Augmented Reality im Sachunterricht der Grundschule. Eine Untersuchung zweier Applikationen am Beispiel Abfallverwertung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Theoretischer Rahmen - Digitale Medien in der Grundschule
2.1 Mobile Learning und E-Learning in der Grundschule
2.2 Medienkompetenz und Medienbildung im Sachunterricht
2.2.1 Mediales Lernen im Sachunterricht
2.2.2 Interaktives Lernen im Sachunterricht
2.3 Augmented Reality und Tablets in der Grundschule
2.3.1 Das Tablet als Lernmedium - Möglichkeiten und Erfahrungen
2.3.2 Augmented Reality - Anwendungen im Bildungsbereich

3. Didaktische Konzeption und Entwicklung einer augmentierten Lernumgebung (AR) - Wohin mit dem Getränkekarton?
3.1 Fachlicher Hintergrund und Sachkontext
3.2 Didaktische und methodische Überlegungen
3.3 Technische Aspekte und Gegenüberstellung der Tools
3.4 Gestaltung und Umsetzung
3.4.1 Erste Überlegungen mit Blick auf die Entwicklung
3.4.2 Erster Optimierungszyklus
3.4.3 Zweiter Optimierungszyklus

4. Forschungsdesign - Zielsetzungen und methodisches Vorgehen
4.1 Zielsetzungen und Fragestellung
4.2 Methodisches Vorgehen
4.3 Auswertung und Analyse der Ergebnisse

5. Diskussion der Ergebnisse (Weiterentwicklung)

6. Ausblick

7. Literaturverzeichnis

8. Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Mediales Lernen im Sachunterricht (Quelle: Peschel, 2016, S.38)

Abbildung 2: Augmentierte Lernumgebung "Wohin mit dem Getränkekarton?", erstellt in ZapWorks Studio

Abbildung 3: Bildschirmansicht in App "Zappar"

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergleich Software-Programme für Augmented Reality

Tabelle 2: Vergleich technische Zeichenprogramme und Tools

Tabelle 3: Übersicht der Fragebogenitems

1. Einleitung

„Digitale Medien prägen unsere kulturelle, soziale und wirtschaftliche Welt in einem vor wenigen Jahrzehnten noch nicht vorstellbaren Ausmaß." (Irion, 2016).

Dabei sind digitale Medien zu einem sehr präsenten Begleiter der Gesellschaft geworden, der mittlerweile schon fast untrennbar mit den Mitgliedern dieser verbunden ist. Durch die die KIMStudie (2018) wird deutlich, dass auch Schülerinnen und Schüler durchaus mit Medien dieser Art vertraut sind. Demnach stellt sich die Frage nach einem Lernen mit digitalen Medien gar nicht mehr. Vielmehr steht nun die Frage im Vordergrund, wie so ein Einsatz digitaler Medien im Unterricht möglichst effizient und mit Mehrwert gestaltet werden kann (vgl.Peschel, 2016). Anhand der vorliegenden Literatur wird deutlich, dass hierzu sehr unterschiedliche Meinungen und Begründungen angeführt werden. Der immer aktuellen und weitreichender werdenden Diskussion über die Möglichkeiten zum Einsatz digitaler Medien, insbesondere mobilen Endgeräten, wie Tablets, wird diese Arbeit nachgehen. Um diese Diskussion und die Abwägung fundiert zu unterstreichen, werden zu Beginn notwendige Begrifflichkeiten zur Mediendidaktik und -kompetenz und zum Mobile Learning in der Grundschule geklärt und dargelegt. Des Weiteren wird beleuchtet, inwieweit digitale Medien bereits Einzug in deutsche Grundschulen gefunden haben und wie diese eingesetzt werden. Außerdem wird der Bildungsauftrag des Schulfaches Sachunterricht im Hinblick auf die Medienerziehung und die Verortung von digitalen Medien in diesem Fach betrachtet.

Die aktuelle Generation an schulpflichtigen Kindern ist sehr vertraut im Umgang mit computerbasierten Umgebungen, digitalen Medien und mobilen Endgeräten, was bedeutet, dass sich nicht nur Erziehungsberechtigte, sondern vor allem Bildungseinrichtungen mit der Expertise der Kinder auseinandersetzen müssen (vgl. Süss et al., 2013). Unterricht wird demnach nicht mehr nur auf die üblichen Medien wie Bücher, Tafel und Kreide oder Zeitungsartikel aufzubauen sein. Daneben wäre es sinnvoll Methoden zu erproben, die mediale Bildung fördern und der aktuellen technischen Möglichkeiten angepasst sind.

Als Teil des Mobile Learnings könnte Augmented Reality eine geeignete Technologie und Unterrichtsform medialen Lernens darstellen. Augmented Reality, nicht zu verwechseln mit der Virtual Reality, stellt, als technisch erweiterte Wahrnehmung der Realität, ein interessantes Feld im Hinblick auf Lehr- und Lernprozesse dar. Die Technologie steht noch am Anfang ihrer Möglichkeiten und wurde dies bezüglich noch wenig erforscht. Mit entsprechender Literatur (vgl. Tönnis, 2010; Broll, 2013) wird erörtert, inwieweit sich diese Technologie speziell für die Grundschule eignen könnte und im Zusammenhang mit Tablets umgesetzt werden kann.

Vor diesem Hintergrund wird im Kern der vorliegenden Arbeit eine solche mögliche Einsatzvariante von Augmented Reality im Unterricht entworfen und umfangreich entwickelt.

Dieser Entwicklungsprozess soll anhand eines didaktischen Konzepts und auf Basis eines Vergleichs verschiedener Applikationen geschehen, die technische Werkzeuge zur Erstellung notwendiger Materialien bereitstellen. In mehreren Entwicklungszyklen wird dabei der Aufbau einer solchen Gestaltung deutlich.

