Förderung der Raumvorstellung mit Augmented Reality

Die Intelligenzkomponente räumliches Vorstellungsvermögen besteht aus den 5 Teilkomponenten räumliche Wahrnehmung, räumliche Visualisierung, mentale Rotationen, räumliche Beziehungen und räumliche Orientierung. Ein Ziel des Geometrieunterrichts ist die Raumvorstellung zu verbessern. In einer Langzeitstudie zeigten Gittler und Glück die positiven Auswirkungen des Unterrichts in darstellender Geometrie auf das räumliche Vorstellungsvermögen. Einige andere Studien zeigen dass die räumliche Vorstellung durch den Einsatz von Virtual Reality (VR) Technologie verbessert werden kann. Bisher gab es jedoch noch keinerlei Bestrebung zur systematischen Entwicklung einer VR Anwendung für den Einsatz im Unterricht zur Förderung räumlichen Vorstellungsvermögens. Wir setzen Augmented Reality (AR) im Mathematik- und Geometrieunterricht ein. In Augmented Reality wird die reale Welt durch virtuelle Objekte ergänzt. Die gleichzeitige Präsenz von virtueller und realer Welt ist ideal für computerunterstütztes Lernen. Eine Reihe von Voraussetzungen gilt es zu beachten, will man ein effektives Werkzeug zur Verbesserung des räumlichen Vorstellungsvermögens entwickeln. Diese wurden in bestehenden Systemen bisher nicht behandelt. Es wurde noch keine VR/AR Anwendung für den tatsächlichen Unterrichtseinsatz entwickelt mit dem primären Ziel die Raumvorstellung zu verbessern. Es gibt kaum Untersuchungen über den Lerntransfer von VR/AR Systemen in die reale Welt. Das hier vorgestellte Projekt behandelt diese Themen indem ein AR System für den Geometrieunterricht entwickelt und evaluiert wird. Es verknüpft Forschung in den Bereichen der menschlichen Psychologie und Augmented Reality. Die Arbeit baut auf dem existierenden System Construct3D auf, ein Programm zur Konstruktion dreidimensionaler dynamischer Geometrie in AR. Die Projektlaufzeit ist mit 2 Jahren veranschlagt mit der Option auf Verlängerung für ein weiteres Jahr. Das Projekt soll keine einmalige Installation sein. Unsere mittel- und langfristigen Pläne sind die vollständige Integration in den Unterricht in höheren Schulen und Universitäten. Durch Zusammenarbeit mit mehreren österreichischen Schulen und externen Partnern wie dem Institut für Geometrie der Technischen Universität Wien soll dieses Ziel realisiert werden.

In diesem Projekt wurden die Effekte eines Augmented-Reality-basierten Trainings auf die Raumvorstellung untersucht. Raumvorstellung ist jene Komponente menschlicher Intelligenz, die die mentale Repräsentation und Manipulation visuell-räumlicher Information umfasst. Sie spielt eine wichtige Rolle in vielen alltäglichen Aktivitäten sowie Ausbildungs- und Berufswegen. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Raumvorstellung trainierbar ist, insbesondere durch direkten, aktiven Umgang mit dreidimensionalen Objekten. Derartige direkte Erfahrung ist ein typisches Merkmal der Augmented Reality (AR)- Technologie, die reale Umgebungen mit virtuellen Objekten kombiniert: Durch Spezialbrillen sehen die Nutzer sowohl die tatsächliche Umgebung als auch in den Raum projezierte virtuelle Objekte. Mit Construct3D, der hier verwendeten AR-Software, können 3dimensionale Objekte konstruiert, betrachtet und manipuliert werden. Im einem Prä-Posttest-Kontroll-Design wurde die Hypothese geprüft, dass sich aktive Interaktion mit drei- dimensionalen Objekten in Construct3D positiv auf die Raumvorstellung auswirkt. In Prä- und Posttest wurden drei Hauptkomponenten der Raumvorstellung bei 317 SchülerInnen (14-20 Jahre) gemessen. Zwischen Prä- und Posttest nahmen 47 SchülerInnen an einem 6wöchigen Training teil, in dem mittels Construct3D Geometrieaufgaben in Dyaden (2 Schüler und ein Tutor) bearbeitet wurden. Es gab 3 Vergleichsgruppen: 1) Training mit CAD3D (einer dreidimensionalen Konstruktionssoftware in zweidimensionaler Bildschirmdarstellung), 2) Kontrollgruppe mit schulischem Geometrieunterricht und 3) Kontrollgruppe ohne Geometrieunterricht. Es wurden auch Daten zu Vorhersagevariablen wie Interesse, Selbstvertrauen, Erfahrung und Strategienutzung erhoben. Zwei besonders interessante Ergebnisse führten zu neuen Forschungsfragen. Erstens zeigten alle Gruppen Verbesserungen zwischen Prä- und Posttest, aber unter den größten Steigerungen war die der Mädchen ohne Geometrieunterricht: Ihre Verbesserung kann nur auf den Übungseffekt des Prätests zurückgeführt werden. Somit kann die Raumvorstellung von Personen mit geringer Vorerfahrung bei nur einmaliger Testung deutlich unterschätzt werden; schon geringfügige Übung kann zu merklichen Verbesserungen führen. Zweitens hatte das AR-Training im Vergleich zum CAD3D Training relativ kleine Effekte. Eine mögliche Erklärung für dieses unerwartete Ergebnis ist, dass sowohl CAD3D als auch die Raumvorstellungstests die Transformation und Rücktransformation zweidimensionaler Bilder in dreidimensionale mentale Repräsentationen erfordern. Da Construct3D Objekte dreidimensional darstellt, bedarf es keiner solchen Transformationen - was unserer Ansicht nach auch auf viele reale räumliche Aktivitäten zutrifft. Dies könnte eine Erklärung für die oft geringen Korrelationen zwischen der Leistung in Raumvorstellungstests und räumlichen Alltagsleistungen sein. In einem neuen FWF-Projekt entwickeln wir daher einen AR-basierten dreidimensionalen Raumvorstellungstest. Um die Messqualität bei Personen mit wenig Vorerfahrung zu verbessern, wird ein dynamischer Test entwickelt, der aus einem Prätest, einer Trainingsphase und einem Posttest besteht. So kann neben dem aktuellen Status auch das Entwicklungspotential erfasst werden.