Digitale Transformation in der Lehre: VR im chemischen Praktikum

Ziele/Motive/Ausgangslage/Problemstellung

Für Studierende in der Chemie ist die Visualisierung von abstrakten Lerninhalten, speziell zu Beginn des Studiums, oft eine große Hürde. Diese Problematik kann durch den gezielten Einsatz von digitalen Medien und Tools (Soft- und Hardware) in der Lehre überwunden werden. In den letzten Jahren hat es bereits eine sehr rasche und nachhaltige digitale Transformation in der Lehre und von Lehrinhalten gegeben. Virtual Reality (VR) eine Technologie, die in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen hat (vor allem in der industriellen Entwicklung), aber sie ist bis jetzt (im Gegensatz zu anderen digitalen Medien) noch nicht im großen Stil in der Lehre angekommen. Gleichzeitig bietet diese Technologie die Möglichkeit, abstrakte Konzepte und Prozesse zu visualisieren und „greifbar“ darzustellen. Vor allem für Lehrinhalte, die normalerweise den Studierenden nicht direkt zugänglich sind, bietet der Einsatz von VR ein gewaltiges Potential. Weiters erlaubt der Einsatz von VR direkte Interaktion mit der Lernumgebung bzw. mit den Lerninhalten, was das Erlebnis einprägsamer macht und zu einer Vertiefung des Verständnisses führt.

Bei der Vermittlung von chemischen Lehrinhalten wird oft vorausgesetzt, dass Studierende abstrakte und komplexe Zusammenhänge schnell begreifen. Im konkreten Fall des eingereichten Projektes geht es um fundamentale Zusammenhänge bzw. Abläufe von chemischen Reaktionen auf der Oberfläche von Katalysatoren. Mithilfe der VR beschäftigt sich das Projekt mit dem Problem der Visualisierung von Reaktionen von Gasen an festen Oberflächen. Hierzu wurde die in der Abgasreinigung wichtigen CO-Oxidation als VR-Laboraufgabe konzipiert. Bei dieser katalytischen Reaktion spielen laufen Prozesse im Nanometerbereich ab, welcher für eine direkte Beobachtung bzw. Erfassung viel zu klein ist. Weiters finden die Bewegungen der Teilchen normalerweise deutlich zu schnell statt, um sie in Echtzeit wahrnehmen zu können. Gleichzeitig gibt es mehrere grundlegend verschiedene Arten, wie diese Reaktion ablaufen kann: die sogenannten Reaktionsmechanismen. Welcher dieser Mechanismen abläuft, hängt nicht nur von der Oberfläche und dem Gas ab, sondern kann sich auch durch Prozessparameter ändern. Letztendlich hat die Art, wie die Reaktion abläuft, einen großen Einfluss auf die Effizienz der Abgasreinigung und wie schnell das giftige Kohlenmonoxid entfernt werden kann. Es ist daher essentiell, diese Mechanismen zu verstehen – vor allem für die Entwicklung von neuen und besseren Katalysatoren. Zurzeit werden diese Mechanismen in der universitären Lehre meist über schematische Bilderfolgen vermittelt. Erfahrungen aus der Lehre von Univ. Prof. Dr. Rameshan haben aber gezeigt, dass dadurch der Lehrinhalt nicht nachhaltig vermittelt werden kann. Daher ist es an der Zeit, die Lehre durch den Einsatz der VR-Technologie zu transformieren, um Studierenden diese essentiellen Konzepte auf eine Weise vermitteln zu können, die zu einem tieferen Verständnis der Materie führt.

