$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
خضعت هذه الدراسة لمراجعة دقيقة وموافقة من لجنة مراجعة الأخلاقيات ذات الصلة، وتلتزم عملية البحث بالكامل بدقة بإعلان هلسنكي ومعايير أخلاقيات البحث الأكاديمي المعمول بها، مع حماية كاملة للحقوق والمصالح المشروعة، والرفاهية الجسدية والعقلية، والخصوصية الشخصية للمشاركين.
تتوافق عملية التوظيف للمشاركين في البحث مع المتطلبات الأخلاقية، وقد وقع جميع المشاركين على نموذج موافقة مستنيرة مكتوبة قبل المشاركة في الدراسة. نموذج الموافقة المستنيرة واضح وسهل الفهم ويصف بشكل صريح نطاق جمع البيانات (بما في ذلك الأداء الأكاديمي، وبيانات تقييم النظام، ورضا المستخدم)، وهدف استخدام البيانات (فقط للتحليل الأكاديمي في هذه الدراسة)، والإجراءات المتخذة لضمان سرية البيانات. كانت المشاركة طوعية بالكامل، وقدم جميع المشاركين موافقة مستنيرة دون أي إكراه أو تحفيز. المعدات المستخدمة مدرجة في جدول المواد.
1. المشاركون، تصميم الدراسة، وإطار التقييم
يتم اختيار 200 طالب جامعي (106 ذكور و94 أنثى، بمتوسط عمر 20.4 ± 1.2 سنة) و100 معلم (52 ذكور و48 أنثى، بمتوسط خبرة تدريس 8.6 ± 4.3 سنوات) عشوائيا من تخصصات العلوم والهندسة في جامعة معينة كمشاركين. تم تقسيم المشاركين عشوائيا إلى مجموعة تجريبية ومجموعة ضابطة باستخدام طريقة أخذ عينات عشوائية طبقية، مع 150 شخصا في كل مجموعة. يؤكد اختبار المعرفة الأساسية قبل التجربة أنه لا يوجد فرق ذو دلالة إحصائية (p > 0.05) في مستوى المعرفة الأولي بين المجموعتين. تستخدم مجموعة التجارب نظام تدريس قائم على تقنية الواقع المعزز، بينما تستخدم مجموعة الضابطين أساليب التدريس التقليدية. تشير طرق التدريس التقليدية إلى عملية التدريس الموحدة المعتمدة على نطاق واسع والتي تركز على المعلمين والكتب الدراسية. يشمل ذلك محاضرات المعلمين، وتعلم الكتب الدراسية والخرائط الثابتة، والحسابات النظرية، ولا يتضمن أي محاكاة تفاعلية ثلاثية الأبعاد أو تقنية الواقع المعزز. معايير الإدراج هي: يجب أن يكون طلاب البكالوريوس قد أكملوا المادة الأساسية لميكانيكا المواد، ويجب أن يكون لدى المعلمين خبرة تدريسية ذات صلة في الدورة. معايير الاستبعاد هي: أولئك الذين لديهم تاريخ من ضعف بصري شديد أو دوار الحركة. يوقع جميع المشاركين على استمارات موافقة مستنيرة ويبلغون بأنه يمكنهم الانسحاب من التجربة في أي وقت. فترة التجربة هي 12 شهرا، ويتم جمع بيانات الأداء الأكاديمي وتقييم النظام قبل بدء التجربة، في الشهر السادس، والثاني عشر. تعتمد أداة التقييم نظام "مؤشر تقييم الألعاب التعليمية" الذي طورته بنفسها (في الجدول 1) لتقييم فعالية النظام من ثلاثة أبعاد: تعليمي، وألعاب، وقابلية التطبيق، مع ما مجموعه 15 مؤشرا. يتم جمع بيانات رضا المستخدمين، وتغطي أربعة جوانب: سهولة التشغيل، دقة المحتوى، سرعة الاستجابة، ووضوح المؤشرات.