Thematisch wird diese Lernumgebung an ein weiteres gesellschaftlich aktuell relevantes Thema angeknüpft. Das Abfallaufkommen in Deutschland betrug laut Umweltbundesamt (2019) im Jahr 2017 411,5 Millionen Tonnen. Trotz hoher Verfügbarkeit an diversen Trennungssystemen und Entsorgungsmöglichkeiten in Deutschland landen hohe Mengen Abfall in der Natur oder werden nicht ordnungsgemäß entsorgt. Einige Produkte und die enthaltenen chemischen Substanzen sind schwer bis gar nicht abbaubar und stellen somit eine große Bedrohung für das Grundwasser, die Flora und Fauna und die Luftreinhaltung dar. Umso wichtiger ist es, richtige Entsorgungswege im Rahmen der „Abfallverwertung“ als Teilbereich des Großthemas „Müll“ zum Unterrichtsthema zu machen. Zudem stellt dies ein Thema dar, dass sowohl im Bildungsplan (2016) des Faches Sachunterricht verankert ist, als auch einen hohen Lebensweltbezug zu den Kindern bedeutet.

Aufgrund kaum vorhandener Untersuchungen zu augmentierten Lernumgebungen in einem medial konzipierten Unterricht, sollen im Rahmen eines exemplarischen Forschungsvorhabens Lehramtsstudierende zu ihren Medienerfahrungen, ihren Einstellungen gegenüber Augmented Reality und ihrem Erleben einer solchen angereicherten Lernumgebung befragt werden. Dieses Vorhaben stellt jedoch nur einen Teilbereich der möglichen Forschungsideen zum Thema dar. Die vorliegende Arbeit möchte damit einer Forschungslücke entgegenwirken und zu weiteren Arbeiten zu diesem Themenbereich anregen.

2. Theoretischer Rahmen - Digitale Medien in der Grundschule

Die Ergebnisse der KIM-Studie (Kindheit, Internet, Medien) des Medienpädagogischen Forschungsverbundes Südwest (mpfs, 2018) zeigen, dass digitale Medien nicht nur in der Gesamtgesellschaft sehr präsent sind, sondern überwiegend auch die alltägliche Lebenswelt der sechs bis 13-Jährigen beeinflusst und eine beträchtliche Rolle in dieser einnimmt. So interessieren sich etwa zwei Drittel der Kinder (n=1231) für den Bereich Handy/Smartphone, der bereits an dritter Stelle, nach Freunde/Freundschaft und Sport in dem Interessenranking aufgeführt wird (vgl. mpfs, 2018). Nach Angaben der Haupterzieher (n= 1231) sind 98% der Haushalte mit Internetzugang ausgestattet und 89% mit einem Smartphone. Lediglich 38% der Haushalte verfügen über ein Tablet. Im Nutzungsbereich der Schule dominiert laut dieser Befragung der stationäre Computer, welcher von etwa 31% der Schülerinnen und Schüler genutzt wird. Die mobilen Endgeräte, wie Handys, Smartphones oder Tablets werden deutlich seltener eingesetzt. Auch zur Bearbeitung von schulischen Aufgaben zu Hause nutzen die Kinder digitale Angebote, wie Lernprogramme (21%), Videos zu Unterrichtsthemen (13%) oder das Internet zu Recherchezwecken (38%) (vgl. mpfs, 2018).

Als Bestandteil der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler sind digitale Medien auch im Unterricht der Grundschule präsent. Dabei soll und muss dieser Unterrichtsgegenstand im Rahmen der Leitperspektive Medienbildung (vgl. Bildungsplan, 2016) aufgegriffen werden, um Kindern die diversen positiven Möglichkeiten, aber auch negativen Einflüsse und Gefahren nahezubringen und sie dahingehend zu fördern, dass sie kompetent und verantwortungsbewusst mit digitalen Medien umgehen können.

2.1 Mobile Learning und E-Learning in der Grundschule

Im Rahmen einer grundlegenden Medienbildung stellen u.a. die Themen Mobile Learning und E-Learning wichtige Aspekte dar, die betrachtet und behandelt werden möchten. Hinter den Begriffen steckt das Lehren und Lernen mit (mobilen) Endgeräten, wie PCs, Tablets, Smartphones und digitalen Assistenten und dem damit einhergehenden „zeit- und ortsunabhängige[n], vernetzte[n] Zugang zu Informationen, Kommunikation und Bildungsangeboten“ (de Witt/Gloerfeld, 2018, S.1), wobei das Mobile Learning als Weiterentwicklung des E-Learning betrachtet werden kann. Dabei bieten Anwendungen auf Smartphones und Tablets, laut de Witt und Gloerfeld (2018), vielseitige multimediale Interaktionsprozesse und Kommunikationsformen für Lernprozesse und ermöglichen durch Cloud-Nutzung und Bring Your Own Device (BYOD)-Konzepten neue Formen der Wissensgenerierung und der Mediennutzung. Zudem kann selbstorganisiert und in kooperativen Formaten gelehrt und gelernt werden (vgl. Arnold et al., 2018). Die dabei elektronisch arrangierten digitalen Medien bilden die Lerninhalte multimedial ab und ermöglichen es den Schülerinnen und Schüler, diese interaktiv zu bearbeiten. Währenddessen wird die Lernmotivation der Kinder gestärkt und sie erfahren Autonomie und Selbstwirksamkeit. Anhand virtueller Lernräume können Lehrende und Lernende sowohl asynchron als auch synchron kommunizieren und entweder kooperative oder partizipative Lernformen eingehen (vgl. Arnold et al., 2018). Hierbei kann E-Learning entweder den Gegensatz zum Präsenzlernen darstellen oder dieses ergänzen und begleiten. Zudem können digitale Lernformen auch in Kombination mit Präsenzunterricht, als Blended Learning oder als rein virtuelles Format angeboten werden. Bei einem Lernformat, das als Blended Learning konzipiert und ausgebracht wird, finden nur ausgewählte Stunden oder einzelne, betreute Arbeitsgruppen online statt. Ergebnisse, Präsentationen und Hausaufgaben werden online eingestellt (vgl. Schulmeister, 2006). Selten werden mobile Endgeräte zu administrativen Zwecken, wie die Hausaufgaben- und Materialorganisation oder der Austausch zwischen aller am Schulleben Beteiligten genutzt.