Kurzzusammenfassung des Projekts

Im Projekt wurde eine virtuelle Laborübung zum Thema Katalyse für Praktika in der physikalischen Chemie entwickelt. Dabei sollen die Studierende in einer virtuellen Laborumgebung einen chemischen Reaktor bedienen. Im Zuge der Übung können die Studierenden direkt in den Reaktor eintauchen und dort verschieden Parameter wie Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung variieren. Im Reaktor wird eine Katalysatoroberfläche simuliert, auf der eine chemische Reaktion abläuft, die in Echtzeit auf die geänderten Parameter reagiert. Das erlaubt Einblicke in Prozesse, die in einem normalen Labor nicht möglich wären. Studierende können chemische Reaktionen auf einem molekularen Level beobachten und mit ihnen interagieren. Durch gezieltes Verändern der Parameter sollen die Studierenden Details über den Reaktionsmechanismus herausfinden. Insgesamt wurden drei Szenarien mit verschiedenen Katalysatoroberflächen entwickelt, die jeweils zu unterschiedlichen Reaktionsmechanismen führen. Das Erkennen des jeweiligen Mechanismus ist Teil der Übung. Am Ende des Laborversuchs erhalten die Studierenden Daten über das katalytische System, die sie zur Berechnung von kinetischen Kennzahlen verwenden. Durch direkte Beobachtung der Abläufe wird dieses normalerweise abstrakte Konzept visualisiert und die Lerninhalte können somit nachhaltig vermittelt werden. Die Laborübung wurde bereits in einer Vorlesung über physikalische Chemie vorgestellt und erfolgreich getestet und wird nun in das Praktikum integriert.

Kurzzusammenfassung des Projekts in englischer Sprache

In this project, a virtual reality lab exercise for physical chemistry was developed. During the lab exercise, students can operate a chemical reactor in a virtual laboratory environment. the students can dive directly into the reactor and can adjust different parameters such as pressure, temperature, and gas composition. In the reactor, the surface of a catalyst is simulated where a chemical reaction takes place. This reaction responds in real time to the changed parameters. This allows previously impossible insights into phenomena that are normally far too small to be observed directly (i.e. students can interact with the environment on a molecular level). Through controlled variation of the parameters and observation of the reactants, the students should find out details of the reaction mechanism. Three scenarios with different catalysts were implemented, each with its own mechanism. Recognition of the correct reaction mechanism is the first goal of the exercise. Furthermore, students collect catalytic data which they have to use to calculate kinetic coefficients. By directly visualising and observing these usually abstract concepts, the learning goals are conveyed in a long-lasting way. The lab exercise was already successfully introduced to students in a lecture about physical chemistry and will now be integrated into the regular physical chemistry lab course.

Nähere Beschreibung des Projekts

Das Projekt „Digitale Transformation in der Lehre: Virtual Reality im chemischen Praktikum“ wird in Kooperation von den Arbeitsgruppen von Univ. Prof. Dr. Christoph Rameshan (Lehrstuhl für Physikalische Chemie, Montanuniversität Leoben) und von Ass. Prof. Johanna Pirker (Institute of Interactive Systems and Data Science, TU Graz) durchgeführt. Die Montanuniversität ist hauptverantwortlich für die Konzeptionierung der VR-Laboraufgabe (Storyboard und Inhalt, Modellierung der Katalysatoroberflächen) und der didaktischen Ausgestaltung. Die AG Pirker hat die Programmierung der virtuellen Übung vorangetrieben.

Die VR-Aufgabe befasst sich mit Reaktionsmechanismen von katalytischen Reaktionen von Gasen an Oberflächen und zielt darauf ab, Studierenden die komplexe Welt der chemischen Reaktionsmechanismen nachhaltig näher zu bringen. Hierzu kommt State-of-the-Art Technologie aus dem Bereich der Virtual Reality (VR) zur Anwendung. Unter Reaktionsmechanismus versteht man die grundsätzliche Art und Weise, wie eine chemische Reaktion abläuft – also wie die einzelnen Atome auf dem Weg zum Produkt miteinander interagieren und welche Zwischenprodukte sich dabei bilden. In der Realität spielen sich diese Prozesse auf extrem kleinen (atomaren) Maßstäben ab, weit unterhalb des von Menschen direkt visuell Wahrnehmbaren. Außerdem bewegen sich diese Atome sehr schnell, was eine direkte Beobachtung der Reaktionsmechanismen, selbst spektroskopisch bzw. mit Mikroskopen, fast unmöglich macht. Darüber hinaus kann in der heterogenen Katalyse ein und dieselbe Reaktion je nach Temperatur, Druck und der Anwesenheit eines Materials, welches selbst nicht direkt an der Reaktion beteiligt ist (ein sogenannter Katalysator), nach komplett anderen Mechanismen ablaufen. Daher sind Reaktionsmechanismen das Um und Auf, um chemische Reaktionen zu verstehen und gezielt neue Katalysatoren entwickeln zu können. Die Entwicklung neuer effizienter Katalysatoren ist vor allem für den Kampf gegen die hohen CO2-Emissionen und die damit verbundene Klimakrise unabdingbar.

