Grundlage des Lernens mit Simulationen und simulierten Welten

Begrifflichkeiten

Der Begriff ,Serious Games, dessen deutsche Übersetzungen (zum Beispiel ,Digitales Lernspiel‘) zumeist nicht seinen vollen Bedeutungsumfang erfassen, bezeichnet Anwendungen, bei denen sich Menschen ernsthaften Themen widmen und darüber Lerninhalte aneignen. Dazu bedienen sie sich der unterhaltenden Elemente und gängigen Mechanismen von Computerspielen. Anwendungstypen wie Simulationen, ,Edutainment‘ (unterhaltsames Lernen) und ,Advergames‘ (Werbespiele) können als ,Serious Games zusammengefasst werden.
Der Begriff ,Serious‘ bezieht sich auf den inhaltlichen Schwerpunkt, das heißt die Ernsthaftigkeit einer Simulationsumgebung. Diese Spiele und die darin enthaltenen Mechanismen werden nach Gee (2003,  13ff.) als „erlernbare semiotische Domänen, in denen Wissen vermittelt werden kann“ beschrieben. Das bedeutet nicht, dass nicht auch ein kommerzielles Spiel einen ernsthaften Zweck verfolgen kann. Hier ist jedoch der Effekt gemeint, der bei den Lernenden erzeugt werden soll, die Intention, die hinter der Spielidee liegt (Ritterfeld et al., 2009). Dabei ist davon auszugehen, dass ihnen bekannt ist, dass sie sich in einem Serious-Gaming-Kontext befinden, was somit Auswirkungen auf die Erwartungshaltung an die Applikation hat.
Der Begriff ,Games‘ bezieht sich auf den gestalterischen Schwerpunkt. Die Lernenden befinden sich in einem Szenario, das von ihnen als spielerisch empfunden wird. Im Laufe des Spiels (oder der als Spiel empfundenen Handlung) werden die Inhalte der Anwendung auf unterhaltsame und intensive Art und Weise erarbeitet. Der Vorteil daran ist, dass dieses Nutzungsszenario über Interaktionen andere Zugänge zu den Nutzerinnen und Nutzern zulässt, als es zum Beispiel bei einem Buch oder einem Film möglich ist.
Mit Serious Games erarbeiten sich Lernende in Szenarien, die sie als spielerisch empfinden, ernsthafte Themen beziehungsweise Lerninhalte.
Weiterführende Literatur:
  • Krause, D. (2008). Serious Games - The State of the Game. Der Zusammenhang zwischen virtuellen Welten und Web 3D. Köln: Pixelpark Agentur.
  • Masuch, M. (2006). Entwicklung von Computerspielen. URL: http://bit.ly/9H5kzK [2013-08-19].
  • Gee, J. (2009): Deep Learning Properties of Good Digital Games: How Far Can They Go? In: U. Ritterfeld; M. Cody & P. Vorderer (Hrsg.), Serious Games. Mechanism and Effects. New York: Routledge, Taylor and Francis, 67-83.
Konzepte für immersive Lernumgebungen und Lernen in 3D (,drei Dimensionen‘) werden seit Ende der 1990er Jahre experimentell erprobt. Die Anwendung virtueller Welten in sozialen Interaktionsprozessen wurde zunächst in ,ActiveWorlds‘ beziehungsweise ,Edu-Worlds‘ und ab circa 2005 in ,Second Life‘ erforscht. Im Bereich der Forschung zur Effektivität von Serious Games war die Studie zum Einsatz des Spiels ,Re-Mission‘ von Kato et al. (2008) beeindruckend. Hier wurde unter anderem ein Nachweis für die Wirksamkeit bei Heilungsprozessen von krebskranken Nutzerinnen und Nutzern beim Spielen gefunden.
