Märztagung 2022: Lernwelten in der digitalen Transformation – heute und in Zukunft.

Naturwissenschaftliche Phänomene sind für Lernende oft schwer zu verstehen, da sie sehr komplex sind. Individualisierte elektronische Lernplattformen wie Mixed Reality (MR) kombinieren verankerte virtuelle Objekte mit der Realität und ermöglichen es den Studierenden, ihre Umgebung auf neue Art und Weise zu erleben, und bieten ihnen einen sicheren Raum, um den Lernstoff mit begrenzten Konsequenzen zu erkunden.

Mit Hilfe einer innovativen modularen MR-Anwendung namens ALETHA, die auf lernwissenschaftlichen Prinzipien beruht, kann das Verständnis der Schüler für den Lernstoff verbessert werden. Ihre Wahrnehmung wird erweitert, ihre Intuition gefördert und abstrakte Theorie und reale Praxis miteinander verbunden. Erste Ergebnisse aus einer Pilotstudie zeigen, dass die mit ALETHA ausgestatteten Studierenden im Vergleich zu Kontrollgruppen, die denselben Stoff ohne MR studieren, bessere Lernergebnisse erzielen, weil sie mehr Intuition entwickeln.

Fragen aus dem Chat & Antworten

• Frage: Wäre eine Variante des VR nicht auch mit Lernen mit Bewegungen (Embodiement)? Was denken Sie dazu Frau Schürle?
  
  Antwort S.S.-F.: Vielen Dank für die Frage! Mit «embodiment» ist ja die virtuelle Darstellung der Person im virtuellen Raum zu verstehen. Es könnte in der Tat hilfreich sein bestimmte Bewegungsabläufe, wie zum Beispiel das des Pipettierens, erst virtuell darzustellen, woraufhin die Studenten dann diese Bewegung mit realen Pipetten nachahmen.
   
• Frage: Erkennt das System den Arbeitsplatz in der realen Welt und blendet entsprechende Lernmodule ein (bottom-up)? Oder wird das top-down gesteuert?
  
  Antwort S.S.-F.: Vielen Dank auch für diese Frage. Es ist teils teils, wir haben zum einen bestimmte Anhaltspunkte, die vom System abgefragt und vom User eingegeben werden, wie zum Beispiel ob eine Reihe von Reagenzien parat stehen, dann weiss das System in welchem Schritt man ist und es geht weiter. Zum anderen verwenden wir an bestimmten Stellen auch AR Codes, also QR Codes für AR, um für eine verbesserte Überlagerung von grafischen Darstellung auf reale Objekte zu gewährleisten. Zum Beispiel haben wir die Fluiddynamik im Mikrofluidischen Chip simuliert und diese wurde auf den Chip projiziert und mittels AR Codes positioniert. 
   
• Kommentar: Tipp, wenn man nicht das Geld für die Hololens hat. https://apps.apple.com/ch/app/jigspace/id1111193492
  Antwort S.S.-F.: Danke für diesen Hinweis! Das kannte ich noch nicht.
   
• Frage: Als Mehrwert der Mixed Rality im Laborunterricht könnten auch Kosteneinsparungen thematisiert werden., indem einzelne teure und/oder schwer zugängliche Geräte oder Prozesse "simuliert" werden.
  
  Antwort S.S.-F.: Absolut, das ist ein sehr guter Punkt! Einen Teil der Fabrikation für die Mikrofluidik findet in Reinräumen statt, was schwierig für solche Kurse real umsetzbar ist. Auch könne so bestimmte Prozesse, mehrmals iteriert werden («Trial and error»), was sehr lehrreich aber sonst zu kostenintensiv wäre.
   
• Frage: Wie steht es um den Aufwand die sehr themenspezifischen Inhalte z erstellen
  
  Antwort S.S.-F.: Vielen Dank für diese wichtige Frage. Wir haben Aletha extra sehr modular aufgebaut um möglichst einfach neue Lerninhalte zu laden. Dies funktioniert über eine webbasierte Anwendung, über die man Fragen, Instruktionen und visuelle Medien editieren und einfügen kann.
   
