О применении технологии дополненной реальности в процессе обучения математике и физике

Целью работы является исследование современных подходов к применению дополненной реальности в процессе обучения математике и физике, а также разработка мобильного приложения с графическими подсказками в дополненной реальности для решения типовых задач динамики.

Материалы и методы. Проведенное исследование включало обзор современных работ в области применения дополненной реальности для изучения математики и физики, мобильных приложений под iOS для изучения математики: GeoGebraAR для изучения поверхностей второго порядка; игра MultiplicationAR для изучения в занимательной форме таблицы умножения; приложение VectorAR для изучения векторов, векторного и скалярного произведений, прямоугольной и косоугольной систем координат и приложений для изучения физики: Physics-Lab для проведения опытов в дополненной реальности при изучении соединений электрической цепи, астрофизики и электромагнетизма; Galileo для изучения теоретического материала по физике c демонстрацией в дополненной реальности гравитационной рогатки, парадоксов в механике и т. п.; приложение Arious для знакомства обучающихся с великими физиками и сделанными ими открытиями в дополненной реальности. В работе проанализированы инструменты, которые могут применять учителя при создании контента дополненной реальности такие, например, как HPReveal, web-приложение Augment и отмечена высокая личная заинтересованность учителей во внедрении технологии дополненной реальности в учебный процесс.

Результаты. В ходе работы были исследованы трудности, с которыми сталкиваются обучающиеся при изучении математики и физики; изучены возможности технологии дополненной реальности для преодоления этих трудностей; разработано мобильное приложение с возможностью получения графических подсказок при решении задач динамики, которое позволило  обучающимся, испытывающим трудности с пониманием сил и их проекций, получить устойчивый навык решения типовых задач динамики. При разработке мобильного приложения были написаны методы на основе создания объектов из базовых классов SCNNode, SCNBox, SCNPlane, SCNText, SCNGeometry, SCNGeometryElement, SCNShape, SCNMaterial библиотеки ARKit. Для проведения эксперимента была создана пилотная группа из 14 обучающихся, 9 из которых испытывали трудности при решении задач динамики. Результаты эксперимента продемонстрировали положительное отношение обучающихся к применению технологии дополненной реальности и 7 обучающихся из 9, испытывающих трудности, получили навык решения типовых задач динамики.

Заключение. По результатам проведенного исследования можно сделать вывод об эффективности применения приложений дополненной реальности при изучении абстрактных концепций в математики и физике. Разработанное мобильное приложение с графическими подсказками в режиме дополненной реальности позволило улучшить показатели успеваемости обучающихся в пилотной группе. Важную роль при внедрении AR-технологии в учебный процесс играет учитель, который помогает поддерживать заинтересованность обучающегося на протяжении всего занятия. К недостаткам приложений дополненной реальности можно отнести их узкую направленность на изучение определенного процесса, явления или понятия.

Полученные результаты могут быть применены в учебном процессе для проведения занятий по математике и физике с целью увеличения мотивации и заинтересованности обучающихся.

1. Figueiredo M. Teaching Mathematics with Augmented Reality // 12th International conference on technology in mathematics teaching. 2015. Vol. 183.

2. Kuhn J., Nussbaumer A., Pirker J., Karatzas D., Pagani A., Conlan O., Memmel M., Christina M. Steiner, Gutl C., Albert D., Dengel A. Advancing Physics Learning Through Traversing a Multi-Modal Experimentation Space // Workshop Proceedings of the 11th International Conference on Intelligent Environments. 2015. P. 373–380. DOI: 10.3233/978-1-61499-530-2-373.

3. Luttenberger S., Wimmer S., Paechter M. Spotlight on math anxiety // Psychology Research and Behavior Management. 2018. Vol. 11. P. 311–322. DOI: 10.2147/PRBM.S141421.

4. Garcia-Santillań A., Escalera-Chaveź M., Moreno-Garcia E., Santana-Villegas J. Factors that Explains Student Anxiety toward Mathematics // Eurasia Journal of Mathematics, Science & Technology Education. 2015. Vol. 12(2). P. 361–372. DOI: 10.12973/eurasia.2016.1216a.

