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通过增强现实提高学习的吸引力

摘要

在过去几年中，增强现实被用于各种领域，从医疗、工业设计、建模和生产、机器人遥操作、军事、娱乐、休闲活动翻译、面部识别、驾驶时协助、室内和外观设计、虚拟朋友、物联网和电子学习。在电子教学中，古典与古典的结合增强内容（后来的3D模型、图像、声音、动画、互联网浏览等）可以帮助老师更好地解释课程的内容。在本文中，我们提出了四个增强现实应用程序，旨在实现提高沟通和协作技能（其中两个），并简化生物学和地理学的学习（另外两个）。这些应用程序背后的动机是增强课程的吸引力，让学生重新培训新信息当作为游戏呈现时，更容易并减少测试背后的压力。

1. 介绍

增强现实(AR)提高了用户的感知能力，帮助用户更好地理解周围的现实，并与现实世界进行互动。虚拟对象显示用户无法用自己的感官直接检测到的信息。虚拟对象传输的信息可以帮助用户执行任务。增强现实就是弗雷德·布鲁克斯所说的智能放大(IA)的一个具体例子：利用计算机作为一种工具，使人类更容易实现智能放大。

2010年，作者提出了现实-虚拟连续体的概念，最初的定义是，其中AR是组合现实的一般领域的一部分。虚拟环境（即虚拟现实-VR）和增强虚拟化（将真实对象添加到虚拟对象中）都用虚拟环境替换环境。相比之下，AR提供了一个本地虚拟现实。在考虑人工智能和用户传输时，它将增强现实分为虚拟现实和远程呈现。

最重要的集约利用领域已在第一次和以后的时间里得到描述。因此，医生可以在手术中使用AR作为视觉辅助和训练工具。佳能的混合现实系统(MREAL)支持设计过程，允许3D电脑生成的模型与现实世界的对象相结合。另一类增强现实应用是复杂机器的组装、维护和维修。AR可用于用公共或私有信息注释对象和环境。多年来，军用飞机和直升机一直在使用HUDs(平视显示器)和HMS(头盔瞄准镜)在飞行员的真实世界图像上叠加矢量图形。Recon Jet是一个AR系统，已经可以用于娱乐活动。翻译领域是增强现实中最有前途的应用领域之一。容易从互联网上获取信息的一个例子在现实生活中与AR人脸检测的结合。如今，许多汽车制造商包括车载信息显示在挡风玻璃上，如速度、运动方向基于现实世界的对象识别、停车援助、传感器信息、有关交通和警告、警告相关可能的冲突等等。在室内设计中使用AR的最具启发性的例子之一是最近的宜家使用AR的目录。一个来自日本的黑客使用一个可用的3D模型和运动传感器与一位著名的日本卡通明星(初音未来)进行了一次“AR会议”。手势界面系统的一个例子是麻省理工学院开发的SixthSense。

2. 相关工作-电子教学中的增强现实

正如《地平线》2010年报告的作者所断言的那样，增强现实具有巨大的潜力，可以为教育提供一个有用的背景，让学习和发现体验与现实世界的信息相关联。

长期以来，混合现实在教育中得到了广泛的应用：洞穴壁画的增加是一种关于狩猎和生存的知识转移的途径；Heilig的Sensorama专利描述了在军队、工业和学校中进行教学、培训和教育的解决方案的必要性；Ivan Sutherland将增强图像视为一种解决方案，让用户“有机会了解物理世界中无法实现的概念”；Caudell和Mizel在波音增强现实技术领域的先锋性活动旨在教会工人如何将复杂的部件组装成飞机。

在最近发布廉价和负担得起的智能手机和平板电脑，以及允许开发和实验现实世界增强功能的软件之前，AR在教育领域的大规模应用是不可能的。在教育领域，利用增强现实技术的机会正在增加，而移动硬件正在激增，互联网接入变得普遍。增强现实技术在教育中的首次应用包括工业培训中的应用；外科援助；设备的维护；服务及汽车维修；行为变化；建筑、城市和环境教育。

将增强现实技术应用于教育领域，相当于“通过在现实生活中添加缺失的信息，将虚拟物体添加到真实场景中”。正如我们所看到的，重点是提供额外的信息，例如在现实世界中可能会丢失或无法访问的类型。解剖学教学需要大量的努力、专业知识和时间资源，AR可以有效地提供额外的信息。在人工智能中，增强现实可以用来显示基于贪婪范式的算法执行的步骤。我们的ARBio和GeoAR游戏是AR应用的另一个例子。

AR在教育学方面最显著的特点之一是，它提供了一个以学生为中心的灵活空间来提供学习机会。学习被从教室、圆形剧场和实验室等传统空间中抽离出来，学生走到哪里，学习就跟到哪里。学习的机会是存在的，例如，在家里，在工作场所，在公共交通工具上——可以带到任何地方，也可以转移到任何人身上。随着AR越来越多地开发交互式应用程序，学生们可以成为批评者和共同创造者，留下他们学习特定工件或他们见过的地方的记录。

