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计算机&教育:X现实2(2023)100008通过原型设计和协同设计研究,为创客空间中的增强现实绘制机会和指南Iulian Radu*,Josia Yuan,Xiaomeng Huang,Bertrand Schneider**哈佛大学教育研究生院,6 Appian Way,Cambridge,MA,02138,USAA R T I C L E I N F O关键词:增强现实创客空间协同设计STEM随班就读A B S T R A C T创客空间环境正在成为流行的基于项目的学习空间,学生在这里与实物互动和同伴协作,同时发展21世纪的技能,并参与科学,技术,工程和数学(STEM)主题。与此同时,将物理对象与数字可视化相结合的增强现实(AR)技术越来越适用于创客空间活动,并有可能解决学生在创客空间学习的挑战。然而,人们对如何在真正的创客空间环境中使用和集成AR缺乏了解。在本研究中,我们使用协同设计方法来解决以下问题:(1)AR如何在创客空间中对教育有用?(2)学生如何受到共同设计AR技术过程的影响以及(3)在创客空间中整合AR的实际考虑是什么我们参与了一个为期一个学期的创客空间课程的共同设计过程,该课程由教育研究生院的18名学生参加 通过这个过程,我们与七名学生合作设计师一起生成了六个原型,探索AR在设计、制造、编程、电子和培训中的应用。我们还确定了AR技术可以使创客空间受益的领域,例如教授STEM技能,促进建筑活动,增强学习的情境化和调试。我们观察到,参与共同设计的学生表现出对技术设计的理解有所提高,对参与创客空间和AR的热情,以及对AR技术的批判性思考有所这些结果为将AR技术整合到创客空间环境中提供了考虑和指导。1. 介绍在过去的十年中,“创客运动”和对教授21世纪技能的日益增长的兴趣增加了创客空间的普及,创客空间作为科学,技术,工程和数学(STEM)教育的基于项目的学习环境的非正式版本(Sharma,2021)。 这些空间通常包括激光切割机、3D打印机和木工工具等设备,它们为不同技能水平的学生提供了一个共同完成反映他们个人创造力和兴趣的项目的地方(Lee等人, 2019年)。创客空间旨在支持重要技能的发展,如协作,设计,创造力,自我驱动学习和STEM学科的&技术(Peppler等人,2016; Taheri等人,2019年)。然而,在创客空间学习的一个挑战是,由于学习无形的STEM概念的困难,设计和制造物体的耗时性,以及缺乏受过训练的促进者的个性化支架和指导,学生们更多地关注制造而不是概念学习(Blikstein,2013; Doughnut,2011; Harron&Hughes,2018; Lock等人,2018; Radu&Schneider,2019 a)。越来越多的证据表明,增强现实(AR)技术可以在物理对象上覆盖虚拟可视化,可以解决这些问题,并改善创客空间环境中基于项目的教育例如,AR 可以提高学生对电子学的理解( Beheshti等人,2017;Restivo等人, 2014; Reyes-Aviles&Aviles-Cruz ,2018),机器人( Kyjanek 等 人 , 2019 年 ; Peng 等 人 , 2018年 4 月 ; Radu , Hv ,&Schneider , 2021 年 ) , 物 理 学 ( Radu 等 人 , 2022 , b;Radu&Schneider,2019 a),设计(Kim等人, 2021; Wacker,Wagner,Voelker,&Borchers,2018年10月),建筑(Peng等人,2018年,四月;宋,* 通讯作者。** 通讯作者。电子邮件地址:iulian_radu@gse.harvard.edu,iulian@gatech.edu(I. Radu),jiayingyuan@gse.harvard.edu(J. Yuan),Xiaomenghuang108@163.com(X.Huang),bertrand_schneider@gse.harvard.edu(B. Schneider)。https://doi.org/10.1016/j.cexr.2023.100008接收日期:2022年11月4日;接收日期:2023年1月13日;接受日期:2023年2949-6780/©2023作者。