Virtual Reality hilft Schülern, ihre Mathematikkenntnisse zu verbessern

Viele Schüler haben Schwierigkeiten, Mathematik zu lernen. In den Vereinigten Staaten erzielten Achtklässler im letztjährigen National Assessment of Educational Progress in Mathematik durchschnittlich 271 von 500 Punkten, wie in a hervorgehoben New York Times Artikel. Es ist der niedrigste Stand seit Jahrzehnten. Schwarze, indianische und einkommensschwache Schüler erzielten im bundeseinheitlichen Standardtest besonders niedrige Mathematikergebnisse.

Eine Möglichkeit, wie Lehrer versuchen, Schülern dabei zu helfen, schwierige Konzepte zu verstehen, ist die Virtual-Reality-Technologie. Mit VR-Headsets können Schüler in realistische digitale Umgebungen eintauchen, um Mathematik und Naturwissenschaften zu erlernen, indem sie reale Probleme lösen, beispielsweise berechnen, wie hoch das Fundament eines Hauses angehoben werden sollte, um das Risiko einer Überschwemmung auszugleichen.

Dank Prisms of Reality wird VR-Technologie in 140 Schulbezirken in 30 Bundesstaaten eingesetzt. IEEE-Mitglied Anarupa Ganguly gründete Prisms VR, wie das Startup genannt wird, im Jahr 2020. Das in San Francisco ansässige Unternehmen unterstützt Pädagogen dabei, voruniversitären Studenten Mathematik beizubringen.

„Die Lernplattform von Prisms VR“, sagt Ganguly, „greift Probleme aus Lehrbüchern auf und erweckt sie zum Leben.“

Sie verfügt über Erfahrungen aus erster Hand im Bildungsbereich: Sie unterrichtete Mathematik und Physik an High Schools im Raum Boston. Sie war außerdem in Führungspositionen an öffentlichen Schulen in Boston, New York City und Charterschulen der Success Academy, ebenfalls in New York City, tätig.

Die VR-Lernplattform des Startups bietet Mathematik- und Naturwissenschaftsunterricht, der reale Orte und Situationen simuliert. Die Schüler werden gebeten, Aufgaben basierend auf dem, was sie lernen, zu erledigen.

Die mathematische Komponente der Plattform, genannt Prismen Mathematikwurde dieses Jahr veröffentlicht.

Mathematik verstehen

Ganguly und ein Team von Ingenieuren entwickelten die Software der Plattform, die Module zu Physik, Biologie und Chemie sowie Mathematik umfasst. Jedes Modul behandelt ein Thema innerhalb des relevanten Fachs. Es gibt beispielsweise sechs Algebra-Module, darunter eines über lineare Funktionen, quadratische Funktionen und Exponentialfunktionen.

Die Software ist mit Meta- und Pico-Headsets kompatibel und Prisms VR arbeitet daran, sie auf Apples neuem Vision Pro laufen zu lassen.

Auf dem VR-Headset des Schülers wird eine Liste der Module angezeigt. Je nachdem, welches Modul ausgewählt wird, wird der Schüler an einen entsprechenden virtuellen Ort transportiert, um dort Aufgaben zu erledigen und so den Stoff zu erlernen. Im Chemiemodul zu Säuren und Basen wird den Studierenden beispielsweise eine computergenerierte Version einer Abwasseraufbereitungsanlage in Baltimore gezeigt und sie versuchen, chemisch verunreinigtes Wasser trinkbar zu machen. Die Studierenden lernen die wichtigsten Eigenschaften von Säuren und Basen sowie die Neutralisationsformel kennen, mit deren Hilfe sie die Menge an basischer Lösung bestimmen, die zur Neutralisierung des sauren Wassers erforderlich ist.

Mithilfe des webbasierten Dashboards von Prisms können Lehrer den Fortschritt der Schüler verfolgen und Feedback zu ihrer Arbeit geben, das auf der virtuellen Uhr des Lernenden angezeigt wird.

