Einsatz von Virtual- und Augmented Reality Anwendungen zu Schulungszwecken

Inhalt

1 Einführung in Simulation zu Trainingszwecken

2 Betriebliches Training
2.1 Die menschliche Wahrnehmung
2.2 Simulation
2.3 Simulation zu Trainingszwecken

3 Technologien
3.1 Virtual Reality
3.2 Abgrenzung der VR zu traditionellen Computergrafiken
3.2.1 Interaktivität
3.2.2 Darstellung
3.2.3 Perzeption
3.2.4 Immersion
3.3 Simulationsausprägung
3.3.1 Anwendungen von VR
3.3.2 Vor- und Nachteile von VR
3.3.3 Augmented Reality
3.3.4 Technische Umsetzung
3.3.5 Anwendung
3.3.6 Vor- und Nachteile

4 Ein- und Ausgabegeräte
4.1 Eingabegeräte
4.2 Ausgabegeräte

5 Gefahren der virtuellen Welt

6 Fazit und Ausblick
6.1 Fazit
6.2 Ausblick

7 Literaturverzeichnis

8 Abbildungsverzeichnis

9 Tabellenverzeichnis

Kurzfassung

Simulation, Training, Virtual Reality, Augmented Reality

Der Einsatz moderner Technologien wie Virtuell und Augmented Reality zu Trainingszwecken wird in dieser Hausarbeit erarbeitet. Nach einer Abgrenzung der Themen Training, Simulation und Wahrnehmung wird speziell auf Simulationsmöglichkeiten sowie Ein- und Ausgabegräte eingegangen. Abschließend werden die Gefahren und Potenziale dieser Technologien erörtert und ein Fazit gezogen.

Abstract

Simulation, Training, Virtual Reality, Augmented Reality

New technologies like Virtual- or Augmented Reality are powerful tools for Training purposes. After a introduction to training, simulation and perception, this paper will focus on Simulation technologies as well as Simulation Hardware. After that the, threads an potentials of Simulation technologies will be discussed.

1 Einführung in Simulation zu Trainingszwecken

Berufliches Training ist in einer Welt mit immer komplexeren Prozessen und zunehmend steigenden Anforderungen an Arbeitnehmer, ein unverzichtbarer Bestandteil der Arbeitswelt. Hinzu kommt ein immer weiter steigender Kostendruck bei Aus- und Weiterbildung von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Um im Wettbewerb bestehen zu können, müssen kostengünstige Trainingsmöglichkeiten gefunden werden. Die Globalisierung stellt darüber hinaus die Herausforderung, geografisch ungebundene Fortbildungsmöglichkeiten anzubieten.

Die sichere Aus- und Weiterbildung von Arbeitskräften stellt seit jeher eine Hürde dar. So wurde in der Pilotenausbildung schon früh nach Möglichkeiten gesucht, ohne Risiko für Trainierende oder Unbeteiligte, eine möglichst realistische Trainingssituation abzubilden. Die ethischen Aspekte, beispielsweise in der Medizin, spielen in diesem Zusammenhang einen weiteren wichtigen Aspekt, in der Fachkräfteausbildung.

Durch eine verstärkte Nutzung von Medien und Technologien wie Video, Smartphones, Tablets und dergleichen, steigt auch der Anspruch der Trainierenden, diese Medien und Technologien in der Aus- und Weiterbildung einzusetzen. Aktuelle Studien zeigen darüber hinaus, dass der Lernerfolg deutlich gesteigert werden kann, wenn möglichst viele Sinne, der menschliche Wahrnehmung beim Lernen genutzt werden.^[1]

Zur Umsetzung von Simulationen im Kontext der beruflichen Nutzung, stehen eine Vielzahl neuer Technologien zur Verfügung. Es werden die Übergruppen Virtual Reality und Augmented Reality betrachtet, um anschließend auf verschiedenen Ein- und Ausgabegeräte ein zu gehen. Doch diese Technologien bergen nicht nur Potenziale. Vor allem die Auswirkungen auf die Gesellschaft sind noch nicht absehbar und müssen in einem intensiven gesellschaftlichen Diskurs erarbeitet und berücksichtigt werden.

