Ansatz zur Konzeptionierung und Implementierung von Virtual Reality in Lernfabriken

Foto: Virtual Reality Lernfabrik; © Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), TU Darmstadt

Thomas Riemann, Joachim Metternich

Lernfabriken sind bereits in ihrer physischen Ausgestaltung ein komplexes und kostenintensives Instrument der beruflichen Weiterbildung und Forschung. Doch trotz der heute verfügbaren hochwertigen Lernfabrik-Konzepte macht die Komplexität der industriellen Produktionsumgebung den Transfer der angestrebten Kompetenzen in den betrieblichen Alltag zu einer anspruchsvollen Aufgabe. Mit Virtual Reality (VR) kann dieser Herausforderung begegnet werden, indem die Lernumgebung adaptiert und das Lernszenario sowie der Lernprozess auf die jeweiligen Teilnehmenden personalisiert wird.

1. Einleitung

Für Unternehmen gewinnt die Entwicklung von Kompetenzen zunehmend an Bedeutung. Lernfabriken haben sich als ein effektives Instrument zur Kompetenzentwicklung etabliert, da sie Fachkräften, Ingenieuren und Managern ermöglichen, in realistischen Produktionsumgebungen interaktiv zu lernen [1].

Virtual Reality (VR) erweitert die Einsatzgebiete von Lernfabriken [2] und bietet dabei viele Möglichkeiten im Bereich der Aus- und Weiterbildung sowie Forschung [3, 4]. Trotz der Potentiale werden virtuelle Lernszenarien nur von wenigen Lernfabriken umgesetzt [5]. Es fehlt ein Ansatz, mit dem virtuelle Lernszenarien in Lernfabriken einfach und strukturiert implementiert werden können.

2. Lernfabriken und VR

Moderne Lernfabriken ermöglichen die Entwicklung produktionsbezogener Kompetenzen in einer realistischen Umgebung innerhalb eines realen Wertstroms abseits des eigentlichen Arbeitsplatzes [1, 6]. Trotz dieses Umstands sind Lernfabriken mit einigen Einschränkungen verbunden, die neben eher organisatorischen und wirtschaftlichen auch didaktische Aspekte (z.B. begrenzte Abbildungsmöglichkeiten [6]) betreffen können.

Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren dem allgemeinen Virtualisierungstrend folgend das bereits erwähnte Konzept virtueller bzw. hybrider Lernfabriken entwickelt, die sich im Gradienten zwischen virtueller und physischer Realität verorten können (siehe Abb. 1) [1, 5, 7, 8].

VR hat als Technologie insbesondere in Bezug auf die Leistungsfähigkeit der Geräte rasante Fortschritte gemacht [9]. Deshalb kann VR heute als eine interaktive, computerbasierte Simulation der Realität verstanden werden [10]. Mit VR können neue Lernräume erschlossen werden, wobei Head-Mounted-Displays (HMD) den Lernenden das Gefühl vermitteln, sich in diesen physisch bewegen zu können [11]. VR als ergänzendes Element für Bildungskontexte birgt vielfältige Potenziale, insbesondere für Lernfabriken: VR bringt zeitliche und örtliche Flexibilität mit sich [3]. Es ist möglich, Zeit und Objekte zu manipulieren sowie verschiedene Lerntypen gleichzeitig anzusprechen [13]. Der Schwierigkeitsgrad der Übungen kann nach den Bedürfnissen der Teilnehmenden variiert werden, was eine neue Stufe der Adaptivität

Abb. 1 Gradient zwischen physischer Realität, Mixed Reality und Virtual Reality im Kontext von Lernfabriken, in Anlehnung an [2, 12]

und Personalisierung von Lernfabrikformaten ermöglicht.

Nichtsdestotrotz ist der VR Einsatz auch mit Herausforderungen verbunden. Insbesondere fehlt es in der Literatur an detaillierten Erläuterungen zu mediendidaktischen Konzepten in Bezug auf VR [z.B. in 14]. Ebenso ändern sich die Anforderungen an das Bildungspersonal, wenn digitale Medien im Lehr- und Lernprozess eingesetzt werden. Der Einsatz von VR trägt dazu bei, dass die Wissensvermittlung durch das Lehrpersonal nicht mehr im Vordergrund steht. Die Rolle der Lehrenden wird sich entsprechend verändern [8, 15]. Obwohl es bereits Ansätze gibt, wie bestehende Lernfabriken weiterentwickelt werden können [16, 17], fehlt es an Konzepten, wie die Implementierung von VR in Lernfabriken systematisch durchgeführt werden kann.

