Entwicklung von Virtual Reality im Bildungsbereich

Effizienz, inhaltliche Relevanz und Skalierbarkeit

ZeitschriftIndustry 4.0 Science
Ausgabe42. Jahrgang, 2026, Ausgabe 3, Seite 26-34
Open Accesshttps://doi.org/10.30844/I4SD.26.3.3
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Abstract

Während Virtual Reality das praxisorientierte Lernen erleichtern kann, steht ihre Entwicklung vor Hindernissen: hohe Kosten, hoher Zeitaufwand oder die Herausforderungen hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit. Dieser Artikel stellt zwei Fallstudien vor, die Strategien zur Überwindung solcher Hindernisse bei der Ausbildung der nächsten Generation von Fachkräften im Bereich Umwelttechnologien veranschaulichen. Durch die Untersuchung von Ansätzen zur Rationalisierung der Entwicklung sowie zur Steigerung der Relevanz und Skalierbarkeit von Inhalten werden Erkenntnisse für die zukünftige Praxis gewonnen. Abschließend wird eine Zukunftsvision entworfen, in der Bildungseinrichtungen flexibel und kosteneffizient Virtual-Reality-Prototypen in Lernkontexten entwickeln können, um die Übereinstimmung mit den Lehrplanzielen und den Bedürfnissen der Lernenden sicherzustellen.

Keywords

Artikel

Virtual Reality hat sich im Laufe der Zeit als Instrument für Bildung und Ausbildung etabliert [1]. Die besonderen Möglichkeiten der Virtual Reality, wie räumliche Präsenz und körpergebundene Interaktion, ermöglichen es den Lernenden, sich mit komplexen Konzepten auf eine Weise auseinanderzusetzen, die mit herkömmlichen Lehrmethoden nicht nachgebildet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht Virtual Reality den Zugang zu Lernkontexten, die entweder physisch oder aufgrund hoher Kosten unzugänglich sind.

Forschungsarbeiten unterstreichen die Potentiale der virtuellen Realität, das Engagement und die Motivation der Lernenden zu steigern [2–3], aktive und praxisnahe Lernerfahrungen zu fördern [3], die Ausbildungsergebnisse [4] und den Wissenserhalt [3, 5] zu verbessern sowie das Verständnis abstrakter Konzepte zu unterstützen [6]. Trotz dieser Vorteile birgt die Entwicklung von Virtual-Reality-Lernanwendungen zur Vorbereitung künftiger Arbeitskräfte auf Arbeitsumgebungen der Industrie 4.0 Herausforderungen in Bezug auf Zeit und Kosten, Zugänglichkeit, didaktische Relevanz und Skalierbarkeit:

  1. Die Entwicklung von Virtual-Reality-Anwendungen kann zeit- und kostenintensiv sein [3], wobei sowohl Zeit- als auch Kostenaufwand von der Art und Qualität der Inhalte abhängen. 360°-Videos und statische 3D-Rekonstruktionen lassen sich mit relative geringem Aufwand erstellen, während interaktive 3D-Umgebungen strukturierte und detaillierte geometrische Modelle sowie Verhaltensabläufe erfordern [8]. Die Qualität des Nutzererlebnisses hängt zudem von technischen Faktoren ab – reduzierte Latenz [9], visuelle und zeitliche Auflösung, hochwertige Medien –, die alle weitere Investitionen erfordern [8].
  2. Die technische Zugänglichkeit stellt eine Herausforderungen dar. 3D-Modelle von Maschinen und Industrieanlagen sind oft sehr komplex. Sie erfordern spezielle Computerhardware für die interaktive Nutzung, ohne dabei an Detailgenauigkeit einzubüßen. Um eine breite Zugänglichkeit zu gewährleisten, sollten interaktive Lernerfahrungen auf Mobilgeräten ohne teure Rendering-Server laufen. Auf diese Weise können Nutzer zwischen Präsentationsbildschirmen, Tablets, Mobiltelefonen und Mixed-Reality-Headsets wechseln.
  3. Die Entwicklung von Virtual-Reality-Anwendungen im Lernkontext wirft Herausforderungen hinsichtlich der didaktischen Relevanz und der Eignung für den Lehrplan auf. Im Vergleich zu E-Learning sind vorgefertigte Virtual-Reality-Lernressourcen rar und entsprechen möglicherweise nicht den curricularen Anforderungen [3]. Eine maßgeschneiderte Entwicklung von Virtual-Reality-Inhalten kann das Problem der didaktischen Relevanz lösen, ist jedoch mit hohen Kosten und einem hohen Zeitaufwand verbunden [3]. Da die Wirksamkeit von Virtual-Reality-Lernressourcen davon abhängt, wie gut sie konzipiert sind [1, 10], ist die Einbindung verschiedener Fachkompetenzen – Fachwissen, Kenntnisse in der Entwicklung von Virtual-Reality-Anwendungen und Expertise im Bereich der Unterrichtsgestaltung – von Vorteil. Die Einbindung verschiedener Interessengruppen durch Co-Creation kann eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung relevanter und gut gestalteter Virtual-Reality-Lernerfahrungen spielen.
  4. Maßgeschneiderte Lerninhalte für die Virtual-Reality sind möglicherweise nicht skalierbar, da sie wahrscheinlich nicht von mehreren Bildungseinrichtungen mit unterschiedlichen Lehrplänen genutzt werden. Darüber hinaus müssen Organisationen einen Ausgleich zwischen fallspezifischen Lernszenarien und dem Bedarf an wiederverwendbaren Softwarekomponenten finden.