2. تكوين النظام التجريبي، والإجراءات، وتحليل البيانات
تشمل معدات الأجهزة جهاز عرض AR (Microsoft HoloLens 2)، وكاميرا عمق مدمجة وكاميرا RGB، وجهاز كمبيوتر مزود بمعالج Intel Core i9-11950H، وذاكرة RAM بسعة 32GB، وبطاقة رسومات A2000. يستخدم نظام التشغيل ويندوز 11، ومحرك التطوير يستخدم Unity 2021، ومكتبة رؤية الحاسوب تستخدم OpenCV 4.13.0، وبيئة التطوير المتكاملة هي Visual Studio 2022. عندما يحدث تغيير كبير في إضاءة البيئة التجريبية أو عندما تستخدم المعدات لأول مرة في ذلك الفضاء الفيزيائي، يجب إجراء معايرة الكاميرا. يعمل على سكريبت المعايرة المدمج CalibrationScript. قم بالتقاط ما لا يقل عن 15 صورة على رقعة الشطرنج من زوايا ومواقع مختلفة باستخدام كاميرا HoloLens. يقوم السكربت بحساب المعلمات الجوهرية للكاميرا ومعاملات التشويه تلقائيا. المعيار للمعايرة الناجحة هو أن متوسط خطأ إعادة الإسقاط أقل من 0.5 بكسل. إذا لم يتم الالتزام بالمعيار، سيقوم النظام بطلب إعادة التقاط الصورة. بعد معايرة ناجحة، يتم إخراج معلمات المعايرة لاستدعاءات وحدات التسجيل ثلاثية الأبعاد لاحقة.
تجرى التجربة في الأماكن المغلقة، مع الحفاظ على الضوء المحيط عند 300 ± 50 لوكس. توضع البطاقة التجريبية ذات العلامات الخاصة بالواقع المعزز في وسط الطاولة، وحافة البطاقة موازية لحافة الطاولة. يتم ضبط موقع الملاحظة ليكون على بعد حوالي 60 سم من مركز البطاقة بكلتا العينين، وتركز كاميرا HoloLens 2 في البداية على مستوى البطاقة. تعتمد تفاعلات الإيماءات إيماءات "شعاع اليد" و"نقرة الهواء" المعدة مسبقا في HoloLens 2. يتم تمديد إصبع السبابة، وتسحب الأصابع الأخرى موجهة إلى العينة الافتراضية، وتحافظ على إيماءة مستقرة لأكثر من 0.5 ثانية لاختيار الجسم. بعد ذلك، تطبق القوة بدفع إصبع السبابة بسرعة إلى الأمام، مع تطبيق قيمة قوة افتراضية تبلغ 50 نيوتن من قبل النظام على محور العينة الافتراضية. الوقت المتوقع لنجاح التشغيل لإكمال تفاعل الإيماءة الكامل هو 1–2 ثانية. يتم تعيين معلمات رؤية الحاسوب للنظام كما يلي: استدعاء دالة aruco.detectMarkers في OpenCV في Unity لاكتشاف العتبة (adaptiveThreshWinSizeMin=3, adaptiveThreshWinSizeMax=23). نقطة التحقق في اكتشاف العلامات هي أن النظام يحتاج إلى التعرف بشكل مستقر على نفس العلامة (الثقة>0.95) في تدفق فيديو مستمر من 30 إطارا قبل تفعيل عرض الكائن الافتراضي. عندما ينجح الكشف، ستعرض الحافة المميزة على الشاشة حافة خضراء ومصحوبة بتغذية راجعة اهتزازية قصيرة. تستخدم معايرة الكاميرا نظام CalibrationScript المدمج. خط CS، الذي يتطلب نمط رقعة شطرنج يحتوي على 9 × 6 نقاط زاوية داخلية وطول جانبي 2.5 سم. يجب عرض ما لا يقل عن 15 إطارا من النمط من زوايا مختلفة ضمن مجال رؤية الكاميرا. معيار المعايرة الناجح هو متوسط خطأ إعادة إسقاط أقل من 0.5 بكسل. يجب أن تكتمل عملية المعايرة خلال دقيقتين. بعد النجاح، يجب إخراج سجل "نجاح المعايرة" في وحدة تحرير Unity، ويجب عرض مخروط الكاميرا المعايرة في المشهد. يعتمد عرض الكائنات الافتراضية خط أنابيب العرض في الوقت الحقيقي من Unity، مع نموذج تظليل مواد وإضاءة قياسيين يتوافقان مع الضوء المحيط.
