Mit Virtual Reality zu beruflichen Handlungskompetenzen

Die «Erstprüfung» elektrischer Installationen ist eine zentrale Handlungskompetenz von Elektrofachpersonen. Aber die Vermittlung dieser Handlungskompetenz stellt die Lernorte vor erhebliche Herausforderungen, was auch die ernüchternden Resultate in den Qualifikationsverfahren zeigen. Ein interdisziplinäres Innovationsprojekt der PH Zürich und der ZHAW nimmt sich dieser Problematik an und erprobt das Potenzial von Virtual Reality (VR) für den Aufbau beruflicher Handlungskompetenzen am Beispiel der Erstprüfung. Im Projekt wurde der Prototyp einer VR-Lernumgebung für Berufslernende der Elektrobranche entwickelt und dessen Wirkung in einer Feldstudie evaluiert. Die Resultate wiesen auf das Potenzial dieser Technologie für das berufliche Lernen hin.

1 Ausgangslage

Der Effekt der VR-Lernumgebung auf das Erlernen der Erstprüfung wurde im Frühlingssemester 2022 in einer Feldstudie mit 78 Lernenden im letzten Ausbildungssemester untersucht.

Mit der rasanten Entwicklung von Virtual Reality (VR) wird es immer einfacher, in technisch erzeugte 3D-Welten einzutauchen und mit Objekten zu interagieren.[1] Als «technologiegestützte Erfahrungswelten» (Zinn 2020) wird VR deshalb auch als Ergänzung der beruflichen Ausbildung zunehmend interessant, da damit komplexe Inhalte realitätsnah aufbereitet, vermittelt und somit berufliche Fertigkeiten gefördert werden können (Kim u.a. 2020; Goertz, Fehling, und Hagenhofer 2021; Cattaneo 2022). VR-Lernumgebungen werden in der beruflichen Grundbildung bisher jedoch kaum systematisch eingesetzt; die Forschungslage ist noch mangelhaft und das Potenzial der Technologie für die Aneignung beruflicher Kompetenzen erscheint noch unklar (Wolfartsberger 2022, 298).

2 Projektziel und Methode

Um diese Lücken zu schliessen, wurde im vorliegenden Forschungsprojekt (DIZH 2022) die Implementierung einer VR-Lernumgebung in der beruflichen Grundbildung am Beispiel der Ausbildung von Elektrofachpersonen untersucht (Berger u.a. 2022; Nechita u.a. 2022). Die Basis bildete ein Design-Based Research-Ansatz (DBR), der darauf abzielt, durch die theoretisch fundierte Entwicklung und Erprobung einer praxisorientierten Lösung den Mehrwert einer Technologie wie VR für die berufliche Grundbildung zu validieren (Euler und Wilbers 2020). Auf der Grundlage des generischen DBR-Models von Euler (Euler 2014) wurde das Projekt in die drei Phasen Analyse (Abschnitt 3), Prototyping/formative Evaluation und summative Evaluation (Abschnitt 4) strukturiert.

Die Phase der Design-Entwicklung bildet den Kern des DBR-Ansatzes; in diesem Rahmen wurde ein didaktisches Konzept erstellt, das Eigenschaften und Leitprinzipien der VR-Lernumgebung spezifizierte. Im vorliegenden Artikel wird der Schwerpunkt aber auf die dritte Projektphase gelegt, um Hinweise zum generellen Potenzial von VR-Lernumgebungen für die berufliche Grundbildung zu erhalten. Grundlage dafür ist eine Feldstudie mit klassischem analytischem Design (Abschnitt 5).

Die erforderliche Verschränkung von fachlichem, pädagogischem und technologischem Wissen wurde u.a. durch die Kooperation zwischen dem Verband für Elektroberufe EIT.swiss, der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) und der Pädagogischen Hochschule Zürich sichergestellt. Das Projekt wurde gefördert von der Digitalisierungsinitiative der Zürcher Hochschulen (DIZH).

