Der Einfluss des Designs von virtuellen Umgebungen auf die Leistungsfähigkeit beim Sport

Assigned Human-Computer Interaction Bachelor Thesis Embodiment Lab

1. Motivation / Ziele

Sport ist wichtig für die Gesundheit, das ist unumstritten. Doch wenn das tägliche Leben durch Pandemie und Lockdowns eingeschränkt ist, ist auch der Gang ins Fitnessstudio nicht mehr möglich. Deshalb wünscht sich der Eine oder Andere an einen anderen Ort, um dort Sport zu treiben. Mit Headsets für die virtuelle Realität ist diese Flucht möglich. So kann man plötzlich die Umgebung, in der man Sport treiben möchte, frei wählen und es bestehen nur noch die Grenzen der eigenen Vorstellung. Diese Exergames, die bereits auf dem Markt frei verfügbar sind, erfreuen eine immer größer werdende Zahl an Kunden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Exergames Hersteller immer neue Rekorde ihrer Download Zahlen verzeichnen (Baker & Feltham, 2021). Doch es stellt sich die Frage, welche Vorteile diese Kombination bietet. Die Ergebnisse der Studie von Hoffmann, Filippeschi, Ruffaldi und Bardy (2014) zeigten, dass das Lernen von sportlichen Übungen effektiver in der virtuellen Umgebung ist. Eine andere Arbeit von Plante, Aldridge, Bogden und Hanelin (2003) zeigt auf, dass Training in der virtuellen Realität sich positiv auf Vergnügen und Energie auswirkt und dass sich die Probanden nach dem Training weniger erschöpft gezeigt haben. Nun stellt sich die Frage, welche Elemente der virtuellen Umgebung es schaffen Einfluss auf den Menschen und sein Verhalten zu nehmen, und mit dieser Frage wird sich diese Arbeit befassen.

2. Forschungsstand / Vorarbeiten

Ein Ort der Einfluss auf den Menschen zu haben scheint ist die Natur. Menschen gehen an den Strand oder in den Wald um zu entspannen oder verbringen ihren Urlaub in den Bergen. Auch wird in Wäldern oder Parks Sport betrieben. Die Studie von Hansmann, Eigenheer-Hug, Berset und Seeland (2010) zeigte, dass Sport im Fitnessstudio zwar das körperliche Wohlbefinden stärker fördert und mehr Stress abbauen kann im Vergleich zu Outdoor Sport. Doch Sport im Freien soll mehr dazu verhelfen Alltagssorgen zu vergessen, sich mental zu erholen und geistige Ausgeglichenheit zu erlangen. Dass die Natur oder Teile der Natur nicht nur Ort der Entspannung sein können, zeigt die Studie von Daly, Burchett und Torpy (2010). In dieser verbesserten Schüler ihre Leistung allein durch das Vorhandensein einer Pflanze in ihrem Klassenzimmer. Nicht nur die kognitive Leistung, sondern auch die Motivation kann durch Pflanzen in einer Lern-Umgebung verbessert werden, wie in der Arbeit von Doxey, Waliczek und Zajicek (2009) herausgefunden wurde. Dass sich diese Phänomene auch auf die virtuelle Realität übertragen lassen, zeigen die Untersuchungen von Yin et al. (2020) und Yin et al. (2019). In diesen Arbeiten wurde herausgefunden, dass natürliche Elemente, wie virtuelle Pflanzen, beruhigend auf ihren Betrachter wirken. Die Studie von Emamjomeh (2019) zeigte, dass solche natürlichen Umgebungen in einer virtuellen Realität die Kreativität und die kognitive Leistung, genauso wie die Pflanzen im Klassenraum, signifikant verbessern.

Es zeigt sich, dass Pflanzen nicht nur in der echten Natur einen positiven Einfluss auf Menschen haben, sondern auch in der virtuellen Realität. Dabei grenzen sie sich ab von menschengemachten Elementen wie Metall. In der Studie von Pals, Steg, Dontje, Siero und van Der Zee (2014) stellte sich heraus, dass natürliche Elemente, wie Möbel aus Holz signifikant positiver wahrgenommen werden als Möbel aus Metall, (Dinis et al., 2013). Diese Unterschiede in der Wahrnehmung und der Einfluss dieser Elemente auf den Menschen soll nun in diese Studie übertragen werden.

Es konnte bereits gezeigt werden, dass Kreativität, Motivation und kognitive Leistung gesteigert und Stress gesenkt werden konnten durch natürliche Elemente in einer virtuellen Umgebung. In Bezug auf Sport soll in dieser Arbeit nun die Frage gestellt werden, ob diese Gestaltungselemente Einfluss auf Stärke, Ausdauer und somit die sportliche Leistung haben.