In der Regel werden mobile Endgeräte in einer der genannten Lehr- und Lernpraktiken als Lehr- und Lernmittel, wie etwa zur Recherche und Bearbeitung von schriftlichen und multimedialen Aufgaben, zum Erstellen von Grafiken und Präsentationen, als Aufnahme- oder Musikgerät genutzt (vgl. Seipold, 2017). In Unterrichtsformen dieser Art werden verschiedene Funktionen der Mobiltechnologien eingesetzt. Bekannter sind darunter die sogenannten PushDienste, zu denen das Versenden von neuen oder bearbeiteten Aufgaben und inhaltlichem Input per E-Mail, SMS oder Chat zählt. Weniger etabliert ist es, App-basiert an Smartphones oder Tablets zu arbeiten. Oft verlangsamen hier Diskussionen zu Kosten, Kompatibilität, Administration und Vereinbarkeit unterschiedlicher Betriebssysteme den Einsatz von Edu- Apps im Unterricht. Eine weitere Möglichkeit, mobiles Lernen in den Unterricht zu integrieren, stellen Web 2.0-Tools dar: „Mit Apps oder browserbasiert ist es möglich, mit Tablets, Smartphones oder Notebooks an z.B. Fotostorys, Videos, Audioaufnahmen, getaggte Orten oder Dokumenten gemeinsam online zu arbeiten und diese Daten zu teilen, zu diskutieren, zu revidieren und weiter zu bearbeiten.“ (Seipold, 2017, S.15) Zudem sind auch Augmented Reality-Funktionen für das mobile Lernen mit Smartphones und Tablets denkbar, denn sie können Lernumgebungen erweitern und diese durch digitale Informationen anreichern. Dies soll in Kapitel 2.3 näher erläutert werden.

Mobiles Lernen erscheint als Trendthema und Innovation für zukünftige Formen des Lehrens und Lernens. Doch aufgrund von fehlender Akzeptanz, beruhend auf finanziellen Fragen und solchen nach der technisch-didaktischen Betreuung, und der scheinbar unzureichenden Aufklärung darüber, haben mobile Lehr- und Lernformen den Bildungsbereich bisher nicht flächendeckend erreicht (vgl. Seipold, 2017). Dennoch bestehen hohe Erwartungen und Forderungen an das mobile Lernen. Die verwendeten Technologien sollen die Schülerinnen und Schüler unterstützen und ihnen ermöglichen, sich den Lerninhalt umfangreich zu erschließen, was jedoch nur eine der vielen Ressourcen im Lernprozess darstellt. Die Bildungsinstitutionen müssen offen auf das Hintergrundwissen der Schülerinnen und Schüler reagieren und diese aufgreifen, sodass Innovation, Autonomieempfinden und Demokratisierung gefördert werden kann. Laut Seipold (2017) sollten Bildungseinrichtungen dafür Sorge tragen, dass administrative Strukturen angepasst werden, die notwendigen Technologien und Infrastrukturen zur Verfügung stehen, sicherstellen, dass sowohl Lehrende als auch Lernende rechtlich geschützt sind und gewisse ethische Richtlinien eingehalten werden. Auch Weiter- und Fortbildungen für das Lehrpersonal sollen von den Institutionen zur Verfügung gestellt werden. Mobiles Lernen soll die Schülerinnen und Schüler aktiv in den Lernprozess integrieren und durch Kontextualisierung effiziente Lernprozesse gestalten.

Lehrpersonen nehmen eine begleitende, unterstützende und beratende Position ein, die es den Schülerinnen und Schülern ermöglicht, selbstreguliert und personalisiert zu lernen. Die Lernenden müssen dabei mit unterschiedlichen Lernformen vertraut gemacht werden, um auch orts- und zeitunabhängiges, sowie gleichberechtigtes Lernen realisieren zu können (vgl. Seipold, 2017; Mayrberger, 2018).

Die Schwerpunkte der Forschung liegen hierbei auf den Bereichen des schulischen, universitären und formalisierten Lernens. Im Zusammenhang damit werden traditionelle Lerntheorien, Modelle und Konzepte, wie der Behaviorismus, Kognitivismus und Konstruktivismus, herangezogen (vgl. Seipold, 2017). Bisher existieren nur vereinzelt Ideen zu didaktischen Konzepten des mobilen Lernens, die den genannten Anforderungen gerecht werden. Dies wird auch mit Blick auf die bisherige Medienausstattung von Grundschulen deutlich. Laut Statistischem Bundesamt (2018) wurden im Schuljahr 2016/2017, aufgrund der flächendeckenden Anordnung, 15 500 Grundschulen erfasst. Zur technischen Ausstattung gibt lediglich eine privat geführte und ständig aktualisierte Liste der Internetseite tablet-in-der- schule.de (19.08.2020), die einen groben Überblick zur Anzahl der Schulen darstellt, die regelmäßig Tablets im Unterricht einsetzen oder eigene Tablet-Klassen, als Form des Mobile Learnings, führen. Laut ihren Recherchen, mit letztem Stand im Januar 2020, existieren zurzeit etwa 267 Schulen, die den Schülerinnen und Schülern Tablets zur Verfügung stellen. Dabei sollte beachtet werden, dass diese Zahl alle Schularten Deutschlands umfasst.

2.2 Medienkompetenz und Medienbildung im Sachunterricht

Über diverse digitale und mobile Endgeräte wie Smartphones, Tablets und Laptops oder das anderweitig genutzte Internet kann sich problemlos ein Zugang zu vielfältigen und aktuellen Informationen geschaffen werden. Apps und Tools ermöglichen die Gestaltung des eigenen Endgerätes nach den individuellen Interessen und Bedürfnissen des Nutzers. Dies führt dazu, dass mobile, digitale Medien viele verschiedene technische Geräte in einem einzigen Gerät vereinen und Menschen global vernetzen. Dies stellt die Lebenswelt dar, in der die Kinder heute aufwachsen, in der sie sich orientieren müssen und an die der Sachunterricht als Fach der Grundschule, mit dem zentralen Prinzip der Lebensweltorientierung, anknüpft. „Die besondere Aufgabe des Sachunterrichts besteht darin, Schülerinnen und Schüler darin zu unterstützen, ihre natürliche, kulturelle, soziale und technische Umwelt sachbezogen zu verstehen, sie sich auf dieser Grundlage bildungswirksam zu erschließen und sich darin zu orientieren, mitzuwirken und zu handeln." (GDSU, 2013, S.9) Zudem ist die Medienbildung, im Bereich der technischen Umwelt, integrativ in den themenspezifischen Leitperspektiven des Sachunterrichts verankert. „Die Reflexion eigener Medienerfahrungen und der bewusste Umgang mit vielfältigen Medien in der Schule unterstützen eine reflektierte und verantwortungsbewusste Auswahl und Nutzung von Medien." (Bildungsplan Sachunterricht, 2016, S.4)

