Erfahrungsbasiertes Lernen mit XR

Aufgrund der Einschränkungen infolge der Corona-Pandemie haben Ausbildungsformate mittels Simulation bzw. digitaler Medien massiv an Bedeutung gewonnen. Nicht nur die pandemische Notlage, sondern auch die dezentralen und kostengünstigen Möglichkeiten solcher Ausbildungsformate haben dazu beigetragen, dass diese auch in der nahen Zukunft weitere Verbreitung finden werden. Als besonders vielversprechende Form haben sich sogenannte „Extended Reality (XR)“-Lernumgebungen erwiesen. 

XR: Lernen mit vielen Vorteilen

Der Fokus solcher Lernumgebungen liegt auf erfahrungsbasiertem Training. Lerninhalte werden in der virtuellen Umgebung durchlebt, anstatt sie nur zu lesen oder zu hören. In der virtuellen Trainingswelt setzen Menschen (Interaktions-)Handlungen genauso um wie in der realen Welt und aktivieren dabei dieselben Bereiche des Gehirns, die für Motorik und Lernen zuständig sind. Sie erlangen dadurch Handlungskompetenz (= das praktische Anwenden von theoretischem Wissen in verschiedenen Situationen). Das Training mittels XR-Technologie führt zu einer realen und messbaren Verbesserung des Lernergebnisses und trägt maßgeblich zu effektiverem und effizienterem Lernen bei. Im Kontext von Arbeitssicherheit und medizinischer Versorgung von Arbeitsunfällen ermöglicht es XR, in Umgebungen zu trainieren, die sonst aus Verfügbarkeitsgründen (z. B. 24/7-Produktionslinien), aus Sicherheitsgründen oder ethischen Gründen nicht für Übungszwecke zur Verfügung stehen. Dadurch ist es den Trainees möglich, Situationen zu durchleben, die in herkömmlichen Trainings nicht umsetzbar sind. 

Ein weiterer Vorteil ist, dass es solche Umgebungen ermöglichen, Fehler zu machen, ohne die physische Sicherheit der Trainees und anderer am Training beteiligter Personen oder Maschinen zu gefährden. Auch können Fehler im Nachhinein analysiert werden und das Szenario kann mit leichten Abänderungen wiederholt trainiert werden, um das aktive Mitdenken bzw. den Umgang mit unterschiedlichen Störfaktoren oder Komplikationen entsprechend zu trainieren. 

Mitarbeiter:innen häufiger, gezielter und mit geringem Aufwand zu schulen trägt zu besser ausgebildeten Fachkräften bei, die wiederum in der Ausführung ihrer Tätigkeit versierter, sicherer und effizienter sind. So gelingt eine ganzheitliche Steigerung der Effizienz. XR-Technologien können einen Beitrag leisten zur optimalen Vorbeugung von Arbeitsunfällen, zum optimierten Ablauf in der Unfallheilbehandlung, und um Rehabilitation zu verbessern und abwechslungsreicher zu gestalten.

Verbesserung der Handlungskompetenz

Wie oben bereits dargestellt, ist der besondere Vorteil von XR-bezogenem Training die Möglichkeit, lerntheoretische Erkenntnisse aus dem erfahrungsorientierten und phänomenologischen Lernen (= Lernen anhand verschiedener Szenarien, in denen die Trainees aktive Handlungen setzen müssen und die Auswirkungen dieser Handlungen sehen bzw. erfahren können) skalierbar und umfassend umzusetzen. Nach aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen aus dem Stressresilienztraining für Sportler:innen und Polizisten:Polizistinnen ist die Verbesserung der Handlungskompetenz der Auszubildenden durch XR hinreichend belegt. Im Rahmen der im Anschluss hier vorgestellten Projekte wurde diese Verbesserung der Handlungskompetenz mittels wissenschaftlicher Evaluationsstudien in anderen Kontexten (z. B. Arbeitssicherheit, Ablauftraining etc.) untersucht.  

Arbeitssicherheit und XR

Die beiden Projekte XRTrain und DigiLernSicher sind im Rahmen des Projektfonds Arbeit 4.0 der Arbeiterkammer Steiermark durch die SIM Campus Gmbh bzw. das WIFI Steiermark in Zusammenarbeit mit dem AIT Austrian Institute of Technology GmbH sowie der Mindconsole GmbH durchgeführt worden. Ziel der beiden Projekte war es, die Verwendung von XR-Training in den Bereichen Arbeitssicherheit und medizinische Versorgung in Krankenhäusern prototypisch umzusetzen und wissenschaftlich zu evaluieren. Die im Folgenden beschriebenen Anwendungsfälle wurden gemeinsam mit den zukünftigen Anwendern:Anwenderinnen in nutzer:innen-zentrierten Multi-Stakeholder:innen-Workshops erarbeitet.

