Bewegungsmangel ist nach wie vor eine der größten gesellschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die Spieleindustrie und die Fitnessbranche haben auf diese alarmierende Tatsache mit der Einführung spielbasierter oder gamifizierter Trainingsszenarien reagiert und damit den vielversprechenden Trend des Exergamings etabliert. Exergames – Spiele, die durch aktive (Ganz-) Körperbewegungen gesteuert werden – wurden als potenziell attraktive und effektive Trainingswerkzeuge angepriesen. Allerdings erreicht die Mehrzahl der Exergames weder die geforderte Intensität oder Effektivität, noch induzieren sie die beabsichtigte Trainingsadhärenz oder Langzeitmotivation. Ein Grund dafür ist, dass die evaluierten Exergames oftmals weder unter Berücksichtigung spezieller Anforderungen und Präferenzen der jeweiligen Zielgruppen entwickelt noch mit dieser co-designt wurden. Ebenfalls wurde häufig nicht mit einem interdisziplinären Expertenteam bestehend aus Game Designerinnen und Designern (für ein gutes Spielerlebnis) sowie Sportwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern (für ein gutes Trainingserlebnis) zusammengearbeitet. Die Forschungsergebnisse aus Studien mit diesen Exergames sind dementsprechend limitiert.

Um das Potenzial dieser innovativen Trainingsgeräte voll auszuschöpfen und sie als attraktiven und effektiven Trainingsansatz zu etablieren, ist es notwendig sowohl die zugrundeliegenden interdisziplinären Theorien und Konzepte als auch mögliche Designansätze und deren Auswirkungen auf die Spiel- und Trainingserfahrung zu verstehen und zu erforschen. Diese Dissertation soll zu einem besseren Verständnis von gut ausbalanciertem Exergame-Design beitragen. Sie exploriert und evaluiert, wie unterschiedliche bewegungsbasierte Steuerungsgeräte, Bewegungskonzepte, Spieladaptionen und Spielermodi die Attraktivität und Effektivität von Exergames beeinflussen. Die Arbeit liefert theoretische und praktische Beiträge zum Problemfeld effektiver und attraktiver Exergames. Dazu wurde ein Forschungs- und Entwicklungsansatz (F&E) mit iterativen Phasen verfolgt.

Als Vorarbeit für die Beiträge dieser Dissertation wurden Exergames zunächst aus einer theoretischen Perspektive betrachtet. Die grundlegenden multidisziplinären Theorien und Konzepte aus relevanten Bereichen wurden analysiert und ein generisches Rahmenmodell entwickelt, das die gewonnenen Erkenntnisse anhand von drei voneinander abhängigen Dimensionen gliederte: dem Spieler bzw. der Spielerin, dem Spielcontroller und dem virtuellen Spielszenario. Anschließend wurden kommerziell erhältliche Exergames untersucht, um die theoriegeleitete Annahme zu prüfen, dass die Interposition von Technologie spezifische Transformationen in der Kopplung von Wahrnehmung und Handlung hervorruft, die in realen Sportsituationen nicht existieren. Die vergleichende Pilotstudie konnte unter anderem zeigen, dass zwei verschiedene Controller (ein gestenbasiertes und ein haptisches Gerät), die jeweils andere physische Bewegungseingaben ermöglichten, unterschiedliche Spielerfahrungen (z.B. ein besseres Flow- und Selbstverortungserlebnis mit der haptischen Steuerung) bei Spielerinnen und Spielern mit unterschiedlichen Fähigkeiten induzierten. Aufgrund designspezifischer Unterschiede in den beiden Exergame-Bedingungen konnten diese Ergebnisse jedoch nur als ein erster Trend interpretiert werden.

Um bestehende Limitationen des vorangegangenen Studienansatzes zu überwinden (z.B. das ungleiche Spieldesign der kommerziellen Exergames und ein sehr sportartspezifisches Bewegungskonzept), wurde Plunder Planet konzipiert, eine adaptive Exergame-Umgebung, die iterativ mit und für Kinder entwickelt wurde und ein Einzel- sowie kooperatives Mehrspielererlebnis mit zwei verschiedenen Controller-Geräten ermöglichte. Das nutzerzentrierte Design wurde zudem basierend auf Erkenntnissen aus der wachsenden Zahl thematisch relevanter F&E-Arbeiten erweitert. Die erste Studie dieser Dissertation verglich die subjektiv erlebte Attraktivität und Effektivität von Plunder Planet beim Spielen mit verschiedenen bewegungsbasierten Controllern. Neben einer allgemein großen Akzeptanz des Exergames konnte festgestellt werden, dass die haptische Ganzkörperbewegungssteuerung eine physische Orientierung sowie ein kognitiv und koordinativ herausforderndes Training bot, das von erfahrenen Spielerinnen und Spielern mit geringer ausgeprägten sportlichen Fähigkeiten besser bewertet wurde. Der gestenbasierte Kinect-Sensor fühlte sich hingegen natürlicher an, erlaubte eine höhere Bewegungsfreiheit und bot ein körperlich intensiveres, aber kognitiv weniger herausforderndes Training, das von sportlichen Spielerinnen und Spielern mit weniger Spielerfahrung besser bewertet wurde. Darüber hinaus wurde mit einem explorativen adaptiven Algorithmus experimentiert, der es ermöglichte, die kognitive und physische Herausforderung des Exergames in Echtzeit und auf Grundlage der Fitness und Spielfähigkeiten der Spielerinnen und Spieler manuell anzupassen. Die erste und die zweite Studie verglichen außerdem eine adaptive mit einer nicht-adaptiven Einzelspielerversion von Plunder Planet. Es konnte gezeigt werden, dass eine (gut ausbalancierte) adaptive Version des Exergames hinsichtlich der subjektiv erlebten Attraktivität (Motivation, Spielfluss, räumliche Präsenzerfahrung, Balance zwischen kognitiver und physischer Herausforderung) und Effektivität (körperliche Anstrengung, Balance zwischen kognitiver und physischer Herausforderung) von unterschiedlichen Spielertypen besser bewertet wurde als die nicht-adaptive Version. Schließlich konnte entgegen der Erkenntnisse anderer Arbeiten in der dritten Studie gezeigt werden, dass die speziell entwickelte Controller-Technologie als „Enabler“, „Supporter“ und „Shaper“ des körperlichen Zusammenspiels beim sozialen Exergaming eingesetzt werden kann.

