通过在增强现实环境中玩游戏来学习物理

Enyedy N,Danish J A,Delacruz G,et al

摘要:学习物理通过游戏项目（LPP）聘请6-8岁学生（n = 43）进行一系列关于牛顿力和运动的科学研究，包括一系列增强现实活动。我们概述了LPP课程背后的三个设计原则：使用游戏和参与式建模，丰富的符号学生态学中的渐进符号化以及活动周期。然后，我们对这些原则进行了定性的案例研究分析，因为两位学生使用LPP微世界开发和展示了他们对二维网络力量的理解。然后，我们总结前/后测结果，这些结果表明这些年轻学生在参与LPP课程之后能够形成对力，净力，摩擦力和二维运动的概念性理解，这种课程利用了他们以前的经验和能力来体现作为科学建模的一种形式发挥作用。

Abstract： The Learning Physics Through Play Project (LPP) engaged 6-8 year old students (n=43) in a series of scientific investigations of Newtonian force and motion including a series of augmented reality activities. We outline the three design principles behind the LPP curriculum: the use of play and participatory modeling, progressive symbolization within rich semiotic ecologies, and cycles of activity. We then present a qualitative case-study analysis of these principles in action as two students develop and demonstrate their understanding of net forces in two dimensions using the LPP microworld. Then, we summarize Pre/Posttest results which show that these young students were able to develop a conceptual understanding of force, net force, friction and two-dimensional motion after participating in the LPP curriculum which leveraged their prior experiences and ability to engage in embodied play as a form of scientific modeling.

关键词:科学教育*增强现实*体现的认知

Keywords：Science education * Augmented reality * Embodied cognition

介绍

早期的基础科学教学并没有跟上关于青年学生认知能力的发展文献，这些文献可以作为理解科学概念的基石（NRC，2007; Metz，1995）。事实上，在适当的情况下，幼儿可以在早期基础科学教育中学习比我们目前所提出的更复杂的想法。反对“雄心勃勃”的科学教学的一个论点是，经典的实验设计（如控制变量和将假设与证据分开）的方面对于幼儿来说已经证明是困难的（Klahr，2000; Schauble，1996; Siegler＆Liebert，1975）。然而，另一些研究表明，要求学生编写和评估现实世界的模型以帮助他们产生预测，可以使他们有效地参与科学知识生产过程并学习正在研究的内容（Lehrer＆Schauble， 2006）。建模 - 在学习物理通过游戏项目（LPP）2的情况下，利用计算机模拟和物理实例来描述牛顿力和运动的混合建模 - 是科学探究过程的关键部分，可以帮助学生协调理论证据（Schwarz＆White，2005）。然而，虽然早期的小学生能达到建模的效果，但如果没有精心搭建的协作经验，他们的进步仍然不会很快（Lehrer＆Schauble，2000）。因此，我们的建模（和课程设计）方法既是协作式的，也是集体式的，依靠有效的交互来补充学生现有的能力。我们将我们的模拟和活动视为建模对话的火花和锚点。学生在由老师和我们设计的工具构成的环境中进行观察，这些工具实质上代表了他们正在形成的理解。然后，学生创建的模型在课堂社区内共享，批判和改进，目的是创建一个共享的集体模型，用于理解和预测新情况和背景。

在本文中，我们描述一年级和二年级学生（6-8岁）通过一系列技术增强的建模活动了解力和物理运动的物理学。该项目的核心是一套增强现实技术和动作捕捉技术，用于利用学生现有的假装游戏能力并将其转化为形式化和象征性的力量和动作模型。简而言之（下面提供了更全面的描述），摄像机拍摄了教室前部的区域。视频馈送通过识别和跟踪（例如，位置和方向）预定义的一组几何图案的物体识别软件。学生们在房间中移动时，他们持有或穿着这些图案。交互式白板上显示LPP模拟软件的投影。模拟软件显示了学生在房间里移动的视频。该模拟软件还显示了学生玩过的对象的图像（例如球），该图像由计算机软件叠加在视频馈送中的图像上。叠加的物体会随着学生本身在房间中移动而实时移动。