5. Jackson, E. Mathematics anxiety in student teachers [Электрон.ресурс] // Practitioner Research in Higher Education. 2008. Vol. 2(1). P. 36–42. Режим доступа: http://insight.cumbria.ac.uk/91/

6. Ashcraft M., Krause J. Working memory, math performance, and math anxiety // Psychonomic Bulletin & Review. 2007. Vol. 14 (2). P. 243–248. DOI: 10.3758/BF03194059.

7. Bishop A. Review of research on visualization in mathematics education // Focus on Learning Problems in Mathematics. 1989. 11 (1). P. 7–16.

8. Serin H., Oz Yu. Technology-integrated Mathematics Education at the Secondary School Level // International Journal of Social Sciences & Educational Studies. 2017. Vol.3. No. 4. P. 148–155. DOI: 10.5296/ijld.v7i4.12082

9. Becker S.A., Brown M., Dahlstrom E., Davis A., DePaul K., Diaz V., Pomerantz J. NMC Horizon Report: 2018 Higher Education Edition. EDUCAUSE: Louisville, KY, USA, 2018. ISBN: 978-1-933046-01-3.

10. Kounavis C.D., Kasimati A.E., Zamani E.D. Enhancing the Tourism Experience through Mobile Augmented Reality: Challenges and Prospects. Int. J. Eng. Bus. Manag. 2012. No. 4. P. 1–6. DOI: 10.5772/51644.

11. Григорьева Т.И., Потапов А.А., Пронина О.И. Дополненная реальность в образовании // Материалы Международной Интернет-конференции «Виртуальная реальность современного образования». VRME 2018. (8–11 октября, Москва.) 2018. C.34–39.

12. Набокова Л.С., Загидуллина Ф.Р. Перспективы внедрения технологий дополненной и виртуальной реальности в сферу образовательного процесса высшей школы // Профессиональное образование в современном мире. 2019. Т. 9. № 2. C. 2710–2719. DOI: 10.15372/PEMW20190208.

13. Sirakaya M, Sirakaya D.A. Trends in Educational Augmented Reality Studies: A Systematic Review // Malaysian Online Journal of Educational Technology. 2018. Vol. 6. Iss. 2. P. 60–74. DOI: 10.17220/mojet.2018.04.005.

14. Saidin N.F., Abd halim N.D., Yahaya N. A Review of Research on Augmented Reality in Education: Advantages and Applications // International Education Studies. 2015. Vol. 8(13). 8 p. DOI: 10.5539/ies.v8n13p1.

15. Norma Patricia Salinas Martinez, Ricardo Pulido Understanding the Conics through Augmented Reality // Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education. 2017. DOI: 10.12973/eurasia.2017.00620a

16. Lemos B. M. SISEULER: Um software para apoio ao ensino da Relaçaõ de Euler. Dissertaçaõ (Mestrado Profissional em Educaçaõ Matematica)́ Vassouras: Universidade Severino Sombra. 2011. 147 p.

17. Salinas P., Gonzalez-Mendivil E. Augmented Reality and Solids of Revolution // International Journal for Interactive Design and Manufacturing. 2017. Vol. 11. P. 829–837. DOI: 10.1007/s12008017-0390-3.

18. Leitao R., Joao M.F. Rodrigues, Aderito Fernandes Marques Mobile Learning: Benefits of Augmented Reality in Geometry Teaching // Cenhancing Art, Culture and Design With Technological Integration. 2018. Chapter 12. DOI: 10.4018/978-1-5225-5023-5.ch012

19. Kang S., Shokeen E., Byrne V.L., Norooz L., Bonsignore E., Williams-Pierce C., Joe E. Froehlich ARMath: Augmenting Everyday Life with Math Learning. 2019. DOI: 10.1145/3313831.3376252.

20. Sommerauer P., Müller O. Augmented reality in informal learning environments: A field experiment in a mathematics exhibition, Computers & Education. 2014. DOI: 10.1016/j.compedu.2014.07.013.

21. Martinez-Sevilla Alvaro, Urena Carlos, Recio Tomas. Augmented Reality, Maths Walks and GeoGebra // Extended Abstract for a contributed talk at CAGDME. 2018. 5 p.

22. Wen-Hung Chao, Ron-Chi Chang. Using Augmented Reality to Enhance and Angage Students in Learning Mathematics // Advances in Social Sciences Reseaarch Journal. 2018. Vol. 5(12). P. 455–464. DOI: 10.14738/assrj.512.5900.

