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Kann der Dimensionsbegriffs am Übergang zur Sekundarstufe I erfolgreich mittels IVR vermittelt werden?

Authors:
Forschungsfrage
Kann der Dimensionsbegriffs am Übergang zur Sekundar-
stufe I erfolgreich mittels IVR vermittelt werden?
Ferner:
Ist der Lernerfolg dabei abhängig vom RV der SuS?
> Aptitude-Treatment-Interaction (vgl. Barrett und Hegarty 2016)
Ist der Lernerfolg dabei abhängig von weiteren Faktoren wie
den Vorerfahrungen von SuS mit IVR / digitalen Medien /
Computerspielen?
Trainiert die entwickelte IVR-Lernanwendung das RV?
Vermittlung des Dimensionsbegriffs
Begriffe „Flächen“ und „Körper“ bis 4. Kl. Mathematik
(vgl. Wittmann et al. 2019, S. 80f.), Begriffe „Gerade“, „Halbgerade“
und „Strecke“ in 5./6. Kl. (Holland 2001, S. 14)
Kartesisches Koordinatensystem über Stadtplan mit
Planquadraten propädeutisch in 4. Kl. Mathematik (vgl.
Mathepilot. 4: Schülerbuch 2012) und 5. Kl. Geographie
Realschule (vgl. Bahr 2015, S. 18)
Basis für Spielkonzept: Dimensionen des physischen
Lebensraums im Roman Flatland“ von Edwin A. Abbot
Bereits im Mathematikunterricht der 5. / 6. Kl.
Hauptschule eingesetzt (vgl. Schmidt-Thieme & Rosebrock 2002)
Reisen in Linienland (1D), Flächenland (2D) und
Raumland (3D) können in IVR aus Ergo-Perspektive
dargestellt und enaktive Effekte genutzt werden
Linienland
Flächenland (von oben)
Die Kugel durchquert Flächenland
= Auge / mögliche Kameraperspektive
Die Vermittlung des Dimensionsbegriffs mittels immersiver
virtueller Realität (IVR)* am Übergang zur Sekundarstufe I
Sina Haselmann, Barbara Schmidt-Thieme (Universität Hildesheim)
*Immersive virtuelle Realität hier: Stereoskopisches Head-Mounted Display, Tracking der Blickrichtung, Raumtracking, Controller zum Tracking der Hände und zur Interaktion DBR
Analyse des Bildungsproblems Theoriebasierte Entwicklung des Ausgangskonzepts Konzeptentwicklung und
-evaluation in iterativen Zyklen
Generierung
kontextualisierter
Theorien
Motivation
IVR als neues Lernmedium gehandelt, jedoch noch wenig
didaktische Konzepte, Bezüge zu Lerntheorien / -strategien,
detaillierte Beschreibung von Lernaktivitäten und
verwendeten Materialien (vgl. Radianti et al. 2020)
Geometrieunterricht in der Primarstufe (vgl. Niedersächsisches
Kultusministerium 2017, S. 10, S. 32):
Diverse Aktivitäten für geometrischen Begriffserwerb und
Entwicklung des räumlichen Vorstellungsvermögens
(RV) (vgl. auch Franke und Reinhold 2016, S. 2)
Erfahrungen mit 2D-Formen und 3D-Körpern gesammelt,
Dimensionsbegriff jedoch nicht Teil des Kerncurriculums
Theoretische Grundlagen der
Konzeption
Als extracurriculares IVR-Lernspiel für AGs / zu Hause
Immersive Technologien bereits erfolgreich zur Vermittlung
geometrischer Inhalte verwendet (vgl. z.B. Florian und Etzold 2021)
Allerdings große Spanne an Effektstärken,
Rahmenbedingungen entscheidend (vgl. Parong 2021)
(Digital) Game-Based Learning soll Lernmotivation und
Empfinden von Selbstwirksamkeit unterstützen
(vgl. Wecker und Stegmann 2019, S. 385f.)