3 Auswahl der beruflichen Situation

Im Curriculum der Ausbildung von Elektrofachpersonen wurde eine berufliche Handlungssituation gesucht, die sich aus fachdidaktischer und technologischer Perspektive für eine VR-Lernumgebung eignet. Diese wurde in der Erstprüfung gefunden, der jede elektrische Anlage vor Inbetriebnahme unterzogen werden muss. Die Erstprüfung ist deshalb eine zentrale berufliche Handlungskompetenz und gewichtiger Bestandteil des praktischen Teils des Qualifikationsverfahrens (QV) von Elektroinstallateuren[2] und seit 2018 auch von Montage-Elektrikerinnen. Lernende erhalten erfahrungsgemäss in der betrieblichen Ausbildung aber nur bedingt Gelegenheit, die Erstprüfung durchzuführen – wohl mit ein Grund für die schlechten Resultate im Qualifikationsverfahren (Bertinelli 2020).

4 Erstellung der VR-Simulation und deren pädagogische Rahmung

Um Lernen in komplexen (realen oder virtuellen) Situationen zu ermöglichen, bedarf es einer pädagogischen Rahmung der Situationen (Dehnbostel 2006). Deren Grundlage bilden pädagogische Leitprinzipien. Im Kontext von VR-Lernumgebungen stellen sich zahlreiche konzeptuelle Prinzipien als anschlussfähig dar (Loke 2015; Zinn 2019; Zinn u.a. 2020; Schwendimann u.a. 2015). Mit dem im DBR-Forschungsansatz angelegten Ziel, verallgemeinerbare Gestaltungsprinzipien zu generieren, suchten wir Theorien mittlerer Reichweite (Euler 2017) und spezifizierten sie zur pädagogischen Gestaltung der Lern- Lehrsituationen:

• den Scaffolding-Ansatz, um den Lernprozesses innerhalb des virtuellen Raums zu modulieren;
• die Kompetenzorientierung, die die zentrale Verbindung von systematischem und handlungsgebundenem Lernen sicherstellt;
• den Gamification-Ansatz, der die Lernenden zusätzlich motiviert.

Aus der VR-Simulation sollte so eine VR-Lernumgebung werden, in der die Lernenden selbstständig an der spezifischen Handlungskompetenz der Erstprüfung arbeiten können.

5 Feldstudie

Design

Der Effekt der VR-Lernumgebung auf das Erlernen der Erstprüfung wurde im Frühlingssemester 2022 in einer Feldstudie mit 78 Lernenden im letzten Ausbildungssemester untersucht (35 Elektroinstallateurinnen, 43 Montage-Elektriker). Die Lernenden wurden im Rahmen von QV-Vorbereitungskursen im Januar 2022 auf ihre Handlungskompetenz «Erstprüfung» getestet (pre-test). Danach wurden sie angewiesen, über einen Zeitraum von ca. zwei Monaten während ihrer betrieblichen Ausbildungszeit an der Durchführung der Erstprüfung zu arbeiten. Als zeitliche Richtgrösse wurde insgesamt 120 Minuten, verteilt auf mehrere Zeitfenster, vorgegeben.

Die Lernenden der Interventionsgruppe wurden zudem instruiert, dabei die VR-Lernumgebung (VR-Headsets des Typs Oculus Quest 2) zu nutzen, in deren Anwendung sie zuvor eingeführt wurden. Die Lernenden der Kontrollgruppe wurden gebeten, für die Vorbereitung die herkömmlichen Lern- und Lehrmittel im Rahmen desselben Zeitrahmens zu benutzen.

Die Interventionsphase endete mit dem praktischen Teil des Qualifikationsverfahrens (QV, post-test). Die pre-und post-tests erfolgten mittels praktischer Einzeltest gemäss Vorgaben (EIT.swiss 2020a; 2020b). Darin erteilten Experten den Lernenden Handlungsaufgaben an Übungsinstallationen und beurteilten diese. Die Vergleiche zwischen Interventions- und Kontrollgruppe erfolgten mittels Mittelwertvergleich (T-Test) mit Messwiederholung. Unterschiede zwischen den untersuchten Ausbildungsberufen wurden anhand einer Varianzanalyse analysiert.

Resultate

Bei den Montage-Elektrikern hingegen zeigt sich ein signifikanter Unterschied, der gross ausfällt. So lag hier die Entwicklung der Testresultate der Interventionsgruppe (n=24) gegenüber der Kontrollgruppe (n=19) um durchschnittlich .84 Notenpunkte höher.

