HandLeVR - Handlungsorientiertes Lernen in der VR-Lackierwerkstatt

Projektlogo HandLeVR

Das Projekt HandLeVR greift das Prinzip des handlungsorientierten Lernens zum Aufbau von beruflicher Handlungskompetenz auf und entwickelt eine Virtual Reality (VR)-Anwendung zum Erlernen von Kfz-Lackierarbeiten. Gleichzeitig wird der Beitrag von VR-Technologien zum Kompetenzaufbau in der beruflichen Bildung didaktisch und technisch untersucht, systematisiert und implementiert.

Im Sinne der Kompetenzorientierung in der Berufsbildung sind handlungsorientierte Lerneinheiten gefordert, die durch den ergänzenden Einsatz von VR-Technologien potenziell gefördert werden können. Vor diesem Hintergrund untersucht das Projekt HandLeVR, an dem die Zentralstelle für die Weiterbildung im Handwerk (ZWH e. V.), die Universität Duisburg-Essen sowie die Universität Potsdam (Projektleitung) beteiligt sind, drei zentrale Fragestellungen zum Einsatz von VR-Szenarien in der beruflichen Aus- und Weiterbildung:

  1. Welchen konkreten Beitrag bieten VR-Technologien, um handlungsorientiertes Lernen in der Berufsausbildung zu ermöglichen?
  2. Wie können diese Technologien mediendidaktisch aufbereitet werden, um entsprechende Lernerfolge sicherzustellen?
  3. Was sind die Erfolgsfaktoren für die Verankerung dieser Technologien in der beruflichen Aus- und Weiterbildung?

Methodisch wurde der Ansatz des "Design-Based Research" (DBR) gewählt, um diese theoretischen Fragestellungen mit dem praktischen Ziel der Optimierung der Ausbildung zum/r Fahrzeuglackierer/in zu vereinen. Dabei entsteht seit dem Projektstart im Januar 2019 eine VR-Lackierwerkstatt, die das Erlernen verschiedener Techniken zum Anbringen einzelner Lackschichten auf Kfz-Werkstücken durch Auszubildende ermöglicht und gleichzeitig als Untersuchungsgestand fungiert.

Die VR-Lackierwerkstatt besteht aus drei Hauptkomponenten:

  1. Einem Autorenwerkzeug für Ausbildende und Dozierende (zur Vorbereitung konkreter Lernaufgaben)
  2. Einer VR-Trainingsanwendung (die Lackierwerkstatt) für Auszubildende (zum Training und zur Qualitätskontrolle von Farbaufträgen auf Werkstücken)
  3. Einer Reflexionsanwendung zur Auswertung von Lernaktivitäten (entweder gemeinsam mit anderen Auszubildenden oder mit den Ausbildenden bzw. Dozierenden)
Grafische Darstellung der 3 Hauptkomponenten von HandLeVR
Die drei Hauptkomponenten der VR-Lackierwerkstatt (v.li.): Autorenwerkzeug, VR-Trainingsanwendung und Reflexionsanwendung.

Das Projekt HandLeVR hat nach der Hälfte der insgesamt dreijährigen Laufzeit die ersten Meilensteine erreicht: So liegen bereits erste Prototypen der Trainingsanwendung (mit definierten Lernaufgaben) sowie des Autorentools vor. Diese werden kontinuierlich von und mit den Lehrenden der Erprobungspartner (Mercedes- Benz Ludwigsfelde GmbH / Bildungszentren der Handwerkskammern) evaluiert, diskutiert und weiterentwickelt. Daneben sind im Projekt diverse Gamification-Elemente geplant.