Hinsichtlich des Themas Arbeitssicherheit wurden im Zuge dieser beiden Projekte zwei verschiedene „Use Cases“ (Anwendungsfälle) identifiziert:

• Entfluchtung eines Krankenhauses (SIM Campus GmbH) und damit einhergehendes Trainieren der räumlichen Orientierung in dem spezifischen Gebäude 
• Anwendung des elektrischen Basisschutzes für Elektrotechnik-Lehrlinge in einem ihnen unbekannten baulichen Setting 

Die Ausarbeitung der Szenarien erfolgte in einem iterativen Prozess, wobei die genaue Definition von Lerninhalten, Interaktionsmöglichkeiten und Leistungsindikatoren schrittweise in gemeinsamer Abstimmung der Projektpartner:innen unter Berücksichtigung praxisbezogener und wissenschaftlicher Überlegungen erarbeitet wurde. Technisch wurden die Szenarien in Unity für die mobile VR-Brille „Oculus Quest“ umgesetzt. Im Folgenden werden die beiden VR-Szenarien detaillierter beschrieben.

Wege in einem Gebäude finden

Der Anwendungsfall „Entfluchtung und räumliche Orientierung“ nimmt Bezug auf Wegfindung innerhalb eines Gebäudes. Dieser Anwendungsfall ist für Brandschutzszenarien von hoher Relevanz, ermöglicht aber beispielsweise auch das virtuelle Erkunden von Einsatzorten durch Rettungskräfte, bevor Einsätze real durchgeführt werden. Somit ist das Szenario für viele unterschiedliche Personengruppen im Gesundheits- und Sicherheitswesen und darüber hinaus relevant. Das Szenario kann außerdem leicht für das Training spezifischerer Situationen angepasst werden – beispielsweise für das Üben von Situationen, in denen Standardfluchtwege durch Hindernisse versperrt sind oder in denen spezifische Sicherheitsmaßnahmen berücksichtigt werden müssen. 

Für das Szenario wurden das Erdgeschoss und der erste Stock des Simulationskrankenhauses des SIM CAMPUS in Eisenerz als VR-Umgebung nachgebildet (siehe Abbildung 1). Aufgabe der übenden Personen in dem Szenario ist es, einen Weg innerhalb des Gebäudes (ein Startpunkt, drei intermediäre Wegpunkte und ein Endpunkt) zu finden beziehungsweise sich diesen zu merken. Aus methodologischen Gründen wurden für die wissenschaftliche Evaluation nur Räume innerhalb des Gebäudes als Wegpunkte gewählt (d. h., es befinden sich keine Wegpunkte außerhalb des Gebäudes beziehungsweise an Aus- oder Eingängen). Die Räume in der virtuellen Umgebung sind – wie in der realen Umgebung auch – mit Nummern versehen. 

Eine gelbe Linie am Boden zeigt der Person den Weg zum nächsten Raum. Eine unten links eingeblendete Liste der verschiedenen Räume informiert mittels Farbschema auch darüber, ob ein bestimmter Raum schon erreicht beziehungsweise gefunden wurde. Wenn die übende Person einen Raum erreicht, muss sie einen Buzzer in der Mitte des Raumes betätigen, anschließend wird der Weg zum nächsten Raum angezeigt. Durch dreimaliges Drücken des linken Control-Sticks hat man die Möglichkeit, das Szenario zurückzusetzen und zum Startpunkt zurückzukehren. 

Elektrotechnischer Basisschutz in sicherer virtueller Umgebung

Im Anwendungsfall „Elektrotechnischer Basisschutz“ haben Elektrotechnik-Lehrlinge die Aufgabe, die in der Theorie erlernten Regeln des elektrotechnischen Basisschutzes anzuwenden. Dazu betreten sie in der virtuellen Welt eine ihnen unbekannte Wohnung und haben dort die Aufgabe, verschiedene elektrotechnische Einrichtungen zu überprüfen, um einen Defekt ausfindig zu machen (siehe Abbildung 2). Ihre dabei ausgeführten (oder nicht entsprechend ausgeführten) Sicherungsmaßnahmen werden von der Software protokolliert. Ziel ist es, die Installationen anhand eines Protokolls zu überprüfen und sicherzustellen, dass der Grundschutz nach DIN VDE 0100 gegeben ist. Nach dem Abschluss des Szenarios bekommen die Lehrlinge Feedback über ihre Vorgehensweise und über etwaige Fehler und haben dann die Möglichkeit, das Szenario nochmals trainieren. Dabei werden die vorhandenen Defekte dynamisch zwischen den verschiedenen elektrotechnischen Einrichtungen in der virtuellen Wohnung variiert, sodass Mitdenken weiterhin notwendig ist. 

