Das Projekt ELIXIER (Erfahrungsbasiertes Lernen durch interaktives Experimentieren in erwei-terten Realumgebungen) wird im Rahmen des Förderschwerpunkts „Erfahrbares Lernen“ durch das BMBF gefördert. Es erfolgt in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus Forschung, Kreativ-wirtschaft und Lehrmittelindustrie. Ziel ist die Demonstration und Evaluation einer intelligenten Experimentierumgebung für Praktika, die eine nahtlose Lernbegleitung (Seamless Learning) über alle Phasen des Experimentierprozesses (Orientieren - Vorbereiten - Durchführen - Nachbereiten) ermöglicht. Der Lernprozess wird durch die Echtzeit-Analyse von Handlungen und Experimentzu-ständen und über die intelligente Vernetzung aller Komponenten im “Seamless Smart Lab“ (S2L) unterstützt. Eine tutorielle Assistenz begleitet den Experimentierzyklus und stellt bedarfsgerecht Informationen und weiterführende Hinweise zur Verfügung

Ermel, Dorothee

Haase, Sebastian

Kirstein, Jürgen

Nordmeier, Volkhard

Das Projekt ELIXIER (Erfahrungsbasiertes Lernen durch interaktives Experimentieren in erweiterten
Realumgebungen) wird im Rahmen des Förderschwerpunkts „Erfahrbares Lernen“ durch
das BMBF gefördert. Es erfolgt in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus Forschung, Kreativwirtschaft
und Lehrmittelindustrie. Ziel ist die Demonstration und Evaluation einer intelligenten
Experimentierumgebung für Praktika, die eine nahtlose Lernbegleitung (Seamless Learning) über
alle Phasen des Experimentierprozesses (Orientieren - Vorbereiten - Durchführen - Nachbereiten)
ermöglicht. Der Lernprozess wird durch die Echtzeit-Analyse von Handlungen und Experimentzuständen
und über die intelligente Vernetzung aller Komponenten im “Seamless Smart Lab“ (S2L)
unterstützt. Eine tutorielle Assistenz begleitet den Experimentierzyklus und stellt bedarfsgerecht
Informationen und weiterführende Hinweise zur Verfügung

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Didaktik der Physik  Frühjahrstagung – Dresden 2017 ELIXIER: Didaktische Konzeption einer kompetenzorientierten Mixed-Reality-Experimentierumgebung Dorothee Ermel, Jürgen Kirstein, Sebastian Haase und Volkhard Nordmeier Freie Universität Berlin, Didaktik der Physik dorothee.ermel@fu-berlin.de, juergen.kirstein@fu-berlin.de, sebastian.haase@fu-berlin.de, volkhard.nordmeier@fu-berlin.de Kurzfassung Das Projekt ELIXIER (Erfahrungsbasiertes Lernen durch interaktives Experimentieren in erwei-terten Realumgebungen) wird im Rahmen des Förderschwerpunkts „Erfahrbares Lernen“ durch das BMBF gefördert. Es erfolgt in Zusammenarbeit mit Projektpartnern aus Forschung, Kreativ-wirtschaft und Lehrmittelindustrie. Ziel ist die Demonstration und Evaluation einer intelligenten Experimentierumgebung für Praktika, die eine nahtlose Lernbegleitung (Seamless Learning) über alle Phasen des Experimentierprozesses (Orientieren - Vorbereiten - Durchführen - Nachbereiten) ermöglicht. Der Lernprozess wird durch die Echtzeit-Analyse von Handlungen und Experimentzu-ständen und über die intelligente Vernetzung aller Komponenten im “Seamless Smart Lab“ (S2L) unterstützt. Eine tutorielle Assistenz begleitet den Experimentierzyklus und stellt bedarfsgerecht Informationen und weiterführende Hinweise zur Verfügung. 