Von 78 ausgewählten, im pre-test auf die Handlungskompetenz Erstprüfung getesteten Lernenden konnten darauf im post-test noch 68 getestet werden. Die Lerndauer der Interventionsgruppe (Anwendung der VR-Lernumgebung) betrug gemäss Selbstauskunft der Lernenden durchschnittlich 67.84 Minuten, was unterhalb des vorgegebenen Zeitrahmens von 120 Minuten lag, allerdings streuen die Zeitwerte sehr stark (SD= 42.26). Die Lerndauer der Kontrollgruppe wurde nicht erhoben. Tabelle 1 zeigt die Testresultate im pre-test und post-test und deren unterschiedliche Entwicklung. Beide Gruppen wiesen im pre-test einen ungenügenden und beim post-test einen genügenden Notenwert auf, wobei dieser bei der Interventionsgruppe im pre-test um .62 tiefer und im post-test um .14 höher ausfiel.

Das Delta der Testresultate lag bei den Lernenden der Interventionsgruppe durchschnittlich um 0.77 Notenpunkte höher als bei den Lernenden der Kontrollgruppe. Dieser Unterschied ist statistisch signifikant (95%-CI[0.12, 1.15]), t(66)=2.98,p = .008). Es zeigte sich ein mittelgrosser Effekt der VR-Lernumgebung auf die Entwicklung der Testresultate (Cohen’sd=0.60).

In der Stichprobe befanden sich zwei Ausbildungsberufe mit unterschiedlicher Ausbildungsdauer: 25 Elektroinstallateurinnen (vierjährige Ausbildung) und 43 Montage-Elektriker (dreijährig). Eine einfaktorielle, univariate Varianzanalyse mit Messwiederholung zeigt, dass die Entwicklung der Testresultate mit dem Ausbildungsberuf zusammenhängt (F(1,33) = 6.919,p= .013, η²= .173,n= 35); sie fiel bei den Montage-Elektrikerinnen stärker positiv aus, wobei die Elektroinstallateure im pre-test einen wesentlich höheren Wert erreichten (Tabelle 2). Bei den Montage-Elektrikern sind die unterschiedlichen Ergebnisse in den pre-testsauffallend; sie können nicht erklärt werden, da bei der Einteilung der Lernenden in die Gruppen die Noten noch nicht bekannt waren.

Bei den Elektroinstallateurinnen ergab sich bei der Entwicklung der Testresultate ein kleiner Unterschied zwischen den elf Lernenden der Interventionsgruppe und den 14 Lernenden der Kontrollgruppe von 0.12 Notenpunkten, dessen Signifikanz jedoch nicht nachgewiesen werden kann. Bei den Montage-Elektrikern hingegen zeigt sich ein signifikanter Unterschied, der gross ausfällt. So lag hier die Entwicklung der Testresultate der Interventionsgruppe (n=24) gegenüber der Kontrollgruppe (n=19) um durchschnittlich .84 Notenpunkte höher. Es manifestierte sich dabei ein mittlerer bis starker Effekt (Cohen’sd=0.97) der VR-Lernumgebung auf die Entwicklung der Testresultate der Montage-Elektriker, der statistisch signifikant ist. Bei der Interpretation der Studienresultate muss beachtet werden, dass kombinierte Analysen aufgrund der Stichprobengrösse nicht möglich waren.

6 Diskussion und Ausblick

Im Projekt hat sich ein realistisches Potenzial der VR-Technologie für einen Einsatz im Rahmen der beruflichen Grundbildung gezeigt. Die Erkenntnisse weisen darauf hin, dass virtuelle Erfahrungs- und Lernräume betriebliches Lernen unterstützen und für den Aufbau klar definierter beruflicher Handlungskompetenzen wirksam sein können. Die im Projekt signifikant höhere Wirksamkeit der exemplarischen VR-Lernumgebung bei Montage-Elektrikerinnen (dreijährige Ausbildung mit höherem Bezug zu praktischen Tätigkeiten) gegenüber Elektroinstallateuren (vierjährige Ausbildung mit höheren Anforderungen im Wissensbereich) weist auf mögliche differentielle Effekte in Einsatz und Konzeption von VR-Umgebungen für die Berufsbildung hin. Weitere Forschung könnte beispielweise an die Befunde anknüpfen, dass lernschwächere Personen besonders stark von einem didaktisch eng angeleiteten Lernsetting profitieren können (Knöll 2007; Nickolaus, Knöll, und Gschwendtner 2006), wie es in der erprobten VR-Simulation realisiert war.