Basierend auf diesen Erkenntnissen war nachfolgend das Ziel, die Effektivität von Exergames weiter zu explorieren, den Algorithmus für adaptive Spielschwierigkeiten zu optimieren und weitere attraktivitäts- und motivationsfördernde Designansätze zu erforschen. Dazu wurde der ExerCube entwickelt, eine physisch-immersive und adaptive Fitnessspielumgebung, die iterativ mit und für Erwachsene konzipiert wurde und sowohl kooperative als auch kompetitive Exergame-Erlebnisse ermöglichte. Mit seiner physisch-immersiven Spielumgebung kombiniert der ExerCube verschiedene Vorteile der beiden zuvor getesteten Controller-Technologien. In der vierten Studie wurde ein koordinativ und kognitiv herausforderndes, funktionelles Trainingsprotokoll mit skalierbarer Intensität (moderate bis hohe Intensität) entwickelt und das subjektive ExerCube-Erlebnis mit einem funktionellen Intervalltraining mit einem Personal Trainer verglichen. Die Machbarkeit des spielbasierten Trainings konnte belegt werden und Indizien auf eine vergleichbare Intensität wie beim Personal Training sowie bessere Bewertungen des Flows, der Motivation und des Vergnügens gefunden werden. Auf der Grundlage des Vergleichs des ExerCubes mit einer Personal Trainer-Einheit konnten darüber hinaus wertvolle Anknüpfungspunkte für weiterführende Designs identifiziert werden. Unter anderem konnte nachgewiesen werden, dass der Fokus der Spielerinnen und Spieler während des ExerCube-Trainings stärker auf das Spiel als auf den eigenen Körper gerichtet war. Die Spielerinnen und Spieler erlebten eine intensivere körperliche Anstrengung und sozialen Druck mit dem Personal Trainer sowie eine stärkere kognitive Anstrengung und Involvierung mit dem ExerCube. Darüber hinaus wurde eine optimierte Version des bereits zuvor getesteten Algorithmus für adaptive Spielschwierigkeiten implementiert und für diese Studie erstmalig automatisiert. Wiederholt konnte nachgewiesen werden, dass die adaptive Version im Vergleich zur nicht-adaptiven Version Vorteile bezüglich der subjektiv erlebten Attraktivität (Motivation, Spielfluss, Gleichgewicht zwischen kognitiver und körperlicher Herausforderung) und Effektivität (körperliche Anstrengung, Gleichgewicht zwischen kognitiver und körperlicher Herausforderung) hatte. Um das Spielerlebnis weiter auszubauen wurden außerdem Experimente mit spezifischen Sound Designs durchgeführt und ein adaptives Audio-Design samt adaptiver Hintergrundmusik und Sound-Feedback implementiert. Dies erwies sich als vielversprechender und vorteilhafter Zusatz für ein nutzerzentriertes, attraktives Exergame-Design. Anschließend wurden in der fünften Studie verschiedene soziale Spielmechanismen exploriert, um so das Design einer Mehrspielerversion des ExerCubes zu inspirieren. Diese resultierten in unterschiedlich ausgewogenen Erlebnissen von Spaß und körperlicher sowie kognitiver Anstrengung bei den Probanden. Da die vorangegangene vergleichende Studie der subjektiv empfundenen Effektivität und Attraktivität einer ExerCube-Session mit einer Personal Trainer-Einheit die generelle Durchführbarkeit des Konzepts nachweisen konnte und erste Hinweise einer vergleichbaren Intensität des ExerCube-Trainingskonzepts gefunden wurden, wurde nach einer weiteren Design-Iteration in einer abschließenden sechsten Studie die objektiv gemessene Effektivität einer ExerCube-Session mit der einer einzelnen Session eines funktionellen, hochintensiven Intervalltrainings (fHIIT) mit einem Personal Trainer verglichen. Dabei wurde zusätzlich wieder die subjektiv empfundene Attraktivität beider Bedingungen evaluiert. Es konnte gezeigt werden, dass der ExerCube ein praktikables Trainingsgerät für ein Training auf fHIIT-Niveau ist. Während die körperliche Anstrengung etwas geringer war als bei der konventionellen fHIIT-Einheit, erreichten die durchschnittlichen Herzfrequenzwerte in der ExerCube-Session die fHIIT-Schwelle und führte verglichen zur Personal Trainer-Session zu signifikant besseren Ergebnissen für Flow, Vergnügen und Motivation. Das ExerCube-Training führte zudem zu einer subjektiv erlebten, höheren kognitiven Belastung (Dual-Domain-Training).

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass diese Dissertation wertvolle und grundlegende Forschungsbeiträge zum vielversprechenden Feld der Exergames als attraktive und effektive Trainingsinstrumente liefert. Darüber hinaus konnten wichtige Beiträge zu Designfragen in diesem Gebiet erarbeitet werden. Da dieses Gebiet noch weitestgehend unerforscht ist, schafft die vorliegende Arbeit eine solide Grundlage für zukünftige F&E-Arbeiten in diesem Bereich.