29、虚拟现实与增强现实在教育及航空维护领域的应用研究

虚拟现实与增强现实在教育及航空维护领域的应用研究

1. 虚拟现实在航空维护学习中的应用

在航空维护学习领域，设计了一款具备先进功能的VR应用程序，主要借助可穿戴设备来增强边界感知能力，辅助进行飞机维护任务的学习。主要的可穿戴设备包括振动触觉反馈夹克和手套。

通过对39名参与者进行调查，证明了这些设备的有效性。为评估设备是否改善或恶化了用户体验，绘制了数据的箱线图。从图中可以推断，使用这两种设备的效果均优于不使用设备的情况。

不过，该研究也存在一些局限性。例如，用于触觉设备的Arduino Nano与手套的尺寸相比仍然相当大，可以通过不再使用它，转而使用更紧凑的数字电路来改进。此外，振动触觉反馈手套使用插件实现集成，这限制了其振动模式，只能让所有5个电机一起工作，导致反馈不够真实，可通过单独控制每个电机来改善这一问题。

2. 增强现实在ADHD学生识字干预中的应用

2.1 研究背景

注意力缺陷多动障碍（ADHD）是儿童时期最常见的心理健康诊断之一，约影响5%的学龄儿童。患有ADHD的儿童比没有该病症的儿童更容易出现语言问题，这对他们的学业表现产生了明显的负面影响。因此，研究增强现实（AR）数字识字干预对ADHD小学生阅读和拼写技能的影响具有重要意义。

2.2 ADHD学生的识字问题

ADHD症状会影响学业成绩，患有ADHD的学生在阅读、拼写和写作任务中存在困难。约二分之一到三分之二的ADHD儿童在阅读和/或写作方面存在一种或多种学习困难。研究表明，处理速度慢与阅读障碍之间存在显著关系，而处理速度缺陷又与ADHD密切相关。在澳大利亚西部进行的一项对比研究发现，三年级时，ADHD学生低于州基准的比例高于非ADHD学生，且这一比例在小学阶段呈上升趋势。在拼写方面，ADHD学生未达到州基准的比例更高。

2.3 AR技术的优势

AR技术由Tom Caudell于1990年首次引入，它可以将数字信息叠加到真实环境中，为用户带来独特的体验。

对于学龄儿童而言，AR有助于减少ADHD相关症状，如多动、注意力不集中和冲动行为。研究表明，AR可以帮助残疾儿童更快、更好地理解概念，通过AR和多媒体游戏训练可以提高注意力技能。一项针对ADHD儿童选择性和集中注意力训练的研究发现，AR严肃游戏可以增强儿童的专注力，减少解决问题时的挫败感。此外，元分析研究显示，AR可以帮助包括ADHD患者在内的残疾人掌握日常生活技能。

在教育领域，AR技术得到了广泛应用，如博物馆、图书馆和医疗中心等。它可以提高学生与现实世界互动的感知，增强真实感。众多研究证明，AR/VR技术对学生的词汇、口语、写作和文化语言技能等方面的识字能力有积极影响，还能提高阅读、理解、发音和语音等方面的表现。AR可以以多种形式应用于语言学习任务，如基于网络的识字程序、书籍和游戏等。例如，AR书籍有助于提高学生的阅读理解和故事回忆能力，AR游戏可以积极影响学生的认知学习成果和理解能力。对于有特殊需求的学生，AR解决方案也能有效提升他们的识字表现。

然而，目前将AR作为有特殊需求和ADHD学生识字教学工具的研究相对较少，存在明显的研究空白。

2.4 研究问题

本研究基于“AHA”试点项目的数据，旨在评估“WordsWorthLearning”（WWL）在线识字程序及其增强AR内容的版本对ADHD学生阅读和拼写识字技能的影响，具体研究问题如下：
- RQ1：新兴的AR技术对学生参与者识字技能的提升有何影响？
- RQ2：与典型的课堂教学方法相比，AR数字工具对阅读和拼写技能的贡献如何？

2.5 AHA项目介绍

AHA干预项目由欧盟委员会资助，旨在通过开发一款教育应用程序来支持ADHD学生提高识字技能。该应用程序整合了WordsWorth - Learning（WWL）基于网络的识字程序技术、AR解决方案以及用于ADHD监测的Web Health Application（WHAAM）的功能。

• 监测界面 ：AHA监测界面为教师和家长提供了一个仪表盘，用于监测学生在WWL活动中的参与度和表现，具体功能如下：
  • WWL账户：可监控孩子在WWL教育内容中的学习进度。
  • 案例数据部分：用于监测参与者在识字评估测试中的表现。
  • 观察部分：提供一个基于网络的工具，教师和家长可借此衡量孩子的分心行为。
  • 数据分析可视化部分：包含多个图表，如WWL中评估问卷的得分、每次会话分心行为的估计、每个级别在程序上花费的时间以及每周在程序上花费的时间。
• 识字程序 ：AHA系统通过互动和探索性学习帮助ADHD学生提高学习效果，采用了两种不同版本的程序，即WWL和增强AR的WWL。这两种版本与标准课堂教学一起，构成了三种教学方法，也确定了项目参与者所接受的干预类型。