Metaanalyse zur Trainierbarkeit von RV zeigt dauerhafte
mittlere Effekte für digitale Spiele (vgl. Uttal et al. 2013)
Aktuell in Arbeit: Systematic Review zu Digital Game-
Based Learning zum Training von RV mithilfe immersiver
und nicht-immersiver VR
Design-Empfehlungen ableitbar?
Nach Fertigstellung des Konzepts
1. Umsetzung als IVR-Lernspiel für Oculus Quest 2 mithilfe
von Unity 3D Game Engine
2. Evaluation mit 5-10 Expert:innen (Methode des Lauten
Denkens) und Weiterentwicklung der Anwendung
3. Hauptstudie mit je ca. 60 SuS der 4./5. Kl. und ggf.
Weiterentwicklung der Anwendung
4. Verallgemeinerung zum Zweck der Erweiterung
mathematik- und mediendidaktischer Erkenntnisse
Test / Fragebogen zu
Dimensionsbegriff
Erfahrung mit IVR /
digitalen Medien + Spielen
RV
NUTZUNG DER ANWENDUNG POST
PRÄ
Test / Fragebogen zu
Dimensionsbegriff
Simulator Sickness
RV
Erfassung / Beobachtung von
Simulator Sickness
Usabilty-Aspekten
Literatur
Abbott, E. A. (2020). Flatland: A romance of many dimensions.
Bahr, M. (2015). Durchblick - Erdkunde. 5/6, [Schülerband] / Autoren: Matthias Bahr [und weitere] ([Hamburg, Niedersachsen],
[Realschule, Stadtteilschule], Druck A). Westermann.
Barrett, T. J., & Hegarty, M. (2016). Effects of interface and spatial ability on manipulation of virtual models in a STEM domain.
Computers in Human Behavior, 65, 220231. APA PsycInfo.
Florian, L., & Etzold, H. (2021). Würfel mit digitalen Medien Wo führt das noch hin? Ein tätigkeitstheoretischer Blick auf
Würfelhandlungen. In A. Pilgrim (Hrsg.), Mathematik treiben mit Grundschulkindern Konzepte statt Rezepte. Festschrift für
Günter Krauthausen (1. Ausgabe, S. 1729). WTM-Verlag Münster.
Franke, M., & Reinhold, S. (2016). Didaktik der Geometrie in der Grundschule (3. Auflage). Springer Spektrum.
Holland, G. (2001). Geometrie in der Sekundarstufe: Didaktische und methodische Fragen (2. Aufl., 1. Nachdr). Spektrum,
Akad. Verl.
Mathepilot. 4: Schülerbuch (1. Aufl., 2.Dr). (2012). Klett.
Niedersächsisches Kultusministerium. (2017). Kerncurriculum für die Grundschule: Schuljahrgänge 1-4. Mathematik.
Verfügbar unter: https://cuvo.nibis.de/cuvo.php?p=download&upload=11
Parong, J., & Mayer, R. E. (2021). Cognitive and affective processes for learning science in immersive virtual reality. Journal of
Computer Assisted Learning, 37(1), 226241.
Radianti, J., Majchrzak, T. A., Fromm, J., & Wohlgenannt, I. (2020). A systematic review of immersive virtual reality applications for
higher education: Design elements, lessons learned, and research agenda. Computers & Education, 147, 103778.
Schmidt-Thieme, B., & Rosebrock, S. (2002). FlächenlandEin mehrdimensionaler Roman. Karlsruher pädagogische Beiträge,
53, 27-49.
Uttal, D. H., Meadow, N. G., Tipton, E., Hand, L. L., Alden, A. R., Warren, C., & Newcombe, N. S. (2013). The malleability of
spatial skills: A meta-analysis of training studies. Psychological Bulletin, 139(2), 352402.
Wecker, C., & Stegmann, K. (2019). Medien im Unterricht. In D. Urhahne, M. Dresel, & F. Fischer (Hrsg.), Psychologie für den
Lehrberuf (S. 373393). Springer Berlin Heidelberg.