1. AusgangslageDigitalisierung nimmt eine zunehmende Rolle in allen Lebensbereichen ein. „Sie eröffnet dabei neue Zugänge zu Bildung und […] ist eine Chance für die Verbesserung der Qualität der schulischen Ausbil-dung sowie der Hochschulbildung“ (Ladel et al. 2018). Somit ist die Bildung in der digitalen Welt, wie es die Kultusministerkonferenz (2016) formu-liert, ein großes Thema. Die klassische Aus- und Weiterbildung steht einem rasanten technologischen Wandel in der Gesellschaft gegenüber, und die di-daktischen Potentiale der Digitalisierung bleiben auch an Hochschulen oft ungenutzt (Schmid et al. 2017). Um das Potential ‚digitalisierter’ Lehre für Hochschulen systematisch nutzen zu können, müs-sen zunächst didaktische und methodische Settings und ihr sinnvoller Einsatz für verschiedene Ziel-gruppen und Anlässe sowie deren Wirkungen er-forscht werden (Salmi et al. 2016).  In den naturwissenschaftlichen Studienfächern so-wie in der beruflichen Ausbildung sind experimen-telle Praktika wichtiger Bestandteil. In empirischen Untersuchungen wurde wiederholt gezeigt, dass  in traditionellen Praktika die verfolgten Zielehäufig nicht erreicht werden (Mühlenbruch et al.2014; Theyßen 2000), Wissen im Vorfeld erworben werden muss undSkripte oft als einzige Quelle eine zentrale Rollespielen (Hucke 1999), konventionelle Techniken der Vorbereitung inForm eines Skriptes nur eingeschränkt helfen(Zastrow 2001).Im Bereich der Experimentalpraktika ist hierbei eine positive Entwicklung zu beobachten. Bezogen auf naturwissenschaftliche Grundpraktika wurden be-reits unterschiedliche Vorhaben zur Verbesserung durchgeführt.  In einer Studie von (Kreiten 2012) wird z. B. zusätz-lich zu den klassischen Skripten ein multimedialer Ansatz verfolgt; ähnlich wie im Projekt Technology-Supported Labs (Mühlenbruch et al. 2014). Beide Vorhaben kamen zu dem Ergebnis, dass eine multi-mediale Unterstützung in der Praktikumsvorberei-tung lernförderlich sein kann. Auch weitere Konzep-te, wie die Nutzung von Augmented Reality (AR) beim Experimentieren, wurden in ersten Studien als potentiell lernförderlich eingestuft (Bacca et al. 2014; Radu 2014). AR kombiniert Realität und Vir-tualität interaktiv, die Darstellung erfolgt in Echtzeit und registriert 3D-Objekte (Azuma 1997). Entschei-dend hierbei ist, dass diese Erweiterung nicht sta-tisch und einmalig, sondern kontinuierlich und an-gepasst an den aktuellen Standpunkt des jeweiligen Betrachters passiert (Dörner et al. 2013).  2. ZieleDas Projekt ELIXIER hat somit zum Ziel, eine Un-terstützung und Verbesserung experimenteller Prak-tika in Universitäten, Hochschulen und der berufli-chen Bildung zu ermöglichen durch  direkte Integration multimedialer Elemente injeder Phase des Experimentierens und in das re-ale Experiment, automatisch generierte Interaktive Bildschirm-experimente (IBE, vgl. Kirstein und Nordmeier(2007)) des individuellen (realen) Experiments, adaptive Unterstützung des Experimentierpro-zesses durch Analyse von Handlungen und Ex-perimentzuständen,213Ermel et al.  intelligente Vernetzung aller Komponentendurch eine webbasierte Infrastrukturlösung(Seamless Smart Lab).Das in der Abbildung 1 gezeigte ELIXIER-Zukunftsszenario soll den Nutzen einer im Sinne unseres Vorhabens erweiterten Mixed-Reality-Experimentierumgebung illustrieren: Ein didaktisch-technologisches Netzwerk aus realen Experimen-tiergeräten und virtuellen Komponenten unterstützt Lernende beim Experimentieren im Laborpraktikum durch eine adaptive Lernbegleitung. Die webbasierte Infrastruktur des "Seamless Smart Lab"-Systems (S2L) ermöglicht darüber hinaus die virtuelle Fortsetzung eigener Experimente über die zeitlichen und räumlichen Grenzen des Laborprakti-kums hinaus im IBE-Format. Die im Projekt ELIXIER verfolgten Lösungsansätze haben zahlrei-che didaktisch-technologische Innovationen für das Lehren und Lernen in realen wie auch in realitätsna-hen (virtuellen) Laborumgebungen zum Ziel:  Kontextbasierte tutorielle Assistenz für Lernen-de bei der Versuchsdurchführung als auch fürLehrende zur Vorbereitung. Nutzerfreundliche, kognitionsunterstützendeMTI-Lösungen für reale Experimentierumge-bungen, wie Sprachsteuerung, Tracking vonGegenständen, Sensorik zum Erfassen von Ex-perimentzuständen, Aufprojektion von Hin-weisen und Sprachausgabe. Anbindung vernetzter, intelligenter Lehrmittelund Laborausstattung (Smart Objects). Lernanalyse (Learning Analytics) über Interak-tionsmuster und Sensordaten beim Experimen-tieren in der (erweiterten) Realumgebung. Webbasierte Infrastrukturlösung für intelligenteLabore, zur effizienten Adaptierung des S2L-Konzepts auf neue Lern- und Trainingsszenari-en.Die im Vorhaben zu entwickelnden Demonstratoren dienen der methodischen Erforschung und Evaluati-on mit verschiedenen Nutzergruppen (universitäre und berufliche Bildung). Machbarkeit und Mehrwert eines universell anwendbaren Lern- und Unterstüt-zungssystems für Laborpraktika werden auf diese Weise in unterschiedlichen Nutzungskontexten un-tersucht und optimiert. Einen wesentlichen For-schungsschwerpunkt stellen dabei Aspekte der Usa-bility, sowie Fragen der didaktischen Gestaltung der Lerninhalte und tutoriellen Assistenz dar. 3. Didaktische KonzeptionIm Teilprojekt „Didaktische Konzeption und De-monstration einer webbasierten Autoren- und Lern-umgebung zur Verknüpfung realer und virtueller Erfahrung“ wurden didaktische und lerntheoretische Anforderungen untersucht und ein Konzept für eine Mixed-Reality-Experimentierumgebung entwickelt. 3.1. Kombination von Theorie und Realität Im erfahrungsbasierten Lernen bildet die praktische, konkrete Auseinandersetzung mit dem Lerngegen-stand den Ausgangspunkt für ein aktives, reflektives Lernen, das sowohl auf praktische Fähigkeiten als auch abstraktes Verständnis zielt. Hettmannsperger (2015) betont den positiven Nutzen multipler Reprä-sentationsformen zum tieferen Verständnis von Experimenten und der ihnen zugrundeliegenden Konzepte. „Beim Durchführen und Verstehen von Experimenten müssen Daten von physikalischen Phänomenen mittels unterschiedlicher externer Re-präsentationen (wie Text, realistische, schematische und logische Bilder oder Formeln) dargestellt wer-den, um sie für individuelle und kooperative Denk- und Lernprozesse verfügbar zu machen“ (ebd., S. 5). Es ist daher vorgesehen, das Realexperiment durch virtuelle theoretische Hintergrundinformationen oder Prozesse anzureichern. Die Ausgabe erfolgt in unse-rem System mittels einer Projektion und auditiven Elementen (Abb. 2). Es wird somit ermöglicht, In-formationen, die normalerweise nicht sichtbar sind, direkt in der realen Welt darzustellen. Somit wirken die virtuellen Objekte, als würden sie zur Realum-gebung gehören (Azuma 1997). Auch die Bedienung eines Gerätes oder der Aufbau einer Versuchsanord-nung wird durch AR-Unterstützung direkt in der Realität erfahrbar. Anleitungen für Benutzerhand-Abb.1: Das reale Experiment im Praktikum wird simultan zum Experimentierprozess durch Aufprojek-tion multicodal augmentiert. Abb.2: Ein Proband wird beim Aufbau eines Chemie-experiments unterstützt. Ortsnah werden ihm Hinweise für das weitere Vorgehen gegeben. 