The Client

Die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), genauer gesagt deren Institut für Chemie. In Kooperation mit dem IPN (Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik) wurde das Forschungsprojekt DiVEx ins Leben gerufen, das Erstsemester-Studierenden dabei hilft, ihre Laborpraktika mit Selbstvertrauen zu beginnen.

Die Herausforderung

Das erstmalige Betreten eines universitären Chemielabors löst bei vielen Erstsemester-Studierenden aufgrund des akademischen Drucks und der ungewohnten, potenziell gefährlichen Umgebung erheblichen Stress und Ängste aus. Die Universität Kiel suchte nach einer sicheren Möglichkeit, wie Studierende vor dem Betreten des realen Raums üben können. Obwohl eines der Ziele darin bestand, einen leicht zugänglichen „digitalen Zwilling“ ihres spezifischen Labors zu erstellen, lag die Kernherausforderung darin, diesen virtuellen Arbeitsplatz in ein hochrealistisches Trainingserlebnis zu verwandeln. Dieses musste strengen wissenschaftlichen Standards standhalten und gleichzeitig so einfach zu bedienen sein, dass auch absolute VR-Anfänger problemlos damit arbeiten können. Wir mussten hochentwickelte, interaktive Systeme von Grund auf neu entwickeln: Systeme, die es den Studierenden ermöglichen, Chemikalien physisch zu gießen und zu mischen, sodass diese dynamisch reagieren; einen funktionstüchtigen Bunsenbrenner zu simulieren, bei dem das Drehen an den Ventilen die Flamme präzise verändert; und Substanzen oder pH-Papier so zu programmieren, dass sie je nach chemischer Reaktion sofort ihre Farbe wechseln.

Die Lösung

Eine eigenständige (Standalone), vollkommen immersive 3D-VR-Laboranwendung, die für die Vive XR Elite optimiert und auf Basis des OpenXR-Frameworks entwickelt wurde. Obwohl die Software ursprünglich für die Vive XR Elite konzipiert war, ermöglichte uns diese Architektur eine einfache Anpassung, sodass sie mittlerweile auch perfekt auf der Meta Quest 3 läuft. Die Anwendung fungiert als digitaler Zwilling des CAU-Labors und bietet eine realistische Beleuchtung sowie kontinuierliche Hintergrundgeräusche der Abzugsanlagen, um die Immersion zu maximieren. Um den Onboarding-Prozess für die Studierenden so mühelos wie möglich zu gestalten, sind alle Interaktionen wie Navigieren, Greifen, Mischen und Gießen auf eine einzige Taste gelegt: den Trigger des Controllers. Nur für komplexere Interaktionen wird gelegentlich eine zweite Taste benötigt.

Besondere und einzigartige Funktionen

Die fortschrittlichsten Bereiche der App konzentrieren sich auf realistische chemische Abläufe und Barrierefreiheit.

• Interaktive Chemie: Die App verfügt über ein realistisches Gießsystem, bei dem Flüssigkeiten dynamisch gemischt werden. Sie enthält außerdem einen voll funktionsfähigen Bunsenbrenner mit Flammproben, reaktionsfähige pH-Papiertests und ein In-App-360-Grad-Video, das den Durchlauf zeigt.
• Leichte und schwere Modi: Studierende können ihr eigenes Tempo wählen und flexibel anpassen, wie viele hilfreiche Hinweise sie während der Arbeit erhalten.
• Intelligentes System für Farbenblindheit: Für Studierende mit Sehschwächen haben wir ein dynamisches Pop-up-Fenster entwickelt. Beim Blick auf einen Flüssigkeitsbehälter zeigt dieses Fenster eine Live-Textbeschreibung mit der exakten aktuellen Farbe der Substanz an.
• Sprachoptionen: Die gesamte Anwendung ist sowohl auf Deutsch als auch auf Englisch voll spielbar.
• Visuelles Einrasten: Ein Drag-and-Drop-System hebt Objekte mit einer Konturlinie hervor, sodass Gegenstände an den dafür vorgesehenen Stationen automatisch einrasten.

Eindeutige Bewertung und Tracking

Die App hilft den Studierenden, aus ihren Fehlern zu lernen. Bei Bedarf erscheinen visuelle Pfeile auf dem Bildschirm, um sie in die richtige Richtung zu leiten. Während die Studierenden fortlaufend Quizfragen beantworten, verfolgt die App ihre Aktionen im Hintergrund. Werden zu viele Fehler gemacht, müssen die Studierenden einen Teilbereich wiederholen. Darüber hinaus gibt die App sofortiges Feedback bei Fehlern, wie dem Entsorgen von gefährlichem Abfall im falschen Behälter. Dies hilft den Forschenden zu sehen, wie groß der Lernerfolg der Studierenden ist.