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Die Erfindung betrifft ein System zum virtuellen Lernen auf der Grundlage virtueller Realität (VR) und erweiterter Realität (AR - englisch: augmented reality). VR bezeichnet die Darstellung und gleichzeitige Wahrnehmung der Wirklichkeit und ihrer physikalischen Eigenschaften in einer in Echtzeit computergenerierten, interaktiven virtuellen Umgebung. Unter AR versteht man die computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung. Diese Information kann alle menschlichen Sinnesmodalitäten ansprechen. Häufig wird jedoch unter erweiterter Realität nur die visuelle Darstellung von Informationen verstanden, also die Ergänzung von Bildern oder Videos mit computergenerierten Zusatzinformationen oder virtuellen Objekten mittels Einblendung oder Überlagerung. Da es sich um eine Vermischung der virtuellen Realität und der physischen Realität handelt wird auch die Bezeichnung gemischte Realität (engl. Mixed Reality) verwendet. Soweit nachfolgend die Bezeichnung VR-Anwendung benutzt wird, ist gleichfalls die AR-Anwendung umfasst.
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Eine der häufigsten Arten des Lernens ist der Unterricht im Klassenzimmer, bei dem von den Schülerinnen und Schülern erwartet wird, dass sie dem Unterricht und den Lehrern folgen. Entsprechendes gilt für andere Formate des Lehrens bzw. der Wissensvermittlung. Bekannte Systeme bieten bereits das Lernen unter Verwendung von Computerressourcen, beispielsweise durch Online-Vorlesungen, Tutorials und dergleichen an. Solche Online-Ressourcen werden zumeist über das Internet mithilfe von vorgespeicherten Vorträgen, Online-Audios oder Video-Tutorials auf einer Plattform bereitgestellt.
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Derartige Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Aus der Druckschrift
US 6 857 878 B1 ist ein endoskopisches Lernsystem bekannt, mit dem ein Organ simuliert und die Handhabung eines endoskopischen Instruments durch virtuelle Realität trainiert werden kann. Das Lernsystem ist jedoch nicht für mehrere Teilnehmer vorgesehen.
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Ein Simulationssystem zum Training von Situationen der Arzt-Patient-Kommunikation ist aus der der Druckschrift
US 8 469 713 B2 bekannt, wobei auch vorgesehen ist, virtuelle Realität einzusetzen, um die Simulation realistischer zu machen. Das Simulationssystem ist jedoch nicht für mehrere Teilnehmer vorgesehen.
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Die Druckschrift
EP 3 200 044 A1 beschreibt ein computerimplementiertes System und Verfahren für auf virtueller Realität basierendes interaktives Lernen. Das Verfahren umfasst die Simulation einer interaktiven 3D-Szene in einer VR-Umgebung und das Rendern der interaktiven 3D-Szene einschließlich Abfragen auf einer VR-Anzeigeplattform. Antworten auf die Anfragen werden in der VR-Umgebung empfangen. Ein erster kumulativer Bewertungswert wird basierend auf der Antwort und den Attributen der Teilnehmer berechnet. Außerdem werden nachfolgende interaktive 3D-Szenen in der VR-Umgebung basierend auf dem ersten kumulativen Bewertungsergebnis dynamisch simuliert. Eine interaktive 3D-Szene wird gerendert, bis die Gesamtbewertung gleich oder größer als eine Schwellenbewertung ist. Das vorgeschlagene System ist zwar für mehrere Teilnehmer vorgesehen, jedoch wird nicht beschrieben, wie diese mit dem System verbunden werden. Zudem kann nicht nach Teilnehmern individuell unterschieden werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum virtuellen Lernen auf der Grundlage virtueller Realität anzubieten, das ein individuelles Lernen in einer Lerngruppe mit Fokussierung auch auf einzelne Nutzer ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zum virtuellen Lernen auf der Grundlage virtueller Realität. Nach der Erfindung sind eine Steuerungseinrichtung sowie mehrere mobile Endgeräte, zumindest VR-Brillen für die VR-Anwendung und Headsets für die Audioübertragung, umfasst. Die Steuerungseinrichtung überträgt ein synchrones, für alle VR-Brillen einheitliches oder ein für Gruppen von VR-Brillen oder für einzelne VR-Brillen unterschiedliches Videosignal aus einem Videospeicher auf die VR-Brillen. Es ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung ein synchrones, für alle VR-Brillen einheitliches oder ein für Gruppen von VR-Brillen oder für einzelne VR-Brillen unterschiedliches Videosignal aus einem Videospeicher auf die VR-Brillen überträgt. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung ein synchrones, für alle Headsets einheitliches oder ein für Gruppen von Headsets oder für einzelne Headsets unterschiedliches Audiosignal aus Audiospeichern überträgt und/oder von einem Mikrofon empfängt.
