Digitale Medien in der Bergbauausbildung

Digitale Technologien erobern die Hochschullehre und verändern die Wege akademischer Wissensvermittlung. Am Institute of Mineral Resources Engineering (MRE) der RWTH Aachen University, Aachen, wird die Vermittlung von Kenntnissen und Prinzipien der beruflichen Praxis im Bergbau durch innovative, digitale Kommunikationsmedien bereichert.

1  Digitalisierung der Bergbaulehre

Aktuell sind Hochschulen in der Covid-19-Krise damit beschäftigt, neue digitale Wege des Lehrens und Lernens zu finden, auszuprobieren und auszubauen. Große Fortschritte in der Digitalisierung der Hochschullehre haben jedoch schon vor der Covid-19-Krise und den Campus-Schließungen an deutschen Universitäten stattgefunden. Am Institute of Mineral Resources Engineering (MRE) der RWTH -Aachen University, Aachen, werden seit Jahren digitale Werkzeuge wie Lernplattformen, Lernvideos, interaktive Videos, 360°-Videos und -Bilder, e-Tests, sowie Hörsaal-Abstimmungssysteme eingesetzt. Auch wurde in zwei Echtzeit-Trainingssimulatoren investiert, um Studierenden die virtuelle Bedienung von Bergbaumaschinen in realen Bergwerken in einem sicheren Umfeld zu zeigen (Bild 1).

Digitale Medien dienen dabei nicht zum Selbstzweck, sondern sind Instrumente zur Erreichung strategischer Ziele der Hochschullehre. Das Leitbild des Lernens und Lehrens am MRE verfolgt fachspezifische Zielsetzungen und curriculare Entwicklungen, die den Handlungsrahmen für die Digitalisierung in der Lehre bilden. Dabei können Präsenzveranstaltungen mit digitalen Elementen angereichert, Veranstaltungen zu einem Blended Learning (BL)-Format mit einem sinnvollen Mix aus Präsenz- und Online-Phasen umgestaltet, oder Veranstaltungen vollständig digital bzw. virtualisiert durchgeführt werden. In diesem Beitrag werden zwei innovative digitale Medien der Bergbaulehre vorgestellt, die von Mitarbeitern am MRE eigenständig entwickelt und in Lehrveranstaltungen verwendet werden: die VR-Mine und die digitale Schausammlung von Mineralen.

2  VR-Mine

Die rasante Entwicklung der Hard- und Software im Bereich von Virtual Reality (VR) sowie sinkende Preise für VR-Equipment führen zu einem vermehrten Einsatz von VR-Anwendungen in der Hochschullehre, was auch die stetig steigende Zahl an Veröffentlichungen dieser Thematik zeigt (1). Bis dato hinderte die Erschwinglichkeit von Hardware zur VR-Anwendung den breiten Einsatz. Mit der Markteinführung von Oculus Rift im Jahr 2013 wurden sogenannte Head-Mounted Displays (HMD) erschwinglicher, welche eine Immersion in die virtuelle Welt ermöglichen (2). Mit diesen sind komplexe VR-Anwendungen möglich und es können anspruchsvolle und sonst möglicherweise gefährliche Tätigkeiten in einer sicheren Umgebung trainiert werden. Fachlich trockene Themen, wie z. B. die Arbeitssicherheit und insbesondere die Grubensicherheit, können hiermit spielerisch durch experimentelles Lernen verinnerlicht werden. In verschiedenen Veröffentlichungen wurde gezeigt, dass VR-Anwendungen gegenüber herkömmlichen Lehrmethoden in bestimmten Szenarien im Vorteil sind, insbesondere, wenn komplexe Sachverhalte vermittelt werden sollen (3, 5). Es wird darauf hingewiesen, dass in den meisten Veröffentlichungen zu VR in der Lehre bisher die Nutzerzufriedenheit herangezogen wurde, um höhere Lernraten als mit herkömmlichen Lernmethoden, zu begründen. In Zukunft gilt es diesen Mehrnutzen eindeutig zu demonstrieren und VR in der Hochschullehre zu etablieren (1).

