Begreifbare, interaktive Experimente: Praxis und Theorie im MINT-Studium verbinden

Projekt

Motivation

In den MINT-Fächern (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technikwissenschaften) herrscht ein großer Bedarf an Fachkräften. Hinzu kommt, dass gerade hier die Quote der Studienabbrüche besonders hoch ist. Daher ist es notwendig, junge Menschen langfristig für ein MINT-Studium zu begeistern und komplexe Lernstoffe möglichst anschaulich darzubieten.

Ziele und Vorgehen

Hier setzt das Projekt „Be-greifen“ an: Theoretische Grundlagen naturwissenschaftlicher Experimente sollen mit neuen Interaktionsformen erfahrbar und begreifbar gemacht werden. Ziel des Projekts sind innovative Interaktionsmethoden durch die Integration digitaler Informationen in die reale Welt. Mit Hilfe von interaktiven Experimenten sollen physikalische Zusammenhänge für Lernende in der universitären MINT-Ausbildung besser verständlich gemacht werden. Physikalische Grundlagen der Mechanik und Thermodynamik, wie beispielsweise die Schwingungseigenschaften eines Fadenpendels sollen in Echtzeit interaktiv erforschbar sein. Dabei erfolgt eine dynamische Anpassung der Interaktion an den Wissensstand, eine direkte Rückspiegelung des Lernfortschritts sowie eine adaptive Anpassung des Systems auf Basis der Interaktion der Lernenden mit dem System.

Innovationen und Perspektiven

Im Projekt werden anfassbare, manipulierbare Objekte („Tangibles“) mit Technologien zur erweiterten Realität („Augmented Reality“) kombiniert, um intuitive Nutzerschnittstellen umzusetzen. Mit Hilfe dieser interaktiven Experimente wird es möglich, den Lernprozess im MINT-Studium aktiv zu unterstützen und Lernenden theoretische Inhalte der Physik praktisch zu veranschaulichen.

Partner

DFKI GmbH [Webseite]

Das DFKI mit den Standorten Kaiserslautern, Saarbrücken, Bremen (mit Außenstelle Osnabrück) und einem Projektbüro in Berlin ist auf dem Gebiet innovativer Softwaretechnologien die führende Forschungseinrichtung in Deutschland. In der internationalen Wissenschaftswelt zählt das DFKI zu den wichtigsten „Centers of Excellence“ und ist derzeit gemessen an Mitarbeiterzahl und Drittmittelvolumen das weltweit größte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz und deren Anwendungen. Das Finanzvolumen lag 2017 bei 45,9 Millionen Euro. DFKI-Projekte adressieren das gesamte Spektrum von der anwendungsorientierten Grundlagenforschung bis zur markt- und kundenorientierten Entwicklung von Produktfunktionen. Aktuell forschen ca. 540 Mitarbeiter aus ca. 60 Nationen an innovativen Software-Lösungen mit den inhaltlichen Schwerpunkten Smarte Daten & Wissensdienste, Cyber-Physical Systems, Multilinguale Technologien, Planbasierte Robotersteuerung, Educational Technologies, Interaktive Textilien, Robotik, Innovative Retail, Wirtschaftsinformatik, Eingebettete Intelligenz, Smart Service Engineering, Intelligente Analytik für Massendaten, Intelligente Netze, Agenten und Simulierte Realität, Erweiterte Realität, Sprachtechnologie, Intelligente Benutzerschnittstellen und Innovative Fabriksysteme. Der Erfolg: ca. 100 Professoren und Professorinnen aus den eigenen Reihen und mehr als 80 Spin-off-Unternehmen mit ca. 2.500 hochqualifizierten Arbeitsplätzen.

Technische Universität Kaiserslautern [Webseite]

Die TU Kaiserslautern ist die einzige technisch-ingenieurwissenschaftlich ausgerichtete Universität in Rheinland-Pfalz. Die Arbeitsgruppe Didaktik der Physik befasst sich dabei seit mehr als sechs Jahren mit dem Bereich „Lehren und Lernen mit digitalen Medien in MINT-Fächern von Schule und Hochschule“. Die Gruppe forscht zum Einsatz von Wearable Technology-Enhanced Learning –Ansätzen mit mobilen, digitalen Medien (wie Smartphone oder Tablet-PC) und AR-Smartglasses (wie Google Glass oder Microsoft HoloLens) und ist darin im MINT-Bildungsbereich national und international eine der führenden Arbeitsgruppen. Sie vertritt im Konsortium zusammen mit dem Projektpartner studio klv sowie den assoziierten Partner PHYWE, Westermann Verlagsgruppe und Springer Science+Business Media S.A. die Kompetenz im didaktischen Bereich und ist dabei primär für die Entwicklung des didaktisch-kognitionspsychologischen Konzeptes auf der Basis der heutigen universitären Lehr-Lern-Praxis unter Berücksichtigung relevanter kognitiver Aspekte zuständig. Auch die Evaluation des didaktischen Nutzens im Unterrichtskontext liegt primär in der Verantwortung der TU Kaiserslautern.