Viele Studierende haben jedoch Probleme mit der Visualisierung dieses abstrakten Konzepts. Derzeit werden die Unterschiede in den Reaktionsmechanismen in Vorlesungen hauptsächlich über Bilderreihen vermittelt. Da diese Methode jedoch nicht dynamisch ist und einiges an Vorstellungsvermögen erfordert, variiert der Grad des tatsächlich aufgenommenen Lernstoffs von Student*in zu Student*in doch erheblich. In Laborübungen (die eigentlich dazu dienen sollten, den Lehrstoff zu festigen, praktisch anzuwenden bzw. weiterführend zu erklären) ist eine anschauliche Darstellung von katalytischen Reaktionen schwer zu integrieren, da sie eben nicht direkt beobachtbar sind und nur abgeleitete Werte gemessen und berechnet werden können, die wiederum einiges an Interpretation erfordern. Daher wurde in der VR-Umgebung „Maroon“, die von Ass. Professor Johanna Pirker (TU Graz) entwickelt wurde, ein chemischer Versuch erstellt, im Zuge dessen verschiedene Reaktionsmechanismen mittels VR visualisiert werden können. Die VR-Umgebung erlaubt es auch, die schnellen chemischen Reaktionen in Zeitlupe ablaufen zu lassen und so wirklich alle Teilschritte visuell zu verfolgen. Auf diese Weise wird das klassische chemische Laborpraktikum an Universitäten in das digitale Zeitalter geholt. Durch die Anwendung von VR werden darüber hinaus völlig neue Zugänge und Experimente möglich. Laborversuche, die auf Grund von Sicherheitsbedenken (äußerst giftige Chemikalien, radioaktive Stoffe etc.) bzw. wegen zu teuren und empfindlichen Geräten derzeit nicht umgesetzt werden, können in der VR ohne diese Hinderungsgründe durchgeführt werden. Außerdem sinken der Platzbedarf und die Anforderungen an das Labor (bspw. hinsichtlich der Ausstattung), da der Versuch in nahezu jedem Raum durchgeführt werden kann. Dadurch ist es bspw. auch für Schulen mit chemieinteressierten Schülerinnen und Schülern möglich, diesen Versuch zu adaptieren und diesen Schülerinnen und Schülern somit bereits früh einen Einblick in das Thema zu geben. Darüber hinaus kann der Versuch mittels der Maroon-Umgebung auch auf einem Computer ohne VR-Brille und sogar auf Smartphones durchgeführt werden (in adaptierten 2D-Versionen) – wodurch der virtuelle Versuch auch für Personen, die sich im VR-Setting unwohl fühlen (bspw. wegen Schwindelgefühlen oder Reisekrankheit), zugänglich wird.