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Die VR-Anwendung bzw. das Videosignal im Sinne der Erfindung umfasst beispielsweise Foto, Video und einen 360° Player, zudem 2D- und 3D-Modelle und Interaktionsanwendungen. Es sind auch Interaktionsanwendungen mit zeitgleichem oder individuellem Start aller Endgeräte vorgesehen. Der Bediener, beispielsweise der Lehrer einer Schulklasse, die im Sinne der Erfindung eine Gruppe von Nutzern bildet, hat auch die Möglichkeit, auf die Darstellung einzelner Endgeräte zuzugreifen um Hilfestellung bzw. Erklärungen anbieten zu können.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems umfasst als Endgeräte weiterhin Tablet-Computer. Ein Tablet-Computer, auch als Tablet-PC oder Tablet bezeichnet, ist ein tragbarer, flacher Computer in besonders leichter Ausführung mit einem Touchscreen, aber, anders als bei Notebooks, ohne ausklappbare mechanische Tastatur. Ein Tablet ist eine spezielle Bauform eines Personal Computers, die zu den Handheld-Geräten zählt. Aufgrund der leichten Bauart und des berührungsempfindlichen Bildschirms zeichnen sich Tablets durch eine einfache Handhabung aus. Die Geräte ähneln in Leistungsumfang, Bedienung und Design modernen Smartphones und verwenden meist ursprünglich für Smartphones entwickelte Betriebssysteme. Eine Bildschirmtastatur wird nur bei Bedarf eingeblendet.
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Die Tablet-Computer kommen u. a. dann zum Einsatz, wenn bei Nutzern Restriktionen für den Einsatz der VR-Brillen bestehen. Als Restriktionen kommen beispielsweise die Gefahr von epileptischen Anfällen oder Motion Sickness in Betracht. In diesen Fällen können die betreffenden Nutzer die Darstellungen auf dem Bildschirm des Tablet-Computers verfolgen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Audiosignal in der Steuerungseinrichtung gespeichert ist und/oder als Audiokommentar des Bedieners der Steuerungseinrichtung mittels eines Mikrofons eingesprochen wird. Dies macht auch grundsätzlich einen Internetanschluss entbehrlich, über den ansonsten Informationen von der Steuerungseinrichtung empfangen würden. Alle Nutzer bzw. deren Endgeräte sind dazu an einem lokalen Netzwerk angeschlossen, das sie mit dem Bediener bzw. der Steuerungseinrichtung verbindet. Es handelt sich um ein in sich geschlossenes System, welches zumindest mittels eines Intranets, an das die Steuerungseinrichtung und die Endgeräte angeschlossen sind, alle vorgesehenen Funktionen bietet. Die Inhalte werden über einen in dem System integrierten Server, der den Videospeicher und den Audiospeicher umfasst, auf die Endgeräte gepuffert.
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Alternativ kann die erfindungsgemäße Lösung aber auch durch einen Anschluss an das Internet online funktionieren. Dies ermöglicht zusätzliche Funktionen wie das Streamen von Inhalten aus Fremdquellen, wie z. B. Lerninhalte, Podcasts, Audioangebote, Videos, VR-Daten oder AR-Daten anderer Anbieter. Weiterhin wird das Mitnehmen der Endgeräte aus dem unmittelbaren Bereich des lokalen Netzwerks der Steuerungseinrichtung heraus möglich, z. B. für den Heimunterreicht (Home-Schooling), sowie einen schulübergreifenden Unterricht, bei dem ein Lehrer als Bediener mehrere räumlich voneinander getrennte Gruppen von Nutzern, insbesondere Klassen, unterrichten kann. Dazu sind die Endgeräte anstelle an das lokale Netzwerk des Systems über eine anderes Netzwerk am Ort der Nutzung, z. B. ein dort vorhandenes WLAN-Netzwerk, mit dem Internet verbunden.
