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图形和视觉计算6(2022)200037远程CG教育专题克服虚拟现实和增强现实实践课程教学时的挑战:方法,技术和最佳实践Ralf Doerner,Robin Horst德国,威斯巴登,Unter den Eichen 5,RheinMain University of Applied Sciences, 65195ar t i cl e i nf o文章历史记录:接收3十月2021收到修订版2021年11月24日接受2021年2021年12月7日在线发布保留字:虚拟现实增强现实教学技术a b st ra ct本文介绍了教学虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的方法和技术,这些方法和技术是在我们20多年的高等教育教学经验中构思和完善的。我们涵盖了广泛的范围,从使用VR和AR作为更一般课程的一个方面,到整个学期的VR和AR深入课程本文的重点是方法和技术,使学习者不仅可以在理论层面上学习VR和AR,还可以通过各种感官促进自己的VR和AR体验,并促进实践学习。我们展示了为什么这是具有挑战性的(例如,准备实践经验所涉及的高工作量,需要投入的大量课程时间),以及如何应对这些挑战(例如,使用我们的电路Parcours技术)。此外,我们还讨论了在使用我们的方法和技术时,除了实践经验之外,还可以在VR和AR课程中解决的学习目标。最后,我们提供了最佳实践示例,可用作VR和AR课程部分©2021作者(S)。爱思唯尔有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍基于超声波技术,已经开发出促进非接触式触觉反馈的新型设备[1]。用户可以感受到空中的力量,这些力量可以用来将虚拟现实(VR)或增强现实(AR)渲染成更多的多感官体验。虚拟物体实际上是可以触摸的。但仅仅阅读这些设备并不足以真正理解它们或评估它们在VR和AR应用中的潜力。空气中的无形力场是什么感觉?可触摸虚拟物体的幻觉有多令人信服?因此,阅读文本、查看图像、观看视频或听取其他人的报告可能不足以教育人们正确了解VR和AR。当需要满足的学习目标超过Bloom分类法的基本水平时,当学习目标不仅仅是记住术语或事实,而是应用所学知识,进行分析和综合,或做出判断时。从我们的经验来看,在不为每个学习者提供动手体验的情况下教授VR和AR,有点像在不使用水的情况下教授游泳。虽然支持教育中的边做边学方法是VR和AR方法和系统的一个关键应用[3],并且已经探索了它们在实验室教学方法中的应用[4],但我们专注于VR和AR本身,*通讯作者。电子邮件地址:Ralf. hs-rm.de(R. Doerner)。https://doi.org/10.1016/j.gvc.2021.200037高等教育中的教学主体。我们确定了一些挑战,例如与准备动手课程相关的高工作量,这些挑战阻碍了教育工作者向学习者提供这些VR和AR体验这些问题因VR和AR的日益普及而加剧,感兴趣的学习者群体不仅越来越大,而且更加多样化。除了计算机科学专业的学生,从化学到社会科学等其他学科的学生也是VR的目标群体,AR课程这一趋势可归因于几个因素。特定的VR和AR硬件可作为消费产品提供,价格合理。具体来说,配备摄像头甚至深度传感器的智能手机或平板电脑等主流智能设备是VR和AR的合适平台从医学到土木工程等不同应用领域的商业软件产品因此,VR和AR正在成为各种应用的基础技术,例如,在工业,医学,土木工程,营销,娱乐和教育中。因此,人们对VR和AR的兴趣越来越大,对这些主题的学习机会的需求也越来越大不仅学生对VR和AR感兴趣,专家和决策者也希望了解2666-6294/©2021作者。由Elsevier Ltd.发布。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表图形与视觉计算期刊首页:www.elsevier.com/locate/gvcR. Doerner和R.Horst图形和视觉计算6(2022)2000372VR和AR,以评估这些技术的潜力,改善他们的工作流程,或创造新的商业机会。最后但并非最不重要的是,教育工作者越来越感兴趣,因为VR和AR有潜力为教学和培训提供创新和有价值的手段在本文中,我们提出了应对这些挑战的方法,这些挑战是我们在几所大学的计算机科学系中20多年的VR和AR教学经验中开发的。