Wittmann, E. C., Müller, G. N., Nührenbörger, M., Schwarzkopf, R., Bischoff, M., Götze, D., & Heß, B. (2019). Das Zahlenbuch. 4:
Schülerbuch ([Ausgabe ab 2017], 1. Auflage). Ernst Klett Verlag.
Kontakt
Sina Haselmann
haselmann@uni-hildesheim.de
Universität Hildesheim
Institut für Mathematik und
Angewandte Informatik
Samelsonplatz 1
31141 Hildesheim
(Bildquelle: https://www.buyzoxs.de/kaufen/oculus/oculus-quest-2-vr-brille-256gb-weiss_B08HJWPKGW.html)
(eigene Darstellungen nach Abbot (2020))
Das Projekt Cumulativer und curricular vernetzter Aufbau digitalisierungsbezogener Kompeten-
zen zukünftiger Lehrkräfte (Cu2RVE)“ wird im Rahmen der gemeinsamen „Qualitätsoffensive
Lehrerbildung“ von Bund und Ländern aus Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und
Forschung gefördert (Projektkennung: 01JA2030).
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Article
Full-text available
As immersive virtual reality (IVR) systems proliferate in classrooms, it is important to understand how they affect learning outcomes and the underlying affective and cognitive processes that may cause these outcomes. Proponents argue that IVR could improve learning by increasing positive affective and cognitive processing, thereby supporting improved performance on tests of learning outcome, whereas opponents of IVR contend that it could hurt learning by increasing distraction, thereby disrupting cognitive learning processes and leading to poorer learning outcomes. In a media comparison study, students viewed a biology lesson either as an interactive animated journey in IVR or as a slideshow on a desktop monitor. Those who viewed the IVR lesson performed significantly worse on transfer tests, reported higher emotional arousal, reported more extraneous cognitive load and showed less engagement based on EEG measures than those who viewed the slideshow lesson, with or without practice questions added to the lessons. Mediational analyses showed that the lower retention scores for the IVR lesson were related to an increase in self-reported extraneous cognitive load and emotional arousal. These results support the notion that immersive environments create high affective and cognitive distraction, which leads to poorer learning outcomes than desktop environments.
Article
Full-text available
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.
Article
Full-text available
Having good spatial skills strongly predicts achievement and attainment in science, technology, engineering, and mathematics fields (e.g., Shea, Lubinski, & Benbow, 2001; Wai, Lubinski, & Benbow, 2009). Improving spatial skills is therefore of both theoretical and practical importance. To determine whether and to what extent training and experience can improve these skills, we meta-analyzed 217 research studies investigating the magnitude, moderators, durability, and generalizability of training on spatial skills. After eliminating outliers, the average effect size (Hedges's g) for training relative to control was 0.47 (SE = 0.04). Training effects were stable and were not affected by delays between training and posttesting. Training also transferred to other spatial tasks that were not directly trained. We analyzed the effects of several moderators, including the presence and type of control groups, sex, age, and type of training. Additionally, we included a theoretically motivated typology of spatial skills that emphasizes 2 dimensions: intrinsic versus extrinsic and static versus dynamic (Newcombe & Shipley, in press). Finally, we consider the potential educational and policy implications of directly training spatial skills. Considered together, the results suggest that spatially enriched education could pay substantial dividends in increasing participation in mathematics, science, and engineering. (PsycINFO Database Record (c) 2012 APA, all rights reserved).
Chapter
Im Alltag der meisten Menschen sind digitale Medien wie Smartphone, Computer, Internet oder Fernseher allgegenwärtig. Manche davon sind ständige Begleiter in der Freizeit, aber auch unentbehrliche Werkzeuge bei der täglichen Arbeit. Dies gilt nicht nur für Erwachsene, sondern auch für Kinder und Jugendliche. Nichts deutet darauf hin, dass sich daran in absehbarer Zeit etwas ändern wird; vielmehr scheinen sich die technischen Möglichkeiten immer rasanter weiterzuentwickeln.