Friedrich Gervé und Markus Peschel (2013) versuchen den Zusammenhang der verschiedenen Medienbegriffe mithilfe einer Grafik aufzuzeigen (vgl. Abb.1), in der deutlich wird, dass Medien Teil der kindlichen Lebenswelt sind und in dieser verschiedene Rollen einnehmen. Sie können Informationsträger sein und sowohl kulturelle als auch Phänomene aus der Natur repräsentieren oder modellieren. Darüber hinaus beschreiben Peschel und Gervé (2013) Medien hier auch als Hilfsmittel, um schwer zugängliche Sachverhalte anschaulicher und geordneter erschließen zu können. „Medien sind Dokumentations-, Gestaltungs-, Ausdrucks-, Präsentations-, Publikations- und Kommunikationsmittel" (Gervé/Peschel, 2013, S.60). Außerdem bieten sie kreative und ästhetische Zugänge zur Welt, in Form von Unterhaltungsprogrammen oder als Kunstmittel. Der genannten Grafik kann entnommen werden, dass die Medienpädagogik als übergeordnete Disziplin, alle medialen Prozesse im pädagogischen Kontext beschreibt. Ziel der Medienpädagogik ist es, Medienbildung anhand entsprechender Kompetenzvermittlung zu ermöglichen. Zudem fokussiert sich Medienpädagogik auf die Beschreibung, Systematisierung und Bewertung der Inhalte, Gestaltung und Wirkungsweise von Medien mit Hinblick auf erzieherische, persönlichkeitsbildende, gesellschaftliche und politische Aspekte. Auch Ziele und Nutzungsweisen von Medien werden beleuchtet (vgl. Abb. 1). Medien können Werkzeuge zur Welterschließung darstellen und so ist es eine medienpädagogische Aufgabe des Sachunterrichts, Schülerinnen und Schüler darin zu unterstützen, die Zusammenhänge und Phänomene ihrer Lebenswelt wahrzunehmen und zu verstehen (vgl. GDSU, 2013). Lehren und Lernen findet demnach sowohl mit als auch über Medien statt. Die Medienerziehung ist demnach ein Teilgebiet der Medienpädagogik und führt über Aufklärung, Anleitung und Orientierung zur Medienbildung. Die Medienerziehung schafft dabei bedeutsame Situationen im Umgang mit Medien in einem geschützten und bewusst geöffneten Raum. Dies kann über erste Begegnungen geschehen, die Orientierung geben und die Nutzung von digitalen Medien begleiten und kritisch reflektieren. Medienbildung zielt über die basale Gebrauchskompetenz darauf ab, die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, Medien selbstbestimmt, verantwortlich und kritisch reflektiert zu konsumieren. Mediendidaktische Lernumgebungen, welche mediengestützte Lehr- und Lernprozesse instruieren, umfassen medienerzieherische und - bildende Prozesse. Anhand Kriterien zu Zielen, Inhalten und Methoden, ordnet die Mediendidaktik Medien, welche als Lernwerkzeuge fungieren, ein. Dies ermöglicht Lehrpersonen sich hinsichtlich der Medienauswahl und -analyse während der Unterrichtsplanung zu orientieren. Eine mediendidaktisch gestaltete Lernumgebung stärkt die Entwicklung der Medienkompetenz, die das Potenzial darstellt, in unterschiedlichen Situationen verantwortungsvoll mit Medien umzugehen, sie zielgerichtet einsetzen und selbstbestimmt gestalten zu können (vgl. Abb.1) Die Vermittlung von Medienkompetenz, als Ziel der Medienerziehung, soll laut dem Perspektivrahmen der Gesellschaft für Didaktik des Sachunterrichts (2013) Mittelpunkt der medialen Auseinandersetzung im Sachunterricht sein. Dabei liegt das besondere Augenmerk auf einer Kompetenz im Umgang mit Medien in unterrichtlichen und außerunterrichtlichen Lernszenarien, die gemäß der individuellen Entwicklung angemessen sein soll.

Dies führt zu einer reflektierten Auswahl und einem angemessenen Umgang mit unterschiedlichsten Medien, welche auf die Lebenswelt, sowie auf die sozialen und

Mediales Lernen im Sachunterricht wirtschaftlichen Bedingungen einwirken und somit wichtige Elemente der Medienerziehung darstellen (vgl. GDSU, 2013). Der Sachunterricht, der im Vergleich zu anderen Schulfächern lediglich in der Grundschule verortet ist, kommt nur mit einem Teilgebiet der allgemeinen Medienpädagogik und der Mediendidaktik in Kontakt (vgl. Peschel 2015). „Diese [Mediendidaktik] behandelt den Grundschulbereich dann auch eher randständig, was in fehlenden mediendidaktischen Ausführungen für die Grundschule bzw. die Grundschulfächer speziell dem Sachunterricht sichtbar wird" (Peschel, 2015, S.173).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Mediales Lernen im Sachunterricht (Quelle: Peschel, 2016, S.38).

