Mit dem neuen Projekt „VRLabTutor“ erweitert die Universität Paderborn zum 1. April 2025 ihr erfolgreiches Virtual-Reality-Chemielabor „VirtuChemLab“ um eine KI-basierte Assistenzfunktion. Ziel des Projekts ist es, Studierende bei Experimenten im virtuellen Raum noch gezielter zu unterstützen – individuell, ortsunabhängig und praxisnah. Das Vorhaben wird mit über 360.000 Euro im Rahmen der Förderlinie „FREIRAUM 2025“ von der Stiftung Innovation in der Hochschullehre gefördert.
VirtuChemLab: Ein digitales Chemielabor made in Paderborn
Das bestehende virtuelle Labor „VirtuChemLab“ ist eine Virtual-Reality-Anwendung, die an der Universität Paderborn von Informatikstudierenden für Studierende aller Fachrichtungen entwickelt wird. Ziel der Software im konkreten Anwendungsgebiet der Chemie ist es, Studierenden chemiebezogener Studiengänge eine zeit- und ortsunabhängige Möglichkeit zu bieten, die im Chemielabor benötigten Handlungsabläufe einzuüben.
Die Umsetzung erfolgt durch Masterstudierende der Studiengänge „Computer Science“ und „Computer Engineering“ der Universität Paderborn. Im Rahmen curricular verankerter Projektgruppen, die von den wissenschaftlichen Informatik-Mitarbeitern Dr. Matthias Fischer, André Graute und Jan-Luca Hansel aus der Fachgruppe „Theorie Verteilter Systeme“ (vormals „Algorithmen und Komplexität“) betreut werden, konzipieren und implementieren die Studierenden das virtuelle Labor. Die Nutzung erfolgt über Virtual-Reality-Headsets.
Interdisziplinär vernetzt: VR@UPB als Infrastruktur für die digitale Lehre
Die Entwicklung des VirtuChemLab ist Teil des interdisziplinären Projekts „VR@UPB“, das den Aufbau einer Virtual-Reality-Infrastruktur an der Universität Paderborn verfolgt. Die Initiative geht auf Prof. Dr. Wolfgang Bremser vom Lehrstuhl für „Coatings, Materials & Polymers“ zurück. Ziel ist der breitflächige und nachhaltige Einsatz von Virtual-Reality-Technologien in nahezu allen Bereichen der wissenschaftlichen Ausbildung. Finanziert wird das Projekt mit Qualitätsverbesserungsmitteln (QVM) des Landes Nordrhein-Westfalen in Höhe von über 900.000 Euro über einen Zeitraum von drei Jahren (2023–2026).
„VR@UPB“ wird daher von Beginn an gemeinsam mit Partnern aus verschiedenen Disziplinen umgesetzt: der Chemiedidaktik (Prof. Dr. Sabine Fechner), der Chemie (Prof. Dr. Wolfgang Bremser), der Informatik (Prof. Dr. Friedhelm Meyer auf der Heide), den Kulturwissenschaften (Prof. Dr. Christoph Ehland) und den Medienwissenschaften (Prof. Dr. Ralf Adelmann). Zusätzlich ist das Zentrum für Informations- und Medientechnische Dienste (ZIM, Prof. Dr. Gudrun Oevel) als Projektpartner beteiligt, um die langfristige Bereitstellung und disziplinübergreifende Nutzung der entwickelten Infrastruktur zu gewährleisten. Nach der Pensionierung von Prof. Dr. Friedhelm Meyer auf der Heide wird das Projekt seitens der Informatik durch den Lehrstuhl „Theorie Verteilter Systeme“ von Prof. Dr. Christian Scheideler fortgeführt.
Ursprünge im DigiChemLab: Pionierarbeit im virtuellen Raum
Die Vorläufer von „VR@UPB“ liegen im Projekt „DigiChemLab“, das vom DAAD im Zeitraum 2020–2021 mit rund 170.000 Euro gefördert wurde. Auch dieses Projekt ging auf eine Initiative von Prof. Dr. Wolfgang Bremser und Dr. Hoang Trang Tran-Thien zurück, die sich beide frühzeitig für den Einsatz von Virtual Reality in der Lehre engagierten. Projektpartner waren Prof. Dr. Sabine Fechner und Dr. Sebastian Habig (Chemiedidaktik), Prof. Dr. Wolfgang Bremser und Dr. Hoang Trang Tran-Thien (Chemie) sowie Prof. Dr. Friedhelm Meyer auf der Heide (Informatik).
