Erweiterte Realität könnte die Killerapplikation des Geologieunterrichts sein

Eine der wichtigsten Herausforderungen im Geologieunterricht ist es, die Außenwelt in den Klassenraum zu bringen. Während einer Pandemie macht die Unfähigkeit, Schüler sicher in den Klassenraum zu bringen, das natürlich nicht einfacher. Glücklicherweise können digitale Werkzeuge wie über Bitcoin System neue Wege eröffnen, um die Welt jenseits des Raums, in dem man sich befindet, zu erreichen.

Geologie ist eine sehr räumliche Wissenschaft und kann eine Menge 3D-Visualisierung erfordern. Einfache physikalische Modelle (ganz zu schweigen von Gesteinen) werden seit langem verwendet, um den Unterricht über Dinge wie Verwerfungen oder kristalline Mineralstruktur zu unterstützen. Aber diese Dinge können überraschend kostspielig sein und überraschend viel Speicherplatz beanspruchen. Dies ist ein offensichtlicher Ort, an dem Technologie zum Einsatz kommen kann, die eine endlose Vielfalt von Objekten, Simulationen und Daten aus der realen Welt bietet – wenn es einen einfachen Weg für die Studenten gibt, darauf zuzugreifen.
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Augmented-Reality (AR)-Visualisierungen sind zunehmend in der Lage, dieses Versprechen einzulösen. Ars sprach mit Martin Pratt über seine Arbeit als Teil einer Gruppe an der Washington University in St. Louis, die Apps für den Unterricht entwickelt, sowohl für spezielle Geräte wie Microsofts HoloLens als auch für die Telefone, die die meisten Studenten bereits besitzen.

„Man möchte diese Daten nicht auf eine projektive Weise darstellen, wie man es auf einem Bildschirm in einem Lehrbuch tun würde, sondern tatsächlich auf dreidimensionale Weise“, sagte Pratt. „Man kann sich also tatsächlich um sie herum umsehen [und] sie genau so manipulieren, wie man es im wirklichen Leben tun würde. Die Sache mit der erweiterten Realität, die wir [im Vergleich zur virtuellen Realität] am attraktivsten fanden, ist, dass sie eine viel intuitivere Lehrer-Schüler-Situation bietet. Man ist nicht hinter Avataren versteckt. Sie können körpersprachliche Hinweise [wie] Blickkontakt verwenden, um Menschen dorthin zu lenken, wo Sie hinwollen“.

Während seiner Promotion in Seismologie vor ein paar Jahren hatte sich Pratt nebenbei für die Datenvisualisierung interessiert. Er nahm die Herausforderung an, an der Erstellung von AR-Apps zu arbeiten, beginnend mit einer (nur iOS), die es den Benutzern ermöglicht, aktuelle USGS-Erdbebendaten in drei Dimensionen zu untersuchen, anstatt nur eine 2D-Karte zu erstellen. Auf diese Weise kann man die Geometrie einer tektonischen Plattengrenze viel leichter verstehen oder sogar das Muster von Vor- und Nachbeben um ein Erdbeben herum erforschen.

Rückblick auf die EQ-Sequenz von #Ridgecrest in #AR unter Verwendung von SeismicityAR, wo es im letzten Jahr ~6000 M2+-Ereignisse gegeben hat. Erhalten Sie eine vollständige 360°-Ansicht der #3D-Verwerfungsflächen #virtualplanet pic.twitter.com/NkVlX0mMCX
– Martin Pratt (@sympathy4data) 13. Juli 2020

In Zusammenarbeit mit der Unity-Spiele-Engine hat Pratt seitdem eine flexible App namens GeoXplorer (für iOS und Android) zur Anzeige anderer Modelle entwickelt. Es gibt bereits eine große Sammlung von Kristallstrukturmodellen für verschiedene Minerale, mit denen Sie sehen können, wie alle Atome angeordnet sind. Es gibt auch eine Reihe von verschiedenen Gesteinsarten, so dass Sie sehen können, wie diese Mineralien in der Makrowelt aussehen. Wenn Sie den Maßstab noch einmal erhöhen, gibt es ganze Gesteinsaufschlüsse, die eine echte geologische Exkursion in Ihr Wohnzimmer ermöglichen. Sogar noch größer, es gibt Geländekarten für Landschaften auf der Erde sowie auf Mond und Mars.