In diesem Artikel stellen wir zwei Fallstudien vor, die sich mit der Entwicklung maßgeschneiderter Virtual-Reality-Lernszenarien im Bereich der Wasserwirtschaft befassen. Anhand dieser Fallstudien untersuchen wir Strategien zur Optimierung des Virtual-Reality-Entwicklungsprozesses im Hinblick auf die oben genannten Herausforderungen. 

In Deutschland stehen mehrere entsprechende Lernressourcen im Bereich Virtual Reality zur Verfügung, darunter der EDS® WWTP VR-Simulator für Kläranlagen [11], die VR-Entsalzungsanlage für Meerwasser [12], ein 360°-Modell einer Wasseraufbereitungsanlage [13] und eine Virtual-Reality-Simulation einer Pumpstation [14]. Allerdings passt keine der bestehenden Anwendungen vollständig zum Lehrplan und zu den Lernbedürfnissen der beiden an unserer Studie beteiligten Einrichtungen: der Berufsschule Bildungsverein der Ver- und Entsorgungsunternehmen Thüringen e.V. (BVE) und der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen).

Drei zentrale Forschungsfragen (RQ) leiteten unsere Forschung: 

  • RQ1. Wie können Co-Creation-Teilnehmer mit begrenzten Virtual-Reality-Kenntnissen einen sinnvollen Beitrag zur Gestaltung einer Virtual-Reality-Lernerfahrung leisten? 
  • RQ2. Wie kann ein Co-Creation-Ansatz einen optimierten Entwicklungsprozess für Virtual-Reality-Inhalte unterstützen?
  • RQ3. Wie können Herausforderungen hinsichtlich der Skalierbarkeit von Virtual-Reality-Lernerfahrungen im akademischen und beruflichen Bildungskontext bewältigt werden?

Die BVE-Fallstudie: Einsatz von Virtual Reality für groß angelegte Wasserinfrastrukturen

In Zusammenarbeit mit BVE – einer Berufsschule für Berufe im Bereich Umwelttechnik – haben wir das Potenzial von Social Virtual Reality als Ergänzung zum praktischen Unterricht untersucht. Um alle Anforderungen zu ermitteln, führten wir einen ersten Workshop mit Berufsschullehrern durch, bei dem sich zwei zentrale Einschränkungen herauskristallisierten. Erstens können im praktischen Unterricht aufgrund von Platz- und Kostenbeschränkungen nur kleine Rohrleitungsbaugruppen verwendet werden (Bild 1B), sodass die Auszubildenden keinen Einblick in die groß angelegten Konfigurationen erhalten, mit denen sie im Berufsalltag konfrontiert werden (Bild 1A). Zweitens sind physikalische Eigenschaften wie die Strömungsdynamik in realen Rohrleitungen nicht direkt beobachtbar, sondern erfordern Messgeräte und bleiben den Lernenden ansonsten verborgen.

