QuFabLabs; Teilvorhaben: HSNR-Bildungsplattform und haptische Benutzerschnittstellen

Abstract

Das Teilprojekt „HSNR – Bildungsplattform und haptische Benutzerschnittstellen“ hatte die Aufgabe, das Verständnis der Quantentechnologien nachhaltig und effektiv zu fördern und damit das Gesamtsystem bei Fachkräftegewinnung und Kompetenzvermittlung zielgruppenorientiert zu unterstützen. Die HSNR ergänzte ein stationäres FabLab-Angebot durch ein virtuelles/online-basiertes Quantum Technology FabLab, stellte OER-Lernmaterialien bereit und wollte durch haptische Artefakte sowie VR/AR-Anwendungen den Lernerfolg verbessern. Zu Projektstart bestand keine umfassende, allgemein zugängliche OER-Plattform (Open Educational Resources), die den Zugang zu Lernmaterialien erleichtert hätte. Eine wesentliche Lücke zeigte sich in der niedrigschwelligen und anwendungsorientierten Aus- und Weiterbildung, insbesondere im Unternehmenskontext. Im Umfeld der schwer verständlichen Quantentechnologie stellte das Fehlen leicht nachvollziehbarer Erklärungen und Darstellungen eine besondere Barriere dar. Entsprechend wurde eine nutzerzentrierte Systemkomponente benötigt, die das Lernen erleichterte sowie die Motivation der Nutzenden aktivierte und aufrechterhielt. Im Projekt übernahm die HSNR im Konsortium daher zwei zentrale Aufgaben. Zum einen baute und betrieb sie eine Online-Plattform, die Interessierten innovative und zielgruppenspezifische Lehrmaterialien (Dokumente, Präsentationen, Videos, simulationsbasierte Experimental-Labore, ggf. auch ferngesteuerte reale Versuche) bereitstellte und zugleich als Anlaufstelle für Kollaboration diente. Hierzu wurde eine geeignete Software- und Dienste-Architektur konzipiert und umgesetzt. Dabei wurde auf bestehende kommerzielle oder frei verfügbare Komponenten zurückgegriffen, um den Entwicklungsaufwand gering zu halten. Als zweite wesentliche Aufgabe wurden frei verfügbare OER-Lernmaterialien (OER = Open Educational Resources) gesammelt, bei Bedarf angepasst sowie neue OER entwickelt und auf der Plattform bereitgestellt. Ein Schwerpunkt lag auf der Anpassung und Integration von VR/AR-Komponenten in ausgewählte geeignete OER. Darüber hinaus übernahm die HSNR die Entwicklung neuer OER, insbesondere haptischer Artefakte in Kombination mit VR- und AR-Anwendungen, mit denen die teils nicht intuitiven Effekte der Quantenwelt nicht nur visualisiert, sondern auch haptisch erfahrbar gemacht werden konnten. Dabei wurde untersucht, ob und wie solche haptischen Artefakte den Lernprozess in diesem Umfeld unterstützten. Bestandteil des Konzepts war es, Quantentechnologien erlebbar zu machen, ihre Nutzung zu demonstrieren und Anwenderinnen und Anwendern zugleich die Möglichkeit zu geben, die Relevanz von Quantentechnologien für den eigenen Kontext einzuschätzen. Ziel war es daher nicht nur, entsprechende OER zu entwickeln, sondern auch zu analysieren, inwieweit VR/AR in Kombination mit haptischen Artefakten eine nachhaltige Motivation und kontinuierliche Weiterbildung unterschiedlicher Zielgruppen unterstützen kann. Folgende Ergebnisse wurden von der HSNR in Zusammenarbeit mit dem Konsortium erzielt: Virtuelles QuFabLab / Online-Plattform Als technische Basis der Bildungs- und Kollaborationsplattform wurde nach Recherche