Im Rahmen des Projekts wurde ein erprobter Prototyp für den Einsatz einer VR-Applikation in der Berufsbildung entwickelt. Die Entwicklung eines Geschäfts- und Betriebsmodells für den weiteren Einsatz dieser Applikation wird zurzeit mit der im Projekt beteiligten Praxispartnerin Bandara VR GmbH erarbeitet. Sie übernimmt die bisherige Entwicklungsarbeit der Hochschulen und entwickelt sie mit Pilotkunden aus der betrieblichen Praxis zu einem marktfähigen Produkt weiter.

[1] Zu den Autorinnen und Autoren des vorliegenden Beitrags:

• Martin Berger ist Dozent für Ausbildung Lehrpersonen Sekundarstufe II, Pädagogische Hochschule Zürich (PHZH)
• Katrin Kraus ist Inhaberin des Lehrstuhls für Berufs- und Weiterbildung am Institut für Erziehungswissenschaft der Universität Zürich.
• Thomas Keller ist Professor in Wirtschaftsinformatik an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Management and Law, Institut für Wirtschaftsinformatik
• Elke Brucker-Kley ist Senior Research Associate an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Management and Law, Institut für Wirtschaftsinformatik
• Janick Michot ist Research Assistant an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Management and Law, Institut für Wirtschaftsinformatik
• Reto Knaack ist Dozent und Studiengangleitung Master of Science ZHAW in Engineering an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, School of Enginering, Abteilung Lehre

Eine ausführlichere Version des Textes erschien im deutschen Magazin bwp@. Sie ist online open access zugänglich (Berger u.a. 2022).

[2] Transfer löst das Anliegen der gendergerechten Formulierung mit der willkürlichen Verwendung von weiblichen und männlichen Bezeichnungen. Wo nur Männer oder Frauen gemeint sind, wird dies explizit gemacht.