 Um unser Verständnis weiter zu vertiefen, nahmen wir an einer ganztägigen Unterrichtseinheit zum Thema “Aufbau von Rohrleitungssystemen” teil. Die Einheit folgte einem wiederkehrenden Ablauf: Ein Lehrer präsentierte einen Konstruktionsplan, gefolgt von einer kurzen Besprechungsphase, an der sich nur eine kleine Gruppe aktiver Auszubildender beteiligte; anschließend begab sich die Klasse in die Werkstatt, um die physischen Bauteile zu suchen und mechanisch zusammenzubauen. Dieser Ablauf nahm den gesamten Tag in Anspruch. 

Informelle Gespräche mit den Auszubildenden während der Veranstaltung zeigten, dass das konzeptionelle Verständnis von Rohrleitungsanordnungen häufig unter den körperlichen Anforderungen der Montage litt – der manuelle Aufwand ließ wenig kognitiven Spielraum für strategisches Denken oder die Entwicklung von mentalen Modellen des Gesamtsystems. Auch die Beteiligung war strukturell ungleichmäßig, wobei die meisten Auszubildenden eher beobachteten, als sich aktiv einzubringen.

Bild 1: (A) Technische Zeichnung einer Rohrkonfigurationsaufgabe (© BVE), die aufgrund begrenzter Einrichtungen von den BVE-Auszubildenden in praktischen Übungen nur (B) teilweise umgesetzt werden kann. © O. Sosna
Bild 1: (A) Technische Zeichnung einer Rohrkonfigurationsaufgabe (© BVE), die aufgrund begrenzter Einrichtungen von den BVE-Auszubildenden in praktischen Übungen nur (B) teilweise umgesetzt werden kann. © O. Sosna

Diese Beobachtungen flossen direkt in die pädagogische Argumentation für unseren Virtual-Reality-Ansatz ein. Die virtuelle Montage in einer kollaborativen Virtual-Reality-Umgebung verlagert den Schwerpunkt von manueller Arbeit hin zu konzeptionellem Denken: Komponenten können schnell montiert, neu konfiguriert und diskutiert werden, ohne dass sie physisch angefasst werden müssen, und die Strömungsdynamik lässt sich direkt innerhalb der Rohrgeometrie visualisieren. Dies ermöglicht es mehr Studierenden gleichzeitig, aktiv teilzunehmen und ermöglicht eine schnelle Iteration über mehrere Konstruktionsschemata hinweg – etwas, das in einer einzigen praktischen Sitzung mit physischen Komponenten nicht machbar ist. Wir gehen davon aus, dass dies das konzeptionelle Wissen stärkt und das aktive Engagement in der gesamten Auszubildungsgruppe fördert.

Im Anschluss an die Unterrichtsbeobachtung präsentierten wir einen ersten Prototyp des Pipeworks-Editors, der auf dem VR4more-Softwareentwicklungskit [15] basiert, und stimmten die Entwicklungsroadmap mit den BVE-Lehrkräften ab. Die Lehrkräfte stellten daraufhin vier Beispielschemata zur Verfügung, die den ersten Satz von Rohrkomponenten definierten. Die Schemata mussten digitalisiert und semantisch annotiert werden, einschließlich Einrastzielen, Verbindungslogik und Metadaten zum Strömungsverhalten, um die interaktive Montage und Simulation zu unterstützen. 

Die Komponentenarchitektur wurde grundsätzlich offen und erweiterbar konzipiert und spiegelt damit die reale Welt wider, in der sich verfügbare Komponenten entsprechend den Baunormen und Anforderungen vor Ort weiterentwickeln. Diese Modularität unterstützt zudem die domänenübergreifende Wiederverwendung und wird als geplante Erweiterung ermöglichen, dass gespeicherte Unterbaugruppen als wiederverwendbare Module fungieren. Dadurch wird der Aufbau großer und komplexer Systeme effizienter. Die BVE-Dozenten zeigten besonderes Interesse daran, in Lehreinheiten groß angelegte Anlagenarchitekturen zu erörtern. Solche Systeme lassen sich vor Ort nur schwer erkunden, da ein Großteil ihrer Struktur hinter Wänden oder unterirdisch verborgen ist. Die Virtual-Reality-Umgebung löst dieses Problem, indem sie die ansonsten verborgene Infrastruktur räumlich zugänglich und begehbar macht.