增强现实并非一场革命：增强现实不会以基于高科技的新世界取代现有的教学范式。相反，过去的教育是未来的丰富资源。Mishra和Koehler的工作强调了在设计学习环境时理解内容、教学和技术之间的细微差别的重要性。他们提出的模型TPACK强调了这三个领域之间的动态交互。

在这篇文章中，我们将介绍四个不同类型的儿童AR应用开发：(1)自闭症儿童，(2)幼儿园儿童，(3)中年儿童和(4)高中生。我们的主要目标是了解AR应用程序是如何被孩子们接受的，以及它们对孩子和老师有什么影响。

3.提出解决方案

3.1培养沟通能力和团队合作能力

现在越来越重视提高和发展儿童和所有年龄的成年人的软技能，例如沟通技能和团队合作能力。学校教师经常使用的一种方法是让学生参与不同类型的项目，每个成员都需要为实现最终目标做出自己的贡献。

一般来说，这样的项目旨在改善语言和视觉交流，但在某些情况下，比如自闭症儿童，通过游戏进行间接交流可以代表这些有特殊需求的儿童在行为上的突破。

在我们组，我们实现了两个游戏与网络游戏组件：(1)第一个自闭症儿童，为了发展的关注、指导和交流，当他们在比赛中合作来完成一个共同的目标，他们便获得奖金，每个被鼓励遵守别人的行为和积极介入游戏，(2)第二个是同步球员的活动，通过口头或视觉指令。

空中支援船只

第一款游戏的目的是为更多的飞船提供燃料，让它们执行任务。一旦完成了游戏特定级别的任务，用户就会进入下一个级别，去发现其他任务，以此类推，直到达到最后一个级别。在多人模式下，当两名或两名以上玩家为同一艘船加油时，加油变得更容易、更快，这样就可以累积更多的点数，从而更快地进入下一关。不合作的玩家停留在一个级别上的时间更长，到达更高级别时也更努力，而合作的玩家能够更快地完成任务，并能够更快地到达游戏的终点。图1显示了游戏级别只有一艘船需要加油的序列。

应用程序架构基于客户机-服务器模型。移动用户是通过UDP协议与服务器通信的客户，具有最高和最高效的速度。

客户端在Android中实现，呈现所有的图形元素，包含增强现实元素，使用Metaio框架制作，确保与用户的沟通。服务器部署在Java中，生成游戏级别所需的数据，确保用户之间的通信，并管理打开当前级别所需的信息，然后在数据库中存储当前用户的得分和全局统计数据。

在四位志愿者的帮助下，进行了可用性测试，游戏也得到了不断的改进。他们提出，从一个层次切换到另一个层次，需要增加船只的数量，增加船只与用户之间的距离，让它们旋转，移动得更快，这样加油就更具挑战性。此外，还引入了一个时间计数器，当级别更快完成时，它将提供奖金。

为了观察应用于自闭症儿童的效果，我们联系了一位专家，他的观察是积极的。患有这种疾病的儿童更喜欢与图像交流。当他们接受视觉刺激时，理解和思考的能力会增强。多人模式最适合他们。在他们的案例中，重点是关注环境和检测颜色变化的视觉效果。雷达提供了燃料船的具体位置，从而引起了人们的注意。游戏伙伴将会意识到他们必须一起工作才能有效地为飞船加油。总之，这一发展方向显示出良好的初步成果。

猎宝

在第二款游戏中，使用Sphero 2.0机器人球，两名玩家可以通过相同的机器人控件控制它(该应用程序的第一个版本介绍在)。根据游戏会话和它必须完成的任务，玩家可以影响特定的方向(即上下或左右)和机器人的速度。此外，机器人移动的表面在平板电脑或手机上进行了增强，这样每位玩家都可以通过所使用设备的摄像头看到游戏场景。

这里的主要目标是让玩家共同完成不同的任务：收集物体、解决谜题、在增强轨道上驾驶、穿越墙壁或大门、逃离迷宫等等。为了实现一个目标，游戏需要协作：增强对象分布在玩家之间，因此他们经常需要进行通信来推动Sphero朝着正确的方向前进。图2显示了多人模式选项以及两名玩家在游戏中爬行的方式。

为了控制Sphero，我们构建了一个模拟TCP服务器的特定Android活动。当此活动启动时，将检查蓝牙连接，以打开并发现Sphero设备。一旦发现Sphero，我们就连接到它，并启动一个单独的线程，该线程在备用模式下运行TCP服务器。多玩家选项是通过客户机-服务器体系结构实现的，其中服务器由其中一个玩家(主机)启动。然后，为每个连接到服务器(包括主机)的玩家创建一个客户机。