2 Betriebliches Training

Wie eingangs erwähnt war, ist und wird betriebliches Training, elementarer Bestandteil von Unternehmensaktivitäten sein. Dieser Abschnitt möchte betriebliches Training erläutern und auf Besonderheiten eingehen. Training ist im deutschen Sprachgebrauch eher aus dem Sportbereich geprägt, was anhand der folgenden Definition deutlich wird:

„Training ist, die planmäßige Durchführung eines Programms von vielfältigen Übungen zur Ausbildung von Können, Stärkung der Kondition und Steigerung der Leistungsfähigkeit“^[2]

Deutlich genereller ist die Definition im englischen Sprachgebrauch:

„[Training is] the process of learning the skills you need to do a particular job or activity“^[3]

An diese aus dem englischen stammende Definition, lehnt sich auch der Begriff des betrieblichen Trainings an. Ein mögliches Konzept lässt sich definieren durch die fünf Bereiche „into the job“, „on the job“, „along the job“, „out of the job“ und „off the job“.^[4]

Training Into the Job beschreibt Maßnahmen, um Fachkräfte für den Berufseinstieg zu qualifizieren. Im Speziellen sind hierbei schulische Bildung, die Berufsausbildung oder ein Studium gemeint. Training on the Job bezeichnet die Trainingsmaßnahmen am Arbeitsplatz für die jeweilige betriebliche Aufgabe. Die Einarbeitung in ein neues Softwaretool ebenso Training on the Job, wie der Erwerb von Zusatzqualifikationen. Training on the Job wird in der Regel mit Training off the Job kombiniert, um bessere Ergebnisse zu erzielen.^[5] Training off the job lässt sich in zwei Unterkategorien unterteilen. Einerseits kann das Vermitteln von Fachwissen, Methoden oder Instrumenten oder andererseits das Training der Persönlichkeit des Mitarbeiters im Vordergrund stehen. Dabei geht es nicht nur darum Wissen zu vermitteln, also zu lernen, sondern auch das Gelernte durch Training zu verinnerlichen. Diese Mischung soll schlussendlich zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit führen.^[6] Beide funktionieren bestens in Kombination miteinander.

Die beiden verbleibenden Aspekte Training along the job, die Karriereplanung bzw. Laufbahnplanung und Training out of the Job, die Freisetzungsvorbereitung oder Ruhestandsplanung, spielen eine untergeordnete Rolle, weshalb sie nicht detailliert behandelt werden.

In betrieblichen Trainings ist es wichtig, Lernziele für diese zu definieren. So kann es beispielsweise auf die Mitarbeitermotivation abzielen oder aber die Kenntnisse in MS Office auf ein bestimmtes Niveau heben.^[7]

Neben der Zielfestlegung und der Planung der Inhalte steht für Unternehmen auch immer der Aspekt der internen oder externen Durchführung zur Debatte. Für sämtliche betriebliche Bedürfnisse stehen hierfür Dienstleister zur Verfügung, die funktionierende Trainingskonzepte anbieten.^[8]

2.1 Die menschliche Wahrnehmung

Für die Interaktion des Menschen mit der computerbasierten Simulation und den virtuellen Realitäten, muss der Mensch die bereitgestellten Informationen aufnehmen und verarbeiten können. Darauffolgend muss der Mensch durch die Äußerung des eigenen Willens mit der Umwelt interagieren können. Für die Erstellung virtueller Realitäten ist es somit erforderlich zu verstehen, wie dieser Prozess vonstattengeht^[9].

Hierfür greift der Mensch auf die Perzeption (Wahrnehmung) zurück. Der Begriff „Perzeption“ beschreibt das Produkt zweier nacheinander ablaufender Prozesse, dem Prozess der Informationsaufnahme und dem Prozess der Informationsverarbeitung. Die Wahrnehmung dient dem Menschen zur Anpassung der Umwelt. Dahinter verbirgt sich ein komplexer Prozess, bei welchem die sensorischen Informationen im Gehirn des Menschen organisiert und interpretiert werden^[10].