214Erfahrbares Lernen in Mixed-Reality-Experimentierumgebungen  lungen werden so erheblich einfacher, da sie sich unmittelbar auf die realen Objekte oder Handlungen beziehen. Sprachliche Anleitungen in der Form "Bringen sie Schalter (20) in Position (3) und lesen dann Display (12) ab.“, werden überflüssig. Zudem kann durch die multimediale AR-Unterstützung gezielt die Aufmerksamkeit der Lernenden visuell oder auditiv gesteuert werden, indem Bedienelemen-te oder Teile des Experiments hervorgehoben wer-den. 3.2. Lernplattform, Realexperiment und Nutzen-de interagieren In den Lernszenarien des ELIXIER-Konzepts ist das Ausbilden handlungsorientierter Kompetenzen (z. B. für den Versuchsaufbau, das Bedienen von Geräten) zentral. Mit S2L werden unter Anleitung durch das System und mit erweitertem Feedback auch prakti-sche, handlungsorientierte Fertigkeiten trainiert, welche nur am realen Gerät erlernt werden können. Die Lernenden verbinden diese realweltlichen Erfah-rungen mit der im IBE gespeicherten Version, die das Experiment realitätsnah abbildet. Die integrierte Umgebung bietet zudem multiple Repräsentationen, die mit dem Experiment dynamisch verknüpft sind und so das Problemlösen sowie den Lerntransfer unterstützen (Abb. 3).  Mit dem S2L-Konzept soll eine Verbesserung der handlungsorientierten Experimentierkompetenz und des verstehenden Lernens vom Praktikumsexperi-ment bis zum Trainingssystem erreicht werden. Handlungen der Lernenden werden während des Versuchsablaufs in der Realität direkt rückgekop-pelt. Zum Beispiel sind Fehlbedienungen, Gefahren-situationen oder das Abweichen vom ‚idealen’ Ver-suchsverlauf automatisch erkennbar. Das multimo-dale AR-Display des S2L lenkt die Aufmerksamkeit und blendet (animierte) Hinweise und Hilfen unmit-telbar am Ort des Geschehens ein. Im digitalen Lernmaterial visualisiert das Zeigen auf einen Be-griff oder ein grafisches Symbol das korrespondie-rende Objekt in der Realität – und umgekehrt. Er-gänzende Inhalte (Erläuterungen, Handlungsanlei-tungen, Tests) lassen sich in der Bedarfssituation dynamisch bereitstellen und erhalten so eine für die Lernenden unmittelbare Relevanz im realen Experi-mentierprozess. 3.3. Lernanalyse und tutorielle Assistenz Wir gehen im Rahmen der inzwischen allgemein akzeptierten konstruktivistischen Auffassung vom Lehr-Lernprozess davon aus, adaptive Mixed-Reality-Lernumgebungen anzubieten, die einen erfahrungsbasierten, selbstgesteuerten Aufbau von Wissensstrukturen effektiv unterstützen. Ausgangs-punkt für Lehr-Lernprozesse sind reale Probleme in authentischen Situationen, entsprechend den Ansät-zen des „Situierten Lernens“ (Fölling-Albers et al. 2004) und der „Anchored Instruction“ (AI) (Brans-ford et al. 1990). Das Forschungsgebiet der Lernana-lyse (Chatti et al. 2012) beschäftigt sich mit der Aggregation, Analyse und Interpretation von Ler-ner*innen-Daten, mit dem Ziel, Lernfortschritte zu messen und zu verbessern. Die Echtzeit-Lernanalyse ermöglicht eine unmittelbare Rückmeldung über den Stand des individuellen Lernprozesses. Dies ist eine wesentliche Grundlage für die Personalisierung des Lernens oder die Steuerung tutorieller Assistenz. Im Vorhaben sollen auf dieser Basis neuartige Verfah-ren entwickelt und untersucht werden, welche