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Die jeweiligen Anwendungen können auch durch das simple Auflegen eines RFID-Chips ausgelöst, d. h. insbesondere das Abspielen gestartet, aber auch gestoppt oder auf andere Weise beeinflusst werden. So kann z. B. die Anwendung einer VR-Präsentation des Anne-Frank-Hauses durch das Auflegen einer RFID-Karte, beispielsweise die Größe einer Kreditkarte besitzt, auf allen Endgeräten vollautomatisiert abgespielt werden, ohne dass der Präsentator mit der Oberfläche interagieren muss.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Headsets einen Audiokommentar des Nutzers aufnehmen und über das lokale Netzwerk oder das Internet an den Bediener übertragen. Dadurch wird innerhalb des Systems eine Kommunikation möglich. Für Rückfragen muss das System nicht verlassen werden, VR-Brille und Headset bleiben beim Nutzer aufgesetzt. Eine Alternative hierzu stellt die Kommunikation zwischen dem Bediener und dem Nutzer per Audio-Chat dar.
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Zur Hilfestellung und Überwachung können zumindest einzelne VR-Brillen oder auch alle VR-Brillen das Streamen von Audio- und Videosignalen auf den Server auslösen. Somit können mittels eines Sprachdialogs (Audiochat) Hilfestellungen gegeben werden. Audio kann im Einzelkanal als auch im Multichanel stattfinden. Die Steuerungseinrichtung, auch als Server bezeichnet, fungiert alternativ als Abspielrekorder zur Ausgabe der gespeicherten Inhalte. Bei allen oder einzelnen Systemen bzw. Endgeräten kann das Abspielen gestoppt, gestartet, pausiert und die Ansicht, insbesondere das Format, die Geschwindigkeit oder die Darstellung mehrerer Inhalte gleichzeitig, gesteuert werden.
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Ein virtueller Raum dient dem virtuellen Zusammenkommen von Nutzern und/oder Bediener und der Möglichkeit, den Bildschirm zu teilen (Screensharing), bei dem sich die Nutzer und/oder Bediener gegenseitig auf den geteilten Bildschirm der VR-Brille (6) sehen können. In dem Fall sind insbesondere 2D-Präsentationen vorgesehen.
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Vorteilhafterweise ist eine Klausurfunktion vorgesehen, die es dem Bediener ermöglicht, die Wahrnehmung und Erinnerung der angebotenen Inhalte durch die Nutzer im Rahmen einer Prüfung abzufragen. Hierfür kommen in besonders vorteilhafter Weise auch die Tablet-Computer zum Einsatz, die sich als sehr geeignet für das Abfragen von Prüfungsinhalten erwiesen haben.
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Es hat sich als ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steuerungseinrichtung kabellos mit den Endgeräten, zumindest den VR-Brillen und/oder den Headsets, wenn vorgesehen auch mit den Tablet-Computern, verbunden ist. Dadurch kann das System schnell eingesetzt werden, ohne erst eine Kabelverbindung herstellen zu müssen, und die Unfallgefahr durch auf dem Boden liegende Kabel entfällt. Die Verbindung zwischen Steuerungseinrichtung und Endgeräten wird in dem Fall über ein drahtloses WLAN-Netzwerk unmittelbar oder über das Internet hergestellt.
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Vorteilhafterweise wird das System in einer Basiseinheit, beispielsweise ausgeführt als ein fahrbarer Rollcontainer, aufbewahrt und transportiert. Die Basiseinheit ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform mit Schubladen zur Aufbewahrung zumindest der VR-Brillen und Headsets ausgestattet. Sofern Tablet-Computer vorgesehen sind, werden auch diese in der Basiseinheit aufbewahrt. Dabei ist es besonders günstig, wenn die obere Abdeckung der Basiseinheit aufklappbar ist. Ein unter der Abdeckung angeordnetes Bedienpaneel und ein in der Abdeckung angeordneter Bildschirm werden dann freigegeben.
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Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen System um eine All-In-One-Lösung, bei der alle erforderlichen Funktionen in der Basiseinheit integriert sind und von dieser ausgeführt werden. Die Stromversorgung ist über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) abgesichert, sodass nach der bevorzugten Ausführungsform eine Stunde Betrieb ohne Netzanschluss möglich ist. Somit muss der Unterricht auch bei einem Stromausfall nicht sofort abgebrochen werden.