对于增强现实组件，我们使用了Vuforia平台。在这个平台上，我们使用了两个组件，智能地形和图像跟踪器，这允许在Sphero的工作区中添加增强内容。为了给游戏对象提供一个稳定的位置，Smart Terrain提供了设置中心点的功能。为此，我们选择了一个功能丰富的图像作为标记，以便它可以很容易地识别Vuforia引擎。

为了提高应用程序的质量，我们测试了四位志愿者的可用性。我们分析总结了定性和定量的数据，并提出了重新设计的建议。

在结论中，志愿者们表示在初始版本的应用程序中，这两个(1)负面元素：接口的模棱两可，多人组件的性能和稳定性的问题，(2)和积极的元素：球面比预期更容易控制，和玩家之间的互动元素，3D模型和游戏动力学最欣赏的志愿者。

3.2初级和次级周期的经验教训

小学和初中的应用程序帮助学生从生物学、地理、历史和天文学中获取信息。这里是我们的两个应用，生物学和地理学，另外两个正在建设中的历史和天文学。

ARBio应用程序

ARBio是一个应用程序，它使用增强现实来响应小学生的好奇心，但不仅如此。在应用的帮助下，用户可以通过动物的三维表现和拟声来丰富一些动物图像的真实感，从而体验增强现实。用户还可以浏览动物列表，并阅读关于每个动物的信息。ARBio是一种现代的学习方法，对于任何年龄的用户都是一种有趣的体验(参见图3)。

该应用的主要模块有：增强现实模块和动物信息查看阅读模块，包括本地标记下载。增强现实模块是应用程序中最重要和最复杂的部分，因为它通过添加虚拟元素来增强环境的真实感。这个模块是使用Artoolkit框架创建的。

从实现的角度，将增强现实模块的逻辑划分为两个主要组件。第一个组件使用c 编程语言。此模块包含来自ARWrapper库的方法，用于初始化和操作应用程序的增强现实部分。这个模块基本上是Artoolkit框架和ARBio应用程序之间的链接。包含增强现实逻辑的第二个组件使用Java编程语言，并在数据结构中管理对象(模式、标记、声音文件)，通过JNI (Java本机接口)方法调用将这些对象发送给另一个组件。因此，这两个组件之间的通信是通过对预定义方法的本机调用来实现的。

实现现实增强的第一步是创建标记。对于这个应用程序，我们只使用由正方形模板组成的标记。在应用程序中预先训练的每个标记对应于一个虚拟模型，这样，每当摄像机视图中出现标记时，就可以通过添加适当的动物来增强现实。标记由黑色边框组成，标记的内部是与标记相关的动物的暗示图像(参见左侧的图3)。只有经过培训，即通过Artoolkit框架执行的培训，应用程序才能识别和跟踪标记。

模型是一个三维对象，它使用一个标记与应用程序链接，以便每当标记出现在相机内时，模型就会显示在标记的上方。在ARBio应用程序中，模型由动物表示。模型是通过显示在标记上方来增强现实的模型。为了给一些模型建模、创建、查看和添加纹理，我们使用了Autodesk Maya实用工具，允许我们为3D对象建模和动画。Maya结合了物理定律来控制虚拟物体的行为。他们提供的功能是众多的，可以产生动画，似乎脱离现实。

Android应用程序模块是用于创建任务、管理资源、设计和运行应用程序的模块。该模块的主要功能是与用户交互，响应用户的命令。

这个应用程序的新颖之处在于，它主要是指我们增强现实的方式：将来自标记的图像与动物的虚拟表示联系起来，同时播放相应的声音。另一个新颖的元素是找到一种方法，将Android平台提供的功能与增强现实框架提供的功能结合起来。所有这些元素都是为了提高增强现实体验的质量。

通过对7名志愿者的可用性测试，我们得出了以下关于ARBio应用的结论：

bull;积极方面：该应用程序在标记、三维模型、相关声音和额外的维基百科细节之间建立的联系，有助于学生跟踪他们选择的动物的细节。

bull;负面影响：当多个标记同时使用，多个音频文件同时播放时，他们会屏蔽应用程序。

bull;未来工作：有用户要求在其他平台(例如iOS)上开发应用程序。我们还需要增加动物的收集，但这将涉及到将它们聚集在一起的需要，以及引入一个过滤选项，允许更快地找到动物。此外，老师们还要求通过测试游戏的存在来评估学生的活动，以检查学生是否被教过动物。

GeoAR应用程序

GeoAR应用程序帮助中学生学习欧洲地理(国家、首都、旗帜和邻国)。GeoAR是一个应用程序，可以让你在玩的同时学习。GeoAR提供了一个测试和加深你的知识的记忆与各种各样

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