Virtuell och förstärkt verklighet kan stödja elevers lärande och bidra till ökat intresse för naturvetenskap

Forskning visar att användandet av förstärkt verklighet och virtuell verklighet i undervisningen kan skapa möjligheter att visualisera hur abstrakta fenomen ter sig och fungerar på ett mer detaljerat sätt. Detta möjliggör i sin tur att elever kan göra mer detaljerade observationer och analyser av fenomenen, vilket kan bidra till ökad begreppsförståelse och vilja att lära sig mer.

Skolans undervisning i naturvetenskap innefattar många fenomen som är abstrakta och svåra att förstå. För att stödja elevers lärande använder lärare olika representationer såsom bilder, modeller och simuleringar som till exempel virtuella laborationer. Virtuell innebär i detta sammanhang att något skapas eller existerar i en digital miljö, snarare än i den fysiska verkligheten.

Forskning visar dock att denna typ av representationer inte alltid lyckas hjälpa eleverna. De spanska forskarna Víctor López och Roser Pintó undersökte i en studie från 2017 hur elever på högstadiet (14–16 år) förstår visuella representationer.

I studien får eleverna använda två virtuella laborationer. Resultaten visar att eleverna inte alltid förstår kopplingen mellan det som presenteras i till exempel en simulering och hur det naturvetenskapliga fenomenet visar sig i elevernas vardag.

En annan utmaning som beskrivs av de grekiska forskarna Filippos Evangelou och Konstantinos Kotsis, i en studie från 2018 med 110 femteklassare, är att elever i virtuella laborationer inte kan använda sina sinnen för att känna fysiska egenskaper, som exempelvis tyngd, vilket är möjligt i fysiska laborationer.

I dag finns digitala verktyg som kan låta elever erfara naturvetenskapliga fenomen i en kombinerad virtuell och fysisk lärandemiljö. Exempel på dessa är Augmented Reality, AR, förstärkt verklighet på svenska, och Virtual Reality, VR, virtuell verklighet på svenska. I denna artikel har vi valt att titta på forskning om erfarenheter av att använda AR och VR i naturvetenskaplig undervisning.

Förstärkt verklighet ger en kombinerad virtuell och fysisk lärandemiljö

Förstärkt verklighet, AR, kombinerar den verklighet vi kan erfara med våra sinnen med digital information i form av text, ljud eller video. Genom att använda till exempel kameran i en mobiltelefon, en skrivplatta eller ett par AR-glasögon läses den verkliga miljön av.

Med stöd av en applikation kan synliga objekt identifieras, vilka genererar digital information som läggs till den verkliga miljön. Är man exempelvis ute i skogen kan man använda en växtidentifierings-applikation i sin mobil tillsammans med mobilkameran och rikta den mot en växt. Då identifieras växten och även annan information om växten visas på skärmen.

AR kan öka lärandet och intresset för naturvetenskap

I en forskningsstudie från 2020 har de turkiska forskarna Dilara Sahin och Rabia Meryem Yilmaz undersökt användandet av AR i undervisningen och vilka effekter det har på elevers lärande och intresse för naturvetenskap. I studien ingick två klasser i årskurs 7. Båda klasserna undervisades om solsystemet i fyra veckor.

För den ena klassen, kontrollgruppen, undervisade läraren på traditionellt sätt med hjälp av en lärobok och tvådimensionella bilder. För den andra klassen, experimentgruppen, använde läraren AR-baserade övningar där eleverna kunde studera solsystemet i detalj. Detta innebar att tredimensionella visualiseringar av planeternas omloppsbana projicerades på tavlan i klassrummet och på elevernas datorer tillsammans med detaljerad information om planeterna.

Eleverna fick besvara en enkät före och efter undervisning. Resultaten visade att eleverna i experimentgruppen hade lärt sig mer än de elever som ingick i kontrollgruppen.

Forskarna beskriver att detta förmodligen beror på att eleverna kan se hur solsystemet är uppbyggt på ett mer detaljerat och verklighetsnära sätt, vilket annars är svårt att erhålla med enbart tvådimensionella bilder och faktatext i läroböcker. Forskarna beskriver även att AR bidrog till ökat intresse för innehållet, vilket också kan ha bidragit till ökat lärande.