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Ein Router, der das lokale Netzwerk herstellt, überwacht und steuert, sowie die Steuerungseinrichtung, die einen Steuerungsserver und insbesondere einen Media-Server, umfasst, sind integriert. Das erfindungsgemäße System verfügt weiterhin über eine Ladestation für die Endgeräte und eine Kommunikationsschnittstelle zu einzelnen Geräten. Die LAN-Schnittstellen für ein lokales Netzwerk sind leicht zugänglich.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems umfasst eine ausreichende Anzahl an VR-Brillen und mehrere Headsets für eine Gruppe von Nutzern, z. B. eine gesamte Schulklasse. Die mobilen Endgeräte, die Headsets und die VR-Brillen sowie ergänzende Tablet-Systeme, insbesondere Tablet-Computer, werden hybrid oder in Gruppen oder auch einzelnen angesteuert. Durch die gezielte Auswahl von Nutzern nach deren Bedürfnissen und Restriktionen ist keine Zielgruppe ausgeschlossen, wie z. B. Nutzer mit Epilepsie oder Motion-Sickness-Risiko.
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Das erfindungsgemäße System stellt eine mobile Einheit, eine VR-Ausstattung für eine Gruppe von Nutzern, z. B. eine ganze Schulklasse, zur Verfügung. Hierzu ist grundsätzlich kein Anschluss an das Internet erforderlich. Ein für einzelne Nutzer individuell angepasster Unterricht ist möglich, denn die Headsets können einzeln, universell oder in Gruppen mit Inhalten bespielt und per Audiokommentar angesprochen werden. Das System funktioniert kabellos und ist unkompliziert einzurichten. Es erfolgt beispielsweise ein synchrones Streaming von VR- oder AR-Inhalten auf alle Endgeräte. Eine Kommunikation zwischen dem Bediener und den Nutzern, aber auch der Nutzer untereinander, kann per Audio-Chat, normalen Chat oder über eine Texteinblendung in der VR-Brille erfolgen sowie alternativ mittels eines virtuellen Avatars, einer virtuellen Person, die den Bediener simuliert oder ersetzt. Eine intuitive Bedienung durch Lehr- oder Betreuungskraft als Bediener ist möglich, eine VR-Erfahrung oder Technikaffinität ist nicht erforderlich. Die Soft- und Hardware ist individualisierbar für verschiedene Einsatzbereich oder Bediener- bzw. Nutzergruppen.
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Die vorliegende Erfindung bietet einen Schlüssel zur digitalisierten Bildung. Es ist von hohem Mehrwert, historische Ereignisse, zerstörte und weit entfernte Orte sowie naturwissenschaftliche Prozesse auf Knopfdruck und aus einem Lernraum, wie z. B. einem Klassenzimmer, heraus intensiv zu erleben. Das mobile, intuitiv bedienbare System zum virtuellen Lernen auf der Grundlage virtueller Realität gemäß der vorliegenden Erfindung ergänzt und digitalisiert herkömmlichen Schulunterricht, macht ihn interaktiv und inklusiv, ermöglichst somit die Teilnahme von Nutzern mit unterschiedlicher Vorbildung, und steigert so nachweislich das Bildungsniveau. Das virtuelle interaktive Lernen bietet zahllose Bildungsanwendungen, die sich über alle Themenfelder der Kernlehrpläne erstrecken und flexibel abgerufen werden können. Er ermöglicht den Schülerinnen und Schülern Zeit- und Weltreisen, nimmt naturwissenschaftlichen Prozessen oder mathematischen Formeln ihren hohen Abstraktionsgrad und visualisiert sie verständlich für alle Nutzer. Somit ist das erfindungsgemäße System als Kernkomponente der Digitalisierung von Bildung zu verstehen und bietet nicht nur einen Mehrwert für den Unterricht, sondern bereitet die Nutzer, insbesondere Schülerinnen und Schüler, auf die Herausforderungen einer digitalisierten Zukunft vor und macht sie so zu Mitgestaltern.
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Darüber hinaus findet das erfindungsgemäße System Anwendung bei virtuellen Coachings oder Seminare, in der Fort- und Weiterbildung. Im geschäftlichen Bereich kommt zudem die Anwendung in virtuellen Showrooms in Betracht, die Verwendung für Akquise und Wartung für Unternehmen.
