Augmented Reality Educatieve Speltoepassingen in het Natuurkundeonderwijs

Samenvatting

Augmented reality (AR) verbetert het natuurkundeonderwijs door educatieve spellen te integreren, interactiviteit te verbeteren en leerresultaten te verbeteren. Experimenten tonen aan dat AR-boosts de scores met 28 punten verhogen, waarbij eerstejaars/vierdejaars 22/30 punten krijgen. Game-indicatoren (speelbaarheid en toepasbaarheid) bereiken 84%-87%, en de gebruikerstevredenheid overschrijdt 94%. AR verbetert de prestaties en de effectiviteit in de klas aanzienlijk.

Samenvatting

Met de diepe integratie van informatietechnologie en onderwijs is augmented reality (AR) een trend geworden in het wetenschapsonderwijs, waarbij virtual reality en realtime interactie worden gecombineerd. Deze studie ontwerpt en ontwikkelt een wetenschapsonderwijssysteem gebaseerd op AR-technologie, geïntegreerd met educatieve spelmechanismen, om de problemen van het begrijpen van abstracte inhoud en de lage participatie van studenten in traditioneel natuurwetenschappelijk onderwijs te overwinnen. Het systeem wordt geleid door theorieën van ervaringsgericht leren en constructivisme, en integreert algoritmen zoals feature point tracking, beeldcorrectie en regressietraining. Deze algoritmen verbeteren de nauwkeurigheid en stabiliteit van virtuele modellen in echte omgevingen. Tot slot wordt er een vergelijkend experiment van 12 maanden uitgevoerd in een studie wetenschap en techniek aan een bepaalde universiteit. Experimentele resultaten toonden aan dat de gemiddelde score voor de wetenschappelijke lesmethode met AR-technologie aanzienlijk verbeterde, met 20,11 punten, vergeleken met de traditionele lesmethode. Het cijfer van eerstejaars in het onderwijssysteem steeg met 22,36 punten, en de gemiddelde score van laatstejaars in het onderwijssysteem steeg met 29,97 punten. In het natuurkundeonderwijssysteem namen de indicatoren van educatieve spellen, speelbaarheid en toepasbaarheid toe tot respectievelijk 84, 87 en 86. De tevredenheid van gebruikers over de bruikbaarheid, inhoudsnauwkeurigheid, responsiviteit en duidelijkheid van indicatoren kan respectievelijk 97%, 96%, 94% en 98% bereiken. Samenvattend heeft het natuurkundeonderwijssysteem met een AR-technologie educatieve game een aanzienlijke verbetering in de prestaties van leerlingen en een sterk praktisch effect in het natuurkundelokaal.

Inleiding

Augmented reality (AR)-technologie is een noodzaak geworden, die mensen helpt om te ervaren, detecteren en inspireren, om zo de^{levenservaring te} verbeteren. Dit geeft heuristische betekenis aan het onderwijs en onderwijzen van abstracte inhoud. Gezien de zeer abstracte en moeilijk te observeren aard van VR- en AR-technologieën, kunnen ze worden gebruikt^om de effectiviteit van onderwijs en onderwijs te vergroten, zodat het leerpotentieel van studenten kan worden benut^{en ontwikkeld}. Virtual reality-technologie heeft interactiviteit, immersie en autonomie, die voldoen aan de behoeften van het hedendaagse onderwijs. Het kan worden geïntegreerd in praktisch onderwijs om een onderwijsplatform te bouwen dat virtueel en echt onderwijs combineert, en zo aan de huidige onderwijsbehoeften te voldoen⁴. Volgens de normen voor het curriculum van het natuurwetenschappen worden de interactieve functies van AR-technologie gebruikt ter ondersteuning van het onderwijs. Het interactieve kunstonderwijssysteem heeft een diepgaande betekenis voor het onderwijs in wetenschap⁵. Het onderzoek richt zich op beeldextractie, feature-matching en objecttracking-algoritmen. Door de behoeften van het natuurwetenschappelijk onderwijs te analyseren, zijn AR-educatieve spellen ontworpen om AR in het natuurkundeonderwijs te ontwikkelen, met als doel AR te gebruiken om de onderwijskwaliteit^{te verbeteren 6,7}. In vergelijking met bestaande AR-onderwijssystemen ligt de innovatie van dit onderzoek vooral in het feit dat het niet simpelweg AR-modellen gebruikt voor inhoudsweergave, maar ook specifieke computer vision-algoritmen en educatieve spelmechanismen diepgaand integreert. Deze studie integreert realtime tracking en matching op basis van featurepunten en correctie van beeldgrijswaarden en correctie van het rekken van beeldgrijswaarden. Het maakt ook gebruik van ridge- en niet-lineaire regressietrainingsmodellen. Daarnaast combineert de studie langetermijnvergelijkende experimenten met multidimensionale evaluatie-indexsystemen. Deze methoden verbeteren de registratienauwkeurigheid, trackingstabiliteit en aanpassingsvermogen van virtuele objecten in echte omgevingen.