爱思唯尔有限公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表计算机教育:X现实&杂志主页:www.journals.elsevier.com/computers-and-education-x-realityI. Radu等人计算机教育:X现实2(2023)10000822020 ) , 并 且 通 常 在 协 作 学 习 环 境 中有用( Phonet al. , 2014;Wanis,2019)。AR教育的大多数探索都不是在创客空间的背景下进行的,但是AR设备(如耳机和智能手机)的可用性越来越高,加上人们对将AR用于教育的兴趣越来越大,预计将导致AR在创客空间中的使用增加。然而,在创客空间中对AR的研究很少,关于在这些环境中集成AR时出现的最佳设计和挑战仍然未知。如果没有这些知识,AR应用设计者可能会创造出在真实环境中对学生无效或不可用的体验,并可能增加教师采用的障碍(da Silva等人, 2016年)。目前的研究通过与学生在为期一个学期的创客空间课程中使用共同设计方法来调查AR在创客空间中的潜在有用性和整合,并解决以下研究问题。RQ 1. 增强现实如何对创客空间的教育有用RQ 2.学生如何受到共同设计AR技术过程的影响?RQ 3.在创客空间中集成AR有哪些实际考虑因素?在本文的其余部分,我们首先介绍了AR教育、创客空间和协同设计领域的相关工作。然后,我们描述了我们的研究方法,其次是结果,指导方针和更广泛的讨论。2. 相关工作在本节中,我们首先介绍有关增强现实教育潜力的文献,以及创客空间教育的潜力和挑战。 然后,我们提出了越来越多的研究文献,研究增强现实如何增强创客空间的活动,我们认为需要进一步探索和指导方针,将AR集成到创客空间中。最后,我们讨论了如何使用协同设计方法来探索AR技术的未来用途,同时在当前环境中对学生产生积极2.1. 增强现实教育我们根据Azuma(1997)的标准定义增强现实:AR是一种结合真实和虚拟内容的技术(例如,示出覆盖在物理机器人的传感器上的传感器数据的虚拟图),是交互式的(例如,虚拟图形响应于用户与机器人的交互而实时改变),并且以3D方式注册(例如, 虚拟图形以3D显示,并且当机器人在3D空间中移动时保持锚定到机器人)。这项研究的重点是增强现实体验,可以在头戴式显示器(如微软Hololens),手持设备(手机或桌子)和网络摄像头支持的计算机上观看增强现实可以在各种情况下使教育成果受益(Akça yr&Akça yr,2017;Aricietal., 2019;Gar zo'n etal. ,2019; Radu等人,2022年,a)。例如 , AR 应 用 已 经 被 设 计 为 改 善 STEM 领 域 的 学 习 , 诸 如 物 理(Lai&Cheong,2022)、化学(Mazzuco等人,2022),天文学(Gallardo等人,2022;O€nalO€nal,2021),matema tics(AhmadJunaini,2020),生物学(Kalana等人,2020);非STEM领域,如语言和识字(Parmaxi &Demetriou,2020),历史(Challenor &Ma,2019),社会情感学习(Papoutsi等人, 2021年);以及加强创客空间中可能发生的其他活动,例如设计、协作和培训(有关创客空间AR的讨论,请参见第2.3节)。与传统的教育方法相比,AR应用程序可以更有效,因为它们显示了难以在精神上可视化的3D结构(Abdinejad等人,2021; Wolle等人,2018),可视化肉眼不可见的现象(Beheshti等人,2018; Radu &Schneider,2019 a),通过为学习者提供使用环境中的信息来减少身体和认知需求(Buchner等人,2022; Georgiou &Kyza,2018; Lu等人, 2014),引导用户注意力并增强焦点(Mohr等人, 2017; Tosto等人, 2020; Yilmaz &Goktas,2017; Zubizarreta等人, 2019),提高记忆力(Gargrish等人,2021;Karagozlu,2018; Lam等人, 2021),通过将其置于物理环境中来增加学习内容的相关性和有用性(Mohr等人, 2017; Nguyen等人, 2020;Radu &Schneider,2019 a; Yilmaz &Goktas,2017),培养学习者的自信和自我效能(Mohr等人, 2017; Radu&Schneider,2019 a;Schneider等人,2016),促进协作和群体动力学(Radu &Schneider,2019 b; Schneider等人,2016年; Zhang等人,2016),并普遍提高好奇心,参与和动机(Arici等人, 2019; Bork等人, 2017; Villa-nueva等人,2020; Zhang等人, 2016年)。