Die Informationsaufnahme und somit die Wahrnehmung der Umwelt geschieht über die fünf Sinnesorgane des Menschen. Enthalten sind der Gehörsinn, Geruchssinn, Tastsinn, Sehsinn und der Geschmackssinn^[11]. Für jeden Sinn stellt der menschliche Körper das entsprechende Sinnesorgan bereit. Die Informationsverarbeitung geschieht im Gehirn des Menschen. Abbildung 1.1 veranschaulicht die fünf Sinne des Menschen sowie das Gehirn.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung1.1: Die Sinne des Menschen

Quelle: https://www.youtube.com/watch?v=uAkWs4LIUJA

Die heutige VR-Technologie beschränkt sich auf die Simulation des visuellen, des akustischen und des haptischen Sinnens. Das Schmecken und Riechen wird nicht simuliert. Die Informationen einer virtuellen Realität werden somit durch die Augen, Ohren und über die Haut wahrgenommen^[12].

Für das Verständnis der menschlichen Informationsverarbeitung wird der Mensch in Abbildung 1.2 als informationsverarbeitendes System dargestellt^[13].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Modell der Menschlichen Informationsverarbeitung

Quelle: R. Dorner et al. (Hrsg.), Virtual und Augmented Reality (VR/AR), Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013 S.35

Die Informationsaufnahme beginnt im perzeptuellen System. Die Sinnesorgane empfangen die Informationen aus der Umgebung. Je nach Informationsursprung werden diese Informationen in den dazugehörigen Speichern, dem visuellen, dem auditiven oder dem haptischen Speicher zwischengespeichert und anschließend an das kognitive System übergeben. Dies geschieht über die Nervenbahnen im Körper. Im kognitiven System werden die Informationen durch das Arbeitsgedächtnis sortiert und verarbeitet. Dieses Gedächtnis kann Informationen nur kurzweilig speichern und entscheidet nun über den weiteren Verlauf. Gilt es die Informationen über längere Zeit zu speichern, soll also ein Lernprozess erfolgen, so werden diese an das Langzeitgedächtnis übermittelt. Hier werden alle Lerneffekte gespeichert^[14].

Enthält der Reiz jedoch Informationen, welche eine Reaktion des Menschen erfordern, so werden Impulse an das motorische System übermittelt. Hierbei handelt es sich um das System, welches sich dazu eignet, um sich mit der Umgebung austauschen zu können. Darunter fallen alle motorischen Prozesse wie Bewegungen und das Sprechen^[15].

Der Begriff „Immersion“ kann mit dem deutschen Wort „Eintauchen“ übersetzt werden. Es beschreibt die Verminderung der Wahrnehmung für die eigene Person und die Erhöhung der Identifikation mit der Person innerhalb einer virtuellen Realität. Es beschreibt das Gefühl, Teil der virtuellen Welt zu sein^[16]. Dadurch dient die Immersion als ein Maß für den Realismus einer Simulation. Dieser Grad ist abhängig von folgenden Kriterien^[17]:

- Die Sinneseindrücke des Menschen sollten ausschließlich vom Computer generiert werden. Der Nutzer der virtuellen Realität soll weitgehend von Reizen der realen Umgebung abgeschottet sein. Somit entsteht eine Isolation von der realen Umgebung
- Es müssen möglichst viele Sinne angesprochen werden. Im Kontext der VR belaufen sich diese Sinne auf das Sehen, Hören und Tasten
- Der Mensch soll vom Ausgabegerät möglichst umschlossen werden, d.h. dass nicht nur ein Enges Sichtfeld als Schnittstelle zur virtuellen Realität dient, sondern sich der Teilnehmer frei in der Umgebung umsehen und bewegen kann, ohne dass er die Realität verlässt.
- Die Ausgabegeräte müssen eine „lebendige“ Darstellung bieten. Dies bezieht sich auf die Auflösung und Darstellung der Umgebung. Diese muss als lebensecht empfunden werden.

Das Erfüllen dieser Kriterien ermöglicht einen hohen Immersionsgrad und eine gute Identifikation des Menschen mit der virtuellen Umgebung.

2.2 Simulation

Eine Simulation ist eine möglichst genaue Nachbildung der Realität. Durch Abstraktion wird ein Modell geschaffen, an dem zielgerichtet experimentiert wird. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden anschließend wieder auf das reale Problem übertragen.^[18] Dieser Zusammenhang von realem System, dem daraus abgeleiteten Model und der anschließenden Simulation, wird in diesem Kapitel erläutert.

