Cercetarea tehnologiilor interactive de vizualizare AR pentru studierea astronomiei [309875]

Ministerul Еduсаțiеi al Republicii Moldova

Universitatea Tehnică a [anonimizat]:_____________________(Аlexandr Pavlov)

Conducător:_____________________(Irina Cojuhari)

Chișinău 2018

[anonimizat]. [anonimizat], există o [anonimizat] a populației școlare și până la aplicații informatizate avansate pentru eficientizarea activității didactice. Una dintre cele mai noi direcții în acest sens se referă la adaptarea tehnologiilor de realitate virtuală (VR) și de realitate augmentată (AR) la nevoile mediului educațional.

Realitatea augmentată prezintă un potențial în continuă creștere pentru educație. [anonimizat] o cercetare minuțioasă din acest punct de vedere. Îmbinarea dintre real și virtual poate fi proiectată pentru a permite oamenilor să proceseze informația cu mai multă ușurință. Aplicarea la nivelul sistemului educațional public și dezvoltarea de noi aplicații sunt o extensie normală a acestui lucru.

[anonimizat]/învățare, înțelegere și formare/aplicare de noi deprinderi și abilități. Majoritatea copiilor manifestă un interes crescut pentru aplicațiile de tipul jocurilor video. [anonimizat] a [anonimizat] e-learning. Din îmbinarea celor două domenii a rezultat astfel concept care vizează realizarea unor produse educaționale care să-i motiveze intrinsec pe utilizatori în atingerea obiectivelor propuse.

[anonimizat], chimie ([anonimizat], etc.). Nu toate particulele elementare pot fi văzute. [anonimizat], nucleu, [anonimizat]. Mulți copii renunță în acest stadiu la o [anonimizat] „prea dificile”. Dacă nu există o modalitate de a [anonimizat], există riscul ca ei să renunțe la învățarea programei școlare specifice acestor discipline. [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat].

O altă dificultate întâmpinată de mulți elevi se referă la capacitatea de a gândi tridimensional. Lucrul cu mulaje tridimensionale și accentul pe activitățile practice sunt destul de puțin utilizate în procesul de învățare. [anonimizat]i preferă jocurile pe calculator, care de cele mai multe ori sunt bidimensionale. Însă atunci când lucrează cu atomi și molecule, elevii trebuie să gândească tridimensional, iar realitatea augmentată poate contribui la dezvoltarea abilităților spațiale.

Cantitatea conținutului teoretic poate constitui o altă dificultate în învățarea științelor biologiei, chimiei, fizicii. Atunci când nu există posibilitatea efectuării unor experimente, mulți elevi își pierd interesul. În aceste condiții, chimia, fizica și biologia devin materii ocolite de elevi. Acest lucru reprezintă o problemă, deoarece privează procesul de învățare de motivația pentru cunoștințele de chimie și biologie. Se consideră că prin posibilitățile pe care le oferă, realitatea virtuală poate contribui la creșterea interesului și a motivației elevilor pentru învățare.

O educație de calitate presupune nu doar atingerea de obiective cognitive, ci și realizarea obiectivelor de natură psihomotorie și afectivă. Obiectivele cognitive prezintă o importanță deosebită în cadrul procesului de învățământ, iar tehnologia de realitate augmentată (AR) poate contribui la realizarea unei game foarte variate de obiective cognitive prin facilitarea înțelegerii proceselor abstracte și prin dezvoltarea de noi abilități.

Obiectivele educaționale psihomotorii pot fi atinse prin manipularea directă a obiectelor reale augmentate. Copii lucrează cu bile, dar văd atomii și structura acestora. Elevii apropie bilele și văd mișcarea electronilor atunci când se formează diferiți compuși. Aceste acțiuni presupun o integrare strânsă a planului mental cu cel motor. Toate sarcinile de învățare pot fi repetate de câte ori se dorește, elevii manipulează obiectele reale cu propriile mâini, „învățarea prin acțiune” substituind ascultarea pasivă a lecțiilor.

Obiectivele educaționale de tip afectiv pot fi atinse prin integrarea efectelor vizuale și a celor auditive care dau elevilor impresia că joacă un joc în mediul tridimensional. Construirea de combinații din ce în ce mai complexe din elemente simple poate fi de natură să crească interesul, plăcerea de a învăța și motivația față de activitatea respectivă. Tehnologia de realitate augmentată este o tehnologie de ultimă oră iar utilizarea ei în mediul școlar necesită testarea eficacității ei pedagogice precum și decelarea avantajelor și a limitelor pe care le presupune în contextul interacțiunii cu caracteristicile psihofiziologice ale elevilor. Evaluarea tehnologiei de realitate augmentată a presupus adoptarea unei metodologii mixte de cercetare, bazată pe integrarea datelor obținute prin metode cantitative și calitative.