Article
Virtual models are increasingly employed in STEM education to foster learning about spatial phenomena. However, the roles of the computer interface and students’ cognitive abilities in moderating learning and performance with virtual models are not yet well understood. In two experiments students solved spatial organic chemistry problems using a virtual model system. Two aspects of the virtual model interface were manipulated: display dimensionality (stereoscopic vs. monoscopic displays) and the location of the hand-held device used to manipulate the virtual molecules (co-located with the visual display vs. displaced). The experimental task required participants to interpret the spatial structure of organic molecules and to manipulate the models to align them with orientations and configurations depicted by diagrams in Experiment 1 and three-dimensional models in Experiment 2. Co-locating the interaction device with the virtual image led to better performance in both experiments and stereoscopic viewing led to better performance in Experiment 2. The effect of co-location on performance was moderated by spatial ability in Experiment 1, and the effect of providing stereo viewing was moderated by spatial ability in Experiment 2. The results are in line with the ability-as-compensator hypothesis: participants with lower ability uniquely benefited from the treatment, while those with higher ability were not affected by stereo or co-location. The findings suggest that increased fidelity in a virtual model system may be one way of alleviating difficulties of low-spatial participants in learning spatially demanding content in STEM domains.
Chapter
Please take a look at the important information in this header. We encourage you to keep this file on your own disk, keeping an electronic path open for the next readers. Do not remove this. Corrected EDITIONS of our etexts get a new NUMBER, flat11.txt VERSIONS based on separate sources get new LETTER, flat10a.txt We are now trying to release all our books one month in advance of the official release dates, for time for better editing. The official release date of all Project Gutenberg Etexts is at Midnight, Central Time, of the last day of the stated month. A preliminary version may often be posted for suggestion, comment and editing by those who wish to do so. To be sure you have an up to date first edition [xxxxx10x.xxx] please check file sizes in the first week of the next month. Since our ftp program has a bug in it that scrambles the date [tried to fix and failed] a look at the file size will have to do, but we will try to see a new copy has at least one byte more or less. Information about Project Gutenberg (one page) We produce about two million dollars for each hour we work. The fifty hours is one conservative estimate for how long it we take to get any etext selected, entered, proofread, edited, copyright searched and analyzed, the copyright letters written, etc. This projected audience is one hundred million readers. If our value per text is nominally estimated at one dollar, then we produce 2 million dollars per hour this year we, will have to do four text files per month: thus upping our productivity from one million.
Durchblick -Erdkunde. 5/6
  • M Bahr
Bahr, M. (2015). Durchblick -Erdkunde. 5/6, [Schülerband] / Autoren: Matthias Bahr [und weitere] ([Hamburg, Niedersachsen], [Realschule, Stadtteilschule], Druck A). Westermann.
Würfel mit digitalen Medien -Wo führt das noch hin? Ein tätigkeitstheoretischer Blick auf Würfelhandlungen
  • L Florian
  • H Etzold
Florian, L., & Etzold, H. (2021). Würfel mit digitalen Medien -Wo führt das noch hin? Ein tätigkeitstheoretischer Blick auf Würfelhandlungen. In A. Pilgrim (Hrsg.), Mathematik treiben mit Grundschulkindern -Konzepte statt Rezepte. Festschrift für Günter Krauthausen (1. Ausgabe, S. 17-29). WTM-Verlag Münster.
Didaktik der Geometrie in der Grundschule (3. Auflage)
  • M Franke
  • S Reinhold
Franke, M., & Reinhold, S. (2016). Didaktik der Geometrie in der Grundschule (3. Auflage). Springer Spektrum.
Geometrie in der Sekundarstufe: Didaktische und methodische Fragen
  • G Holland
Holland, G. (2001). Geometrie in der Sekundarstufe: Didaktische und methodische Fragen (2. Aufl., 1. Nachdr). Spektrum, Akad. Verl. Mathepilot. 4: Schülerbuch (1. Aufl., 2.Dr). (2012). Klett.