Eine These bei der Verwendung dreidimensionaler virtueller Welten ist die mögliche unterstützende Wirkung der Immersion auf Lernprozesse. Immersionseffekte hängen mit Flow (Csikszentmihalyi, 2010) und Präsenz-Erleben (Pietschmann,2009) zusammen, werden aber auch im Zusammenhang mit Computerspielsucht genannt (Grunewald, 2009).
Immersion bezeichnet den Grad, in dem Individuen wahrnehmen, dass sie mehr mit ihrer virtuellen als mit ihrer realen Umgebung interagieren (Guadagno et al., 2007, 3) und beschreibt somit das individuelle Gefühl des „Sense-of-being-there“. Bezüglich einer virtuellen Realität scheint Immersion durch den Grad der Repräsentation der Lernenden und ihrer Präsenz (Presence) bestimmt zu sein (Davis et al., 2009; Bredl & Herz, 2010; Bredl & Groß, 2012, 2). Ihre Repräsentation ist dabei geprägt von den Zuständen und dem Erscheinungsbild ihrer virtuellen Repräsentantinnen und Repräsentanten sowie ihrer Interaktionsmöglichkeiten (Bouras et al., 2001).
  • Diskutieren Sie die mit der Immersion in virtuellen Welten zusammenhängenden Phänomene in Bezug auf Lernprozesse!
  • Was prägt den Grad der Repräsentation einer beziehungsweise eines Lernenden in einer dreidimensionalen virtuellen Umgebung?
Das Präsenzerleben der Lernenden in 3D-Umgebungen hängt im Wesentlichen mit der Wahrnehmung ihrer eigenen virtuellen Präsenz zusammen. Heeter (1992) spricht unter anderem von einer sozialen Präsenz, welche sich auf das Vorhandensein anderer Personen in der virtuellen Umgebung bezieht. Dieses Phänomen kann auch in Lern-, Beratungs- und Coachingsituationen eingesetzt werden (Bredl et al. 2012).

Pädagogische und psychologische Grundlagen

Ausschlaggebend beim Lernen mit Simulationen und simulierten Welten ist die stete Interaktion mit dem Lernstoff, aber auch mit anderen Nutzerinnen und Nutzer, Subjekten, Inhalten und Kontexten. Gelernt wird in realitätsgetreu nachgebildeten Umgebungen und oft mit realen Eingabegeräten. Burdea und Coiffet (2003, 3) sprechen von den ,drei I‘ des Lernens mit virtuellen Realitäten: Imagination, Immersion und Interaktion. Imagination beschreibt die Vorstellungskraft und das Einbildungsvermögen der Lernenden, sich in eine Simulation hineinzuversetzen. Durch Echtzeitvisualisierungen und -reaktionen des Systems erhalten die Nutzenden sofortiges Feedback auf ihre Eingaben (Interaktion). Die Informationsaufnahme erfolgt zudem multimodal (siehe Abbildung 1), das heißt, mit mehreren Sinnen. Dadurch wird ein Gefühl der Immersion erzeugt, also des direkten Einbezogenseins in der simulierten Welt.
Abb.1: Multimediale Informationsaufnahme
Wissen wird in diesen Lernumgebungen nicht vorgegeben, sondern explorativ erarbeitet. Dieses entdeckende Lernen führt zu einer Erweiterung des persönlichen Erfahrungsraumes sowie der Generierung und Überprüfung von Hypothesen. Allerdings können nach Hofmann (2002, 2) die Erkenntnisse aus diesen Lernprozessen nur dann auf die Realität übertragen werden, wenn die eingebauten Komponenten so wahrheitsgetreu wie möglich simuliert und wahrgenommen werden. Studien zeigen, dass das Lernen mit Simulationen motivierender und lernförderlicher ist als rein textorientierte Lernformen. Diese Lernweise resultiert jedoch nicht per se in einer höheren Qualität beziehungsweise Quantität der kognitiven Verarbeitung und des Fertigkeitserwerbs. Vielmehr fühlen sich Nutzer/innen ohne Anleitung leichter überfordert als bei textorientierten Lernformen und verlieren die Lust am Lernen mit der Simulation. Um dies zu vermeiden sind unterstützende Maßnahmen notwendig:
Diese Techniken in Verbindung mit situierten Lernansätzen (Mandl et al., 2002) sind empirisch überprüft und haben einen positiven Einfluss auf die Lernmotivation, die Tiefe der Informationsverarbeitung und den Lernerfolg (weitere Techniken und Verweise auf Studien zum Beispiel bei De Jong & van Joolingen, 1998).