Das Bergbaustudium verlangt räumliches Vorstellungsvermögen und kann viel 3D-Visualisierung erfordern. Im Jahr 2018 begann mit Unterstützung von EIT RawMaterials am MRE die Entwicklung einer virtuellen, untertägigen Bergwerksumgebung, die VR-Mine, welche nach dem Vorbild der Scheelitlagerstätte in Mittersill/Österreich erstellt wurde (4, 6). Die VR-Mine wird aktuell weiterhin ausgebaut, in die Lehre integriert und curricular verankert. Ein solches Angebot ermöglicht den Studierenden ein untertägiges Bergwerk virtuell zu erkunden und dabei das räumliche Prozessverständnis, kooperative Lernformen sowie selbstbestimmtes Lernen zu fördern. Die VR-Mine stellt eine Möglichkeit dar, praxisnahe Arbeit in einer sicheren Umgebung kennenzulernen. Besonderer Fokus liegt auf dem Thema der Grubensicherheit, da sich dieses für VR-Anwendungen anbietet und ein wichtiger Bestandteil der Ausbildung von Rohstoffingenieuren ist. Die entwickelte VR-Mine bietet das ideale Umfeld, um Themen zur Grubensicherheit in einer sicheren Umgebung zu erleben und Studierende für Sicherheitsrisiken zu sensibilisieren. Schwerpunkte liegen auf Gefährdungsbeurteilungen und sicherheitsbewusstem Verhalten. Damit werden Studierende auf potentielle Sicherheitsrisiken, die in ihrer späteren Tätigkeit im untertägigen Bergbau auftreten können, besser vorbereitet (6).

2.1  Evaluation der VR-Mine

Im Sommersemester 2021 fand die erste VR-Übung in der VR-Mine statt, pandemiebedingt nicht in Präsenz, sondern als Liveübertragung in Zoom (Bilder 2, 3). Die Studierenden konnten auf ihren Bildschirmen die Übertragung des HMD sehen, zusätzlich dem Durchführenden über eine externe Kamera folgen und Hinweise oder Anweisungen geben. Die 15 teilnehmenden MSc-Studierenden, welche vorwiegend im Studiengang MSc European Mining Course eingeschrieben waren, konnten nach Durchlauf einer VR-Mine-Sequenz mit einem Quiz das zuvor Gesehene festigen und Fragen anbringen.

Um die VR-Übungen zu verbessern sowie Schwächen und Stärken des Lehrformats zu erkennen, wurde eine zweistufige Evaluation durchgeführt. Im ersten Evaluationsteil zu Beginn der Veranstaltung wurden das Interesse der Studierenden an neuen Technologien und dem Übungsinhalt Grubensicherheit sowie ihre Erwartungen an die VR-Übung abgefragt. Es sollten Aussagen über Erfahrungen mit VR-Technologien im privaten und im universitären Bereich getroffen werden. Der zweite Teil der Erhebung folgte am Ende der Veranstaltung und thematisierte die Bewertung der Übung. Des Weiteren war die Angabe von Verbesserungsvorschlägen gewünscht. Schließlich sollte eine Einschätzung zur erwarteten Entwicklung von Lehrveranstaltungen, insbesondere der Einsatz von VR, getroffen werden. Insgesamt wurden in der Übung vier Quizblöcke mit Single- und Multiple-Choice-Fragen absolviert. Im ersten Abschnitt wurden Informationen zum Bergwerk Mittersill, wie beispielsweise dem dort gewonnen Rohstoff abgefragt, welche zuvor in einem in der VR-Mine gezeigten Video präsentiert wurden. Der zweite Quizblock bezog sich auf einen praktischen Abschnitt der VR-Mine, in welchem die passende Schutzausrüstung für die Arbeit unter Tage ausgesucht werden musste. Die Thematik des dritten Quizblocks behandelte Sicherheitsrisiken im Erzbergwerk Mittersill. Abgefragt wurden z. B. das größte Risiko bei Untertagearbeiten sowie die richtige Anwendung eines Sauerstoff-Selbstretters. Nach Absolvierung einer praktischen Aufgabe in der VR-Mine wurden im vierten Quizblock erkannte Sicherheitsrisiken thematisiert.