Die Auszubildenden bei BVE sind etwa zwischen 16 und 25 Jahre alt. Alle beobachteten Auszubildenden hatten bereits Erfahrung mit Computerspielen. Während einige von früheren Virtual-Reality-Erfahrungen berichteten, zeigten andere anfängliche Zurückhaltung gegenüber einer vollständigen Immersion. Die von VR4more angebotene Unterstützung für verschiedene Geräte – von Desktop-Computern über Tablets bis hin zu Virtual-Reality-Headsets – erwies sich hier als wichtig, da Auszubildende, die zunächst mit vertrauten bildschirmbasierten Schnittstellen begannen, zu immersiveren Modi übergingen, nachdem ihre anfänglichen Vorbehalte nachließen. Eine aktive Erkundung wurde auf allen Gerätetypen beobachtet. 

Eine offene Frage, die wir in zukünftige Evaluierungen mitnehmen werden, ist, ob die Interaktivität der Umgebung im Unterrichtskontext Risiken für die Aufmerksamkeit mit sich bringt. Wir gehen davon aus, dass eine strukturierte Anleitung und regelmäßige Interventionen der Lehrkraft notwendig sein werden, um die Konzentration aufrechtzuerhalten.

Die Zusammenarbeit mit BVE dauert an. Es ist eine formalisierte vergleichende Unterrichtseinheit geplant, in der eine Virtual-Reality-gestützte Lektion einer traditionellen Unterrichtseinheit gegenübergestellt wird, um diese ersten Beobachtungen zu validieren und zu erweitern.

Die Fallstudie der RWTH Aachen: Verbesserung der Entscheidungsfähigkeiten für die Planung von Meerwasserentsalzungsanlagen

Die Fallstudie der RWTH Aachen konzentriert sich auf die zeit- und kosteneffiziente Entwicklung didaktisch relevanter Virtual-Reality-Lerninhalte. Zur Entwicklung eines Lernszenarios wurde ein Co-Creation-Prozess durchgeführt. Das Szenario wurde zunächst mit analogen 3D-Prototypen erstellt, bevor die analogen Prototypen mithilfe eines durch Künstliche Intelligenz unterstützten Authoring-Workflows in die virtuelle Realität übertragen wurden. 

Konkret fand ein zweitägiger Co-Creation-Workshop am Institut für Ingenieurhydrologie der RWTH Aachen statt, an dem acht Studierende des Masterstudiengangs „Sustainable Management – Water and Energy“, zwei Fakultätsmitglieder und drei Virtual-Reality-Entwickler der RWTH Aachen teilnahmen. Ziel war es, ein Virtual-Reality-Lernszenario zu entwerfen, das in den Lehrplan passt und den Lernbedürfnissen der Studierenden gerecht wird. Während des Workshops äußerten die Teilnehmer den Wunsch, ihr theoretisches Wissen in die Praxis umzusetzen, und baten darum, die Entscheidungen, die mit der Planung effizienter und nachhaltiger Entsalzungsanlagen verbunden sind, in der virtuellen Realität zu simulieren, um die Kompromisse ihrer Handlungen zu erleben. 

Die Teilnehmer erarbeiteten gemeinsam ein 3D-Storyboard ihrer Szenario-Idee unter Verwendung der LEGO® Serious Play®-Methode [16]. Bild 2 zeigt das 3D-Storyboard, das die Schritte des von den Teilnehmern entworfenen Lernszenarios zusammenfasst, in dem die Lernenden in der virtuellen Realität eine Meerwasserentsalzungsanlage entwerfen und dabei geeignete Entscheidungen treffen, um Kosten, Effizienz und Nachhaltigkeit in Einklang zu bringen. 

Bild 2: Eindrücke eines im Workshop erstellten LEGO® Serious Play®-Storyboards. © H. Nacken
Bild 2: Eindrücke eines im Workshop erstellten LEGO® Serious Play®-Storyboards. © H. Nacken

Eine zentrale Herausforderung der Co-Creation ist die Übertragung der LEGO®-Prototypen in die virtuelle Realität. Es wurde erwartet, dass die Trennung der Co-Creation von Lerninhalten vom Prototyping-Prozess in der virtuellen Realität zu mehreren Iterationszyklen führen könnte. Daher versuchte das Virtual-Reality-Team der RWTH Aachen, einen schnellen Virtual-Reality-Prototyp eines der während des Workshops erstellten Lernszenarien (Bild 3) mithilfe von Shapes XR [17] zu erstellen, einem Virtual-Reality-Tool, das für einfaches Prototyping und Co-Creation in Echtzeit konzipiert ist.