• Frage: Können wir ALETHA als Autorensystem verstehen, mit dem MR-Szenarien auch jenseits des Labors erstellt werden können?
  
  Antwort S.S.-F.: Ja genau, es könnte jeglicher Lerninhalt geladen werden, auch für ganze andere Umfelder jenseits des Labors!
   
• Frage: Gibt es einen Bezug der Mixed Reality im Laborunterricht zum späteren Berufsalltag?
  
  Antwort S.S.-F.: Wenn jemand in einem Labor arbeiten sollte später, dann absolut! Die Studenten stellen mittels AR einen Mikrofluidischen Chip her, den Sie am Ende testen , gemäss einer realistischen Anwendung.
   
• Frage: Wenn ein Bot dann "nur" Wikipedia vorliest - wo liegt der Mehrwehrt? Wie wird eine Didaktische Reduktion durchgeführt? Wie wird das Niveau sichergestellt? Wie kann da moderiert werden?
  
  Antwort S.S.-F.: Also zu einen wird ja nicht Wikipedia vorgelesen, sondern kurierte Lerninhalte durch verschiedene Medien gezielt kommuniziert. Zusammenhänge werden erklärt, durch Simulationen und Formeln visualisiert, basierend auf dem Lernprinzip der mutimedialen Repräsentation was zu verbessertem Verständnis führen soll. Das Niveau wird also vom Lehrenden sichergestellt und definiert. Die Fortschritte der Studierenden können vom Lehrenden live verfolgt werden und auch die Studierenden erhalten live Feedback, durch die Punkte, die sie sammeln bei richtigen Antworten und durch das Voranschreiten in der App beim erfolgreichen Abschluss einer Aufgabe.
   
• Frage: Wir benutzen es ein andere System und stellen beispielsweise altagsszenen naucn (z.B. bei unserem Ernährungswissenschaftlichen Studiengang, das vermitteln eines Diätplans), das funktioniert sehr gut und Studierenden bentutzen dies für die Prüfungsvorbereitung (Rollenspielprüfung)
  
  Antwort S.S.-F.: Das klingt auch sehr spannend! Vielen Dank für den Beitrag.
   
• Frage: @Frau Schürle-Finke, ist es nicht gerade wichtig, dass die Schülerinnen und Schüler Laborerfahrungen machen? Die Schwierigkeiten eines Laborexperiments sind Teil des Lernprozesses; den Einsatz von virtuellen Medien zu rechtfertigen, um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, scheint mir in die falsche Richtung zu gehen, indem man die Schüler glauben lässt, dass alles immer gut funktioniert... (und im weiteren Sinne, indem man Erwachsene glauben lässt, dass Wissenschaft einfach ist...). Die anderen Argumente, die Sie für virtuelle Labore anführen (Vermeidung von Gefahren, Möglichkeit, Dinge zu sehen, die für das bloße Auge unsichtbar sind), scheinen mir relevanter zu sein...
  
  Antwort S.S.-F.: Vielen Dank für diesen Kommentar. In der Tat ist es wichtig, dass die Studierenden Laborerfahrung sammeln, aber genau das ermöglicht ja AR im Gegensatz zu reinen VR. Ich sehe es sprichwörtlich als «the best of both worlds», indem wir in solch AR -gestütztem Unterricht, reale praktische Erfahrung mit theoretischen Lerninhalten sehr effektive überlagern können.
   

