Das Gesamtprojekt "Virtuelle Labore" ist beispielhaft für Konzeption und Einsatz virtueller Laborumgebungen. Es besteht aus folgenden eigenständigen Systemen:

•   ViPGen - Virtuelles Praktikum Gentechnik - Experimentelle Strategien für das Hauptstudium
•   GenLab - Das virtuelle Gentechnische Praktikum - Basissystem für das Grundstudium
•   Kubus - Virtuelles Schülerlabor für die Umweltwissenschaften
•   Physik - Physikalisches Praktikum für Biologen.
•   VirtLab - Werkzeuge und Methoden.

Mit dem Projekt "ViPGen" und der Lernsoftware "GenLab", die als CD im Handel ist, wird eine Unterstützung gentechnischer Praktika im Biologie-Studium angeboten. Kernstück ist ein virtuelles Labor, also die multimediale 3D-Nachbildung eines realen Labors in einem Lehr- und Lernsystem, das auf einem handelsüblichen Computer lauffähig ist und die interaktive Durchführung von Experimenten zulässt.

"GenLab" vermittelt für das Grundstudium die Grundlagen praktischen Arbeitens in der Gentechnologie. Mit "ViPGen" werden noch wesentlich mehr Experimente möglich und ihre Planung, Vor- und Nachbereitung wird in noch weiter gehender Weise mit Werkzeugen und Lernprogrammen unterstützt. Zudem wurden in ViPGen spezielle grafische Werkzeuge für den Dozenten entwickelt, die es ermöglichen das System an die eigene spezielle Lehre anzupassen und Materialien hinzuzufügen. Beide Systeme liegen sowohl in deutscher als auch englischer Sprache vor. Die Projekte "Kubus" und "Physik" erweiterten das Spektrum der virtuellen Labore auf weitere Anwendungsfelder in den Naturwissenschaften.

Für den hochschulübergreifenden Einsatz schafft das DFG-Projekt "VirtLab" die notwendigen Voraussetzungen. Dabei wurde ein Vorgehensmodell zur Entwicklung virtueller Labore erarbeitet, das den vielfältigen und zum Teil auch sehr speziellen Anforderungen der jeweiligen Universität gerecht wird. Neben Hilfsmitteln für die Programmierung ist ein "Werkzeugkasten" mit grafisch-interaktiven Autorenwerkzeugen entstanden.

Mit dem für das Fach Molekularbiologie konzipierten Projekt "ViPGen" und der Lernsoftware "GenLab" wird die Lücke zwischen der reinen Beobachtung und der aktiven Durchführung von Versuchen geschlossen, indem diese am Computer in einem virtuellen Labor simuliert werden. Auf echte Laborversuche mit Geräten und Reagenzien wird gefahrlos vorbereitet, ohne materielle Ressourcen zu verbrauchen, knappe Laborplätze zu lange zu belegen und eine Personalbetreuung in Anspruch zu nehmen. Deren Aufgaben übernehmen integrierte Lern- und Hilfssysteme. Das Schülerlabor "Kubus" wurde in Zusammenarbeit mit dem Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle entwickelt. Das Umwelt-Forschungszentrum (UFZ) errichtete ein reales Labor, in dem Schulklassen mehrere Versuche zu den Umweltwissenschaften an ein bis zwei Tagen durchführen können. "Kubus" unterstützt insbesondere Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I und II bei der Vorbereitung auf das reale Experimentieren an diesen Labortagen.
"VirtLab" stellt allgemeine softwaretechnische Methoden und Werkzeuge zur effizienten Entwicklung virtueller Labore bereit, um deren Herstellung auch für sehr kleine Zielgruppen wirtschaftlich zu machen. Der Ansatz ist übertragbar auf alle Fächer, in denen Laborexperimente eine Rolle spielen.

"GenLab" vermittelt insbesondere Handlungswissen, indem Experimente im virtuellen Labor so realitätsgetreu wie möglich durchgeführt werden. Die Lernenden betreten zunächst einen virtuellen Seminarraum mit einem Computerarbeitsplatz, einer Leinwand und einer Bibliothek. Hier können Experimente sinnvoll geplant und nachbereitet, Berechnungen durchgeführt und das notwendige Hintergrundwissen erlernt und nachgeschlagen werden. Kernstück ist der realitätsnah ausgestaltete virtuelle Laborraum, der verschiedene virtuelle Arbeitsflächen, Laborgeräte, Behälter und Substanzen enthält. Mit Maus und Tastatur kann mit diesen Gerätschaften nahezu beliebig hantiert werden, um - auch im Sinne explorierenden Lernens (Versuch und Irrtum) - Experimente durchzuführen. Das Erlernen dieser teilweise sehr komplexen Arbeitsschritte und Techniken solcher Versuche wird durch ein Anleitungsfenster mit Bildern und Animationen unterstützt.
Dabei kommen die Vorteile gegenüber realen Praktika in Form einer ständigen Fehlerüberwachung, von Steuerungs- und Korrekturmöglichkeiten sowie einer engen Verknüpfung zur Informationskomponente zum Tragen. Während "GenLab" die Grundzüge demonstriert, stellt "ViPGen" die multimediale Unterstützung des Ausbildungsbereichs Gentechnik im Grund- und Hauptstudium auf eine noch breitere Grundlage.
Mit "ViPGen" wurde etwa ein Drittel der an Hochschulen üblichen Fachpraktika mit gentechnischen Inhalten - und damit alle grundlegenden Versuche - multimedial aufbereitet. Die didaktischen Konzepte in den Teilprojekten "Physik" und "Kubus" sind analog zu verstehen. "VirtLab" schafft die Voraussetzungen für eine nachhaltige Nutzung virtueller Labore in der Hochschullehre entsprechender Fächer. Allgemeine Hinweise zu Virtuelle Labore und Simulationen gibt der Bereich Lehrszenarien. Einschlägig ist ferner Visualisierung in der Rubrik Didaktisches Design.