Bild 3: Prototyp der Virtual-Reality-Entsalzungsanlage, erstellt (A) während (© H. Nacken) und (B1, B2) nach dem Co-Creation-Workshop (© S. Kanatouri).
Bild 3: Prototyp der Virtual-Reality-Entsalzungsanlage, erstellt (A) während (© H. Nacken) und (B1, B2) nach dem Co-Creation-Workshop. © S. Kanatouri

Das ausgewählte Lernszenario konzentrierte sich auf die Visualisierung der Auswirkungen von Druckanpassungen auf die Wasserproduktion und Energieeffizienz bei der Meerwasserentsalzung. Der Shapes-XR-Ansatz ermöglichte erste Tests des Prototyps während des Workshops. Die Entwicklung wurde nach dem Workshop von einem der Autoren dieses Artikels fortgesetzt (Bild 3 B1, B2) und soll künftig mit Studierenden getestet werden. 

Als Neuling im Bereich der virtuellen Realität und ohne Programmierkenntnisse nutzte der Autor Künstliche Intelligenz, um das Design des Virtual-Reality-Prototyps zu steuern, indem er Schritt-für-Schritt-Anleitungen zum Skizzieren von Komponenten der Entsalzungsanlage gab und Vorschläge zur Darstellung von Animationen machte (Bild 3B).

Der KI-Assistent CoPilot [18] erhielt Anweisungen zur Steuerung der Prototypenerstellung in Shapes XR, beispielsweise: „Führe mich Schritt für Schritt durch die Modellierung einer Hochdruckpumpe einer Meerwasserentsalzungsanlage mit Shapes XR“. CoPilot lieferte detaillierte Anweisungen zu den richtigen geometrischen Formen, ihrer Ausrichtung, Größe und Farbe. Der gleiche Prozess wurde für die Modellierung anderer Teile der Anlage und für die Erstellung animierter Szenen befolgt. 

Neugestaltung der Virtual-Reality-Entwicklung für Lernszenarien der Industrie 4.0

In diesem Abschnitt diskutieren wir die Forschungsergebnisse im Lichte der Forschungsfragen. 

F1: Wie können Co-Creation-Teilnehmer mit begrenzter Virtual-Reality-Expertise einen sinnvollen Beitrag zur Gestaltung einer Virtual-Reality-Lernerfahrung leisten? 

Beide Fallstudien zeigen, dass ein sinnvoller Beitrag von Nicht-Virtual-Reality-Experten durch verschiedene Formen der Einbindung erreicht werden kann. In der Fallstudie der RWTH Aachen ermöglichte der Co-Creation-Prozess Studierenden und Professoren die Entwicklung einer didaktisch relevanten Virtual-Reality-Lernerfahrung, die den Bedürfnissen der Lernenden entspricht und mit dem Lehrplan der Universität im Einklang steht. 

Dies wurde trotz der begrenzten Virtual-Reality-Kenntnisse der Teilnehmer in zwei Schritten erreicht: Zunächst nutzten sie LEGO® als einfaches, intuitives analoges Medium zur Entwicklung von Lerninhalten. Anschließend wurden mit Shapes XR schnelle Virtual-Reality-Prototypen erstellt, was eine unmittelbare Übertragung ihrer Storyboards in das Virtual-Reality-Medium ermöglichte. Die Teilnehmer waren die Hauptakteure im Gestaltungsprozess. Die schnellen Virtual-Reality-Prototypen, die ihren analogen Konzepten folgten, boten die Möglichkeit, Aspekte des 3D-Designs direkt zu beeinflussen.

In der BVE-Fallstudie trugen die Lehrkräfte durch einen iterativen Konsultationsprozess bei. Die direkte Beobachtung einer Unterrichtseinheit zum Thema Rohrleitungsbau – zusammen mit informellen Gesprächen mit den Auszubildenden – lieferte Erkenntnisse über die Bedürfnisse der Lernenden, die sowohl die pädagogische Gestaltung als auch den Umfang der Digitalisierung der Komponenten prägten. Die Lehrkräfte stellten anschließend Aufgaben zum Aufbau von Rohrleitungssystemen (Bild 1A) bereit, die sofort den ersten Satz der zu entwickelnden Komponenten definierten. Diese Form der systematischen Einbindung in den Lernkontext aus erster Hand fließt direkt in die Designentscheidungen ein. 

RQ2. Wie kann ein Co-Creation-Ansatz einen optimierten Entwicklungsprozess von Virtual-Reality-Inhalten unterstützen?