Die Referentin
Simone Schuerle, geboren 1985 in Ulm, Deutschland, ist Assistenzprofessorin an der ETH Zürich, Schweiz, wo sie das Responsive Biomedical System Lab leitet. Mit ihrem Team entwickelt sie diagnostische und therapeutische Systeme auf der Nano- und Mikroskala mit dem Ziel, eine Reihe anspruchsvoller Probleme in der Medizin zu lösen. Bevor sie diese Stelle antrat, forschte sie am MIT an Nanosensoren für die In-vivo-Tumorprofilierung sowie an Methoden zur drahtlosen Verbesserung des Medikamententransports (2014-2017). Sie hat mehrere Auszeichnungen erhalten, darunter den Prix Zonta 2019 für Frauen in der Wissenschaft sowie Stipendien des SNF, des DAAD und der Branco-Weiss-Stiftung, und wurde vom Weltwirtschaftsforum (WEF) für ihre wissenschaftlichen Beiträge zur Gesellschaft mit der Auszeichnung "Young Scientist" geehrt. Im Jahr 2014 war sie Mitbegründerin des Spin-offs MagnebotiX, das elektromagnetische Steuerungssysteme für die drahtlose Mikromanipulation anbietet. Sie promovierte 2013 an der ETHZ mit dem Schwerpunkt Mikrorobotik und erwarb einen Master in Wirtschaftsingenieurwesen mit dem Schwerpunkt Mikrosysteme und Nanotechnologie am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland.

Der Referent
Claus Beisbart wurde in München in Physik und Philosophie promoviert. Nach Stationen in Konstanz, Pittsburgh und Dortmund kam er 2012 an die Universität Bern, wo er ein Extraordinariat für Wissenschaftsphilosophie hat. Er beschäftigt sich mit computergestützten wissenschaftlichen Methoden, Philosophie der Physik und Grundlagen der Ethik.

Herr Beisbart erläuterte in seinem Videoinput, wie Computersimulationen nicht nur helfen, Prognosen abzugeben (Wetter), sondern auch Szenarien und Modelle abzubilden und Handlungsspielräume zu schaffen (COVID-19) sowie das Verstehen durch Vernetzen zu fördern. Er wies aber auch auf Stolperstellen hin, wie beispielsweise die Gefahr, Simulation und Realität zu verwechseln.

FRAGE

Vorerst danke ich herzlichst für diesen äusserst spannenden Input. Im Referat wird festgehalten, dass es wichtig ist, dass mit einer Computersimulation die Wirklichkeit gut abgebildet wird. Aber ebenso wichtig ist, dass bei der Arbeit an Computersimulationen nie vergessen geht, dass es sich um Modelle handelt. Gemäss Prof. Dr. Beisbart können sogar Wissenschafter Gefahr laufen, im Modell gefangen zu bleiben, weil sie von dessen Aussagekraft zu sehr überzeugt sind. Erst recht dürfte es für viele im kritischen Denken weniger Geübte ein Problem werden, aus den virtuellen Realitäten, in denen sie sich bewegen (z.B. beim Gamen) und die mit Metaverse noch perfekter werden, in die physische Realität zurückzufinden (Gefahr der Flucht in virtuelle Welten).

Was heisst dies für die Didaktik (und Methodik) beim Einsatz von Computersimulationen? Erhält diese in Forschung und Lehre an den Hochschulen das nötige Gewicht? Inwiefern befasst sich auch die Ethik – in Forschung und Lehre – mit diesem speziellen Aspekt?

Konkret müsste beim Einsatz von Computersimulationen im Blick bleiben, was eine bestimmte Anwendung in Bezug auf eine klare Zielsetzung leisten kann und was nicht. Zentral dabei ist, dass stets präsent sein muss, dass es im realen Leben keinen Resetknopf gibt. Nicht im Flugsimulator, aber in der physischen Welt stürzt das Flugzeug nur einmal ab, mit tödlichen Folgen. Digitale Labors sind viel kostengünstiger und ermöglichen gefahrlos viele Experimente, das Labor in der realen Welt explodiert auch nur einmal.

Die Grenzen von Computersimulationen werden bei allen irreversiblen Prozessen deutlich. Dies betrifft insbesondere Anwendungen im sozialen und gesellschaftlichen Bereich (z.B. historische Entwicklungen). Wird diesen Aspekten in der Didaktik genügend Rechnung getragen?