1 Cadrul teoretic și conceptual

Începuturile realității îmbogățite datează din timpul lucrărilor lui Sutherland din 1968, care a folosit un dispozitiv “see-through” HMD pentru a prezenta grafica 3D. Totuși, abia în perioada 1990-2000 au apărut suficiente lucrări pentru a se putea referi la realitatea augmentată ca la un domeniu de cercetare. De atunci, creșterea și progresul realității augmentate au fost remarcabile. S-au format câteva organizații axate pe realitatea augmentată, cea mai notabilă fiind Mixed Reality Systems Lab în Japonia și consorțiul Arvika din Germania.

Realitatea augmentată reprezintă o arie de cercetare în continuă dezvoltare în câmpul preocupărilor legate de realitatea virtuală. Pentru o mai exactă delimitare a realității augmentate, Milgram și Kishino propun ideea de continuum între real și virtual, după cum se poate observa în figura 1 [1].

Figura 1.1- Continuum între realitate și virtualitate

Lumea reală și mediul total virtual reprezintă cele două limite ale acestui continuum, între ele situându-se o zonă mediană denumită realitatea mixtă (MR). Realitatea augmentată se situează mai aproape de lumea reală, fiind percepută ca mediu real augmentat cu informații generate de calculator. Realitatea virtuală augmentată (augmented virtuality) este un concept creat de Milgram pentru a desemna acele sisteme care sunt în mare parte virtuale, dar care conțin inserții de imagini din mediul real.

Tehnologia AR oferă utilizatorilor o combinație de real și virtual prin intermediul imaginilor tridimensionale ale proceselor și fenomenelor abstracte, asigurând, totodată, și posibilitatea interacțiunii directe cu acestea. În acest fel, tehnologia amplifică, îmbogățește și completează imaginile mentale pe care utilizatorii și le formează pe măsură ce lucrează cu obiectele tridimensionale.

O definire cuprinzătoare a realității augmentate este realizată de Ronald T. Azuma în 1997, care consideră că aceasta reprezintă o variație a mediilor virtuale sau a realității virtuale [2]. În timp ce realitatea virtuală presupune imersia totală a utilizatorului în mediul sintetic, fără ca acesta să aibă posibilitatea de a vedea lumea reală din jurul lui, realitatea augmentată permite utilizatorului să vadă lumea reală, cu obiecte virtuale suprapuse sau completate cu obiecte reale. Astfel, realitatea augmentată mai degrabă suplimentează realitatea, decât s-o înlocuiască complet. La nivel mental, obiectele reale și cele virtuale îi vor apărea utilizatorului ca fiind coexistente în același spațiu.

Un sistem de realitate augmentată este caracterizat prin:

integrarea realului și virtualului (imagine artificială 3D creată de calculator) într-un mediu real;

interacțiune în timp real;

se adresează majorității simțurilor (vizual, auditiv și tactil).

Noutatea oferită de realitatea augmentată se referă astfel la posibilitatea de a utiliza obiecte obișnuite pentru a controla rezultatul vizual, în schimbul utilizării dispozitivelor de intrare ale calculatorului. În plus, diferite modalități de vizualizare a obiectelor pot fi implementate. Obiectul real poate fi rotit și manipulat, proiecția virtuală însoțindu-l.

Tehnologia AR oferă utilizatorilor o combinație de real și virtual prin intermediul imaginilor tridimensionale ale proceselor și fenomenelor abstracte, oferind totodată și posibilitatea interacțiunii directe cu acestea. În acest fel, această tehnologie amplifică, îmbogățește și completează imaginile mentale pe care utilizatorii și le formează pe măsură ce lucrează cu obiectele tridimensionale.

Pentru a genera o scenă augmentată este nevoie de îmbinarea unei imagini reale cu elemente grafice generate pe calculator printr-un sistem care necesită o cameră video conectată la un computer. Scopul camerei video este de a capta scena – imaginea reală – care se dorește augmentată. Poziția camerei video este cunoscută de calculator și reprezentată prin intermediul unui sistem de coordonate. Pentru ca pozițiile imaginilor reale să fie aliniate cu cele ale imaginilor virtuale este necesară o compunere a celor două sisteme de coordonate corespunzătoare camerei reale, respectiv celei virtuale.

