Innovatives VR-Spiel zur Lehre von Energiesimulation

In den letzten Jahren hat sich Virtuelle Realität (VR) in vielen Bereichen über nur Unterhaltung hinaus verbreitet. Einer der Bereiche, die von VR profitieren können, ist die Bildung. Spielbasierte Methoden im Lernen können Motivation und Beteiligung steigern. In diesem Beitrag wird die Erstellung eines immersiven Escape-Room-Spiels in VR besprochen, das darauf abzielt, Themen der Gebäudenergie-Simulation zu vermitteln. In diesem Spiel müssen die Spieler Rätsel lösen, wie zum Beispiel Wände mit verschiedenen Materialien zusammenzusetzen. Ein Führungssystem kombiniert Bildungsinhalte, Rätsel und Hinweise, um den Spielern zu helfen, die Faktoren, die die Energieeffizienz, die strukturelle Festigkeit und die Kosten beeinflussen, zu verstehen. Ein Tutorial-Level ist enthalten, um neuen Spielern beizubringen, wie sie mit dem Spiel interagieren können.

#Benutzererfahrungsbewertung

Um zu prüfen, wie unterhaltsam das Spiel war, haben wir sowohl das Tutorial als auch das Spiel mit Experten für Gaming und VR bewertet. Elf Experten spielten beide Levels und füllten zwei Fragebögen aus. Der erste wurde nach dem Tutorial ausgefüllt, der zweite nach dem Escape-Room-Bereich. Der erste Fragebogen enthielt NASA-TLX- und System Usability Scale (SUS)-Fragen, während der zweite NASA-TLX-, User Engagement Scale Short Form (UESSF)- und Player Experience Inventory (PXI)-Fragen beinhaltete. Die Ergebnisse zeigten, dass das Tutorial-Level eine gute Benutzerfreundlichkeit hatte und nicht zu anspruchsvoll war. Das Escape-Room-Level bot einen interessanten und ansprechenden Lernraum, der die Spieler durch das Gameplay fesselte. Diese Umgebung kann in zukünftigen Updates mit neuen Bildungsinhalten wachsen.

#Wandel in den Bildungsansätzen

In letzter Zeit gibt es ein wachsendes Interesse an interaktiven Lernmethoden, die sich auf die Schüler und nicht auf die Lehrer konzentrieren. Die Schüler von heute haben andere Erwartungen daran, wie sie lernen sollten. Sie ziehen es vor, aktiv an Lernerfahrungen teilzunehmen, anstatt nur zuzuhören. Das Mischen von Spielen mit Bildung ist eine Möglichkeit, diesem Bedürfnis nach Interaktivität gerecht zu werden. Diese Kombination kann Engagement und Motivation steigern, indem sie während des Spiels Freude auslösen. Spiele, die für Bildungszwecke entwickelt wurden, werden als Serious Games bezeichnet. Diese Spiele sollen nicht nur unterhalten, sondern auch bilden.

Viele Ansätze aus dem Bereich Serious Gaming wurden in Bereichen wie medizinischer Ausbildung und Architektur verwendet. Studien haben gezeigt, dass Serious Games die Benutzerbeteiligung und kognitive Fähigkeiten positiv beeinflussen und den Spielern helfen, eine positive Einstellung zu bewahren.

#Escape-Room-Spiele in der Bildung

Escape-Room-Spiele sind eine Methode des Bildungs-Gamings. In diesen Spielen müssen die Spieler Rätsel lösen, um ein Ziel zu erreichen, wie zum Beispiel aus einem Raum innerhalb einer festgelegten Zeit zu entkommen. Diese Spiele erfordern normalerweise Teamarbeit, bei der die Spieler zusammenarbeiten, um Hinweise zu finden und Rätsel zu lösen.

Während viele Escape Rooms zum Spass gedacht sind, wurden sie auch in der Bildung in Fächern wie Mathematik, Gesundheitswesen, Informatik und Chemie eingesetzt, um den Schülern eine interaktive Auseinandersetzung mit den Themen zu ermöglichen. In der Bildung fördern Escape Rooms Teamarbeit, kritisches Denken, Kreativität und simulieren reale Szenarien, während sie das Lernen unterhaltsam halten.