Das qualitative Feedback der im Projektkontext durchgeführten Benutzer:innenstudien war ausgesprochen positiv. So bezeichneten die Benutzer:innen die Möglichkeit, (prozedurale) Handlungsabläufe zu üben und sich so diese Abläufe besser einprägen zu können, als besonders positive Eigenschaft des virtuellen Trainings. Durch die Möglichkeit Handlungsabläufe in der VR wiederholt nachvollziehen zu können, erwarteten Teilnehmer:innen mehr Handlungssicherheit und Routine im Ernstfall, sodass notwendige Handlungsschritte zuverlässiger abgerufen werden können. Ein weiterer Vorteil aus Sicht der Teilnehmer:innen war außerdem, dass VR einen erhöhten Fokus auf die Lerninhalte ermöglicht: die Übungssituation wirke realer als bei vielen herkömmlichen Trainingsformen und auch das Ausmaß an Ablenkung sei geringer. In diesem Zusammenhang wurde auch die Realitätsnähe des Trainings von einigen Interviewpersonen positiv hervorgehoben. 

XR in Medizin und Gesundheitsberufen

Hinsichtlich des Trainings von Personal im medizinischen Bereich der Unfallheilbehandlung wurde der idente Ansatz zur Erarbeitung der hier beschriebenen Anwendungsfälle mittels Multi-Stakeholder:innen-Workshops gewählt (s. o.). Der in diesem Bereich erarbeitete Anwendungsfall war die Vorbereitung einer Intubation durch einen:eine Pfleger:in am Notfallwagen. Konkreter bezieht sich dieses Szenario auf die Arbeit in einem Schockraum oder einem vergleichbaren medizinischen Kontext. Im Szenario soll Material für eine endotracheale Intubation vorbereitet werden, was eine übliche, wiederkehrende Tätigkeit im Gesundheits- und Krankenpflege-Kontext abbildet und für verschiedene Berufsgruppen in diesem Bereich relevant ist. Das Szenario verbindet verschiedene Vorteile von XR: Unter anderem erlaubt die Umsetzung in XR das Training einer praktisch relevanten Aufgabe, die real nur eingeschränkt trainiert werden kann, da die dafür benötigten Räumlichkeiten (z. B. Schockraum) und Geräte (Notfallwagen inklusive Ausrüstung) in realen Umgebungen tendenziell selten für Übungszwecke zur Verfügung stehen. Außerdem eröffnet das Szenario die Möglichkeit, einen prozeduralen Ablauf (Schritt-für-Schritt-Ablauf) zeitunabhängig, praxisorientiert und ohne Risiko zu trainieren, was in den Stakeholder:innen-Workshops als ein wesentlicher Vorteil von XR eingeschätzt wurde. In dem XR-Szenario befindet sich die übende Person in einem virtuellen Behandlungsraum (siehe Abbildung 3). Aufgabe ist es, elf Gegenstände, die für eine endotracheale Intubation benötigt werden, aus Fächern eines Notfallwagens zu nehmen und auf die Ablagefläche des Wagens zu legen. Rechts neben dem Notfallwagen befinden sich drei Buzzer, mit denen die übende Person eine Lageschablone einblenden, das Szenario zurücksetzen oder die Vollständigkeit der auf der Ablagefläche befindlichen Teile prüfen kann. 