„Die Uhr ermöglicht einen ständigen Dialog zwischen Lehrer und Kindern“, sagt Ganguly.

Jede virtuelle Sitzung endet 10 Minuten vor Unterrichtsschluss, damit der Dozent besprechen kann, was die Schüler gelernt haben. Die Bearbeitung eines Moduls dauert etwa drei Tage.

Laut Ganguly handelt es sich bei der Lernplattform um ein Zusatzprogramm, da „VR nicht für den täglichen Gebrauch gedacht ist; Es geht darum, Konzepte zu lernen, die für Studierende schwieriger zu verstehen sind.“

Sie nutzte ihre Lehrerfahrung, um das System zu entwickeln, und arbeitete mit der gemeinnützigen WestEd zusammen, um zu untersuchen, ob VR beim Unterrichten von Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik effektiv sein könnte. WestEd mit Sitz in San Francisco hat sich zum Ziel gesetzt, eine gerechtere Gesellschaft zu schaffen, indem es die Bildung durch professionelles Lernen, technische Unterstützung und politische Anleitung verbessert.

Zusammen mit Prisms VR untersuchte WestEd, wie machbar es für Schüler wäre, eine Lektion mithilfe von VR in einer 45-minütigen Unterrichtsstunde zu absolvieren. Es stellte sich heraus, dass 35 Minuten die optimale Länge für eine Unterrichtsstunde waren.

Anarupa Ganguly gründete Prisms VR im Jahr 2020, um mithilfe von Technologie die Mathematikkompetenz zu verbessern.Prismen VR

„Lehrer berichteten auch, dass die Kinder mit dem Headset ein Thema schneller lernten“, sagt Ganguly. „Eine Unterrichtsstunde, deren Unterricht normalerweise drei bis vier Wochen in Anspruch nahm, dauerte nur eine Woche. Diese Erkenntnisse bewiesen für mich, dass Prisms VR erfolgreich sein könnte.“

Ganguly entwickelt die Software und Bildungsinhalte. Derzeit benötigt sie drei Wochen, um ein Modul zu schreiben.

„Wir untersuchen die Konzepte, die Schüler nur schwer erlernen können, und erstellen einen Prototyp, um ihn schnell in die Schulen zu bringen“, sagt Ganguly. „Wir erhalten Rückmeldungen von Studierenden und Lehrenden zu den Modulen und aktualisieren diese bei Bedarf. Das System wird im Wesentlichen gemeinsam mit den Schulen entwickelt, die es nutzen.“

Während sie die Schulen besucht, um besser zu verstehen, wie die Plattform genutzt wird, spricht sie mit Lehrern über ihre Erfahrungen.

„Das Reisen und der persönliche Kontakt zu Prisms VR-Kunden waren bei der Gestaltung und Aktualisierung der Module wirklich wertvoll“, sagt sie.

Die Lehrer „sagen, sie könnten erkennen, dass die Plattform von einem Pädagogen entworfen wurde“, fügt sie hinzu. „Ich habe noch nie erlebt, dass ein Lehrer die Nutzung der Plattform abgelehnt hat.“

Die Ausstattung der Plattform, zu der 35 Headsets und Ladegeräte gehören, kostet 20.000 US-Dollar pro Klassenzimmer. Die Software, einschließlich der Module und des webbasierten Dashboards, kostet 12 bis 14 US-Dollar pro Schüler.

Für Schüler, die ihre Mathematikkenntnisse zu Hause üben möchten, ist im Meta Quest Store ein monatliches Abonnement für Prisms Math im Wert von 24 US-Dollar erhältlich.

STEM an der Wurzel

Ganguly sagt, dass sie als Doktorandin am MIT dazu inspiriert wurde, bei der Reform der MINT-Ausbildung mitzuhelfen. Sie bemerkte, dass es nicht viele Doktoranden gab, die Frauen oder farbige Menschen waren.