Grundlage jeder Simulation ist die Realität. Das untersuchte reale System wird mittels Abstraktion in einem Modell abgebildet. Modellierung bedeutet hier, dass die Strukturen und das Verhalten eines Systems mit niedrigerem Detaillierungsgrad als in der realen Welt beschreiben werden. Schlüsse aus Experimenten am Modell, lassen sich dann wieder auf reale Anwendungen übertragen. Die Simulation unterstützt dabei den Entscheidungsprozess in der realen Welt.^[19]

Simulationsmodelle können in drei Bereich klassifiziert werden:

- Physikalische Modelle, zum Beispiel eines Flugzeugs im Windkanal oder abstrakte Modelle wie beispielsweise ein Unternehmensplanspiel.
- Modelle mit menschlicher Entscheidung, was im militärischen Umfeld als Sandkastenspiel zum Einsatz kommt, oder ohne menschliche Entscheidung zum Beispiel in der Simulation von Automaten.
- Deterministische Modelle kommen bei Wärmeflussgleichungen zum Einsatz oder stochastische Modelle, die bei der Nachbildung von Molekularbewegung zum Einsatz kommen.^[20]

In der industriellen Produktion und der Logistik werden oft Anlagen und Prozesse simuliert. Das dynamische Verhalten des Systems unter Verwendung stochastischer Komponenten mit Zustandsänderungen an diskreten Zeitpunkten ist eines der häufigsten Anwendungsgebiete. Es werden Modelle eingesetzt, die ergebnisorientiert sind, d.h. Zustandsänderungen werden beim Eintritt von Ereignissen beschreiben und nachgebildet. Diese Art der Simulation nennt sich Discrete-Event-Simulation (DES). Komponenten hierbei sind Simulationsuhr, Ereigniskalender und statistischer Zähler. In dieser Ausarbeitung soll aufgrund der Komplexität an dieser Stelle nicht weiter in die Tiefe gegangen werden.^[21]

2.3 Simulation zu Trainingszwecken

Durch eine steigende Automatisierung und Digitalisierung wird in den kommenden Jahren, der Anspruch an Arbeitnehmer stetig wachsen. Zunehmend werden Tätigkeiten von Maschinen oder Computern übernommen, was dazu führt, dass Menschen überwachende Funktionen übernehmen und nur noch bei Bedarf eingreifen.^[22] Dies führt zu einem erhöhten Anspruch an das Fachwissen, so wie einer verbesserten Entscheidungskompetenz in den jeweiligen Situationen. Der Einsatz von Simulationen zu Trainingszwecken kann hierbei helfen, diese Herausforderungen zu meistern.

Simulationsorientiertes Training ermöglicht es, den Teilnehmern in einer virtuell erzeugten Umgebung Erfahrungen zu sammeln. Ohne Zeitdruck und Risiko können Fehler gemacht werden.^[23] Auf diese Weise können neue Verhaltensweisen erlernt und auf die Realität übertragen werden, da Simulationen sich entsprechend der Eingabe des Nutzers anpassen und reagieren. Simulationen eignen sich daher besonders gut, um Entscheidungen und Verhaltensweisen einzuüben, die in der Realität nur unter großer Gefahr oder mit großem finanziellem Aufwand trainiert werden könnten.^[24]

Simulationen zu Trainingszwecken können in den verschiedensten Bereichen eingesetzt werden. Neben dem Erlenen von Handlungsabläufen oder sozialen Fertigkeiten sind auch das Erlernen und Abfragen von Wissen möglich. Simulationen können in folgenden Bereichen eingesetzt werden:^[25]

- Sport
- Produktion
- Medizin
- Betriebswirtschaftliche Bereiche
- Militär
- Polizei
- Feuerwehr

Simulationen für berufliches Trainings bieten viele Vorteile. Herauszuarbeiten sind der Trainingserfolg, eine kostengünstige und Risikoarme Durchführung sowie eine globale und definierte Durchführung der Trainings. Dem stehen entgegen, die hohen Entwicklungskosten und eine teilweise noch nicht ausgereifte Hardware.