studio klv GmbH & Co. KG [Webseite]

studio klv ist ein interdisziplinäres Beratungs- und Kreativbüro und entwickeln in enger Zusammenarbeit mit unseren Auftraggebern interaktive Ausstellungen, Science Center, Markenwelten und Besucherzentren. Wir erforschen neue Medien und Bildungsansätze sowie ihre Anwendungsmöglichkeiten in Ausstellungen und Besucherzentren. Forschungsvorhaben führen wir in Kooperation mit Hochschulen, Forschungsinstituten und Unternehmen durch. Dabei entwickeln wir prototypische Formen der Kommunikation und Interaktion im Hinblick auf eine „Participative Scientific Society“.
Interaktion und Interfaces: Als wirkungsmächtiges Instrument setzen wir stets auf interaktive Erlebnisse. Die Erforschung neuer Interaktionsformen und innovativer Interfaces für die Mensch-Technik-Interaktion steht dabei im Mittelpunkt unserer Entwicklungsarbeit.
Augmented Reality: Eine große Chance für zahlreiche Bildungszusammenhänge bildet die interaktive Anreicherung der Realität mit unterschiedlichsten Informationen. Dazu entwickeln wir Erlebnisse mit verschiedenen technischen Anwendungen wie Google Glass oder Microsoft HoloLens.

Universität Stuttgart [Webseite]

Institut für Philosophie

In diesem Projekt untersuchen wir als Lehrstuhl für Wissenschaftstheorie und Technikphilosophie des Instituts für Philosophie der Universität Stuttgart zwei Themen des Augmented Learning mit Hilfe von Smart Glasses (ALSG) aus ethischer und sozialer Sicht: Erstens die Implikationen für informationelle und dezisionale Privatheit: ALSG wirft nicht nur Probleme hinsichtlich des Datenschutzes und informationeller Privatheit auf, sondern darüber hinaus auch Fragen der dezisionalen Privatheit im Sinne der Möglichkeit eines autonomen und explorativen Lernens, wenn die Aufmerksamkeit der Lernenden durch die Fokussierung auf bestimmte Aspekte der Lernumgebung gelenkt wird. Zweitens untersuchen wir, ob und inwieweit ALSG einen weiteren Schritt auf dem Weg vom reinen Erwerb enzyklopädischen Wissens hin zu einem Anwendungswissen im Bereich der akademischen Wissensvermittlung darstellt. Die Frage ist hier, ob und inwieweit die intuitiv zugänglichen Visualisierungen die Lerninhalte auf eine andere Art und Weise begriffen werden, die der späteren Anwendung dieses Wissens – sowohl in akademischen, wie auch nicht-akademischen Kontexten – zuträglich sind.

Institut für Visualisierung und interaktive Systeme

Das Institut für Visualisierung und interaktive Systeme (VIS) an der Universität Stuttgart ist für seine Expertise im Bereich der multimodalen Interaktion mit mobilen und eingebetteten Systemen bekannt. Zum Portfolio der Wissenschaftler von VIS gehören die Konzeption und Umsetzung von Prototypen neuer Benutzungsschnittstellen und die Entwicklung von multimodalen Interaktionskonzepten für die Zukunft.
Unsere Aufgaben im Projekt decken den gesamten Mensch-zentrierten Entwicklungszyklus ab.Wir verfolgen einen Benutzerzentrierte Vorgehensweisen zur Erfassung von Anforderungen neuartiger Lern- und Lehrsysteme durch umfassende Analysen aktueller Systeme und Vorgehensweisen wie auch durch die Interaktion mit Benutzern. Daraus entwickeln wir kreative und konstruktive Ansätze zur Konzeption und Umsetzung neuer interaktiver Lernsysteme für Labor und Alltagsumgebung unter Einbeziehung von neuartigen Augmented Reality Systemen. Diese neuen Systemen werden im Kontext der Universitären Lehre und in Museen empirisch und experimentell validiert.