2.2.1 Mediales Lernen im Sachunterricht

Verschiedenste Medien, wie Bücher, Realobjekte, Modelle, Karten, Bilder, Plakate, etc. sind bereits fester Bestandteil des Sachunterrichts und werden nun um digitale und vor allem auch mobile Medien erweitert (vgl. Peschel, 2016). Dadurch ergeben sich wiederum neue didaktische Möglichkeiten und die Forderung nach digitalen Bildungsprozessen. Auch in der Grundschule ergibt sich diese Forderung überwiegend aus der veränderten Lebenswelt, in der Kinder aufwachsen und sich zurechtfinden müssen. Dies zeigt sich deutlich in der bereits erwähnten KIM-Studie (vgl. mpfs, 2018). Häufig steht der Erwerb von Kompetenzen im Umgang mit digitalen Medien in direkter Relation zur familiären Situation der Kinder (vgl. Irion/Eickelman, 2018). Wenn kein gesunder, kritisch-reflexiver Umgang mit Medien im familiären Umfeld gelebt und dieser nicht thematisiert wird, ist die Förderung von digitalen Kompetenzen in der Schule, die den Grundstein für weiterführende Bildungsprozesse schafft, umso notwendiger. „Schulische Bildung hat die Aufgabe, Heranwachsende auf künftige Lebensaufgaben vorzubereiten.“ (Irion/Eickelman, 2018, S.8)

Mit Hinblick auf die sich schnell wandelnde Technologie, die bis zur Volljährigkeit der jetzigen Schulanfänger und -anfängerinnen kaum absehbar ist, sollte das Hauptaugenmerk auf der Ausbildung und Festigung eines reflektierten und kritischen Umgangs mit Medien gelegt werden. Zudem sollten die Kinder durch zielgerichtetes Kompetenztraining dazu befähigt werden, ihre Strategien selbstbestimmt und gut durchdacht in unterschiedlichsten Anforderungsmomenten des späteren Alltags der jeweiligen Situation anzupassen und in der lebenslangen digitalen Bildung eigenständig auszubauen. Denn „auch wenn Kinder, im Gegensatz zu früheren Generationen, als Digital Natives mit digitalen Medien aufwachsen, müssen sie die Potenziale der modernen Informations- und Kommunikationstechnologien [...] wahrnehmen und Risiken [...] bewerten können.“ (GDSU, 2013, S.84)

Zur Frage, inwieweit die Kompetenzen von Grundschulkindern im Umgang mit mobilen Endgeräten ausgebildet sind, liegen bisher keine spezifischen Untersuchungen vor. Im Gegenteil dazu wurden in der Sekundarstufe bereits Vergleichsstudien und andere Forschungen speziell zur Medienkompetenz und zur Nutzung von digitalen Medien und Mobile Devices durchgeführt (vgl. Gatterer, 2013). Im Bereich der Grundschulforschung dienen lediglich die Ergebnisse der großen Vergleichsstudien in der Grundschule, wie TIMS und IGLU von 2015 und 2016, dazu, einen Überblick zur Nutzung von digitalen Medien im Fachunterricht zu erhalten. Vor allem im Vergleich zu anderen Ländern, wie Australien, Dänemark und den Niederlanden zeigen die Studien für Deutschland eine eher unterdurchschnittliche Nutzung digitaler Medien und mobilen Endgeräten im Unterricht (vgl. Irion/Eickelman, 2018). Demnach ergeben sich für den Sachunterricht, dass etwa die Hälfte aller Schülerinnen und Schüler der vierten Klasse monatlich den Computer zur Informationsbeschaffung nutzen. Mindestens einmal im Monat trainieren etwa 22% der Kinder ihre Fähigkeiten und Fertigkeiten im Umgang mit dem Computer, indem sie recherchieren, Dokumente erstellen oder Lernspiele spielen. Konkreten Erforschungen von Naturphänomenen, Erkunden von Simulationen oder dem Durchführen von Experimenten und Versuchen widmen sich 10-14% aller Befragten (vgl. Martin et al., 2016, nach Irion/Eickelman, 2018).

Auch bei einem Blick in die Bildungspläne, Lehrwerksverbünde und auf den Markt für digitale Medien im Bildungsbereich wird deutlich, dass die mediendidaktische Entwicklung den technischen und lebensweltlichen Ansprüchen nicht gerecht wird (vgl. Gervé, 2015). Nach Gervé (2015) hat dies unterschiedliche Gründe. Einerseits sind Programme für Computer, Tablet und andere mobile Endgeräte meist englischsprachig und, genau wie Internetangebote, meist unstrukturiert und ohne intensive Auf- und Vorbereitung der Lehrperson kaum für eine selbstständige Benutzung seitens der Kinder einsetzbar. Dazu kommen Störungen, Wartungen und Aktualisierungen der Netzwerktechnik, Hard- und Software, die vor allem zeitliche Ressourcen einfordern und die Nutzung in Gruppen erschwert. Auch die fachgerechte Weiterbildung für Lehrkräfte, sowie die Verfügbarkeit von konkreten Materialien und Unterrichtskonzepten ist kaum bis unregelmäßig vorhanden. Zudem führt Gervé (2015) problematischen Umgang mit sensiblen und persönlichen Daten an, die über Lernplattformen oder externe Austauschprogramme, wie Dropbox, ungesichert verbreitet werden. Doch Gervé (2016) betont auch, dass durch den besonderen Auftrag des Sachunterrichts, der darin besteht, die Schülerinnen und Schüler zu unterstützen, um ihre Welt zu verstehen und in ihr handeln zu können (vgl. GDSU, 2013), die Thematisierung von digitalen Medien als Unterrichtsgegenstand unumgänglich ist.

„Neben Modellen, Abbildungen, Texten, Aufgaben und offenen Arbeits- und Experimentiermaterialien können digitale Medien vielfältig genutzt werden, um nicht direkt Wahrnehmbares zugänglich zu machen oder um auf verborgene Aspekte zu fokussieren.“ (Gervé, 2015, S.497) So ermöglichen digitale Medien die Vernetzung der originalen Begegnung, als eine Methode des Sachunterrichts, mit der medialen Dokumentation und Sicherung von Wissen. Sie sind, aus Sicht der konstruktivistischen Didaktik, ideal als kombinierbare Bausteine und mehrperspektivische Werkzeuge zur individuellen und sozialen Erschließung von Weltwissen einsetzbar (vgl. Gervé, 2015). Dabei sollen sie die Handlungsorientierung und die direkte Begegnung mit Sachen, welche sich durch einen sinnlichen Zugang und die Unmittelbarkeit auszeichnet, nicht ersetzen, sondern dem didaktischen Kontext dienen (vgl. Gervé/Peschel, 2013). Aus sachunterrichtsdidaktischer Perspektive, nach Peschel (2015), eignen sich digitale Medien, gerade aufgrund der Mehrperspektiven, um sachunterrichtliche Lernprozesse umzusetzen. So können die Medien selbst unter technischen, sozialwissenschaftlichen, historischen, geographischen oder naturwissenschaftlichen Aspekten betrachtet werden. Darüber hinaus spielt eine kritischreflexive Auseinandersetzung mit den Potenzialen und Herausforderung digitaler Medien eine wichtige Rolle bei der Erschließung der Umwelt und sollte deshalb zentral sein. Auch das sorgsame Nutzungsverhalten ist Teil der Medienerziehung im Sachunterricht und lässt sich durch die Auseinandersetzung mit Möglichkeiten, Grenzen und Gefahren des Internets und anhand der Diskussion über verschiedene Hardware und deren Einfluss auf die Nutzung thematisieren (vgl. Peschel, 2015). „Das Verstehen als kognitive Leistung, Phänomene zu erklären, also Zusammenhänge erkennen und sprachlich-begrifflich (im doppelten Sinne von „begreifen") fassen und ausdrücken zu können, ist untrennbar mit dem Handeln als bewussten, zielgerichtetem, selbstgesteuertem, reflektiertem und damit verantwortlichen Entscheiden und Tun verbunden." (Gervé/Peschel, 2013) Handeln können und wollen, als Kompetenz, ist also untrennbar vom Verstehensprozess. Dies wird in der Doppelfunktion von Medien im Sachunterricht deutlich, wie sie bereits in Abb.1 und im vorhergehenden Kapitel betont wird. Medien sind sachunterrichtlicher Inhalt („Lernen über Medien") und Werkzeug („Lernen mit Medien") zugleich (vgl. Gervé/Peschel, 2013).