In beiden Fallstudien reduzierte die Investition in das Verständnis der Lernbedürfnisse vor der Softwareentwicklung das Risiko, dass sich Entwicklungszeit und -kosten aufgrund falsch ausgerichteter Iterationen erhöhen. In der Fallstudie der RWTH Aachen konzentrierten wir uns darauf, Lernideen gemeinsam zu gestalten und Lernziele abzustimmen, anstatt uns vorzeitig auf die Softwareentwicklung festzulegen.

Obwohl es vorteilhaft sein kann, Lernbedürfnisse mit technischer Machbarkeit in Einklang zu bringen und Erwartungen frühzeitig im Prozess zu steuern, kann dies vor der Definition von Lernzielen die Kreativität einschränken und den Wert der Co-Creation untergraben. Darüber hinaus könnte es zur Erstellung einer Virtual-Reality-Erfahrung führen, bei der die Inhalte nicht vollständig aufeinander abgestimmt sind, was mehrere Iterationen erforderlich macht.

Da zudem selbst gut abgestimmte analoge Prototypen (wie unser LEGO®-Storyboard) vom endgültigen Virtual-Reality-Produkt abweichen können, wurden die analogen Prototypen mit Shapes XR in Virtual-Reality-Prototypen umgesetzt. Dies ermöglichte die Überprüfung der Virtual-Reality-Prototypen in einem kollaborativen und immersiven Modus geräteübergreifend. Da Shapes XR keine Programmierkenntnisse erfordert und leicht zu erlernende Skizzierwerkzeuge enthält, bietet es einen Vorproduktions-Workflow, der eine schnelle Virtual-Reality-Prototypenerstellung ermöglicht und damit das Potenzial zur Rationalisierung der Virtual-Reality-Produktion birgt.

In der BVE-Fallstudie erfüllte die Teilnahme an einer Live-Unterrichtsstunde vor der Prototypenerstellung eine ähnliche Vorab-Funktion. Beobachtungen der Teilnahmemuster und der kognitiven Belastung der Auszubildenden flossen in die Designprioritäten ein, wie beispielsweise die Betonung auf schneller Montage, Visualisierung der Strömungsdynamik und Zugänglichkeit über mehrere Geräte, bevor erhebliche Ressourcen gebunden wurden.

RQ3. Wie können Herausforderungen hinsichtlich der Skalierbarkeit von Virtual-Reality-Lernerfahrungen im akademischen und beruflichen Ausbildungskontext bewältigt werden?

Die beiden Fallstudien veranschaulichen unterschiedliche kontextspezifische Skalierbarkeitsstrategien. Die Skalierbarkeit von Virtual Reality im akademischen Bereich bleibt eine Herausforderung, da jede Einrichtung ihren eigenen Lehrplan verfolgt und maßgeschneiderte Lernressourcen benötigt. Auch wenn eine Einheitslösung das Skalierbarkeitsproblem wahrscheinlich nicht lösen wird, bieten leicht zugängliche No-Code-Virtual-Reality-Tools wie Shapes XR einen möglichen Ausweg, da sie die flexible Erstellung von Virtual-Reality-Inhalten auf der Grundlage pädagogischer Anforderungen ermöglichen. 

Im Kontext der beruflichen Bildung lässt sich Skalierbarkeit architektonisch angehen. Die BVE-Fallstudie veranschaulicht dies anhand einer Bibliothek wiederverwendbarer Komponenten mit konfigurierbaren Funktionen. Mithilfe dieser Bibliothek lassen sich semantisch angereicherte Rohrkomponenten – versehen mit Einrastpunkten, Verbindungslogik und Strömungsverhalten – in einer Vielzahl von Lernszenarien zusammenstellen.

Diese Architektur spiegelt die Erweiterbarkeit in der realen Welt wider, in der verfügbare Komponenten sich mit den Baunormen weiterentwickeln. Geplante Erweiterungen wie Unterbaugruppen, die als Module gespeichert und wiederverwendet werden können, erweitern diese Skalierbarkeit auf große und komplexe Systemkonfigurationen. In dem Maße, wie Digital-Twin-Technologien durch Initiativen wie OpenUSD ausgereift werden, könnten solche semantisch angereicherten Bildungskomponenten zunehmend in umfassendere Industrie-4.0-Datenökosysteme integriert werden. 