und Bewertung geeigneter Softwarekomponenten Moodle als Basis der Plattform ausgewählt und um Kollaborationsfunktionen erweitert. Auf der Plattform wurden u. a. Benutzer- und Kursverwaltung (inkl. Kompetenzlevel), Medien- und Dokumentenbereitstellung, Quiz-/Testfunktionen, Feedback/Übungen und Forum umgesetzt sowie Schnittstellen (REST-API/SQL) geschaffen, um Inhalte auch in AR/VR-Anwendungen nutzbar zu machen. Inhaltlich wurde die Plattform über „Lernkacheln“ strukturiert (z. B. Grundlagen Mathe, Grundlagen Quantenphysik, Quantentechnologie & Sensorik, Anwendungen, Experimente, Glossar, Forum, Feedback) und um externe OER-Links sowie partner- und HSNR-eigene Materialien ergänzt. Eine geplante umfassende Evaluation innerhalb von Moodle wurde nur eingeschränkt erreicht, weil der Gastzugang wichtige Interaktionen (Feedback, Gruppenwahl etc.) nicht zuließ und diese Einschränkung im Projektzeitraum nicht vollständig behoben werden konnte. KI-gestützte Lernassistenz („Quantum Tutor“) als Ergänzung Im Projektkontext wurde untersucht, inwieweit ChatGPT Lernende beim Verständnis (u. a. Michelson-Interferometer) unterstützen kann, wobei Stärken bei grundlegenden Erklärungen, aber Schwächen bei Tiefe, Zielgruppenanpassung und Halluzinationsrisiken identifiziert wurden. Als Konsequenz wurde ein „Quantum Sensor Tutor“ als Custom-GPT entwickelt (kostenpflichtiger ChatGPT-Zugang erforderlich) und zusätzlich eine lokal betriebene Tutor-Alternative (u. a. auf Basis eines lokalen Modells, integriert in Moodle) zur Verbesserung von Datenschutz, Kontrolle und Zugangshürden beschrieben. Offene Lernmaterialien, VR/AR-OER und didaktische Umsetzung Ein Schwerpunkt war die Erweiterung von Grundlagenmaterialien (insbesondere Mathematik/Physik), da dieses Wissen als Voraussetzung für das Verständnis von Quantensensorik als zentral erkannt wurde. Es wurden neue OER entwickelt, die auf VR- und AR-Technologien basieren, u. a. zu Michelson-Interferometer und Quantenverschränkung/Ghost Imaging, zum Teil orientiert am Experimentieransatz des Quantenkoffers von qutools. Die VR/AR-Umsetzungen nutzten Microsoft HoloLens als Anzeigegerät, was sich nachträglich als ungünstig erwies, da Microsoft die Produktlinie eingestellt hat; zur Nachhaltigkeit wurde jedoch Unity als plattformfähige Entwicklungsumgebung eingesetzt. Didaktisch wurde eine enge Verzahnung von Lernzielen, Theorie (Moodle), Experiment (VR/AR/MR) und Quiz im Sinne von Constructive Alignment herausgestellt. Haptische Artefakte und Mixed-Reality-Experimentiersystem Es wurden haptische „Spielsteine“ und ein „Spielbrett“ entwickelt und die Anwendungen evaluiert, die den Aufbauprinzipien des Quantenkoffers nachempfunden sind und in einer MR-/AR-Umgebung die Interaktion mit simulierten Strahlverläufen, Zuständen und Rückmeldungen ermöglichen. Ein Kerninnovationspunkt ist eine modulare, funktionsvariable Bausteinarchitektur (Funktion per Drehschalter/Display; Positions-/Rotations-Erkennung über codierte Kontakte; Funktionsübermittlung drahtlos) sowie eine dreistufige Interaktionsarchitektur (rein virtuell, hybrid, weitgehend physisch mit AR-Overlay). Die Ergebnisse (CAD, Platinen, Software etc.) wurden als Open-Source bereitgestellt, u. a. via GitHub, um Nachnutzung und Weiterentwicklung zu ermöglichen.