Ganguly glaubte, dass dies mit einer unzureichenden voruniversitären MINT-Ausbildung zusammenhängt, und kam zu dem Schluss, dass der beste Weg für sie, das Problem anzugehen, darin bestehe, Lehrerin zu werden. Nachdem sie 2009 einen Master-Abschluss in Elektrotechnik am MIT erworben hatte, erwarb sie 2011 einen Master-Abschluss in Pädagogik an der Boston University.

Sie unterrichtete Algebra und Physik an High Schools in Boston, bis sie 2014 Direktorin für Mathematik im Bostoner Schulbezirk wurde, der aus 125 Schulen und 55.000 Schülern besteht.

Im Jahr 2015 zog sie nach New York City, wo sie für die Bildungsabteilung arbeitete, um Lehrer in 188 unterversorgten Schulen darin zu schulen, wie man ein neues System für Mathematik nutzt, das die Abteilung eingeführt hatte. Ein Jahr später begann sie als leitende Direktorin für Unterricht und berufliches Lernen der Abteilung zu fungieren und etwa 1,2 Millionen Schüler in den 1.800 Schulen des Systems zu unterstützen.

Sie verließ das Unternehmen im Jahr 2017 und trat der Success Academy als Dekanin für Mathematik bei. Das Netzwerk aus 47 öffentlichen Schulen ist unabhängig vom staatlichen System.

Sie begann zu recherchieren, welche Fähigkeiten und Kenntnisse voruniversitären Studenten fehlten, die sie daran hinderten, ein MINT-Programm an der Universität abzuschließen.

Ihre Literaturrecherche zeigte zwei Hauptindikatoren für den Erfolg von Universitätsstudenten, die einen MINT-Abschluss anstreben: die Fähigkeit, Objekte in ihrem Kopf zu visualisieren und zu manipulieren (räumliches Denken) und die Fähigkeit, abstrakte Darstellungen realer Erfahrungen zu erstellen.

Ganguly wollte ihr technisches Know-how nutzen, um eine Technologie zu entwickeln, die Jugendlichen diese Fähigkeiten vermitteln könnte. Deshalb verließ sie 2020 die Success Academy, um Prisms VR zu starten.

Das Startup erhielt Zuschüsse von der US National Science Foundation, den National Institutes of Health und der Gates Foundation. In diesem Jahr investierte das Risikokapitalunternehmen Andreessen Horowitz aus dem Silicon Valley 12,5 Millionen US-Dollar.

Die Barrierefreiheit weiter verbessern

Prisms arbeitet mit der Gates Foundation und WestEd zusammen, um die MINT-Ausbildung in den Vereinigten Staaten zu verbessern.

In einer gemeinsam mit der Gates-Stiftung durchgeführten Studie wird untersucht, ob die Lernplattform des Startups die Bindung von Studierenden an Universitäten steigert. Die 10-Jahres-Studie wird in Arizona durchgeführt.

Prisms VR und WestEd haben dieses Jahr eine randomisierte kontrollierte Studie an 36 Schulen in Ohio abgeschlossen, in der getestet wurde, ob die Plattform des Startups den Schülern dabei hilft, den Lehrplan besser und schneller zu erlernen als mit herkömmlichen Methoden. Laut Prisms VR haben Schüler, die die Plattform nutzen, ein tieferes Verständnis für den Stoff, sind sicherer in ihren Fähigkeiten und haben mehr Freude am Mathematiklernen. Nach Angaben des Unternehmens stiegen die Ergebnisse standardisierter Tests innerhalb eines Jahres um 11 Prozent.

Prisms VR entwickelt außerdem Module für MINT-Kurse auf Hochschulniveau, darunter Analysis, multivariable Algebra, lineare Algebra und Differentialgleichungen. Die Veröffentlichung der Module ist für Ende nächsten Jahres geplant.

„Ich denke“, sagt Ganguly, „dass die Bildung von Schülern verändert wird, wenn sie VR nutzen, um MINT-Fächer zu lernen.“