Mögliche Auswirkungen auf Virtual Reality im Lernbereich

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unser Forschungsansatz folgende potenzielle Implikationen für die Entwicklung von Virtual-Reality-Lernerfahrungen im akademischen und beruflichen Bildungskontext hat:

  • Die Integration von No-Code-Tools für das Rapid Prototyping in Virtual Reality in den Designprozess könnte Bildungseinrichtungen in die Lage versetzen, in Zukunft ihre eigenen Virtual-Reality-Lernerfahrungen zu prototypisieren. Shapes XR ermöglicht kollaboratives Virtual-Reality-Prototyping in Echtzeit auch über große Entfernungen hinweg, und Künstliche Intelligenz kann eingesetzt werden, um den gesamten Prototyping-Prozess zu steuern, wodurch die Hürden für Nicht-VR-Experten noch weiter gesenkt werden. Eine Verlagerung hin zu No-Code-Tools für immersives Design in Kombination mit künstlicher Intelligenz könnte immersive Bildung demokratisieren.
  • Wiederverwendbare Inhaltsbibliotheken mit konfigurierbaren, semantisch angereicherten Komponenten bieten eine skalierbare Alternative zur maßgeschneiderten Virtual-Reality-Entwicklung im berufsbildenden Kontext. Solche Bibliotheken ermöglichen es Lehrkräften, Lernszenarien ohne wiederkehrende Investitionen zusammenzustellen und neu zu konfigurieren.
  • In beiden Fallstudien ermöglicht die frühzeitige Einbindung von Stakeholdern ein bedarfsorientiertes Design – sei es durch strukturierte Co-Creation oder durch direkte Beobachtung der Unterrichtspraxis. Dies verringert das Risiko von Fehlanpassungen und optimiert die anschließende Produktion. Leicht zugängliche, No-Code-Virtual-Reality-Design-Tools und Künstliche Intelligenz können es Lehrenden und Lernenden ermöglichen, immersive Prototypen zu erstellen und zu verfeinern, bevor in kostspielige Entwicklung investiert wird.

Dieser Beitrag wurde ermöglicht durch das Institut für Hydrologie der RWTH Aachen (unter der Leitung von Professor Heribert Nacken) und BVE (unter der Leitung von Gerrit Matthäi). Wir danken den anonymen Gutachtern für ihre konstruktiven Anmerkungen zu einer früheren Fassung des Manuskripts. Wir bedanken uns herzlich für die Förderung durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt im Rahmen des Forschungsprojekts „ThWIC: Experimentelle Lernumgebung für Wasserwirtschaft in sozial gemischter Realität (WaterLab)“ (Fördernummer: 03ZU1214J-A/-B/-C).


