Virtual Reality in Science Communication for Non-Euclidean Geometries

Abstract

This research aims to investigate the effectiveness of using virtual reality (VR) as a medium to present concepts of non-Euclidean geometries to a non-mathematical audience. First, we give an overview of the development of visualizations for hyperbolic and spherical geometry: from the discovery of non-Euclidean geometry to its early influence outside of academia and finally to computer-based visualizations. Currently, VR is being used to visualize these geometries mostly within research and university mathematics education. This thesis focuses on a VR experience designed using a journalistic approach to introduce concepts of non-Euclidean geometries to laypersons. Next, we explore the theoretical framework for using VR in a science communication context to facilitate knowledge gain and engagement. We find several studies that indicate VR positively impacts learning in mathematics education. However, additional literature suggests that prior knowledge of the content of the VR experience may be necessary. This thesis contributes to the literature by being the first to empirically explore the effectiveness of using VR to present non-Euclidean geometries in a science communication context. In our study, we explore the effect that prior knowledge of non-Euclidean geometries has on knowledge acquisition, engagement and enjoyment when using such a VR experience. We provide a detailed description of the VR experience used in the study and then outline our mixed-methods approach, including pre- and post-knowledge tests and semi-structured interviews to investigate this effect. Our findings suggest that prior knowledge may not be necessary to achieve high-quality knowledge gain when using an immersive VR experience on the topic of non-Euclidean geometries. Additionally, the medium of VR facilitates engagement and enjoyment in users. This contrasts with previous studies suggesting that prior knowledge is essential for high-quality knowledge gain to occur. However, our findings do support a consensus that VR is an effective tool for audience engagement. Limitations of our study and directions for future research are also discussed. This supports efforts in science communication to present complex, abstract mathematical topics such as non-Euclidean geometry to a lay audience.

In dieser Forschungsarbeit soll die Eignung von virtueller Realität (VR) als Medium zur Präsentation von Konzepten der nicht-euklidischen Geometrie für ein nicht-mathematisches Publikum untersucht werden. Zunächst wird ein Überblick über die Entwicklung von Visualisierungen für hyperbolische und sphärische Geometrie gegeben: von der Entdeckung der nicht-euklidischen Geometrie über ihren frühen Einfluss außerhalb der Wissenschaft bis hin zu computergestützten Visualisierungen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf eine VR-Umgebung, die mit einem journalistischen Ansatz entwickelt wurde, um Laien die Konzepte der nicht-euklidischen Geometrie näher zu bringen.

Anschließend wird der theoretische Hintergrund des Einsatzes von VR in der Wissenschafts- kommunikation zur Förderung von Wissenserwerb und Engagement untersucht. Mehrere

Studien weisen darauf hin, dass sich VR positiv auf das Lernen im Mathematikunterricht auswirkt. Andere Literatur weist jedoch darauf hin, dass Vorwissen über den Inhalt der VR-Erfahrung erforderlich sei. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Forschungsliteratur, da sie die erste ist, die die Effektivität des Einsatzes von VR zur Präsentation nicht-euklidischer Geometrien in einem wissenschaftlichen Kommunikationskontext empirisch untersucht. In dieser Studie wird zudem der Effekt untersucht, den das Vorwissen über nicht-euklidische Geometrien auf den Wissenserwerb, das Engagement und den Spaß bei der Nutzung einer solchen VR-Erfahrung hat. Es wird eine detaillierte Beschreibung der VR-Erfahrung gegeben, die in der Erhebung verwendet wurde und die eingesetzte Methodik erläutert, die Vor- und Nachwissenstests und halbstrukturierte Interviews umfasst, um diesen Effekt zu untersuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Vorwissen nicht notwendig ist, um einen qualitativ hochwertigen Wissenszuwachs zu erzielen, wenn eine immersive VR-Erfahrung zum Thema nicht-euklidische Geometrien genutzt wird. Außerdem zeigt sich, dass das Medium VR das Engagement und den Spaß der Nutzer fördert. Dies steht im Gegensatz zu früheren Studien, die davon ausgingen, dass Vorwissen für einen qualitativ hochwertigen Wissenszuwachs unerlässlich ist. Es werden auch die Grenzen der durchgeführten Studie und Implikationen für zukünftige Forschung diskutiert. Insgesamt belegen die Ergebnisse den Konsens dazu, dass VR ein effektives Instrument zur Einbindung des Publikums ist und unterstützen die Bemühungen in der Wissenschafts- kommunikation, komplexe, abstrakte mathematische Themen wie die nicht-euklidische Geometrie einem Laienpublikum zu präsentieren.