Vorteile der VR-Lackierwerkstatt in der Ausbildung

In den Rahmenlehrplänen für die Ausbildung zum/zur Fahrzeuglackierer/in wird die Entwicklung beruflicher Handlungskompetenz als das zentrale Prinzip beschrieben. Dies wird in der VR-Lackierwerkstatt adressiert. Dazu sind vor allem handlungsorientiere Lerneinheiten mit Lernfortschrittskontrollen erforderlich. In der aktuellen Ausbildungsrealität stehen der Umsetzung dieses Ziels jedoch verschiedene Hemmnisse im Weg: Hier sind insbesondere die Umweltverschmutzung durch schadstoffhaltige Lacke, Kostenintensität durch teure Lacke und Werkstücke, Gesundheitsgefahr durch schädliche Dämpfe sowie die Verzögerungszeiten durch Lacktrocknung zu nennen. Dies führt dazu, dass im Rahmen der Ausbildung häufig nicht in dem Maße geübt werden kann, wie es eigentlich sinnvoll und notwendig wäre.

Mit der VR-Lackierwerkstatt können grundlegende Handlungskompetenzen für den Lackiervorgang - bei gleichzeitiger Eliminierung der beschriebenen nachteiligen Faktoren - erworben werden. Darüber hinaus stehen auch in qualitativer Hinsicht weitere Übungsmöglichkeiten zur Verfügung, indem z.B. auch mit ansonsten eher seltenen und schwer zu beschaffenden Werkstücken geübt werden kann.

Daneben zeichnet sich die VR-Lackierwerkstatt durch einen ganzheitlichen Ansatz aus, indem nicht nur der eigentliche Lackiervorgang und die damit verbundenen Fertigkeiten in authentischen Situationen geübt werden können, sondern auch die für die Ausführung eines kompletten Kundenauftrags wichtigen Wissens- und Einstellungsaspekte vermittelt werden können.

Screenshot der 3D-Anwendung VR-Lackierwerkstatt des Projekts HandLeVR
Virtual Reality (VR)-Technologie bietet das Potenzial, praxis- und arbeitsplatznahes Lernen in der beruflichen Aus- und Weiterbildung zu verbessern.

Wie nah an der Realität ist ein virtueller Lackiervorgang?

Die bisher durchgeführten Evaluierungen haben gezeigt, dass der virtuelle Lackiervorgang, wie er durch die VR-Lackierwerkstatt abgebildet wird, von den Probanden als sehr realitätsnah bewertet wird.

In die Konzeption der VR-Anwendung wurden die für den Lackiervorgang wichtigen Parameter wie z.B. der richtige Abstand zum Werkstück, die Lackdicke und die korrekte Haltung der Lackierpistole miteinbezogen. Außerdem ist die Auswahl verschiedener Werkstücke sowie verschiedener Lackarten möglich, was die realistische Simulation tatsächlicher Kundenaufträge ermöglicht und damit der Anwendung zusätzlich Authentizität verleiht.

Auch bei der Hardware wird auf größtmögliche Authentizität geachtet, indem eine nachgebaute Lackierpistole als Eingabegerät verwendet wird. Der Nachbau erfolgt unter Verwendung eines Modells aus dem 3D-Druck - in Kombination mit einem Tracker (z.B. Vive Tracker) oder einem VR-Controller (z.B. für Oculus Quest).

Kann die VR-Lackierwerkstatt den Erfolg eines Lackiervorgangs messen?

Die Lernenden können den virtuellen Lackiervorgang unmittelbar auswerten lassen. Die Auswertungsoptionen der VR-Lackierwerkstatt beinhalten unter anderem eine Rückmeldung zur möglichen Lackverschwendung (in Prozent) sowie der Lackverteilung auf dem Werkstück. Über eine "Heatmap" wird den Lernenden in verschiedenen Farben angezeigt, an welcher Stelle zu viel oder zu wenig Lack aufgetragen wurde und wo die Schichtdicke den Vorgaben entspricht. Außerdem stellt die Anwendung Farbläufer dar, um auch einen übermäßigen Lackauftrag an einer Stelle zu kennzeichnen.