Für diesen Anwendungsfall wurde unter der Federführung des AIT (Austrian Institute of Technology) eine Studie designt, um die Frage „Wie zeigt sich der Mehrwert der im Use-Case umgesetzten VR-Szenarien im Sinne objektiver Leistungskriterien und subjektiver Bewertung durch die Teilnehmer:innen?“ wissenschaftlich zu evaluieren. Dafür wurde ein Mixed-Methods-Ansatz gewählt, der unterschiedliche Erhebungsmethoden in einem experimentellen Untersuchungsdesign vereint. In diesem experimentellen Design wurden Teilnehmer:innen zufällig zu zwei verschiedenen Untersuchungsgruppen zugeteilt, was die Betrachtung kausaler Zusammenhänge erlaubt. Die erste Gruppe trainierte die jeweilige Aufgabe in einer VR-Umgebung. Die zweite Gruppe benutzte eine herkömmliche Trainingsmethode, um die Aufgabe zu üben. Die herkömmliche Trainingsmethode im gegebenen Fall bestand aus gedrucktem Trainingsmaterial in Form einer Standard-Checkliste mit Abbildungen der für die Aufgabe relevanten Objekte, die sich die Teilnehmer:innen dieser Gruppe ansehen und merken mussten. Zur Vermeidung von Reihenfolgeeffekten wurde die Teilnahme von Personen aus unterschiedlichen Untersuchungsgruppen systematisch variiert. Nach der Übungsphase mit der jeweiligen Trainingsmethode wendeten die Teilnehmer:innen das Gelernte in einer realen Umgebung an, wobei verschiedene Leistungs- und Verhaltensindikatoren (z. B. Bearbeitungszeit, Anzahl an Fehlern etc.) erhoben wurden.

Teilnehmer:innen wurden über die Fachhochschule St. Pölten (Studiengang Gesundheits- und Krankenpflege) und die EMG-Akademie für Gesundheit rekrutiert. Insgesamt nahmen 41 Personen (nVR = 21, nKontrolle = 20) an der Studie teil. Zu Beginn wurden die Teilnehmer:innen nochmals ausführlich über Ziele und Ablauf der Studie sowie Covid-19-spezifische Schutzmaßnahmen informiert und gaben ihr Einverständnis zur Studienteilnahme. Die Teilnehmer:innen absolvierten anschließend die Übungsphase: Zunächst wurde den Teilnehmer:innen die genaue Aufgabenstellung erklärt. Teilnehmer:innen der VR-Gruppen erhielten außerdem eine Einführung in die Bedienung der VR-Umgebung, ohne jedoch bereits mit dem Training zu beginnen. Im Anschluss übten die Teilnehmer:innen beider Gruppen selbstständig für maximal acht Minuten mit den jeweiligen Trainingsmaterialien (VR-Umgebung oder gedruckte Unterlagen). Im Anschluss erhielten die Teilnehmer:innen weitere Instruktionen für die Anwendungsphase und hatten nochmals die Möglichkeit Rückfragen zu stellen. Während der Anwendungsphase bearbeiteten die Teilnehmer:innen ihre Aufgabe (Vorbereitung der Intubation) in der realen Umgebung, am realen Notfallwagen. Währenddessen wurde durch den:die Studienleiter:in ein Beobachtungsprotokoll geführt. Die so erhobenen Daten (Bearbeitungsdauer, Anzahl Fehler etc.) wurden in einem ersten Schritt auf Basis der Beobachtungsprotokolle in digitaler Form kodiert und dann statistisch ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Bearbeitungsdauer der VR-Gruppe statistisch signifikant niedriger ist (Median-Unterschied: 36,5 Sekunden) und die VR-Gruppe auch tendenziell eine geringere Anzahl von Fehlern aufweist. 

XR in der Nachbehandlung und Rehabilitation

Auch in der Nachbehandlung bzw. in der Rehabilitation gibt es eine Fülle von potenziellen Anwendungsmöglichkeiten für XR-Training. Beispielsweise sei hier die Möglichkeit genannt, unter XR-Anleitung bestimmte Übungen durchzuführen und in Kombination mit Video- oder Bewegungsanalysesystemen zu bewerten – wie das im Fachbereich Ergonomie schon im Rahmen des Projekts VeRgonomiX erfolgt. Mittels einer solchen Synchronisation von Daten könnten sowohl die unterschiedlichen Bewegungs- und Körperhaltungswerte oder auch durch kompatible Sensorik wie die des Captiv-Systems Belastungen des Herz-Kreislauf-Systems abgeleitet und hinsichtlich ihrer Übereinstimmung mit Rehabilitationsvorgaben bewertet werden. 

Die aktuelle Weiterentwicklung von XR- und Sensorik-Technologien wird diese potenziellen Einsatzmöglichkeiten jedenfalls erweitern bzw. die Niederschwelligkeit für die Nutzung solcher Technologien verbessern.

Zusammenfassung

Die Autoren:Autorinnen beschreiben die Vorteile der Anwendung der Extended-Reality-Technologie für erfahrungsbasiertes Lernen. Weiters berichten sie über bereits realisierte Projekte, bei denen XR in Aus- und Weiterbildung zum Einsatz kommt.