这些启示在创客空间环境中尤其有益,因为物理交互和制造在学生学习中起着2.2. 创客空间作为教育环境在创客空间等开放式学习环境中,学习是以过程为导向、以学生为中 心 的 ( HannaFinn , Hall , Land , &Hill , 1994; Hill&Land ,1998):学生对自己的学习方向负责,犯错误,从中学习和反思,建立协作技能,制定克服障碍的策略,学会调节自己的情绪,对周围的世界充满好奇,提出概念性问题,而不是专注于事实和过程。这种类型的学习强调真实的体验和实践互动,而不是传统的教学方法,如讲座和教科书,并允许学习者发展解决问题,批判性思维和适用于各种环境的协作技能在过去,这种学习方法通常用于大学实验室,工业车间和企业家创新实验室,最近用于创客空间(Cevallos等人, 2020; Flanagan-Hall等人,2018; Land,2000; Weinmann,2014)。创客空间是一个开放的空间,采用自己动手(DIY)的方法,出现在共同工作的空间,协作会所,图书馆,社区中心,学校创新空间和科学博物馆(兰德&乔丹,2014)。 它们被采用为有前途的学习环境(Tomko等人,2021),使人们能够创造个人有意义的文物,同时培养21世纪的技能(特里林&法德尔,2009)。 它们包含制造工具和资源,学生可以使用它们来将想法带入生活,并创建反映他们的创造力和个人表达的物理对象。在这些环境中,学习者通过动手解决问题和与同伴、实物和设备互动来获得知识。创客空间活动涉及组装、建造或修补有形物体;个人表达,如装饰物体;同伴社交;与其他创客交流和分享信息(Lee等人,2019年)。创客空间已成为人们广泛了解的地方,人们参与建构主义学习原则(Papert,1980),发展“创客心态”(Doughnut,2011),培养社区和发展身份(Blikstein,2013; Niaros等人, 2017; Peppler等人,2016),促进创新和创业(Farritor,2017; Niaros等人, 2017),开发设计思维技能(Blikstein,2013; Peppler等人,2016),并加强自我效能(安德鲁斯等人, 2021年)。尽管有这些面向过程和以学生为中心的学习的启示,但在创客空间中的教学和学习仍面临许多挑战。 制造物理工件是一个耗时的过程,通常涉及与不可见的STEM现象(例如通过电线的电流,或电机中不断变化的磁场)进行交互。虽然这些互动可以提供学习的机会,但学生可能会专注于实现产品,而不是获得深入的理解(Blikstein,2013; Doughnut,2011)。创客运动的创始人之一Dale Doughnut(Doughnut,2011年)提到,创客通常只是“玩弄技术.他们不一定知道自己在做什么,也不知道为什么要这么做。”I. Radu等人计算机教育:X现实2(2023)1000083互动,这使得调查和交流这些主题变得更加困难(Radu等人,2022,b;Radu &Schneider,2019 a)。另一个原因是,设计和创建对象是耗时的,学生往往专注于使用工具进行生产,而不是学习(Blikstein,2013;Harron&Hughes,2018)。此外,学生们对各种各样的自我驱动的项目感兴趣,他可能是一个挑战,接受个性化的scaf-折叠和指导,从数量有限的创客空间促进者或其他知识渊博的同行(Blikstein,2013年;希拉等人, 2014; Lock等人, 2018年)。当增强现实集成到创客空间中时,这些问题可以得到缓解。例如,AR应用 程 序 可 以 更容 易 地 看 到 和 交 流 不 可 见 的 现 象 ( Radu , Hv ,&Schneider,2021),帮助制造和调试任务(Beheshti等人,2017年),采取促进者的作用,为学生提供个性化的脚手架(康等人,2019年),以及其他机会,将在下一节中讨论。2.3. 