تتضمن العملية التجريبية بشكل رئيسي أربع خطوات. أولا، يرتدي ويضبط جهاز HoloLens 2 بشكل صحيح. ثانيا، يضع البطاقة التجريبية التي تحمل علامات AR محددة على سطح المكتب. تقوم كاميرا النظام بالتقاط تدفقات الفيديو باستمرار. يستدعي وظيفة aruco.detectMarkers في OpenCV لاكتشاف العلامات والتعرف عليها. ثالثا، بعد تحديد العلامة بنجاح، يقوم النظام بعرض العينة المادية الافتراضية في العالم الحقيقي وفقا للمعادلات (1)–(4). يمكن تحويل نظام الإحداثيات للبيئة الافتراضية ζηξ ونظام الإحداثيات في البيئة الحقيقية xyz، وتظهر معادلة التحويل في المعادلة (1).
[xyz1] = [ζηξ1] A (1)
في المعادلة (1)، تمثل A مصفوفة التحويل بين نظامين، حيث يمكن أيضا تحويل البيئة الحقيقية xyz والكاميرا x'y'z'. تظهر معادلة التغيير في المعادلة (2).
[x'y'z'1] = [ζηξ1] AB (2)
في المعادلة (2)، يمثل B مصفوفة التحويل بين نظامي الإحداثيات. يقوم x'y'z' بعرض الأجسام الافتراضية المتتبعة إلى نظام الإحداثيات ثنائي الأبعاد للأشعة فوق البنفسجية، لتحقيق تسجيل دقيق للبيئة الافتراضية في البيئة الحقيقية. يظهر التحول بين إحداثيات الشاشة وإحداثيات الكاميرا x'y'z' لإسقاط اندماج الأجسام الافتراضية والبيئات الحقيقية في المعادلة (3).
(3)
في المعادلة (3)، يمثل dx عدد البكسلات في الاتجاه المحوري x. dy هو عدد البكسلات في الاتجاه المحوري y. تظهر العلاقة الهندسية بين الكاميرا ونظام إحداثيات الصورة التي يتم إسقاطها من اندماج الكائن الافتراضي والبيئة الحقيقية في المعادلة (4) باستخدام معادلة مثلث مماثلة.
(4)
من خلال تطبيق القوة على العينة الافتراضية عبر إيماءات محددة مسبقا، يحسب النظام ويتصور توزيع الإجهاد والتشوه في العينة في الوقت الحقيقي بناء على المعادلات (5)–(7). القوة الداخلية لكل وحدة مساحة هي الإجهاد، كما هو موضح في المعادلة (5).
(5)
في المعادلة (5)، تشير F إلى القوة، A هي مساحة المقطع العرضي، وpm هي الإجهاد لكل وحدة مساحة. يتم إظهار الإجهاد الكلي في المعادلة (6).
(6)
في المعادلة (6)، تمثل p مكون الإجهاد الكلي (إجهاد كلي)، σ هو الإجهاد الطبيعي، ومكون الإجهاد العمودي على المقطع، وτ هو إجهاد القص ومكون الإجهاد المماس للقطع. يتم إظهار الإجهاد الطبيعي في المعادلة (7).
(7)
في المعادلة (7)، FN هي القوة المحورية وA هي مساحة المقطع العرضي. رابعا، تسجيل البيانات وتوليد التقارير. يتم حفظ البيانات الرئيسية التي يتم توليدها أثناء التجربة تلقائيا بصيغة CSV. يقوم بإنشاء تقرير تجريبي بصيغة PDF بعد التجربة، يتضمن منحنيات الإجهاد-الانفعال وملخصات البيانات الرئيسية. يتم تصدير جميع الملفات إلى الدليل المحلي وتسمى بصيغة تاريخ التجربة+نوع التجربة. تشمل خطوات إنهاء البروتوكول تأكيد حفظ البيانات، إيقاف تشغيل الجهاز، إيقاف البرمجيات، وفحص حالة النظام. بعد التجربة، تؤكد الدراسة نهاية التطبيق عبر زر "الخروج من النظام" في القائمة الرئيسية، وتزيل جهاز HoloLens 2، وتغلقه وفقا لإجراءات التشغيل القياسية. وأخيرا، في جهاز التطوير، تم إيقاف وضع تشغيل محرر Unity، وتم إغلاق جميع نوافذ البرمجيات ذات الصلة.
