Virtuelle Labore sind das Ergebnis wissenschaftlichen Fortschritts, didaktischer Erkenntnisse und digitaler Lehrmethoden. Insbesondere globale und gesellschaftliche Entwicklungen der letzten Jahre haben den Bedarf an alternativen Lehr- und Lernformen verstärkt, was zur vermehrten Integration virtueller Labore geführt hat. Sie bieten simulierte Lernumgebungen, die in der Regel auf dem Computer, spezifischer Hardware oder im Internet laufen und in denen Benutzerinnen und Benutzer experimentieren, erkunden und lernen können. Sie haben den Vorteil, dass sie Zugang zu Laborerfahrung bieten können, ohne die Kosten (bspw. Material- und Reisekosten), den Platzbedarf und die Sicherheitsbedenken, die mit physischen Laboren verbunden sind. Virtuelle Labore ermöglichen es besondere Forschungsschwerpunkte bspw. aus den Bereichen der Sprach- und Naturwissenschaften und viele mehr zu erforschen.

Wissenschaftlich betrachtet bieten virtuelle Labore wertvolle Werkzeuge zur Darstellung von Konzepten, Durchführung von Experimenten und Erhebung von Daten. Sie können komplexe Sachverhalte verständlich darstellen oder ermöglichen es, Prozesse nach Belieben zu beeinflussen und zu visualisieren, die sonst nur schwer zu verstehen oder zu beobachten sind. Sie können zudem auch dazu beitragen, die Restriktionen der physischen Welt zu überwinden, indem sie Nutzerinnen und Nutzern erlauben, vorhandene Systeme und Skalen zu beeinflussen, die sonst unzugänglich wären, oder präzisere Arbeiten zu verrichten, die in einem physischen Labor unter Umständen zu komplex erscheinen oder zu umständlich sind.

Von der didaktischen Perspektive aus betrachtet bieten virtuelle Labore mehrere Vorteile. Zunächst erlauben sie Lernenden, komplexe Konzepte durch aktive Teilnahme und Interaktion zu erfassen, was den Lernprozess effektiver und nachhaltiger macht. Zweitens ermöglichen sie es, eine gewisse Flexibilität in Bezug auf Zeit und Raum zu erhalten, da die Lernenden zu jedem beliebigen Zeitpunkt und ortsunabhängig auf sie zugreifen können. Drittens ermöglichen sie individuelles Lernen, da die Lernenden in ihrem eigenen Tempo arbeiten und verschiedene Ansätze zur Lösung von Problemen ausprobieren können. Viertens können sie verschiedene Formen von Feedback und Bewertung in Echtzeit bereitstellen, was den Lernprozess unterstützt und verbessert. Schließlich können sie die Lernmotivation durch spielerische und interaktive Elemente erhöhen.

Es ist jedoch zu beachten, dass virtuelle Labore trotz ihrer vielen Vorteile nicht alle Aspekte von Hands-On-Laborerfahrungen ersetzen können. Insbesondere können sie die Entwicklung von praktischen Fähigkeiten und die Erfahrung mit echten, unvorhersehbaren Ereignissen und Fehlern begrenzen. Daher sollten sie am besten als Ergänzung zu, und nicht als Ersatz für, physische Labore betrachtet werden.

Kategorien von Virtuellen Laboren

1. Simulationsbasierte Labore: Diese Labore replizieren komplexe Sachverhalte und ermöglichen kosteneffiziente Experimente. Sie tragen zum Verständnis abstrakter Konzepte bei und ermöglichen die Manipulation von Parametern.
2. Remote-Labore: Diese Labore bieten Zugang zu entfernten Laborressourcen für authentische Experimente. Sie bieten Flexibilität hinsichtlich Zeit und Ort und ermöglichen standortunabhängige Zusammenarbeit.
3. Virtuelle Umgebungen: Diese Art von Laboren modelliert komplexe Sachverhalte und ermöglicht immersive Lernerfahrungen auf 2-dimensionaler, sowie 3-dimensionaler Ebene. Sie tragen zur Veranschaulichung abstrakter Konzepte bei und bieten Flexibilität beim Experimentieren.
4. Online-Simulationsplattformen: Diese Plattformen bieten breiten Zugang zu Simulationen und gewährleisten Flexibilität und Zugänglichkeit. Als interaktive Lernumgebungen bieten sie zudem die Möglichkeit, unterstützende Ressourcen und Werkzeuge zu verwenden.

