VirtuChemLab
Mithilfe des virtuellen Chemielabors „VirtuChemLab“ erhalten Chemiestudierende der Studieneingangsphase die Möglichkeit, sich auch außerhalb von Laborpraktika wichtige Grundlagen anzueignen.
Übersicht über das VirtuChemLab (Bild: Jan-Luca Hansel und André Graute )
Eckdaten
Kann Lösungsansätze für folgende Problemstellungen der Lehre bieten:
- Geringe Lernmotivation
- Heterogenes Vorwissen
- Begrenzte Möglichkeiten zum individualisierten Lernen
Eignet sich für folgende Virtualisierungsgrade:
- Anreicherung
- Virtualisierung
Nutzt folgende Medieneigenschaften zur Unterstützung des Lernprozesses:
Laborpraktika sind essentieller Bestandteil chemiebezogener Studiengänge, da Studierende hier experimentelle Kompetenzen (weiter-)entwickeln. Besonders in der Studieneingangsphase liegen oft sehr heterogene Voraussetzungen bei den Studierenden vor. Besonders schwächeren Studierenden können aufgrund begrenzter Kapazitäten jedoch kaum die notwendigen Laborzeiten angeboten werden, um fehlende Kompetenzen zu erwerben. Mit dem auf Virtual Reality (VR) basierenden Chemielabor „VirtuChemLab“ soll diesen Herausforderungen Rechnung getragen werden, da Studierende hier zeit- und ortsunabhängig Grundoperationen der Laborarbeit üben können.
Basis des Systems ist eine Chemiesimulation, die es ermöglicht, realistische Beobachtungen zu tätigen, indem Reaktionsparameter wie Konzentration, Temperatur oder pH-Wert authentisch berechnet werden. Für die Durchführung von Versuchen stehen verschiedene Chemikalien sowie Laborgeräte wie Bechergläser oder Gasbrenner bereit. Dabei kann frei oder anhand vordefinierter Experimentieranleitungen gearbeitet werden. Weiterhin ist es möglich, dass mehrere Lernende im VR-Labor gemeinsam virtuell experimentieren oder Präsentationen im benachbarten virtuellen Seminarraum halten.
Zu den Vorteilen der Simulation gehört, dass Studierende durch das Training in der sicheren virtuellen Realität teilweise vorhandene negative Emotionen hinsichtlich des Experimentierens in einem Chemielabor abbauen können, beispielsweise Berührungsängste mit Laborgeräten oder Chemikalien.
Entwickelt wurde das VirtuChemLab von April 2022 bis März 2023 im Rahmen einer interdisziplinär gestalteten, curricular verankerten Lehrveranstaltung des Masterstudiengangs Informatik an der Universität Paderborn. Unter der Anleitung von Mitarbeitenden der Arbeitsgruppen „Chemiedidaktik“ und „Theorie verteilter Systeme“ haben 15 Studierende binnen zwei Semestern das virtuelle Labor gestaltet und implementiert, um dabei nicht nur fachliche, sondern auch soziale Kompetenzen im Rahmen der Teamarbeit weiterzuentwickeln.
Bereits während des Entwicklungsprozesses wurde das VirtuChemLab in User-Tests mit Chemiestudierenden erprobt. Im Rahmen eines ersten Pilotprojekts haben chinesische Studierende des Chinesisch-Deutschen Campus das VirtuChemLab erprobt und dabei durch verschiedene Aufgabenstellungen ihre fachsprachlichen Kompetenzen trainiert. Von April 2024 bis März 2025 erarbeitet eine weitere Projektgruppe aus Studierenden ein adaptives Feedbacksystem für das VirtuChemLab.
Das Praxisbeispiel ist Teil des Projekts VR@UPB an der Universität Paderborn.
Auf der Digital Learning Map werden noch zwei weitere Projekte von VR@UPB vorgestellt: das Projekt Virtual Reality in der Hochschullehre und das Projekt ARChemLab.
Medieneigenschaften zur Unterstützung des Lernprozesses
In der VR-Umgebung können Studierende komplett eigenständig mit den virtuellen Objekten interagieren und sich frei bewegen.
Das System erkennt, ob Schritte in einem Experiment erfolgreich erledigt wurden und markiert den entsprechenden Bearbeitungsschritt als erfolgreich. Seit April 2024 wird ein adaptives Feedbacksystem in der Form eines virtuellen Tutors entwickelt, das im März 2025 fertig gestellt sein soll.
Im VirtuChemLab können sich mehrere Personen gleichzeitig bewegen und miteinander interagieren. Es ermöglicht sowohl eine eigenständige und individuelle Vorbereitung auf das Laborpraktikum als auch die kollaborative Zusammenarbeit mit Kommilitoninnen und Kommilitonen, die sich weltweit in dieselbe Laborumgebung einwählen können.
Studierende können frei Übungen durchführen und eigenständig zwischen verschiedenen vordefinierten Experimenten auswählen. Soweit sinnvoll, sind sie dabei auch in den einzelnen Experimentschritten frei in der Reihenfolge.
Lösungsansätze für Problemstellungen der Lehre
Für die folgenden Problemstellungen kann das Praxisbeispiel Lösungsansätze bieten:
- Geringe Lernmotivation:
Durch das Training in der sicheren virtuellen Realität sollen die Studierenden negative Emotionen hinsichtlich des Experimentierens in einem Chemielabor abbauen können.
- Heterogenes Vorwissen:
Im VirtuChemLab können Studierende vor dem Praktikum ausgiebig üben, um fehlende Kenntnisse auszugleichen.
- Begrenzte Möglichkeiten zum individualisierten Lernen:
Die Möglichkeiten im realen Labor „vor Ort“ zu arbeiten, sind begrenzt. Im VirtuChemLab kann man hingegen zeit- und ortsunabhängig üben.
Virtualisierungsgrad
Der Virtualisierungsgrad beschreibt das Verhältnis von analogen und digitalen Elementen in einem Lehr-/Lernszenario. Das Praxisbeispiel unterstützt die folgenden Virtualisierungsgrade:
- Anreicherung
- Virtualisierung
Ressourcen
Soft- und Hardware
- VirtuChemLab
- VR-Brille mit dazugehörigen Controllern
- PC
Weitere Informationen zum Praxisbeispiel
Kontakt
Sie möchten mehr über das Praxisbeispiel erfahren? Hier können Sie Kontakt zu den Autorinnen und Autoren aufnehmen:
Hendrik Peeters
Universität Paderborn
Chemiedidaktik
Warburger Str. 100
33098 Paderborn
hendrik.peeters@uni-paderborn.de
Jan-Luca Hansel
Universität Paderborn
Informatik/Theorie verteilter Systeme
Fürstenallee 11
33102 Paderborn
hanseljl@mail.uni-paderborn.de
André Graute
Universität Paderborn
Informatik/Theorie verteilter Systeme
Fürstenallee 11
33102 Paderborn
agraute@mail.uni-paderborn.de
Dr. Hoang Trang Tran-Thien
Universität Paderborn
Technische Chemie
Mersinweg 7
33100 Paderborn
hoangttt@mail.uni-paderborn.de