Entwicklung und Bewertung immersiver VR-Labore der organischen Chemie und Physik für die Ausbildung von Studierenden

Zusammenfassung In der naturwissenschaftlichen Bildung spielt die Verwendung von Laborversuchen eine entscheidende Rolle. Allerdings können Experimente übermäßigen Materialabfall verursachen, und Sicherheitsfragen müssen ernst genommen werden. Virtuelle Labore und Simulationen sind durch die Bildungs­möglichkeiten, die die Informations- und Kommunikationstechnologie bietet, zu einer nützlichen und effektiven Alternative zu persönlichen, praktischen Laboren geworden. Mit Virtual Reality (VR) können Studierende wissenschaftliche Phänomene durch virtuelle praktische Experimente, die Computersimulationen nutzen, darstellen. In dieser Arbeit wurden VR-basierte Laborsimulationen von Physik- und Chemieexperimenten eingeführt. Das Chemielabor umfasst 3 Experimente aus der organischen Chemie (Aldehyde mit dem Tollen-Test identifizieren, Ketone mit dem 2,4-Dinitrophenylhydrazin-Test identifizieren und Carbonsäuren mit dem Natriumcarbonat-Test identifizieren), und das Physiklabor umfasst 2 Experimente zu Reihen- und Parallelstrom, die durch die Verwendung von Echtzeit-3D-Grafiken und vorgerenderten Animationen durchgeführt wurden. Darüber hinaus wurden zur Bewertung der Benutzerfreundlichkeit des entwickelten Systems 20 Studierende als Forschungssubjekte befragt, die nach Durchführung der VR-Experimente in Oculus Quest 2 die SUS-Umfrage ausfüllten. Die durchschnittliche Punktzahl für die VR-Chemielaborsimulationen betrug 92,63 %, und die durchschnittliche Punktzahl für das Physiklabor betrug 93,38 %, was auf ein hohes Leistungs- und Erfolgsniveau unter den Teilnehmenden hinweist. Darüber hinaus schnitt die experimental Gruppe (VR, N=20) in der vergleichenden Studie zur Evaluierung des Wissens­erhalts und der Lernerfahrung besser ab als die Kontrollgruppe (traditionell, N=13), was auf eine günstigere Lernerfahrung hinweist. Alle Teilnehmer der Experimentalgruppe berichteten, dass virtuelle Labore einfach zu bedienen waren. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der Umfrage zum Wissens­erhalt, dass interaktive Laboraktivitäten das Verständnis der Studierenden für chemische Prozesse und praktische Fähigkeiten verbessern.