Im Versuch selbst werden die Studierenden in ein digitales Labor versetzt und können dort mit verschiedenen Objekten interagieren. Auf einem Whiteboard sind die drei häufigsten Reaktionsmechanismen in der heterogenen Katalyse erklärt. Eine eingeblendete Aufgabenliste führt die Studierenden durch die Übung. Über einen Werkzeugwagen können die Studierenden eine von drei Varianten auswählen, welche den drei Reaktionsmechanismen entsprechen. Dabei sind die Varianten jedoch nur mit Zahlen beschriftet, da die Identifikation des Mechanismus eine der Aufgaben ist. Um den Versuch zu starten, muss erst das Katalysatormaterial (je nach gewählter Variante) in den Reaktor eingebracht werden. Danach kann die chemische Reaktion per Knopfdruck gestartet werden und die Studierenden werden in den Reaktor teleportiert. Dort sehen sie die Oberfläche des Katalysators und Gasmoleküle (im konkreten Fall Sauerstoff und CO), die darüber schweben. Zu Beginn befindet sich das System noch in einem „eingefrorenen Zustand“. Dadurch kann die Oberfläche in Ruhe genauer betrachtet werden und die Anordnung der Katalysatoratome kann bestimmt werden. Über ein bewegliches Kontrollpult können die Studierenden verschiedene Parameter im Reaktor einstellen, auf die das System in Echtzeit reagiert. So können die Gasteilchen über eine Erhöhung der Temperatur in Bewegung gebracht werden und zusätzliche Gasmoleküle durch Knopfdrücke hinzugefügt werden (um ein Erliegen der Reaktion durch Mangel an Edukten zu verhindern). Durch das Regeln der Parameter Druck und Temperatur können deren Auswirkungen auf die Reaktion beobachtet werden. Sobald die Reaktion in Gang gebracht wurde, können sich die Studierenden frei rund um die Oberfläche bewegen und diese aus allen Blickwinkeln beobachten. Anzumerken ist noch, dass sich während der Reaktion entstehendes CO2 aus dem Reaktor entfernt – dies ist zwar unrealistisch (normalerweise würde sich die Atmosphäre während der Reaktion mit CO2 anreichern), aber aus Gründen der Übersichtlichkeit und Computerauslastung ist es notwendig, die Zahl der Gasmoleküle nicht zu groß werden zu lassen. Zu jedem Zeitpunkt kann der Reaktor wieder verlassen werden. Danach wird über den Werkzeugwagen eine zweite Variante ausgewählt und der Versuch mit einer anderem Katalysatormaterial wiederholt, wodurch die Unterschiede zwischen den Reaktionsmechanismen deutlich werden sollen. Nach dem Ende des Versuchs erhalten die Studierenden die Aufgabe, die Reaktionsmechanismen zu beschreiben und zu benennen. Außerdem erhalten sie katalytische Daten, die die Reaktion beschreiben und mit denen die Studierenden im Anschluss an den praktischen Teil der Übung noch katalytische Kennzahlen (wie z. B. Reaktionsgeschwindigkeit) berechnen sollen, welche einen Bezug zu realen Laborversuchen herstellen sollen. Dadurch sollen die Studierenden auch ein Gefühl für solche Kennzahlen entwickeln, um sie besser einschätzen zu können.

In der Praxis werden solche Versuche in Gruppen von idealerweise zwei Lernenden abgehalten. Dabei sollen sich die Studierenden mit der Bedienung der VR-Brille abwechseln, damit alle Übungsteilnehmer*innen einen Einblick in die laufende Reaktion haben. Die*Der Übungsteilnehmer*in, die*der die VR-Brille gerade nicht bedient, kann die Übung auf dem Computerbildschirm mitverfolgen und so ebenfalls einen Einblick in das virtuelle Geschehen bekommen. Wie bereits erwähnt, ist es auch möglich, den Versuch auch außerhalb der VR-Umgebung (in einer 2D Version) durchzuführen, sollten sich Studierende in der VR Umgebung unwohl fühlen oder es zu Übelkeit kommen.

Durch den Einsatz moderner Präsentationstechniken und interaktivem Lernen wird das Verständnis von Reaktionsmechanismen von Studierenden gefestigt und nachhaltig vermittelt. Dadurch können nicht nur mehr junge Leute für die physikalische Chemie begeistert werden, sondern auch essentielle Konzepte für andere wissenschaftliche Disziplinen weitergegeben werden. Die VR-Laboraufgabe soll auch als Impuls für zukünftige VR-Lehrprojekte auch in anderen Fächern dienen. Schwierige technische Sachverhalte lassen sie durch visuelle Unterstützung besser erklären (z. B. in Mechanik und Physik) bzw. schwer direkt zugängliche Sachverhalte anschaulich darstellen (z. B. geologische oder astronomische Prozesse). VR eröffnet hier eine schier unerschöpfliche Spielwiese!