这包括我们10年前开始制定和完善的技术我们在2021年欧洲图形会议的教育轨道上介绍了这种技术[5]。这篇期刊论文提供了对电路parcours技术的更深入的描述,更详细的相位模型,以及使用它的其他最佳实践示例。我们扩展了相关的工作部分,以及对挑战的讨论和对VR和AR教学阶段模型的讨论。此外,我们提出并讨论了未发表的结果,从最近的调查中,我们的课程参与者从过去5年。我们还讨论了与COVID-19相关的VR和AR实践教学问题,展示了我们的方法如何应用于远程学习的观点。本文的贡献是关于在大学教授VR和AR时的特点和挑战的见解,用于教授VR和AR的专用方法和技术,包括电路parcours技术和基于相位的教学方法,介绍了不同的创新教学实例,可作为最佳实践或模板,并讨论了针对不同学习目标所作的组织和教学决策的基本原理,反思了我们的实践经验,以及评估结果,确定了本文所介绍的方法和技术本文的结构如下。我们将在下一节回顾相关的工作。然后,我们确定了与在VR和AR大学课程中提供第一手经验相关的挑战。接下来,我们详细介绍了我们的教学技术,然后介绍了我们的阶段为基础的教学方法。基于这一概念基础,我们提供了示例场景。最后,我们分享了经验,讨论了从我们的实践和评估中吸取的教训,然后我们总结并展望了未来的工作。2. 现有技术过去几十年的文学作品,例如,[6,7],强调了实践经验在一般学习中的重要性。在基本层面上,一些学习理论认为学生的经验是不可或缺的因素。突出的例子是基于建构主义的理论,这也影响了教学技术[8]。具体的理论方法,如动机主动学习[9],侧重于建构主义的积极方面,如增加学习者的动机或创造力[10]。在本文献中,术语“动手”是象征性使用的,与实际使用的手无关,例如,在外科医生的教育中提高运动技能[11]。例如,动机性主动学习已经用于计算机科学的教学中,其中学习主题是抽象的并且不涉及真正可触摸的对象。6E模型(区分六个阶段所谓的参与,探索,解释,工程师,丰富,评估)的特点动手活动作为一个关键部分,并已被用于目标,以更好地学习者在我们的工作中,我们还使用了阶段模型,文献强调了循环学习模式和重复的价值而不是一次过的(12)。基于对象的学习[13]是高等教育中使用的特定理论建构主义方法的另一个例子。在这里,实践经验与许多感官的参与感同时紧密结合,以获得更好的学习效果。感官在教育中的作用是许多出版物的主题,强调其重要性[14]。尤其是第一手经验的价值,即,学习者的直接感受,是不可低估的。在VR和AR中,我们有一个特殊的情况,一个中心角色。[15]如有疑问,请联系我们。在整个VR和AR方法论的核心。因此,在VR和AR应用中采用沉浸式技术投入了大量精力。与使用这些沉浸式技术相关的体验和感知无法仅通过文本或口头描述进行适当传达,因为我们无法将自己置于他人的脑海中[16]。总的来说,我们看到文献中关于实践经验和学习的大量工作支持我们的假设,即能够确保所有学生沉浸式体验的教学和课程组织技术可以使一个有价值的贡献。这与文献中的观察结果相吻合,即使用VR和AR的一个重要好处是在教学中。20多年前,专家们怀疑VR是否是21世纪的教学工具。采用这些技术的主要原因之一是学生有机会获得实践经验[18]。文献中描述了许多案例研究和文献综述,如[19有证据表明,使用VR技术不仅可以提高学习成绩,还可以提高动手能力。一些作者甚至看到了VR和AR教学革命的潜力 [22]。VR和AR甚至可以在远程学习中实现动手体验[23]。因此,当实践经验对于任何学科的教学都是必不可少的时候,当该学科正在教授VR和AR本身时,这些经验应该特别重要。关于在教育中使用VR和AR作为技术的文献要比关于VR和AR的教学文献多得多。Häfner等人分享了他们的方法,包括四个重叠阶段的VR教学实践课程。 在第一个短阶段,学习者将以讲座的形式(例如,简要介绍,如“VR的定义和应用”或“VR的软件技术和解决方案”,与实验室演示相结合,奠定理论基础。这些演示允许动手体验,以提高理解,并帮助学生在讲座期间保持专注。第二阶段包含旨在让学生熟悉VR专用软件的练习在第三阶段,也是最长的阶段,形成学习者小组,并分配一个项目的任务。专门的努力是花在寻找学生感兴趣的任务,并符合课程的目标,以及模拟工业工作环境。第四阶段包括软技能评估和最终评估。然而,这种方法此外,它并不特定于VR和AR,但可以用于对于任何其他软件工具,可以在一个项目中使用。