorgegebene Funktion und auf der anderen Seite eine veränderbare Funktion dargestellt wird. Die Lernenden können die Parameter mit Hilfe von Schiebereglern verändern. Es gibt mehrere Abschnitte, in denen die User die Regler bewegen müssen, um die veränderbare Funktion so anzupassen, dass sie der Zielfunktion entspricht. Ist das Ergebnis korrekt, wird zum nächsten Abschnitt übergegangen.

Mountain Match 2 funktioniert ähnlich wie Mountain Match 1, jedoch werden die editierbaren Funktionen nicht sofort verändert, sondern erst, wenn der Knopf für die Auswertung gedrückt wird. Das bedeutet, dass bei Mountain Match 1 die Schieberegler das Gebirge in Echtzeit verändern. Während bei Mountain Match 2 die Parameter quasi im Blindflug richtig eingestellt werden müssen, um nach der Auswertung zum nächsten Abschnitt zu gelangen.

Bei Marble Run geht es um die visuelle Bestimmung der globalen Minima einer Formel. Die Studierenden sehen die geometrische Darstellung einer Formel und die Stelle, an der eine Kugel fallen gelassen wird. Darüber hinaus sind auf der Geometrie eine Reihe von Tiefpunkten markiert, aus denen sie diejenigen auswählen müssen, in denen die Kugel am Ende liegen bleibt. Wie bei den anderen Levels steigt auch hier der Schwierigkeitsgrad und die Studierenden können ihre Fähigkeiten und ihr Verständnis mathematischer Konzepte verbessern.

Freeplay ist ein Sandkasten-Modus, in dem die Lernenden ihre eigenen mathematischen Funktionen erstellen können. Hier haben sie die Möglichkeit, Parameter und Variablen nach Belieben anzupassen und ihre eigene Landschaft zu gestalten. Dies gibt den Studierenden die Freiheit, ihre eigenen Experimente durchzuführen und ihre Fähigkeiten im Umgang mit mathematischen Funktionen zu verbessern.

MINT-VR-Labs

Das Projekt MINT-VR-Labs an der BHT zeigt, dass VR in der Hochschullehre zunehmend an Bedeutung gewinnt. Ziel des Projektes ist es, die Möglichkeiten virtueller Labore konsequent mit digitalen Lehr-/Lernkonzepten zu verknüpfen und in die Breite der Hochschule zu tragen. Das Projekt greift dabei das didaktische Potenzial der Virtualisierung von MINT-Laboren (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik) auf, um innovative Interaktionsformate im virtuellen Bereich zu verankern und damit für die Hochschule neue Blended Learning und virtuelle Lehr-/Lernformate in Praxismodule umzusetzen.

Ein weiteres Ziel des Projekts ist es, die Zugänglichkeit und Flexibilität durch den Einsatz von VR-Technologie zu erhöhen. So können Studierende unabhängig von Ort und Zeit auf Lehrinhalte zugreifen und diese bearbeiten.

Die Zusammenarbeit zwischen Breakpoint One und dem MINT-VR-Labs-Team hat bereits zur Weiterentwicklung des Moduls Biegebalken – Beanspruchungsanalyse theatertechnischer Installationen geführt, welche im Studiengang Theater- und Veranstaltungstechnik und -management entwickelt wurde. Diese VR-Anwendung ermöglicht es Studierenden, theatertechnisch notwendige Installationen zu analysieren und ihre Fähigkeiten in der Beanspruchungsanalyse der Aufbauten zu verbessern.

Jedes der VR-Module bietet ein Multi-User-Konzept. Es erlaubt mehreren Studierenden und/oder Professor:innen, gemeinsam in die VR-Umgebung einzutauchen und das jeweilige Modul zu spielen. So können sich Studierende gemeinsam auf Prüfungen vorbereiten und sich gegenseitig unterstützen. Auch Prüfungen können so durchgeführt werden. 

Zusätzlich bieten die Module eine Individualisierung der Avatare und eine Datenerhebung zu Analysezwecken. Diese ermöglichen es den Professor:innen und Lehrenden, den Lernfortschritt der Studierenden zu verfolgen und so besser beurteilen zu können als auch die Lehre darauf anzupassen.

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Breakpoint One (BPO) ist ein Digital Creator mit Sitz in Berlin. Wir sind spezialisiert auf die Entwicklung anspruchsvoller VR- und AR-Softwareprodukte in den Bereichen Bildung, Datenvisualisierung, Training und Spiele. Bei der Umsetzung von interaktiven Lern- und Trainingsmodulen nutzen wir modernste Virtual-Reality-Technologien, um einzigartige, immersive Lernerfahrungen zu schaffen, die Studierenden und Lehrenden eine neue Möglichkeit bieten, Mathematik und andere Fächer auf unterhaltsame und effektive Weise zu lernen und zu lehren.

Für unser Kooperationsprojekt AVATARS im Bereich der 3D-Echtzeit-Visualisierung wurden wir 2021 mit dem renommierten VR NOW Award in der Kategorie Best Industry VR ausgezeichnet. www.breakpoint.one