3. Methodik

Grundlage für das vorgeschlagene Vorgehen ist der systematische Ansatz zur kompetenzorientierten Entwicklung von Lernfabriken von Tisch et al. [18, 19]. Für das Forschungsprojekt "Virtuelle Handlungsaufgaben für personalisiertes adaptives Lernen" PortaL wurde ein Ansatz zur Konzeption und Implementierung von VR zum Zwecke eines ergänzenden Trainingsszenarios in einem bestehenden Lernfabriktraining entwickelt. Dabei wurde der Ansatz im Kontext des kompetenzorientierten Gestaltungsansatzes von Tisch et al. [18, 19] und unter Berücksichtigung mediendidaktischer Aspekte nach Kerres [14] entwickelt. Der entwickelte Ansatz besteht aus vier Phasen, unterteilt in mehrere Schritte.

4.1. Phase 1: Ausgangssituation, Zielsetzung & Anforderungen

Um eine Grundlage für die Konzeptionierung und Umsetzung zu schaffen, sollte die Ausgangssituation und Zielsetzung (in der die Entwicklung des VR-Lernszenarios stattfindet) analysiert werden. Um den Anforderungen der Kompetenzorientierung gerecht werden zu können, werden intendierte Kompetenzen, die relevanten Zielgruppen und das didaktische Konzept abgeleitet. Der genaue Nutzen, den ein VR-Szenario für ein bereits bestehendes Trainingskonzept bieten kann, muss herausgearbeitet werden. Dies kann dadurch geschehen, dass die Herausforderungen des bestehenden didaktischen Konzepts betrachtet und Potenziale durch VR abgeleitet werden. Eine beispielhafte Liste mit Herausforderungen und Chancen von VR in der beruflichen Weiterbildung kann in Riemann et al. [20] nachgeschlagen werden.

Abgeleitet aus den ersten Schritten, aber auch aus anderen Quellen wie Stakeholder-Interviews oder Literaturrecherchen, muss ein Anforderungskatalog erstellt werden, der als Ausgangspunkt für ein Pflichtenheft dient. Insbesondere in agilen Entwicklungsmodi ist eine Priorisierung für die Umsetzung der relevanten Anforderungen notwendig. Dies kann beispielsweise durch Literaturanalysen und Stakeholder-Interviews erfolgen. Die abgeleiteten Anforderungen werden anschließend in Muss-, Leistungs- und Attraktivitätsanforderungen kategorisiert und von den Stakeholdern (z.B. Lernfabrikbetreibende, Lehrende, Studierende, etc.) mit Hilfe des Kano-Modells priorisiert. Die gewählte Methode kann im Detail bei Riemann et al. und Kreß et al. nachgelesen werden [21, 22].

4.2. Phase 2: Software

Der Schritt der Softwareentwicklung steht nicht im Fokus dieser Arbeit und ist daher in Abb. 2 ge-

strichelt dargestellt. Es kann sich jedoch lohnen, externe Experten und Partner für die Softwareentwicklung zu gewinnen, da eine erfolgreiche Implementierung von VR-Lernumgebungen ein gewisses Maß an Erfahrung voraussetzt. Außerdem sollte aufgrund der Anzahl der erforderlichen Software-Iterationen und um die notwendige Anwendungsorientierung zu erreichen, so früh wie möglich mit der Softwareentwicklung begonnen werden.

4.3. Phase 3: Konzept und Design

Im Anschluss an Phase 2 werden Lernszenarien definiert und ausgewählt (siehe Abb. 3). Dies kann beispielsweise im Kontext des im Projekt betrachteten Wertstromanalyse-Workshops z. B. Prozesse, eingesetztes Produkt, Anzahl an Stationen, Layout oder Zykluszeiten betreffen, die abgebildet werden sollen. Bei hybriden Lernfabriken gehört dazu neben der inhaltlichen Definition auch die Unterscheidung, welche Teilkompetenzen und zugehörigen Handlungsaufgaben in VR und welche im physischen Raum abgebildet werden sollen. Nicht alle Handlungsaufgaben müssen in der VR abgebildet werden, da es möglicherweise intuitiver ist, sie im physischen Raum darzustellen.