يستخدم SPSS 26.0 لتحليل البيانات. قبل تطبيق اختبار t للعينات الزوجية، يتم أولا تقييم طبيعية فروق تحسين الأداء. يستخدم اختبار شابيرو-ويلك لتحليل جميع المتغيرات ذات الصلة. علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن قيم p لجميع المتغيرات أكبر من 0.05، مما يشير إلى أن البيانات تتوافق مع توزيع طبيعي وتفي بالمتطلبات الأساسية لاختبار t. يستخدم اختبار t للعينات المزدوجة لمقارنة تحسن الأداء بين المجموعات التجريبية والمجموعة الضابطة لبيانات القياسات المتكررة، مثل الرضا. يستخدم تحليل التباين بمقاييس متكررة لتقييم التغيرات مع مرور الوقت. مستوى الدلالة مضبوط على p<0.05. بالإضافة إلى ذلك، لتقييم حجم التأثير، يتم حساب قيمة كوهين d، حيث يشير d>0.8 إلى تأثير كبير.
3. بناء نظام تعليم العلوم بناء على لعبة تدريس تقنية الواقع المعزز
تماشيا مع معايير التدريس العلمي، تستخدم الميزات التفاعلية لتقنية الواقع المعزز وأنظمة التدريس لإدخالها في التعليم وإطلاق إمكاناتها الأكبر. تقنية الواقع المعزز لها أهمية كبيرة في تدريس العلوم. أولا، يمكنه تجسيد وتصور محتوى التعلم المجرد. الثاني هو تعزيز تجربة التعلم للمتعلمين، حتى يحصلون على إحساس أفضل بالمشاركة والتركيز. لذلك، من المهم جدا دمج نظام التدريس مع فصل دراسي للتعليم. تصميم نظام هذه الدراسة يسترشد بالتعلم التجريبي والمبادئ البنيوية. يهدف إلى تحويل المفاهيم المجردة إلى أشياء بصرية ملموسة وقابلة للملاحظة من خلال آليات تفاعل الواقع المعزز، وتشجيع الطلاب على بناء المعرفة بشكل نشط. وفي الوقت نفسه، يتم تقديم نموذج قبول التكنولوجيا لتقييم الفائدة المدركة وسهولة استخدام النظام، وبالتالي قياس إمكاناته العملية للتطبيق.
3.1 دمج الألعاب التعليمية وتقنية الواقع المعزز
تدمج تقنية الواقع المعزز البيئات الافتراضية والحقيقية، مما يوفر للمستخدمين تجربة حسية جديدة. تقوم تقنية الواقع المعزز أولا بتتبع وجمع نقاط الميزات من مشاهد حقيقية، ثم تقوم بالتعرف على الصور. الثاني هو تتبع الصورة في موقع خريطة العلامات. زاوية الكاميرا والمعلومات الأخرى مهمة18. وأخيرا، من خلال إدراك حساسية الكاميرا للبيئة وتراكب النموذج، يمكن تحقيق دمج الواقعية والافتراضية، مما يحقق تأثيرا غامرا. يظهر تطبيق تقنية الواقع المعزز في الشكل 1.

الشكل 1: خطوات تنفيذ تقنية الواقع المعزز. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
اللعبة التعليمية هي برنامج ألعاب كمبيوتر يدمج بين وظيفة التعليم ووظيفة الترفيه. يمكن أن تنمي الذكاء والمهارات والمعرفة والمواقف والقيم لدى مستخدمي الألعاب، ولا ينبغي الاستهانة بتأثيرها على المتعلمين. تتميز تقنية الواقع المعزز بثلاث ميزات أساسية مهمة. أولا، يدمج بدقة بين الافتراضي والواقع، ويدمج المشهد ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه مع البيئة الحقيقية، ويحفز جميع حواس المستخدم، ويسمح للمستخدم بتجربة العالم الحقيقي19. الثاني هو استخدام الأجهزة الذكية الحديثة لتحقيق تفاعل ذكي بين الناس والأجهزة. وأخيرا، يتم تسجيل البيئة ثلاثية الأبعاد التي يتم إنشاؤها بالحاسوب مع الهدف الفعلي في الأبعاد ثلاثية الأبعاد. يمكن للمستخدمين الاستمرار في تتبع الأشياء الحقيقية دون فقدانها والحفاظ على تتبع دقيق في جميع الأوقات. مبدأ تقنية التسجيل ثلاثي الأبعاد موضح في الشكل 2.