Eine Auswahl der Evaluationsergebnisse wird in Bild 4 gezeigt. Sowohl vor als auch nach der Übung bestätigte der Großteil der Studierenden die Bedeutung praktischer Anwendung für den Lernprozess. Da Studierende interessiert an neuen Technologien sind und sich Abwechslung zur üblichen Lehrveranstaltungsstruktur wünschen, besteht die Bereitschaft, aktiv an VR-Übungen teilzunehmen. Zudem wird künftig ein häufigerer Einsatz von VR erwartet. Die Studierenden sind eindeutig am Thema „Grubensicherheit“ interessiert und wünschen sich mehr Informationen über diesen Bereich.

Verbesserungsvorschläge umfassen eine realistischere Darstellung der digitalen Bergwerksumgebung, eine Vergrößerung der Hinweisfelder zur Erhöhung der Benutzerfreundlichkeit und die Integration spezieller Situationen in die VR-Mine, wie beispielsweise akuter Gefahrensituationen oder Unfälle. Für die Zukunft skizzierten die Studierenden eine Entwicklung zu einer stärker auf VR basierten Lehre.

2.2  Weiterentwicklung der VR-Mine

Die Erfahrung zeigt, dass einige Personen bei VR-Anwendungen unter Cybersickness leiden. Ein bekannter Effekt ist die Motion Sickness, die zu Übelkeit führen kann, wobei Personen unterschiedlich auf VR-Anwendungen reagieren. Durch eine höhere Auflösung und einer höheren Bildwiederholrate ist das Potential für Cybersickness geringer (7). Deshalb sollten verschiedene Modelle von HMD getestet werden, um Erfahrungswerte zu sammeln und diese auf zukünftige Lehrveranstaltungen anwenden zu können. Damit wäre es möglich, auf Personen einzugehen, die besonders anfällig für Cybersickness sind. Um diese zu mindern,  ist es zudem empfehlenswert, die Dauer von VR-Übungen auf maximal 15 min zu begrenzen (5). Hilfreich ist weiterhin die in der VR-Mine implementierte Funktion der Teleportation. Werden in VR größere Strecken durch Gehen zurückgelegt, ohne dabei die Füße zu bewegen, ist der Effekt der Cybersickness besonders stark. Dieser Effekt wird durch Teleportation reduziert (7).

Des Weiteren hat sich gezeigt, dass eine möglichst realistische Umgebung die stärkste Immersion und damit einhergehend den größten Lernerfolg erzeugt. Eine besonders realistische Umgebung wird auch von Seiten der Studierenden gewünscht und kann in Zukunft durch den Ausbau mittels weiterer 3D-Modelle verbessert werden. Da die eigene Modellierung zeitintensiv ist, sind auf Online-Marktplätzen angebotene 3D-Modelle eine gute Alternative. Mit diesen kann innerhalb kürzester Zeit eine ansprechendere Umgebung geschaffen werden, was wiederum die Immersion stärkt und somit die Lehrveranstaltung optimiert und die Lernergebnisse steigert.

Pandemiebedingt war bisher die Anwendung der VR-Mine nur im eingeschränkten Rahmen möglich, weshalb in Zukunft weitere, ausführlichere Evaluationen mit Vergleichsgruppen stattfinden werden, welchen ausschließlich konventionelle Lehrmethoden zur Verfügung stehen. Auch wird weiter am Ausbau von VR-Inhalten sowie deren Integration in Lehrveranstaltungen gearbeitet. Konkret wird die VR-Mine um weitere Szenarien wie den Bohr- und Sprengzyklus ergänzt.

3  Digitale Schausammlung von Mineralen

Mineralogische Sammlungen erläutern die Bedeutung von Mineralen und Gesteinen traditionell in Fachausstellungen und Handstücken. Es gibt auch mehrere nationale und internationale Webportale, in denen Minerale und Gesteine online recherchiert werden können. In diesen Portalen sind digitale 2D- oder 3D-Abbildungen von Sammlungsexemplaren und begleitende Informationen zu finden. Diese Portale sind aber überwiegend Informationsportale und erlauben kein interaktives Lernen.