  • Was sind die Prinzipien des Lernens mit Simulationen und simulierten Welten, die sich hinter den drei ,I‘ verbergen? Beschreiben Sie, wie die drei ,I‘ zusammenhängen!
  • Was wird unter multimodaler Informationsaufnahme verstanden und was könnten Gründe dafür sein, dass Multimodalität positive Effekte auf den Lernerfolg aufweist?
  • Wie könnte die Formulierung eines klaren Lehr- und Lernziels für das Lernen mit einer Simulation lauten?

Technische Grundlagen

Zur Erzeugung eines Gefühls der Immersion werden häufig dreidimensionale Darstellungen auf eigentlich zweidimensionalen Monitoranzeigen genutzt. Doch auch stereoskopisches Sehen ist mit ,Head Mounted Displays‘ (HMD) bereits möglich. Dadurch entsteht bei den Lernenden der Eindruck einer virtuellen Welt, in der sie sich bewegen können. Den Grad der Einbindung in das Spielgeschehen wird weiterhin durch verschiedene Stimuli beeinflusst. Neuere Entwicklungen sind mit speziellen Brillen verbunden. Neben visuellen Eindrücken nutzen Hersteller/innen beispielsweise auch auditive und taktile Elemente oder Gamecontroller (Joysticks, Tastatur, Maus, Touchscreen etc.). Bei der Erstellung von Simulationen und simulierten Welten sind zudem verschiedene Parameter zu erzeugen. Dazu gehören
Soll die Lernumgebung durch mehrere Personen gemeinsam genutzt werden, müssen außerdem die Interaktion und die Kommunikation von Avataren sichergestellt werden.
Zur technischen Realisierung, auch der der Interaktion und Kommunikation, werden sogenannte ,Game Engines‘ genutzt, also Software-Pakete, die die beschriebenen Funktionalitäten als Programmschnittstelle (engl. ,application programming interface‘, API) bereitstellen. Game Engines gehen über reine 3D-Engines hinaus, da sie neben der grafischen Darstellung beispielsweise auch Module für Sound, Physik, Steuerung und Netzwerk beinhalten. Um den Realisierungsprozess zu vereinfachen, stellen Hersteller/innen von Game Engines darüber hinaus integrierte Entwicklungsumgebungen (engl. ,integrated development environments‘, IDE) zur Verfügung. Mit diesen können auf intuitive Weise Inhalte (,media assets‘) und Skriptcode bearbeitet werden (zum Beispiel in der Sandbox der CryEngine). Weitere bekannte Beispiele neben der CryEngine der deutschen Firma Crytek sind die  Physik-Software-Development-Kit ,Havok‘, die ,Source‘-Engine von Valve, die ,Quake‘-Engine von iD Software und die ,Unreal‘-Engine von Epic Games. Es ist möglich, die Bestandteile verschiedener Engines individuell zu kombinieren, indem beispielsweise eine 3D-Engine (zum Beispiel Ogre, Irrlicht) mit einer Physik-Engine (zum Beispiel Havok, Bullet oder ODE) und einer Sound-Engine (zum Beispiel OpenAL) verknüpft werden.
Das OpenSimulator-Projekt ist das bekannteste Werkzeug, um eigene virtuelle Welten zu erzeugen. Im Gegensatz zu Second Life stellt es eine eigenständige und offene Lösung dar. Mit ihr lassen sich Objekte erzeugen, die dann über ein Netzwerk serialisiert, das heißt in einer bestimmten Form erhalten oder transportiert werden können. Eine Neuerung stellt das auf WebGl basierende ,CloudParty‘, das mit einem herkömmlichen Web-Browser genutzt werden kann.