Deze studie richt zich op vijf secties. Het eerste deel legt de achtergrond en het onderzoeksbelang van AR-technologie in het natuurwetenschappelijk onderwijs uit en benadrukt het potentieel om de leermotivatie en het begrip van abstracte concepten te vergroten. De tweede bespreekt de huidige toepassingsstatus van educatieve spellen en de onderzoeksvoortgang van AR-onderwijssystemen. Het derde deel analyseert de behoeften in het onderwijsproces en ontwerpt een wetenschappelijk lessysteem gebaseerd op AR-technologie educatieve spellen. De volgende sectie verifieert de prestaties van het voorgestelde onderwijssysteem. Het laatste deel is een samenvatting en een overzicht van de onderzoeksmethoden en resultaten.

Gerelateerde werken

Educatieve spellen zijn leermiddelen die leerdoelen combineren met spelmechanismen, met als doel leerresultaten te verbeteren door leuke interacties. Met de diepe integratie van educatieve spellen en intelligente technologie ondergaat het onderwijssysteem ingrijpende veranderingen. Yang et al. stelden een collaboratief filteraanbevelingsalgoritme voor dat dekking, grofkorrelige laagclustering en K-means clustering combineert om de slechte prestaties in educatieve spelaanbevelingen aan te pakken. De resultaten toonden aan dat de nauwkeurigheid en F1-score van het voorgestelde algoritme respectievelijk 0,880 en 0,826 waren, wat beter was dan het hellingsmodel⁸. Sun et al. rapporteerden een meta-analyse van 22 empirische studies om de effectiviteit van educatieve spellen te bepalen bij het verbeteren van de computationele denkvaardigheden van studenten. Educatieve spellen kunnen de computationele denkvaardigheden van leerlingen verbeteren⁹. Udeozor et al. bespraken leerpraktijken gebaseerd op digitale spellen. Deze studie wees erop dat de interesse en vraag van mensen naar ervaringsleermiddelen die door technologie, zoals virtuele laboratoria en digitale games, worden versterkt, geleidelijk toenam. Ze benadrukten ook de toekomstige trend van digitaal game-leren in het ingenieursonderwijs¹⁰. Martinez et al. voerden een systematische review uit van 49 relevante studies om de waarde van educatieve spelpraktijk in de klas beter te begrijpen. Uiteindelijk werd ontdekt dat educatieve spellen een effectief educatief hulpmiddel kunnen worden, nuttig voor bijna alle vakken¹¹. Gordillo et al. gebruikten een quasi-experimenteel ontwerp om de effectiviteit van videogebaseerd leren en spelgebaseerd leren te vergelijken in online software engineering-onderwijs. De resultaten gaven aan dat het gebruik van educatieve spellen voor leren effectiever was dan traditioneel videogebaseerd leren¹².

AR-technologie wordt veel gebruikt in de industrie, medische behandeling, informatie, onderwijs en andere sectoren vanwege de combinatie van virtuele en realtime interactie. Lytvynova et al. stelden dat de integratie van virtual reality en AR in educatieve omgevingen nieuwe mogelijkheden opende voor participatieve en meeslepende leerervaringen. Er werd een educatief project uitgevoerd dat gebruikmaakte van virtuele en AR. De resultaten gaven aan dat virtual reality en AR-technologie in het onderwijsproces rijke onderwijs- en leermiddelen boden, wat de leerervaring kon verbeteren¹³. Álvarez Marín et al. behandelden het beperkte onderzoek naar AR-gebaseerde onderwijsmethoden, bespraken de soorten onderwijsactiviteiten die AR gebruiken en evalueerden de impact ervan op leerlingen en docenten. De resultaten gaven aan dat in de meeste studies AR-gebaseerde onderwijsmethoden hielpen om de academische prestaties^{te verbeteren 14}. De Moraes Rossetto et al. stelden dat de toepassing van AR en virtual reality een transformerende benadering werd binnen het onderwijs. Daarom ontwikkelde deze studie een toepassing bestaande uit AR en virtual reality en evalueerde de impact ervan op het onderwijsproces. De resultaten gaven aan dat zowel AR als virtual reality veelbelovend waren in het ondersteunen van het onderwijsproces¹⁵. Radu et al. stelden een AR-systeem voor gebaseerd op HoloLens om de prestaties van fysica-leren te verbeteren. De resultaten gaven aan dat het AR-systeem studenten hielp ruimtelijke inhoud en structurele relaties te leren, maar ook hun begrip van kinesthetische inhoud^{belemmerde 16}. Kleftotimos et al. stelden twee locatiegebaseerde onderwijskundige AR-applicaties voor om de tevredenheid en betrokkenheid van leerlingen te verbeteren, en nodigden 129 studenten uit voor een voorlopige evaluatie. De resultaten gaven aan dat AR-applicaties hoog scoren op bruikbaarheid, tevredenheid van studenten en waargenomen onderwijsbruikbaarheid¹⁷.