Im Rahmen deutsch – chinesischer Austauschprogramme waren zudem chinesische Partnerhochschulen beteiligt: Prof. Zhibo Li, Prof. Wende Tian und Prof. Zhijiang Yang von der Qingdao University of Science and Technology (QUST, Bereich Chemistry Material Science) sowie Prof. Baoquan Chen und Prof. Yunhai Wang von der Shandong-Universität (SDU, Bereich Computer Science). In diesem Projekt wurden erste Grundlagen für eine VR-Umgebung geschaffen, in der chemische Experimente mithilfe von VR-Headsets in einem virtuellen Labor durchgeführt werden konnten.
VRLabTutor: Ein virtueller Tutor für das Chemielabor – Universität Paderborn erweitert VirtuChemLab um KI-gestützten Assistenten
Im Rahmen des nun gestarteten Projekts VRLabTutor wird ein KI-basiertes Tutoring-System entwickelt und in das bestehende VirtuChemLab integriert. Ziel ist ein virtueller Assistent in Avatarform, der Studierenden individuelles, direktes Feedback zu ihren Laborhandlungen gibt, Fragen zu durchgeführten Experimenten beantwortet und auf potenziell gefährliches Verhalten hinweisen kann. „Genau diese Form der Rückmeldung hat uns im VirtuChemLab bislang gefehlt – aus didaktischer Sicht ist sie von großer Bedeutung“, erklärt Hendrik Peeters, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Chemiedidaktik unter der Leitung von Prof. Dr. Sabine Fechner. Für die Umsetzung werden aktuelle Sprachmodelle aus der Informatik eingesetzt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf Techniken der erklärbaren künstlichen Intelligenz (XAI), um sicherzustellen, dass die Lerninhalte korrekt vermittelt werden und keine sicherheitsrelevanten Fehlinformationen entstehen. „Die Sensibilisierung der Studierenden für potenzielle Gefährdungen im realen Labor ist uns sehr wichtig. Gleichzeitig möchten wir ihnen durch die Arbeit im virtuellen Raum die Angst vor der Laborpraxis nehmen“, so Prof. Dr. Sabine Fechner.
Durch die Analyse des Nutzerverhaltens soll der virtuelle Tutor künftig in der Lage sein, sein Feedback individuell anzupassen. Wird beispielsweise erkannt, dass eine Person Schwierigkeiten mit der richtigen Reihenfolge beim Aufbau eines Gasbrenners hat, kann der Tutor eine gezielte Schritt-für-Schritt-Anleitung geben. Andere, die den Umgang mit dem Brenner bereits beherrschen, erhalten diese Anleitung nicht – so wird das System an das jeweilige Lernniveau angepasst.
Die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen der Fachgruppe „Theorie Verteilter Systeme“ und der Arbeitsgruppe Fechner in der Chemiedidaktik, die bereits beim VirtuChemLab erfolgreich war, wird im VRLabTutor-Projekt fortgesetzt. Neben der didaktischen und chemischen Fachberatung profitieren die Informatikstudierenden in ihren Projektgruppen insbesondere durch die Möglichkeit, praxisnahe User-Tests mit Chemiestudierenden durchzuführen. „In den Projektgruppen lassen wir den Studierenden gerne den Raum, eigene Ideen und Lösungsansätze zu entwickeln,“ erklärt Jan-Luca Hansel, „ich bin bereits gespannt, welche Gedanken die Studierenden spannend finden werden“. „In der Berufspraxis entwickelt man Software häufig für fachfremde Anwender. Die Fähigkeit, unterschiedliche Perspektiven zu verstehen und dennoch zu klaren Absprachen zu kommen, können unsere Studierenden in der Kooperation mit der Chemiedidaktik realitätsnah üben“, betont Dr. Matthias Fischer, der das Projekt in der Informatik leitet.
Auch die Stabsstelle Bildungsinnovationen und Hochschuldidaktik der Universität Paderborn begleitet das Projekt hochschuldidaktisch. Sie unterstützt den Transfer der Projektergebnisse in andere Fächer und Lehrkontexte sowie deren hochschuldidaktische Aufbereitung. „Ein zentraler Aspekt unserer Arbeit ist es, den Transfer aktiv zu evaluieren und durch den Aufbau eines fakultätsübergreifenden Netzwerks gezielt zu fördern“, erklärt Iris Neiske von der Stabsstelle.
Bis März 2027 wird das VRLabTutor-Projekt – als Erweiterung des VirtuChemLab – evaluiert und sukzessive in bestehende Lehrveranstaltungen und Lernangebote eingebunden, insbesondere in das Praktikum „Allgemeine Chemie“ sowie den „Lernraum Chemie“. Eine projektbezogene Website sowie Social-Media-Kanäle informieren fortlaufend über den Entwicklungsstand.
Nach erfolgreicher Evaluation soll die Software langfristig in der Lehre verankert werden. Auch eine Open-Source-Veröffentlichung ist geplant, um das virtuelle Labor weiteren Hochschulen zur Verfügung zu stellen.