  • Welche wesentlichen Parameter einer Game- Engine sind unabhängig vom Spieltyp zu erzeugen? Welche Parameter werden abhängig vom Spieltyp eingestellt?
  • Welche Herausforderungen bestehen bei der Zusammenstellung von Teams im Rahmen von Serious-Gaming-Projekten?
  • Welche verschiedenen Modalitäten lassen sich auf welche Weise mit Simulationen und virtuellen Welten ansprechen?
In der Praxis: Virtuelles Teamtraining
Fahrzeuge und Maschinen sind oftmals von mehreren Personen zu bedienen. Doch auch Teamarbeit kann in simulierten Welten gelernt und geübt werden. Vorgestellt wird hier eine Methode zum virtuellen Teamtraining (Virtual-Reality-Team-Training-System), die die Bremer ,szenaris GmbH‘ entwickelt hat und mit der eine Gruppe von Lernenden in einer simulierten Welt vorkonfigurierte Übungen ausführen kann. Im virtuellen Teamtrainingssystem sind dazu mehrere Arbeitsplätze in einem Netzwerk miteinander verbunden, was den Lernenden das gleichzeitige Handeln innerhalb eines gemeinsamen virtuellen Szenarios ermöglicht. Abbildung 2 zeigt eine Version des Teamtrainers für vier Lernende und einen Hörsaal mit dieser Ausstattung – ein Ausbau um weitere Arbeitsplätze ist problemlos möglich.
Abb. 2: Systemübersicht eines virtuellen Teamtrainingssystems und Hörsaal
Die erste Anwendung, die auf dem Teamtrainer installiert wurde, ist das Brücken- und Fährensystem ,Amphibie M3‘ der Bundeswehr. Dieses muss aus mindestens zwei Fahrzeugen bestehen, um Fahrzeuge über ein Gewässer überzusetzen. Dabei ist das Zusammenkuppeln von zwei oder mehr Fahrzeugen zum Beispiel stark von Strömungsverhältnissen und dem Wetter (Windrichtung und -stärke, Regen, Schnee, Tag, Nacht etc.) abhängig. Diese Parameter werden in der Simulation nachgebildet, so dass alle auch in der Realität vorkommenden Situationen geübt werden können. In welchem Szenario sich die Lerngruppe befindet, wird vom Trainer gesteuert, der alle Parameter selbst verändern kann. Lernende sehen dabei alle Brückensysteme jeweils aus ihrer eigenen Perspektive (siehe Abbildung 3).
Abb. 3: Blick auf die Amphibie in der virtuellen Welt
Neben der Sicht in die virtuelle Welt verfügt jeder Arbeitsplatz über den originalen Wasserfahrstand mit allen dazugehörigen Bedienelementen, so dass auch die haptische Wahrnehmung der Realität nahezu entspricht. Eine der Lernstationen ist mit Datenhandschuhen ausgerüstet – so werden Handbewegungen der Lernenden an diesem Arbeitsplatz direkt in das virtuelle Szenario übertragen. Dieses Teamtrainingssystem wird seit 2003 für die Ausbildung an der Amphibie eingesetzt und trägt dazu bei, dass die realen Fahrzeuge in weitaus geringerem Maße defekt sind als vor dem simulierten Einsatz. Dies und die jährlichen Einsparungen machen diese Methode somit zu einem sehr erfolgreichen Simulationssystem. 2008 wurde auf derselben Hardwarekonfiguration ein zweites Brückenlegesystem installiert, die Faltschwimmbrücke (FSB). 2011 folgte die Integration des dritten Brückenlegesystems, die Faltfestbrücke (FFB). Das Umkonfigurieren von einem Brückenlegesystem auf ein anderes dauert dabei nur wenige Minuten.