Samenvattend biedt het interactieve karakter van AR-technologie een natuurlijkere leerervaring voor zowel leraren als leerlingen en vergroot het het bewustzijn van verkenning. Bestaande AR-onderwijssystemen richten zich echter vooral op modelweergave en eenvoudige interactie, waarbij het een diepe integratie met educatieve spelmechanismen en hogere-orde leerdoelen ontbreekt. Er is onvoldoende langetermijnonderzoek naar tracking, en ook de aanpassingsvermogen en trackingstabiliteit van de systeemomgeving moeten worden verbeterd. Daarom is deze studie bedoeld om een wetenschappelijk onderwijssysteem te ontwikkelen dat AR-technologie en educatieve spelmechanismen integreert. De focus ligt op het aanpakken van kwesties zoals registratienauwkeurigheid, trackingstabiliteit en de aanpassingsvermogen van virtuele objecten in echte omgevingen. Door middel van langdurige vergelijkende experimenten en multidimensionale evaluatiesystemen wordt de effectiviteit ervan in het verbeteren van de leerresultaten en ervaringen van studenten geverifieerd.

Protocol

Deze studie is grondig beoordeeld en goedgekeurd door de relevante ethische commissie, en het gehele onderzoeksproces volgt strikt de Verklaring van Helsinki en de toepasselijke academische onderzoeksethische normen, waarbij de legitieme rechten en belangen, het fysieke en mentale welzijn en de persoonlijke privacy van de deelnemers volledig worden beschermd.

Het wervingsproces voor onderzoeksdeelnemers voldoet aan ethische eisen en alle deelnemers ondertekenden een schriftelijk formulier voor geïnformeerde toestemming voorafgaand aan deelname aan de studie. Het formulier voor geïnformeerde toestemming is duidelijk en gemakkelijk te begrijpen en beschrijft expliciet de reikwijdte van gegevensverzameling (inclusief academische prestaties, systeemevaluatiegegevens en gebruikerstevredenheid), het doel van het gebruik van gegevens (uitsluitend voor academische analyse in deze studie) en de genomen maatregelen om gegevensvertrouwelijkheid te waarborgen. Deelname was volledig vrijwillig en alle deelnemers gaven geïnformeerde toestemming zonder enige dwang of aansporing. De gebruikte apparatuur staat vermeld in de Materiaalkundige Tabel.

1. Deelnemers, studieontwerp en evaluatiekader

200 bachelorstudenten (106 mannen en 94 vrouwen, met een gemiddelde leeftijd van 20,4 ± 1,2 jaar) en 100 docenten (52 mannen en 48 vrouwen, met een gemiddelde leservaring van 8,6 ± 4,3 jaar) worden willekeurig gerekruteerd uit de wetenschaps- en techniekopleidingen van een bepaalde universiteit. Deelnemers worden willekeurig verdeeld in een experimentele groep en een controlegroep met behulp van een gestratificeerde willekeurige steekproefmethode, met 150 personen per groep. De basiskennistest vóór het experiment bevestigt dat er geen statistisch significant verschil is (p > 0,05) in het initiële kennisniveau tussen de twee groepen. De experimentele groep gebruikt een op AR-technologie gebaseerd onderwijssysteem, terwijl de controlegroep traditionele lesmethoden gebruikt. Traditionele lesmethoden verwijzen naar het breed geaccepteerde gestandaardiseerde onderwijsproces dat draait om leraren en leerboeken. Dit omvat docentencolleges, leerboek- en statische grafieken, en theoretische berekeningen, en omvat geen 3D-interactieve simulatie of AR-technologie. De inclusiecriteria zijn: bachelorstudenten moeten de vereiste cursus Materiaalmechanica hebben afgerond, en docenten moeten relevante onderwijservaring hebben in de cursus. De uitsluitingscriteria zijn: mensen met een voorgeschiedenis van ernstige visuele beperking of wagenziekte. Alle deelnemers ondertekenen formulieren voor geïnformeerde toestemming en krijgen te horen dat ze zich op elk moment uit het experiment kunnen terugtrekken. De experimentele periode is 12 maanden, en gegevens over academische prestaties en systeemevaluatie worden verzameld vóór de start van het experiment, in de 6e maand en in de 12e maand. De evaluatietool maakt gebruik van een zelfontwikkeld "Educational Game Evaluation Index System" (in Tabel 1) om de effectiviteit van het systeem te beoordelen vanuit drie dimensies: educatief, gaming en toepasbaarheid, met in totaal 15 indicatoren. Er worden gegevens verzameld over gebruikerstevredenheid, die vier aspecten omvatten: gebruiksgemak, nauwkeurigheid van inhoud, tijdigheid van respons en duidelijkheid van indicatoren.