Ein wichtiger Aspekt für die Nutzung eines virtuellen Labors ist die Festlegung des passenden Typs für die persönliche Anwendung. Dazu sind eine detaillierte Analyse der Anforderungen und die Bestimmung der Lern- und Forschungsziele ausschlaggebend. Jeder Labortyp bietet für die spezifischen Anwendungsgebiete gewisse Vor- und Nachteile. Einige Vorteile liegen in der Möglichkeit, komplexe Sachverhalte zu untersuchen und verständlich darzustellen, sowie flexible Experimentiermöglichkeiten bereitzustellen. Der Zugriff auf entfernte Ressourcen und interaktive Lernumgebungen runden die Möglichkeiten ab. Herausforderungen, denen man sich bewusst sein sollte, können unter anderem im fehlenden physischen Kontakt zu echten Geräten, dem Ausschluss von speziellen Sinneswahrnehmungen (besonders bei virtuellen Umgebungen), die Notwendigkeit spezieller Software oder die Abhängigkeit von einer zuverlässigen Internetverbindung bestehen. Daher sollte bei der Wahl des geeigneten virtuellen Labors sorgfältig abgewogen werden und eine Bedarfs- und Anforderungsanalyse erfolgen.

Simulationsbasierte Labore

Unter simulationsbasierten Laboren sind interaktive virtuelle Umgebungen zu verstehen, die wissenschaftliche Experimente und Untersuchungen durch computergestützte Simulationen ermöglichen. Sie integrieren wissenschaftliche und didaktische Aspekte auf innovative Weise. Wissenschaftlich betrachtet ermöglichen simulationsbasierte Labore die Abbildung komplexer Studien, die in realen Laboren schwer oder teuer zu realisieren wären. Die Anwendung von virtuellen Werkzeugen bietet Forschenden und Studierenden die Möglichkeiten anspruchsvolle Experimente durchzuführen. Diese können auch als Lernszenarien oder einfache Übungen bereitgestellt werden. Die dadurch erworbenen Kenntnisse ermöglichen es, Hypothesen zu prüfen und Daten in einer kontrollierten Umgebung zu erheben. Somit stellen simulationsbasierte Labore eine kosteneffiziente und flexible Methode dar, um komplexe Experimente zu implementieren und wissenschaftliches Verständnis zu fördern.

Didaktisch betrachtet bieten simulationsbasierte Labore eine interaktive Lernumgebung. Sie ermöglichen es den Studierenden, zu experimentieren und aus Fehlern zu lernen, ohne echte Ressourcen oder Gefahren einzugehen. Ihre interaktive Natur fördert zudem das Verständnis von abstrakten Konzepten und macht komplexe Sachverhalte greifbar und ermöglicht individuelles Lernen, indem Studierende in ihrem eigenen Tempo arbeiten und sich auf spezifische Themen fokussieren können.

Ein signifikanter Vorteil dieser Labore ist ihre breite Zugänglichkeit. Sie können unabhängig von physischen Ressourcen vor Ort von verschiedenen Standorten aus genutzt werden. Dies fördert eine erweiterte Teilnahme und ermöglicht die Zusammenarbeit zwischen Lernenden und Forschenden auf globaler Ebene. Dank ihrer Online-Funktionalität bieten sie auch zeitliche Flexibilität, indem sie rund um die Uhr verfügbar sind und den Nutzenden erlauben, Experimente entsprechend ihrer persönlichen Zeitpläne durchzuführen.

Durch das Internet sind simulationsbasierte Labore flexibel und zugänglich, da sie unabhängig von Zeit und Ort genutzt werden können. Sie können dadurch als frei verfügbare Werkzeuge und Modelle für Simulationen bereitgestellt werden. Lehrende können über das Netzwerk komplexe Sachverhalte in der Lehre und bei Experimenten verwenden, um Studierenden die gute Lernerfahrungen zu vermitteln, sowie an verschiedene virtuelle Experimente heranführen. Das dadurch ermöglichte Lernerlebnis bietet eine fundierte Basis zum Verständnis der zu vermittelnden Sachverhalte.