Allerdings haben traditionelle Bildungs-Escape-Räume Einschränkungen. Sie erfordern spezifische Setups, die kostspielig sein können und eine erhebliche Planung erfordern. Um diese Probleme anzugehen, wurden digitale Escape-Room-Spiele entwickelt. Forschungen zeigen, dass digitale Escape Rooms den Schülern effektiv helfen können, wissenschaftliche Fächer zu verstehen, während sie Unabhängigkeit und Kreativität fördern.

#Virtuelle Realität in der Bildung

Eine Art digitaler Escape Rooms nutzt VR, um Spieler mithilfe von Headsets einzutauchen. Im Laufe der Jahre wurden VR-Geräte für verschiedene Anwendungen, von Unterhaltung über industrielle Anwendungen bis hin zu Lernen, verwendet. Die Verwendung von VR zu Bildungszwecken hat verschiedene Vorteile, insbesondere für Szenarien, die schwer zu reproduzieren sind oder in der realen Welt gefährlich sein könnten. Darüber hinaus kann VR die Motivation der Lernenden steigern. Ein einzigartiger Aspekt der VR-Bildung ist die Verwendung von Escape-Room-Spielen.

Zum Beispiel bestand ein VR-Escape-Room aus Mathematik- und Musterrätseln, die sich darauf konzentrierten, wie Teleportation die Reisekrankheit beeinflusst. Ein anderes zweisitziges VR-Spiel erforderte es, dass die Spieler Rätsel lösen, ohne verbal oder schriftlich zu kommunizieren, was zu innovativen Interaktionsmöglichkeiten führte.

Ein weiteres Beispiel beinhaltete einen VR-Escape-Room mit zwei Ebenen, bei dem die Teilnehmer verschiedene Gedächtnis- und Logikrätsel lösten. Ein weiterer VR-Escape-Room hatte Rätsel, die in einer bestimmten Reihenfolge gelöst werden mussten. Einige Bildungs-Escape-Räume haben Spieler, die aus fiktiven Szenarien entkommen, während sie lernen.

Obwohl es einige Beispiele für Bildungs-Escape-Räume gibt, fanden wir keine Spiele, die sich auf Studierende des Bauingenieurwesens konzentrieren. Unser Ziel ist es, diese Lücke mit einem VR-Escape-Room-Spiel zu füllen, das sich auf Gebäudenergie-Simulationen und Wandkonstruktionen konzentriert.

#Bildungsinhalt

Der Bildungsinhalt in unserem Spiel dreht sich um Gebäudenergie-Simulationen und Konstruktionsmethoden. Die Spieler finden sich in einem Raum eingesperrt und müssen verschiedene Rätsel lösen, um zu entkommen. Die Herausforderungen stehen im Zusammenhang mit häufigen Problemen, mit denen Studenten konfrontiert sind, wie dem Vernachlässigen der Gebäudeorientierung und der falschen Montage von Wandlagen. Indem wir diese Hindernisse in einem Spiel angehen, hoffen wir, dass die Studenten Konzepte besser erfassen und in Zukunft weniger Designfehler machen.

Das Spiel verbindet visuelle und akustische Hinweise mit Quests und Werkzeugen, die Simulationsergebnisse zeigen. Jede Quest erkundet ein anderes Thema, wie zum Beispiel die Berücksichtigung der Tageszeit, des Monats und des Standorts des Gebäudes bei der Planung oder das korrekte Zusammenfügen von Wandkonstruktionen.

Für jedes Thema lernen die Spieler zuerst über das allgemeine Problem und erhalten über Hinweise Bildungsinformationen. Dann müssen sie Hinweise finden, um die Aufgaben zu lösen. Feedback wird gegeben, um die Spieler über ihren Fortschritt zu informieren.

Wände zusammenzusetzen ist komplexer, bei dem die Spieler mehrere Simulationsergebnisse abwägen und ihre Wanddesigns verfeinern. Zum Beispiel kann eine robuste Wand teurer sein, während eine Wand mit weniger Isolation Geld sparen kann, aber zu anderen Problemen wie Schimmel führen könnte. Das ermöglicht es den Spielern, über diese Zusammenhänge zu lernen und informierte Entscheidungen basierend auf kontinuierlichem Feedback zu treffen.

