DigiChemLab

Der Erwerb experimenteller Fähigkeiten ist ein wesentlicher Bestandteil des Chemiestudiums, der hauptsächlich im Rahmen der Laborpraktika vorgesehen ist. Die Arbeit im Labor erfordert jedoch nicht nur eine Vielzahl an Materialien und Chemikalien, sondern bringt aufgrund des Umgangs mit Gefahrstoffen auch einige Gefahren mit sich. Der fachgerechte Umgang mit gefährlichen Substanzen sowie wesentliche Grundtechniken des Experimentierens (Abmessen von Massen und Volumina, Ansetzen von Lösungen, etc.) müssen eingeübt und trainiert werden.

Das Ziel des vom Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD) geförderten Projekts DigiChemLab besteht in der Vitualisierung eines Chemielabors, um Experimente im digitalen Raum durchführen zu können. Hierbei stehen folgende Ziele im Fokus:

1. Orientierung in einem Chemielabor zur Vorbereitung auf reale Laborsituationen (z.B. Kennenlernen von Gerätschaften)
2. Trainieren von Standardsituationen ohne Einsatz von Chemikalien (z.B. Wägeprozess, Löseprozess)
3. Verbessertes Sicherheitsbewusstsein
4. Internationale Vernetzung und Zugänglichkeit

Im Rahmen des Projekts wird ein virtuelles Labor dreidimensional so modelliert, dass die „Besucher*innen“ die Gegenstände, Materialien und Einrichtung nutzen bzw. mit ihnen interagieren können. Der Zugang kann hierbei über einen handelsüblichen Computer als auch eine Virtual Reality (VR)-Brille erfolgen, die ein möglichst immersives Erlebnis des Labors ermöglicht. Die Entwicklung des Labors wird durch die Chemiedidaktik der Universität Paderborn wissenschaftlich begleitet und evaluiert.

Das Projekt „DigiChemLab“ zielt auf die Entwicklung einer virtuellen Lernplattform für die chemisch-technische Ausbildung mittels Virtual Reality Technologie. Es stellt ein ergänzendes Angebot für Studierende dar, um sich z. B. auf Praktika in chemischen Laboratorien vorzubereiten. Übergeordnetes Ziel ist die Integration digitaler Kollaborationsformate in Lehre und Studium.

Ein beispielhafter Anwendungsfall „Labor“ im technischen Umfeld sieht folgendermaßen aus: Studierende sollen nach den Anweisungen ihrer Lehrmaterialien einen Versuch in einem virtuellen Labor durchführen. Dazu begeben sie sich mit dem VR-Headset in das virtuelle Labor. Die Interaktion mit der 3-D-Welt erfolgt mithilfe von zwei Controllern, die sie an ihren Händen haben. Damit können sie Gegenstände der 3-D-Welt greifen und bedienen. Für einen Versuch nehmen sie notwendige Geräte aus Schränken, stellen sie auf dem virtuellen Arbeitstisch ab und bereiten deren Einsatz vor. Materialien werden mit den Geräten virtuell bearbeitet, experimentelle Versuche können in der virtuellen Welt durchgeführt werden. Der Studierende erhält zudem Hilfestellung oder Anweisungen zur richtigen Versuchsdurchführung vom VR-System. Das VR-System kann dementsprechend interaktiv auf die Handlungen des Studierenden reagieren. Ein virtueller Versuch kann von mehreren Studierenden oder Dozent*innen in dem Raum durchgeführt werden. Die Personen treffen sich in dem 3-D-Raum, sehen sich gegenseitig als Avatare und kommunizieren miteinander.

Ein interessanter Aspekt ist dabei, dass die in dem virtuellen Labor agierenden Personen sich an unterschiedlichen Standorten in der realen Welt befinden können. Es geht damit auch um die Gestaltung neuer Mobilitätsmuster (virtuelle und gemischte Mobilität) sowie die Verbesserung digitaler und interkultureller Kompetenzen.

Wir entwickeln zusammen mit Partner*innen aus der Chemie die notwendige VR-Umgebung und versuchen diese so als Infrastruktur zur Verfügung zu stellen, damit es Anwender*innen ohne domänenspezifisches Wissen aus dem VR-Bereich möglich ist, entsprechende Laborumgebungen aufzubauen.

Mit welchen Partnerhochschulen arbeiten Sie zusammen?

Interdisziplinär wirken innerhalb der Universität Paderborn die Fachbereiche Computer Science

(Prof. Friedhelm Meyer auf der Heide), Materials Science (Prof. Wolfgang Bremser), Chemie

Didaktik (Prof. Sabine Fechner) an dem Projekt „DigiChemLab“. Die internationalen

Kooperationspartner sind zwei Universitäten aus der Shandong Provinz in China; nämlich die

Shandong University, Computer Science (Prof. B. Chen) und die Qingdao University of Science

and Technology, Materials Science (Prof. Z. Li).

Was sind die wesentlichen Ziele Ihres Projekts?

Deutsche Lehrende und ihre internationalen Partner*innen haben hierdurch digitale

Kollaborationsformate in ihre Lehrangebote integriert und planen diese curricular zu verankern.

Studierende und Lehrende sollen die durch virtuelle Kooperation erworbenen, digitalen

Kompetenzen anwenden. Die Prozesse im Bereich Studium, Lehre und Blended Mobility sind

hochschulübergreifend digitalisiert und tragen zum Aufbau interoperabler

Studierendendatenökosysteme (i.S. der Groningen Declaration) bei. Die internationalen digitalen

Kooperationsformate sind für weitere Zielgruppen zugänglich, wodurch interkulturelle Erfahrungen

bspw. auch für Studierende, deren finanzielle oder familiäre Situation keine physische Mobilität

zulässt, möglich werden.

Welche sind die zentralen Maßnahmen Ihres Projekts?

• Maßnahme 1: Projekt-Meetings in der Förderphase
• Maßnahme 2: Entwicklung des Virtuellen Labors Laborinventar
• Maßnahme 3: Erste Erprobung des Virtuellen Labors: „Labor-Tour“
• Maßnahme 4: Entwicklung von Funktionsobjekten für eine Funktionalumgebung
• Maßnahme 5: Implementation eines beispielhaften, interaktiven chemischen Experimentes und Optimierung der Lernumgebung
• Maßnahme 6: Zweite Erprobung mit Blick auf fachlich-konzeptuelles und laborpraktisches Wissen der Probanden/-innen und Anpassung der Lernumgebung
• Maßnahme 7: Dissemination des Angebots und der Evaluationsergebnisse
• Maßnahme 8: Anbindung an PANDA (moodle) und PAUL