创客空间活动的增强现实越来越多的研究表明,AR应用可以有益于增强创客空间中发生的活动,正如在创客空间和其他环境中进行的研究所发现的那样AR应用程序可以帮助学生了解肉眼不可见的创客空间相关STEM概念,例如音频波和电磁场(Radu&Schneider,2019 a,2019 b),电子电 路 ( Beheshti 等 人 , 2017; Restivo 等 人 , 2014; Reyes-Aviles&Aviles-Cruz,2018)和磁力(Radu等人,2022年,b)。这些研究发现,与传统教学相比,使用AR学习通常会获得更高的知识收益,更好地将知识转移到其他情况,提高动力和更深的学生参与度。 这些数据表明,AR应用程序有可能加深创客空间中不可见的STEM概念的学习。此外,研究表明,AR可以帮助设计和工程中涉及的更广泛的活动。例如,已经创建了AR应用程序,用于帮助工作人员遵循用于设备的故障或维护的一系列指令(Blattgerste等人, 2017; Tang &Liu,2021;Wang等人,2022年)。AR还可以通过允许更有经验的人例如在远程专家和现场工作人员之间提供指令来增加协作知识转移(Aschen-brenner等人, 2018年; Atriotzis等人, 2017; Obermair等人, 2020);教师和学习物理的学生(Radu等人,2022,b);以及一名教师和一名学生调试创客空间电子设备(Villanueva等人,2021年)。这些研究表明,AR可以更快、更准确地完成任务,减少认知负荷,并增加同伴协作中的沟通基础。其他研究表明,AR还可以帮助学生理解设计过程,特别是在设计、调试或展示想法方面。 AR可以允许设计者在构造之前创建3D结构(Kim等人, 2021; Seichter H., 2003; Wacker等人,2018年10月; Weichel,Lau,Kim,Villar,&Gellersen,2014年4月),或在构建之前可视化结构的3D模型(Januszka&Moczulski,2011年; Lee等人, 2020年;Peng等人,2018年4月;宋,2020年)。 这些研究通常发现,AR通过促进利益相关者之间的沟通、简化可视化过程以及减少设计和施工时间,提高了工程设计过程的效率。此外,AR可以增强交互式原型的调试,例如通过帮助用户理解和调试机器人的内部状态(Penget al.,2018年4月;Kyjanek等人, 2019; Radu,Hv,&Schneider,2021)或电子电路(Javaheri 等 人,2018; Kim 等 人,2019; Vanderlee 等 人, 2020年)。 这些研究表明,当AR很好地融入现有的工作流程时,它可以缩短解决问题的时间。最后,AR可用于提供设计理念或数据可视化的演示( Bravo&Maier , 2020;Doukianou , Daylamani-Zad , &O'Loingsigh,2021; Topal &Sener,2015)。 这些方法可以增加对传统方法的理解,参与和兴趣。虽然这些先前的研究已经发现AR可以增强学生的学习,但它们通常不是在创客空间的生态环境中进行2.4. 增强现实指南指南旨在帮助设计师创造更好的教育产品。 它们通常从正式和非正式的研究开始,然后成为标准(Gabbard &Swan,2008)。 在增强现实领域,研究人员已经提出了用于设计用于各种目标的应用程序的指导方针,例如导航(Ko等人, 2013年),旅游业(Kour-outhanalet al., 2013年),或学习(Cuendet et al., 2013; Dunleavy,2014; Laine,2018; Radu,2014)。这些准则是特定于应用程序的预期域。例如,对于学习应用程序,建议设计师展示看不见的东西并提供适当的挑战(Dunleavy,2014);设计极简主义和意识(Cuendet et al., 2013);并在适当的时间和地点提供相关信息(Radu,2014)。目前还没有将AR集成到创客空间的指导方针,但有关于将AR集成到其他教室设置的指导方针 他们讨论的主题包括考虑学习和使用AR应用程序所需的时间承诺(da Silva等人,2016年),选择与课程相关的应用程序(Pombo &Marques,2021年),鼓励教师,学生和其他利益相关者之间的关系(Pombo &Marques,2021年),并考虑迎合不同课堂活动的灵活性(Cuendet等人, 2013年)。 