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Ein Konzept zur Unterstützung der Entwicklung von Virtual Reality Lernszenarien durch die Einbindung von Learning Analytics und Open Educational Resources

Authors:

Abstract

Vielfältige Anforderungen aus unterschiedlichen Disziplinen machen die Gestaltung von Lernszenarien in Virtual Reality (VR) zu einer komplexen Aufgabe. Die Komplexität setzt sich zusammen aus einer Verbindung von technologischen Herausforderungen, didaktischem Design, Anforderungen der Stakeholder und freier und offener Bildungsmaterialien. Dieser Beitrag präsentiert ein Lösungskonzept für die technischen Herausforderungen dieser Aufgabe. Dieses betrachtet Komponenten eines VR-Szenarios als Open Educational Resources (OER), die eine direkte Integration von Learning Analytics (LA) unterstützen sollen. Das Ziel dieses Vorhabens ist die iterative Erstellung eines Frameworks zur Entwicklung erweiterbarer und wiederverwendbarer VR-Lernmodule, die unter anderem eine automatisierte Lerndatensammlung ermöglichen und in Learning Management Systemen (LMS) als WebXR-Lerneinheiten integriert werden können.
P. A. Henning, M. Striewe, M. Wölfel (Hrsg.): 20. Fachtagung Bildungstechnologien (DELFI),
Lecture Notes in Informatics (LNI), Gesellschaft für Informatik, Bonn 2022 209
doi: 10.18420/delfi2022-035
Ein Konzept zur Unterstützung der Entwicklung von
Virtual Reality Lernszenarien durch die Einbindung von
Learning Analytics und Open Educational Resources
Sergej Görzen
1
, Birte Heinemann 1 und Ulrik Schroeder 1
Abstract: Vielfältige Anforderungen aus unterschiedlichen Disziplinen machen die Gestaltung von
Lernszenarien in Virtual Reality (VR) zu einer komplexen Aufgabe. Die Komplexität setzt sich
zusammen aus einer Verbindung von technologischen Herausforderungen, didaktischem Design,
Anforderungen der Stakeholder und freier und offener Bildungsmaterialien. Dieser Beitrag
präsentiert ein Lösungskonzept für die technischen Herausforderungen dieser Aufgabe. Dieses
betrachtet Komponenten eines VR-Szenarios als Open Educational Resources (OER), die eine
direkte Integration von Learning Analytics (LA) unterstützen sollen. Das Ziel dieses Vorhabens ist
die iterative Erstellung eines Frameworks zur Entwicklung erweiterbarer und wiederverwendbarer
VR-Lernmodule, die unter anderem eine automatisierte Lerndatensammlung ermöglichen und in
Learning Management Systemen (LMS) als WebXR-Lerneinheiten integriert werden können.
Keywords: Virtual Reality, WebXR, Learning Analytics, Open Educational Resources
Motivation & Lösungsansatz
Der Einsatz von VR-Technologien stößt auf immer größer werdendes Interesse [Ra20]
und verzeichnet positive Auswirkungen in Bildungskontexten [HGS22]. Zwar gibt es erste
konzeptuelle Ansätze (z.B. OXREF [Abs21]) zur ganzheitlichen Gestaltung von VR-
Lernszenarien als OER, doch fehlen etablierte Gestaltungsrichtlinien [Fo15] und VR als
OER ist häufig nur in Form von fertigen 3D Modellen zu finden. [Ra20] fordert bessere
Evaluationsprozeduren, weil häufig nur die Benutzbarkeit anstelle von Lernerfolgen in
VR-Szenarien evaluiert werden und es wenig Erfahrungsberichte über die Integration von
VR in echte Lernkontexte, z. B. in Hochschulveranstaltungen, gibt. Dementsprechend ist
es bei VR für Bildung schwierig auf existierenden Experimenten aufzubauen.