AR kan bidra till fördjupad analys och reflektion vid observationer

I en annan studie från 2019 utvecklade den taiwanesiska forskaren Yu-Cheng Chien med kollegor ett AR-baserat läromedel om växter, vilket testades i undervisning. Syftet var att undersöka vilken effekt AR kan ha på elevers lärande. I studien ingick två klasser i årskurs 3. De skulle undervisas utomhus om hur växters blad är arrangerade på stjälkarna.

I den ena klassen, kontrollgruppen, fick eleverna observera växter och lösa uppgifter på ett arbetsblad. I den andra klassen, experimentgruppen, fick eleverna använda en skrivplatta med en AR-applikation när de observerade växter när de löste uppgifterna på arbetsbladet. AR-applikationen innehöll förenklade exemplar av växter som kunde användas som jämförelseobjekt när eleverna observerade de verkliga växterna.

Resultaten visade att de båda grupperna fick liknande resultat på eftertestet när det gäller att komma ihåg enklare fakta om växterna. Däremot hade eleverna i experimentgruppen bättre resultat på frågor som innefattade förmåga att analysera växternas uppbyggnad.

Forskarna förklarar detta med att dessa elever fokuserade på att göra jämförelser mellan AR-applikationens exemplar av växten och den verkliga växten. Forskarna beskriver att det som gör skillnad är att AR-applikationen ger eleverna stöd i att göra mer reflekterande observationer.

Virtuell verklighet ger möjlighet att utforska nya miljöer och fenomen

Virtuell verklighet (VR) är en interaktiv datorgenererad värld som du upplever och befinner dig i. VR-miljöer kan upplevas genom att man använder ett VR-headset, men även med datorskärm, skrivplatta eller mobiltelefon. Genom tredimensionella system kombinerat med virtuella modeller eller objekt får användaren en uppslukande känsla av närvaro i VR-miljön.

Användaren kan uppleva funktioner som ljud, visualiseringar, och haptisk feedback som innebär fysiska svar på handlingar vilket kan vara vibrationer, tryck eller andra kännbara signaler som ger en användare information om dess interaktion i VR-miljön. Detta skapar en känsla av att ”vara där”.

I en VR-miljö kan användaren manipulera 3D-objekt och utforska till exempel olika naturvetenskapliga miljöer, fenomen och processer. Detta innebär att användaren har möjlighet att interagera med och ändra positionen, rotationen eller skalan på virtuella 3D-objekt på ett sätt som efterliknar interaktioner i verkligheten.

VR kan bidra till ökad begreppsförståelse och engagemang

I en forskningsstudie av den kinesiska forskaren Ruixue Liu med kollegor från 2020 var syftet att undersöka vilka effekter användningen av VR har för elevers begreppsförståelse, engagemang och vilja att använda teknologier i naturvetenskaplig undervisning. I studien planerades VR-baserade lektioner med fokus på begrepp och innehåll om hävstångseffekten, djur och växter.

I studien deltog 90 elever från årskurs 6. Eleverna delades in i en kontrollgrupp och en experimentgrupp. Kontrollgruppen deltog i traditionell undervisning och experimentgruppen deltog i VR-baserad undervisning.

Båda grupperna undervisades av samma lärare. För att mäta elevernas begreppsliga förståelse genomfördes ett för- och eftertest av elevernas kunskaper. Eleverna svarade även på ett frågeformulär som syftade till att mäta engagemang och vilja att använda teknologier i undervisningen.

Studiens resultat visade att de elever som deltog i den VR-baserade undervisningen presterade bättre i eftertestet än de elever som deltog i den traditionella undervisningen. Elevernas engagemang var också högre i experimentgruppen.

De eleverna uppskattade möjligheten att fritt kunna manipulera och utforska hävstångseffekten, djur och växter som 3D-objekt i VR-miljön. Resultaten visade även att eleverna i experimentgruppen tyckte att VR-tekniken var lätt att använda och att den bidrog till att öka deras förståelse av innehållet.

VR kan låta elever utforska otillgängliga miljöer

I en annan studie från 2020 undersökte den turkiska forskaren Bekir Yildirim med kollegor lärares erfarenheter av att använda VR i klassrummet. Sju lärare i olika ämnen, engelska, biologi, NO, och geografi från sju olika skolor deltog i studien.

Lärarna deltog i en tre veckor lång utbildning om VR. Därefter implementerade de VR i sin undervisning. Efteråt intervjuades lärarna om sina erfarenheter.

