Utilizing Augmented Reality to Support Internal Model Representation in Organic Chemistry
Final Report Abstract
Im Rahmen des Vorhabens „Förderung internaler Modellrepräsentation in Organischer Chemie durch Augmented Reality“ wurde untersucht, inwiefern augmented reality (AR) gestütztes Lernmaterial im Vergleich zu äquivalentem, klassischem Lernmaterial zu verschiedenen Inhaltsbereichen der organischen Chemie hinsichtlich des Lernzuwachses, der kognitiven Belastung und des situationalen Interesses von Chemiestudierenden wirkt. Ergänzend wurde die Frage untersucht, welche Rolle die räumlichen Fähigkeiten von Studierenden beim Lernen mit AR gestütztem Lernmaterial spielen und inwiefern sich differenzielle Effekte nachweisen lassen. Um die vier Forschungsfragen des Projekts beantworten zu können, wurden während der Projektlaufzeit eine qualitativ ausgerichtete Interviewstudie (N = 20) sowie zwei experimentelle Studien (N = 61; N = 272) durchgeführt. Als Proband:innen wurden Chemiestudierende verschiedener deutscher Hochschulen herangezogen, die mit eigens entwickeltem Selbstlernmaterial und einer AR-Anwendung lernten, die die Visualisierung von dreidimensionalen, interaktiven fachbezogenen Modellen ermöglichte. Im Zuge der Vorstudie konnten Erkenntnisse darüber gewonnen werden, inwiefern die Lernenden die AR-Unterstützung für eigene Lernprozesse nutzen. Zudem wurde das Material sowie die eingesetzten Testinstrumente pilotiert. Das erste geplante Experiment des Vorhabens wurde mit Chemiestudierenden an aufeinanderfolgenden Terminen im Rahmen einer regulären Vorlesung durchgeführt. Während eine Gruppe von Studierenden mit Text/Bild basiertem Selbstlernmaterial lernte, erhielt eine weitere Gruppe das identische Material, jedoch mit der Möglichkeit, interaktive 3D-Modelle mittels AR zu visualisieren. Als zentrales Ergebnis des ersten Experiments des Vorhabens bleibt festzuhalten, dass die kognitive Belastung und die lernförderliche Wirkung der AR-Unterstützung von der Komplexität des zu vermittelnden fachlichen Konzepts und dem Vorwissen der Lernenden abzuhängen scheinen. Diese Annahme wird durch Erkenntnisse des zweiten realisierten Experiments gestützt, in dessen Rahmen eine weitere Experimentalgruppe realisiert wurde, die mit textbasiertem Lernmaterial lernte, das anstelle zweidimensionaler Visualisierungen ausschließlich die dreidimensionale Informationspräsentation mittels AR umfasste. Aufgrund der Pandemie bedingten Einschränkungen im Lehrbetrieb deutscher Hochschulen während der Projektlaufzeit musste die Datenerhebung für das zweite durchgeführte Experiment angepasst werden, indem die Datenerfassung vollständig App-basiert umgesetzt wurde und die Studierenden in Heimarbeit mit dem Material lernten. Es zeigt sich, dass sich die lernförderliche Wirkung einer AR-Visualisierung dann entfalten kann, wenn Lernende über geringes Vorwissen hinsichtlich des zugrundeliegenden Konzepts verfügen und den Nutzen der zusätzlichen Visualisierung subjektiv wahrnehmen. Zudem deutet sich an, dass die mediale Lernunterstützung den negativen Zusammenhang zwischen intrinsischer kognitiver Belastung und fachlicher Leistung abschwächen kann. Aus den Ergebnissen des Vorhabens lassen sich Implikationen für die Hochschullehre im Fach Chemie ableiten. Zudem bieten sich Ansatzpunkte für weitere fachdidaktische Forschung im Bereich des AR-gestützten Lernens.
Publications
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Who can benefit from augmented reality in chemistry? Sex differences in solving stereochemistry problems using augmented reality. British Journal of Educational Technology, 51(3), 629-644.
Habig, Sebastian
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Förderung internaler Modellbildung durch Augmented Reality. In: S. Habig (Hrsg.), Naturwissenschaftliche Kompetenzen in der Gesellschaft von morgen. Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Jahrestagung in Wien 2019. (S. 991). Universität Duisburg-Essen.
Keller, S., Rumann, S. & Habig, S.
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Potentiale von Augmented Reality für das Erlernen der organischen Chemie. Naturwissenschaftlicher Unterricht und Lehrerbildung im Umbruch. In: S. Habig (Hrsg.), Naturwissenschaftlicher Unterricht und Lehrerbildung im Umbruch? Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik, Online Jahrestagung 2020. (S. 733). Universität Duisburg-Essen.
Keller, S., Habig, S. & Rumann, S.
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Cognitive Load Implications for Augmented Reality Supported Chemistry Learning. Information, 12(3), 96.
Keller, Sebastian; Rumann, Stefan & Habig, Sebastian
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Supporting Spatial Thinking in Organic Chemistry Through Augmented Reality—An Explorative Interview Study. Student Reasoning in Organic Chemistry, 19-35. The Royal Society of Chemistry.
Keller, Sebastian & Habig, Sebastian