Der Einsatz dieser integrierten Lösungen ermöglicht neue Anwendungen in der Hochschulbildung. Studierende können durch praktische Erfahrungen neues Wissen schöpfen und durch die gewonnenen Erfahrungen der Anwendung wissenschaftlicher Prinzipien, auch ohne Einschränkungen eines physischen Labors, erfolgreich Experimente durchführen. Die Online-Funktionalitäten ermöglichen den Studierenden umfassende Lernerfahrungen und helfen ihnen dabei, ihre Fähigkeiten in der Durchführung von Experimenten, der Analyse und der Anwendung von theoretischen Konzepten zu stärken.

Insgesamt stellen simulationsbasierte Labore mit Internetanbindung eine innovative und flexible Methode dar, um wissenschaftliche Experimente durchzuführen und das Lernen der Studierenden zu fördern. Sie erweitern den Horizont in der Hochschulbildung und tragen dazu bei, den Zugang zu hochwertigen Laborressourcen zu verbessern und den Lernprozess zu optimieren.

Beispiele:

• Computational Fluid Dynamics (CFD): OpenFOAM (Open-Source CFD-Software); OpenFOAM Foundation
• Finite-Elemente-Analyse (FEA): FEATool Multiphysics (Software für Mehrphysik-Simulationen); FEATool Multiphysics
• Elektromagnetische Simulation: EMPIRE XPU (Software für elektromagnetische Simulationen); EMPIRE Software
• Computational Chemistry: CP2K (Softwarepaket für atomistische und molekulare Simulationen); FAU Erlangen-Nürnberg
• Strömungssimulation in der Verfahrenstechnik: OpenLB (Open-Source-Software für Lattice-Boltzmann-Simulationen); TU Darmstadt

Remote-Labore

Remote-Labore stellen einen fortschrittlichen Typ eines virtuellen Labors dar. Sie ermöglichen es Experimente und praktische Untersuchungen unter nahezu realen Laborbedingungen durchzuführen. Dafür ist meist keine physische Präsenz vor Ort oder in unmittelbarer Nähe notwendig. Die Nutzung der Remote-Technologien kann von Lehrenden, Forschenden und Studierenden über das Internet, Intranet oder speziellen elektrischen Verbindungen stattfinden, wobei die Laborgeräte und -instrumente entsprechend mit der jeweiligen Hard- oder Software gesteuert werden.

Wissenschaftlich gesehen bieten Remote-Labore Zugang zu entfernten und spezialisierten Laborressourcen und -geräten, die möglicherweise an anderen Standorten untergebracht oder in teuren Einrichtungen installiert sind. Die Fernbedienung dieser Geräte ermöglicht Nutzenden, Experimente in einer realen Umgebung durchzuführen und Daten zu sammeln. Dies führt zu authentischen und zuverlässigen Ergebnissen, die eine robuste Basis für wissenschaftliche Erkenntnisse darstellen.

Aus didaktischer Sicht ermöglichen Remote-Labore realitätsnahe interaktive Lernerfahrungen, bei denen die Studierenden durch angeleitetes oder eigenständiges Experimentieren praktische Erfahrungen sammeln und das Konzept des „Learning by Doing“ erleben, selbst wenn sie physisch nicht im Labor anwesend sind. Forschende, Lehrende und Studierende haben die Möglichkeit, die Laborgeräte über das Internet zu bedienen, ihre Hypothesen zu prüfen, Experimente zu planen und durchzuführen, sowie Daten in Echtzeit zu analysieren. Dadurch werden Schlüsselkompetenzen wie kritisches Denken, Problemlösefähigkeiten und ein vertiefendes Verständnis von experimentellen Verfahren ermöglicht, wobei insgesamt auch ein gutes technisches Grundverständnis der zu bedienenden Technologie vorausgesetzt wird.

