Entwicklung einer Virtual-Reality-Lernumgebung und Gestaltung zweier Anwendungen für den gymnasialen Mathematikunterricht

 

Mathematik | Informatik

 

Jeremias Baur, 2001 | Zurich, ZH

 

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Virtual Reality Lernumgebung namens edVR konzipiert. Mithilfe der Spiel-Engine Unity wurden zwei erste Anwendungen für den gymnasialen Mathematikunterricht entwickelt. In den beiden Anwendungen werden die abstrakten Konstrukte der Ebenengleichungen und Matrizen in einem 3D-Koordinatensystem durch korrekte Visualisierung und Bewegung mit mehreren Sinnen erfahrbar. Das Ziel der programmierten Anwendungen ist, den Unterricht zu erweitern, ein tieferes Verständnis des behandelten Themas zu bilden und eine Steigerung der Motivation zu ermöglichen. Diese Frage wurde vorläufig in einem Test der Wirksamkeit mit 21 Probanden und Probandinnen untersucht. Die Datenanalyse weist auf eine Verbesserung des Verständnisses und eine Motivationssteigerung hin. Da aus Zeit- und Kapazitätsgründen der Test jedoch ohne Kontrollgruppen durchgeführt wurde, müssen die Ergebnisse der Lernwirksamkeit in einer gross angelegten Studie überprüft werden.

Fragestellung

Die Technologie der Virtual Reality ist dank den neuesten technischen Fortschritten für den Einsatz im Alltag zugänglicher geworden. Somit könnten die Möglichkeiten der Virtual Reality auch in der Bildung genutzt werden. Als ehemaliger Kantonsschüler sind mir häufig Thematiken aufgefallen, die meiner Meinung nach mithilfe der Virtual Reality (VR) leichter vermittelt werden könnten. Deswegen ist das Ziel dieser Arbeit, eine VR-Lernplattform mit zwei ersten Anwendungen für den Mathematikunterricht zu entwickeln. Dabei stellt sich die Frage, wie eine VR-Lernsoftware geschaffen wird und ob der Einsatz davon einen Mehrwert im Verständnis und in der Motivationssteigerung im Mittelschulunterricht bieten kann?

Methodik

Die Lernplattform edVR und die beiden ersten Anwendungen für den Mathematikunterricht im Bereich der Ebenengleichungen sowie 3×3-Matrizen wurden in der Spiel-Engine Unity mit dem Virtual Reality Toolkit in der Programmiersprache C# für das VR-System der HTC Vive und Oculus Quest entwickelt. Dazu wurden verschiedene Einsatzszenarien im Unterricht und weitere denkbare Anwendungen in anderen MINT-Fächern beschrieben. Für die ansatzweise Beantwortung der Fragestellung wurde ein dreiteiliger Wirksamkeitstest mit 21 Maturanden und Maturandinnen erstellt und durchgeführt. Dazu wurden in einem Vortest die Kompetenzen zu 3×3-Matrizen eruiert. In der anschliessenden VR-Intervention erhielten die Probanden und Probandinnen eine Einführung in die räumliche Anschauung von 3×3-Matrizen. Danach wurde in einem Nachtest der Lerneffekt und die mögliche Motivationssteigerung ermittelt.

Ergebnisse

Das Ergebnis dieser Arbeit sind zwei erste, auf den aktuellen VR-Systemen nutzbare Anwendungen für den Mathematikunterricht. Die Anwendungen der Ebenengleichung und Matrizen ermöglicht die korrekte Visualisierung und räumliche Anschauung, da in der Virtual Reality eine Tiefe gesehen werden kann. Somit müssen diese Thematiken nicht mehr auf 2D-Skizzen und Flächen veranschaulicht werden, sondern die korrekte Darstellungsweise ist möglich. Der Test der Wirksamkeit zeigt, dass eine Vermittlung und Verbesserung der räumlichen Anschauung von 3×3-Matrizen möglich ist. Im Vortest beantworteten die Probanden und Probandinnen 46% der Aufgaben korrekt und im Nachtest 68%. Ebenfalls gaben die Probanden und Probandinnen an, durch den Einsatz von VR im Mathematikunterricht zu Vektorgeometrie und Matrizen motiviert worden zu sein.

Diskussion

Mit dieser Arbeit wurde weitestgehend die Zielsetzung erreicht. Es konnte eine Virtual Reality Lernsoftware mit zwei ersten Anwendungen geschaffen werden, die die Vorteile der VR ausnutzen, um so der Schülerschaft einen möglichen Mehrwert zu erbringen. Die Weiterentwicklung von edVR ist dank dem programmierten Grundgerüst ohne Probleme möglich. Der Lernwirksamkeitstest hat aufgezeigt, dass der Einsatz und eine potenzielle Verbesserungen bei der räumlichen Anschauung von 3×3-Matrizen möglich ist. Die Ergebnisse müssen jedoch mit einer Kontrollgruppe und einer grösseren Stichprobe überprüft werden.

Schlussfolgerungen

Es ist gelungen, eine Lernplattform mit zwei Anwendungen für den Mathematikunterricht zu entwickeln, die nun dank den technischen Fortschritten der VR-Technologie mit dem mobilen VR-System der Oculus Quest im Unterricht eingesetzt werden kann.

 

 

Würdigung durch den Experten

Lorenz Stäheli

Herr Bauer lotet mit seiner edVR Möglichkeiten der Virtual Reality als Lernumgebung am Gymnasium aus. Mit grosser Sorgfalt und vertieften Kenntnissen hat Herr Baur eine Lernplattform mit zwei Anwendungen für den Mathematikunterricht entwickelt. Es wurde ein Wirksamkeitstest erstellt, mit einer Klasse durchgeführt und ausgewertet. Dabei ist sich Herr Baur bewusst, dass der Umfang der gewonnenen Daten limitiert ist, was eine reife Haltung erkennen lässt. Die Arbeit überzeugt durch die Kombination von intellektueller, strukturierter und innovativer Leistung mit grossem Engagement.

Prädikat:

gut

 

 

 

Rämibühl-MNG, Zürich
Lehrer: Dr. Jens Maue