Leerlingen als het ware onderdompelen in de praktijk: dat is het idee achter zogeheten ‘immersive learning’-technologieën op basis van virtual reality (VR) en augmented reality (AR). Steeds meer opleidingen gebruiken ze om de afstand tussen theorie en praktijk te verkleinen. Maar de chemie en chemische technologie lopen hierin nog achter. Tom Van Gerven, hoogleraar Procesintensificatie aan de KU Leuven, wil hierin verandering brengen. Hij is projectleider van het Europen Training Network for Chemical Engineering Immersive Learning (CHARMING). ‘Moleculen en chemische reacties lenen zich goed voor virtuele voorstellingen’, zegt hij. ‘Het gebruik van VR en AR is ook praktisch om situaties te trainen die in realiteit duur, gevaarlijk of moeilijk uit te voeren zijn. Denk aan het oplossen van problemen in chemische installaties. Die kun je niet zomaar in een werkelijke fabriek nabootsen om ermee te oefenen.’

Multidisciplinariteit

Om de mogelijkheden van VR, AR en games breder toe te passen in het chemieonderwijs, startte Van Gerven samen met twaalf Europese partners vier jaar geleden het CHARMING-netwerk. De multidisciplinariteit is de kracht ervan, aldus Van Gerven. ‘De deelnemers komen zowel uit de chemie, uit de onderwijskunde als uit de IT-sector. Deze samenwerking werkte verrassend goed, ondanks dat we echt verschillende ‘talen’ spreken.’

De samenwerking was noodzakelijk voor succes. Want een game of app is niet vanzelfsprekend een adequaat onderwijsmiddel voor de chemie. Kennis vanuit de onderwijskunde helpt bij het ontwikkelen van een tool om leerstof beter te kunnen onthouden. De IT- en gamesector zorgt voor het spel-element. Als het goed is, levert dat de juiste balans op tussen motivatie, kennisverwerving en emotie. Een tool moet ‘leuk’ zijn, nieuwsgierigheid opwekken en helpen bij het onthouden van de leerstof.

‘Een game moet leuk zijn, maar de leerboodschap moet overeind blijven’ 

Liesbeth Kester

 

Werkgeheugen

Een hulpmiddel hierbij is het Cognitieve Load Model toegepast. ‘Cognitieve modellen gaan ervan uit dat mensen informatieverwerkende systemen zijn. Als er te veel verschillende informatie binnenkomt, wordt het werkgeheugen overbelast’, legt Liesbeth Kester uit. Ze is hoogleraar Onderwijswetenschappen van de Universiteit Utrecht. ‘Optimale kennisoverdracht vraagt bijvoorbeeld om een goede balans tussen tekst, beeld en geluid. In een multimediale leeromgeving word je ondergedompeld in informatie. Wij onderzoeken hoe we het werkgeheugen het beste kunnen beschermen.’

CHARMING richt zich op drie doelgroepen. De jongste zijn schoolgaande kinderen tussen de 8 en 14 jaar. Dit is de ideale leeftijd om nieuwsgierigheid naar de chemie op te wekken. Bovendien is kennis die kinderen intuïtief oppikken, iets waar ze later profijt van kunnen hebben. Van Gerven: ‘Voor de jongste groep hebben we onder andere de ‘digital fume hood’ ontwikkeld. In deze virtuele zuurkast kunnen kinderen intuïtief leren over materialen en hun eigenschappen. Met een VR-bril op kunnen ze zien wat er gebeurt als ze op verschillende materialen krassen of schuren, er met een hamer op kloppen enzovoorts. Als kind besef je misschien niet wat je geleerd hebt, maar als je in de toekomst leert over materiaaleigenschappen, is het gemakkelijker te begrijpen.’ Onderwijskundigen onderzoeken of de games op alle kinderen hetzelfde effect hebben. Kester: ‘We kijken bijvoorbeeld of er verschil is tussen kinderen met verschillende sociale achtergronden. Misschien moeten we in het aanbod te differentiëren om zo een inclusief leermiddel te creëren.’

Leerboodschap

Jongeren tussen de 15 en 23 kunnen de digitale tools gebruiken als ondersteuning van de normale lessen. ‘Digitale tools zullen de traditionele vormen van onderwijs niet vervangen’, benadrukt Kester. ‘Ze geven de studenten iets extra’s waardoor de kennis gemakkelijker blijft hangen. Een game moet leuk zijn, maar de leerboodschap moet overeind blijven.’

De vraag is hoe dicht de virtuele tools bij de realiteit moeten blijven. Van Gerven: ‘Als je een reactiemechanisme wil uitleggen, moet de molecule er dan ook echt uitzien als molecule? Als je iets te realistisch gaat presenteren, wordt de aandacht afgeleid van de onderliggende mechanismen. Het gaat erom dat het concept duidelijk overkomt.’

Van Gerven wil de digitale tools ook gebruiken om de druk op practicaruimtes te beperken. ‘De universiteitslaboratoria hebben een beperkte capaciteit, terwijl het aantal studenten groeit. Bepaalde laboratoriumoefeningen kun je misschien prima digitaal uitvoeren. Zo hebben we een app ontwikkeld waarmee je virtueel kunt titreren.’

‘We hebben een app ontwikkeld waarmee je virtueel kunt titreren’ 

Tom van Gerven 

Motivatie

De derde doelgroep van CHARMING zijn werknemers van chemiebedrijven. Veel van hen moeten jaarlijks tientallen opleidingen of cursussen volgen, met name over veiligheid. Binnen CHARMING zijn ook voor deze doelgroep apps en games ontwikkeld die helpen de leerstof beter te onthouden. Zo is de Labo Safe Game bedacht om onveilige situaties in laboratoria te herkennen. Ook is er een spel ontwikkeld waarmee werknemers kunnen leren een reactor te besturen en problemen in een chemisch proces op te lossen. Hierbij wordt de opdracht steeds iets complexer, zodat de student stap voor stap door het lesmateriaal heenwandelt. Een terugkoppeling van de tool naar de gebruiker zit ook in de pijplijn, bedoeld om het zelflerend vermogen van gebruikers vergroten. En een van de CHARMING-promovendi werkt aan een learning analytics dashboard: welke informatie wil de gebruiker als feedback krijgen? ‘Er is onderzocht wat mensen doen met feedback en welk effect dat heeft op de prestaties, het zelfvertrouwen en de motivatie’, aldus Kester.

Als resultaat van het project zijn verschillende apps en games via de website beschikbaar, zo benadrukken de betrokkenen. Maar de belangrijkste uitkomst van CHARMING is volgens hen de kennis die de vijftien wetenschappers ontwikkelen over het motiveren, stimuleren en opleiden van toekomstige chemici.