Abb.: Arbeitsfläche "Virtuelles Schülerlabor"

    

Abb.: Animation "Homologe Rekombination"

Das als CD vorliegende Produkt "GenLab" dient der Vorbereitung realer Laborpraktika, vorwiegend zum freiwilligen Einsatz und zur Bereitstellung zusätzlichen interaktiven Lehrmaterials. "ViPGen" ist bereits an mehreren Hochschulen in der Lehre verankert. Der Einsatzbereich von "ViPGen" ist dabei vielfältig. Zum einen dient das System bzw. das Durchführen der virtuellen Experimente im Prüfungsmodus als Zugangsvoraussetzung für reale Praktika. Darüber hinaus wird es zu Demonstrations- und / oder Übungszwecken verwendet. Außerdem wird "ViPGen" zur Überprüfung des Lernfortschrittes der Studierenden eingesetzt.

Zugang
"GenLab" ist als CD bei Elsevier für 20 € erhältlich. Demos können jeweils von der Projekt-Website heruntergeladen werden.
 
Nutzung

Das der Wirklichkeit nachgebildete virtuelle Labor präsentiert sich den Lernenden als Virtuelle Realität, ist aber auf einem handelsüblichen Computer lauffähig.      
 
Benötigte Software

Die virtuellen Labore benötigen QuickTime und den Acrobat Reader.    
 
Entwicklung

Die virtuellen Labore wurden mit Macromedia Director erstellt.
Im Projekt "VirtLab" wird das für den Prototyp "GenLab" entwickelte Framework verallgemeinert und für die Entwicklung beliebiger wissenschaftlich-technischer Labore nutzbar gemacht. Dabei sind - neben Programmierwerkzeugen - auch spezielle Werkzeuge für Lehrende entstanden, die selbst Inhalt, Aufbau und Ablauf neuer virtuelle Versuche bestimmen oder bestehende Versuche an ihre eigenen Bedürfnisse anpassen wollen.

Studierende in den Fachbereichen Biologie und Physik im Grund- und Hauptstudium, sowie Schülerinnen und Schüler im Fach Biologie. Außerdem können die Systeme zur Aus- und Weiterbildung in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt werden.

"ViPGen" kann sowohl für kleine Kurse genutzt werden, wurde aber auch schon mehrmals mit über 200 Studierenden im Praktikum eingesetzt.

Der kommerziell als CD vermarktete Prototyp "GenLab" (Spektrum Akademischer Verlag bzw. Elsevier) hat sich bereits vielfach bewährt. Mit "ViPGen" wird ebenfalls eine nationale und internationale Vermarktung angestrebt. Das System wurde in vier deutschen Universitäten evaluiert. Die Konzepte sind leicht auf andere naturwissenschaftliche Fächer übertragbar wie die Systeme "Kubus" und "Physik" zeigen.

Wilko Heuten, E-Mail: heuten@offis.de

Die Entwicklung der oben erwähnten Systeme ist bereits abgeschlossen. Zur Zeit wird die Integration von virtuellen Laboren in Lernmanagementsysteme (LMS) geplant. Das ermöglicht sowohl für Lehrende als auch Studierende einen einfachen Zugang zu den Komponenten. Darüber hinaus können die vom LMS bereitgestellten Funktionen wie Forum, Chat, Prüfungen etc. genutzt werden.

Das BMBF förderte "GenLab" 1997-2000 und ViPGen 2000-2003. "VirtLab" gehörte seit 2000 zum Schwerpunktprogramm V3D2 "Verteilte Verarbeitung und Vermittlung digitaler Dokumente" der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Das System "Physik" wurde in Gemeinschaft von OFFIS und dem Leibnitz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften entwickelt. Das virtuelle Schülerlabor "Kubus" wurde durch die Helmholtz Gemeinschaft bzw. dem UFZ Leipzig-Halle unterstützt.
Das Gesamtprojekt "Virtuelle Labore" erhielt den Publikumspreis des Medida-Prix 2002.

"ViPGen" entstand in Zusammenarbeit der biologischen Fakultäten der Universitäten Düsseldorf und Tübingen, dem Informatik-Fachbereich der Universität Oldenburg und einem Wissenschaftsverlag. Zusätzlich wurde "ViPGen" bei vier weiteren Universitäten noch während der Entwicklung im Pilotbetrieb getestet. "Kubus" wurde mit dem Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle entwickelt.