更广泛地说,有将技术整合到教室的指导方针,如视频材料,在线课件或新的医疗设备。 这项研究确定了类似的主题,例如建立利益相关者之间的关系(Sandars等人, 2020),考虑到使用新技术时的时间要求(Dong &Goh,2015; Griksaitis等人,2014),建立对技术的熟悉(de Jong等人,2020; Dong&Goh,2015;Griksaitis等人,2014),期望新颖性因素减弱(Griksaitis等人,2014),并确保有足够的支持人员(Griksaitis等人, 2014年)。到目前为止,这些指导方针还没有专门解决AR与创客空间学习环境的整合问题。这些指南可能包括类似的主题,例如支持技术的熟悉性和可用性,但也包括针对创客空间的各种物理和社会环境的新主题,以及这些主题如何与AR技术的能力和局限性相互作用。生成此类指南的一种方法是在当前创客空间环境中与利益相关者一起研究AR技术的使用。2.5. 协同设计作为探索设计机会的方法本研究使用了一种协同设计方法,该方法提倡将利益相关者早期纳入设计过程,不仅有助于产生设想AR技术未来可能性的想法,而且还可以使参与者能够了解新技术,并塑造他们现在和未来的学习环境(Penuel等人, 2007年)的报告。根据研究的目的和背景,共同设计有不同的定义&Sanders和Stappers(2008)将共同设计称为“共同创造的特定实例”,其中“共同创造”是指“任何集体创造力的行为”,“共同设计”是指“设计师和未受过设计培训的人在设计开发过程中共同工作的创造力”。 Penuel等人(2007)将协同设计定义为“一个高度便利的、基于团队的过程,在这个过程中,教师、研究人员和开发人员以明确的角色共同设计教育创新,在一个或多个原型中实现设计,并评估每个原型对解决具体教育需求的重要性”。研究根据不同的目标来评价协同设计。有些人专注于在过程结束时评估最终产品(Alhumaidan,2017; Cockbill等人,2019年),而其他人则I. Radu等人计算机教育:X现实2(2023)1000084¼¼参与者的经验,态度和共同设计过程的主观体验(Pallesen,Byberg,&Kristiansen,2019; Penuel,Roschelle,&Shechtman,2007; VanMechelen,Schut,Gielen,Klap-wijk,2018)。共同设计过程对参与者的影响在各种情况下都有记录,以前的研究表明,它可以使最终用户熟悉正在开发的产品和一般主题(Cockbill等人,2019年; Cook-Sather &Matthews,2021年; Thursaw等人, 2018年);加强利益相关者之间的关系,帮助参与者从他人的角度发展见解(Cook-Sather&Matthews,2021年; Hyett等人,2020; Van Mechelen,Schut,Gielen,&Klapwijk,2018);并寻求积极的情绪,如参与者的贡献的授权感和自豪感(Cook-Sather &Matthews,2021; Hyett等人,2020; Penuel等人,2007年)的报告。关于创客空间AR技术协同设计的研究文献较少,但在其他教育领域存在一些AR技术协同设计的探索Cuendet等人(2013)介绍了与教师共同设计的课堂编排AR项目;研究重点是通过该过程生成的应用程序功能和设计指南,而不是讨论共同设计过程阶段。 Buchner和Kerres(2021)让学生,教师,研究人员和AR专家合作设计增强AR的学习和教学材料,作为旨在发展计算机科学知识的研讨会的一部分。Garcia(2020)通过让教师、学生和研究人员参与共同设计过程创建了一个AR历史应用程序,在这个过程中,学生参与了应用程序的设计,以及最终原型的评估Pinto等人(2017)使用教师和研究人员之间的共同设计,作为探索AR如何增强教育棋盘游戏的方法,并导致生成与儿童一起评估的原型。Alhumaidan等人(2015)提出了一个共同设计和研究计划,通过儿童,教师和研究人员之间的共同设计活动,与儿童一起制作AR书籍;这些活动从头脑风暴和低逼真度原型开始,并以在真实教室中评估的高逼真度原型结束,然后与学生一起进行清理。Alhumaidan(2017)和Alhumaidan et al. (2018年)执行了这一过程,为AR教科书产生想法,评估原型。