Ausgehend von der Szenariodefinition ist es im nächsten Schritt möglich, explizite Designelemente zu definieren. Diese Designelemente können als Ausprägungen einzelner Details oder Aspekte der virtuellen Welt verstanden werden. Um die VRUmgebung anwendungsorientiert zu gestalten, kann es hilfreich sein, verschiedene Möglichkeiten zu schaffen, eine einzelne Handlungsaufgabe in der VR darzustellen. Um den Generierungsprozess von Gestaltungselementen zu strukturieren, wurde im Forschungsprojekt ein Drei-SäulenModell entwickelt, um geeignete Designelemente in Abhängigkeit von ihrer Interaktionsebene (z.B. aktiv oder passiv) zu bestimmen. Eine detaillierte Beschreibung findet sich in Riemann et al. [24].

Die Hardwareauswahl (z.B. welche Head-Mounted-Devices) ist einerseits wesentlich für ein einzelnes Implementierungsprojekt, sollte aber andererseits auch eine strategische Auswahl sein (z.B. im Rahmen einer geplanten sukzessiven VR-Erweiterung des Werkstattportfolios). Die Verortung im Konzept ist schwierig, da die Entscheidung prinzipiell erst getroffen werden kann, sobald die Anforderungen an die virtuelle Umgebung und die Gestaltungselemente definiert sind. Dennoch ist die Softwareentwicklung derzeit erst dann sinnvoll möglich, wenn die Hardware definiert ist. Im Vorgriff auf mögliche zukünftige Standards sowie die Bedeutung der strategischen Auswahl der Hardware wurde beschlossen, diese am Ende der Phase 3 in das Konzept zu implementieren.

4.4. Phase 4: Implementierung und Evaluierung

In der letzten Phase erfolgt die Implementierung des VR-Lernszenarios in einen bestehenden oder neuen Trainingskontext. Um eine nahtlose Integration des VR-Szenarios zu schaffen, sollten die Erfolgsfaktoren für VR beachtet werden (z.B. intuitive Nutzbarkeit, Realitätsnähe, etc.). In dieser Phase müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden, z. B. Lerngruppengrößen, verfügbare Hardware-Sets, Dauer der VR-Sitzungen, Alternativen für Personen, die mit physiologischen Reaktionen reagieren (z. B. Motion Sickness).

Die letzte Phase des Ansatzes erfasst die Evaluation und Weiterentwicklung des Lernszenarios. Für die Anwendungsorientierung ist es entscheidend, das Szenario weiterzuentwickeln und das Feedback der Beteiligten kontinuierlich umzusetzen. Dies kann auch bedeuten, dass Erkenntnisse und Feedback für bestehende oder völlig neue Trainingsszenarien genutzt werden können.

Es konnte im Forschungsprojekt ansatzweise gezeigt werden, dass der Ansatz Lernfabrikentwicklern helfen kann, VR in hybriden Lernfabrikkontexten erfolgreich einzusetzen. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde er zur Erstellung eines Lernszenarios für ein Wertstromanalyse-Training eingesetzt. Erste Anwendungstests bestätigten, dass damit eine Lernumgebung geschaffen werden kann, die einfach und intuitiv zu bedienen ist. Die Lernumgebung bildet alle relevanten Aspekte ab, welche die Ausführung der kompetenzrelevanten Handlungsaufgaben ermöglichen.

Dennoch fehlt es dem Ansatz noch an qualifizierter Evidenz, um seine Eignung zu bestätigen. Weitere Forschung soll eine solide Datenbasis generieren, um dieses Vorgehen im

Kontext eingangs genannter Kriterien zu evaluieren.

5. Zusammenfassung und Ausblick

In dieser Publikation wurde ein Ansatz zur Konzeptualisierung und Implementierung virtueller Lernumgebungen aufgezeigt, der von Lernfabrikentwicklern und -betreibern zur Einführung von VR in ihren Lernfabriken genutzt werden kann. Nachdem die Grundlagen für den Ansatz vorgestellt wurden, wurden die einzelnen Phasen und Stufen des Ansatzes erläutert. Durch weitere Forschung ist zu klären, ob das aus dem Vorgehen resultierende Lernszenario für die Entwicklung von Kompetenzen und für den Einsatz in Lernfabriken geeignet ist. Der vorgeschlagene Ansatz muss u.a. anhand eingangs genannter Kriterien evaluiert werden.

Danksagung

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für die finanzielle und administrative Unterstützung im Rahmen des Projekts "Virtuelle Handlungsaufgaben für personalisiertes adaptives Lernen" (01PV18001A).

