Bibliographic Metadata
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- TitleEntwicklung einer Augmented Reality basierten Anwendung als Vorbereitungsmaßnahme zum Laborpraktikum in der Elektrotechnik / Mesut Alptekin ; Gutachter*in Prof. Dr.-Ing. Katrin Temmen, Prof. Dr.-Ing. Dominik May
- Author
- Degree supervisor
- Published
- Description1 Online-Ressource (xviii, 202, LXVIII Seiten) : Diagramme, Illustrationen
- Institutional NoteUniversität Paderborn, Dissertation, 2025
- AnnotationTag der Verteidigung: 12.12.2025
- Defended on2025-12-12
- LanguageGerman
- Document TypesDissertation (PhD)
- Keywords (GND)
- URN
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Zusammenfassung
Diese Dissertation behandelt die Entwicklung, Erprobung und Evaluation einer mobilen Augmented Reality Anwendung (mAR-App) namens PEARL (Paderborner Elektrotechnik AR Laborpraktikum), die als Vorbereitungsmaßnahme für elektrotechnische Laborpraktika konzipiert wird. Ziel ist es, Studierenden eine zeitlich und örtlich flexible Möglichkeit zu bieten, den realitätsnahen Umgang mit Laborgeräten - primär dem Oszilloskop - zu erlernen. Die methodische Grundlage bilden der Makrozyklus von Design-Based Research (DBR) als strukturierender Rahmen und das heuristische Modell des Research Pentagons, das die Durchführung auf Mikroebene bestimmt. In insgesamt vier Research Pentagons werden didaktische, technologische, motivationale und evaluative Komponenten systematisch untersucht und weiterentwickelt. Das erste Pentagon fokussiert die Entwicklung eines didaktisch fundierten Konzepts nach dem Prinzip des Constructive Alignment, das Lernziele, Lernaktivitäten und Prüfungsformen in fünf abgestufte Lernlevel überführt. Diese reichen von der initialen Orientierung bis zur eigenständigen Problemlösung in einem freien Experimentiermodus. Im zweiten Research Pentagon wird die technische Machbarkeit von Augmented - und Virtual Reality (VR) im Laborumfeld anhand mehrerer funktionaler Prototypen evaluiert. Während sich VR aufgrund technischer Einschränkungen als ungeeignet erweist, zeigt AR - insbesondere in der markerlosen Ausführung mittels der Software Development Kits (SDKs) ARCore und ARKit - ein hohes Potenzial für den praktischen Einsatz. Im dritten Pentagon entsteht ein Onboarding-Modul, das auf die erste Version der mobilen App (V0.17.01) aufsetzt und grundlegende Funktionen eines realen Oszilloskops digital abbildet. Dabei werden Nutzer:innen schrittweise an das virtuelle Oszilloskop herangeführt und lernen zugleich die zentralen Funktionen der mAR-App kennen. Die Ergebnisse zeigen eine insgesamt neutrale bis leicht positive Nutzungserfahrung, wobei technische Schwächen (z.B. Reaktionszeit oder Objektverankerung) die Effizienz und Steuerbarkeit beeinträchtigen. Im Exkurs-Kapitel erfolgt eine Eye-Tracking-Studie zur Untersuchung visueller Aufmerksamkeit und individueller Lösungsstrategien von Expert:innen und Noviz:innen bei der Arbeit am realen Oszilloskop. Heatmaps und Zeitverläufe in definierten Areas of Interest (AOI) liefern erste Hinweise auf Unterschiede im Blickverhalten zwischen den Gruppen. Die algorithmischen Scanpfadanalysen der Blickverläufe hingegen zeigen eine geringe Trennschärfe. Das Potenzial von Eye-Tracking als Evaluationsmethode wird daher kritisch reflektiert, aber angesichts technologischer Entwicklungen und verfügbarer Eye-Tracker in Mixed Reality (MR) Brillen weiterhin als zukunftsrelevant eingeordnet. Die abschließende summative Evaluation nutzt ein Prä‑Post-Test-Design mit Kontrollgruppenvergleich mit 70 Teilnehmenden, um die Lernwirksamkeit der überarbeiteten mAR-App mit klassischen Materialien wie Videos und Handbüchern zu vergleichen. In der Interventionsgruppe (IG) zeigen sich auf kognitiver und affektiver Ebene signifikant positive Veränderungen: Die Leistungen steigen deutlich, insbesondere in den Taxonomiestufen Anwendung, Verständnis und Analyse; zugleich nehmen experimentelles Selbstkonzept und experimentelles Sachinteresse zu, während Überforderung und Ängstlichkeit im Hinblick auf die Laborpraktika abnehmen. Als Einschränkung zeigt sich, dass die mAR-App keinen klaren Vorsprung gegenüber der Kontrollgruppe (KG) erreicht, was sowohl auf die sehr gut ausgearbeiteten Materialien und Videos der KG als auch auf technische Begrenzungen der mobilen Umsetzung zurückzuführen ist: Kleine Displays, 2D-Oberflächen für 3D-Geräte und unpräzise Touch-Interaktionen erschweren komplexe, feinmotorische Aufgaben. In den begleitenden User Interface (UI) und User Experience (UX) Fragebögen spiegeln sich diese Limitationen in gemischten Bewertungen der App wider. Die Arbeit verdeutlicht, dass die mobile AR-Anwendung trotz technischer Einschränkungen wertvolle Möglichkeiten für die Vorbereitung auf Laborpraktika und das Kennenlernen von Laborgeräten bieten kann. Der Fokus bei der Entwicklung liegt von Beginn an auf einer modularen und flexiblen App-Architektur, um sie mit neuen Geräten und Aufgaben zu erweitern. Der Hauptnutzen liegt perspektivisch nicht in der mobilen Anwendung selbst, sondern in der strategischen Ausrichtung auf zukunftsfähige, skalierbare Lösungen für MR-Brillen. Diese erlauben eine authentische Gestensteuerung und realitätsnahe Interaktionen.