Nutzen und Mehrwert

Die VR-Laborübung adressiert sowohl Bedürfnisse von Studierenden als auch von Lehrenden. Den Studierenden wird ein tieferes Verständnis in wichtigen Bereichen der heterogenen Katalyse zugänglich gemacht. Sie lernen auf eine einprägsame Weise verschiedene Reaktionsmechanismen und deren Temperatur- sowie Druckabhängigkeit kennen. Darüber hinaus ermöglicht die erstmalige Nutzung von VR-Technologie im Studium eine vertiefende Beschäftigung mit dieser Materie. Die rasch fortschreitende Digitalisierung der Gesellschaft wird zukünftige VR-Anwendungen im Berufsleben alltäglich werden lassen (Stichwort „Metaverse“). Damit werden die Studierenden auch bestens auf den Berufseinstieg vorbereitet. Für Studierende, die sich in einem VR-Setup nicht wohl fühlen (Schwindel, Gefühl der Seekrankheit), wird die Laborübung alternativ in 2D an einem Computer angeboten.

Auch für Lehrende ermöglicht die VR-Laborübung, die Möglichkeiten dieser neuen Technologie kennen und verstehen zu lernen (sowie ihre Limitierungen zu erfassen). Außerdem sind die Investitionskosten in ein VR-Setup im Vergleich zu herkömmlichen Laborübungen in der physikalischen Chemie gering: eine VR-Brille und ein Laptop von ausreichender Leistung belaufen sich auf ca. 2500 €. Darüber hinaus kann davon ausgegangen werden, dass VR-Equipment in den kommenden Jahren billiger werden wird. Zusätzlich fallen keine Kosten für Chemikalien und teure Gerätewartungen an, was den Langzeiteinsatz attraktiv macht. Auch im Falle von begrenzten Praktikumsplätzen bietet VR Vorteile, da Übungen gestaffelt und mit geringem Betreuungs- bzw. Platzaufwand betrieben werden können. Durch die Verwendung der Open-Source-Software Maroon ist die VR-Laborübung frei zugänglich und kann nicht nur im tertiären Bildungssektor verwendet werden, sondern z. B. auch für interessierte Oberstufenschüler*innen im Zuge der Chemie-Vertiefung. Zusätzlich sind bereits Versionen der Maroon-Software verfügbar, die auf Computern oder Smartphones laufen.

Nachhaltigkeit

Die VR-Laboraufgabe zum Thema Katalyse soll dauerhaft in die (Labor-)Übungen zu Physikalische Chemie an der Montanuniversität Leoben (Lehrstuhl von Univ. Prof. Christoph Rameshan), die von Studierenden im dritten Semester absolviert werden, eingebunden werden. Durch die einzigartige Studieneingangsphase der Montanuniversität Leoben (Grundvorlesungen und Laborübungen für fast alle Studiengänge) haben Studierende die Chance, schon früh im Studium mit dieser Technologie in Berührung zu kommen und damit ihre Möglichkeiten und Limitierungen kennen zu lernen. Auch wird durch Transfer- und Disseminationsbemühungen versucht, das Projekt und das generelle Konzept „VR in der Lehre“ zu verbreiten. So wurde bereits Interesse von Seiten der TU Wien bekundet, die VR-Laboraufgabe auch dort in das Programm des Physikalisch-chemischen Praktikums and der Fakultät für Technische Chemie aufzunehmen.