Entwickler*innen stehen somit sowohl vor wiederholten didaktischen als auch
technischen Herausforderungen, wie z. B. der Lerndatenerfassung. Zwar gibt es zahlreiche
Autorenwerkzeuge zur Erstellung von VR-Lernszenarien, jedoch integriert keines der
freien Lösungen LA oder andere Methoden zur Lerndatenerfassung und -evaluation
[SIM19]. Das Ziel des in diesem Beitrag vorgestellten Konzepts ist es Entwickler*innen
bei der Konstruktion von VR-Lernszenarien zu unterstützen. Dabei sollen Grundlagen für
eine einfache Arbeit mit LA und für die Wiederverwendung von VR-Lernbausteinen als
1
RWTH Aachen, Informatik 9, Ahornstr. 55, 52074 Aachen, {goerzen, heinemann,
schroeder}@informatik.rwth-aachen.de,
https://orcid.org/{0000-0003-3853-2435, 0000-0002-7568-0704, 0000-0002-5178-8497}
210 Sergej Görzen et al.
OER geschaffen werden. Initial wird die nachfolgende Forschungsfrage verfolgt: Wie
kann die Entwicklung von VR-Lernszenarien unter Einbindung von Learning
Analytics und OER unterstützt werden? Diese unterteilt sich in mehrere Unterfragen,
einschließlich Welche Anforderungen müssen bei der Entwicklung von VR-Lernszenarien
erfüllt werden?, Wie kann LA in VR-Lernszenarien unterstützt werden? und Wie können
VR-Lernszenarien und ihre Bestandteile als OER bereitgestellt werden?.
Der geplante Ansatz verfolgt einen iterativen, nutzerzentrierten Entwicklungsprozess.
Gemeinsam mit Stakeholdern werden pädagogische VR-Interventionen identifiziert und
als kurze modulare Lerneinheiten (3-7 Minuten) designt. Als erster Schritt wird die
Analyse bereits implementierter Interventionen hinsichtlich ihrer Eignung für das hier
vorgeschlagene Konzept vorgenommen. Zum Beispiel eignet sich RePiX VR [HGS22] als
Intervention, um schrittweise interaktive Lernanweisungen zur Rendering Pipeline in der
Computergrafik zu bieten. Zur Unterstützung von Benutzerevaluation als auch für
Untersuchungen zum Lernerfolg, wird ein adaptives LA Modul in die VR-Bausteine
integriert (Built-in LA). Jedes LA Modul liefert fertige LA Dashboard Elemente (bspw.
Avatar Position als Heatmap). Die Wiederverwendbarkeit der Bausteine als auch der
Lerneinheiten spart zukünftige didaktische und technische Gestaltungsarbeit und
ermöglicht weitere Evaluationen in anderen Kontexten. Zur leichteren Verankerung von
VR-Bausteinen in unterschiedlichen Bildungskontexten, können diese mittels WebXR in
gängige LMS integriert und neben VR-Geräten auch mit mobilen Endgeräten verwendet
werden. Hierbei nnen Inhalte der VR-Lerneinheit auf Informationen vom LMS
reagieren, sowie Informationen ins LMS zurückspielen. Unity wird verwendet, um die
VR-Lernbausteine als HTML5-Pakete im SCORM Format auszuliefern. Alle
Anforderungen und Ergebnisse werden zu einem Framework und einem Prozessmodell
abstrahiert, welches auf weitere Lernszenarien übertragbar ist und Schnittstellen zwischen
VR, LA und OER schafft.
Literaturverzeichnis
[Ab21] Abeywardena, I.: OXREF: Open Extended Reality for Education Framework,
Internation Conference on Open and Innovative Education, Hong Kong SAR, 2021.
[Fo15] Fowler, C.: Virtual Reality and Learning: Where Is the Pedagogy?: Learning Activities
in 3-D Virtual Worlds. British J. of Educational Technology 46/2, S. 412422, 2015.
[HGS22] Heinemann, B.; Görzen, S.; Schroeder, U.: RePiX VR - Learning Environment for the
Rendering Pipeline in Virtual Reality. In: Eurographics 2022 - Education Papers. 2022.
[Ra20] Radianti, J.; Majchrzak, T. A.; Fromm, J.; Wohlgenannt, I.: A Systematic Review of
Immersive Virtual Reality Applications for Higher Education: Design Elements,
Lessons Learned, and Research Agenda. Computers & Educ. 147, Art. 103778, 2020.
[SIM19] Stojšić, I.; Ivkov-Džigurski, A.; Maričić, O.: Virtual Reality as a Learning Tool: How
and Where to Start with Immersive Teaching. In (Daniela, L., Hrsg.): Didactics of Smart
Pedagogy. Springer International Publishing, Cham, S. 353369, 2019.
