增强现实（AR）通过整合教育游戏、提高互动性并改善学习效果，从而提升科学教学。实验表明，AR 可使成绩提高 28 分，其中大一和大四学生分别提高 22 分和 30 分。游戏指标（可玩性和适用性）达到 84%–87%，用户满意度超过 94%。AR 显著提高了学习表现和课堂教学效果。
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增强现实（AR）通过整合教育游戏、提高互动性并改善学习效果，从而提升科学教学。实验表明，AR 可使成绩提高 28 分，其中大一和大四学生分别提高 22 分和 30 分。游戏指标（可玩性和适用性）达到 84%–87%，用户满意度超过 94%。AR 显著提高了学习表现和课堂教学效果。
随着信息技术与教育的深度融合，增强现实（AR）技术结合虚拟现实与实时交互，已成为科学教学领域的发展趋势。本研究设计并开发了一套基于AR技术、融合教育游戏机制的科学教学系统，旨在解决传统科学教学中抽象内容难以理解、学生参与度低等问题。该系统以体验式学习理论和建构主义理论为指导，集成了特征点跟踪、图像校正和回归训练等算法，有效提升了虚拟模型在真实环境中的定位精度与稳定性。最后，在某高校理工科专业开展了为期12个月的对比实验。实验结果表明，采用AR技术的科学教学方法平均成绩较传统教学方法显著提高20.11分；其中，使用该教学系统的新生平均成绩提升22.36分，高年级学生平均成绩提升29.97分。在科学教学系统中，教育游戏的教育性、可玩性和适用性指标分别提升至84、87和86。用户对系统可用性、内容准确性、响应速度和指标清晰度的满意度分别达到97%、96%、94%和98%。综上所述，基于AR技术的教育游戏科学教学系统在提升学生学业表现方面具有显著效果，在科学课堂教学中具备较强的实践应用价值。
增强现实（AR）技术已成为一种必要工具，帮助人们体验、感知和激发灵感，从而提升生活体验1。这对抽象内容的教育教学具有启发意义。鉴于虚拟现实（VR）与增强现实（AR）技术本身具有高度抽象性和难以直接观察的特点，它们可用于2提升教育教学的有效性，从而挖掘并发展学生的学习潜能3。虚拟现实技术具备交互性、沉浸感和自主性，契合当代教育的需求，可融入实践教学中，构建虚实结合的教学平台，满足当前教学的实际需要4。依据科学课程教学标准，利用AR技术的交互特性来支持教学，交互式艺术教学系统对科学教学具有深远意义5。本研究聚焦于图像提取、特征匹配与目标跟踪算法，通过分析科学教学的实际需求，设计了面向科学教育的AR教育游戏，旨在利用AR技术提升教学质量6,7。与现有的AR教学系统相比，本研究的创新主要体现在：并非简单地使用AR模型进行内容展示，而是深度整合特定的计算机视觉算法与教育游戏机制。本研究集成了基于特征点的实时跟踪与匹配技术，并结合图像灰度拉伸校正方法；同时采用了岭回归与非线性回归训练模型。此外，研究还结合了长期对比实验与多维评价指标体系，这些方法有效提升了虚拟物体在真实环境中的配准精度、跟踪....
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本研究已通过相关伦理审查委员会的严格审查和批准，整个研究过程严格遵守《赫尔辛基宣言》及适用的学术研究伦理标准，充分保障了参与者的合法权益、身心健康和个人隐私。
研究参与者的招募过程符合伦理要求，所有参与者在参加研究前均签署了书面的知情同意书。知情同意书内容清晰易懂，明确说明了数据收集的范围（包括学业成绩、系统评估数据和用户满意度）、数据使用目的（仅用于本研究中的学术分析）以及为确保数据保密性所采取的措施。参与完全出于自愿，所有参与者均在无任何强迫或诱导的情况下提供了知情同意。所用设备列于材料表中。
1. 参与者、研究设计和评估框架
从某高校的理工科专业随机招募200名本科生（106名男性和94名女性，平均年龄为20.4 ± 1.2岁）和100名教师（52名男性和48名女性，平均教学经验为8.6 ± 4.3年）作为参与者。采用分层随机抽样方法将参与者随机分为实验组和对照组，每组各150人。实验前的基础知识测试确认两组在初始知识水平上无统计学显著差异（p > 0.05）。实验组使用基于增强现实（AR）技术的教学系统，而对照组采用传统教学方法。传统教学方法指以教师和教材为中心的广泛采用的标准化教学流程，包括教师讲授、教材与静态图表学习以及理论计算，不涉及任何三维交互式模拟或AR技术。纳入标准....