2. Experimentele systeemconfiguratie, procedures en data-analyse

De hardwareapparatuur omvat een AR-displayapparaat (Microsoft HoloLens 2), een ingebouwde dieptecamera en RGB-camera, een computer uitgerust met een Intel Core i9-11950H-processor, 32GB RAM en een A2000 grafische kaart. Het besturingssysteem gebruikt Windows 11, de ontwikkelengine gebruikt Unity 2021, de computer vision-bibliotheek gebruikt OpenCV 4.13.0, en de geïntegreerde ontwikkelomgeving is Visual Studio 2022. Wanneer er een significante verandering is in de verlichting van de experimentele omgeving of wanneer de apparatuur voor het eerst in die fysieke ruimte wordt gebruikt, moet de camerakalibratie worden uitgevoerd. Het draait het ingebouwde kalibratiescript CalibrationScript. cs en maken minstens 15 dambordbeelden vanuit verschillende hoeken en posities met de HoloLens-camera. Het script berekent automatisch de intrinsieke parameters en vervormingscoëfficiënten van de camera. De standaard voor succesvolle kalibratie is dat de gemiddelde herprojectiefout minder dan 0,5 pixels is. Als aan de norm niet wordt voldaan, zal het systeem vragen om de afbeelding opnieuw vast te leggen. Na succesvolle kalibratie worden kalibratieparameters uitgevoerd voor volgende 3D-registratiemodule-aanroepen.

Het experiment wordt binnenshuis uitgevoerd, met een omgevingslicht op 300 ± 50 lux. De experimentele kaart met specifieke AR-markeringen wordt in het midden van de tafel geplaatst, en de rand van de kaart is parallel aan de rand van de tafel. De observatiepositie is ingesteld op ongeveer 60 cm van het midden van de kaart met beide ogen, en de HoloLens 2-camera is aanvankelijk gericht op het vlak van de kaart. De gebaarinteractie maakt gebruik van de "handstraal" en "luchtklik" gebaren die door HoloLens 2 zijn voorgesteld. De wijsvinger is uitgestrekt, en de andere vingers worden teruggetrokken, wijzend naar het virtuele monster, en houden een stabiele beweging meer dan 0,5 seconden om het object te selecteren. Vervolgens wordt kracht uitgeoefend door snel de wijsvinger naar voren te duwen, waarbij een standaard krachtwaarde van 50N door het systeem langs de as van het virtuele monster wordt toegepast. De verwachte succesvolle operationele tijd voor het voltooien van een volledige gebaarinteractie is 1–2 s. De computer vision-parameters van het systeem zijn als volgt ingesteld: roep de aruco.detectMarkers-functie van OpenCV in Unity aan om de drempel te detecteren (adaptiveThreshWinSizeMin=3, adaptiveThreshWinSizeMax=23). Het markerdetectiecontrolepunt is dat het systeem dezelfde marker (betrouwbaarheid>0,95) stabiel moet herkennen in een continue videostroom van 30 frames voordat virtueel objectrendering wordt geactiveerd. Wanneer de detectie succesvol is, toont de gemarkeerde rand op het scherm een groene rand en wordt deze vergezeld door een korte vibratiefeedback. De camerakalibratie gebruikt het ingebouwde CalibrationScript. CS-script, dat een schaakbordpatroon vereist met 9 × 6 interne hoekpunten en een zijlengte van 2,5 cm. Minstens 15 frames van het patroon moeten vanuit verschillende hoeken binnen het gezichtsveld van de camera worden weergegeven. De succesvolle kalibratiestandaard is een gemiddelde herprojectiefout van minder dan 0,5 pixels. Het kalibratieproces moet binnen 2 minuten voltooid zijn. Na succes moet het "Calibratie geslaagd"-log worden weergegeven in de Unity-editorconsole, en moet de gekalibreerde cameraconus in de scène worden weergegeven. De virtuele objectrendering maakt gebruik van Unity's realtime renderingpijplijn, met een standaard materiaalshader en verlichtingsmodel dat consistent is met omgevingslicht.

De experimentele procedure bestaat voornamelijk uit vier stappen. Ten eerste draagt en stelt hij het HoloLens 2-apparaat correct af. Ten tweede plaatst hij de experimentele kaart met specifieke AR-markeringen op het bureaublad. De systeemcamera legt continu videostreams vast. Het roept de aruco.detectMarkers-functie in OpenCV aan voor tagdetectie en herkenning. Ten derde, na het succesvol identificeren van het merkteken, rendert het systeem het virtuele materiaalmonster in de echte wereld volgens vergelijkingen (1)–(4). Het coördinatensysteem van de virtuele omgeving ζηξ en het coördinatensysteem van de reële omgeving xyz kunnen worden getransformeerd, en de transformatievergelijking wordt weergegeven in vergelijking (1).

[xyz1] = [ζηξ1] A (1)

In vergelijking (1) vertegenwoordigt A de transformatiematrix tussen twee systemen, waarbij de reële omgeving xyz en de camera x'y'z' ook kunnen worden getransformeerd. De veranderingsvergelijking wordt weergegeven in vergelijking (2).