2.2.2 Interaktives Lernen im Sachunterricht

Aus sozialwissenschaftlicher Sichtweise stellt eine Interaktion das wechselseitig handelnde Einwirken zweier Subjekte aufeinander dar (vgl. Niegemann/Heidig, 2020). „Interaktivität im Bereich des technikbasierten Lernens meint demnach die wechselseitige Aktivität zwischen einem Lernenden und einem Lernsystem, wobei die (Re)Aktionen des Lernenden auf die (Re)Aktionen des Lernsystems bezogen sein müssen und umgekehrt." (Niegemann/Heidig, 2020, S.344, nach Domagk et al., 2010) Interaktives Lernen erfüllt Funktionen, die stets Teil von Lehr- und Lernprozessen sind. Durch ermutigende Äußerungen, die die Schülerinnen und Schüler zum Lernbeginn und Weiterlernen animieren, tragen interaktive Formate zur Motivationsförderung bei. Rückmeldungen und Erläuterungen zu diagnostizierten Fehlern helfen zu reflektieren und die Qualität des Lernens zu steigern. Zudem können interaktive Lernformen Informationen über noch zu bearbeitende Aufgaben und Abschnitte liefern (vgl. Niegemann/Heidig, 2020). Verstehen zu fördern kann durch Fragestellungen seitens des Systems, aber auch von Seiten der Lernenden ermöglicht werden, wobei z.B. alternative Erklärungen und Darstellungen oder Hilfestellungen verwendet werden.

„Multimediale Lernumgebungen können das Behalten fördern, indem sie Tools bereitstellen, die geeignete Mnemotechniken unterstützen und lernerfolgsabhängige Übungsmöglichkeiten anbieten.“ (Niegemann/Heidig, 2020, S.347) Auch das Abrufen von Lerninhalten kann so trainiert werden. Die Förderung einer Anwendungs- und Transferkompetenz, sowie die Regulation und Organisation des Lernprozesses kann mit Hilfe von interaktiven Lernumgebungen erzielt werden. In diesem Zusammenhang existieren verschiedene Erscheinungsformen von Interaktivität. Durch Simulationen und Mikrowelten können komplexe Lerngegenstände der Realität modellhaft dargestellt und frei erforscht werden. Durch interaktive Veränderung oder Manipulation der Animation durch die Schülerinnen und Schüler kann der weitere Verlauf verändert und somit Rückschlüsse über Gesetzmäßigkeiten und Funktionsweisen geschlossen werden (vgl. Arnold et al., 2018). Auch nicht sichtbare Phänomene oder Gegenstände, die im regulären Unterrichtsgeschehen nicht frei erforscht werden können, werden so zugänglich gemacht. Die Darstellungen können hierbei sehr variieren und hängen von einem hohen programmiertechnischen Zeit- und Fähigkeitslevel ab. Im Vergleich zu anderen interaktiven Präsentationsformen liegt das Augenmerk hier auf der Erfahrung, Beobachtung und Exploration des dargestellten Wissens. Wie generell beim Mobile Learning, nimmt die Lehrperson eine begleitende und beratende Haltung ein, um die Schülerinnen und Schüler bei Rückmeldungen der Programme oder komplexen Konstruktionen zu unterstützen (vgl. Arnold et al., 2018). Auch Rollen- und Planspiele beruhen auf realen Prozessen und Konzepten. Durch die Interaktion der Lernenden in der Rolle der Mitspielenden ergibt sich die Entwicklung des Spiels. Der Inhalt ist zu Beginn festgelegt, doch der eigentliche Ablauf entscheidet sich erst durch die Interaktion. Sie können dazu dienen, realitätsnahe Prozesse und Vorgänge zu durchlaufen. Je nach Schulstandort und möglicherweise schlechten Erreichbarkeit von außerschulischen Lernorten, wie z.B. Einrichtungen wie Feuerwehr und Kläranlage, kann dieses Format trotzdem handlungsorientierte und getreue Begegnungsmomente und Einblicke ermöglichen. Aufgrund der Komplexität dieser Spiele, ist vor allem die Vorbereitung und Begleitung des Lernprozesses wichtig (vgl. Arnold et al., 2018). Auch Spielszenarien, die Onlinespiele mit der realen Umgebung verknüpfen, wären als interaktive Lernformat denkbar. Mobile Geräte benötigen zur Lokalisierung der Spielenden andere Technologien, wie z.B. satellitengestützte Navigationssysteme oder GPS (Global Positioning System). Für biologische, historische und politische Erkundungen können solche Spielformen im Sachunterricht, z.B. in Form einer Schnitzeljagd oder Schatzsuche eingesetzt werden. In dreidimensionalen, virtuellen Welten können Schülerinnen und Schüler als Avatare, eine Art individuelle Spielfiguren, eigene Lerninhalte gestalten, präsentieren und untereinander agieren oder in Gruppen (Communities) in Kontakt treten.