Seit 2017 wird am MRE eine interaktive Online-Schausammlung von Mineralen, Erzen und Gesteinen entwickelt und für die digitale Lehre nutzbar gemacht. Hier sollen Studierenden Grundlagen zu Rohstoffen anhand echter Handstücke vermittelt werden. Inzwischen finden sich erste Veröffentlichungen ähnlicher Projekte, was die Notwendigkeit einer solchen interaktiven, digitalen Schausammlung nochmals verdeutlicht (8, 9). Die Studierenden erhalten die Möglichkeit, die wichtigsten Minerale, Erze und Gesteine interaktiv auf einer Online-Plattform in 360°-Ansichten zu betrachten (https://schausammlung.mre.rwth-aachen.de/).

In Bild 5 ist eine Auswahl der freigestellten Minerale zu sehen, zu denen sich auf der Webseite 360°-Ansichten, Detailansichten und Beschreibungstexte finden. Zusätzlich gibt es hilfreiche Ergänzungen zu den Methoden der Mineral- und Gesteinsbestimmung.

Als Beispiele seien hier Animationen zur Fluoreszenz (Bild 6) und die Darstellung unterschiedlichen Glanzes von Mineralen (Bild 7) genannt.

Das Lernen an virtuellen Exponaten bietet die Möglichkeit, sich orts- und zeitunabhängig mit den Handstücken zu befassen. Außerdem ist durch die Kombination der Schausammlung mit dem frei verfügbaren Plugin H5P die kollaborative Handstückansprache im Moodle-Lernraum der RWTH-Lernplattform in Form von visualisierten, interaktiven Inhalten möglich. H5P bietet beispielsweise die Möglichkeit, visualisierte Inhalte wie Zuordnungsaufgaben, Aufgaben zu Reihenfolgen, Karteikarten oder Lückentexte zu erstellen.

Damit kann die Schausammlung mühelos in der digitalen, synchronen Lehre mit direktem Feedback eingesetzt werden und stellt einen guten Ersatz zu Präsenzübungen dar. Des Weiteren sind somit asynchrone e-Tests, die von den Studierenden selbstbestimmt genutzt werden können, möglich. Studierende und Lehrende können mittels Statistik den Lernfortschritt verfolgen. Der Einsatz der digitalen Schausammlung in Kombination mit Präsenzveranstaltungen zur Handstückbestimmung wird in Zukunft einen erheblichen Mehrwert darstellen, da den Studierenden so die Möglichkeit geboten wird, zuhause selbstbestimmt die Übungsinhalte zu wiederholen.

3.1  Evaluation der digitalen Schausammlung

Um die digitale Schausammlung und insbesondere ihre Anwendung in der Lehre zu verbessern, wurde im Sommersemester 2021 der Einsatz zweistufig evaluiert, wodurch mögliche Entwicklungen dokumentiert werden konnten. In den Übungen wurden den Studierenden mit H5P visualisierte, interaktive Inhalte zur Verfügung gestellt. An der Evaluation nahmen 18 Studierende verschiedener Bachelor- und Masterstudiengänge teil. Zu Beginn der ersten Evaluation wurden die Vorkenntnisse der Studierenden in der Handstückansprache abgefragt, wobei über 60 % der Studierenden angaben, bereits eine Handstückansprache im Präsenzunterricht durchgeführt zu haben. Ziel der ersten Erhebung war u. a. die Abfrage der Erwartungen der Studierenden an die digitale Schausammlung. Die Studierenden nahmen insbesondere an, durch die Schausammlung Mineraleigenschaften kennenzulernen, sowie ein besseres Verständnis der theoretischen Grundlagen zu erlangen. Um den Übereinstimmungsgrad der Erwartungen der Studierenden mit ihren tatsächlichen Erfahrungen abzugleichen, wurden die gleichen Aussagen im Rahmen der zweiten Evaluation nach Absolvierung der Übungen erneut abgefragt. Die Studierenden stimmten insbesondere mit der Aussage überein, dass das Verständnis theoretischer Grundlagen durch Verwendung der Schausammlung verbessert werden konnte.

