Virtual Reality als Trainingsmethode: Eine Laborstudie aus dem Industriebereich

Virtual und Augmented Reality-(VR/AR)-Hardwaresysteme entwickeln sich rasant. Die Steigerung der Rechenleistung und die hohe Verfügbarkeit von Endgeräten tragen dazu bei, dass viele Unternehmen über mögliche Einsatzszenarien im betrieblichen Umfeld nachdenken und diese auch umsetzen (Zenisek 2021). Besonders im Bereich des industriellen Trainings zeigt sich, dass VR-Systeme komplexe Situationen realistisch nachbilden können. Interaktivität und Immersion versprechen eine gesteigerte Motivation der Lernenden und auch einen höheren Lernerfolg bei gleichbleibenden oder niedrigeren Kosten (Abulrub et al. 2011). Bis heute gibt es in diesem Kontext jedoch kaum Studien, die den möglichen positiven Lerneffekt empirisch belegen. Es zeigt sich, dass zwar virtuelle Trainings existieren, deren Wirksamkeit hinsichtlich Wissensvermittlung jedoch unzureichend erforscht ist.

Der vorliegende Artikel widmet sich der Frage, ob VR-gestütztes Training im Vergleich zu klassischem training-on-the-job (begleitet von einem Tutor) zu einer Steigerung des Lernerfolgs führt. Basierend auf einem VR-Trainingstool zum Erlernen komplexer Montage- und Wartungsabläufe wurde am Campus Steyr der Fachhochschule Oberösterreich eine Laborstudie mit 24 ProbandInnen durchgeführt. In einem fiktiven Szenario mussten die TeilnehmerInnen der Experimentalgruppe ein Objekt unter Anleitung eines Tutors korrekt montieren und nach einer Pause selbiges Objekt eigenständig aus dem Gedächtnis erneut zusammensetzen. Das Training fand in einer komplett virtuellen 3D-Umgebung mit visuellen Hinweisen statt. Beim eigenständigen Zusammenbau im zweiten Durchgang wurden die Montagezeit je Arbeitsschritt, die Fehlerrate sowie die kognitive Belastung bei der Tätigkeitenausführung mittels NASA-TLX Fragebogen erhoben. Auf der Basis eines Between-Subjects-Designs trainierte die Kontrollgruppe – auch angeleitet von einem Tutor – am realen Objekt. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die ProbandInnen der Experimentalgruppe das Training in VR als weniger kognitiv belastend wahrgenommen haben. Die Studie zeigt jedoch weiter, dass die ProbandInnen der Kontrollgruppe im zweiten Durchgang das Objekt schneller montieren konnten und dabei auch weniger Fehler machten; zudem benötigten sie weniger Hinweise von einer Drittperson, um die Aufgabe zu erledigen. Daraus lässt sich ein größerer Lernerfolg beim klassischen training-on-the-job schließen.

Der vorliegende Artikel diskutiert die Erkenntnisse dieser Laborstudie und gibt einen Einblick in die Chancen und Risiken von VR für industrielle Trainingsszenarien. Basierend auf Vorprojekten im Bereich VR-gestütztes Training beschreiben wir zunächst Grundlagen des Lernens in der virtuellen Realität und danach skizzieren wir die technische Implementierung des Prototyps für immersives Training bei komplexen Montageprozessen. Dieser Prototyp war Grundlage der Laborstudie. Es folgt die Darstellung der empirischen Studie, um darauf aufbauend die Chancen und Risiken aktueller Implementierungen zu diskutieren und konkrete Handlungsempfehlungen zu formulieren.

Mit dem Voranschreiten innovativer Technologien sind neue Möglichkeiten der Wissensvermittlung entstanden. VR als Visualisierungstechnologie bietet die Basis für neue Wege der Wissensvermittlung. Erste Erkenntnisse belegen, dass mögliche positive Lerneffekt in VR-Umgebungen mit einem Immersionsgefühl einhergehen (Huang et al. 2021). Demnach ermöglicht VR, vollständig in den Inhalt „einzutauchen“ und diesen interaktiv zu erleben (Cmentowski et al. 2019). Im Gegensatz zu klassischen Lernmedien (wie Videos oder Büchern) soll VR die Distanz zwischen Rezipienten und Erlebnis verringern, da die Inhalte realitätsgetreu wahrgenommen werden, zumindest aber nahe an die Primärerfahrung herankommen.