这项先前的研究表明,协同设计是探索未来技术应用的一种有价值的方法,它已被专门用于生成增强现实的想法,以增强课堂编排、计算机科学和历史教育、教育棋盘游戏和增强现实的教科书。这种协同设计方法可以用于探索AR技术在其他领域的应用前景,如创客空间。我们预计这种方法将产生各种各样的AR设计机会,参与者将对AR技术有更深入的了解,同时在构建未来的创客空间环境中获得更深层次的授权和代理感。总之,这些文献表明,增强现实技术和创客空间都具有教育价值,并且越来越受欢迎。可以预见的是,AR应用将越来越多地集成到创客空间中,因为它们有可能增强学生的学习和制造活动。然而,缺乏研究探索将AR整合到创客空间中的机会和指导方针。本研究通过调查创客空间课程中的协同设计干预来解决这一问题,并提供了一系列在创客空间中使用AR的设计机会,一组关于学生如何受到协同设计过程影响的主题,以及一组在创客空间中整合AR的实用指南。3. 材料和方法在本节中,我们描述了研究中使用的设置、参与者、活动、数据分析方法和软件材料3.1. 参与者和设置这项长达一个学期的用户研究发生在美国东北部一所大学教育系教授的创客空间课程的背景下。 该课程为期12周,18名研究生参加了为期一年的教育硕士学位第二学期的课程。17名学生自称为女性,1名为男性。学生这些学生之前都没有使用或开发AR教育应用程序的在这项研究之前,所有学生都自愿同意参加这项研究,并得到了大学伦理委员会的批准 七名学生参加了共同设计活动,其中包括与研究团队合作设计和评估AR原型。通过课堂观察和调查问卷,班上所有18名学生都参与了AR原型的评估研究团队由四名拥有AR软件开发和/或AR教育研究技能的人员组成在课程中,学生们学习了创客空间的技术技能和教学方面。在本研究之前,该课程已经运行了几年,没有任何增强现实技术集成。 在课程中,所有的学生(无论他们是否参与我们的研究作为共同设计者)完成每周或每两周的家庭作业,同时单独或成对工作。当学生们两人一组,自主选择队友。在我们的研究中,课程被扩展到适应AR协同设计活动。 这些活动发生在课外,与六个家庭作业有关。 对于每一个事件,研究小组要求一个学生团队自愿参与共同设计活动,在学生完成自我选择他们的队友。总共产生了六个原型:三个原型涉及与研究团队合作的单个学生;两个原型涉及两个学生的团队;对于一个原型,没有学生自愿,所以研究团队自己构建了原型,了解学生当时在课堂上学习的知识。3.2. 共同设计阶段和活动与每组学生进行合作的共同设计过程遵循Sanders和Stappers(2014)框架的四个阶段,其中一个额外的中点阶段专门用于原型开发(图1)。①的人。 根据最初的框架,协同设计有四个阶段:预设计,生成,评估和后设计。在预设计阶段,目标是让研究人员和协同设计人员了解他们将设计的背景,并为协同设计过程做好准备。在生成阶段,目标是识别未来的应用场景,并产生可以在以后进一步设计和开发的想法在评估阶段,对已经发展成原型的想法进行评估,目的是衡量效果和确定可能的问题。最后,在设计后阶段,目标是进一步了解所设计的产品如何影响利益相关者在我们的过程中,我们在评估阶段之前引入了一个开发阶段以捕获开发原型的活动(由研究团队领导)。在我们的研究中,我们在协同设计过程的每个阶段执行了以下活动预设计阶段:在与研究人员会面之前,学生们获得了关于研究作用的活动前阅读材料,已经存在的AR教育应用程序的示例,以及用于研究的AR创作软件的然后,学生和研究人员聚集在一起进行技术熟悉会议(持续约30生成阶段:在技术熟悉会议之后,学生继续与研究人员会面约1小时。我们使用头脑风暴用例和场景的技术,通过讨论,I. Radu等人计算机教育:X现实2(2023)1000085Fig. 1. 根据共同设计过程的各个阶段为每个原型开展的活动。R¼活动仅由研究人员进行。素描、评论和故事板。学生们产生了他们如何设想AR技术可以在创客空间中使用的想法,以及AR技术如何用于他们的特定每周项目。本次会议的主题是“既然您已经看到了这项技术的一些功能,那么您认为它如何应用于增强创客空间?和“想一想这个项目的一个方面,用肉眼很难理解,或者很难向别人解释。你如何用AR增强它,让别人更容易理解这个物体?“. 本次会议的结果是一组关于AR在创客空间中可能用途的各种想法,以及如何使用AR来增强学生每周项目的具体想法开发阶段:研究团队随后花了1-3天的时间,根据学生的初始输入,然后,他们会见了学生,收集学生的反馈和修改原型。 有时,学生们还使用AR创作环境来讨论和完善原型。