Interaktive Laserlabor-Simulation "femtoPro" in virtueller Realität
Projektziel: Evaluierung des pädagogischen Nutzens eines virtuellen Laserlabors.
Status: bis 12/2025
Vorhaben
Um Studierenden praktische Kompetenzen im sicheren Umgang mit gefährlicher Laserstrahlung zu vermitteln, wurde die VR-Simulation femtoPro entwickelt – ein interaktives Ultrakurzpuls-Laserlabor, das physikalische Modelle verwendet, um die Ausbreitung und Modulation von Laserstrahlen zu visualisieren. Da reale Laserlabore meist für Forschungszwecke ausgelastet und teuer sind, bietet femtoPro eine digitale Alternative zur Vorbereitung auf Experimente mit gepulsten Lasern.
Im Rahmen eines Masterpraktikums soll jetzt ein neuer Versuch entwickelt und eine Studie durchgeführt werden, die die didaktische Wirksamkeit der VR-Anwendung untersucht. Zwei Studierendengruppen bereiten sich unterschiedlich vor: konventionell per Video oder praxisnah in der Simulation. Dabei wird verglichen, wie gut Aufbau, Justage und Bedienung eines Interferometers sowie Aspekte der Lasersicherheit durch die jeweilige Methode vermittelt werden. Die Entwicklung der Simulation erfolgt interdisziplinär durch Physikochemiker und Informatiker.
Die digitale Übungsumgebung femtoPro soll das Lernen fachlicher Inhalte durch praxisnahe, immersive Übungen effektiver und nachhaltiger gestalten als herkömmliche Methoden wie Skriptlektüre oder Lehrvideos. Studierende erhalten in der VR-Umgebung unmittelbares Feedback zu ihren Handlungen, wodurch - so die Annahme - Sicherheitsaspekte besser vermittelt werden können als im realen Labor. Warnmechanismen fördern das Bewusstsein für Lasersicherheitsregeln und fehleranfällige Handgriffe können gefahrlos eingeübt werden. Diese Form des Trainings stärkt die Selbstständigkeit und Eigenverantwortung der Studierenden, verbessert die Vorbereitung auf reale Praktika und erhöht insgesamt die Qualität und Nachhaltigkeit des Lernerfolgs – sowohl in praktischer Hinsicht als auch im Hinblick auf die fachlichen Inhalte.
Alle Lehrbereiche, in denen optische Experimente zum Einsatz kommen, auch diejenigen ohne gepulste Laserstrahlung, könnten profitieren. Derartige optische Experimente lassen sich sowohl in den Bereichen Physik, Chemie und Biologie finden, aber auch in anderen Fachbereichen. Darüber hinaus kann femtoPro verwendet werden, um technische Assistentinnen und Assistenten und zukünftige Forschende im Bereich der Optik praktisch auszubilden. Neben der Vorbereitung auf reale Experimente ermöglicht die immersive Gestaltung der Anwendung die vollständig virtuelle Durchführung von Praktikumsveranstaltungen und eignet sich damit als Werkzeug für den Einsatz im Remote Teaching.
femtoPro entstand in sehr enger Kooperation des Instituts für Physikalische Chemie mit dem Institut für Informatik. Die Funktionserweiterung bzw. die Programmierleistung wird von wissenschaftlichen Mitarbeitenden und Studierenden der JMU umgesetzt.
T. Brixner, S. Mueller, A. Müller, A. Knote, W. Schnepp, S. Truman, A. Vetter und S. von Mammen, femtoPro: virtual-reality interactive training simulator of an ultrafast laser laboratory, Appl. Phys. B 129, 78 (2023). https://doi.org/10.1007/s00340-023-08018-7
T. Brixner, S. Mueller, A. Müller und S. von Mammen, femtoPro: Real-time linear and nonlinear optics simulations, arXiv:2503.19627 (2025). https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.19627
A. Müller, S. Mueller, T. Brixner und S. von Mammen, Programmatic Design and Architecture of an Immersive Laser Laboratory, In "International Conference on Interactive Media, Smart Systems and Emerging Technologies (IMET) 2023", N. Pelechano, F. Liarokapis, D. Rohmer und A. Asadipour, Hrsg., Eurographics Digital Library (2023). https://doi.org/10.2312/imet.20231256
S. Mueller, T. Brixner, A. Müller und S. von Mammen, femtoPro: Become a femtosecond laser professional - Eine Laserlabor-Simulation in virtueller Realität zum Erlernen des sicheren Umgangs mit gepulster Laserstrahlung, Wettbewerbsband AVRiL 2023, S. 11-17 (2023). https://doi.org/10.18420/avril2023_02
S. Mueller, T. Brixner, A. Knote, W. Schnepp, S. Truman, A. Vetter und S. von Mammen, femtoPro: ultrafast phenomena in virtual reality, In "The International Conference on Ultrafast Phenomena (UP) 2022", F. Légaré, T. Tahara, J. Biegert, T. Brixner und N. Dudovich, Hrsg., Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2022), paper W4A.42 (2022). https://doi.org/10.1364/UP.2022.W4A.42
Software: Laufzeit- und Entwicklungsumgebung Unity, Visual Studio, SmartGit, LabView, GNU Octave
Technisches Equipment: VR-Headsets (Meta Quest und Pico Neo 3 Pro Eye)