xCon Partners GmbH [Webseite]

Ubimax bietet alles aus einer Hand – Augmented Reality Software, Wearable Computing Geräte, Konfigurationsdienstleistungen sowie Support. Das Unternehmen wurde 2011 unter dem Namen xCon Partners gegründet. Mit Niederlassungen in Deutschland, den USA und Mexiko betreut Ubimax heute mehr als 200 Unternehmen weltweit.
Im Projekt übernimmt Ubimax (xCon Partners) die Integration des Systems, insbesondere der Wearable Komponente. Außerdem wird Ubimax (xCon Partners) die entwickelten Lösungen mit der von Ubimax entwickelten Plattform integrieren und somit zum einen die Nutzung bestehender Features ermöglichen und zum anderen sicherstellen, dass die Demonstratoren im Anschluss an das Projekt hin zur Marktreife entwickelt werden können.

Embedded Systems Academy GmbH [Webseite]

Die Embedded Systems Academy GmbH (EmSA) mit Sitz in Barsinghausen ist ein Consultingunternehmen mit dem Schwerpunkt „Eingebettete Systeme“. Im Produktbereich bietet EmSA Softwarelösungen für die Implementierung und Analyse verschiedener maschinennaher Netzwerkprotokolle wie CANopen und SAE J1939 und für Softwareupdates der daran beteiligten Module an. Zunehmend kommen dabei Sicherheitslösungen zum Einsatz. Zusammen mit Partnern werden auch Hardwareentwicklungen in diesem Bereich unterstützt und durch Softwareentwicklungen ergänzt.
Für das Be-Greifen Projekt untersucht EmSA den möglichen Einsatz von Virtual Reality bei der Hardwareentwicklung und Diagnose, wie zum Beispiel die Anzeige von Oszilloskop-Messdaten oder die Visualisierung von inneren Bahnen in einer Leiterplatte direkt im Sichtfeld des Technikers.

Publikationen

Strzys, M. P., Kapp, S., Thees, M., Klein, P., Lukowicz, P., Knierim, P., Schmidt, A., and Kuhn, J.
"Physics holo.lab learning experience: using smartglasses for augmented reality labwork to foster the concepts of heat conduction."
European Journal of Physics, 2018

Strzys, M. P., Thees, M., Kapp, S., Klein, P., Knierim, P., Schmidt, A., Lukowicz, P., and Kuhn, J.
"Smartglasses as assistive tools for undergraduate and introductory STEM laboratory courses."
Perspectives on Wearable Enhanced Learning: Current Trends, Research and Practice, Springer, 2018

J. Rambach, A. Pagani and D. Stricker
"Augmented Things: Enhancing AR Applications leveraging the Internet of Things and Universal 3D Object Tracking"
2017 IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR-Adjunct), Nantes, 2017, pp. 103-108.

Strzys, M. P., Kapp, S., Thees, M., Kuhn, J., Lukowicz, P., Knierim, P., and Schmidt, A.
"Augmenting the thermal flux experiment: A mixed reality approach with the hololens."
The Physics Teacher, 2017, 55(6):376.

Loh, W.
"A practice–theoretical account of privacy."
Ethics and Information Technology (2018): 1-15.

Projektinformationen

Verbundkoordinator

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, Kaiserslautern

Volumen

2,21 Mio. € (davon 81 % Förderanteil durch BMBF)

Laufzeit

07/2016 - 06/2019

Bekanntmahchung

Erfahrbares Leben

Kontakt

Ansprechpartner

Prof. Dr. Paul Lukowicz
Tel: +49 (0)631/205 75 - 4010
Email: fbei-sek@dfki.de

Postanschrift

Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI)
Forschungsbereich: Eingebettete Intelligenz
Prof. Dr. Paul Lukowicz
Trippstadter Straße 122
67663 Kaiserslautern

Impressum

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, DFKI, Standort Kaiserslautern
Trippstadter Straße 122
D-67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 (0)631 / 205 75 0
Telefax: +49 (0)631 / 205 75 5030
E-Mail: info@dfki.de

Vertretungsberechtigte Geschäftsführer
Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Wolfgang Wahlster (Vorsitzender),
Dr. Walter Olthoff

Vorsitzender des Aufsichtsrates
Prof. Dr. h.c. Hans A. Aukes

Registergericht: Amtsgericht Kaiserslautern
Registernummer: HRB 2313

ID-Nummer: DE 148 646 973

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