In der Weiterentwicklung wird aktuell daran gearbeitet, mehrere aufeinanderfolgende Spritzgänge in die Auswertung miteinzubeziehen.

Welches didaktische Konzept liegt der VR-Lackierwerkstatt zugrunde?

Der VR-Lackierwerkstatt liegt das 4C/ID Modell nach Merriënboer et al. 2002 zugrunde. Es dient der Konzeption von Lernangeboten zur Vermittlung komplexer kognitiver Fähigkeiten und basiert auf Theorien der Lernpsychologie und Informationsverarbeitung sowie auf Ansätzen des "Instructional Designs".

Mit Hilfe des Modells können Inhalte strukturiert und für unterschiedliche Lernniveaus aufbereitet werden. Dazu werden die Lernaufgaben in mehreren Stufen mit unterschiedlichen Schwierigkeitsgraden aufbereitet. Zusätzliche unterstützende Informationen zur Bearbeitung der Lernaufgabe werden an das Niveau angepasst.

Das 4C/ID Modell geht von vier Komponenten aus, welche die Gestaltung des VR-Lernszenarios in der VR-Lackierwerkstatt grundlegend bestimmen:

  1. Lernaufgaben, die authentisch und realistisch sind und auf den Erwerb von Wissen, Fertigkeiten und Einstellungen abzielen. Lernaufgaben weisen eine große Variabilität in Komplexität und Kontext auf.
  2. Zusätzliche Informationen über nicht automatisierte Handlungen zur Problemlösung oder Beurteilung, die permanent verfügbar sind.
  3. Prozedurale Informationen für automatisierte Handlungen, die just-in-time angeboten werden, d.h. wenn sie benötigt werden.
  4. Übungen von Teilaufgaben, die als zusätzliches Lernangebote für stark routinierte Aufgabenaspekte angeboten werden.
Aufgeklappter Laptop mit Logo HandLeVR auf Bildschirm. Daneben liegt VR-Datenbrille
Didaktisch basiert die VR-Lackierwerkstatt auf Theorien der Lernpsychologie und Informationsverarbeitung sowie auf Ansätzen des "Instructional Designs".

Funktionen des Autorentools der VR-Lackierwerkstatt

Mit dem Autorentool können die Lehrenden unter Verwendung entsprechender Templates selbst Lernaufgaben erstellen und sie an die konkreten Erfordernisse des Unterrichts und der aktuellen Lernsituation anpassen.

Das Autorenwerkzeug wird als Modul des gesamten Lernsystems entwickelt und durch Ausbildende bzw. die ausbildende Institution genutzt, um das allgemeine Szenario (Auftrag von Lacken auf Werkstücken) zu konkretisieren.

Das Autorenwerkzeug wird unter anderem die Einbindung fertiger Vorlagen für konkrete Lerneinheiten und 3D-Modelle, die Erstellung neuer Lerneinheiten sowie die Verknüpfung von Lerneinheiten ermöglichen. Neben der Anpassung und Erstellung von Instruktionen und Messparametern wird das Autorensystem auch das Importieren konkreter 3D-Modelle für Werkstücke unterstützen. Eine Grundmenge ausbildungsrelevanter Werkstücke wird zudem bereits vorliegen.

Wie sehen die Einsatzszenarien in der VR-Lackierwerkstatt aus?

Zum Projektende (Dezember 2021) wird ein niederschwelliger Zugang zu den entstehenden Bildungsressourcen mit einer Open Source- und OER-Veröffentlichung der Projektergebnisse angestrebt. Ebenso wird für den Einsatz der VR-Trainingsanwendung ein marktübliches VR-Equipment benötigt, das auch für weitere VR-Lernszenarien eingesetzt werden kann. Außerdem soll der Nachbau einer Lackierpistole als VR-Controller unter Verwendung von 3D-Druck in Eigenleistung ermöglicht werden.

