Lernen in der VR-Lackierwerkstatt

Naturgemäß sind die Versprechungen neuer Technologien am Anfang sehr hoch, und entsprechend überschlagen sich die Erwartungen. Letztlich müssen sich aber die damit entwickelten Systeme im Ausbildungsbetrieb bewähren und einen Mehrwert bieten [4] – es muss also in irgendeiner Dimension besser damit gelernt werden können. Wie kann also beispielsweise Virtual Reality wirklich sinnvoll beim Lernen unterstützen? 

Projekt HandLeVR

Dieser Frage widmet sich unter anderem das Forschungsprojekt HandLeVR [5] im Zusammenhang mit handlungsorientiertem Lernen in der Berufsausbildung von Fahrzeuglackierern. Bestehende Systeme lassen hier das Trainieren der Körper-Hand-Koordination sowie insgesamt ein Didaktik-Konzept vermissen, wie man im Bildungszentrum bei dem Kooperationspartner Mercedes-Benz Ludwigsfelde weiß, der mit seiner Expertise den praktischen Bezug und somit vor allem die enge Schnittstelle zum Handwerk in das Projekt einbringt. Damit die Technologie didaktisch sinnvoll genutzt wird, ist das Learning Lab der Universität Duisburg Teil des Projektverbunds. Für die technische Umsetzung der anspruchsvollen VR-Lackierwerkstatt wiederum zeichnet sich die Universität Potsdam verantwortlich. Das Vorhaben in die Breite zu tragen und weitere Expertenmeinungen aus der Branche zu sammeln, ist schließlich Aufgabe der ZWH.

Dass man technisch auf dem besten Weg ist, handlungsorientiertes Lernen im Bereich Fahrzeuglackierung zu unterstützen, konnte das Team bereits beim DIVR Science Award beweisen. Bereits zur Halbzeit des Projekts überzeugte die Umsetzung derart, dass die Jury die VR-Lackierwerkstatt mit dem Best Tech Award auszeichnete. Die Vorteile liegen auf der Hand: Neben neuen Möglichkeiten bei der Unterstützung des Lernens von motorischen Fertigkeiten im dreidimensionalen Raum kann der Farbauftrag im Nachgang vollständig analysiert werden. Den Auszubildenden wird außerdem der Zugang erleichtert, denn das Lernen ist nach individuellem Bedarf beliebig oft durchführbar, spart kostenintensives Material und schützt die Atemwege. Zudem macht der Einsatz moderner Methoden die Ausbildung für den Nachwuchs attraktiv.

VR-Lackierwerkstatt

Um das Potenzial von VR in der handlungsorientierten Berufsausbildung zu untersuchen, wurde ein Lernsystem mit einer essentiellen VR-Komponente entwickelt – die VR-Lackierwerkstatt. 

Didaktisch folgt die VR-Lackierwerkstatt dem 4C/ID-Modell [6], welches einen Gestaltungsrahmen für digitale Lehr-/Lernangebote zur Entwicklung komplexer Kompetenzen bietet und unter anderem realistische und authentische Lernszenarien fordert. Die konkrete Ausgestaltung des didaktischen Konzepts liegt nicht im Fokus dieses Artikels, kann aber im Detail den Publikationen aus dem Projekt entnommen werden [7].

Technisch besteht die VR-Lackierwerkstatt im Kern aus den drei folgenden Komponenten:

• Das Autorenwerkzeug wird zur Vorbereitung einer konkreten Lernhandlung von ausbildenden Personen genutzt (z. B. durch die Einbindung fertiger Templates für konkrete Lerneinheiten und/oder neuer 3D-Modelle für zu lackierende Fahrzeugteile).
• Die VR-Trainingsanwendung dient im berufsfachlichen Kern dem Training und der Qualitätskontrolle von Farbaufträgen auf Werkstücke. 
• In der Reflektionsanwendung können Auszubildende untereinander bzw. mit den ausbildenden Personen ihre Lackierübung auswerten.

Das Zusammenspiel der drei Komponenten ist in Bild 1 illustriert und wird im Folgenden ausgeführt.

In der Vorbereitungsphase einer konkreten Lernhandlung wird von ausbildenden Personen bzw. den ausbildenden Institutionen das Autorenwerkzeug genutzt, um das allgemeine Szenario (Auftrag von Farbschichten) zu konkretisieren. Das Werkzeug ermöglicht vor allem die umfassende Definition von konkreten Lerneinheiten. Neben der Auswahl, Anpassung und Erstellung von Instruktionen und Inhalten werden hier insbesondere die Auswahl oder der Import konkreter 3D-Modelle für Werkstücke und Lackierwerkzeuge sowie verschiedener Lacke und weiterer Artefakte unterstützt. 