我们分享了一种教授VR和AR的技术,我们称之为电路parcours技术。第4节包含更深入的····R. Doerner和R.Horst图形和视觉计算6(2022)2000373这种技术的描述(与这篇期刊论文相同, 被认为是一个扩展和详细的后续出版物,也见第1节)。由于只有少数关于VR和AR教学的出版物,仍然需要更多的技术来降低将VR和AR纳入教学的组织障碍,特别是如果VR和AR的实践经验是教学的一部分。缺乏专门的VR和AR教学技术和方法可以被认为是意想不到的,因为包含VR和AR的课程数量虽然这些课程在十年前被认为是分散和异构的[24],但关于VR和AR开发的课程正在变得越来越流行和多样化,因为使用低成本系统已经可行了几年[25]。现在,比成本更严重的障碍是内容的创造。在这里,工具和匹配的创作方法,如VR/AR掘金[26]已被确定为有效的解决方案。Nguyen等人VR/AR应用程序可以在课程中成功开发,学生能够采用必要的工具[27]。因此,我们将假设在我们的工作中,现有的合适的创作工具的先决条件可以得到满足。在文献中,可以在[28]中找到VR/AR课程和相应课程的讨论的良好概述。沉浸感和体验通常是VR和AR课程的一部分[29]。Burdea等人[30]指出了想象力和经验的重要性,除了沉浸。此外,VR和AR通常是较长课程的一部分,特别是顶点课程[31]。文献中没有多少方法采用适合这种深入课程以及基础课程的技术,甚至可以在一天内教授VR和AR的简短介绍。由此导致的灵活性降低可能会对将VR/AR教学整合到现有课程结构中带来挑战。因此,VR和AR可能仍然没有很好地反映在许多本科院校的课程中,尽管不会破坏课程结构的想法已经存在了一段时间[32]。即使是早期的VR教学工作也寻求与其他技能的紧密结合,如软件工程和团队合作[33]。同时,教授VR和AR的课程的经验证明了小组工作的积极影响[34]。此外,许多教授VR/AR的方法都是基于项目的[35,36],这为小组工作提供了大量机会。现有的研究工作还表明,VR/AR课程可以解决VR和AR技术和方法之外的学习目标,例如创造力,解决问题的技能或演示技能[37]。最近的工作[38]强调,VR对于生活在“经验年龄”这个术语已经被创造出来的时代的21世纪学习者来说特别有价值在这个时代,移情、系统思维、抽象推理和计算能力等软技能VR和AR发挥着至关重要的作用,因为它们支持获得这些软技能,而不是其他学习技术[39]。因此,VR和AR学习的良好教学这种适当的指导和组织技术过去是,现在仍然是开放的研究领域[24,28]。在VR和AR教学中影响实践经验重要性的一个方面是学生在开始VR/AR课程时已经拥有的先验知识和经验。毕竟,预计二零二一年将售出610万台VR头显,使总累计装机量达到1644万台[40]。据估计,仅全球VR市场规模就将从2021年的约50亿美元增加到2024年的120亿美元以上[40]。2020年,全球智能手机用户数量估计为35亿人[41]。随着现代智能手机的摄像头和计算能力,数十亿人拥有一个适合AR的技术平台。因此,在开始时评估VR和AR的先前经验是一个很好的做法VR/AR课程,因为这些技术的访问障碍已经大大降低。然而,不能指望所有学员都有机会亲身体验AR,尤其是VR。此外,更复杂的VR和AR技术,如CAVE或Microsoft Hololens, 远离平凡。由于动态改进(例如,增加的视野,增加的显示分辨率),仅仅几年前的先前经验并不能正确地反映最先进的技术。因此,尽管VR和AR技术的子集具有更高的可用性,但提供动手体验至关重要。3. 挑战和要求虽然在许多应用场景中,例如VR暴露疗法[42],现代消费者平台已经弥补了高成本,低图形质量或缺乏鲁棒性等障碍,但VR和AR技术今天并不常见。在科学文献和研究中已经确定了许多一般性挑战,例如,AR行业专家在最近的一项调查中将用户体验和缺乏内容产品称为大规模采用AR的主要障碍[40]。所有这些问题也适用于VR和AR教学。在下文中,我们确定了更具体的其他障碍,这些障碍是教育工作者在VR和AR课程中加入实践经验的障碍。用 于实 现VR 和 AR 的 硬件 种类 繁多 , 例如 头戴 式 显示 器(HMD)、立体投影、触觉反馈设备、控制器、跟踪系统、深度传感器或运动平台。此外,还存在各种各样的设置,例如3D电源墙、CAVE、虚拟工作台、手持智能设备上的具有视频透视的AR、采用AR HMD的具有直接透视的AR,或者原地行走设置,例如Virtuix Omni。