Es existieren bereits einige Arbeiten, die sich mit dem Potenzial von VR zur Wissensvermittlung auseinandersetzen. Pirker et al. (2018) beschreiben beispielsweise eine immersive VR-Umgebung zur Vermittlung von Inhalten im Physikunterricht. Die AutorInnen berichten in ihrer Studie von positiven Lernerfahrungen der TeilnehmerInnen, Inhalte wurden als interessant und kurzweilig empfunden. Fromm et al. (2021) haben im Kontext der Wissensvermittlung im Hochschulbereich innovative VR-Prototypen entwickelt und erprobt. Konkret wurde untersucht, wie VR-Anwendungen im Bildungsbereich gestaltet werden sollten, um vier unterschiedliche Lernmodi zu unterstützen (im englischen Original als „concrete experience, reflective observation, abstract conceptualization, active experimentation“ bezeichnet). In der Industrie wird VR häufig in der Produktentwicklung oder im Training von Montage- und Instandhaltungstätigkeiten eingesetzt. Grassini und Laumann (2020) berichten in einem Literatur-Review, dass VR-Training dabei helfen kann, das Personal auf reale Notfallszenarien vorzubereiten. Es wird argumentiert, dass der Einsatz von VR nicht nur das Risikobewusstsein der MitarbeiterInnen verändert, sondern auch ihr Routineverhalten positiv beeinflusst. In Summe trage dies zu einer verbesserten Sicherheitskultur bei. Die Autoren verweisen jedoch auch auf die häufig noch bestehende Unausgereiftheit der Technologie und äußern unter Bezugnahme auf andere Arbeiten Zweifel an der Wirksamkeit von VR-Trainings. Ein akutelles Beispiel eines VR-Trainings beschreibt Mulders (2020). Die Arbeit präsentiert die Ergebnisse einer Laborstudie mit 14 angehenden FahrzeuglackiererInnen, die virtuell geschult wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass VR-Trainings für die TeilnehmerInnen motivierend sein können, unter anderem beispielsweise wegen der Interaktion mit einem virtuellen Tutor.

Trotz der Verfügbarkeit entsprechender VR-Technologien sowie einiger empirischer Forschungsergebnisse setzen viele Industrieunternehmen nach wie vor auf traditionell bewährte Methoden des Trainings, insbesondere auf training-on-the-job mit einem Tutor, der die Einlernphase begleitet. Aus wissenschaftlicher Sicht interessant ist ein Vergleich von traditionellen Methoden mit neuartigen Formen des Lernens. Pratticò und Lamberti (2021) berichten Ergebnisse einer Studie, in der untersucht wurde, wie ein immersives VR-Training für die Schulung von Industrieroboter-BedienerInnen im Vergleich zu der vom Unternehmen angewendeten Trainingspraxis auf Basis von Präsenzschulungen abschneidet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Effektivität des entwickelten VR-Trainings in Bezug auf die Fähigkeit der TeilnehmerInnen, die Aufgabe erfolgreich zu bewältigen, mit der des traditionellen Trainings vergleichbar ist. Es wurde auch festgestellt, dass es noch Raum für Verbesserungen gibt (z. B. bei der Umsetzung der Interaktionen mit physischen Werkzeugen und Geräten sowie bei der Nachahmung und Verstärkung von Aspekten der sozialen Dynamik zwischen AusbilderIn und Auszubildendem). Saunders et al. (2019) berichten in einer ähnlichen Studie, dass VR-basierte Trainings, entweder allein oder in Kombination mit traditionellem hands-on training, genauso effektiv sein können wie ressourcenintensive klassische Trainingseinheiten.

Winther et al. (2020) präsentieren eine Fallstudie, in der eine VR-Trainingssimulation für Wartungsaufgaben einer Dosierpumpe mit traditionellen Trainingsmethoden (paarweises Training und Video-Training) verglichen wird. Untersucht wurden in dieser Studie Zeit pro Arbeitsschritt, Fehleranzahl und Bewertung der eigenen Handlungen. Die Ergebnisse zeigen, dass das VR-Training grundsätzlich zum Erlernen der Trainingsaufgaben geeignet war. Jedoch führten die beiden traditionellen Trainingsmethoden zu einer signifikanten Reduktion von Zeit und Fehleranzahl. Die AutorInnen führen die Ergebnisse darauf zurück, dass VR die Interaktion mit physischen Objekten nur unzureichend simulieren kann und VR-Training den Lernenden kognitiv zu wenig fordere.

Eine Gesamtschau der vorgestellten Befunde zeigt, dass das Potenzial von VR als Grundlage industrieller Trainings unklar ist. In den vorgestellten Studien werden weitere Forschungsarbeiten empfohlen. Die im vorliegenden Beitrag vorgestellte Studie soll einen Beitrag zum Erkenntnisfortschritt leisten. Basierend auf mehreren Vorprojekten im Bereich VR-gestütztes Training an der Fachhochschule Oberösterreich beschreiben wir im Folgenden die technische Implementierung eines Prototyps für immersives Training im Kontext komplexer Montageprozesse, der die Grundlage der hier berichteten empirischen Studie war.

Die in unserer Laborstudie verwendete Applikation basiert auf einer Vorarbeit an der Fachhochschule Oberösterreich namens VRSmart. Diese Anwendung für gängige VR-Headsets (z. B. HTC Vive Pro) wurde in Unity entwickelt und bietet Werkzeuge zur Visualisierung und Manipulation komplexer Industrie-CAD-Daten (vgl. Wolfartsberger et al. 2018). Unser Ziel war es, ein Werkzeug zu entwickeln, mit dem User schnell und intuitiv 3D-Modelle betrachten und sich ein Bild von der zugrunde liegenden Konstruktionshierarchie machen können. Die aktuelle Version beinhaltet folgende Features:

Im geführten Montagemodus arbeitet der User schrittweise eine vordefinierte Montage ab. Jeder Schritt im Montageprozess besteht aus mindestens einer Aktion, die der User ausführen muss, um zum nächsten Schritt zu gelangen (z. B. ein Objekt an die Zielposition verschieben oder ein Werkzeug berühren). Wichtige Hinweise werden automatisch angezeigt, um sicherzustellen, dass der User auf kritische Informationen achtet.