3. Geplante Methodik / Konzepte

Für die Beantwortung dieser Forschungsfrage sollen drei virtuelle Umgebungen gebaut werden. Zwei dieser VR Umgebungen werden anhand der Guidelines (Steinhäuser & Oberdörfer, 2021) erstellt. So soll sichergestellt werden, dass die eine Umgebung möglichst positiv aufgebaut ist und die andere möglichst negativ. Das erste Szenario wurde einer tropischen Bucht mit vielen Palmen, hellen Farben und ruhigem Wasser nachempfunden. Diese Szene beinhaltet möglichst viele natürliche Elemente, um den positiven Effekt zu verstärken. Die zweite virtuelle Umgebung soll anhand der Guidelines möglichst das Gegenteil darstellen. Die negative Umgebung beschreibt einen dunklen Raum mit kleinen Fenster, in dem der dunkle, metallene Boden mit Blutspritzern bedeckt ist, an den Wänden  Äxte und Schwerter hängen und es vor den Fenstern blitzt und donnert. In diesem Szenario wäre es interessant zu erfahren, ob die Szene durch ihre bedrohlichen Elemente eher einschüchternd oder motivierend wirkt. Die dritte virtuelle Umgebung soll neutral gestaltet werden, damit hier Baseline- Messungen möglich sind und die Leistungsunterschiede zwischen den Umgebungen deutlich werden. Sie besteht nur aus einem grauen Boden. Die Studie ist eine within-subject Studie, wodurch jede Versuchsperson sich in allen drei Umgebungen sportlich betätigen wird. Dafür wird die Versuchsperson in jeder Umgebungen die gleiche Übung ausführen und die Umgebungen in randomisierter Reihenfolge erleben. Die Übung besteht aus dem nach vorne Strecken der Arme im Stehen. Die Arme werden dabei gerade, parallel zum Boden gehalten. Das Ziel ist, diese Position so lange wie möglich zu halten. Über die gehaltene Zeit, die gestoppt wird, soll dann der Leistungsunterschied festgestellt werden.

4. Literatur

Steinhäuser, S. & Oberdörfer, S. (2021). Joyful adventures and frightening places – designing emotion inducing virtual environments. , 15 , 1–15. (in Vorbereitung)

Baker, H. & Feltham, J. (2021, Oct). Beat saber passes $100 million in revenue on quest platform. Upload. Zugriff auf https://uploadvr.com/beat-saber-100-million-revenue/

Bouchard, S., St-Jacques, J., Robillard, G. & Renaud, P. (2008). Anxiety increases the feeling of presence in virtual reality. Presence: Teleoperators and Virtual Environments, 17 (4), 376–391.

Daly, J., Burchett, M. & Torpy, F. (2010). Plants in the classroom can improve student performance. National interior plantscape association, 1–9.

Dinis, S., Duarte, E., Noriega, P., Teixeira, L., Vilar, E. & Rebelo, F. (2013). Evaluating emotional responses to the interior design of a hospital room: A study using virtual reality. In International conference of design, user experience, and usability (S. 475–483).

Doxey, J. S., Waliczek, T. M. & Zajicek, J. M. (2009). The impact of interior plants in university classrooms on student course performance and on student perceptions of the course and instructor. HortScience, 44 (2), 384–391.

Emamjomeh, A. (2019). Understanding the potential of immersible virtual environment (ives) for biophilic design.

Hansmann, R., Eigenheer-Hug, S.-M., Berset, E. & Seeland, K. (2010). Erholungseffekte sportlicher aktivit ten in stadtnahen wäldern, parks und fitnessstudios| restorative effects of sports activities in suburban forests, parks, and fitness centres. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 161 (3), 81–89.

Hoffmann, C. P., Filippeschi, A., Ruffaldi, E. & Bardy, B. G. (2014). Energy of sports sciences, 32 (6), 501–509.

Pals, R., Steg, L., Dontje, J., Siero, F. & van Der Zee, K. (2014). Physical features, coherence and positive outcomes of person–environment interactions: A virtual reality study. Journal of Environmental Psychology, 40 , 108–116.

Plante, T. G., Aldridge, A., Bogden, R. & Hanelin, C. (2003). Might virtual reality promote the mood benefits of exercise? Computers in Human Behavior, 19 (4), 495–509.

Yin, J., Arfaei, N., MacNaughton, P., Catalano, P. J., Allen, J. G. & Spengler, J. D. (2019). Effects of biophilic interventions in office on stress reaction and cognitive function: A randomized crossover study in virtual reality. Indoor Air, 29 (6), 1028–1039.

Yin, J., Yuan, J., Arfaei, N., Catalano, P. J., Allen, J. G. & Spengler, J. D. (2020). Effects of biophilic indoor environment on stress and anxiety recovery: A between-subjects experiment in virtual reality. Environment International, 136 , 105427.

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