理想情况下,学生有机会获得整个品种的第一手经验。然而,这是费力且耗时的。瓶颈挑战一些VR和AR设备仍然很昂贵,无法大量使用。如果一次只有一个学生可以体验VR/AR,这会导致冗长的课程,并提出了其他学生在这段时间内可以做什么的问题。特别是在基于HMD的VR中,用户可能无法看到他们的真实环境,因此有必要在体验期间监督学生,例如,因为或学生可能患上电脑病。这可能会完全占据教育者,导致僵局。Access ChallengeVR/AR硬件可能无法在课程时间之外提供给学生。因此,不可能将VR/AR体验作为家庭作业的一部分。因此,需要投入大量的课程时间准备VR/AR硬件演示并提供相应的此外,在课程之前设置VR/AR演示并在课程之后将其收起来可能需要大量的努力。与VR/AR演示相关的时间负担可能会迫使教育工作者放弃将VR/AR演示整合到课程中的想法。Space ChallengeVR和AR设置可能需要大量的占地空间(例如,VRHMDHTCVive具有高达20平方米的跟踪空间)和环境条件的控制(例如,百叶窗以限制阳光直射)。因此,演讲室可能无法同时容纳几个设置,或者根本无法容纳一些设置,从而限制了动手体验的机会。R. Doerner和R.Horst图形和视觉计算6(2022)2000374=−= −+Fig. 1. 电路parcours技术。显示了演示会话的两个快照-在此示例中,形成了两个学生的组,每个组成员在不同的演示台上扮演演示者或参与者的角色,每个演示台都有不同的VR/AR演示。表1电路parcours技术的变量概述变量描述TCircuit parcours一个事件的持续时间一条赛道的赛事数量E总电路parcours持续时间学生人数在一个时间段内举办k个s组大小t每名与会者每站g客人N演示会话tsetup事件发生前的设置时间b一次活动tbreak每次中断的中断时间tend事件发生后的拆解时间与其他VR和AR应用一样 [43],即使教育工作者对VR和AR持积极态度,但他们对VR和AR的熟悉程度仍然不够教育工作者不了解最佳做法的例子或缺乏基本的教学材料,如教科书[24]。这可能会导致在一般教学中使用VR的自我效能低下[44]。由于提供实践经验的机会比仅仅讲授有关VR和AR的事实要求更高,特别是不太熟练的教育工作者如果得不到足够的支持,可能会避免在教学中包括第一手经验VR和AR教学技术和方法的要求可以直接从所有确定的挑战中得出4. 教学技术在本节中,我们贡献了一种用于教授VR和AR课程的技术,即电路parcours技术[5]。 其基本思想是组织和举办一个活动,同时进行多个VR和AR演示。这为学习者提供了充分的机会,让他们有许多类似于电路训练的经验。此外,我们的目标是,与其他学习情景有着根本的不同,它被认为是令人兴奋的变化,学习者喜欢这种事件式的特征。我们的技术如图1所示。我们将在下文中使用的参数在表1中列出。假设我们有n个学生和一个老师。我们把学生分成大小相等的k(sn/ k)。此外,我们还有K站。在每个站点,将进行几个相同的VR/AR演示,一名学生将能够体验这个演示并获得第一手经验。每个站点都有相应的VR/AR硬件和软件设置。VR/AR演示因车站而异。每次演示都有固定的时间。教师指定t分钟的数量,并将其传达给所有组。在活动中,四个角色被区分:演讲者,参与者,观察者和嘉宾。在每次演示过程中,都有一名参与者积极参与在车站提供的VR/AR体验中。的作用演示者准备下一个演示(例如,擦拭设备以符合卫生标准或重置软件)、欢迎参与者、提供有关演示的一些背景说明、指导参与者完成演示、确保参与者在演示期间的安全以及在演示后进行观察员的作用是监测演示(例如,检查是否遵守时限),在演示过程中记录观察结果,并在必要时协助演示者。在每个演示会话中,有一个人扮演演示者的角色。担任观察员的人数可以在以下情况下有所不同:0和s1。可以邀请额外的g位客人,例如,在一个实施例中,不参加课程的学生、朋友或家人。教育工作者可以是这些客人中的一员,他们也可以在选定的电台参加演示会话(例如,以填充开口槽)。教育者准备一个时间表,其中列出了所有演示会话。对于每个演示会话,时间表提供以下信息:开始时间,每个站的参与者姓名(嘉宾或未分配到该站的小组成员),以及演示者和潜在观察员的姓名(他们都是分配到该站的小组成员)。有N n(k第一章G总共有k个演示会话。由于在单个时隙中存在k个演示会话,因此需要规划长度为t分钟的N/ k个时隙。