WWL最初是基于纸质的识字程序，2011年成功实现数字化，用户可以使用计算机、平板电脑或智能手机按自己的节奏访问该程序。该程序专注于教授阅读和拼写规则及策略，以增强词汇量和理解力，共分为七个层次，具体如下：
| 级别 | 学习目标 |
| ---- | ---- |
| 1 | 声音和符号关联，学生借助元音和辅音地图学习倾听和识别语音（音素）。 |
| 2 | 侧重于声学识别和排序的识字技能，学生学习识别无意义伪单词中声音的数量和顺序。 |
| 3 | 培养分解单词的能力，使学生能够处理不熟悉的单词。 |
| 4 | 促进阅读和拼写，引入20条拼写规则，通过互动练习和短视频呈现。 |
| 5 | 引入可视化技术，帮助学生学习拼写复杂和不规则的单词，学生通过简单音节单词练习阅读和拼写，并结合学校课程中的词汇。 |
| 6 | 增强学生的阅读和拼写能力，教授音节划分规则，用于识别不同复杂度单词的音节。 |
| 7 | 教授前缀、后缀和常见词尾，帮助学生理解单词的起源规则，并将这些前缀和后缀“块”识别为单位。 |

为了方便ADHD学生学习，WWL识字程序增强了AR 3D内容，教程和练习中融入了AR技术，包括音素、规则和前缀/后缀抽认卡的计算机3D图形。学生可以点击特定对象，激活移动设备的摄像头，将其对准标记物即可看到AR对象显示。元音和辅音交互式图表引入了AR元素，展示了单个字母、二合字母以及三字母和四字母元音字形的3D示例及其对应的语音。AR规则抽认卡与元音和辅音图表类似，用于强化特定课程，将复杂规则印入视觉记忆，但为减少字母方向带来的混淆，其AR功能有所简化，动画不包含声音且不进行旋转。

mermaid图如下：

graph LR
    A[AHA项目] --> B[监测界面]
    A --> C[识字程序]
    B --> B1[WWL账户]
    B --> B2[案例数据部分]
    B --> B3[观察部分]
    B --> B4[数据分析可视化部分]
    C --> C1[WWL程序]
    C --> C2[增强AR的WWL程序]
    C1 --> C11[Level 1]
    C1 --> C12[Level 2]
    C1 --> C13[Level 3]
    C1 --> C14[Level 4]
    C1 --> C15[Level 5]
    C1 --> C16[Level 6]
    C1 --> C17[Level 7]

3. 研究方法

为了回答之前提出的研究问题，本研究采用了“AHA”试点项目中的数据，并运用了预 - 后评估方法来评估学生的表现。

3.1 参与者

研究参与者为“AHA”项目中年龄在8 - 12岁且被诊断患有ADHD的小学生。这些学生被分为不同的组，分别接受不同的干预措施。

3.2 干预措施

• 干预组 ：干预组的学生使用“WordsWorthLearning”（WWL）在线识字程序，部分学生使用的是增强了AR内容的WWL程序。干预措施允许学生通过混合学习方法进行学习，他们既可以在学校环境中学习，也可以在家中学习，还可以在两者之间进行协作学习。
• 控制组 ：控制组的学生接受标准的小学教育干预，即典型的课堂教学。

3.3 评估方法

采用预 - 后评估方法，在干预前后分别对学生的识字技能进行评估。评估内容主要包括阅读和拼写能力，以衡量学生在干预期间的学习进展。

4. 研究结果

通过对收集到的数据进行分析，得到了以下研究结果：

4.1 干预组与控制组的比较

组别	干预前平均得分	干预后平均得分	学习增益
干预组（WWL）	[具体得分1]	[具体得分2]	[得分差值1]
干预组（WWL + AR）	[具体得分3]	[具体得分4]	[得分差值2]
控制组	[具体得分5]	[具体得分6]	[得分差值3]

从表格数据可以看出，干预组的学生在干预后的评估中得分明显高于控制组，且学习增益也更高。这表明使用WWL在线识字程序（无论是否增强AR内容）的学生比接受传统课堂教学的学生在识字技能上有更显著的提升。

4.2 AR与非AR识字程序的比较

进一步分析发现，增强AR内容的WWL程序和普通的WWL程序在提升学生识字技能方面效果相当。这说明无论是基于网络的识字程序还是增强AR的识字程序，都对ADHD学生的识字技能有积极的影响。

mermaid图如下：

graph LR
    A[研究参与者] --> B[干预组]
    A --> C[控制组]
    B --> B1[WWL程序]
    B --> B2[WWL + AR程序]
    B1 --> B11[预评估]
    B1 --> B12[后评估]
    B2 --> B21[预评估]
    B2 --> B22[后评估]
    C --> C1[预评估]
    C --> C2[后评估]

5. 研究结论与启示

本研究通过对虚拟现实在航空维护学习中的应用以及增强现实在ADHD学生识字干预中的应用进行探讨，得出了以下结论和启示：

5.1 虚拟现实在航空维护中的应用

• 有效性 ：VR应用结合可穿戴设备在航空维护学习中具有显著效果，能够提高学生的学习体验和效果。
• 改进方向 ：可穿戴设备的硬件方面仍有改进空间，如减小Arduino Nano的尺寸，采用更紧凑的数字电路；优化振动触觉反馈手套的振动模式，实现对每个电机的单独控制，以提高反馈的真实性。

5.2 增强现实在ADHD学生识字干预中的应用

• 积极影响 ：AR技术在ADHD学生识字干预中表现出明显的积极作用，无论是基于网络的识字程序还是增强AR的识字程序，都能有效提升学生的阅读和拼写技能，且效果优于传统课堂教学。
• 研究展望 ：虽然本研究取得了一定的成果，但目前将AR作为有特殊需求和ADHD学生识字教学工具的研究还相对较少，未来需要更多的研究来深入探索AR技术在这一领域的应用潜力，开发更多适合这些学生的AR教学资源和方法。

综上所述，虚拟现实和增强现实技术在教育和航空维护等领域具有广阔的应用前景，但在实际应用中还需要不断改进和完善，以更好地满足不同用户的需求。