Mess-größen, Interaktions- oder Handlungsmuster aus realen Laborszenarien als Indikatoren im Rahmen der Lernanalyse einbeziehen. Ausgehend von einer kontextorientierten Aufgaben- oder Problemstellung ist der Experimentierprozess durch die Phasen Pla-nung, Durchführung und Nachbereitung gekenn-zeichnet. Über die enge Vernetzung von realer Er-fahrung mit virtuellen Elementen der Lernumgebung lässt sich dieser Zyklus über die Präsenzphase in neuer Qualität erweitern. Es werden Anlässe ge-schaffen, erforderliches Wissen zu erarbeiten, und Möglichkeiten gegeben, dies bedarfsgerecht und individuell zu verfolgen. Das didaktische Konzept sieht beispielsweise vor, die theoretischen Grundla-gen nicht im Lernmaterial voranzustellen, sondern erst dann bereitzustellen, wenn sich für die/den Ler-nenden ein Theoriebedarf aus der Notwendigkeit für die Problemlösung ergibt. Das kann z. B. bereits in der Planungsphase der Fall sein oder auch später im Experimentierprozess selbst, etwa bei Problemen bei der sachgerechten Handhabung eines Gerätes. Die Lernangebote sollen den Lernprozess begleiten, ohne fertiges Wissen vorzugeben. Sie integrieren Werkzeuge für den aktiven Kompetenzerwerb und bieten Funktionen zum Sammeln, Präsentieren und Strukturieren von Lernergebnissen. 4. Projektbegleitende EvaluationIn einem iterativen Prozess sollen das System und dessen Bestandteile evaluiert werden. Wir wählen dafür einen qualitativen Ansatz, der neben der Si-cherstellung der Benutzerfreundlichkeit und Lern-förderlichkeit auch die Einbettung des Systems in den Lern/Lehralltag und die Unterrichtssituation mit berücksichtigt. In den frühen Phasen des Projekts wurden bereits Mock-Ups der Demonstratoren sowie Abb.3: Beispielhafte Darstellung einer Mixed-Reality-Experimentierumgebung mit Aufprojektion. 215Ermel et al.  der Autorenumgebung evaluiert (u. a. in Fokusgrup-peninterviews mit Praktikumsleitern als Ex-pert*innen, sowie Usability-Studien in Form geleite-ter Walk-throughs, die Lernsituationen simulieren), um Expert*innenfeedback zur Systemfunktionalität zu erhalten. Im weiteren Verlauf werden die Proto-typen der Demonstratoren heuristisch evaluiert und anhand vereinfachter Szenarien in Nutzerstudien untersucht. In der finalen Evaluation werden die Demonstratoren im Rahmen von videobasierten Studien probeweise in Experimentalsituationen eingesetzt. Mit Hilfe der Think-Aloud-Methode kann ein Einblick in die Denkprozesse der Lernen-den gewonnen werden. Durch den Einsatz des S2L Prototypen im universitären Unterricht (z. B. in den Laborpraktika) werden zudem Erfahrungen dazu gewonnen, wie sich das System in den Lehralltag einfügt, wie es das Lernen verändert, und welche Maßnahmen für die optimale Integration in Lehr-Lernkontexte aus der Perspektive der Lehrenden notwendig sind. Aus den hier gewonnenen Einsich-ten können Empfehlungen zur Gestaltung künftiger S2L-Szenarien gewonnen werden, beispielsweise zur Positionierung und des Timings von Anweisun-gen im Experimentalaufbau, zur Dokumentation der Versuche im IBE. 5. ZusammenfassungDas Projekt ELIXIER hat zum Ziel, ein nahtloses Lernen zu erlauben und den Wechsel zwischen ver-schiedenen Lernaufgaben und Lernorten zu unter-stützen. Interaktive Bildschirmexperimente und die erweiterte Experimentierumgebung helfen, den Bruch zwischen theoretischer Vorbereitung und praktischen Anforderungen in physikalischen Prak-tika zu überwinden. Interaktive Medienbausteine ermöglichen das Experimentieren und Erkunden in Räumen und in Situationen, die in der Realität nicht zugänglich sind, und bieten eine hochgradige Modu-larität der interaktiven, webbasierten Inhalte. 