活动阶段从设置开始,准备和设置所有站点的演示。这需要t设置分钟。教育工作者负责确保时间表得到遵守。教育者发出信号(例如,使用锣)当演示会话开始时。每个学生将参观所有的车站(除了学生被分配到的车站),并以参与者的角色体验相应的演示。在剩下的时间里,学生在指定的站,作为演示者或观察员。R. Doerner和R.Horst图形和视觉计算6(2022)2000375+=·+·+·+=为了减轻不可预见的事件打乱时间表的影响,可以计划几个b的休息时间。这些休息的目的不仅是放松和为所有人提供饮料、食物或浴室休息的机会此外,休息提供了补充资源的时间(例如,负载电池)。如果一个演示会话需要更长的时间,其他会话可能会受到影响,因为演示者或参与者可能无法及时参加接下来的演示会话。这可能会导致连锁反应,可以停止与休息,作为一个时间缓冲工作。我们建议教育工作者停止常见动作的时间(例如,用于从一个站走到另一个站、用于用擦拭物对HMD进行消毒、用于戴上HMD),并收集其它时间相关信息,例如,电池寿命或校准时间。这应该确保必须为切换站规划足够的时间为了满足两个演示之间的清洁时间,以便遵守卫生标准),并且作为缓冲的中断是重要的,以便防止一切都失去同步。每个站点都有一个可见的大钟和一个声音信号(如锣或铃声),通知每个人新的会话开始,这也是很有价值的在最后一次演示会议之后,工作站被拆卸。这需要几分钟。总的来说,事件花费时间T t建立(N/k)tB 没有打破t结束。如果T的持续时间太长,不适合教学时间表,则需要拆分事件阶段这为每个额外的会议增加了额外的时间如果e是要举行的所有事件的数量,E是所有事件阶段所需的时间,那么如果我们以所有e个事件具有相同长度的方式分割事件阶段,则E T e。我们可以计算E直接表示为E=e·tsetup+e·(b·tbreak)+(N/k)·t+e·tend。5. 相模型我们将来自电路parcours技术的事件整合到一个阶段模型中,以获得一种用于VR和AR主题课程教学的方法。在这里,我们区分了六个阶段。在阶段1,大纲阶段,教育者概述如何电路parcours技术是嵌入在课程。教育工作者面临的最大挑战之一是确保每个小组在各自的工作站准备演示的工作量大致相同。由于所有的站点都是不同的,教育工作者必须确定适当的任务,该组能够在课程的时间框架内完成。此外,这些任务既不应使各团体感到挑战不足,也不应使其不堪重负。为此,教育者需要了解学生的能力。关于演示内容创建的困难有很大的范围。一方面,现有的应用程序可以按原样使用。然而,他们往往是一个黑盒子的学生和演示准备太容易。另一方面,学生可以使用Vulkan和相应的GPU着色器等低级API从头开始创建演示。在这里,VR掘金方法特别有趣,因为它处于频谱的中间,没有太多的解决方案。教育工作者的准备工作不仅需要确定合适的任务和此外,还必须编写说明,例如,以教科书、视频教程或讲座的形式这可能会因车站而异。计划的一部分也是需要适合课程的个人时间限制的事件的时间计算。最后,教育工作者必须评估如何能够调整循环parcours模式,以适应课程或课程的限制。甚至有必要改变课程或教学组织,以便充分利用所提出的技术的优点。如果学生的数量不能被站点的数量整除,就会出现一个特殊的问题。一个很好的解决方案是有一些小组比其他小组稍大,并在活动期间邀请客人,以确保每个会议期间所有的站都被完全占用,所有学生都可以扮演参与者和演讲者的角色在阶段2,分配阶段,每个组被分配给一个站。指定在k个站点中的每个站点进行的演示,并选择所需的VR/AR硬件和软件,并提供给团体。教育者要么将完整的规范交给分配给站的组,要么仅向该组提供一些约束(例如,在演示中使用的硬件)。在后一种情况下,教育者要求小组完成规范。在指定演示时,必须考虑该时间t。此外,各小组按计划分阶段接受指导,1.例如,可以向组分配一些学习任务(例如,背景信息或VR硬件手册的阅读作业适合自学的VR和AR教科书,如[45])。在阶段3,即准备阶段,每个组准备用于指定演示的硬件和软件基础设施(例如,采购硬件、配置软件)。他们在他们的工作站测试VR/AR设置。此外,他们制定了一个行动计划,进行演示会议,也考虑到时间和不同的角色。在准备阶段,演示会议进行排练,并根据排练的结果行动计划需要确保遵守t分钟的时间限制在排练中,分配到一个电台的小组成员承担每个角色至少一次在第4阶段,即事件阶段,事件按照上一节所述发生。我们发现这是有益的,教育工作者不只是一个观察员在事件中,但在每个站的客人参加每个演示。