#Spielentwicklung

Wir haben unser VR-Erlebnis mit Unreal Engine 5 (UE) erstellt, was uns geholfen hat, eine realistische Umgebung für ein besseres VR-Gefühl zu schaffen. Für VR-Interaktionen haben wir das OpenXR-Plugin verwendet, um verschiedene VR-Geräte zu unterstützen.

Um die notwendigen Gameplay-Funktionen zu ermöglichen, haben wir einen benutzerdefinierten Charakter erstellt, der zwei Bewegungsmodi unterstützt: Teleportation und sanfte Bewegung. Die Spieler können wählen, wie sie sich bewegen möchten. Teleportation hilft, Reisekrankheit zu verhindern, kann aber desorientierend sein, während sanfte Bewegung einfacher ist, aber ein gewisses Unbehagen verursachen könnte.

Um ein umfassendes Gameplay-Erlebnis zu gewährleisten, haben wir verschiedene Interaktionssysteme implementiert, die hauptsächlich auf dem Greifen und Platzieren von Objekten basieren. Die Spieler können je nach Objekt mit einer oder beiden Händen interagieren. Wir haben auch Objekte einbezogen, die von Druck und Hover-Interaktionen abhängen.

#Tutorial-Level

Um den Spielern zu helfen, sich an die VR-Umgebung zu gewöhnen, haben wir ein Tutorial-Level eingefügt. Dies wird den Spielern helfen, sich nicht überfordert zu fühlen, während sie Hinweise suchen und Rätsel lösen, während sie lernen, wie sie sich in VR bewegen und interagieren können. Die Spieler können wählen, ob sie dieses Tutorial-Level erreichen möchten oder nicht.

Im Tutorial überprüfen wir Interaktionen, Bewegungssysteme, das Greifen von Objekten und die Manipulation von drehbaren Gegenständen. Wir verwenden verschiedene Symbole und Indikatoren, um zu erklären, wie man mit dem Spiel interagiert.

#Quest- und Hinweis-System

Ein gutes Führungssystem ist wichtig, um Bildungsinhalte einzubeziehen und den Spielern zu helfen, ihren Fortschritt zu verstehen. Daher haben wir ein Quest- und Hinweis-System im gesamten Spiel entwickelt. Jede Quest enthält Hinweise, und die Spieler können diese Hinweise als Notizen mit Text und Illustrationen finden. Um das Lesen zu erleichtern, insbesondere in VR, haben wir auch Sprachübertragungen hinzugefügt, um die Hinweise ausführlicher zu beschreiben.

Die Spieler können Hinweise nach dem Sammeln durch die Verwendung von zwei Geräten im Spiel überprüfen. Ein Gerät projiziert Hinweise für einfaches Lesen, während ein Kassettenspieler den Spielern ermöglicht, die Sprachübertragung für jeden Hinweis erneut abzuspielen.

Hinweise erscheinen, wenn eine Quest beginnt, sodass nur relevante Hinweise basierend auf dem Fortschritt des Spielers sichtbar sind. Wenn eine Quest abgeschlossen wird, erhalten die Spieler akustisches und visuelles Feedback, um ihren Erfolg anzuzeigen.

#Raumstruktur und Maschinen

Der Escape-Room ist in vier Hauptbereiche unterteilt: Hinweisüberprüfung, Gebäudesimulationsschreibtisch, Wandmontage und Ergebnisvisualisierung. Der Projektorbereich visualisiert Hinweise, während der Gebäudesimulationsschreibtisch das Herzstück des Spiels ist. Er besteht aus Schichten, die gedreht werden können, um verschiedene Parameter während des Spiels zu ändern. Die Spieler beginnen mit einem Modell eines Gebäudes und vertreten später einen Büroraum zur Prüfung des Energieverbrauchs.

Der Wandmontagebereich hat drei Geräte: ein Informationszentrum, das die Reihenfolge der Wandlagen anzeigt, einen Abschnitts-Spawners für Dickeinstellungen und ein Wandmontagegerät, um Schichten basierend auf den Anforderungen zusammenzusetzen.

Schliesslich zeigt der Ergebnisvisualisierungsbereich Ergebnisse basierend auf der Gebäudenergie-Simulation und Leistungsindikatoren.

#Simulations-API

Das Raum-Modell basiert auf einem Büro an der Technischen Universität Graz. Die Entscheidungen der Spieler beeinflussen den jährlichen Energiebedarf für Heizung und Kühlung. Ein maschinelles Lernmodell, das auf 12.000 Energie-Simulationen trainiert wurde, ermöglicht schnelle Berechnungen im VR-Setting.