ANTWORT

Vielen herzlichen Dank für diese interessante und wichtige Frage!

Wie Sie andeuten, kommt es bei Computersimulationen auf die Zielsetzung an. Es gibt Computersimulationen (und natürlich auch Computerspiele), die bewusst Szenarien entwickeln, die nicht als real oder realistisch eingestuft werden. Bei wissenschaftlichen Simulationen dieser Art geht es oft darum zu untersuchen, was bestimmte Modelle vorhersagen, auch wenn sie gar nicht realistisch sind. In den Computerspielen wird den Spielenden die Möglichkeit gegeben, sich in einer Welt auszutoben, die unserer nicht besonders ähnlich ist. Bei Computeranwendungen dieser Art erscheint mir eine Verwechslung der vorgespielten Welt mit der wirklichen unwahrscheinlich, weil der kontrafaktische Charakter der Simulation wesentlich und daher auch bewusst ist. Eine Ausnahme besteht vielleicht bei kleinen Kindern, die sich einen signifikanten Anteil ihrer Zeit mit solchen Computeranwendungen beschäftigen.

Andere Computersimulationen sollen ein bestimmtes reales System wie die Atmosphäre der Erde möglichst realistisch darstellen. Die empirischen Ergebnisse, die ich genannt habe, beziehen sich auf solche Simulationen: Forschende, die sich viel mit den Simulationen beschäftigen, vertrauen diesen und halten Daten, die mit den Simulationsergebnissen nicht vereinbar sind, der Tendenz nach für problematisch. Hier besteht also schon die Gefahr, dass die wirkliche und die simulierte Welt verwechselt wird. Allerdings ist das kein Problem, wenn die Simulationen gut validiert sind, also den untersuchten Ausschnitt aus der Realität annähernd richtig wiedergeben. Ausserdem ist wenigstens Forschenden, die in der Modellierung arbeiten, klar, dass Simulationen und Modelle die Realität meist nur in spezifischen Hinsichten repräsentieren und nicht in anderen. So werden Raum und Zeit in Simulationen oft in diskrete Teile zerlegt, denn die kontinuierlich fliessende Zeit lässt sich auf dem Computer nicht adäquat darstellen. Deswegen denken Forschende, die an Computersimulationen arbeiten, aber nicht, die Zeit fliesse nicht kontinuierlich.

Die Frage hebt nun auf eine allgemeine Disanalogie zwischen Simulationen und der Realität ab: In der Realität gibt es einmalige Ereignisse, und Prozesse, die sich nicht umkehren lassen. In einer Simulation kann man aber auch einen einmaligen Prozess mehrmals simulieren; Prozesse lassen sich umkehren; eine Simulation, in der ein Desaster simuliert wird, kann immer wieder neu laufen gelassen werden. Damit besteht die Gefahr, dass Menschen, die sich viel mit Simulationen beschäftigen, der Sinn verlorengeht, dass Ereignisse einmalig und dass bestimmte Prozesse unumkehrbar sind. Wie in der Frage angedeutet, denken sie dann vielleicht, sie könnten auch in der Realität einfach den Reset-Knopf drücken. Das wäre natürlich äusserst gefährlich.

Wie gross diese Gefahr ist (und übrigens auch, wie effektiv die Computersimulation in unterschiedlichen Kontexten der Lehre ist), muss letztlich empirisch untersucht werden. Es wird sicher von diversen Faktoren abhängen, wie der Zeit, die Menschen am Computer verbringen, oder ob sie sich theoretisch mit Simulationen beschäftigt haben. In der Didaktik werden solche Fragen durchaus untersucht; eine ältere Arbeit, die darauf eingeht, ist Ronen & Eliahu (1999). Mir ist aber keine Arbeit bekannt, welche die Frage umfassend beantwortet.