这允许教育者与每个小组互动,并在活动结束后提供一些反馈。或者,教育者可以在准备阶段充当每个台站的试点用户。第五阶段,展示阶段,分析和展示在事件阶段收集的数据。例如,可以要求学生根据他们在各自站点的观察结果进行定性甚至定量这些结果连同其演示协议的描述和讨论、实施原型软件时学到的经验教训、进行演示和用户测试时学到的经验教训以及总体观察结果和结论,可以汇总在报告中或在活动后的会议中提交给其他小组。第六阶段是反思阶段,在课程结束时增加了深化经验和巩固学习成果的阶段。反思的范围可以从单独填写问卷到学生之间关于自己的经历和观察的简短非正式讨论,再到更正式的报告。反思阶段对于教育者评估学生的进步或用于分级目的是有价值的。此外,教育工作者可以通过观察演示(特别是如果教育工作者作为试点参与者或嘉宾),通过检查创建的软件,并通过评估整体演示设计来收集有关学生表现的信息。由于可以单独观察演示者,并且可以要求小组详细描述和评价每个团队成员的贡献,因此尽管严重依赖小组工作,但评估每个学生的个人表现是可行的在最简单的情况下,目标是提供VR/AR的第一手体验,而仅仅是学生尝试VR/AR演示的参与就足以确保实现这一目标R. Doerner和R.Horst图形和视觉计算6(2022)2000376==教育者可以根据个别课程的要求和限制来调整阶段。例如,第3阶段可能需要几个星期,当学习者开发自己的演示程序时,或者当学生学习如何启动预安装软件时,只需几分钟。教育者也可以决定省略阶段,例如,如果教育者没有足够的时间,则可以省略反思阶段。代替相位的线性连续,可以在相位模型中引入迭代。我们区分内部迭代和外部迭代。在内部迭代中,阶段2到5可以重复多次。因此,几个事件发生,学习者准备多个演示,提供更多的动手体验的机会,学生可以将在一个迭代中学到的经验直接应用到下一个迭代中。在外部迭代中,整个学习者组被分成子组,分别应用阶段模型。因此,多个孤立的事件发生在相同的车站。对于教育工作者来说,比较结果是很有趣的。如果时间允许,所有分组可以共享第5阶段,并且还能够比较不同分组在同一台站得出的结果为了节省时间,一个变化是有被分配到同一个站的所有学生团体的平行会议由于他们被赋予同样的任务,对这些群体来说,比较结果和交流经验特别有意义。最后,我们在阶段模型中引入耦合点,在那里可以连接到其他课程。由于在相对较短的时间范围内进行,并且是独立的,事件阶段充当了极好的耦合点。例如,课程A是一门深入的课程,学生甚至可以自己准备演示,而VR和AR只是课程B中的众多科目之一。这两门课程可以通过邀请课程B中的学习者扮演客人的角色来结合起来,巡回演出。课程A的学习者受益,因为他们可以收集更多的数据和更多的经验。课程B的学习者受益匪浅,因为他们有机会获得一些第一手的经验.其他耦合点可以同相放置5. 例如,课程A是关于VR和AR的深入课程,而课程B是关于人机交互或可用性工程的课程。来自课程B的学习者可以参加课程A的演示,从他们的同学那里听到他们如何进行演示,甚至如何计划,执行和分析可用性测试的第一手经验。如果课程B的学习者发现了有趣的研究问题,他们可以将这些问题提交给课程A。这里,耦合点位于相位2。完整的相位模型如图所示。 二、6. 最佳做法第一个例子是将我们的方法应用于计算机科学专业学生第四学期的本科课程本课程共有15名学员,工作量为150学时.该课程在VR/AR实验室中进行。每周四个小时包括以讲座为基础的教学,stud-dent演示,实际工作和辅导。这些比例随着时间的推移而变化,在课程开始时强调教学,并在结束时侧重于学生的实际工作。总的来说,指导和实际工作的比例大约是40:60。此外,学生拥有一张芯片卡,可以自由进入VR实验室,每个学生都可以进入存放VR/AR设备的储物柜。在第二阶段,学生们被分成五个大小相等的小组。每个团队都会收到一些VR/AR硬件和一个研究问题,其中需要进行用户测试例如,一组接收VR HMD,并负责比较用于在VR环境中导航的两种不同技术另一图二、 用于教学VR和AR的阶段模型。示例将是接收平板电脑和AR HMD并且被要求评估直接透视和视频透视的优点和缺点的组第三个例子是一个任务,其中应该比较在VR中可视化远距离传送的不同技术。教育者分阶段准备这些任务1.每个演示会话的时间设置为t20分钟。在第三阶段,每个小组需要开发原型软件,作为用户测试的基础。