这个原型输入和反馈循环根据学生的时间可用性重复多次。 原型完成后,研究团队与学生合作制作了一个原型视频,目的是向课堂上的其他学生展示视频。评估阶段:然后在课堂上向所有其他学生展示原型视频,然后进行课堂调查问卷(列在A中),收集观众对所展示原型的反应。设计后阶段:最后,研究团队与学生作者会面,进行持续约1小时的半结构化访谈,询问他们对设计原型和协同设计过程的看法(访谈问题列在表格xB中)。随后,所有研究人员进行内部清理会议,以反映过程。3.3. 用于构建AR原型的为了构建AR原型,我们使用了由研究团队的现任和前任成员开发的软件,可在(HGSE,2022)获得。该AR软件是Unity3D软件平台的中间件。 它允许佩戴Hololens2耳机的多个用户观看3D交互式内容,并且虚拟内容可以连接到物理世界中的电子传感器。创建原型需要编程和3D开发,这些都不是学生参与者熟悉的技能研究团队完成,并得到学生参与者的反复反馈学生合作设计者有机会使用该软件来查看原型并提供反馈,然后将原型展示给班上的其他学生。该软件具有多个功能(图中显示了一些功能)。 2)。多个协作用户可以访问包含复杂模拟的3D内容库(例如, 放置在物理传感器的真实位置上的邻近传感器的虚拟模拟)或更简单的静态内容(例如,恐龙3D模型或电路板的2D图像该库由软件开发人员提前创建,用户可以访问内容库以生成,移动/调整3D项目的大小。传感器可用于检测真实世界事件并影响虚拟元素-以简单的方式通过将传感器数据连接到对象上的效果(例如,可检测物理旋钮的旋转并用于影响3D虚拟对象的缩放和旋转);或驱动更复杂的可视化(例如,测量电路中的电压并将其显示为虚拟图形;或测量距离传感器的值可用于制作传感器内部工作的虚拟模拟;或可以跟踪3D对象的位置,当对象触摸特定位置时可以播放虚拟烟花)。 协作功能允许用户通过虚拟指向虚拟内容以及在3D中绘制来了解彼此的活动。 它们还可以使用位置信息功能来放置指向特定对象的箭头,或工具提示和文本标签来描述空间位置。最后,呈现特征允许创建以序列显示/隐藏的内容,以允许创建逐步引导的呈现。3.4. 数据分析方法来自各种来源的数据被用来回答每个研究问题,如下:回答“RQ1. 增强现实如何对创客空间的教育有用?” 我们对来自生成性头脑风暴会议、原型开发和汇报访谈的数据以及来自评估阶段的调查数据进行了定性分析。 在每次与学生合作设计师的头脑风暴会议之后,一位研究人员(第一作者)收集了一份学生们提到的关于使用AR增强创客空间的想法清单,这些想法与以下方面有关:图二. AR创作软件的功能(草图、标签、2D叠加、动态图形和3D叠加)。I. Radu等人计算机教育:X现实2(2023)1000086表1原型的时间安排以及与之相关的主题括号表示有多少学生参与了原型。R¼原型,只涉及学生在评估阶段。周23561012课程主题激光切割激光切割机儿童梦想玩具,3D打印电子编程最终项目原型迷宫(1)切痕(1)恐龙(2)传感器(R)积木(1)大理石(2)他们的项目。 如果参与者在原型开发阶段或汇报面试阶段提到其他想法,这些想法也会被添加到初始列表中。此外,在每个作业周对其他学生进行评估调查,以收集看到AR原型后的反应。每次调查结束后,一名研究人员(第三作者)分析了调查结果,并对学生的开放式答案进行了编码,以了解有关AR可能用途的其他想法如果一周的想法与前几周的想法重叠,则使用相同的代码;否则,引入新的代码在学期结束时,这些数据集中与AR的可能用途相关的代码被合并和分组(第一作者和第三作者合作),从而形成了本文第4.1.2节中报告的主题和子主题。 在汇报访谈和课堂调查中收集的学生的语录也被用来更丰富地说明每个项目的具体影响,如本文第4.1.1节所述。回答“RQ2. 学生如何受到共同设计AR技术过程的影响?",一位研究者(第二作者)对合作设计学生的汇报访谈中的主题进行了定性分析访谈问题(列在附录XB中)涵盖了共同设计过程的影响和未来改进建议等主题。在每次采访被转录后,研究人员分析了学生对每个问题的回答中出现的抄本和编码思想。 代码和说明性报价汇总在每周更新的电子表格中。如果一周的想法与前几周的想法重叠在学期结束时,代码被分组(在第一作者和第二作者之间的合作下)到本文第4.2节中报告的主题和子主题中。最后,回答“RQ3. 在创客空间中集成AR的实际考虑是什么?",我们使用了来自所有研究人员在研究的各个阶段的反馈数据,特别关注在过程中遇到的后勤,教学和技术挑战;以及来自与后勤考虑有关的学生汇报访谈的数据。