Solche Fragen sind auch ganz zentral für die Ethik der Computersimulation. Dazu gibt es erste Ansätze, etwa von Brey (1999), Williamson (2010) und Chalmers (2017). Eine Frage, die dort gestellt wird, lautet, welche ethische Bedeutsamkeit Verbrechen in der virtuellen Welt haben. Allerdings ist die Computersimulation bisher nur sehr wenig ethisch untersucht worden – weniger als etwa das maschinelle Lernen. Insofern weisen Sie auf ein wichtiges Problemfeld hin, das genauer untersucht werden sollte!

1. Brey, P. (1999). The ethics of representation and action in virtual reality. Ethics and Information Technology 1 (1), 5-14.
2. Ronen, M., & Eliahu, M. (1999). Simulation as a home learning environment—Students’ views. Journal of Computer Assisted Learning 15 (4), 258-268.
3. Shults, F. L., Wildman, W. J. (2019). Ethics, Computer Simulation, and the Future of Humanity. In: Diallo, S., Wildman, W., Shults, F., Tolk, A. (eds.) Human Simulation: Perspectives, Insights, and Applications. New Approaches to the Scientific Study of Religion, vol 7. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-17090-5_2
4. Williamson, T. J. (2010). Predicting building performance: the ethics of computer simulation, Building Research & Information 38 (4), 401-410, DOI: 10.1080/09613218.2010.481204

Mit Hilfe von Systemoptimierung und Big Data treibt Menon Skills AG den Wandel von beurteilungs- zu kompetenzorientiertem Unterricht radikal voran, indem ein Ökosystem (digitaler) Instrumente zur Verfügung gestellt wird. Im Kern dieses Ökosystems ist das kontinuierliche, mehrperspektivische Feedback, das intersubjektive Urteile ermöglicht.

Der Kanton Zug, Fachhochschule Nordwestschweiz und die Menon Skills AG haben Innovation bewiesen. Insgesamt bietet das Projekt viel Potenzial, um Lehrkräften dabei unterstützt, die Leistung von Lernenden zu bewerten.

Der Referent
Flavio Carrera ist Mitgründer der Menon Skills AG, die die Vision verfolgt, Potenziale und Talente von Menschen offenzulegen und zu fördern. Carrera, Träger des gelb-orangenen Judo-Gürtels, studierte Philosophie und Biologie an den Universitäten Bern und Valladolid und absolvierte das Lehrdiplom für Maturitätsschulen im Fach Philosophie, die er nach wie vor leidenschaftlich gern unterrichtet. Neben seiner Passion für die Schulentwicklung widmet er sich in seiner Freizeit der Kochkunst ohne Koriander und geniesst Bücher.

Wir alle neigen dazu, die Zukunft zu unterschätzen, ihr weniger Bedeutung beizumessen und vor allem zu glauben, dass sich die Entscheidungen, die sich auf die Zukunft beziehen, alle am fernen Ende des Zeithorizonts ansammeln.

Aber nichts ist weniger falsch, viele Entscheidungen während des Studiums müssen jetzt getroffen werden, um sich in der Zukunft (z. B. im Job) auszuwirken. Heute müssen wir uns auf diese Veränderungen vorbereiten, aber vor allem müssen wir uns darauf vorbereiten, alle Chancen zu nutzen, die sich durch die Veränderungen, die dieser Übergang mit sich bringt, ergeben werden.

Die Referentin:
Isabelle Chappuis ist ausgebildete Wirtschaftswissenschaftlerin, Weiterbildungsexpertin, Futuristin und Autorin und beschäftigt sich mit der Zukunft der Arbeit und dem Platz des Menschen darin. Nach verschiedenen Führungspositionen im Bereich der Weiterbildung bei der UNIL ist sie heute Direktorin des Swiss Center for Positive Futures an der HEC-Fakultät, die sie an der Universität Lausanne mit gegründet hat. Sie ist Mitautorin des Buches "HR Futures 2030 – A Design for Future-Ready Human Resources".