Odată generate elementele grafice de calculator, se poate trece la ultimul pas- suprapunerea imaginii virtuale peste imaginea reală. Pentru a genera o augmentare corectă este imperativă alinierea corectă a sistemelor de coordonate real și virtual, această etapă fiind probabil cea mai grea de realizat într-un sistem de realitate augmentată.

Diferențele între numeroasele tipuri de sisteme de AR provin de la modul de afișare a imaginilor video, modul în care se stabilește poziția obiectelor virtuale și diversele metode de redare cât mai rapidă a imaginilor pentru a realiza o rulare în timp real. Dezvoltarea aplicațiilor educaționale bazate pe AR presupun convergența mai multor arii distincte de cercetare (figura 2).

Astfel, aplicațiile educaționale AR sunt influențate de munca de cercetare desfășurată la nivelul dezvoltării tehnologiei AR, al proiectării software pentru sisteme AR, la nivelul evaluării utilizabilității și, totodată, ia în considerare aportul pedagogiei, psihologiei și al cunoștințelor specifice domeniilor de studiu. De aici decurge necesitatea ca și evaluarea acestor aplicații sa se bazeze pe o metodologie mixtă, care să integreze metode specifice mai multor arii de cercetare.

Figura 1.2- Arii de cercetare care contribuie la dezvoltarea tehnologiei AR în domeniul educațional

1.1 Concepte de bază

Interfețe AR

În funcție de tipul aplicației, pot fi folosite două modalități de vizualizare a scenei augmentate:

vizualizare individuală (un singur utilizator poate vedea imaginea);

multiplă (mai mulți utilizatori pot vedea simultan aceeași scenă).

Există două tehnologii principale prin intermediul cărora se poate realiza vizualizarea scenei: afișaj montat pe cap (Head Mounted Display – HMD) și interfață cu ecran video.

Afișaj montat pe cap

Acest dispozitiv, după cum sugerează și numele, este purtat pe capul utilizatorului, având forma asemănătoare unor ochelari. Majoritatea HMD-urilor sunt proiectate pentru aplicațiile de realitate virtuală, însă pot fi adaptate cu ușurință pentru realitate augmentată. HMD-ul este ideal pentru un singur utilizator, deoarece oferă un grad ridicat de realism experienței.

Există două tipuri de HMD-uri, clasificate după felul în care este percepută imaginea augmentată:

cu transparență video (video see-through);

cu transparență optică (optical see-through).

Cele cu transparență video au atașată o cameră care preia imagini văzute din perspectiva utilizatorului, le augmentează, afișându-le apoi pe ecranul HMD-ului (figura 1.3- Video see-through). Astfel, acesta are impresia că vede scena prin afișajul montat pe cap, când în realitate privește o înregistrare a lumii reale afișată pe un ecran. HMD-urile cu transparență video sunt cele mai frecvente, fiind ușor de fabricat și nu sunt costisitoare, însă au ca dezavantaj întârzieri ocazionale în redarea imaginilor când utilizatorul se mișcă. Cea dea doua categorie de HMD-uri, cu transparență optică, conține ecrane transparente – ce permit vizualizarea scenei reale și ecrane reflexive – ce permit proiectarea elementelor virtuale deasupra imaginii reale (figura 1.3- Optical see-through).

Interfața cu ecran video

Această interfață presupune conectarea ieșirii video la un ecran mai mare sau un proiector, ceea ce permite mai multor persoane să vizualizeze imaginile augmentate. De obicei se folosește pentru prezentări sau în cadrul sistemelor staționare, având o mobilitate redusă (figura 1.3- Projective).

Figura 1.3 – Tipuri de vizualizare a scenei augmentate

Marcaje

Pentru ca aplicația de AR să știe unde trebuie plasate obiectele virtuale în scenă, majoritatea sistemelor necesită un fel de semnal care să indice locul în care acestea să fie poziționate. Aceste semnale, denumite marcaje, pot fi de exemplu LED-uri sau chiar fața unei persoane. Însă, cel mai folosit tip de marcaj este reprezentat de un pătrat alb-negru cu un model în centru. Camera este proiectată să recunoască aceste marcaje și se folosește de poziția și înclinarea lor pentru a determina perspectiva camerei și pentru a suprapune corect obiectele virtuale. Nu este obligatoriu ca o aplicație de realitate augmentată să folosească marcaje, însă majoritatea o fac.

Software

În momentul de față există pe piață numeroase variante de software care pot fi folosite, însă, două biblioteci de referință sunt ARTag și ARToolKit. Acestea au în principal aceleași funcționalități și ambele folosesc tipul de marcaje menționate anterior. Cel mai popular API (application programmer’s interface) pentru generarea obiectelor virtuale este OpenGL, ce permite și realizarea de animații.