[ x'y'z'1] = [ζηξ1] AB (2)

In vergelijking (2) vertegenwoordigt B de transformatiematrix tussen de twee coördinatensystemen. X'y'Z' projecteert de gevolgde virtuele objecten in het UV-tweedimensionale coördinatensysteem, om zo de nauwkeurige registratie van de virtuele omgeving in de echte omgeving te realiseren. De transformatie tussen de schermcoördinaten en cameracoördinaten x'y'z' van de fusieprojectie van virtuele objecten en echte omgevingen wordt weergegeven in vergelijking (3).

(3)

In vergelijking (3) vertegenwoordigt d_x het aantal pixels in axiale richting x. d_y is het aantal pixels in axiale richting y. De geometrische relatie tussen de camera en het beeldcoördinatensysteem, geprojecteerd door de fusie van virtueel object en echte omgeving, wordt weergegeven in vergelijking (4) met behulp van de vergelijkbare driehoekvergelijking.

(4)

Door kracht uit te oefenen op het virtuele monster via vooraf gedefinieerde gebaren, berekent en visualiseert het systeem de spanningsverdeling en vervorming van het monster in realtime op basis van vergelijkingen (5)–(7). De interne kracht per oppervlakte-eenheid is spanning, zoals weergegeven in vergelijking (5).

(5)

In vergelijking (5) verwijst F naar kracht, A naar de dwarsdoorsnede, en p_m naar spanning per oppervlakte-eenheid. De totale spanning wordt weergegeven in vergelijking (6).

(6)

In vergelijking (6) vertegenwoordigt p de spanningscomponent van de totale spanning, σ de normale spanning, de spanningscomponent loodrecht op de doorsnede, en τ de schuifspanning en de spanningscomponent die raakraakt aan de doorsnede. De normale spanning wordt weergegeven in vergelijking (7).

(7)

In vergelijking (7) is F_N de axiale kracht en A de dwarsdoorsnede. Ten vierde, gegevensregistratie en rapportagegeneratie. De sleutelgegevens die tijdens het experiment worden gegenereerd, worden automatisch opgeslagen in CSV-formaat. Na het experiment genereert het een experimenteel rapport in PDF-formaat, inclusief spannings-rekcurves en samenvattingen van belangrijke gegevens. Alle bestanden worden geëxporteerd naar de lokale map en benoemd in het formaat experimentdatum+experimenttype. De protocolbeëindigingsstappen omvatten gegevensopslagbevestiging, apparaatafsluiting, software-afsluiting en een systeemstatuscontrole. Na het experiment bevestigt de studie het einde van de applicatie via de knop "Exit System" in het hoofdmenu, verwijdert het HoloLens 2-apparaat en schakelt het uit volgens de standaardprocedures. Ten slotte wordt op de ontwikkelmachine de loopmodus van de Unity-editor gestopt en worden alle gerelateerde softwarevensters gesloten.

SPSS 26.0 wordt gebruikt voor data-analyse. Voordat de t-test met gepaarde samples wordt toegepast, wordt eerst de normaliteit van de verschillen in prestatieverbetering geëvalueerd. De Shapiro-Wilk-test wordt gebruikt om alle relevante variabelen te analyseren. Bovendien tonen de resultaten aan dat de p-waarden voor alle variabelen groter zijn dan 0,05, wat aangeeft dat de gegevens voldoen aan een normale verdeling en voldoen aan de voorwaarden voor de t-test. De t-test met gekoppelde steekproeven wordt gebruikt om prestatieverbeteringen tussen de experimentele en controlegroepen te vergelijken voor gegevens met herhaalde metingen, zoals tevredenheid. Herhaalde metingen van variantie worden gebruikt om veranderingen in de tijd te evalueren. Het significantieniveau is ingesteld op p<0,05. Daarnaast wordt om de grootte van het effect te evalueren de d-waarde van Cohen berekend, waarbij d>0,8 een groot effect aangeeft.

3. Constructie van een wetenschapsonderwijssysteem gebaseerd op AR-technologie lesspel

In lijn met wetenschappelijke onderwijsstandaarden worden de interactieve functies van AR-technologie en onderwijssystemen gebruikt om het in het onderwijs te introduceren en het grotere potentieel ervan te ontketenen. AR-technologie is van groot belang in het wetenschapsonderwijs. Allereerst kan het de abstracte leerinhoud concretiseren en visualiseren. De tweede is het verbeteren van de leerervaring van de leerlingen, zodat zij een beter gevoel van participatie en concentratie krijgen. Daarom is het van groot belang om het onderwijssysteem te combineren met een klaslokaal voor onderwijs. Het systeemontwerp van deze studie wordt geleid door ervaringsgericht leren en constructivistische principes. Het doel is abstracte concepten te transformeren in tastbare, waarneembare visuele objecten via AR-interactiemechanismen en studenten aan te moedigen actief kennis te construeren. Ondertussen wordt het model van technologieacceptatie geïntroduceerd om de waargenomen bruikbaarheid en gebruiksgemak van het systeem te evalueren, waarmee het praktische toepassingspotentieel wordt gemeten.