الشكل 2: مخطط تخطيطي للتسجيل ثلاثي الأبعاد. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
المخطط التخطيطي ثلاثي الأبعاد للتسجيل الموضح في الشكل 2، حيث x'y'z' هي إحداثيات الكاميرا، xyz هي الإحداثيات المحددة للبيئة الحقيقية، ζηξ هي إحداثيات البيئة الافتراضية، UV هي إحداثيات الشاشة لعرض اندماج الكائن الافتراضي والبيئة الحقيقية، و''o'z' هي اتجاه خط رؤية المستخدم. بعد التجانس والدمج، يظهر الحساب في المعادلة (4). تكمن الأهمية التعليمية لتقنية التسجيل ثلاثي الأبعاد (المعادلات (1)–(4)) في قدرتها على تحويل أنظمة الإحداثيات الافتراضية المجردة إلى طبقات بصرية مستقرة ودقيقة على شاشات الطلاب. تضمن هذه التقنية أن النماذج الافتراضية يمكن ربطها بفعالية ببطاقات العلامات الواقعية، ولن ينحرف النموذج أو يهتز عندما يتحرك الطلاب من منظورهم. تكمن القيمة التعليمية المباشرة لهذه التقنية في قدرتها على توفير بيئة مراقبة مستقرة وجديرة بالثقة للطلاب. تمكن هذه البيئة الطلاب من مراقبة والتفكير في العينات الميكانيكية الافتراضية من أي زاوية. ونتيجة لذلك، يطور الطلاب الخيال المكاني والقدرة على الملاحظة متعددة الزوايا.
3.2 تحليل الطلب على ألعاب العلوم التعليمية المبنية على تقنية الواقع المعزز
لتحقيق أهداف التدريس في العلوم، يحتاج المتعلمون إلى اكتساب المعرفة والمهارات والتجارب السلوكية بشكل منهجي. عند تصميم ألعاب الواقع المعزز التعليمية، من الضروريتحليل محتوى التدريس بشكل صحيح. اختيار المحتوى التعليمي المناسب، ودمجها مع تقنية الواقع المعزز، وابتكار طرق التدريس يمكن أن يساعد المتعلمين بفعالية على بناء نظام معرفي متماسك. موضوع البحث في ميكانيكا المواد هو مواد مختلفة بأشكال مختلفة من الأجزاء. يدرس بشكل رئيسي القوة والصلابة والثبات تحت قوى مختلفة. لتعزيز تجربة المتعلمين البصرية الحدسية والحس التفاعلي للمشاركة. لذلك، يستخدم الجمع بين تقنية الواقع المعزز ونظام التعليم لتحليل احتياجات تقنية الواقع المعزز في ألعاب تعليم العلوم، مع أخذ تحليل الضغط والإجهاد كمثال. يوفر النظام التحضير التجريبي والمحاكاة لنقاط المعرفة المتعلقة بالإجهاد والإجهاد في الميكانيكا، ويساعد المعلمين في تدريس التجارب. يشمل مستخدمو النظام بشكل رئيسي الزوار والطلاب والمعلمين والإداريين، بينما تشمل وظائفه إدارة التجارب، رفع التجارب، التجارب التفاعلية، وتصور البيانات. النظام موضح في الشكل 3.

الشكل 3: مخطط حالة الاستخدام لنظام تقييم إكمال الدورات التجريبية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
يظهر دمج تقنية الواقع المعزز ونظام التعليم في الشكل 3. يمكن لهذا النظام أن يضمن أن يكون المعلمون مستعدين بشكل كاف قبل بدء الدورة، ويتقنون التجارب، ويديرون الطلاب خلال الدورة. بعد التجربة، يمكن للمعلمين عرض وتقييم تقدم الطلاب، والمساعدة في إدارة بيانات الدورة، وتحسين معدلات إكمال التجارب لدى الطلاب، ومساعدة المسؤولين في إدارة بيانات نتائج تجارب الطلاب. لذلك، فإن نظام تعليم تقنية الواقع المعزز مبني على بنية نموذج عرض التحكم (MVC). يتم عرض وضع معالجة البيانات لهذا الوضع في المعادلة (8).