在本文中，我们将首先描述LPP项目的技术和活动以及指导我们的设计原则。 其次，我们提供一个案例研究，说明学生如何参与课程的增强现实活动，并说明实际的设计原则。 接下来是使用事前和事后评估的学生学习量化分析。 最后，我们讨论了我们研究结果中的一些意想不到的元素，该研究对使用增强现实的年轻学生进行教学和学习的一般含义，以及本研究提出的理论问题，这些问题可能需要CSCL社区进一步研究。

理论框架和设计原则

年轻的孩子和力量和运动的概念

物理学通常被认为是一个特权领域，在这个领域中，幼儿在上学之前有很多经验可供借鉴（Chen，Siegler，＆Daehler，2000; Bransford，Brown＆Cocking，2000）。在婴儿期，孩子们会形成直观的物体概念，包括物体的持久性和属性。通过学前教育，这些直觉已经发展成为一种复杂的机械因果关系，并且理解了看不见的原因与可观察到的结果之间的联系（Bullock，Gelman，＆Baillargeon，1982; Yoachim＆Meltzoff，2003,10月）。此外，学前儿童可以在观察运动物体时区分距离，速度和时间（Acredolo，Adams，＆Schmid，1984; Matsuda，2001）。即使如此，对于年轻学生来说，一些力量和动作的概念很难掌握，而这些概念上的困难往往会持续到大学里去（例如，White，1993）。鉴于幼儿对力量和运动有着丰富的直觉，K-12课程及以后的力量和动作的突出和引入，以及对学生的概念直觉和已成功帮助学生发展的干预措施的现有研究规范性的理解，我们选择了力和运动作为理想的测试平台来开发和研究一种新的计算机支持的早期基础科学教学的协作建模方法。

LPP专注于4个广泛的力量和动作概念。首先，我们以力量的概念为目标，其中包括：力量与运动之间的因果关系;力量与速度的区别;一旦力量结束，受影响的对象的速度继续（即惯性）;冲动力量是物体之间的相互作用，而不是物体本身之间的相互作用。这些主题对应于理解力和运动的一些关键概念绊脚石（Lehrer＆Schauble，1998）。其次，我们专注于量化力量与速度之间的关系，特别是将多重力量应用于一个对象（即净力）。第三，学生将摩擦力视为一种力量。第四，课程侧重于两个维度的网络力量。

LPP环境和技术的描述

LPP系统有两个关键组成部分：1）使用计算机视觉记录和显示学生的身体动作和位置的增强现实系统，以及2）将该动作转化为物理引擎并根据传感数据。使用的LPP系统3市场上可买到的开源形式的运动跟踪和模式识别技术（Kato，2007），以在物理教室（教室前部的12x 12地毯）内创建虚拟现实的廉价替代品。系统跟踪的运动可以立即导入新的LPP计算机微世界中，让学生模拟他们对力和运动的理解，并将他们的预测与模拟结果进行比较。

图1：从物理对象和运动到LPP物理微世界的进展

为了说明LPP技术如何支持成功建模，我们描述了一个示例活动，学生被要求预测一系列力量如何影响球的运动。学生分成两支队伍。第一支球队决定首先应用哪支球队。然后第二支球队选择了必要的力量在特定的地点停球。目标概念是纯粹的力量，解决了球会朝着最后一支力量的方向发展的共同直觉。我们预计拥有这种直觉的学生会预测，当给予一个方向的力量和相反方向的较小力量时，球会反转方向而不是减速。

选择“扮演”角色的学生Susie通过穿着戴着帽子球的象征的地毯走过了她的预测。我们称这种公开表演为具体预测。当她走路时，她对所遇到的力量（即放在地板上代表力量的纸板符号）做出了回应。系统实时跟踪她的动作。当学生们看到Susie在地毯上移动时，他们还可以看到LPP微型世界中投射的球穿过白板移动，模仿她在实体教室中的移动。由于苏西在球上传递了箭头符号，她的同龄人也参与进来，口头表达他们是否同意她的预测。她在正确的地方加速并放慢速度了吗？正确的金额？因此，具体的预测产生了公众意见和讨论。