Grundsätzlich wird jedes Bauteil bzw. jedes Werkzeug, das für den aktuellen Schritt relevant ist, visuell hervorgehoben (siehe grüner Bereich in Abb. 1a). Bei Tätigkeiten, in denen ein Teil an einer bestimmten Position platziert werden muss, wird die Zielposition farblich hervorgehoben (siehe Abb. 2a, grüner Bereich). Wird das Bauteil in unmittelbarer Nähe der Zielposition platziert, „schnappt“ es automatisch ein (snapping) und gilt als korrekt montiert. Zusätzlich kann der User visuelle Hinweise (hints) anfordern, um Bauteile (und ihre Zielposition) zu markieren. Diese Hinweise sind nicht immer notwendig, haben sich aber bei komplexen Arbeitsschritten mit kleinen oder verdeckten Bauteilen als nützlich erwiesen.

Die Arbeitsschritte werden in einem Autorentool definiert, das eine zügige Erstellung neuer Montageszenarien ohne Programmierkenntnisse ermöglicht. Aktionen können hinzugefügt, umsortiert oder gelöscht werden. Bei Schritten, die beispielsweise das Platzieren eines Objekts beinhalten, werden Start- und Zielposition definiert. Für jeden Schritt kann der/die AutorIn zudem textuelle Anweisungen hinzufügen.

Um Erkenntnisse über das Potenzial des VR-Trainingstools zur Wissensvermittlung zu gewinnen, wurde eine Laborstudie mit 24 ProbandInnen durchgeführt. Im Folgenden werden Methodik, Durchführung sowie Ergebnisse der Studie beschrieben.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass VR-Training mit unserer Applikation weniger Wissen vermitteln konnte als das traditionelle Training, das von einem Tutor begleitet wird. Diese Erkenntnisse gehen mit aktuellen Befunden anderer Forschergruppen einher (vgl. Winther et al. 2020). Mögliche Ursachen für die gefundenen Ergebnisse werden im Folgenden diskutiert.

In der vorliegenden Studie konnte VR-Training keinen besseren Lerneffekt erzielen als traditionelles training-on-the-job. Die Daten zeigen, dass die Kontrollgruppe in Bezug auf Montagefehler ein wenig und hinsichtlich Anzahl benötigter Hinweise im zweiten Durchgang sogar deutlich besser abschnitt. Die ProbandInnenen der VR-Gruppe empfanden den ersten Durchgang als kognitiv weniger belastend. Eine entscheidende Implikation unserer Studie für die Praxis ist daher, dass ein Unterschreiten des kognitiven Aufwands beim Lernen die Wirksamkeit des Trainings ungünstig beeinflussen kann. Konkret legen unsere Ergebnisse nahe, dass die vereinfachte Darstellung von Arbeitsschritten sowie fehlende multimodale Reize während des VR-Trainings den Lerneffekt negativ beeinflussen. Hinsichtlich der Relevanz multimodaler Reize für Lern- und Gedächtnisprozesse hat die Forschung im Bereich der kognitiven Neurowissenschaften (z. B. Gallace und Spence 2009) sowie NeuroIS (z. B. Riedl und Léger 2016) bereits wertvolle Erkenntnisse erarbeitet. Sénécal et al. (2013) konnten beispielsweise auf der Basis der Elektroenzephalographie (EEG) zeigen, dass Lern- und Gedächtnisprozesse signifikant vom subjektiven Grad für „need for touch“ (NFT) abhängig sein können (NFT ist definiert als „preference for the extraction and utilization of information obtained through the haptic system“) (Peck und Childers 2003, S. 431).

Um die Ergebnisse der vorliegenden Studie zu bestätigen, müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Dies ist auch deshalb notwendig, weil die Stichprobe in der vorliegenden Laborstudie klein ist. Unsere Arbeit dient als Basis für weitere Untersuchungen, um neue Erkenntnisse über den Lerneffekt in VR-Trainings zu gewinnen. Ein NeuroIS-Ansatz auf der Basis eines Einsatzes neurophysiologischer Messverfahren und Theorien sollte dabei in Erwägung gezogen werden.

Obwohl das VR-System in dieser Studie im Vergleich zum traditionellen Training weniger Wissen vermitteln konnte (gemessen über die Fehlerhäufigkeit und Anzahl der benötigten Hinweise), ist das Potenzial von VR-Technologie zur nachhaltigen Wissensvermittlung grundsätzlich gegeben. Für die Praxis gilt es jedoch zu beachten, dass der bloße und unreflektierte Einsatz von VR-Technologie ohne Berücksichtigung seiner vielschichtigen Facetten (z. B. Zulassen von Fehlern, um daraus zu lernen) mit ungünstigen Wirkungen einhergehen kann.