Virtualisierung und Simulationen - Was sagt die Wissenschaft?

Was sagt die Wissenschaft?

Immersive Virtual Reality (I-VR) hat sich von ihren Anfängen im Flugtraining zu einem „vielversprechenden Werkzeug zur Verbesserung von Lernerfahrungen“ entwickelt. Eine umfassende Meta-Analyse von Coban et al. (2022), die 48 Studien aus den Jahren 2016 bis 2020 auswertete, zeigt auf, welche Potenziale und Hürden diese Technologie für den modernen Unterricht bietet.

Bevor wir uns den Ergebnissen im Bereich der Virtualisierung zuwenden, ordnen wir hier kurz allgemein die Effektstärken nach Hattie ein:

• < 0: negative Effekte

• 0,4: Mittelwert aller von Hattie untersuchten Merkmale

• > 0,4: bedeutsame Effekte, weil überdurchschnittlich

• > 0,6: entspricht einem Lernzuwachs von mehr als einem gesamten Schuljahr

(Quelle: Differenzieren mit digitalen Medien | Basisbeitrag | mebis Magazin)

Wirksamkeit digitaler Tools im MINT- Unterricht

Die Ergebnisse der Forschung sind ermutigend für jede Lehrkraft, die dem Einsatz von VR positiv gegenüber steht: I-VR hat, je nach Einsatzart und Moderatoren, einen mittleren Effekt von 0.63 in Naturwissenschaften und Mathematik. Interessant für Lehrkräfte ist vielleicht, dass dieser Effekt in der schulischen Bildung (K-12) mit einem Wert von g = 0.61 deutlich stärker ausgeprägt ist als im Hochschulbereich (g = 0.31). Dies legt nahe, dass „jüngere Schüler stärker von immersiven Lernerfahrungen profitieren könnten“ (Jensen 2018). Im direkten Vergleich ist I-VR zwar „effektiver als traditionelle Lernmethoden“, bietet jedoch gegenüber dem klassischen Lernen am Computer nur einen leichten Vorteil. Die Metaanalyse von Hillmayr et al. (2020) untersucht die Wirksamkeit digitaler Tools im MINT-Unterricht. Digitale Medien zeigen generell einen positiven Effekt (g = 0.65) auf die Leistung, mit spezifischen Anwendungen als besonders potenzialstark.

Die folgende Infografik zeigt einen Überblick einiger Ergebnisse der Studien.

Spezifische Unterschiede

Nicht jede Fachrichtung profitiert gleichermaßen von der virtuellen Welt. Die Meta-Analyse zeigt im Bereich der Hochschulbildung Unterschiede:

• Hohe Wirksamkeit: Besonders in technischen Bereichen wie Architektur und Ingenieurwesen ist der Einfluss auf den Lernerfolg sehr hoch.

• Geringe Wirksamkeit: In Fächern wie Biologie, Anatomie oder Zahnmedizin zeigten sich in der Hochschulbildung hingegen nur „minimale oder sogar negative Effekte“.

(Coban, M., Bolat, Y. I., & Goksu, I. 2022)

Wie schneidet die VR im Vergleich zu anderen Lernmethoden in der Sekundarstufe ab?

VR ist laut Studienlage etwas besser als traditioneller Unterricht:

• I‑VR vs. traditioneller Unterricht: g = 0.54

• Der Gesamteffekt für die Leistungen von SchülerInnen mit Unterricht mit digitalen Tools im Vergleich zu Unterricht ohne digitale Tools ist: g = 0.65. Die Effektstärke spezifisch für Virtual Reality beträgt g = 0.63.

• Die gezielte Schulung der Lehrkräfte erhöht die Wirksamkeit des Einsatzes digitaler Tools: g=0.84 gegenüber 0.56 ohne Schulung.

• Diese und andere sogenannte Moderatoren haben Einfluss auf die Wirksamkeit, siehe Infografik:

Wie wirken die verschiedenen technischen Ansätze in der virtuellen Realität?

1. Head-mounted displays (HMD): Diese VR-Brillen lassen Lernende „vollständig in eine digitale Umgebung eintauchen“ und haben einen positiven Einfluss auf das Lernen.

2. CAVE (Cave Automatic Virtual Environments): Hierbei werden virtuelle Welten auf die Wände eines ganzen Raumes projiziert, was ebenfalls den Lernerfolg fördert.

3. Mixed Reality (MR): Hier werden digitale Elemente in die reale Welt eingeblendet. Die Studien deuten jedoch darauf hin, dass MR „weniger effektiv für das Lernen“ ist, da sie „weniger Immersion bietet als vollständig virtuelle Umgebungen“.

👉 Je immersiver, desto lernwirksamer.

Simulationen im Unterricht

Simulationen im Unterricht der Primar- und Sekundarstufe sind digitale, interaktive Nachbildungen realer oder theoretischer Situationen, die es Schülerinnen und Schülern ermöglichen, technisch-naturwissenschaftliche, mathematische oder informatische Phänomene aktiv zu erkunden. Wir beschränken uns im folgenden Artikel auf digitale Anwendungen, wie interaktive Software, usw. Außen vor bleiben hier „analoge” Simulationen im Sinne von Planspielen, Rollenspielen, usw.

Kernmerkmale von Simulationen

Simulationen …

• bilden reale oder abstrakte Situationen digital nach.