Zusätzlich ist geplant, mit Hilfe der Maroon-Umgebung von Ass. Prof. Johanna Pirker weitere virtuelle Laborübungen im Bereich der Chemie zu entwickeln und der Allgemeinheit zur Verfügung zu stellen. Als Nachfolgeprojekte sind unter anderem die Visualisierung von weiteren abstrakten Konzepten wie komplizierte Kristallstrukturen, Phasenübergänge oder das Innere von Reaktoren geplant. Zusätzlich werden aktiv neue Partner*innen aus anderen Fächern gesucht (z. B. Physik oder Elektrotechnik), mit denen neue Ideen für VR-basierte (Labor-)Übungen entwickelt und umgesetzt werden können.

Dissemination/Transfer

Das Projekt wurde bereits in der Entwicklungsphase mehrfach Studierenden vorgestellt und das erhaltene Feedback laufend eingearbeitet. Eine erste Version der virtuellen Übung wurde beim 15th Pannonian International Symposium on Catalysis 2022 einem internationalen Publikum präsentiert, wo sie großen Anklang fand. Weiters wurde das Projekt bei den Chemietagen der österreichischen chemischen Gesellschaft 2022 nationalen Experten und Lehrenden vorgestellt. Der geringe technisch-apparative Aufwand erlaubt es uns, interessierten Personen die VR-Laborübungen vor Ort direkt vorzuführen und sie in die virtuelle Welt eintauchen zu lassen. Darüber hinaus wird interessierten Studierenden immer wieder ermöglicht, die virtuelle Übung im Rahmen von verschiedenen Vorlesungen auszuprobieren. Dadurch kann kontinuierliches Feedback eingeholt werden, um die Laborübung ständig zu verbessern. Zusätzlich ist eine Publikation über die VR-Laboraufgabe in einem Fachjournal eingereicht worden (IEEE VR 2023; ieeevr.org/2023/). Auch bei künftigen Konferenzen im nationalen und internationalen Bereich wird das Projekt immer wieder von der Arbeitsgruppe von Univ. Prof. Dr. Christoph Rameshan vorgestellt werden, um so eine breite Anwendung anzuregen. Die Maroon-Plattform, auf der die Übung basiert, ist eine Open-Source-Anwendung, was die Implementierung und Adaptierung der Laborübung ohne Kosten für Software ermöglicht – lediglich entsprechende Hardware muss angeschafft werden. So können interessierte Lehrende bzw. Universitäten die VR-Laboraufgabe einfach in ihr Curriculum integrieren.

Institutionelle Unterstützung

Das Projekt „Digitale Transformation in der Lehre: Virtual Reality im chemischen Praktikum“ wird vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Montanuniversität Leoben hinsichtlich der Abwicklung und der Implementierung im Lehrplan personell unterstützt. Darüber hinaus fördert der Projektleiter Univ. Prof. Dr. Christoph Rameshan das Projekt auch finanziell (im Rahmen seiner Berufung an den Lehrstuhl), um eine laufende Weiterentwicklung zu ermöglichen. In Zukunft ist geplant, bei passenden Förderprogrammen für weitere finanzielle Unterstützung anzusuchen, um gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Ass. Prof. Johanna Pirker (TU Graz) weitere spannende VR-Laboraufgaben zu entwickeln und Lehrenden sowie Studierenden zugänglich zu machen.

Positionierung des Lehrangebots

Das Lehrangebot richtet sich vor allem an Studierende der Chemie oder verwandten Studienrichtungen. Dabei ist der Fokus auf Studierende die im ersten Drittel des Bachelorstudiums, bei einem Chemieschwerpunkt, beziehungsweise im zweiten Drittel des Bachelorstudiums, wenn Chemie nicht Schwerpunkt des Studiums ist, gelegt. Weiters kann das Projekt auch an Oberstufen implementiert werden um chemieinteressierten Schüler*innen einen Einblick in vertiefenden Inhalte zu geben.

Links zum Projekt

Link zur Maroon Platform welche die VR-Umgebung des Projekts ist

Links zu der/den Projektmitarbeiter/innen

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2023 nominiert.

2023

Kategorie: Lehre und Digitale Transformation

Ansprechperson

Univ.-Prof. Dr. Christoph Rameshan