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Weitere Vorteile bestehen darin,
- • den Unterricht durch VR und AR zu ergänzen (beispielsweise natur- und geisteswissenschaftliche Fächer, Sprachen, Kunst sowie Geschichte und Sport),
- • die Inklusion zu verbessern: VR-Unterricht ermöglicht individuellen Unterricht unter Berücksichtigung subjektiver Stärken und Schwächen und gesundheitlicher Einschränkungen,
- • lehrplankonforme Inhalte spielerisch zu vermitteln und so Kreativität, Lernerfolg und Sozialkompetenz zu steigern,
- • Inhalte können stets aktuell gehalten werden,
- • von einem stetig wachsenden Portfolio an Lehrinhalten (Eigenproduktionen, Fremdinhalten vom Auftraggeber, bestehendem Content von staatlichen und privaten Institutionen etc.) zu profitieren,
- • ganzheitlich didaktisches Konzept (mit Pädagogen entwickelt),
- • aus der Perspektive der Nutzer (z. B. Schüler): simple Bedienung, mögliche autarke Nutzung in Abstimmung mit Lehrkraft, Steigerung der individuellen Lernkurve.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die technische Funktion des erfindungsgemäßen Systems ergänzt wird durch:
- • die Bereitstellung von Begleitmaterial zur Vorbereitung der Lehrveranstaltung, der Unterstützung der Anwendung und zur Nachbereitung,
- • die Visualisierung und Vertonung von statischen Inhalten zur interaktiven Wissensvermittlung,
- • Lernsoftware zur Wissensabfrage nach Anwendung des erfindungsgemäßen Systems im Unterricht (Tests und Klassenarbeiten möglich).
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Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zum virtuellen Lernen auf der Grundlage virtueller Realität und
- 2: schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Rollcontainers für ein erfindungsgemäßes System zum virtuellen Lernen auf der Grundlage virtueller Realität.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum virtuellen Lernen auf der Grundlage virtueller Realität. Eine Steuerungseinrichtung 2 umfasst einen Videospeicher 8, in dem Videos und Interaktionsanwendungen, 3D-Modelle, 2D-Screensharing zum Abspielen auf VR-Brillen 4 gespeichert sind. Weiterhin sind Audiospeicher 10 Teile der Steuerungseinrichtung 2, in denen Audiosignale zum Abspielen auf den Headsets 6 gespeichert sind.
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Das Videosignal 14 wird einheitlich auf alle VR-Brillen 4 oder auf einzelne, ausgewählte VR-Brillen 4 oder gruppenweise an eine ausgewählte Gruppe von VR-Brillen 4 gesteuert übertragen. Zudem sind unterschiedliche Audiosignale 16 vorgesehen, die aus dem Audiospeicher 10 entweder an alle oder an eine ganze Gruppe von Headsets 6 übertragen werden oder aber an ein einzelnes Headset. Neben den Audiospeichern 10 ist auch ein Mikrofon 12 mit der Steuerungseinrichtung 2 verbunden, mit dem unmittelbar Töne aufgenommen werden und als Audiosignal 16 an ein oder mehrere Headsets 6, insbesondere an das des Bedieners, übertragen werden kann. Hierdurch kann der Bediener der Steuerungseinrichtung 2 Anweisungen und Informationen unmittelbar an einen oder mehrere Benutzer der Headsets 6 senden bzw. mit diesen kommunizieren.
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2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Rollcontainers 20 für ein erfindungsgemäßes System zum virtuellen Lernen auf der Grundlage virtueller Realität. In Schubladen 24 sind die Headsets 6, die VR-Brillen 4 und andere Zubehörelemente untergebracht.
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Im oberen Bereich des Rollcontainers 20 sind Einrichtungen zur Bedienung angeordnet, insbesondere ein Bedienpaneel 26, das unter anderem eine Tastatur aufweist. Das Bedienpaneel 26 wird zugänglich, wenn eine Abdeckung 22 aufgeklappt wird. In der Abdeckung 22 befindet sich auch ein Bildschirm 28, auf dem beispielsweise Anweisungen angezeigt oder Bedieneingaben bestätigt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Steuerungseinrichtung
- 4
- VR-Brille, Endgerät
- 6
- Headset, Endgerät
- 8
- Videospeicher
- 10
- Audiospeicher
- 12
- Mikrofon
- 14
- Videosignal
- 16
- Audiosignal
- 20
- Rollcontainer, Basiseinheit
- 22
- Abdeckung
- 24
- Schublade
- 26
- Bedienpaneel
- 28
- Bildschirm
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6857878 B1 [0003]
- US 8469713 B2 [0004]
- EP 3200044 A1 [0005]