3.1 Integratie van educatieve spellen en augmented reality-technologie

AR-technologie integreert de virtuele en echte omgevingen en biedt gebruikers een nieuwe zintuiglijke ervaring. AR-technologie volgt en verzamelt eerst featurepunten van echte taferelen, waarna beeldherkenning wordt uitgevoerd. De tweede is om de afbeelding te volgen op de positie van de markeringskaart. De hoek van de camera en andere informatie zijn belangrijk¹⁸. Ten slotte kan door de gevoeligheid van de camera voor de omgeving waar te nemen en het model over het model te leggen, de fusie van virtual en realiteit worden bereikt, wat een meeslepend effect bereikt. De implementatie van AR-technologie is weergegeven in Figuur 1.

Figuur 1: Implementatiestappen van AR-technologie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Educatief spel is een computerspelsoftware die de educatieve functie en de entertainmentfunctie integreert. Het kan de intelligentie, vaardigheden, kennis, houding en waarden van gamegebruikers cultiveren, en de impact ervan op leerlingen mag niet worden onderschat. AR-technologie heeft drie basiskenmerken van belangrijke functies. Ten eerste integreert het virtueel en realiteit nauwkeurig, integreert het de gecreëerde driedimensionale scène met de echte omgeving, prikkelt het alle zintuigen van de gebruiker en laat de gebruiker de echte wereld^ervaren. De tweede is het gebruik van moderne intelligente apparaten om intelligente interactie tussen mensen en apparaten te bereiken. Ten slotte wordt de computergegenereerde 3D-omgeving geregistreerd bij het daadwerkelijke doelwit in 3D. Gebruikers kunnen echte objecten blijven volgen zonder ze te verliezen en altijd nauwkeurige tracking behouden. Het principe van 3D-registratietechnologie wordt weergegeven in Figuur 2.

Figuur 2: Schematisch diagram van 3D-registratie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Het driedimensionale registratieschema dat in Figuur 2 wordt getoond, waarbij x'y'z' de cameracoördinaten zijn, xyz de specifieke coördinaten van de echte omgeving, ζηξ de coördinaten van de virtuele omgeving, uv de schermcoördinaten van de fusieprojectie van het virtuele object en de echte omgeving, en ''o'z' de richting van de zichtlijn van de gebruiker is. Na homogenisatie en combinatie wordt de berekening weergegeven in vergelijking (4). Het educatieve belang van 3D-registratietechnologie (vergelijkingen (1)–(4)) ligt in het vermogen om abstracte virtuele coördinatensystemen om te zetten in stabiele en nauwkeurige visuele overlays op studentenschermen. Deze technologie zorgt ervoor dat virtuele modellen effectief aan echte markerkaarten kunnen worden bevestigd, en dat het model niet zal afdwalen of schudden wanneer studenten hun perspectief verplaatsen. De directe educatieve waarde van deze technologie ligt in het vermogen om leerlingen een stabiele en betrouwbare observatieomgeving te bieden. Deze omgeving stelt studenten in staat om virtuele mechanische exemplaren vanuit elke hoek te observeren en te bedenken. Als gevolg daarvan ontwikkelen studenten ruimtelijke verbeelding en multi-angle observatievermogen.

3.2 Vraaganalyse van wetenschaps-educatieve spellen gebaseerd op AR-technologie

Om de onderwijsdoelstellingen van de wetenschap te bereiken, moeten leerlingen systematisch kennis, vaardigheden en gedragservaringen verwerven. Bij het ontwerpen van AR-educatieve spellen is het noodzakelijk om de^{lesinhoud correct} te analyseren. Het selecteren van geschikte lesinhoud, het integreren ervan met AR-technologie en het innoveren van lesmethoden kan leerlingen effectief helpen een samenhangend leersysteem op te bouwen. Het onderzoeksobject van materiaalmechanica is verschillende materialen met verschillende vormen van onderdelen. Het bestudeert voornamelijk de sterkte, stijfheid en stabiliteit onder verschillende krachten. Het verbeteren van de intuïtieve visuele ervaring en het interactieve gevoel van participatie van leerlingen. Daarom wordt de combinatie van AR-technologie en het onderwijssysteem gebruikt om de behoeften van AR-technologie in wetenschapsonderwijsspellen te analyseren, met als voorbeeld een stress-rek-analyse. Het systeem biedt experimentele voorbereiding en simulatie voor kennispunten van spanning en rek in de mechanica, en ondersteunt docenten bij het onderwijzen van experimenten. De gebruikers van het systeem bestaan voornamelijk uit bezoekers, studenten, docenten en beheerders, terwijl de functies experimentbeheer, het uploaden van experimenten, interactieve experimenten en datavisualisatie omvatten. Het systeem is weergegeven in Figuur 3.

Figuur 3: Use case-diagram van het scoresysteem voor het voltooien van experimentele cursuss. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De integratie van AR-technologie en het onderwijssysteem is weergegeven in Figuur 3. Dit systeem kan ervoor zorgen dat docenten voldoende voorbereid zijn vóór de cursus, experimenten beheersen en studenten tijdens de cursus begeleiden. Na het experiment kunnen docenten de voortgang van leerlingen bekijken en beoordelen, helpen bij het beheren van cursusgegevens, het voltooiingspercentage van de leerlingen verbeteren en beheerders ondersteunen bij het beheren van gegevens over de resultaten van de leerlingen. Daarom is het AR-technologie-onderwijssysteem gebouwd op de model-view-controller (MVC) architectuur. De gegevensverwerkingsmodus van deze modus wordt weergegeven in vergelijking (8).