Dacă se dorește crearea de obiecte grafice cu un grad de detaliu mai ridicat, se pot folosi aplicații de modelare precum Maya sau 3D Studio Max. Odată generate, aceste obiecte pot fi importate în ARToolKit și augmentate peste imaginea reală. Dacă se dorește să fie implementată posibilitatea primirii de către aplicație a unor comenzi din partea utilizatorului, atunci sistemul trebuie să conțină un dispozitiv corespunzător.

Afișaj

Un aspect foarte important pentru realizarea unei platforme de realitate augmentată este modul în care elementele grafice sintetice sunt afișate pentru a augmenta mediul real. Se referă în special la afișajul fizic care ajută la îmbinarea mediului fizic cu cel virtual. Dispozitivele montate direct pe capul utilizatorului sunt printre cele mai populare în momentul de față, pentru că acestea aduc un grad sporit de mobilitate și permit monitorizarea mai ușoară a mișcărilor capului. Aceste instrumente au însă și dezavantaje precum focalizarea fixă, limitarea câmpului vizual, dar și faptul că sunt relativ incomode și nu pot fi purtate pentru perioade lungi de timp. Progresul semnificativ din industria telefoanelor mobile pune la dispoziție o nouă metodă de a augmenta mediul înconjurător, cu ajutorul camerei și afișajului telefoanelor mobile.

Datorită faptului că rădăcinile realității virtuale sunt foarte apropiate de cele ale realității augmentate, în primii 40 de ani de dezvoltare, tehnologiile folosite au fost foarte asemănătoare, ambele folosind HMD-urile ca mijloc de afișare a conținutului virtual și în general aceleași tehnici de urmărire. Cu timpul, însă, ambele s-au distanțat de HMD-uri în mare măsură pentru că, fiind un domeniu aflat încă în dezvoltare, majoritatea aplicațiilor au scop experimental și sunt realizate pentru a rula în condiții controlate, în laboratoare.

Astfel, realitatea virtuală s-a îndreptat spre afișaje, în timp ce în AR s-a optat pentru noi abordări precum ecrane transparente, oglinzi semi-transparente, proiecții video sau holograme. Realitatea augmentată spațială (sau SAR) rezolvă multe din problemele de ergonomie cu care se confruntă aplicațiile ce nu necesită un grad foarte mare de mobilitate (aplicații ce pot folosi ca scenă un laborator, o sală de muzeu sau alte spații închise), în mare parte deoarece elimină dispozitivele incomode ce trebuie purtate de utilizator.

Înregistrare 3D

Principala provocare întâlnită în implementarea sistemelor de realitate augmentată este legată de aspectul înregistrării 3D a obiectelor sintetice, această componentă fiind și cea mai importantă când vorbim despre realizarea de aplicații utilizabile de AR. Pentru a încadra într-un mod coerent elementele grafice într-un mediu real este neapărat nevoie de urmărirea permanentă, atât a poziției observatorului, cât și a obiectelor din scena reală, această urmărire făcându-se neapărat în timp real și cu o precizie cât mai mare. În general putem considera două abordări pentru realizarea acestei funcții : abordarea “inside-out”, ce constă din o serie de senzori fixați ce culeg informații de pe emițători aflați pe corpurile din scena, sau abordarea “outside-in” în care se realizează tocmai inversul, emițătorii sunt fixați în mediu, iar senzorii sunt plasați pe corpurile din scenă.

Inițial, detectarea obiectelor și mișcărilor în cadrul scenei se făcea folosind câmpuri electromagnetice sau diverse instrumente mecanice, însă soluția la care s-a ajuns în final este urmărirea optică. Există mai multe abordări ale acestei metode, existând diverse tipuri de tehnologii video care se potrivesc unei asemenea sarcini. De exemplu, camerele infraroșu pot reprezenta o soluție foarte bună, deoarece captura marcajelor este foarte precisă și procesarea imaginilor este foarte rapidă, ele conținând numai datele ce ne interesează. Această variantă este însă foarte costisitoare, așa că, în cele mai multe cazuri sunt folosite camerele video normale sau camere web în combinație cu diverse marcaje sau obiecte ușor de urmărit.

Camerele video se pot folosi și fără respectivele marcaje, în locul lor fiind urmărite obiecte normale găsite în scena respectivă și nu marcaje speciale care poate nu se potrivesc în contextul respectiv (un exemplu ar fi urmărirea fețelor persoanelor). Acest tip de detecție este însă cel mai complex de realizat, dar reprezintă cea mai elegantă soluție și probabil va fi metoda cea mai populară în viitor. În prezent, majoritatea cercetărilor se axează pe optimizarea metodelor de detecție existente, realizarea unei înregistrări tridimensionale precise în medii deschise fiind încă aproape imposibilă chiar și în condițiile în care sunt folosite tehnologii precum GPS (Global Positioning System) în combinație cu accelerometre și alte instrumente de detecție a mișcărilor din scenă.