Abstract
This thesis examines the development, testing, and evaluation of a mobile augmented reality application (mAR app), which is designed as a preparation tool for electrical engineering laboratory courses. The aim is to offer students an opportunity to work with laboratory equipment - primarily the oscilloscope - realistically without location and time constraints. The methodological basis is formed by the macrocycle of design-based research (DBR) as a structured framework and the heuristic model of the research pentagon, which specifies the implementation at the micro level. Didactic, technological, motivational, and evaluative components are systematically examined and further developed in a total of four research pentagons. The first pentagon focuses on the development of a didactically sound concept based on the principle of constructive alignment, which incorporates learning objectives, learning activities, and forms of assessment into five graduated learning levels. These range from initial orientation to independent problem-solving in a free experimentation mode. The second phase evaluates the technical feasibility of augmented and virtual reality (VR) in the laboratory environment using several prototypes. While VR turns out to be unsuitable due to technical limitations, AR - especially in the markerless version using the ARCore and ARKit software development kits (SDKs) - shows great potential for everyday use. In the third research pentagon, an onboarding module is created based on the first version of the mobile app (V0.17.01), which digitally maps the basic functions of a real oscilloscope. During this process, users are introduced to the virtual oscilloscope and become familiar with the main functions of the mAR app. The results show an overall neutral to slightly positive user experience, although technical weaknesses (e.g., reaction time and object fixing) negatively impact efficiency and controllability. In the fourth research pentagon, an eye-tracking study is carried out to investigate visual attention and individual solution strategies of expert and novice users when working with real oscilloscopes. Heatmaps and time sequences in defined areas of interest (AOI) provide first indications of differences in gaze behavior between the groups. The algorithmic scan path analysis, on the other hand, reveals a low degree of differentiation. The potential of eye tracking as an evaluation method is therefore critically reflected, but it is still considered to be relevant for future studies in light of technological advancements and the availability of eye trackers in mixed reality (MR) glasses. The final summative evaluation is carried out in the way of a pre-post test design with 70 participants and compares the usage of traditional materials such as videos and manuals with the improved mAR app. In the intervention group (IG), significant improvements emerge on both cognitive and affective levels: performance increases particularly in the areas of application, understanding, and analysis, while experimental self-concept and subject-related interest rise and feelings of overload and anxiety regarding the lab courses decline. As a limitation, the mAR app does not yield a clear advantage over the control group (CG), which can be attributed both to the highly refined materials and videos used in the CG and to technical constraints inherent to the mobile implementation: small displays, 2D interfaces on 3D devices, and imprecise touch interaction limit complex, sensitive motor tasks. These limitations are also reflected in the accompanying user interface (UI) and user experience (UX) questionnaires, which indicate mixed app ratings. Both groups show significant learning gains - particularly in the areas of application, understanding, and analysis. However, a significant advantage of the mAR App cannot be proven. Affective characteristics such as experimental self-concept and general experimental interests increase in both groups, while the feeling of fear before conducting real laboratory work decreases. The app itself achieves average ratings in user interface (UI) and user experience (UX) questionnaires. The thesis demonstrates that, despite technical limitations, the mobile AR application can provide a valuable alternative for preparing students for laboratory courses and familiarizing them with laboratory equipment. From the very beginning, the primary goal during development was a modular and flexible app architecture that can be extended with new devices, tasks, and functions. The main benefit is not in the mobile application itself, but in the strategic direction of future-oriented and scalable solutions for MR glasses, which allow immersive and realistic gesture interactions.
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