V(s) =max sim(s) →f(s)) (8)

In vergelijking (8) vertegenwoordigt V(s) de data-inhoud die door de view-laag wordt weergegeven volgens gebruikersvereisten, sis-lesmaterialen, en f(s) is gebruikersinformatie. De werkwijze van realtime interactie tussen het gediversifieerde onderwijssysteem en gebruikers wordt weergegeven in vergelijking (9).

K(s) = s_i ∩ [f(s₁), f(s₂),...,ff(s_n)] (9)

In vergelijking (9) vertegenwoordigt K(s) de bedrijfsregel van de modus, s₁ de karakteristieke parameter van dataobjecten, en f(s_n) de karakteristieke parameter van gebruikersvraaginformatie. Op basis van de interactieve relatie tussen het AR-technologie-wetenschapsonderwijssysteem en gebruikers, wordt de bedieningsmodus weergegeven in vergelijking (10).

g(x) = max K(s) → f(s) (10)

In vergelijking (10) vertegenwoordigt g(x) het verzoekobject, is f(x) de bron van gebruikersvereisten, en is max K(s) de maximale waarde van feature-gelijkenis. MVC-modus bestaat uit vijf hoofdcomponenten: business, controller, persistentie, view en database. De weergavelaag verbindt gebruikers en data via webpagina's, waardoor interactie mogelijk wordt en de functionaliteit is om webpagina's weer te geven. De datalaag slaat data op en verwerkt deze van de bovenste laag. De servicelaag is verantwoordelijk voor het voldoen aan de behoeften van gebruikers en het implementeren van servicelogica. Het AR-wetenschapsonderwijssysteem gebaseerd op MVC-modus is weergegeven in Figuur 4.

Figuur 4: Technisch architectuurdiagram van het wetenschapsonderwijssysteem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Door te interageren met de database wordt de gegevensoperatie-informatie die op de bedrijfslogicalaag wordt verkregen, via de persistentielaag in kaart gebracht. De view-laag is verantwoordelijk voor het weergeven van de hoofdinterface van de front-end, het uploaden van experimentele gegevens, het tonen van experimentele resultaten en het beoordelen van experimentele rapporten. De bedrijfslogicalaag is onderverdeeld in een businesslaag en een controller, die gebruikersverzoeken ontvangt en deze doorstuurt naar de processor van de businesslogicalaag voor verwerking. De technologielaag bouwt de gemeenschappelijke blokken van meerdere objecten in aparte modules, waardoor directe verwijzingen naar het systeem mogelijk zijn.

3.3 Ontwerp van onderwijssysteemarchitectuur gebaseerd op AR-technologie en wetenschappelijk educatief spel

Natuurwetenschappelijk onderwijs is een tweerichtingsproces van onderwijs en leren. Om onderwijsdoelen te bereiken, moet het ontwerp van AR-educatieve spellen de vijf principes volgen: interactiviteit, interesse, wetenschap, eenvoudige bediening en onderwijs²¹. Interactiviteit is het grootste kenmerk van AR-technologie. Het educatieve spel moet de voordelen van AR-technologie benadrukken, waardoor leerlingen een rijke, interactieve ervaring kunnen hebben in experimenten die de klasomgeving activeren en de leseffectiviteit verbeteren. Educatieve spellen zijn ontworpen met duidelijke lesdoelen en belangrijke leerpunten om zowel onderwijs- als leerdoelen te bereiken. Daarom bestaat het onderwijssysteem gebaseerd op AR-technologie voornamelijk uit zes modules, zoals weergegeven in Figuur 5.

Figuur 5: Module diagram van Science Teaching AR onderwijssysteem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De onderwijssysteemmodule bestaat voornamelijk uit de systeemintroductiemodule, gebruikersmodule, experimentmodule, experimentselectiemodule, startpaginamodule en resultaatstatistiekmodule. De introductiemodule voor experimenten kan gebruikers eenvoudig informeren en instructies geven voor het gebruik van het onderwijssysteem, waaronder eisen voor het klassikale experiment en de eisen voor het experimentele rapport. De gebruikersmodule beheert gebruikers, waaronder accountregistratie, accountwisselen, accountlogout en wachtwoordwijziging. De experimentele selectiemodule gebruikt het touchscreen om de experimentele onderdelen te selecteren. De experimentele module voert featurepuntherkenning en feature-analyse uit op de geïmporteerde experimentele beelden. Het past ook het lichtverschil passend aan voor het echte scherm. Het ontwerp van het onderwijssysteem gebaseerd op AR-technologie is nauw gericht op onderwijsdoelen. Specifiek zijn de kernonderwijstaken van de experimentele module en de experimentele selectiemodule het versterken van studenten. Ze kunnen zelfstandig verkennen. De educatieve betekenis van de module resultatenstatistiek ligt in het bieden van een objectieve basis voor leraren. Leraren kunnen het gebruiken om leerdoelen te evalueren. Vanwege de kenmerken van AR moet het worden gebruikt in scènes met passende, stabiele belichting. De grijze rekmethode kan worden gebruikt om ze gelijkmatig te verdelen, zoals getoond in vergelijking (11).