Literatur

• Berger, Martin, Katrin Kraus, Thomas Keller, Elke Brucker-Kley, und Knaack. 2022. Virtuelle Lernumgebungen in der betrieblichen Ausbildung – eine Analyse am Beispiel der Elektrobranche in der Schweiz. Berufs- und Wirtschaftspädagogik online, Nr. 43.
• Bertinelli, Ermano. 2020. Kann mit Hilfe von Videosequenzen, als unterstützende Massnahme zum Messkurs, die Handlungsfähigkeit des Montagepersonals bei der Erstprüfung gesteigert werden? Fallbeispiel zur Entwicklung der Weiterbildung in einem Elektrogrossbetrieb in der Schweiz. Urdorf: unveröffentlicht.
• Cattaneo, Alberto. 2022. Digitales Lernen: Nutzen wir wirklich alle Möglichkeiten?: Überlegungen zur Integration von Technologien in die Berufsbildung. Transfer, Berufsbildung in Forschung und Praxis (3/2022), SGAB, Schweizerische Gesellschaft für angewandte Berufsbildungsforschung.
• Dehnbostel, Peter. 2006. Lernen im Prozess der Arbeit. Münster: Waxmann.
• Deterding, Sebastian, Dan Dixon, Rilla Khaled, und Lennart Nacke. 2011. From game design elements to gamefulness: defining «gamification». In Proceedings of the 15th International Academic MindTrek Conference: Envisioning Future Media Environments, 9–15.
• Dietzen, Agnes. 2015. Die Rolle von Wissen in Kompetenzerklärungen und im Erwerb beruflicher Handlungskompetenz. In Kompetent – wofür? Life skills – Beruflichkeit – Persönlichkeitsbildung: Beiträge zur Berufsbildungsforschung, herausgegeben von Michaela Stock, Peter Schlögl, und Daniela Moser, 39–53. Innsbruck: Studienverlag.
• DIZH. 2022. Virtual Reality als Lernort für die Berufliche Grundbildung. DIZH -Digitalisierungsinitiative des Kantons Zürich. 3. Januar 2022.
• EIT.swiss. 2020a. Wegleitung zum Qualifikationsverfahren Elektroinstallateurin/Elektroinstallateur EFZ.
• EIT.swiss. 2020b. Wegleitung zum Qualifikationsverfahren Montage-Elektrikerin/Montage-Elektriker EFZ.
• Euler, Dieter. 2014. Design Research – a paradigm under development. In Zeitschrift für Berufs- und Wirtschaftspädagogik (Beiheft), herausgegeben von Dieter Euler und Peter F. E. Solane, 27:15–45. Franz Steiner.
• Euler, Dieter. 2017. Design Principles as Bridge between Scientific Knowledge Production and Practice Design. EDeR. Educational Design Research 1 (1).
• Euler, Dieter, und Karl Wilbers. 2020. Berufsbildung in digitalen Lernumgebungen. In Handbuch Berufsbildung, herausgegeben von Rolf Arnold, Antonius Lipsmeier, und Matthias Rohs, 427–38. Wiesbaden: Springer VS.
• Goertz, Lutz, Christian Dominic Fehling, und Thomas Hagenhofer. 2021. COPLAR-Leitfaden: Didaktische Konzepte identifizieren – Community of Practice zum Lernen mit AR und VR.
• Kim, Kevin Gonyop, Catharine Oertel, Martin Dobricki, Jennifer K. Olsen, Alessia E. Coppi, Alberto Cattaneo, und Pierre Dillenbourg. 2020. Using Immersive Virtual Reality to Support Designing Skills in Vocational Education. British Journal of Educational Technology 51 (6): 2199–2213.
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• Loke, Swee-Kin. 2015. How do virtual world experiences bring about learning? A critical review of theories. Australasian Journal of Educational Technology 31 (1).
• Nechita, Teodora, Reto Knaack, Martin Berger, Thomas Keller, Elke Brucker-Kley, und Janick Michot. 2022. Work-In-Progress – Virtual Reality for Basic Vocational Training. In , 1–3. IEEE.
• Nickolaus, Reinhold, Bernd Knöll, und Tobias Gschwendtner. 2006. Methodische Präferenzen und ihre Effekte auf die Kompetenz-und Motivationsentwicklung–Ergebnisse aus Studien in anforderungsdifferenten elektrotechnischen Ausbildungsberufen in der Grundbildung. ZBW 102: 552–77.
• Palmas, Fabrizio, David Labode, David A Plecher, und Gudrun Klinker. 2019. Comparison of a gamified and non-gamified virtual reality training assembly task. In IEEE 11th International Conference on Virtual Worlds and Games for Serious Applications (VS-Games), 1–8. IEEE.
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• Zinn, Bernd. 2019. Editorial: Lehren und Lernen zwischen Virtualität und Realität. Journal of Technical Education 7 (1): 16–31.
• Zinn, Bernd, Hrsg. 2020. Virtual, Augmented und Cross Reality in Praxis und Forschung: technologiebasierte Erfahrungswelten in der beruflichen Aus-und Weiterbildung: Theorie und Anwendung. Stuttgart: Franz Steiner Verlag.
• Zinn, Bernd, Carolin Peltz, Qi Guo, und Sunita Ariali. 2020. Konzeptionalisierung virtueller Lehr- und Lernarrangements im Kontext des industriellen Dienstleistungsbereichs des Maschinen- und Anlagebaus. In Virtual, Augmented und Cross Reality in Praxis und Forschung – Technologiebasierte Erfahrungswelten in der beruflichen Aus-und Weiterbildung–Theorie und Anwendung., herausgegeben von Bernd Zinn, 141–68. Stuttgart: Franz Steiner Verlag.

Zitiervorschlag

Sechs Autorinnen und Autoren, 2023: Mit Virtual Reality zu beruflichen Handlungskompetenzen: Fallbeispiel aus der beruflichen Grundbildung für Elektroberufe. Transfer, Berufsbildung in Forschung und Praxis (1/2023), SGAB, Schweizerische Gesellschaft für angewandte Berufsbildungsforschung.

Quelle:

https://sgab-srfp.ch/mit-virtual-reality-zu-beruflichen-handlungskompetenzen/