Quellen:

[1] E. Abele, G. Chryssolouris, W. Sihn, J. Metternich, H. ElMaraghy, G. Seliger, S. Seifermann, Learning factories for future oriented research and education in manufacturing, CIRP Annals, 66.2 (2017) 803-826. [2] M. Juraschek, L. Büth, G. Posselt, C. Herrmann, Mixed reality in learning factories, Procedia Manufacturing 23 (2018) 153-158. [3] L. Freina, M. Ott, A literature review on immersive virtual reality in education: state of the art and perspectives, The International Scientific Conference eLearning and Software for Education, 1 (2015) 133-141. [4] S. Antoniou, L. Rentzos, D. Mavrikios, K. Georgoulias, D. Mourtzis, G. Chryssolouris, A Virtual Reality Application to Attract Young Talents to Manufacturing, Procedia CIRP 57 (2016) 134-139. [5] A. Haghighi, N. Shariatzadeh, G. Sivard, T. Lundholm, Y. Eriksson, Digital learning factories: Conceptualization, Review and Discussion, The 6th Swedish Production Symposium (2014), Accessed: Oct 08, 2019. http:// conferences.chalmers.se/index.php/ SPS/SPS14/ paper/viewFile/1729/401. [6] M. Tisch, J. Metternich, Potentials and Limits of Learning Factories in Research, Innovation Transfer, Education, and Training, 7th CIRPsponsored Conference on Learning Factories, Procedia Manufacturing 9 (2017) 89–96. [7] R. Dörner, W. Broll, P. Grimm, B. Jung, Virtual and Augmented Reality, Springer Verlag, Heidelberg (2013). [8] J. Hellriegel, D. Čubela, Das Potenzial von Virtual Reality für den schulischen Unterricht – Eine konstruktivistische Sicht, MedienPädagogik Dezember (2018) 58-80. [9] W. Pan, Z. Li, Y. Zhang, C. Wenig, The New Hardware Development Trend and the Challenges in Data Management and Analysis, Data Science and Engineering, 3 (2018) 263–276. [10] S. Schwan, J. Buder, Virtuelle Realität und E-Learning (2006). Accessed: Nov 29, 2019. https://www.eteaching.org/didaktik/gestaltung/ vr/ vr.pdf [11] R. E. Guadagno, J. Blascovich, J.N. Bailenson, C. McCall, Virtual humans and persuasion: The effects of agency and behavioral realism, Media Psychology, 10 (2007) 1-22. [12] P. Milgram, F. Kishino, A taxonomy of mixed reality visual displays, IEICE Transactions on Information and Systems (Special Issue on Networked Reality), 77.12 (1994) 13211329. [13] R. Zender, M. Weise, M. von der Heyde, H. Söbke, Lehren und Lernen mit VR und AR – Was wird erwartet? Was funktioniert? in: Proc. 2018 DeLFI Workshops 2018 co-located with 16th e-Learning Conference of the German Computer Society (DeLFI 2018), 2018. [14] M. Kerres, Mediendidaktik. Konzeption und Entwicklung digitaler Lernangebote, 5th ed., De Gruyter Verlag, 2018. [15] P. Arnold, L. Kilian, A. Thillosen, G. Zimmer, Handbuch E-Learning. Lehren und Lernen mit digitalen Medien, 4th ed., Bertelsmann, Bielefeld, 2015. [16] D. Plorin, D. Jentsch, H. Hopf, E. Müller, Advanced Learning Factory (aLF) - Method, Implementation and Evaluation, Procedia CIRP 32 (2015) 13-18. [17] E. Abele, J. Metternich, M. Tisch, Learning Factories: Concepts, Guidelines, Best-Practice Examples, Springer International Publishing, Cham (2019). [18] M. Tisch, C. Hertle, J. Cachay, E. Abele, J. Metternich, R. Tenberg, A Systematic Approach on Developing Action-oriented, Competency-based Learning Factories, 46th CIRP Conference on Manufacturing Systems, Procedia CIRP, 7 (2013) 580-585. [19] J. Enke, K. Kraft, J. Metternich, Competency-oriented Design of Learning Modules, Procedia CIRP 32 (2015) 7-12. [20] T. Riemann, A. Kreß, L. Roth, B. Staiger, J. Metternich, P. Grell, Virtual Reality in der betrieblichen Bildung, Zeitschrift für Wirtschaftlichen Fabrikbetrieb : ZWF, 115.10 (2020) 673-676. [21] T. Riemann, A. Kreß, L. Roth, S. Klipfel, J. Metternich, P. Grell, Agile Implementation of Virtual Reality in Learning Factories, Procedia Manufacturing, 45 (2020) 1-6. [22] A. Kreß, T. Riemann, L. Roth, S. Klipfel, J. Metternich, P. Grell, Requirements for the Implementation of Virtual Reality in Learning Factories, TUPrints, Darmstadt (2020) 1-20. [23] Riemann, Thomas and Kreß, Antonio and Roth, Lisa and Metternich, Joachim and Grell, Petra, Approach for Conceptualization and Implementation of Virtual Reality in Learning Factories (June 7, 2021). Proceedings of the Conference on Learning Factories (CLF) 2021. [24] T. Riemann, A. Kreß, L. Roth, D. Görge, R. Glass, J. Metternich, P. Grell, Gestaltung von personalisierten Lernfabrikschulungen in Virtual Reality im Kontext schlanker Produktion, GfA-Press, Dortmund (2020), Digitaler Wandel, Digitale Arbeit, Digitaler Mensch? 1-6. [25] T. Riemann, A. Kreß, L. Roth, J. Metternich, P. Grell, User-oriented design of virtual reality supported learning factory trainings: methodology for the generation of suitable design elements, (2021), Manuscript submitted for publication.