Ein weiterer Vorteil der Remote-Labore sind ihre hohe Flexibilität und Zugänglichkeit. Sie ermöglichen den Nutzenden, zeit- und ortsunabhängige Experimente durchzuführen, wobei lediglich eine Internetverbindung erforderlich ist, um auf die Laborressourcen zuzugreifen. In manchen Fällen könnte spezielle Software für die Remote-Verbindung notwendig sein. Remote-Labore bieten insbesondere Fernstudierenden oder Personen mit eingeschränktem Zugang zu physischen Laboren eine höhere Flexibilität. Sie fördern auch die Zusammenarbeit und den Austausch von Ergebnissen und Erkenntnissen, da die Nutzenden unabhängig von ihrem geografischen Standort gemeinsam an Projekten arbeiten können und dadurch Kommunikationswege kurzgehalten werden können.

Beispiele:

• Computer- und roboter-assistierte Chirurgie; Medizinische Hochschule Hannover
• Ferngesteuerte Teleskope: TURM (TU Darmstadt ReMote Observatory); TU Darmstadt
• Fernzugriff auf Sportbiologische Labore: iLab (Interactive Synthesis of Exercise Biology and Performance Analysis); TU München

Virtuelle Umgebungen

Virtuelle Umgebungen stellen eine fortschrittliche Variante virtueller Labore dar und ermöglichen das Durchführen von Experimenten und Untersuchungen in computergenerierten Welten, die in 2-dimensionaler (Pixel, Vektoren) oder 3-dimensionaler (Polygone, 360° Aufnahmen) Form auftreten können. Sie finden breite Anwendung in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen.

Betrachtet man bei virtuellen Umgebungen nun die wissenschaftliche Ebene, so bemerkt man, dass diese, einzigartige Erfahrungen ermöglicht, wie bspw. die Modellierung und Erforschung komplexer Sachverhalte und Prozesse die realitätserweiternd wirken können. Beispielsweise kann man so durch die Simulation atomarer Strukturen und physikalischer Eigenschaften von Materialien eine Vorhersage von Materialeigenschaften und -verhalten ermöglichen und diese in einer besonderen Form im 3-dimensionalen Raum visualisieren. Dies ist insbesondere in der Materialwissenschaft von Vorteil, wo die Optimierung und Entwicklung neuer Materialien zentral sind, kann aber auch in anderen Forschungsschwerpunkten Anwendung finden, wo man mit virtuellen Darstellungsformen besondere Lernszenarien erstellen kann, die in der physischen Welt nicht oder sehr schwer abzubilden sind.

In der Medizin bieten virtuelle Umgebungen die Möglichkeit zur Erstellung virtueller Patientenmodelle. Durch die Integration anatomischer Daten und medizinischer Algorithmen können realistische Simulationen medizinischer Szenarien erzeugt werden, sowie sogenannte NPC (non-playable characters) verwendet werden, um computergesteuerte interaktive Patienten zu generieren. Diese Anwendungsbeispiele erlauben es Medizinstudierenden, Diagnosen zu stellen, Behandlungsstrategien zu entwickeln und chirurgische Eingriffe zu üben, ohne Patienten zu gefährden oder kritische Beratungsgespräche zu Trainieren.

Betrachtet man den didaktischen Aspekt eigens erstellter virtuelle Umgebungen, so erkennt man, dass unter anderem eine immersive (in das Geschehen eintauchend) und interaktive (direkte Rückmeldungen eigenen Handelns) Lernerfahrung vorliegen kann. Durch die Nutzung von 2- (einfache Bilder) und 3-dimensionalen (polygonale Objekte) Darstellungsformen von virtuellen Objekten wird das Verständnis und die Visualisierung schwer verständlicher Sachverhalte und Prozesse zugänglicher gestaltet. Forschende, Lehrende und Studierende können in solchen virtuellen Umgebungen frei agieren, experimentieren, Hypothesen aufstellen und erproben sowie Konsequenzen des eigenen Handelns in Experimenten beobachten und wiederholen.

Ein zusätzlicher Vorteil virtueller Umgebungen sind ihre Zugänglichkeit und Flexibilität. Sie ermöglichen es den Forschenden, Lehrenden und Studierenden, standort- und zeitunabhängig auf ihre Ressourcen zuzugreifen. Dies bietet die Möglichkeit, in den eigenen Geschwindigkeiten zu lernen, lehren und Experimente beliebig oft zu wiederholen, um die Lernerfahrung zu vertiefen. Darüber hinaus können virtuelle Umgebungen den Zugang zu teuren oder seltenen Laborressourcen ersetzen, indem diese virtuell bereitgestellt werden.