23. Kaufmann H., Meyer B. Simulating Educational Physical Experiments in Augmented Reality // Proceedings of ACM SIGGRAPH ASIA 2008 Educators Program, ACM Press, New York. USA: NY, 2008. 8 p.

24. Su Cai, Feng-Kuang Chiang, Xu Wang Using the Augmented Reality 3D Technique for a Convex Imaging Experiment in a Physics Course // International Journal of Engineering Education. 2013. Vol.29. No. 4. P. 856–865.

25. Marcus van Bergen Visualizing Magnetic Fields in Augmented Reality // Bachelor Informatica. University of Amsterdam. 2018. 35 p.

26. Su Cai, Feng-Kuang Chiang, Yuchen Sun, Chenglong Lin, Joey J. Lee Applications of Augmented Reality-Based Natural Interactive Learning in Magnetic Field Instruction // Interactive Learning Environment. 2017. Vol.25. No.6. P. 778–791. DOI: 10.1080/10494820.2016.1181094.

27. S. da Hora Macedo, E. dos Santos Leite, F. Arantes Fernandes Teaching the Magnetic field of a Bar-shaped Magnet using Augmented Reality // International Journal on New Trends in Education and Their Implications. 2014. Vol. 5 (1). P. 145–156.

28. A Buchau, W. M. Rucker Augmented Reality in Teaching of electrodynamics // COMPEL International Journal of Computations and Mathematics in Electrical. 2009. P. 948–963. DOI: 10.1108/03321640910959026.

29. Barki F., Sumardani D., Muliyati D. The 3D simulation of Lorentz Force based on Augmented Reality Technology // 4th Annual Applied Science and Engineerong Conference, Journal of Physics: Conference Series, 1402 066038. 2019. 7 p.

30. Jian Gu, Nai Li, Henry Been-Lirn Duh A Remote Mobile Collaborative AR System for Learning in Physics // IEEE Virtual Reality (19–23 March, Singapore). 2011. DOI: 10.1109/VR.2011.5759496.

31. Kuhn Johen, Nussbaumer Alexander, Johanna Pirker, Dimosthenis Karatzas, Pagani Alain, Conlan Owen, Memmel Martin, Steiner Christina M., Gutl Christian, Albert Dietrich, Dengel Andreas. Advancing Physics Learning Through Traversing a Multi-Modal Experimentation Space // Workshop Proceedings of the 11th International Conference on Intelligent Environments. 2015. P. 373–380. DOI: 10.3233/978-1-61499-530-2-373.

32. Nak-Jun Sung, Jun Ma, Yoo-Joo Choi, Min Hong Real-Time Augmented Reality Physics Simulator for Education // Applied Sciences. 2019. Sergio Vol. 9. P. 4019. https://doi.org/10.3390/app9194019.

33. Salinas Patricia, Gonzalez-Mendivil Eduardo, Quintero Eliud, Rios Horacio, Ramirez Hector, Morales Sergio. The Development of a Didactic Prototype for the Learning of Mathematics Trough Augmented Reality // Procedia Computer Science. 2003. 25. P. 62–70. DOI: 10.1016/j.procs.2013.11.008.

34. Yechkalo Y., Tkachuk V., Hruntova T., Brovko D., Tron V. Augmented Reality in Training Engineering Students: Teaching Methods // ICTERI 2019: ICT in Education, Research and Industrial Applications. Integration, Harmonization and Knowledge Transfer : Proceedings of the 15th International Conference on ICT in Education, Research and Industrial Applications. Integration, Harmonization and Knowledge Transfer. (June 12–15). Volume II: Workshops. Kherson, Ukraine. 2019. P. 952–959.

35. Drijvers Paul. Digital Technology in Mathematics Education: Why It Works (or Doesn’t) // Selected Regular Lectures from the 12th International Congress on Mathematical Education. Springer, Cham. 2015. 20 p. DOI: 10.1007/978-3319-17187-6_8.

36. Tzima Stavroula, Styliaras Georgios, Bassounas Athanasios. Augmented Reality Applications in Education: Teachers Point of View // Education Sciences. 2019. Vol. 9(99). P. 18. DOI: 10.3390/educsci9020099.