3 Technologien

3.1 Virtual Reality

Zum jetzigen Zeitpunkt wurde der Begriff Virtual Reality (VR) noch nicht eindeutig definiert. Dies hängt mit der sich ständig weiterentwickelnden Technologie zusammen, welche für die Erstellung der Virtual Reality verwendet wird. Man ist sich jedoch einig, dass es sich bei der Virtual Reality um eine „computergenerierte, interaktive, nichtphysische, aber lebensechte Umgebung […] handelt. […] es kann eine[r] Wirklichkeit, mitsamt ihrer physikalischen Eigenschaften simuliert werden.“^[26]

Der Zweck der virtuellen Realität liegt in der Herstellung einer Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Diese Schnittstelle wird dem Menschen als lebensechte Wirklichkeit präsentiert. Somit wird der Mensch Teil der Simulation und der virtuellen Realität und kann in dieser Umgebung verschiedene Szenarien simulieren und durchleben. Eine VR ermöglicht dem Nutzer ein Eintauchen in eine weitere Realität. Dies gelingt durch den hohen Immersionsgrad, welcher durch eine Virtual Reality bereitgestellt wird^[27].

Die Simulation innerhalb der Virtual Reality können viele verschiedene Szenarien wiedergeben. Somit lassen sich viele Handlungsfelder ableiten. Hierfür müssen die wesentlichen Parameter eines realen Systems innerhalb der VR dargestellt werden. Somit kann man experimentell die Szenarien beeinflussen und das Ergebnis der Simulation interpretieren. Dies vermindert das Risiko bei gefährlichen Szenarien. Jedoch muss bei der Erstellung der VR immer darauf geachtet werden, dass die dargestellten Parameter auch der Realität entsprechen. Ansonsten lassen sich die erzielten Ergebnisse nicht übertragen. Hier spielt das genaue Nachempfinden der Realität eine große Rolle. Ebenso wichtig ist die psychologische Plausibilität. Die VR muss in sich geschlossen und stimmig sein, damit der Nutzer in diese neue Welt eintauchen kann^[28].

Die VR ist ein sehr junges Wissenschaftsgebiet und zeichnet sich durch eine rasante Weiterentwicklung aus. Dem Fortschritt dieser Entwicklung liegt die zum heutigen Tage verfügbare Hardware zugrunde. Da die VR große Informationen bereitstellen muss, um dem Anwender eine plausible Realität bieten zu können, muss die Hardware sehr leistungsstark sein. Somit wächst das Potenzial der VR mit der Entwicklung der Computerhardware^[29].

[...]

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^[1] (Macho & Kuhn, 2017)

^[2] (Duden, 2017)

^[3] (Cambridge Dictionary, 2017)

^[4] (Gabler Wirtschaftslexikon, 2017)

^[5] (Bröckermann, 2016, S. 218)

^[6] (Bröckermann, 2016, S. 234)

^[7] (von Rosenstiel, 2003, S. 70f.)

^[8] (Becker & Berthel, 2017, S. 54 ff.)

^[9] (Pädagogik, Online Lexikon für Psychologie und, 2017)

^[10] (Pädagogik, Online Lexikon für Psychologie und)

^[11] (Dörner, Grimm, Broll, & Jung, 2013, S. 33 ff.)

^[12] (Pietraß & Funiok, 2010, S. 31)

^[13] (Dörner, Grimm, Broll, & Jung, 2013, S. 35)

^[14] (Kiesel & Koch, 2012, S. 131)

^[15] (Dörner, Grimm, Broll, & Jung, 2013, S. 35)

^[16] (Kaulich, 2015, S. 11)

^[17] (Dörner, Grimm, Broll, & Jung, 2013, S. 14)

^[18] (Gabler Wirtschaftslexikon, 2017)

^[19] (März & al., 2011, S. 13ff. )

^[20] (Gabler Wirtschaftslexikon, 2017)

^[21] (März & al., 2011, S. 14ff. )

^[22] (Badke-Schaub, Hofinger, & Lau, 2012, S. 5f.)

^[23] (Cress & Hesse, 2014, S. 307)

^[24] (Nerdinger, Blickl, & Schape, 2014, S. 308ff.)

^[25] (Cress & Hesse, 2014, S. 132)

^[26] (Conze, 2017)

^[27] (Dörner, Grimm, Broll, & Jung, 2013, S. 9)

^[28] (Badke-Schaub, Lauche, & Hofinger, 2012, S. 16)

^[29] (Dörner, Grimm, Broll, & Jung, 2013, S. 12)