Abgesehen von einem hohen Erstellungsaufwand, können virtuelle Lernwelten in vielen unterschiedlichen Szenarien eingesetzt werden, wie z.B. bei Gruppenarbeiten und anderen kooperativen Arbeitsformen und als virtuelles Klassenzimmer, für Schülerinnen und Schüler, die nicht am Präsenzunterricht teilnehmen können (vgl. Arnold et al., 2018). Die Effizienz der Interaktivität multimedialer Lernumgebungen auf die Lernwirksamkeit wird von verschiedenen Variablen beeinflusst (vgl. Niegemann/Heidig, 2020). Ausschlaggebend sind unter anderem die Qualität der bereitgestellten Informationen, sowie die Qualität der kognitiven Handlungen, die durch die Lernumgebung auf die Lernenden übertragen werden. Zudem stellt das Ausmaß an Belastbarkeit des Arbeitsgedächtnisses der Schülerinnen und Schüler während des Arbeits- und Lernprozesses eine Einflussvariable dar. Wie in jedem Lernarrangement hängt die Effizienz von aktivierten Präkonzepten und Persönlichkeitsmerkmalen, wie emotionaler, motivationaler und volitionaler Verfassung der Kinder ab (vgl. Niegemann/Heidig, 2020).

2.3 Augmented Reality und Tablets in der Grundschule

Möglichkeiten der Interaktion in Echtzeit bietet unter anderem auch die Technologie Augmented Reality (vgl. Zobel et al., 2018). Unter dem Begriff der Augmented Reality (deutsch: Augmentierte Realität bzw. erweiterte oder angereicherte Realität, kurz: AR) versteht man im Allgemeinen die Anreicherung der Realität durch künstliche virtuelle Inhalte und Effekte (vgl. Broll, 2013). Dabei verschmelzen Realität und Virtualität so miteinander, dass virtuelle Objekte koexistent zur realen Welt sind (vgl. Zobel et al., 2018). Diese Anreicherung findet nicht in statischen und einmaligen Szenen statt, sondern passiert kontinuierlich und angepasst an den aktuellen Standpunkt des Betrachters und seiner Kamera als Erweiterung des Auges. Anders als in einer Kinofilmproduktion, bei der die einzelnen Bilder in einem langen Zeitraum nachbearbeitet werden, muss die Überlagerung des Live-Videobildes in der AR in Echtzeit, und zwar in einem Zeitraum, der geringer als der zeitliche Abstand zum nächsten Bild ist, erfolgen (vgl. Tönnis, 2010). Auch wenn sich Augmented Reality im Bereich der Bildung auf die visuelle Wahrnehmung erstreckt, sind auch Erweiterungen der auditiven, haptischen und olfaktorischen Wahrnehmung denkbar (vgl. Broll, 2013).

Dabei existieren mehrere Formen der Augmentierten Realität, zudem kann die Darstellung und Einbindung der überlagerten bzw. angereicherten Realität über diverse Trägermedien und Technologien erfolgen (vgl. Zobel et al., 2018). „Allen Ausprägungen der AR ist jedoch gemeinsam, dass sie auf einer perspektivisch korrekten Projektion der virtuellen Inhalte in die Umgebung des Nutzers beziehungsweise in das zuvor aufgenommene Videobild beruhen." (Broll, 2013, S.247) Wichtig dabei ist, dass die Blickrichtung und der Blickpunkt in realer und virtueller Welt stets übereinstimmen und auch das virtuelle Blickfeld dem eigentlichen Blickfeld des jeweiligen Displays entspricht. „Im Idealfall stimmen hierbei zusätzlich die Perspektive des aufgenommenen Bildes und die des (das augmentierte Bild betrachtenden) Nutzers überein. Somit entsteht bei diesem tatsächlich der Eindruck, als hätte sich seine Umgebung unmittelbar verändert." (Broll, 2013, S.247) Dabei entsteht ein sogenannter „Magic-Lens"-Effekt (deutsch: Magische Linse), der z.B. auch im medizinischen Bildungsbereich sehr interessante Felder eröffnen kann. Eine der gängigsten Formen von AR ist die Video See-Through-Technik oder auch einfache Bildschirmdarstellung genannt. Dabei wird zunächst, ähnlich wie oben beschrieben, die reale Umgebung mit Hilfe einer Videokamera erfasst und anschließend durch künstliche Marker-Punkte bzw. Bildmarker (Trigger) mit virtuellen Inhalten so überlagert, dass alle Perspektiven übereinstimmen (vgl. Zobel et al., 2018). Diese können auf einem Ausgabegerät, wie einem Tablet, Smartphone oder einer Datenbrille, wiedergegeben werden. Im Gegensatz dazu ist beim Optischen-See-Through eine Videoaufnahme der realen Umgebung nicht zwingend notwendig, da sie vom Betrachter direkt wahrgenommen wird (vgl. Broll, 2013). Da die Perspektive für jedes Auge separat eingestellt werden muss und nur durch ein semitransparentes Display ausgegeben werden kann, eignet sich diese Technik weniger für mobile Endgeräte und den Einsatz im Mobile Learning. Eine weitere mögliche Form ist die projektionsbasierte AR, die darauf basiert, dass die virtuellen Inhalte direkt auf die reale Umgebung projiziert werden. Auch bei dieser Technik ist der Einsatz des Tablets nicht relevant. Grundlage für die Erweiterung und Überlagerung der realen Welt auf einem Handheld-Gerät wie dem Tablet, ist das Tracking, welches dazu dient, die Lage und Position der Kamera und den Blickpunkt des Nutzers einzuschätzen. Dabei werden Kamerakoordinaten- und Objektkoordinatensysteme von einzelnen oder mehreren Objekten ermittelt (vgl. Broll, 2013). Im Bereich des mobilen Positions-Tracking, also der mobilen AR- Anwendungen im Außenbereich, wird in der Regel das satellitengestützte GPS genutzt. Als Beispiel kann hier das Spiel PokémonGO genannt werden, welches als App die Technologie der Augmented Reality und GPS nutzt. Allerdings benötigt GPS zur exakten Bestimmung der Position die freie Sicht auf mindestens drei Satelliten, welches auf einer freien Fläche kein Problem sein sollte (vgl. Broll, 2013). Problematisch kann der Empfang innerhalb von Gebäuden, zwischen hohen Häusern und engen Gassen innerhalb von Städten werden. Dies kann zu einer Abweichung der Positionsbestimmung von mindestens zehn Metern führen. Für den erweiterten Gebrauch der AR-Technik auch innerhalb von Gebäuden und uneingeschränkt in der Stadt, sollte auf Differenzmethoden, die zur Korrektur der Position dienen, zurückgegriffen werden. Dabei wird zwischen Differential GPS (DGPS) und Satellite Based Augmentation System (SBAS) unterschieden (Vgl. Broll, 2013). „Bei DGPS wird auf Basis eines lokalen Referenzempfängers, dessen Position bekannt ist, ein Korrektursignal berechnet. Dieses wird dann per Funk oder über das Internet mit dem lokal empfangenen GPS-Signal verrechnet und erlaubt somit Genauigkeiten bis hin zu wenigen Zentimetern.“ (Broll, 2013, S.253) Mithilfe von SBAS und mehreren geostationären Satelliten wird eine Genauigkeit von ungefähr einem Meter erzielt und stellt somit die fast einzige Möglichkeit dar, Augmented Reality im Außenbereich, ohne deutlich wahrnehmbare Abweichungen effektiv zu nutzen. „Letztendlich hängt die objektive wahrgenommene Qualität der Positionierung allerdings stark davon ab, ob das virtuelle Objekt nahtlos an einen realen Gegenstand anschließen muss oder verhältnismäßig frei positioniert werden kann.“ (Broll, 2013, S.254) Besonders in der Nutzung von mobilen Endgeräten, wie Smartphones und Tablets, werden, neben den bereits genannten Verfahren, die W-LAN-Ortung und das Assisted GPS (A-GPS), welches die Positionsbestimmung auf Basis der aktuellen Mobilfunkzelle vornimmt, eingesetzt. Diese Technologien werden vor allem dann relevant, wenn AR-Anwendungen vorwiegend in Gebäuden und an Plätzen mit eingeschränkter Sicht des Geräts zum Satelliten, z.B. in Innenstädten und dichten Wäldern, genutzt werden wollen. Doch auch die sensor- oder merkmalbasierte Positionsbestimmung oder das kamerabasierte Tracking von Markern sind bekannte Verfahren im Zusammenhang mit Augmented Reality.