V(s) = الحد الأقصى لمحاكاة (s) →f(s)) (8)
في المعادلة (8)، تمثل V(s) محتوى البيانات المعروض بواسطة طبقة العرض وفقا لمتطلبات المستخدم، وموارد تعليم sis، وf(s) هي معلومات المستخدم. يتم عرض نمط التشغيل للتفاعل في الوقت الحقيقي بين نظام التعليم المتنوع والمستخدمين في المعادلة (9).
K(s) = si ∩ [f(s1), f(s2),...,ff(sn)] (9)
في المعادلة (9)، تمثل K(s) قاعدة الأعمال للنمط، وs1 تمثل معامل مميز كائنات البيانات، وf(sn) تمثل معامل مميز معلومات طلب المستخدم. استنادا إلى العلاقة التفاعلية بين نظام تعليم علوم تقنية الواقع المعزز والمستخدمين، يتم عرض وضع التشغيل في المعادلة (10).
g(x) = أقصى K(s) → f(s) (10)
في المعادلة (10)، تمثل g(x) كائن الطلب، وf(x) هو مصدر متطلبات المستخدم، وأقصى K(s) هو أقصى قيمة لتشابه الميزات. يتكون وضع MVC من خمسة مكونات رئيسية: الأعمال، وحدة التحكم، الاستمرارية، العرض، وقاعدة البيانات. تربط طبقة العرض المستخدمين والبيانات عبر صفحات الويب، مما يتيح التفاعل، ويوفر وظيفة عرض صفحات الويب. تخزن طبقة البيانات وتعالج البيانات من الطبقة العليا. طبقة الخدمة مسؤولة عن تلبية احتياجات المستخدم وتنفيذ منطق الخدمة. نظام تعليم العلوم بالواقع المعز، المعتمد على وضع MVC، موضح في الشكل 4.

الشكل 4: مخطط البنية التقنية لنظام تدريس العلوم. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
من خلال التفاعل مع قاعدة البيانات، يتم تعيين معلومات تشغيل البيانات التي تم الحصول عليها من طبقة منطق الأعمال عبر طبقة الاستمرارية. طبقة العرض مسؤولة عن عرض واجهة الواجهة الأمامية الرئيسية، ورفع البيانات التجريبية، وعرض نتائج التجارب، وتقييم التقارير التجريبية. تنقسم طبقة منطق الأعمال إلى طبقة عمل ووحدة تحكم تستقبل طلبات المستخدم وتوجهها إلى معالج طبقة منطق الأعمال للمعالجة. تقوم طبقة التكنولوجيا ببناء الكتل المشتركة لعدة كائنات في وحدات منفصلة، مما يتيح الإشارات المباشرة إلى النظام.
3.3 تصميم هندسة نظام التعليم المعتمد على تقنية الواقع المعزز ولعبة التعليم العلمي
تدريس العلوم هو عملية تعليمية وتعلم ذات اتجاهين. لتحقيق أهداف التدريس، يجب أن يتبع تصميم ألعاب الواقع المعزز التعليمية المبادئ الخمسة: التفاعل، والاهتمام، والعلم، وسهولة التشغيل، والتعليم. التفاعلية هي أكبر ميزة في تقنية الواقع المعزز. يجب أن تبرز اللعبة التعليمية مزايا تقنية الواقع المعزز، مما يمكن المتعلمين من الحصول على تجربة غنية وتفاعلية في تجارب تنشط أجواء الفصل وتحسن فعالية التدريس. تم تصميم الألعاب التعليمية بأهداف تعليمية واضحة ونقاط تعليمية رئيسية لتحقيق أهداف التعليم والتعلم معا. لذلك، يشمل نظام التعليم القائم على تقنية الواقع المعزز بشكل رئيسي ست وحدات، كما هو موضح في الشكل 5.