Bild 1: Zentrale Komponenten der VR-Lackierwerkstatt

Im Ergebnis wird die VR-Trainingsanwendung für die Nutzung durch die Auszubildenden konfiguriert. Diese führen im Rahmen der zuvor festgelegten Lernparameter ihre Lernhandlungen in einer simulierten Lackierkabine durch. Die Auszubildenden tragen während des Trainings ein handelsübliches und inzwischen kostengünstiges Head-Mounted Display (HMD), welches sie direkt in die virtuelle Welt versetzt. Derzeit werden die HMDs HTC Vive (und Nachfolger), Oculus Rift, Oculus Quest (mit Link-Kabel) sowie Windows Mixed Reality unterstützt. Mit einem physischen Controller in Form der typischen Lackierpistole sowie seinem virtuellen, in der VR sichtbaren Gegenstück können virtuell angezeigte 3D-Werkstücke durch die Auszubildenden lackiert werden. Bild 2 (links) zeigt einen Screenshot aus der VR-Trainingsanwendung. Die Simulation wird in der 3D-Engine Unity entwickelt.

Im Fokus der nachgebildeten Lackierkabine steht die Fragestellung nach der Wirkung einer realitätsnahen Umgebung für Lerntransferprozesse, insbesondere im Vergleich zu einer fehlenden authentischen Umgebung. Die virtuelle Lackierkabine ist dafür einem existierenden Vorbild nachempfunden. Dies ermöglicht Lackiervorgänge in einer authentischen Umgebung zu trainieren. Im Zentrum der Kabine können verschiedene dreidimensionale Teile eines Fahrzeugs (z. B. Motorhaube, Kotflügel oder Tür) platziert werden, um unter anderem an problematischen Oberflächen, wie z. B. Kanten und Krümmungen, üben zu können. Die Werkstücke befinden sich auf einem Lackierständer, der es ermöglicht die Höhe und Drehung zu verändern und so das Werkstück auf die eigene Körpergröße anzupassen. Über einen an der Wand eingeblendeten Bildschirm können Auszubildende beispielsweise Hilfestellungen aktivieren, zusätzliche Lerninhalte (z. B. Lernvideos) anzeigen und Werkstücke variieren – sofern die Ausbilder*innen dies zuvor über das Autorenwerkzeug freigeschaltet haben.

Als Controller wurde im 3D-Druck ein Nachbau einer Lackierpistole angefertigt, der in Bild 2 (rechts) zu sehen ist. Dieser kann für eine Ortung im Raum mit einem Tracker (z. B. Vive Tracker wie im Bild) oder einem VR-Controller (z. B. für Oculus Quest) versehen werden. Die Position des Abzugshebels und sämtlicher Stellräder wird mit eingebetteten Sensoren erfasst und an die VR-Anwendung weitergeleitet.

Bereits in der VR-Trainingsanwendung wird eine erste Auswertung der Lackierhandlung angezeigt. Dazu gehört vor allem das Überlagern des Werkstückes mit einer Heatmap, die es nach einem Lackiervorgang ermöglicht festzustellen, in welchen Bereichen zu viel oder zu wenig Farbe appliziert wurde. Weiterhin lässt sich in diesem Modus erkennen, wie viel Farbe auf das Werkstück getroffen ist und wie viel daneben ging. Eine weitere Form der Reflektion stellt die Möglichkeit dar, die Bewegungen der Lackierpistole sowie den erzielten Farbauftrag aufzunehmen und später im dreidimensionalen Raum erneut abzuspielen. So können z. B. Fehler bei der Handhabung der Lackierpistole identifiziert werden.

Bild 2: (links) Ausschnitt der virtuellen Lackierkabine mit halb lackiertem
Werkstück (rechts) gedruckte Lackierpistole mit Vive Tracker zur 3D-Ortung im Raum

Die detaillierten Ergebnisse der Lernhandlung werden zudem in das individuelle Trainingsprofil übertragen. Durch die explizit eingeholte Freigabe eines Trainingsprofil wird dem Datenschutz Rechnung getragen, sodass Auszubildende die Datenhoheit über ihr Profil und somit die über sie gesammelten Daten behalten. Ist dies im individuellen Fall nicht erforderlich, kann auch die automatisierte Übertragung der Leistungsmessdaten in die Reflexionsanwendung durch Lernende aktiviert werden.