Ein weiteres Ziel war die Ermittlung des Lernerfolgs. Die Studierenden bestätigten vor allem die Vertiefung ihres theoretischen Wissens sowie ein gestiegenes Interesse für dieses Themenfeld. Zudem erfolgte eine Bewertung des Übungskonzepts. Insbesondere der Umfang der Schausammlung wurde positiv bewertet. Zudem wünschen sich die Studierenden ein ähnliches digitales Lerntool in anderen Lehrveranstaltungen. Die Auswahl der betrachteten Beispiele wurde gelobt. Allerdings hätten sich die Studierenden mehr Unterstützung während der Handstückansprache sowie eine Umsetzung als Präsenzveranstaltung gewünscht. Die digitale Durchführung wurde trotzdem als adäquater Ersatz angesehen. Insgesamt wurde die Arbeit mit der Schausammlung als spannend, effizient und zukunftsweisend beschrieben und als innovative und unterstützende Lernform wahrgenommen.

3.2  Weiterentwicklung der digitalen Schausammlung

Obwohl die Schausammlung im Zuge der Pandemie verstärkt eingesetzt wurde, wird sie in Zukunft nicht als Ersatz zur Lehre mit realen Handstücken verwendet, da die Online-Schausammlung keine haptischen Eindrücke erlaubt. Auch ist der Einsatz von Bestimmungswerkzeugen, wie z. B. Salzsäure oder Strichtafel, digital nicht umsetzbar. Jedoch eignet sich die digitale Schausammlung sehr gut für asynchrones Lernen. Studierende können Lerninhalte zu Hause nachbereiten und nachvollziehen, sowie sich selbstständig über den Lehrinhalt hinaus weiterbilden.

4  Zusammenfassung und Ausblick

Gute Lehre ist ein Kerngeschäft von Hochschulen und muss heutzutage durch sinnvolle digitale Medien bereichert werden. Das MRE verwendet seit Jahren digitale Lehrwerkzeuge wie Lernplattformen, Lernvideos, interaktive Videos, 360°-Videos und Bilder, e-Tests sowie Hörsaal-Abstimmungssysteme. Auch wurden Investitionen in die virtuelle Darstellung von Bergbaumaschinen und realen Bergwerken mit Echtzeit-Simulatoren getätigt. Darüber hinaus sind innovative Werkzeuge der Bergbaulehre am MRE eigenständig entwickelt worden: die VR-Mine und die digitale Mineralsammlung. Evaluationen zeigen, dass der effektive und zielgerichtete Einsatz von digitalen Medien das Lernen für Studierende des Bergbaus abwechslungsreicher und interaktiver werden lässt. In Zukunft werden innovative Kommunikationsmedien das akademische Lehren, Lernen und die Wissensproduktion in der Bergbauausbildung kontinuierlich neuformen.

Danksagung

Diese Arbeit wurde vom Deutschen Akademischen Austauschdienst sowie dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt und ist Teil des MyScore-Projekts 57516716. Vorläufige Versionen der VR-Mine und der digitalen Schausammlung wurden durch den Stifterverband, EIT RawMaterials und das Land Nordrhein-Westfalen finanziert.

Wir danken Daniel Makschakow (wissenschaftliche Hilfskraft des MRE der RWTH Aachen University) für die tatkräftige Unterstützung im Rahmen der Durchführung der ersten VR-Übung (Bild 2). Johannes Emontsbotz hat für diesen Beitrag VR-Mine zur Verfügung gestellt und ehemalige und gegenwärtige Mitarbeiter des MRE (Dr.-Ing. Markus Dammers, Dr.-Ing. Felix Lehnen, Dr.-Ing. Tobias Braun, Lars Barnewold, Marjan Knobloch, Rudolf Suppes, Yannick Feldmann, Johannes Emontsbotz) haben die Entwicklung der jetzigen VR-Mine und digitalen Schausammlung mitgestaltet.