09.12.2021

Spielen im Auftrag der Forschung

Analyse motivierender Spieleelemente durch KI

Spielen macht Spaß – egal, in welchem Alter. Die Spielelemente können dabei nicht nur bei klassischen Gesellschaftsspielen genutzt werden, sondern in verschiedenen Lebenssituationen Anwendung finden. Um neue Lösungen im Bereich Gamification zu entwickeln, untersuchen Prof. Dr. Thomas Voit von der Fakultät Informatik und sein Team tausende Spiele mithilfe von KI.

Von Jasmin Bauer

Aus OHM-Journal 2021/2 (PDF-Version)

Spielen ist ein Grundbedürfnis von Kindern, das sich bis in das Erwachsenenleben zieht. Bereits der deutsche Dichter und Philosoph Friedrich Schiller schrieb über die ästhetische Erziehung des Menschen: „Denn, um es endlich auf einmal herauszusagen, der Mensch spielt nur, wo er in voller Bedeutung des Worts Mensch ist, und er ist nur da ganz Mensch, wo er spielt.“ Ob Gesellschaftsspiele, Computerspiele oder Glücksspiele – Menschen jeden Alters und aus jeder Kultur haben einen Spieltrieb. Diese Eigenschaft lässt sich auch in anderen Bereichen nutzen: In der „Gamification“ werden spieltypische Elemente in spielfremde Situationen und Anwendungen übertragen, um so die Motivation bei den Anwenderinnen und Anwendern zu steigern. Im Forschungsprojekt „EMPAMOS – Empirische Analyse motivierender Spielelemente“ untersuchen Prof. Dr. Thomas Voit und sein Team verschiedene Brett- und Gesellschaftsspiele. Sie möchten empirisch analysieren, welche Spielelemente es gibt, wie oft sie genutzt werden und wie motivierend sie auf die Spielenden wirken. Das Ziel ist es, dadurch neue Gamification-Lösungen zu entwickeln und so deren erfolgreiche Anwendung zu steigern.
„Seit 2014 lehren wir an der Fakultät Informatik im Bereich ‚Gamification‘. Dabei haben wir festgestellt, dass die Forschung auf diesem Gebiet Spielelemente bisher nur oberflächlich betrachtet hat und wir nicht wirklich erklären konnten, wie diese uns motivieren“, erklärt Voit. „Schließlich haben wir beschlossen, dass es sich durchaus lohnt, noch einmal den Umweg zu gehen und sich von Grund auf mit Spielen zu beschäftigen.“ Das traf sich sehr gut, denn nur 20 Gehminuten von der Fakultät Informatik entfernt befindet sich die weltweit bedeutendste Sammlung von Spielen, das Deutsche Spielearchiv Nürnberg. „Es gibt keinen besseren Ort auf der Welt, um Spiele zu erforschen“, so Voit weiter. Studierende der Fakultät Informatik haben im Auftrag der Forschung dort verschiedene Spiele durchgespielt. Dabei haben sie evaluiert, welche Spielelemente existieren. Fanden sie diese Elemente in mindestens 25 weiteren Spielen, konnten die Studierenden die Hypothese aufstellen, dass die Elemente ein wiederkehrendes Muster in Spielen sind.
Ein Element ist beispielsweise der Zufall. Der Zufall wird in den meisten Spielen eingesetzt, da er sich mit vielen anderen Spielelementen verbinden lässt, bei jeder neuen Spielpartie auch neue Ergebnisse liefert und die Spielenden sich nicht mit langen Entscheidungen aufhalten müssen. Trotzdem muss er vorsichtig eingesetzt werden. „Setzt ein Spiel zu sehr auf den Zufall, haben die Spielenden nicht mehr das Gefühl, durch ihr eigenes Können gewonnen zu haben. Fehlt das Element ‚Zufall‘ hingegen, kann man gegen einen erfahrenen Spieler niemals gewinnen, wodurch das Spiel keinen Spaß mehr macht“ sagt Voit. „Bei dem bekannten Spiel ‚Die Siedler von Catan‘ kann beispielsweise immer ein Räuber vorbeikommen und die Hälfte der Ressourcen eines Spielers nehmen. Dadurch haben auch die Spielenden, die weniger Ressourcen haben, wieder eine Chance zu gewinnen. Das steigert die Lust, weiterzuspielen.“
Durch Künstliche Intelligenz und Machine-Learning-Verfahren kann das Projektteam die Untersuchung von Spielen vereinfachen. Die KI kann Spieleanleitungen automatisch lesen, verstehen und analysieren, in welchen Spielen sich welche Elemente finden lassen. Dafür zerschneidet sie den Text der Anleitung in seine Bestandteile und lernt, welche Wörter und Kombinationen bei bestimmten Spielelementen vorhanden sind, beispielsweise „die meisten Punkte“, „bei Gleichstand“ oder „noch einmal würfeln“. Im Projekt kommt KI an zwei Stellen zum Einsatz: Zum einen, um die Spielelemente in den Spielanleitungen zu erkennen, zum anderen, um zu analysieren, wie oft die verschiedenen Elemente zusammen vorkommen und welche Kombinationen am häufigsten verwendet werden. Um einen aufschlussreichen Überblick zu bekommen, möchte das Team möglichst viele der Spielanleitungen der rund 30.000 Brett- und Gesellschaftsspiele des Spielearchivs digitalisieren und analysieren.