Thomas Riemann, M.Sc., geb. 1990, studierte Wirtschaftsingenieurswesen mit der technischen Fachrichtung Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt. Er ist seit 2019 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am PTW in der Forschungsgruppe „Center für industrielle Produktivität“ der Technischen Universität Darmstadt.

Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich, geb. 1968, ist Institutsleiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) an der Technischen Universität Darmstadt und leitet die Forschungsgruppen „Center für industrielle Produktivität“ und „Management industrieller Produktion“.

Thomas Riemann, M.Sc.

Wissenschaftlicher Mitarbeiter am PTW in der Forschungsgruppe „Center für industrielle Produktivität“ der TU Darmstadt Prof. Dr.-Ing. Joachim Metternich

Institutsleiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) an der TU Darmstadt

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Andrea Ottacher

Wirtschaftsingenieure verbinden ... – Veranstaltungsreihe der FH Kärnten „INNOVATION steckt in unserer DNA“ – Keynote mit Herrn Dr. Manfred Gutternigg, Geschäftsführer von Hilti Austria GmbH

Unter dem Titel „Wirtschaftsingenieure verbinden - Technologietrends & Geschäftsmodelle“ veranstaltete der Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen der FH Kärnten gemeinsam mit dem Österreichischen Verband der Wirtschaftsingenieure, der Regionalgruppe Kärnten und der Studentengruppe WINGnet Villach eine Online-Veranstaltung in Form von Fachvorträgern und einem interaktiven Kurzworkshop.

Im Rahmen der von Frau Dr. Petra Hössl moderierten Veranstaltung am 10. Juni 2021 konnte das Team des Studiengangs wertvolles Wissen zu den Themen „Technologietrends & Geschäftsmodelle“ an ein breites Publikum aus Wirtschaft, Wissenschaft und öffentlichen Institutionen weitergeben. Die rund 70 Teilnehmer*innen bekamen Einblicke in Forschungsaktivitäten der FH Kärnten. Herr Dominc Zettel BSc MSc, Absolvent dieses Studiengangs, hat einen Einblick in sein Dissertationsprojekt rund um Metall 3D Druck gewährt und dazu auch die aktuellen Technologieentwicklungen sowie Kooperationsprojekte mit Industrieunternehmen an der FH Kärnten vorgestellt.

Für frischen Wind und Inspiration sorgte der Impulsvortrag von FH-Prof. Erich Hartlieb zum Thema „Geschäftsmodellinnovation in Theorie & Praxis“. Durch einen interaktiven Workshop, welcher von FHProf. Josef Tuppinger durchgeführt wurde, lernten die Teilnehmer*innen eine prozessorientierte Methodik zur Entwicklung von Geschäftsmodellinnovationen anhand des St. Galler Business Model Navigators kennen. Die Teilnehmer*innen haben sich aktiv eingebracht und sehr kreative Geschäftsmodellkonzepte entwickelt!

Abschließend wurde den Teilnehmer*innen noch ein interessanter Einblick in das internationale Unternehmen HILTI Austria GmbH gewährt. Die Keynote zum Thema „Innovation steckt in unserer DNA“ von Dr. Manfred Gutternigg war das absolute Highlight der Veranstaltung.

Die Veranstaltungsreihe wird in Zukunft einmal jährlich stattfinden und soll auch einen aktiven Beitrag aus Kärnten zu Wissensaustausch, Inspiration und Vernetzung der Wirtschaftsingenieur-Community leisten.