6. LiteraturverzeichnisAzuma, R. T. (1997). A Survey of Augmented Rea-lity. Presence: Teleoperators and Virtual En-vironments 6 (4), 355–385. Bacca, J., Baldiris, S., Fabregat, R., Graf, S. & Kinshuk. (2014). Augmented Reality Trend in Education: A Systematic Review of Research an Applications. Educational Technology & Society 17 (4), 133–149. Bransford, J. D., Sherwood, R. D., Hasselbring, T. S., Kinzer, C. K. & Williams, S. M. (1990). An-chored Instruction: Why We Need It and How Technology Can Help. Cognition, education, and multimedia: Exploring ideas in high technology, 115–141. Chatti, M. A., Dyckhoff, A. L., Schroeder, U. & Thüs, H. (2012). A Reference Model for Learn-ing Analytics. International Journal of Techno-logy Enhanced Learning (IJTEL) (4), 318–331. Dörner, R., Broll, W., Grimm, P. & Jung, B. (Hrsg.). (2013). Virutal und Augmented Reality (VR/AR). Berlin: Springer-Verlag. Fölling-Albers, M., Hartinger, A. & Mörtl-Hafizovic, D. (2004). Situiertes Lernen in der Lehrerbildung. Zeitschrift für Pädagogik 50 (5), 727–747. Hettmannsperger, R. (2015). Lernen mit multiplen Repräsentationen aus Experimenten. Ein Beitrag zum Verstehen physikalischer Konzepte. Wies-baden: Springer Fachmedien Wiesbaden. Hucke, L. (1999). Handlungsregulation und Wis-senserwerb in traditionellen und Computerge-stützten Experimenten des physikalischen Prakti-kums. Dissertation, Universität Dortmund. Dort-mund. Kirstein, J. & Nordmeier, V. (2007). Multimedia representation of experiments in physics. Euro-pean Journal of Physics 28 (3), S115-S126. Kreiten, M. (2012). Chancen und Potenziale web-basierter Aufgaben im physikalischen Praktikum. Dissertation, Universität zu Köln. Köln. Kultusministerkonferenz (Hrsg.). (2016). Bildung in der digitalen Welt. Strategie der Kultusminister-konferenz. Berlin: KMK Berlin. Ladel, S., Knopf, J. & Weinberger, A. (Hrsg.). (2018). Digitalisierung und Bildung. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden. Mühlenbruch, T., Rehfeldt, D. & Nordmeier, V. (2014). TSL: Interventionsgestaltung im Neben-fachpraktikum. Radu, I. (2014). Augmented reality in education. A meta-review and cross-media analysis. Personal and Ubiquitous Computing 18 (6), 1533–1543. Salmi, H., Thuneberg, H. & Vainikainen, M.-P. (2016). Making the invisible observable by Augmented Reality in informal science educati-on context. International Journal of Science Education, Part B 7 (3), 253–268. Schmid, U., Goertz, L., Behrens, J., Michel, L. P., Radomski, S. & Thom, S. (2017). Monitor Digi-tale Bildung. Die Hochschulen im digitalen Zeit-alter. Gütersloh: Bertelsmann Stiftung. Theyßen, H. (2000). Ein Physikpraktikum für Stu-dierende der Medizin. Darstellung der Entwick-lung und Evalation eines adressatenspezifischen Praktikums nach dem Modell der Didaktischen Rekonstruktion. Berlin: Logos Verlag. Zastrow, M. U. (2001). Interaktive Experimentieran-leitungen. Entwicklung und Evaluation eines Konzeptes zur Vorbereitung auf das Experimen-tieren mit Messgeräten im physikalischen Prakti-kum (Studien zum Physiklernen, Bd. 18). Berlin: Logos-Verl. (Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2001). 216

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