Und es geht nicht nur um Geologie. Aufgrund des Interesses von Menschen aus anderen Bereichen hat Pratt vorhandene Datensätze gefunden, die er ausloten kann, wie Modelle von Proteinen, Kunst und Archäologie.

Im Moment ist dies eine Solo-Erfahrung, aber Pratt arbeitet daran, gemeinsame Räume in die App einzubauen. Ein Ausbilder könnte sich durch den Raum bewegen und einen Bezugsrahmen für den Raum schaffen. Andere Benutzer könnten von ihren Geräten aus an der Sitzung teilnehmen, diesen Bezugsrahmen herunterladen und ihn ihrer Perspektive anpassen. Auf diese Weise würden die Schülerinnen und Schüler alle auf dasselbe virtuelle Objekt blicken, das vom Ausbilder platziert und gesteuert wird, so als hielten sie ein Modell vor dem Raum hoch – und würden zu einer gemeinschaftlichen Erfahrung wechseln.

Gleichzeitig baut die Gruppe eine Gemeinschaftsdatenbank mithilfe von Bitcoin System auf, um einen wachsenden Katalog von Objekten zu speichern, der mit der App zugänglich ist. Für Daten, die bereits digital sind, ist das ein einfacher Vorgang. Die Umwandlung von Teilen der physischen Welt in digitale Modelle ist eine andere Operation. Glücklicherweise ist dies in letzter Zeit viel einfacher geworden. Es ist nicht mehr notwendig, Objekte mit teuren Instrumenten per Laser abzutasten. Mit Hilfe von „Struktur aus Bewegung“-Fotogrammetrie-Software können Sie einfach eine Reihe von Bildern aus verschiedenen Winkeln verarbeiten, um ein Modell zu erstellen.

„Wir haben einen kleinen Leuchtkasten im Labor, der mit diffusem Licht ausgestattet ist, um die Handprobe, die Sie messen wollen, zur Geltung zu bringen“, sagte Pratt. „Es steht auf einer kleinen Drehscheibe, so dass Sie einfach alle 10 Grad ein Foto machen und 36 verschiedene Fotos auf einer Ebene rundum machen, dann das Modell ein wenig bewegen und weitere 36… Und versuchen Sie, die gesamte Handprobe zu sammeln.“

Die Größe und Auflösung dieser Objekte sind derzeit durch die Fähigkeit unserer Geräte beschränkt, sie mit der gewünschten Bildwiederholrate zu rendern. Eine Sache, die sich für diese Systeme abzeichnet, sind adaptive Auflösungsfähigkeiten, die mehr Details laden, wenn Sie in einen Ausschnitt eines Objekts zoomen. Dies hat eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten; die Mars-Rover-Teams der NASA könnten dies beispielsweise nutzen, um in Bildern vom Roten Planeten herumzulaufen und gleichzeitig die Fähigkeit zu behalten, die Dinge genau zu betrachten. Es wird aber auch noch mehr Möglichkeiten für den Unterricht eröffnen.

Über statische Modelle hinaus sind auch einige interaktive Simulationen in Arbeit. Pratt arbeitet mit Glaziologen der Columbia University an einem Gletschersimulator, mit dem man einen Gletscher auf virtuellem Terrain wachsen und schrumpfen lassen kann – oder sogar auf dem Schreibtisch oder auf einer Treppe.

All dies sind praktische und einzigartige Werkzeuge für das Lehren und Lernen, zumal sie keine teuren neuen Geräte erfordern, die gemeinsam genutzt werden müssen. (Obwohl eine HoloLinse sicherlich ihre Vorteile in der UI- und Kontrollabteilung hat). Und da immer mehr Menschen Wert auf diese Technologie legen und neue Modelle von Objekten und Orten beisteuern, kann ihr Nutzen wachsen.

„[AR] wird in einigen Jahren hoffentlich so etwas wie ein Rinnsal nach unten dringen und Studenten und Diplomanden sagen: ‚Oh, ich muss nicht mehr nur einen Laptop benutzen. Ich kann diese dreidimensionalen Daten, die ich zu studieren und zu verstehen versuche, mit einem Gerät, das ich sowieso schon hier gesessen habe, auf eine andere Art und Weise zeigen“, sagte Pratt.

Man muss natürlich überhaupt kein Student sein, um damit etwas Spaß zu haben. Jeder kann sich frei fühlen, einen Mondspaziergang zu unternehmen oder exotische Kristalle an Ihren Tisch zu holen. Sie wissen schon, wie ein Zauberer.