AR增强现实的特点和教育潜力

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计算机科学和教育技术领域的研究人员给出了AR各种定义。 Milgram、Takemura、Utsumi和Kishino从广义和狭义两个维度定义了“增强现实”:广义上是指“增强的自然反馈操作和模拟线索”; 狭义上,他们注重技术方面,认为AR就是“虚拟现实”。 也有学者根据AR的功能或特性来定义AR。例如Azuma认为AR可以定义为一个系统满足三个基本特征:真实与虚拟世界的融合、实时交互、3D空间中虚拟与真实物体的准确配准。

在教育领域,基于AR技术的虚拟学习环境虽然是一个新鲜事物,但它的一些特点符合一些教育理论观点。 例如:(1)行为主义认为学习是一个刺激-反应(SR)连接公式,学习是通过从刺激中得到反应来完成的。 在AR虚拟学习环境中,学习者与环境进行交互,可以快速获得反馈结果,并根据反馈结果决定下一步操作,建立知识与反应之间的联系; (2)AR虚拟学习环境包含丰富的构建工具包和表演场地,更强调学习者自己的掌控。 这不仅符合皮亚杰“把实验室搬到课堂”的愿景和实践,也符合“学习是对真实情境的体验”的建构主义学习理论。

AR的许多引人注目的功能都可以应用到教育领域,当它与多种类型的技术结合时,可以发挥更大的潜力。 基于AR研究,以将其应用于教育为目的,我们将AR教育系统的特点和功能分为五个方向。

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(1)抽象学习内容可视化、形象化

首先,AR 通过允许学生亲自接触 3D 模型来增强学习体验。 AR 使学生能够使用 3D 模型来增强他们对现实生活场景的视觉感知。 学生能够从各种不同的角度观察 3D 模型,从而增强他们对现实生活事物的理解。 Kerawalla、Luckin、Seljeflot和Woolard展示了基于3D增强现实技术的天文学教学示例:教师和学生使用白板、投影、网络摄像头、增强现实空间和虚拟3D模型等教学用品进行观察; 同时,通过旋转虚拟3D地球来探索地球与太阳、白天与黑夜的关系。 AR系统可以让学习者利用粒子、矢量、符号等虚拟元素,用肉眼观察抽象的科学概念和气流、磁场等难以观察的现象。 Fjeld和Voegtli利用AR技术让学生选择化学元素形成3D分子结构模型,并且还可以任意旋转分子模型。 Clark、Dünser和Grasset曾经使用一本以普通纸张为基础的带有3D内容的图画书,让孩子们观察瞬间弹出的3D模型,从而将书中的内容形象化。 磁场是看不见、摸不着的,但它却客观存在。 蔡、蒋、孙、林、李选择了初中物理中的磁场和磁力线作为教学内容。 他们使用 AR 和 Kinect 设备创建了体感教学软件来教授磁场。 学习者通过手势与磁场进行可视化和实时自然交互。 实证研究结果表明,使用这种基于增强现实的体感教学软件可以极大地提高学生学习的效率和效果。 这些增强现实元素产生的可视化可以极大地增强学生对抽象概念和无形现象的感知。

(2) 支持无处不在的环境下的情境学习

移动 AR 系统由移动设备、无线网络和本地注册技术提供支持,借助真实环境中的计算机模拟、游戏、模型和虚拟对象,可以实现无处不在的协作和情境学习。 加强。 该系统的特点包括便利性、交互性、情境性、连接性和个性化。 移动设备上的一些增强现实游戏旨在支持课外学习,例如《环境侦探》和《疯狂城市之谜》。 在环境侦探中,学生使用平板电脑进行检测,收集特定地点的数据,分析和解释数据,并最终根据关系得出结论。 Squire和Klopfer指出,让学生在真实空间中玩虚拟游戏可以提高学生对环境的感知,并鼓励他们根据所有环境因素做出明智的决定。 有学者提出,在移动环境中使用手持设备会导致学生注意力不集中,从而增加任务中断的机会。 但由于AR系统可以检测学生当前的位置和工作状态,因此可以及时发出任务提醒和待选择的选项,以集中学生的注意力。 这些嵌入式提醒可以减少任务中断的机会,从而控制学生的注意力。 此外,当学生与网络连接的移动设备面对面互动时,社交互动性也会得到增强。

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(3)提高学习者的临场感、直觉和专注力

布朗克提到,增强现实软件和其他沉浸式学习媒体(如教育游戏和虚拟空间)可以给学习者一种临场感,增强他们的直觉,并让他们保持专注。 首先,AR可以给学习者一个特殊的空间,让他们感觉自己和其他人在同一个地方。 这种存在感可以增强学生对学习社区的看法。 其次,AR 系统通过提供即时反馈和语音或非语音提示来培养学生的直觉。 由于直觉对于培养学习中的情感价值非常重要,而AR可以精确地整合学习者、虚拟元素或信息以及真实环境中的某些特征,因此AR在培养学习者的直觉方面具有巨大的潜力。 。 最后,像AR这样的沉浸式媒体可以给学习者一种身临其境的感觉,这也是一个人在全面、真实的体验中所产生的主观感受。 Dede还提到,沉浸式环境可以将学习内容转化为现实世界的问题和环境。 “311日本地震”后,针对福岛核电站发生的核事故,张、吴、许提出了一项旨在支持学生学习核能应用、放射性污染等社会科学问题的研究:几名九年级学生假设自己的校园位于距离核电站12公里处,利用Android系统设备收集了核电站氢泄漏事故第一天的虚拟辐射排放值等数据植物。 这项研究发现学生对 AR 活动的看法与对原子核的态度变化之间存在显着相关性,也表明 AR 可能会影响学习者对现实世界问题的情感态度。

(4)用自然的方式与学习对象互动

一些使用传统多媒体技术(例如 Flash)的实验无法模拟“真实体验”。 比如,中学数学概率知识点中有一个经典的抛硬币实验。 科学证明,抛硬币正面和反面的概率各为 50%。 确实可以通过flash动画来模拟抛硬币的过程,统计随机正面和反面的结果。 然而,所有的Flash图像都是计算机生成的虚拟图像,与学生生活的真实环境没有任何联系。 同时,学生也会怀疑计算机随机的正负结果是否是预设的程序。 而且,通过点击Flash中的按钮,学生不会有在真实环境中掷硬币的感觉。 但利用AR技术,你可以快速记录统计结果,以真正“抛”硬币的方式体验玩游戏的沉浸感。 另一个例子是基于AR的凸透镜成像实验。 学生直接用手操作虚拟蜡烛和透镜,改变物距,观察不同的实验现象。 这种无需鼠标或键盘操作的自然交互方式与做真实实验的感觉是一样的。 持续的。

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(5) 正式学习与非正式学习相结合

“CONNECT”项目利用AR等技术手段构建一个关于科学的虚拟主题公园环境,分为学校模式和博物馆模式。 活动分为虚拟和现实两部分,包括科技馆参观、课前课后参观、实验建模等。本次项目中,学生通过虚拟参观,利用AR技术将在学校学到的科学知识联系起来。 Connect项目最近的一项评估表明,学习环境必须影响学生的内在学习动机,无论是对科学知识的学习还是对某些知识的理解相互冲突的概念。

然而,上述一些特性和功能可能并不是AR所独有的,其他领域,例如移动学习环境,也可能有类似的技术或概念。 因此,为了开发和实现AR的更多功能,最重要的是探索如何将AR的这些用途应用到不同的教学方法中,以达到相应的教学目标。

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