Auf Basis dieser empirischen Analyseergebnisse kann das Projektteam die Spieleelemente und ihre häufigsten Kombinationen zu einer Mustersprache zusammenfassen, die die motivierenden Spiele beschreibt. „Durch die Forschungsarbeit und die entschlüsselten Spielkonzepte können wir motivierende Spielideen und Gamification-Lösungen entwickeln und testen. Wir erforschen, was genau Spiele so besonders macht. Dessen sind sich Spieleentwicklerinnen und -entwickler oft selbst nicht bewusst“, erklärt Voit. Auf der Grundlage ihrer Analysen entwickelte das Team einen analogen Prototyp, die „Game Design Toolbox“, mit der sich motivierende Gamification- und Spielkonzepte entwickeln lassen. Jedes Spielelement wird hier auf eigenen Karten dargestellt, die sich zu einem Netzwerk verbinden lassen. Diesen analogen Prototyp hat das Projektteam gemeinsam mit externen Partnern auf seine Praxistauglichkeit getestet. Seit diesem Jahr gibt es ein kommerzielles Lizenz- und Weiterbildungsangebot, das sich an Unternehmen, sozialen Einrichtungen und Kultureinrichtungen richtet. Die Teilnehmenden lernen dort, wie sie mithilfe der Toolbox passgenaue Motivationskonzepte erarbeiten können.
Mit diesen Erfahrungen hat das Team zuletzt eine App entwickelt, die die Forschungsergebnisse auch digital verfügbar macht. Darauf aufbauend ist ein KI-basiertes Assistenzsystem entstanden. Dieses empfiehlt, in welche Richtung das entsprechende Spielkonzept weiterentwickelt werden sollte. Es schlägt die Elemente und Kombinationen vor, die sich in vielen Spielen bereits bewährt haben, und zeigt auf, welche Strukturen sich für welche Spiele am besten eignen und sich optimal verknüpfen lassen. Die KI hilft auch bei Problemstellungen: Sind beispielsweise die Regeln eines Spieles zu kompliziert oder die Entscheidungsunsicherheit zu groß, verlieren die Spielenden das Interesse. Aufgrund von quantitativer Analysen schlägt die KI verschiedene Lösungsideen vor, mit welchen Elementen sich diese Probleme spielerisch lösen lassen. Inzwischen ist so ein Katalog von 104 Spiel-Design-Elementen und 1.880 beschriebenen Elementverbindungen entstanden, der sich auf rund 44.000 empirische Evidenzen stützt.
Die Anwendungsfelder sind vielfältig. So hat beispielsweise das Stadtmuseum Tübingen eine Ausstellung über die Zeit der Nationalsozialisten mithilfe von Gamification erstellt, die gerade das jüngere Publikum spielerisch an das Thema heranführt. „Die KI hat dabei geholfen, neue Ideen für die Ausstellung zu entwickeln“, sagt Voit. In Zusammenarbeit mit der Fakultät Sozialwissenschaften hat der Doktorand Benjamin Löhner ein Gamificationkonzept für die Drogenberatung entwickelt. Die Drogenberatung kann für die Klientinnen und Klienten sehr anstrengend sein. Durch einen spielerischen Ansatz könnten sie einen neuen Zugang zu diesem Thema finden und so die Beratung erfolgreicher absolvieren. Durch den Gamificationansatz können die Klientinnen und Klienten den Beratungsverlauf spielerisch selbst steuern und autonom entscheiden, wann sie welches Angebot durchführen möchten. Auch Jugendrichterinnen und -richter in Nürnberg haben dieses Potenzial bereits erkannt und verweisen bei Verhandlungen auf dieses spielerische Beratungsangebot.  
Im interdisziplinären Projekt „EMPAMOS“ arbeitet Voit mit verschiedenen Fakultäten zusammen. Die Fakultät Informatik übernimmt den KI-Anteil und die Spielanalyse. Prof. Dr. Robert Lehman von der Fakultät Sozialwissenschaften erforscht den Einsatz im sozialen Bereich und Prof. Dr. Laila Hofmann von der Fakultät Betriebswirtschaft den Einsatz in Unternehmen und der Personalführung. „Im Prinzip kann Gamification in vielen Unternehmensprozessen eingesetzt werden. Es gibt in vielen Bereich oft starre Regeln und Aufgaben, die man durchführen muss und einengend wirken. Auch bei Spielen gibt es Regeln, an die man sich halten muss, aber aus diesen ergeben sich paradoxerweise Spielräume, die uns zum Handeln motivieren. Die spannende Frage ist, was man aus solchen Spielregeln für das tägliche Leben lernen kann, damit auch hier die Regeln und Aufgaben Spaß machen“, erklärt Voit. „Denn Spiele zeigen uns, unter welchen Bedingungen wir uns autonom handelnd, kompetent und sozial eingebunden erleben.“
 

An dem Projekt arbeiten innerhalb der TH Nürnberg mit:
Prof. Dr. Thomas Voit
Alexander Schneider

Fakultät Informatik
Prof. Dr. Robert Lehmann
Max Höllen
Benjamin Löhner

Fakultät Sozialwissenschaften
Prof. Dr. Laila Hofmann
Fakultät Betriebswirtschaft
Dr. Thomas Bröker
Dr. Benjamin Zinger

Forschungs- und Innovationslabor Digitale Lehre (FIDL)

Externe Partner:
Deutsches Spielearchiv Nürnberg
besser wie gut GmbH
LEONARDO – Zentrum für Kreativität und Innovation

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