诸如游戏开发平台(例如,Unity)、专用VR软件(例如,Autodesk VRED)或工具包(例如,ARKit)的使用,使学生不需要从头开始教育工作者支持学生进行原型开发,但也为用户测试的规划提供反馈,例如,审查将使用的调查表教育者提供了一个时间表,所以很清楚谁必须在活动期间在哪个站扮演哪个角色主要活动(第4阶段)必须分为两个日期。两位客人也在场。其中一位客人是教育工作者,他也可以体验每个车站。计划两次中断,t中 断5min,t设置设置为15 min,t结束设置为10 min。事件的两个站被描绘在图中。3.第三章。总的来说,这两个活动都有7个演示环节,耗时175分钟。学生们自愿组织了第三次活动,邀请了朋友、家人和同学。在第五阶段,每个小组做三次演讲。第一呈现R. Doerner和R.Horst图形和视觉计算6(2022)2000377=-=·===-=图3.第三章。 一个 例子,两个 车站在电路parcours。是关于教育课程中的其他学生关于他们用于原型设计的软件以及使用该软件所学到的教训。在第二次报告中,每个小组报告了用户测试的结果(包括统计分析)并进行了讨论在两次常规活动中,每组进行了14次用户测试(包括12名不在该组的其他学生和两名嘉宾),随着第三次活动的增加,这个数字增加到22次用户测试,为有意义的统计分析和讨论提供了大量数据第六阶段的第三个演讲是关于课程中的经验反映,所有小组都专注于他们在其他车站试用VR和AR设备本学期的15周大纲阶段(第1阶段)采取了教育者ca。学期开始前总共40小时(例如,采购硬件、时间规划、任务的想法、任务的详细说明)。使用我们方法的第二个例子是两个-为没有VR或AR背景但想评估这些技术对教学有多大帮助的大学教学人员提供继续教育的日间课程与会者人数为12人。在第二阶段,形成两个组,并且每个组接收具有VR或AR功能的设备 ( 例 如 , iPad 、 OculusGoVR-HMD 、 MicrosoftHololens)。每个设备上都有一个预安装的应用程序,例如Froggi- pedia(Apple App Store中关于生物学的AR学习应用程序),Human Anatomy VR(Oculus App Store中支持探索人体解剖学的VR应用程序),三星的BeFearlessVR应用程序用于培训公众演讲,或Microsoft的Dynamics365基于AR的协作应用程序用于MicrosoftHololens。 在60分钟的准备阶段,每个小组的任务是熟悉软件,阅读手册或观看视频教程,并计划10分钟的演示。小组被告知,在这个演示中,应该提供简短的介绍,并展示VR应用程序或AR应用程序。 紧接着,第四阶段开始了,在六个车站共举行了10次演示会议。总的来说,该事件阶段花费了120分钟(t设置0分钟加上10 t 10分钟加上两次休息,t休息5分钟后结束10分钟)。总共有三个小时的课程时间用于让参与者有第一手的经验。跳过了第5阶段。在第六阶段,小组讨论开始,反映经验,并要求每个参与者写下三个(或更多)想法根据演示的印象,VR和AR技术如何改善他们的教学。第三个例子是化学本科课程在第三学期,学生有一个实验室课程,他们每周花四个小时在大学的一个实验室里,每周花四个小时在家里准备课程。数字化也成为化学领域的一个重要话题他们希望学生能够评估VR作为准备实验室实验的工具的价值。本课程的120名学生已经被分成六组,每组20名学生进行实际实验工作,这些组在下面被相同地对待。在第二阶段,这些小组中的每一个被进一步分成每组3名学生的小组(一个小组只有两名学生),他们被分配到七个站。每个站具有不同的主题(例如,一些实验室设备或特定化学实验的演示),并有一些VR头戴式耳机(从简单的头戴式耳机,如谷歌纸板到更复杂的VR头戴式耳机)。在准备阶段,学生通过视频教程学习使用专用编辑器演示实验室实验。这个编辑器是基于VR掘金的概念[26]。VR Nuggets的基本理念是它们是独立的,始终运行的VR软件组件,用于教育目的。VR掘金为特定的使用模式提供了所有复杂的基本功能,例如,显示和告知模式,其中虚拟对象可以与提供附加信息的标签一起在3D如果学生组的目标是演示某个实验室设备,他们需要选择匹配的VRNugget并更改其配置,即,用来自资产存储的特定对象替换现有虚拟虚拟对象,并相应地将标签放置在3D空间VR Nugget软件确保标签始终位于虚拟世界中,学生可以阅读,并提供探索的交互技术。VR掘金不是为了创建一个完整的VR课程,而是为了支持在VR具有实质性附加值的常规课程中引入一些VR内容。学生小组有两周的时间来创建VR内容,并在他们的工作站准备演示。