Besonders interessant für den Bereich der Bildung könnte hier das merkmalbasierte und das kamerabasierte Tracking von Markern sein. Ersteres stellt eine Technik dar, die bestimmte Merkmale, sowohl zweidimensional als auch dreidimensional, im Kamerabild erkennt und diese mit einer Datenbank aus vorliegenden Modellen abgleicht. Beim kamerabasierten Tracking von Markern, welches bereits seit Ende der 1990er Jahren für AR im Einsatz ist, werden quadratische oder runde Marker verwendet, welche aus einem schwarz-weißen Muster bestehen, das von einem komplett weißen oder schwarzen Rand begrenzt wird. Diese können nach Erstellung ausgedruckt und auf beliebigen Objekten und Flächen angebracht oder in Printmedien integriert werden. Dabei sollte man diese, trotz teilweiser Ähnlichkeit, nicht mit den QR-Codes verwechseln (vgl. Broll. 2013). Wenn die Position bestimmt und erkannt wurde, muss das virtuelle Objekt auch korrekt in der realen Umwelt auf dem Ausgabegerät angezeigt werden. Dazu wird die Registrierung genutzt, die dafür sorgt, dass das Objekt sowohl in der richtigen Perspektive (geometrische Registrierung) angeordnet ist, als auch korrekt beleuchtet (photometrische Registrierung) wird. Auch hierfür werden die genannten Tracking-Methoden verwendet.

2.3.1 Das Tablet als Lernmedium - Möglichkeiten und Erfahrungen

„Häufig hoffen Lehrkräfte, dass mit der Einführung von Tablets und geeigneter Software der Unterricht sozusagen wie ,mit einer Wundermaschine‘ von selbst läuft." (Irion, 2017, S.21) Doch Tablets sollen vor allem als Ergänzung zum didaktischen Konzept der Lehrperson dienen und sich diesem als Werkzeuge zur Erschließung der Lebenswelt unterordnen (vgl. Irion, 2017). Dabei liegt, nach Irion (2017), der Innovationswert von Tablets nicht in den neuen Entwicklungen und Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Computern, sondern vielmehr in der Chance, diese Entwicklungen benutzerfreundlich und zuverlässig nutzen zu können. Ähnlicher Meinung sind auch Grote und Kneißel (2015), die im Rahmen ihrer Projektskizze zum mobilen Lehren und Lernen iPads, als eine konkrete Form von Tablets, an allgemeinbildenden Schulen der Stadt Hamm (NRW) im Unterricht eingesetzt haben. „Allein durch die neue Mobilität der iPads und die bisher geläufigen Office-Anwendungen von Desktop-PCs ergeben sich bereits vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Unterricht, die nicht mehr von zeit- und nervenraubenden Kompatibilitätsproblemen geprägt sind." (Grote/Kneißel, 2015, S.16) Auch das zeitsparende „Erwachen" aus dem Standby-Modus ist für sie ein Vorteil des iOS-Betriebssystems gegenüber Desktop-PCs und Android-Tablets. Zudem führen sie mögliche Einsatzbereiche der Apps an, die auf iPads bereits vorinstalliert sind und welche zeigen, dass mit Kreativität eine Vielzahl von fächer- und themenübergreifenden Anwendungen möglich sind. So ist es denkbar, Tablets nicht nur zu Recherche- und Dokumentationszwecken einzusetzen, sondern sie auch zum Entdecken, Erkunden und Erfahren zu nutzen. Durch digitale Medien können auch Phänomene in Form von Bild, Ton, Animation und Hypermedia, welche sich aus mehreren Bildern und Tonverknüpfungen zusammensetzt, sichtbar gemacht werden. Diese können oft aus Zeit-, Raum- und Sicherheitsgründen im Schulalltag nicht verwirklicht werden, wie z.B. die nähere Betrachtung eines belebten Bienenstocks.

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