• ermöglichen es Lernenden, Parameter dynamisch zu verändern, sodass sie eigene Hypothesen aufstellen, überprüfen und fachliche Vorstellungen entwickeln können, z. B. mit GeoGebra.

• unterstützen selbstständiges Lernen, besonders wenn sie mit interaktiven Aufgaben, Lehrvideos und Feedbacksystemen, z. B. in Lernplattformen kombiniert werden.

• verbinden Theorie und praktische Anwendung, indem sie Experimente, die sonst nicht oder nur schwer durchführbar wären, zugänglich machen (z. B. Elektronenbewegung in Feldern, Strahlung, Fourierzerlegung).

• fördern die visuelle, konzeptuelle und experimentelle Auseinandersetzung mit Fachinhalten – sowohl mit realistisch gestalteten Simulationen (z. B. mit PHET) als auch mit didaktisch reduzierten, schematischen MINT‑Apps (z. B. MINT-Apps von T. Kippenberg).

• sind durch ihre Interaktivität und strukturierten Aufgaben besonders geeignet für

  • Selbstlernphasen,

  • binnendifferenzierte Wiederholungssequenzen,

  • Flipped-Classroom-Szenarien,

  • komplette digitale Lerneinheiten (z. B. virtuelle LMU‑Experimente mit Prüfungsaufgaben).

Didaktische Funktionen im Sekundarbereich

Simulationen im Sekundarstufenunterricht sind leistungsstarke Werkzeuge, um gezielt Verständnis aufzubauen und zu sichern, indem sie interaktive Rückmeldungen (Töne, Bewegungen, Farbimpulse) oder Quizze direkt in den Lernprozess integrieren. Sie dienen insbesondere dazu, komplexe und abstrakte Prozesse – etwa aus der Physik (Quantenmechanik, Schwingungen, physikalische Felder), der Geographie (Treibhauseffekt), oder der Mathematik (3D- Darstellungen von Körpern, dynamische Darstellung von Funktionen und Zusammenhängen) – anschaulich und körperlich erlebbar zu machen. Ein praxisnahes Beispiel hierfür sind virtuelle 360-Grad-Rundgänge in technischen Großanlagen wie dem ASDEX Upgrade oder Wendelstein 7-X, die Einblicke in physikalische Abläufe ermöglichen, die in der Realität unzugänglich wären.

Darüber hinaus ermöglichen Simulationen eine strukturierte fachliche Kompetenzentwicklung, indem sie komplette Lernpfade abbilden, die systematisch von Experimenten über Aufgaben und Auswertungen bis hin zur abschließenden Prüfung führen. Ein wesentlicher didaktischer Mehrwert besteht darin, Fehlvorstellungen gezielt zu adressieren, da Lernende in der digitalen Umgebung unmittelbar erleben können, wie sich Parameteränderungen auf ein System auswirken. Da diese Lernhandlungen in der Simulation reversibel sind (Reset-Funktion), wird ein fehlerbasiertes Lernen ohne reale Risiken oder Kosten ermöglicht. Dies kann letztlich zu einer signifikanten Steigerung der Motivation und der Selbstwirksamkeit führen, da das Gefühl des „Dabeiseins“ (Präsenz) und die eigene Handlungsfähigkeit das Interesse am Fach vertiefen können.

Studienergebnisse zu Simulationen

1. Simulationen reduzieren die Komplexität

   • Abstrakte Inhalte (z. B. Wellen, Kräfte, Funktionsgraphen, Raumgeometrie) werden durch Visualisierung intuitiver und verständlicher. Simulationen machen unsichtbare Prozesse oft erst sichtbar.

   • Visualisierungen weisen eine hohe Effektstärke laut Hattie auf ( d = 0.75).

2. Simulationen erhöhen Interaktivität und Feedback

   • Lernende können gefahrlos experimentieren, Parameter ändern und Hypothesen überprüfen. Simulationsumgebungen geben direkte Rückmeldungen.

   • Dies stärkt Feedbackprozesse (Hattie: d = 0.70) und aktive Lernstrategien.

3. Simulationen verbessern das konzeptuelle Verständnis

   • Die Meta-Analysen (PhET: d = 0.83 bis d = 1.48) zeigen klar:
     Simulationen gehören zu den wirksamsten Methoden im modernen Unterricht. [online-journals.org], [academia.edu]

4. Sie fördern eigenständiges Lernen

   • Simulationen ermöglichen explorative Lernumgebungen – ein zentraler Lernfaktor (d ≈ 0.68).

Fazit

VR, AR und Simulationen und deren Derivate sind also auch kein Wundermittel, aber oft eine sinnvolle Ergänzung, unter Berücksichtigung flankierender Maßnahmen sogar eine deutliche Verbesserung, besonders wenn vorher nur klassische lehrerzentrierte Methoden eingesetzt wurden. Die Untersuchung von Erfolgsfaktoren (Moderatoren) bei den untersuchten Meta-Studien, z. B. von Hilmayr et. al. zeigen, dass die gezielte Schulung der Lehrkräfte die Wirksamkeit des Einsatzes digitaler Tools deutlich verbessert. (Hillmayr, Ziernwald, Reinhold, Hofer und Reiss, 2020)

In den anderen Artikeln zum Thema Virtualisierung und Simulationen werden weitere Facetten beleuchtet:

1. Virtualisierung- Ein Überblick

2. Startseite Virtualisierung bei klickpunktschule.bycs.de