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Conference Paper
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Virtual reality can be used to support computer graphics teaching, e.g. by offering the chance to illustrate 3D processes that are difficult to convey. This paper describes the development and first evaluations of RePiX VR a virtual reality tool for computer graphics education, which focuses on the teaching of fundamental concepts of the rendering pipeline and offers researchers the opportunity to study learning in VR by integrating learning analytics. For this, the tool itself is presented and the evaluation, which uses quantitative methods and learning analytics to show the effectiveness of the tool. The first evaluations show that even learners without prior knowledge can use the VR tool and learn the first basics of computer graphics.
Conference Paper
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In this workshop, I will introduce the Open Extended Reality for Education Framework (OXREF), which is a conceptual framework proposing a holistic solution to XR object creation, implementation and deployment covering pedagogical, technical and administrative perspectives. Increasingly, many governments and institutions around the world are making major investments in virtual reality (VR) and augmented reality (AR) technologies preparing education systems for the future. However, many of these investments remain isolated pilot projects which tease at what the potential future of education could be, but unlikely due to scalability and sustainability. Based on literature and empirical evidence, I have identified that (a) the lack of content, tools and skills; (b) the lack of sound pedagogy and instructional design; and (c) sustainability to be major barriers to the wider adoption of XR in education. The contribution of the OXREF is the ability to build immersive XR projects in a scalable and sustainable manner promoting openness, accessibility, equity, reuse and collaboration by harnessing the full potential of OER and free and open-source software (FOSS) while utilizing cloud-based infrastructure for large-scale distribution and outreach. Keywords: OXREF, open extended reality for education framework, extended reality (XR), virtual reality (VR), augmented reality (AR), XR in education
Article
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Researchers have explored the benefits and applications of virtual reality (VR) in different scenarios. VR possesses much potential and its application in education has seen much research interest lately. However, little systematic work currently exists on how researchers have applied immersive VR for higher education purposes that considers the usage of both high-end and budget head-mounted displays (HMDs). Hence, we propose using systematic mapping to identify design elements of existing research dedicated to the application of VR in higher education. The reviewed articles were acquired by extracting key information from documents indexed in four scientific digital libraries, which were filtered systematically using exclusion, inclusion, semi-automatic, and manual methods. Our review emphasizes three key points: the current domain structure in terms of the learning contents, the VR design elements, and the learning theories, as a foundation for successful VR-based learning. The mapping was conducted between application domains and learning contents and between design elements and learning contents. Our analysis has uncovered several gaps in the application of VR in the higher education sphere—for instance, learning theories were not often considered in VR application development to assist and guide toward learning outcomes. Furthermore, the evaluation of educational VR applications has primarily focused on usability of the VR apps instead of learning outcomes and immersive VR has mostly been a part of experimental and development work rather than being applied regularly in actual teaching. Nevertheless, VR seems to be a promising sphere as this study identifies 18 application domains, indicating a better reception of this technology in many disciplines. The identified gaps point toward unexplored regions of VR design for education, which could motivate future work in the field.
Chapter
Innovations in the field of educational technology are very prominent. The application of immersive virtual reality (VR) in teaching and learning is currently in the focus of interest of researchers dealing with education. Numerous studies indicated that there are significant potential benefits of using this technology to improve learning outcomes and students’ motivation, overcome school-based and test anxiety, influence empathy, and ensure students focus on teaching content. However, there is still an issue of economic justification of investment in head-mounted displays (HMDs) and VR software for school use. Additionally, the key questions that arise from using VR in the classroom are on what theoretical basis to build immersive teaching and how to choose relevant content. The purpose of this chapter is to present a literature review of VR applications in education (with emphasis on both technological and pedagogical aspects, integration, and evaluation criteria), as well as to show the results of a small qualitative study conducted with teachers and an educational media specialist (all familiar with using VR as a teaching tool) in the Republic of Serbia.
Article
The aim of this paper was to build upon Dalgarno and Lee's model or framework of learning in three-dimensional (3-D) virtual learning environments (VLEs) and to extend their road map for further research in this area. The enhanced model shares the common goal with Dalgarno and Lee of identifying the learning benefits from using 3-D VLEs. The approach adopted here is to attempt a more pedagogical description using the concept of pedagogical immersion as derived from Mayes and Fowler's framework for mapping stages of learning onto types of learning environment. The paper adopts a “design for learning” perspective and in doing so hopes the combined framework will prove useful to those designing learning activities in 3-D VLEs.