Beispiele:

• Erstellung von Virtuellen Lehr- und Lernszenarien mittels 360°, AR und VR: fuels (Future Learning Spaces); TU Darmstadt, Hochschule Darmstadt, Goethe-Universität Frankfurt
• Virtuelle Architekturvisualisierung: DMA (Innovation Lab des Lehr- und Forschungsgebietes Digitale Methoden in der Architektur); FH Dortmund
• Virtuelle Entwicklung und Testung in der Medizinforschung: Virtual LimitLab; Charité - Universitätsmedizin Berlin
• Virtuelle Labore mit unterschiedlichen Experimentiermöglichkeiten in der Lehre: VRLab; Hochschule Reutlingen
• Weitere Hochschulprojekte in Verbindung mit virtuellen Welten und Lehre auf Universety.org.

Vor- und Nachteile virtueller Labortypen

Virtuelle Labore, inklusive ihrer speziellen Formen wie simulationsbasierte Labore, Remote-Labore, virtuelle Umgebungen und Online-Simulationsplattformen, bieten vielfältige Vor- und Nachteile, die in ihrer Wahl berücksichtigt werden sollten.

Globale Vorteile virtueller Labore sind:

• Zugänglichkeit und Flexibilität: Zeit- und ortsunabhängiger Zugang zu Laborressourcen und Experimenten.
• Wirtschaftlichkeit: Alternative zu teuren physischen Laboren, durch den Verzicht auf aufwendige Gerätschaften und Materialien.
• Sicherheit: Gefahrloser Umgang mit Experimenten in einer sicheren Lernumgebung.
• Erweiterte Experimentmöglichkeiten: Realisierung komplexer Experimente und Simulationen, die in physischen Laboren schwer umsetzbar sind.

Vorteile der spezifischen Labortypen umfassen:

• Simulationsbasierte Labore: Abbildung komplexer Phänomene, kosteneffiziente Durchführung von Experimenten, und das Erlernen abstrakter Konzepte im eigenen Tempo, breiter Zugang zu Simulationen, interaktives Lernen und zusätzliche Lernressourcen zur Unterstützung des Verständnisses.
• Remote-Labore: Zugriff auf spezialisierte und entlegene Laborressourcen, authentisches Experimentieren, und Förderung von kritischem Denken.
• Virtuelle Umgebungen: Immersive Lernerfahrungen, erleichtertes Verständnis durch die Veranschaulichung abstrakter Konzepte und Modellierung komplexer Phänomene.

Hauptnachteile virtueller Labore können sein:

• Fehlender haptischer Kontakt: Begrenzte Interaktion mit realen Geräten und Materialien.
• Eingeschränkte Realitätsnähe: Virtuelle Labore könnten physischen Laboren in Sachen Realitätsnähe nachstehen
• Technologieabhängigkeit: Notwendigkeit spezieller Software, Hardware und stabiler Internetverbindung.
• Begrenzte Kontrollmöglichkeiten: Einschränkungen in der Überprüfung der Richtigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse.
• Entwicklungs- und Beschaffungskosten und Dauer: Virtuelle Labore, bspw. in den XR-Technologien (Virtual Reality, Augmented Reality) müssen intensiv nach technischen und didaktischen Kriterien entwickelt, optimiert und evaluiert werden.

Spezifische Nachteile der einzelnen Labortypen können unter anderem beinhalten:

• Simulationsbasierte Labore: Begrenzte Kontrolle über die Qualität und Genauigkeit der Simulationen, potenziell geringere persönliche Betreuung und Anleitung.
• Remote-Labore: Abhängigkeit von stabiler Internetverbindung und technischen Voraussetzungen, eingeschränkte haptische Erfahrungen.
• Virtuelle Umgebungen: Erforderliche spezielle Software und technische Ressourcen, möglicherweise weniger realitätsgetreu im Vergleich zu physischen Laboren.

Die Wahl des geeigneten Labortyps sollte auf Basis der spezifischen Lernkontexte und -ziele getroffen werden. Oft können virtuelle Labore eine sinnvolle Ergänzung zu physischen Laboren darstellen, den Zugang zu Laborerfahrungen erweitern und das Verständnis komplexer Konzepte fördern.