الشكل 5: مخطط وحدة نظام تدريس AR لتعليم العلوم. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
تتكون وحدة نظام التعليم بشكل رئيسي من وحدة مقدمة النظام، وحدة المستخدم، وحدة التجربة، وحدة اختيار التجارب، وحدة الصفحة الرئيسية، ووحدة إحصائيات النتائج. يمكن لوحدة مقدمة التجربة أن تشرح المستخدمين بسهولة وتوفر تعليمات لاستخدام نظام التدريس، بما في ذلك متطلبات التجارب في الصف ومتطلبات تقارير التجريب. تدير وحدة المستخدم المستخدمين، بما في ذلك تسجيل الحساب، وتبديل الحسابات، وتسجيل خروج الحساب، وتعديل كلمات المرور. تستخدم وحدة الاختيار التجريبية شاشة اللمس لاختيار الأجزاء التجريبية. تقوم الوحدة التجريبية بإجراء التعرف على نقاط الميزات وتحليل الميزات على الصور التجريبية المستوردة. كما أنه يضبط فرق الضوء بشكل مناسب للعرض الحقيقي. تصميم نظام التدريس القائم على تقنية الواقع المعزز يركز بشكل وثيق على الأهداف التعليمية. على وجه التحديد، الوظائف التعليمية الأساسية للوحدة التجريبية ووحدة الاختيار التجريبي هي تمكين الطلاب. يمكنهم الاستكشاف بشكل مستقل. تكمن الأهمية التعليمية لوحدة إحصاء النتائج في توفير أساس موضوعي للمعلمين. يمكن للمعلمين استخدامه لتقييم نتائج التعلم. نظرا لخصائص الواقع المعزز، يتطلب استخدامه في المشاهد ذات الإضاءة المناسبة والمستقرة. يمكن استخدام طريقة التمدد الرمادي لجعلها موزعة بشكل متساو، كما هو موضح في المعادلة (11).
g(x,y) = [(255 - c)/ b - a] f(x,y) + c (11)
في المعادلة (11)، تمثل c نقطة البداية الرمادية بعد التصحيح. يمثل a و b نقطة البداية والنهاية الرمادية قبل التصحيح على التوالي. في طريقة التتبع القائمة على الميزات، تظهر المعادلة الأساسية في المعادلة (12).
(12)
في عملية التتبع، يتم اختيار نموذج انحدار الحافة للانحدار الخطي، ويستخدم نموذج الانحدار غير الخطي للتدريب. تظهر الدالة الغاوسية في المعادلة (13).
(13)
المسؤول موجود في وحدة تقييم المستخدمين. بموجب هذا النظام، يتم إدارة وتقييم معيار الدرجات للدورة التجريبية من قبل المدير. يمكن للطلاب عرض نتائج التجارب والبيانات من خلال وحدة نتائج التجريب. تتضمن وحدة الصفحة الرئيسية في النظام مقدمة النظام، مقدمة التجربة، نظام الخروج، ومحتوى آخر. يوضح الشكل 6 الإطار العام للنظام.

الشكل 6: وحدة الصفحة الرئيسية لتعليم العلوم وهندسة أنظمة التعليم. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
تتكون عملية النظام في نظام التعليم بشكل رئيسي من أربعة أجزاء، تشمل إعداد مواد الرسم، وتحسين الاختبارات التفاعلية، والاستعلام والفرز للبيانات، ونظام التنفيذ. يتم تجسيد ذلك في تسجيل البطاقة وتعريفها، وكذلك في تحديد نموذج القطعة المعروضة. وأخيرا، يتم عرض صورة تحليل الإجهاد-الانفعال في البيانات التجريبية، ويمكن الحصول على الخصائص الميكانيكية للمواد ذات الخصائص المختلفة في تحليل الإجهاد-الانفعال. بعد التجربة، يمكن تقديم أساس التقرير التجريبي النهائي. لذلك، تظهر العملية التجريبية للنظام في الشكل 7.

الشكل 7: مخطط تدفق تنفيذ نظام التدريس بنظام AR لتدريس العلوم. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
تشمل البنية العامة للنظام هندسة تكنولوجيا التصميم والوحدات الوظيفية. يمكن لنظام التعليم أن يساعد المتعلمين على تحسين وعيتهم الذاتية واستكشافهم، ويساعد المعلمين على تنظيم تجارب التدريس من خلال الألعاب التعليمية. وبفضل تفاعل نظام التدريس، يمكن للمتعلمين الاستفادة من نظام التدريس القائم على الحسابات. في تدريس العلوم المدعوم بتقنية الواقع المعزز، يمكن تلبية احتياجات المعلمين، بحيث يمكن لتدريس المناهج التي يقدمها المعلمون تطوير محتوى تعليمي ذو قابلية تطبيق قوية للمتعلمين. لذلك، يمكن تحسين محتوى التدريس، ويمكن تعزيز حماس وإبداع المتعلمين في الدورة لتحسين تأثير التدريس.