因此,所使用的软件必须允许一个短的熟悉期。在第四阶段,活动进行。该事件需要120分钟(t设置10分钟,18分钟演示会话,t5分钟,t结束10分钟,两次休息,t休息5分钟),并且足够短,不需要拆分。在第五阶段,学生需要写一些关于结果的文字,作为他们通常实验报告的一部分。由于时间限制,在第六阶段的课程期间没有开展具体活动。相反,学生们只是被鼓励在小组内讨论他们的经历,并花一些时间反思。第四个例子说明了我们的方法如何在COVID-19大流行期间进行改进,以及如何将其转化为远程学习。如果在大学里根本不可行,当然,第一手的经验也不能第4阶段的活动可以在VR实验室中面对面地举行。这里的主要想法是使用网络会议工具,如Zoom,Webex或Microsoft Teams,所有这些都允许将参与者分成较小的组并并行举行会议。在这些会议中,演示者远程指导参与者,并在参与者现场提供VR/AR设备的情况下引导他们通过演示或者演讲者在一对一的会议中描述体验,随着演讲者和参与者之间的对话出现,更高程度的同理心是可行的。在这里,我们的想法是尽可能地近似于实践经验。如果大学的政策允许,VR/AR设备可以借给学生使用,甚至可以将其运送到家中。或者,学生家中可能存在的设备R. Doerner和R.Horst图形和视觉计算6(2022)2000378· ·激光雷达扫描仪)。在这里,教育者需要具有高度的灵活性,因为在阶段1中无法完成任务的规划如果出现在该大学是可行的,因为大流行病政策允许小团体在该大学,或者更一般地说,如果采取混合学习办法,可以举办第4阶段的活动但是,在规划期间必须考虑到额外的时间更多的时间消毒,更多的时间转换房间,更多的时间休息,由于通风)。此外,可能需要更多的房间并行。除第四阶段外,所有其他阶段都可以更容易地转移到远程学习。第五个例子说明了耦合点在我们的方法中的使用。作为课程A,我们将我们的本科课程作为课程B,我们将在医学方面进行第六学期的课程,在学期结束时,学生应该熟悉现代数字化方法。课程B有大约70名学生。课程A的学生的任务是准备医学中的VR/AR演示,并采访参与者,了解他们在使用这些技术时看到的附加值以及他们对VR/AR的态度课程A中的所有五组都提供了使用VR/AR的专用医学软件,以便以3D方式所有小组都有同样的任务。演示课程的时间设置为10分钟。课程B的每个学生只参观五个站点中的一个。该活动分为连续三周。因此,在课程B的讲座结束时,三分之一的学生,B当然也参加了。总共有14次会议,即,每周最多五次,学生必须等待40分钟,才能在五个演示站之一获得一席之地。在课程A中,进行了第二次活动,这次,学生们参观了其他四组的演示。通过这种方式,学生们能够看到其他小组如何应对相同的任务,并在阶段期间计划演示5.此外,他们还能够比较他们对课程B学生的评估结果,并看到各组之间数据的变化7. 评价在为大学计算机科学家教授VR/AR课程时(参见上一节的示例1),我们已经使用了我们从来没有遇到过任何问题,应用这种技术,导致失败。事实证明,该技术是稳健的,效果良好。学生们特别欣赏活动式的特点和教学方法的变化在七分之五的情况下,学生们自愿组织了额外的活动,并邀请了同学和朋友或家人。我们认为这是一个强有力的迹象,表明学生们感到有动力,并很好地参与。在我们大学的质量保证中虽然这并不一定是由于巡回课程技术,但评估问卷中的书面评论(强调实践和动手经验是有价值的,或提到活动是有趣的)提供了一些轶事证据,表明这种组织课程的方法被认为是积极的。在所有七份问卷中,没有一个否定的评论明确提到了循环parcours技术。我们还调查了过去四年中使用我们方法的学生。我们得到了15个答案。我们要求以前的学生在VR和AR课程中进行实践体验的重要性,从0(不重要)到6(非常重要)。中示出了结果见图4。调查结果“从您的经验来看,在VR和AR课程中进行实践体验有多重要?”从0到0(不重要)到6(非常重要)。图在这一群体中有一个明显的趋势,即认为实践经验很重要。此外,我们还从调查中的评论字段中获得了书面声明。只有少数人直接提到了实际操作经验,例如,“用VR眼镜尝试VR程序更真实”。大多数声明涉及我们方法的其他方面。其中一些人说,有机会体验更多的多样性是值得赞赏的:“[这是一个优势]看到不同的方法来执行 的项目和用户测试“。‘‘You can
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