在研究结束时,所有研究人员将他们对这些主题的想法汇集到一份文件中。此外,该文件还扩展到包括学生访谈中产生的后勤考虑因素(来自上述RQ 2分析)。最后,对文件中的观点进行了分组(在所有研究人员的合作下),从而形成了本文第4.3节中提出的四类指南。4. 结果在接下来的章节中,我们首先关注“RQ1”。增强现实如何对创客空间的教育有用?” 我们首先描述了与学生一起构建的几个原型体验,并列出了AR可以受益的不同学科领域的更广泛列表。 然后,我们提出我们的发现关于“RQ2”。学生如何受到共同设计AR技术过程的影响?最后,我们回顾了在创客空间中整合AR的过程,并为回答“RQ3”的研究问题提供了指导。在创客空间中整合AR有哪些实际考虑因素?"4.1. 增强现实如何对创客空间的教育有用(RQ1)?在本节中,在回答研究问题之前,我们首先提供有关研究期间生成的原型以及开发期间出现的想法的然后,在第4.1.2节中,我们通过思考如何在创客空间中使用AR这一更广泛的主题来回答研究问题表1显示了原型的主题和学期时间。第4.1.2节中的表2总结了AR技术如何在创客空间中发挥作用的领域,以及哪些原型说明了每个主题。4.1.24.1.1. 原型和学生评价六个原型及其构建和评估对于理解创客空间的AR机会(RQ 1),理解协同设计过程对学生的影响(RQ 2)以及生成将AR技术集成到创客空间的指导方针(RQ 3)做出了重大贡献。为了说明通过这个过程收集的丰富数据,我们描述了每个原型,以及来自原型作者的学生和观察原型的学生新出现的主题以粗体显示4.1.1.1. 迷宫原型 对于这个项目,在Xuddi XC视频和图中说明。 3和4,学生作者首先创建了一个字母形状的木制迷宫,有一个球穿过它(图2)。 3左)。增强现实用于增强物体的最终形式,并传达其创建过程及其未来用途。创客空间的挑战之一是学生参与创造工件的过程,但通常创造对象的过程并不容易以最终的形式可见。 通过AR,学生展示了迷宫路径是如何通过合并矩形形状来生成的,这些矩形形状是复制粘贴的,每个字母都有修改(图1)。 3右)。 AR还被用来在球到达终点时为物体添加视觉特效(图10)。图4,左),并通过显示箭头(图4,右)提供移动球通过迷宫的提示。这个项目涉及AR如何影响创客空间体验的多个方面观众中的学生在看到AR应用于创客空间项目时,感受到了更强的代理,例如。“看到一个同学使用AR作为他们项目的一部分,真是令人兴奋。这让我觉得我最终也能做到。“的。该项目的作者还提到:“我不认为我能够做出一些东西。 我不认为我有能力去做。 但是一旦我开始这样做,我意识到我已经有了很多这样做的技能。意识到我知道的比我想象的要多,这让我很有力量刺激我去想新的东西...还有兴奋的“哦,我还能做什么?”“的。此外,当AR用于图三. 左:没有AR时看到的最终迷宫对象(球不可见)。右:AR叠加显示如何通过复制粘贴矩形形状创建迷宫路径。I. Radu等人计算机教育:X现实2(2023)1000087见图4。左图:带有AR视觉效果的迷宫庆祝其完工。右:迷宫与箭头提供提示给用户。在展示设计过程(图3右)时,观众中的学生提到这很有帮助:“我认为展示迷宫叠加的部分对理解设计很有帮助“。查看指导信息(图) 4右)被发现是有帮助的,例如一个学生提到它是有帮助的“有箭头弹出顺序显示步骤”。虽然学生们欣赏这些方面,但观众也对AR表示的意义表示困惑,例如,一位学生提到:“我对AR的覆盖层的含义感到困惑。我希望能有更多的解释“,另一个学生提到“有时它太混乱和头晕。我会说,同时减少代表性可能会有所帮助。“的。 这些困惑暗示了正确构建AR演示文稿的重要性。4.1.1.2. 切口原型。 有时学生在制作形状的过程中会有发现,而增强现实可以帮助其他人了解这些发现。在这个项目中,说明了在Xuddi XC视频和图。5和6,学生作者做了一个物理动物由激光切割的动物形状,其中包含一个圆柱形(图。 5左)。圆柱形形状是通过取一块可弯曲的木头并切割“切口”图案(即,一系列薄切口),以使其可弯曲。 在这个过程中,学生通过失败发现,无论何时使用切口弯曲将矩形形状变成圆形形状,当工件弯曲时都会引入额外的长度,这需要在工件将适合的任何孔的圆周中考虑。这在建造过程中是一个挑战,学生选择通过AR原型向班上的其他人教授这个问题。AR叠加首先被用作X射线来显示
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