Resultaten visade att lärarna upplevde ökad uppmärksamhet och motivation hos eleverna. Resultaten visade också att lärarna genom VR kunde låta elever resa till otillgängliga platser och utforska miljöer, som till exempel en vulkans inre. Dessutom ansågs VR underlätta elevernas begreppsförståelse.

I den virtuella miljön kunde eleverna utforska insidan av materia i form av molekyler, något som annars inte är möjligt med blotta ögat. Yildirim med kollegor visar att VR kan ha en viktig roll i att göra abstrakta fenomen mer konkreta för eleverna, vilket i sin tur kan leda till ett ökat lärande.

Utmaningar med att använda AR och VR i undervisningen

Studierna som har presenteras lyfter i princip inte några begränsningar eller svårigheter med att använda AR och VR i undervisningen, vilket förstås finns. Några saker som kan nämnas är att tekniken ibland krånglar vilket kräver att läraren, och även eleverna, behöver kunskap om tekniken för att kunna hantera problemen. Det kan handla om att få en fungerande internetuppkoppling, hantera funktioner i applikationer som används och att synkronisera enheter med varandra.

En annan viktig faktor som lärare behöver reflektera över är i vilken utsträckning AR- eller VR-miljön faktiskt är relevant i relation till det ämnesinnehåll som ska presenteras för eleverna. Detta innebär att lärare först behöver testa och syna AR- och VR-miljöerna utifrån om de verkligen kan visualisera abstrakta fenomen så att de blir begripliga för eleverna.

AR och VR kan ge lärare nya möjligheter att stödja elevers lärande i naturvetenskap

Användandet av AR och VR i undervisningen kan stimulera elevers intresse och lärande i naturvetenskap. Verktygen låter elever erfara naturvetenskapliga fenomen i en kombination av verkligheten och en virtuell representation där de får möjlighet att använda flera sinnen. Elever får även möjlighet att jämföra, analysera och diskutera det naturvetenskapliga innehållet på ett nytt sätt vilket kan ge bättre förutsättningar för lärande.

Sammanfattningsvis visar de fyra presenterade studierna att

• AR ger elever möjlighet att jämföra ett fenomen i verkligheten med en virtuell representation i en och samma undervisningssituation, och detta kan stödja elever att göra mer fördjupade analyser av fenomenet
• VR kan låta elever utforska otillgängliga miljöer
• AR och VR möjliggör för elever att genomföra mer detaljerade observationer av naturvetenskapliga fenomen
• AR och VR kan främja elevers intresse för naturvetenskap, vilket har sin grund i att de kan få syn på hur olika naturvetenskapliga fenomen verkligen ter sig och fungerar på ett mer detaljerat sätt
• AR och VR kan främja elevers lärande i naturvetenskap då det dels ökar engagemang i att vilja lära sig, och dels för att abstrakta fenomen kan visualiseras på ett mer rättvisande sätt, vilket bidrar till ökad begreppsförståelse.

Text: Anne-Marie Cederqvist och Emma Edstrand, Högskolan i Halmstad

Källor:

Chien, YC., Su, YN., Wu, TT., & Huang, YM. (2019). Enhancing students’ botanical learning by using augmented reality. Länk till annan webbplats. Universal Access in the Information Society 18, 231–241.

Evangelou, F., & Kotsis, K. (2019). Real vs virtual physics experiments: comparison of learning outcomes among fifth grade primary school students. A case on the concept of frictional force. Länk till annan webbplats. International Journal of Science Education, (41)3, 330-348.

Liu, R., Wang, L., Lei, J., Wang, Q., & Ren, Y. (2020). Effects of an immersive virtual reality-based classroom on students’ learning performance in science lessons. British Journal of Educational Technology, 51(6), 2034-2049.

López, V., & Pintó, R. (2017) Identifying secondary-school students' difficulties when reading visual representations displayed in physics simulations. Länk till annan webbplats. International journal of science education, 39(10), pp. 1353–1380.

Sahin, D., & Yilmaz, R. (2020). The effect of Augmented Reality Technology on middle school students' achievements and attitudes towards science education. Länk till annan webbplats. Computers and Education, 144, 103710.

Yildirim, B., Sahin-Topalcengiz, E., Arikan, G., & Timur, S. (2020). Using virtual reality in the classroom: Reflections of STEM teachers on the use of teaching and learning tools. Länk till annan webbplats. Journal of Education in Science, Environment and Health (JESEH), 6(3), 231-245.