Dieses Trainingsprofil kann in die Reflexionsanwendung importiert werden, um die Lernleistungen mit Mit-Auszubildenden oder den ausbildenden Personen auszuwerten. Geeignete Darstellungsformen für die Auswertung werden derzeit erarbeitet und umgesetzt.

Aktueller Stand 

Aktuell liegt die VR-Lackierwerkstatt in einer prototypischen Umsetzung vor, wobei das Autorenwerkzeug bereits einen fortgeschrittenen Stand erreicht hat und die VR-Trainingsanwendung nahezu ausgereift ist. Der aktuelle Prototyp war im Frühjahr 2020 bereits Gegenstand einer ersten Evaluierung in der bei
Mercedes-Benz Ludwigsfelde GmbH und wurde überaus positiv aufgenommen.

Derzeit werden in Zusammenarbeit mit Berufsbildungszentren und anderen beruflichen Bildungsanbietern Betriebs- und Zugangsmöglichkeiten für Auszubildende im Bereich Fahrzeuglackierung erarbeitet. Auch gewerke-übergreifende Transferpotenziale werden untersucht.

Ab 2021 werden die technischen Ergebnisse unter einer Open Source-Lizenz veröffentlicht. Begleitet durch das offene Inhaltsmodell, durch das z. B. die 3D-Werkstücke und Lerneinheiten flexibel geändert werden können, wird die Nachhaltigkeit der Projektergebnisse gefördert. Für das Lernangebot – bestehend aus der VR-Lackierwerkstatt und didaktischem Begleitmaterial – ist eine Veröffentlichung als Open Educational Ressource (OER) geplant, mit einer Reihe vorbereiteter Lerneinheiten-Vorlagen (Templates) inkl. lizenzrechtlich nutzbarer, sinnvoller 3D-Modelle.

Ausblick

Bereits während der ersten Evaluation bei Mercedes-Benz Ludwigsfelde war das Interesse der Auszubildenden umwerfend, sodass dem Einsatz im regulären Ausbildungsbetrieb alle Türen offenstehen. Dabei wird der Meister in der Lage sein, Inhalte speziell auf seine Lehrlinge des ersten und zweiten Ausbildungsjahres zuzuschneiden. Hierfür steht bereits heute ein separater Bereich neben der realen Lackierkabine bereit, in dem zukünftig digital gelernt werden darf.

Das Projekt geht aber viel weiter als nur die didaktisierte, digitalisierte Fahrzeuglackier-Ausbildungslösung der nächsten Generation bei Mercedes-Benz zu werden: Der Open-Source-Gedanke zielt darauf ab, auch kleinen Ausbildungsbetrieben diese Lösung zugänglich zu machen, sodass lediglich die Kosten der Hardware in der Eigenbeschaffung anfallen. Glücklicherweise ist das implementierte System in diesem Zusammenhang auch sehr flexibel: Die meisten, handelsüblichen VR-Systeme werden unterstützt. Dieser Ansatz erlaubt ferner den Lerneffekt einer VR-Lösung noch breiter zu evaluieren. 

Schlüsselwörter:

Literatur:

[1] DGB-Bundesvorstand (2019): Ausbildungsreport 2019 – Ausbildung jetzt modernisieren! DGB, Berlin. http://dgb-jugend.hassenbach.de/downloads/ausbildungsreport2019.pdf
[1] Dörner, R.; Broll, W.; Grimm, P.; Jung, B. (2013): Virtual und Augmented Reality (VR / AR): Grundlagen und Methoden der Virtuellen und Augmentierten Realität. Springer Vieweg, Heidelberg.
[2] Zhao, R.; Aqlan, F.; Elliott, L. J.; Lum, H. C. (2019): Developing a virtual reality game for manufacturing education. In: FDG ‘19: Proceedings of the 14th International Conference on the Foundations of Digital Games. ACM, New York.
[3] Zender, R.; Weise, M.; von der Heyde, M.; Söbke, H. (2018): Lehren und Lernen mit VR und AR-Was wird erwartet? Was funktioniert?. In: Proceedings of DeLFI Workshops 2018 co-located with 16th e-Learning Conference of the German Computer Society (DeLFI 2018). CEUR-WS, Frankfurt.