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教育游戏体验与学习效果的评估结果
为验证该教学系统的科学性与实用性，对基于增强现实（AR）技术开发的教育游戏科学教学系统进行了分析。为量化系统的核心性能，在实验过程中同步采集了技术指标数据。在标准实验条件（照度为 300 ± 50 lux）下，系统对 ArUco 标记的平均跟踪成功率为 98.7%（标准差 [SD] = 1.2%），连续渲染中虚拟物体位置抖动的标准差小于 0.3 像素。配准精度通过重投影误差进行测量，平均值为 0.42 像素（标准差 [SD] = 0.08 像素），满足预设的低于 0.5 像素的误差标准。标定成功率为 100%。为测试系统对环境的适应性，在光照强度 200–400 lux 范围内进行了梯度测试。标记识别的成功率始终高于 95%，虚拟物体的渲染延迟均低于 35 ms。这些数据表明，该 AR 教学系统在预设工作条件下具有较高的技术鲁棒性，能够稳定支持所述的教学交互。为进一步评估应力-应变可视化功能的计算准确性，进行了对比分析。该分析将系统对截面积为 100 mm² 的标准试件的实时输出值，与材料力学理论解进行比较。理论应.......
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随着科技的发展，信息技术对人们日常生活的影响力已涵盖众多领域，国家也在大力推动信息技术与教育教学的深度融合。增强现实（AR）技术因其具备实时交互性以及虚实结合的特点，正受到教育行业的青睐。Tulgar 等人通过广泛的文献计量分析发现，基于 AR 的移动学习和游戏化学习已成为近期研究的热点23。
鉴于传统教学在学习模式、内容局限性和学生创新能力方面的不足，本研究将增强现实（AR）技术应用于科学教学中的教育游戏。实验结果表明，在为期六个月的实验中，采用该技术的科学教学方法平均分较传统教学方法提高了13.62分（t=26.609，p < 0.001，Cohen's d = 1.14）。在为期12个月的实验中，基于AR技术的科学教学系统下大学生的平均分从67.11 ± 4.23提升至94.46 ± 3.01（p < 0.001）。采用AR技术的科学教学方法平均分大幅提升，比传统教学方法高出20.11分，Cohen's d=1.34。在传统教学方法下，大一学生的成绩从60.1.......
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AR 显示设备 | Microsoft | HoloLens 2 | https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware |
| 计算机视觉库 | OpenCV Team | OpenC 4.13.0 | https://opencv.org/releases/ |
| 开发引擎 | Unity Technologies | Unity 2021 LTS | https://unity.com/releases/2021-lts |
| 显卡 | NVIDIA | RTX A2000 | https://www.nvidia.com/content/dam/en-zz/Solutions/design-visualization/rtx-a2000/rtx-a2000-datasheet-us-nvidia-1520552-r3-web.pdf |
| 集成开发环境 | Microsoft | Visual Studio 2022 | https://visualstudio.microsoft.com/vs/ |
| 操作系统 | Microsoft | Windows 11 | https://www.microsoft.com/en-us/windows/windows-11 |
| 处理器 | Intel | Core i9-11950H | https://www.intel.com/content/www/us/en/products/sku/213800/intel-core-i911950h-processor-24m-cache-up-to-5-00-ghz/specifications.html |
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