Susie完成后，邀请学生继续辩论她的具体预测。他们开始讨论每个位置有多少力量以及它们对球的影响。一些学生表达了共同的直觉，而另一些学生分享了更多特质的想法。学生们有机会将苏西的具体预测与微型世界中的模拟结果进行比较，该模拟反映了他们对物理对象所做的选择。由于代表力量的牌已经作为其活动的一部分放置在地板上，并且由于系统将这些模式识别为在物理引擎中以特定方式操作的力，所以学生们为了测试其预测而必须做的所有事情都是重新定位苏西在现场回到开始，然后按下一个按钮来运行模拟。现在，物理引擎接管了Susie的球，并展示了在牛顿世界中使用与儿童假装游戏相同的空间和代表性系统的相同场景会发生什么。最终，学生们都表示惊讶，他们的预测与计算机模拟不匹配。在随后的讨论中，学生明确表达了他们的一些隐含的想法。这一讨论为一系列活动提供了一个关键的基石，这些活动导致小组中的大多数学生转变他们的直觉，开始以规范的方式推理力量如何对物体的运动做出贡献。总而言之，学生们开始使用假装游戏技巧进行活动，但在课程结束时，他们参与了有关净力的建模和概念的讨论。通过这种游戏般的体验，LPP使6-8岁的学生可以询问他们自己的理解（Rosebery，Warren，Ogonowski和Ballenger，2005）并探索这些物理概念。

我们现在转向更广泛的理论框架来指导我们的设计。

设计原则＃1：游戏和参与式建模

对于年轻学生来说，重要的是要从他们已经可以做的事情开始，开发建模能力。这是建构主义的基本前提 - 学生现有的图式被修改，加入和重组，但在学习过程中并未被抛弃（Smith，diSessa和Roschelle，1994）。对建模的理解始于象征主义，因为模型代表着别的东西，并且经常使用符号集合来实现。重要的是，对于LPP项目，早在学龄前，儿童就能够将玩具，图片和视频图像区分为真实物体的表征，并且可以成功使用表示来推理世界（DeLoache＆Burns，1994）。

除了新生的象征意义之外，年轻的学生还有另外一个重要的能力可供他们处理象征性表现 - 一种传统上不被认为是科学的基石，但我们认为这种能力可以有效地集结到这个结果上 - 这种能力是戏剧性的。儿童使用自己的身体和动作来制定场景或情境的游戏，尤其是具体体现的社会戏剧性的游戏，是年幼的儿童从小就能胜任和熟悉的活动，与象征的发展息息相关代表（Nicolopoulou，1993;皮亚杰，1952）。事实上，游戏被形容为幼儿园负责推动发展的主要活动（Griffin＆Cole，1984）。

假装游戏的定义特征并不是它很有趣（尽管它通常是）。相反，它的定义特征是想象中的情况与一组规则的结合（Vygotsky，1978）。玩可以被看作是假装游戏的连续体一方面，想象的情境是丰富而明确的，但规则倾向于被低估和隐含，另一方面，规则是明确的，虚构情境更薄或更具象征性（Vygotsky，1978）。然而，在所有形式的游戏中，学生都可以参与相当复杂的规则集。例如，当“玩房子”时，孩子们通常根据一系列有关父亲做什么，母亲做什么，以及婴儿做什么的规则来控制他们的行为。正是这一点把重点放在了一系列与科学有关的规则上，因为科学现象通常被描述为一套规则或规律 - 例如牛顿的三条力量和运动定律。

假装游戏中的规则也是使游戏成为学习过程和一种非正式探究的有用组成部分（Youngquist＆Pataray-Ching，2004）。在游戏中，孩子们通常遵循一套他们尚未完全理解的规则来试图控制自己的行为。此外，通过游戏，管理情况的规则变得可见并且通常对于儿童来说是明确的（Rosenberg，1987）。理解管理世界的规则是科学建模的核心方面之一。出于这个原因，研究人员认为游戏是一种早期的模拟形式（Bruner，1986）。

为了融入LPP课程，我们聘请学生开发和改进参与模式（作者，2009）。参与式模型体现了戏剧性的表演形式，学生制定了正在研究的系统的关键原则，并利用他们的身体动作和姿势作为显示理解的资源。参与式建模建立在参与式模拟中所看到的那种有效的集体参与上（Colella

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附外文文献原文:

Learning physics through play in an augmented reality environment

Abstract The Learning Physics Through Play Project (LPP) engaged 6-8 year old students (n=43) in a series of scientific investigations of Newtonian force and motion including a series of augmented reality activities. We outline the three design principles behind the LPP curriculum: the use of play and participatory modeling, progressive symbolization within rich semiotic ecologies, and cycles of activity. We then present a qualitative case-study analysis of these principles in action as two students develop and demonstrate their understanding of net forces in two dimensions using the LPP microworld. Then, we summarize Pre/Posttest results which show that these young students were able to develop a conceptual understanding of force, net force, friction and two-dimensional motion after participating in the LPP curriculum which leveraged their prior experiences and ability to engage in embodied play as a form of scientific modeling.

Keywords Science education * Augmented reality * Embodied cognition

Introduction

Early elementary science instruction has not kept pace with the developmental literature on young studentsrsquo; cognitive competencies that can be used as building blocks for understanding science concepts (NRC, 2007; Metz, 1995). In fact, young children can, under the right circumstances, learn more complicated ideas than we currently ask of them in early elementary science education. One argument against lsquo;ambitiousrsquo; science instruction1 is that aspects of classical experimental design such as controlling variables and separating hypotheses from evidence have proven difficult for young children (Klahr, 2000; Schauble, 1996; Siegler amp; Liebert, 1975). However, alternative studies have shown that asking students to produce and evaluate models of the real world to help them generate predictions can make it possible for them to effectively participate in the process of scientific knowledge production and learn the content being studied (Lehrer amp; Schauble, 2006). Modeling—in the case of the Learning Physics through Play project (LPP)2, hybrid modeling that leverages both computer simulations and physical embodiment to describe Newtonian force and motion—is a critical part of the scientific inquiry process and can help students coordinate theory with evidence (Schwarz amp; White, 2005). However, while modeling is within reach of early elementary students, they still do not progress very far without carefully scaffolded collaborative experiences (Lehrer amp; Schauble, 2000). Therefore, our approach to modeling (and curriculum design) is both collaborative and collective, relying upon productive interaction to complement studentsrsquo; existing competencies. We see our simulations and activities as the sparks and anchors for modeling conversations. Students make observations in an environment that is structured by both the teacher and our designed tools, which materially represent their emerging understandings. The models students create are then shared, critiqued and refined within the classroom community with the goal of producing a shared collective model that can be used to understand and make predictions in new situations and contexts.

In this paper, we describe how first and second grade students (6-8 years) learned about the physics of force and motion through a series of technologically enhanced modeling activities. At the heart of the project was a set of augmented reality and motion-capture technologies that were used to leverage studentsrsquo; existing competencies in pretend play and to transition them to formal and symbolic models of force and motion. Briefly (a fuller description is provided below), cameras filmed the area at the front of the classroom. The video feed was passed through object recognition software that recognized and tracked (e.g., the position and orientation) a predefined set of geometric patterns. Students held or wore these patterns as they moved about the room. A projection of the LPP simulation software was displayed on an interactive whiteboard. The simulation software showed the video feed of the students moving around the room. The simulation software also displayed an image of the object that the students were play-acting (e.g. a ball) superimposed by the computer software over their image in the video feed. The superimposed objects would move around the projection in real-time as the students themselves also moved around the room.

In this paper we will first describe the technologies and activities of the LPP project and the design principles that guided us. Second, we present a case study that illustrates how students engaged with the augmented reality activities of the curriculum and illustrates the design principles in action. This is followed by a quantitative analysis of student learning using pre and post assessments. Finally, we discuss some unexpected elements of our findings, the studyrsquo;s general implications for teaching and learning young students using augmented reality, and the theoretical issues raised by this study that may warrant future study by the CSCL community.

Theoretical framework and design principles

Young children and the concepts of force and motion

Physics is often cited as a privileged domain, where young children have a rich set of experiences to draw upon long before they enter school (Chen, Siegler, amp; Daehler, 2000; Bransford, Brown, amp; Cocking, 2000). In infancy, children develop an intuitive notion of objects, including their permanence and their properties. By preschool these intuitions have developed into a sophisticated sense of mechanical causality and understanding of the links between unseen causes and observabl

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