Holistic Approach for Authoring Immersive and Smart Environments for the Integration in Engineering Education

Die vierte industrielle Revolution und der rasante technologische Fortschritt stellen die etablierten Bildungsstrukturen und traditionellen Bildungspraktiken in Frage. Besonders in der Ingenieurausbildung erfordert das lebenslange Lernen, dass man sein Wissen und seine Fähigkeiten ständig verbessern muss, um auf dem Arbeitsmarkt wettbewerbsfähig zu sein. Es besteht die Notwendigkeit eines Paradigmenwechsels in der Bildung und Ausbildung hin zu neuen Technologien wie virtueller Realität und künstlicher Intelligenz. Die Einbeziehung dieser Technologien in ein Bildungsprogramm ist jedoch nicht so einfach wie die Investition in neue Geräte oder Software. ... mehrEs müssen neue Bildungsprogramme geschaffen oder alte von Grund auf umgestaltet werden. Dabei handelt es sich um komplexe und umfangreiche Prozesse, die Entscheidungsfindung, Design und Entwicklung umfassen. Diese sind mit erheblichen Herausforderungen verbunden, die die Überwindung vieler Hindernisse erfordert.

Diese Arbeit stellt eine Methodologie vor, die sich mit den Herausforderungen der Nutzung von Virtueller Realität und Künstlicher Intelligenz als Schlüsseltechnologien in der Ingenieurausbildung befasst. Die Methodologie hat zum Ziel, die Hauptakteure anzuleiten, um den Lernprozess zu verbessern, sowie neuartige und effiziente Lernerfahrungen zu ermöglichen. Da jedes Bildungsprogramm einzigartig ist, folgt die Methodik einem ganzheitlichen Ansatz, um die Erstellung maßgeschneiderter Kurse oder Ausbildungen zu unterstützen. Zu diesem Zweck werden die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Aspekten berücksichtigt. Diese werden in den drei Ebenen - Bildung, Technologie und Management zusammengefasst. Die Methodik betont den Einfluss der Technologien auf die Unterrichtsgestaltung und die Managementprozesse. Sie liefert Methoden zur Entscheidungsfindung auf der Grundlage einer umfassenden pädagogischen, technologischen und wirtschaftlichen Analyse. Darüber hinaus unterstützt sie den Prozess der didaktischen Gestaltung durch eine umfassende Kategorisierung der Vor- und Nachteile immersiver Lernumgebungen und zeigt auf, welche ihrer Eigenschaften den Lernprozess verbessern können. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der systematischen Gestaltung immersiver Systeme und der effizienten Erstellung immersiver Anwendungen unter Verwendung von Methoden aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz.

Es werden vier Anwendungsfälle mit verschiedenen Ausbildungsprogrammen vorgestellt, um die Methodik zu validieren.
Jedes Bildungsprogramm hat seine eigenen Ziele und in Kombination decken sie die Validierung aller Ebenen der Methodik ab. Die Methodik wurde iterativ mit jedem Validierungsprojekt weiterentwickelt und verbessert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methodik zuverlässig und auf viele Szenarien sowie auf die meisten Bildungsstufen und Bereiche übertragbar ist.

Durch die Anwendung der in dieser Arbeit vorgestellten Methoden können Interessengruppen immersiven Technologien effektiv und effizient in ihre Unterrichtspraxis integrieren. Darüber hinaus können sie auf der Grundlage der vorgeschlagenen Ansätze Aufwand, Zeit und Kosten für die Planung, Entwicklung und Wartung der immersiven Systeme sparen.

Die Technologie verlagert die Rolle des Lehrenden in eine Moderatorrolle. Außerdem bekommen die Lehrkräfte die Möglichkeit die Lernenden individuell zu unterstützen und sich auf deren kognitive Fähigkeiten höherer Ordnung zu konzentrieren. Als Hauptergebnis erhalten die Lernenden eine angemessene, qualitativ hochwertige und zeitgemäße Ausbildung, die sie qualifizierter, erfolgreicher und zufriedener macht.

The fourth industrial revolution and the rapid technological advances challenge the established educational structures and traditional educational practices. Especially, the engineering fields require that one has to continually improve his/her knowledge and skills in order to be competitive on the labour market.
There is a need for a paradigm shift in education and training towards novel technologies like virtual reality and artificial intelligence. However, the incorporation of those technologies in an educational program is not as simple as investing in new devices or software. ... mehrNew educational programs have to be created or old ones reshaped from the ground up. Those are complex and extensive processes that involve decision-making, design and development. These are considerable challenges that require overcoming many obstacles.

This thesis presents a methodology that deals with the challenges of applying virtual reality and artificial intelligence as key technologies in engineering education. Its main goal is to guide key stakeholder groups to improve the way of learning and provide new and efficient learning experiences. Since each educational program is unique, the methodology follows a holistic approach to support the creation of customised courses or trainings.

For this purpose, it considers the interplay between various aspects and summarise them in three layers - educational, technology and management. The triple-layered methodology emphasises the influence of the technologies on the instructional design and the management processes. It provides methods for decision-making based on an extensive educational, technological and economic analysis.
Furthermore, it supports the instruction design process by providing an exhaustive categorisation of the benefits and downsides of immersive learning environments and shows which of their characteristics can improve the learning process.
A particular focus lies on the systematic design of immersive systems and the efficient authoring of immersive applications by using methods from the area of artificial intelligence.

The methodology is validated based on four validation use cases with different educational program. Each educational program has its unique goals and in combination, they cover the validation of all layers of the methodology.
The methodology iteratively evolves with each validation project.
The results show that the methodology is reliable and applicable for various scenarios for most educational levels and domains.

Applying the provided methods in this thesis, stakeholder groups can effectively and efficiently incorporate the immersive technologies in their educational practice. Furthermore, they can save effort, time and costs for the planning, development and maintenance of immersive systems based on the proposed approach. The technology shifts the educator's role in a facilitator role. Moreover, educators can provide individual support to the learners and concentrate on higher order cognitive skills. As a main result, learners receive an adequate, high-quality, state-of-the-art education, which makes them more skilled, successful and satisfied.