Die Berechnungen werden auf einem Server durchgeführt, der die Schnittstelle für den Start von Tests und das Abrufen von Ergebnissen bietet. Nach dem Abrufen der Ergebnisse zeigen mehrere Werkzeuge Bewertungen der Wandmontage und Simulationsparameter an.

#Bewertung

Um unser Spiel zu validieren, haben wir eine Studie mit VR- und Spielentwicklungsexperten durchgeführt, um die allgemeine Benutzerfreundlichkeit zu bewerten. Die Studie umfasste einen Fragebogen im Voraus zu früheren VR-Erfahrungen und zwei Nachfragebögen zu den Tutorial- und Escape-Room-Levels.

Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass das Tutorial-Level eine gute Benutzerfreundlichkeit hatte, was es den Benutzern erleichterte, das System zu erlernen. Die Teilnehmer erfüllten auch ihre Aufgaben mit minimalem Aufwand und Frustration. Im Gegensatz dazu war das Escape-Room-Level anspruchsvoller und erforderte mehr geistigen Aufwand, um Rätsel zu lösen.

Trotz der höheren Herausforderung war das Nutzerfeedback positiv und hob das Engagementspotenzial des Spiels hervor. Hohe Punktzahlen in der fokussierten Aufmerksamkeit deuteten darauf hin, dass die Spieler in die Erfahrung eintauchten und das Zeitgefühl verloren, während sie die visuell ansprechende Umgebung genossen.

#Diskussion

Diese Studie hatte das Ziel, die VR-Umgebung und ihr Bildungssystem zu evaluieren. Wir wollten herausfinden, ob unser Onboarding-Level die Benutzerfreundlichkeit gewährleistet und die Aufgaben gleichzeitig überschaubar hält. Das Feedback zum Tutorial-Level zeigte, dass es einfach zu bedienen war und die Spieler Vertrauen in ihre Fähigkeit hatten, es zu nutzen.

Andererseits erforderte der Escape-Room, dass die Spieler aktiv denken und Herausforderungen lösen, was zu höheren Anforderungen führte. Obwohl die Aufgabenlast in diesem Abschnitt hoch war, blieb das Nutzerfeedback positiv, was darauf hindeutet, dass unsere Umgebung erfolgreich ein fesselndes Lernerlebnis schafft.

#Einschränkungen und zukünftige Arbeiten

Diese Studie hat mehrere Einschränkungen, darunter eine geringe Teilnehmerzahl und den Fokus auf Gaming-Experten anstelle von tatsächlichen Studierenden des Bauingenieurwesens. Die Auswertung der Lernergebnisse wäre auch ein wichtiger nächsten Schritt.

Darüber hinaus schlugen die Teilnehmer während der Studie vor, dass eine kooperative Erfahrung die geistige Belastung verringern könnte. Wir planen, diese Idee zu erkunden, indem wir eine kooperative Version des Spiels entwerfen, die es jedem Spieler ermöglicht, Rätsel aus verschiedenen Perspektiven zu lösen.

Insgesamt hat der Rahmen, den wir geschaffen haben, Potenzial für Erweiterungen, um weitere Bildungsthemen einzubeziehen. Der Vergleich der Benutzererfahrungen und Ergebnisse mit verschiedenen Fächern könnte interessante Ergebnisse liefern.

#Fazit

Wir haben ein immersives Escape-Room-Spiel in VR entworfen und entwickelt, das Themen der Gebäudenergie-Simulation vermittelt. Diese Bildungserfahrung kombiniert visuelle und akustische Hinweise mit Rätseln und schafft eine ansprechende Umgebung. Ein Tutorial-Level führt die Spieler in die Spielmechanik ein. Eine Benutzerstudie mit Experten zeigte gutes Engagement und Benutzerfreundlichkeit, was bestätigt, dass dieses VR-Spiel Neugier wecken und bedeutungsvolle Lernerfahrungen bieten kann. Trotz des positiven Feedbacks fanden wir das Escape-Room-Level als ziemlich anspruchsvoll, was darauf hindeutet, dass zukünftige Verbesserungen durch kooperatives Gameplay das Erlebnis verbessern könnten.