In der didaktischen Umsetzung der VR-Lackierwerkstatt werden die Inhalte mit den Rahmenlehrplänen der Berufsausbildung sowie mit Lehrenden aus der Praxis abgestimmt. Dies erleichtert einen ergänzenden Einsatz der Lernlösung im Unterricht. Die VR-Lackierwerkstatt soll zunächst in den überbetrieblichen Bildungsstätten der Handwerkskammern zum Einsatz kommen. Dabei soll die Anwendung in den Unterricht integriert und als Ergänzung zum realen Lackieren genutzt werden. Im Rahmen dessen sind unterschiedliche Einsatzszenarien denkbar, die gemeinsam mit den Lehrenden entwickelt werden. Für den Einsatz im Unterricht wird auch die Reflexionsanwendung eine wichtige Rolle spielen. Durch die gespeicherten Messparameter kann die Lernleistung zusammen mit den Ausbildenden sowie anderen Auszubildenden ausgewertet und analysiert werden.

Durch das offene Konzept der VR-Lackierwerkstatt sind weitere Betriebs- und Zugangsmöglichkeiten für Auszubildende im Bereich Fahrzeuglackierung in Ausbildungsbetrieben oder anderen Institutionen der beruflichen Aus- und Weiterbildung möglich.

Weitere Verwertung der Projektergebnisse möglich

Neben wichtigen Forschungserkenntnissen zur Wirksamkeit von VR-Technologien in der beruflichen Bildung entsteht im Projekt ein didaktisches Konzept, welches in der Entwicklung anderer Lernanwendungen im Bereich VR angewendet werden kann.

Darüber hinaus werden in Zusammenarbeit mit den Berufsbildungszentren gewerkeübergreifende Transferpotentiale der VR-Lackierwerkstatt untersucht. Diese liegen insbesondere im Berufsbild der Maler/innen, aber auch im Tischlerhandwerk werden Lackiertechniken verwendet. Zuletzt werden Erfolgs- und Akzeptanzkriterien für den späteren Einsatz der VR-Lackierwerkstatt ermittelt. Die Ergebnisse werden in ein allgemeines Schulungs- und Beratungskonzept einfließen.

Ausblick auf die zweite Hälfte der Projektlaufzeit

Neben der kontinuierlichen Weiterentwicklung der VR-Lackierwerkstatt durch die Projektpartner, die Lehrenden des Anwendungsbetriebs sowie der beteiligten Bildungszentren gibt es, zur Untersuchung der Forschungsfragen sowie zur Analyse der Erfolgsfaktoren, zusätzlich zwei Evaluierungszyklen mit Auszubildenden. Die erste Evaluierungsphase hat im Bildungszentrum des Anwendungsbetriebs Mercedes- Benz in Ludwigsfelde im Juni 2020 stattgefunden.

Bei der Evaluierung kommen verschiedene Instrumente zum Einsatz, die für die Fragestellungen der Teilprojekte entwickelt worden sind. Die gewonnenen Erkenntnisse aus der Evaluierung mit den Auszubildenden fließen in die Weiterentwicklung des Prototyps für die zweite Evaluierungsphase mit ein. Diese ist für das letzte Projektjahr (2021) geplant und wird neben den bestehenden Fragestellungen noch die gewerkeübergreifende Transferierbarkeit der VR-Lackierwerkstatt beinhalten.

Darüber hinaus wurden Experteninterviews mit Dozierenden der Bildungszentren der Handwerkskammern geführt, die vor allem der Untersuchung der Rahmenbedingungen in den Bildungszentren dienen, um eine spätere erfolgreiche Implementierung der Anwendung zu gewährleisten.

Hinweis: Das Projekt HandLeVR bietet am 26. November 2020 einen Online-Workshop im Rahmen des Formats "Roadshow-Online" an (Save-the-Date). Weitere Informationen und Termine zu den Workshops des Formats "Roadshow-Online" finden Sie hier.

Grafik: HandLeVR