Sketch to Pipes: Modellierung, Verständnis und Unterstützung mentaler Rotationsfähigkeiten in AR
Mentale Rotationsfähigkeiten sind im Kontext der beruflichen Grundbildung (BGB) von zentraler Bedeutung. Augmented Reality (AR) kann Lernende dabei unterstützen, diese Fähigkeiten im Rahmen des technischen Zeichnens zu verbessern.
Laufzeit: September 2025 – August 2026
Status: Laufend
Bildungsstufe: Sekundarstufe II – Berufsbildung
Thema: Artificial Intelligence AI, Digital Tools
Keywords: Augmented Reality, Technisches Zeichnen, Fähigkeiten zur mentalen Rotation, Maschinelles Lernen
Ausgangslage
Räumliches Vorstellungsvermögen ist eine wichtige Fähigkeit in vielen Berufen (z. B. Schreiner*innen, Sanitärinstallateur*innen, Elektriker*innen). Architekturzeichner*innen müssen beispielsweise Gebäude in 3D-Umgebungen modellieren. Elektriker*innen müssen Systeme in komplexe Strukturen einpassen. Heizungs- und Sanitärinstallateur*innen müssen 3D-Systeme anhand von 2D-Zeichnungen aufbauen. Solche Aufgaben erfordern, dass Fachpersonen Objekte gedanklich rotieren und sich vorstellen, wie sie aus verschiedenen Perspektiven aussehen würden – eine Fähigkeit, die als mentale Rotation (MR) bezeichnet wird.
Ziele
Unser Projekt verfolgt zwei Hauptziele: Erstens möchten wir die Potenziale von AR zur Förderung mentaler Rotationsfähigkeiten untersuchen. Wir erheben empirische Daten in verschiedenen Sprachregionen der Schweiz, analysieren Lernprozesse mithilfe multimodaler Daten (Eye-Tracking, Handbewegungen, Aufgabenverhalten) und verknüpfen Prozessmerkmale mit Lernergebnissen. Zweitens möchten wir die Integration in den Unterricht erleichtern, indem wir ein Lehrer*innen-Cockpit für das Übungsmanagement entwickeln und die App in drei Landessprachen lokalisieren. Interviews mit Lehrpersonen evaluieren deren Wahrnehmungen und Bedürfnisse im Unterricht.
Methode
Wir führen eine längsschnittliche experimentelle Studie mit 80–100 Lernenden der BGB (Heizungs-/Sanitärinstallateur*innen) aus der deutsch- und italienischsprachigen Schweiz durch. Das Studiendesign umfasst:
- eine Baseline-Erhebung (T0) mit MR- und Technisches-Zeichnen-Tests;
- vier wöchentliche AR-Trainings (T1–T4) mit der App «Sketch-to-Pipes» auf der HoloLens 2; Experimental- und Kontrollgruppen mit bzw. ohne Echtzeit-2D-Projektionsaktualisierungen;
- einen Abschlusstest (T5) mit Wiederholung der Anfangstests und einer Transferaufgabe.
Wir erfassen multimodale Daten (Eye-Tracking, Handbewegungen, Aufgabenverhalten), kognitive Belastung und Motivation (Selbstberichte). Maschinelles Lernen wird genutzt, um Verhaltensmuster zu analysieren und Lernergebnisse vorherzusagen. Lehrpersoneninterviews bewerten den pädagogischen Nutzen und die Integrationsmöglichkeiten in den Unterricht.
Geplante Translation
SPAI Locarno, gibb Bern und BB Zürich haben starkes Interesse an der Nutzung von Sketch-to-Pipes bekundet, aufgrund der nachgewiesenen Wirksamkeit. Ein früheres Projekt testete den Prototyp in zwei Phasen: einer einmonatigen Pilotstudie und einer zweimonatigen Längsschnittstudie. Beide zeigten signifikante Verbesserungen der technischen Zeichen- und mentalen Rotationsfähigkeiten der Lernenden mit grossen Effektstärken. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird in diesem Projekt eine neue Längsschnittstudie durchgeführt, um zu verstehen, wie verschiedene AR-Funktionalitäten das Lernen beeinflussen, und um zugrunde liegende Lernmechanismen zu untersuchen. Die Anwendung wird in unterschiedlichen Sprachkontexten getestet und basierend auf Lehrpersonenbedürfnissen weiterentwickelt. Die Studie findet direkt in Schulen statt – in enger Zusammenarbeit mit Lehrpersonen –, wodurch die Übertragung in die Praxis von Beginn an gesichert ist.