g(x,y) = [(255 - c)/ b - a] f(x,y) + c (11)

In vergelijking (11) vertegenwoordigt c het grijs beginpunt na correctie. A en B vertegenwoordigen respectievelijk het grijs niveau beginpunt en einde vóór correctie. Bij de feature-based tracking-methode wordt de kernvergelijking weergegeven in vergelijking (12).

(12)

In het trackingproces wordt een ridge regressiemodel geselecteerd voor lineaire regressie, en een niet-lineair regressiemodel wordt gebruikt voor de training. De Gaussische functie wordt weergegeven in vergelijking (13).

(13)

De beheerder bevindt zich in de gebruikersscoremodule. Onder dit systeem wordt de scorestandaard van de experimentele cursus beheerd en geëvalueerd door de beheerder. Studenten kunnen de experimentele resultaten en gegevens bekijken via de module experimentele resultaten. De module op de homepage in het systeem bevat de systeemintroductie, experimentintroductie, exit-systeem en andere inhoud. Figuur 6 toont het algemene systeemraamwerk.

Figuur 6: Homepage-module voor het onderwijs van AR-onderwijssysteemarchitectuur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Het systeemproces in het onderwijssysteem bestaat voornamelijk uit vier delen, waaronder de voorbereiding van tekenmaterialen, interactieve testoptimalisatie, gegevensopvragen en sorteren, en het implementatiesysteem. Dit is verwerkt in de kaartregistratie en identificatie, evenals in de identificatie van het getoonde onderdeelmodel. Ten slotte wordt het spannings-rekingsanalysebeeld van de experimentele gegevens gepresenteerd, en kunnen de mechanische eigenschappen van materialen met verschillende eigenschappen in de spannings-rekanalyse worden verkregen. Na het experiment kan de definitieve basis van het experimentele rapport worden gepresenteerd. Daarom wordt het experimentele proces van het systeem weergegeven in Figuur 7.

Figuur 7: Stroomdiagram van implementatie van AR-onderwijssystemen voor natuurwetenschappelijk onderwijs. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De algehele systeemarchitectuur omvat ontwerptechnologie-architectuur en de functionele modules. Het onderwijssysteem kan leerlingen helpen hun zelfbewustzijn en verkenning te verbeteren, en docenten helpen om lesexperimenten te organiseren via educatieve spellen. Door de interactiviteit van het onderwijssysteem kunnen leerlingen gebruikmaken van het AR-onderwijssysteem. In het wetenschappelijk onderwijs dat wordt ondersteund door AR-technologie, kunnen de behoeften van docenten worden vervuld, zodat het curriculumonderwijs van docenten onderwijsinhoud kan ontwikkelen met een sterke toepasbaarheid voor leerlingen²². Daarom kan de lesinhoud worden geoptimaliseerd en kan het enthousiasme en de creativiteit van leerlingen in de cursus worden versterkt om het onderwijseffect te verbeteren.

Resultaten

Evaluatieresultaten van educatieve spelervaring en leereffectiviteit

Om de wetenschappelijkheid en uitvoerbaarheid van het onderwijssysteem te verifiëren, wordt het wetenschapsonderwijssysteem dat is ontwikkeld via een educatief spel met AR-technologie geanalyseerd. Om de kernprestaties van het systeem te kwantificeren, worden technische indicatorgegevens synchroon verzameld tijdens het experimentele proces. Onder standaard experimentele omsta...

Discussie

Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie beslaat de impact van informatietechnologie op het dagelijks leven van mensen vele terreinen, en de staat doet ook alles om de diepe integratie van informatietechnologie met onderwijs en onderwijs te bevorderen. AR-technologie, met realtime interactie en de combinatie van virtueel en echt, is populair in de onderwijssector. Tulgar et al. ontdekten via uitgebreide bibliometrische analyse dat AR-gebaseerd mobiel leren en gamification het on...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
AR display apparaat	Microsoft	HoloLens 2	https://www.microsoft.com/en-us/hololens/hardware
Computer Vision Bibliotheek	OpenCV Team	OpenC 4.13.0	https://opencv.org/releases/
Ontwikkeling engine	Unity Technologies	Unity 2021 LTS	https://unity.com/releases/2021-lts
Grafische kaart	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
Geïntegreerde Ontwikkelomgeving	Microsoft	Visual Studio 2022	https://visualstudio.microsoft.com/vs/
Besturingssysteem	Microsoft	Windows 11	https://www.microsoft.com/en-us/windows/windows-11
Processor	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