Literatur

[1] Samala, A. D.; Rawas, S.; Rahmadika, S.; Criollo-C, S.; Fikri, R.; Sandra, R. P.: Virtual reality in education: global trends, challenges, and impacts—game changer or passing trend? In: Discover Education 4 (2025) 229, S. 45. DOI: https://doi.org/10.1007/s44217-025-00650-z
[2] Pellas, N.; Dengel, A.; Christopoulos, A.: A scoping review of immersive Virtual Reality in STEM education. In: IEEE Transactions on Learning Technologies 13 (2020) 4, S. 748-761. DOI: https://doi.org/10.1109/TLT.2020.3019405
[3] Vats, S.; Joshi, R.: The impact of Virtual Reality in education: A comprehensive research study. In: Sharma, S. K.; Dwivedi, Y. K.; Metri, B.; Lal, B.; Elbanna, A. (Hrsg.): Transfer, diffusion and adoption of next-generation digital technologies. Cham 2024. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-50204-0_11
[4] Singhaphandu, R.; Pannakkong, W.: A review on enabling technologies of industrial virtual training systems. In: International Journal of Knowledge and Systems Science 15 (2024) 1, S. 1-33. DOI: https://doi.org/10.4018/IJKSS.352515
[5] Olmos-Raya, E.; Ferreira-Cavalcanti, J.; Contero, M.; Castellanos, M. C.; Chicchi Ciglioli, I. A.; Alcañiz, M.: Mobile virtual reality as an educational platform: A pilot study on the impact of immersion and positive emotion induction in the learning process. In: Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education 14 (2018) 6, S. 2045-2057. DOI: https://doi.org/10.29333/ejmste/85874
[6] Su, Y.-S.; Cheng, H.-W.; Lai, C.-F.: Study of virtual reality immersive technology enhanced mathematics geometry learning. In: Frontiers in Psychology 13 (2022) 760418, S. 1-8. DOI: https://doi.org/10.3389/fpsyg.2022.760418
[7] Ritter, K. A.; Chambers, T. L.: Three-dimensional modeled environments versus 360 degree panoramas for mobile virtual reality training. In: Virtual Reality (2022) 26, S. 571-581. DOI: https://doi.org/10.1007/s10055-021-00502-9
[8] Boukhris, M.; Paljic, A.; Lafon-Pham, D.: 360° versus 3D environments in VR headsets for an exploration task. In: Lindeman, R.; Bruder, G.; Iwai, D. (Hrsg.): Virtual Environments 2017. Proceedings of the 27th International Conference on Artificial Reality and Telexistence and 22nd Eurographics Symposium on Virtual Environments (ICAT-EGVE ’17). Gosslar 2017.
[9] Lie, A. A.; Buntoro, O. T.; Purwanto, E. S.; Ario, M. K.: The future of virtual reality: Prospect and problems. In: Procedia Computer Science 245 (2024), S. 355-364. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procs.2024.10.261
[10] Lin, Y.; Wang, G.; Suh, H.: Exploring the effects of immersive virtual reality on learning outcomes: a two-path model. In: Schmorrow, D.; Fidopiastis, C. M. (Hrsg.): Augmented Cognition. Human Cognition and Behavior (HCII 2020). Cham 2020. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-50439-7_6
[11] Festo Didactic SE; Adiro.com: Water technology. Virtual Reality für wiederholbaren Know-how Transfer. Betreiberpartnerschaften 4.0 (Wasser), Berlin 18./19.9.2019. URL: https://www.betreiberpartnerschaften.de/assets/files/VR_Presentation%20DE_Festo_Adiro_KRO_minimal.pdf, Abrufdatum 07.04.2026.
[12] Nacken, H.: MyScore: Avatar-basiertes Lehren und Lernen. URL: https://ak-xrl.gi.de/initiativen-und-projekte/projektvorstellungen/detail/myscore-avatar-basiertes-lehren-und-lernen, Abrufdatum 06.01.2026.
[13] Wolf, M.; Wehking, F.; Montag, M.; Söbke, H.: 360°-based virtual field trips to waterworks in higher education. In: Computers 10 (2021) 118, S. 15. DOI: https://doi.org/10.3390/computers10090118
[14] Naghed, D.: Immersive Multi-User Simulation für das Störfall-Handling eines Pumpwerks. Bachelorarbeit. Fachhochschule Erfurt 2023.
[15] Consensive. Large Model Social XR: efficient, accessible, and mobile. URL: https://consensive.com/products/, Abrufdatum 12.04.2026.
[16] Hillmer, D.: PLAY! Der unverzichtbare LEGO® SERIOUS PLAY® Praxis-Guide für Workshops, Coachings & Moderation. München 2023.
[17] Shapes XR. Shapes XR. Bring ideas to life in 3D. URL: https://www.shapesxr.com/, Abrufdatum 07.01.2026.
[18] Microsoft CoPilot: Your AI companion. URL: https://copilot.microsoft.com/, Abrufdatum 18.03.2026.a

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Wie Digitale Zwillinge die Auftragsprozesse und Automatisierungspyramide verändern
Wilmjakob Herlyn ORCID Icon
Der Digitale Zwilling gilt als Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0. Das Grundkonzept des Digitalen Zwillings wird inzwischen in der Praxis erfolgreich angewendet. Durch neue Identifikationstechnologien, Ortungs- und Kommunikations-Systeme ergeben sich auf der Shopfloor-Ebene ganz neue Möglichkeiten, die Fertigung und den Materialfluss zu steuern, denn es stehen permanent genaue Daten nicht nur über Produkte, sondern auch über die Materialverfügbarkeit und den Status der Auftragserfüllung zur Verfügung. An dieser Stelle greift das Konzept des DZ, der die sofortige Nutzung und Auswertung der erfassten Daten ermöglicht. Dieser Beitrag stellt das Grundkonzept des DZ dar und zeigt auf, wie dieses Konzept mit der Smart Factory verbunden ist.
Industry 4.0 Science | 41. Jahrgang | 2025 | Ausgabe 3 | Seite 92-101