Redarea corpurilor virtuale

Un alt factor determinant pentru o aplicație de realitate augmentată este redarea efectivă a elementelor grafice reprezentând corpurile virtuale. Ideal ar fi ca obiectele generate de calculator să nu poată fi deosebite de cele reale, însă acest standard este încă extrem de greu de realizat datorită dificultății cu care putem crea obiecte care să se asemene destul de mult cu obiectele din lumea reală pentru ca cele două tipuri de corpuri să fie confundate.

Deși există tehnici de generare a unor imagini realiste, precum algoritmul ray tracing, acestea nu pot furniza imagini la o rată care să poată fi considerată în timp real fără a avea la dispoziție o putere de calcul prea mare pentru un dispozitiv care să poată fi folosit eficient în practică. Chiar dacă am presupune că am putea realiza generarea obiectelor virtuale în timp real, la un nivel calitativ comparabil cu cel oferit de algoritmul ray tracing, există multe alte probleme care se ivesc o dată ce mediile trebuie întrepătrunse. De exemplu, elementele virtuale trebuie să respecte legile lumii reale, să poată avea umbre realiste pe suprafețele reale și să suporte umbrele corpurilor reale.

La aceste două probleme mai putem adăuga ocluziile, reflexiile și alte fenomene fizice din mediul real care trebuie luate în considerare. În prezent nu există aplicații din acest domeniu ce pot furniza o astfel de calitate a rezultatelor, mai ales pentru că, pe lângă cerințele redării, pentru a putea integra mediul virtual în cel real, fără a putea distinge între cele două, este neapărat nevoie să avem atât elemente grafice de calitate superioară, cât și o urmărire a scenei de o precizie foarte mare, ambele fiind cerințe foarte greu de îndeplinit.

Urmărirea

În domeniul realității augmentate, cea mai mare provocare cu care dezvoltatorii se confruntă este urmărirea – atât a poziției camerei video, cât și a obiectelor virtuale. Cu alte cuvinte, prezintă interes poziția absolută a camerei (care practic coincide cu poziția capului utilizatorului) în mediu și poziția relativă a acesteia față de obiectele virtuale ce trebuie desenate. Drept consecință, problema urmăririi se poate extinde la urmărirea mișcării utilizatorului în mediu – pentru a putea astfel schimba felul în care sunt poziționate obiectele desenate de calculator și a evita apariția acestora deformate, în alt plan sau chiar în afara scenei.

1.2 Exemple de integrare a realității augmentate în procesul de învățare

Deși tehnologiile bazate pe realitate augmentată au cunoscut o dezvoltare semnificativă în ultimii ani, numărul aplicațiilor educaționale este relativ redus. În continuare vor fi descrise o serie de aplicații educaționale bazate pe tehnologia VR/AR la nivelul mai multor proiecte de cercetare.

În domeniul învățării limbajului, a fost elaborat proiectul Zengo Sayu pentru învățarea limbii japoneze de către Rose și Billinghurst în 1995 [3]. Cursanții învață limba japoneză pe baza explorării lumii tridimensionale, construind blocuri care pot fi mutate în relație cu alte blocuri. În acest fel pot fi studiate cuvinte japoneze pentru navigarea simplă precum: “dedesubt, deasupra, în spate, în față” ș.a. Funcțiile sistemului permit recunoașterea vorbirii și înregistrarea rezultatului vorbirii.

Virtual Reality Roving Vehicles creat de către H. Rose în 1995 este proiectat ca un program prin care să se aducă realitatea virtuală copiilor din școli [4]. Cercetătorii au transferat partea hardware de realitate virtuală în școli. Elevii, cu vârste cuprinse între 10 – 18 ani, au avut astfel șansa de experimenta tehnologia de realitate virtuală. De asemenea, un număr de elevi a învățat cum să creeze ei înșiși o setare virtuală. Scopul a fost de a-i învăța pe copii să creeze lumi virtuale, utilizând teoria învățării de tip constructivist pentru a-i ajuta să înțeleagă și să cunoască scopuri specifice de învățare. Finalitatea cercetării a fost de a testa realitatea virtuală (VR) ca un mediu de învățare pentru a face predarea un proces transparent, iar elevii să se familiarizeze cu crearea de conținut.

În domeniul biologiei, este de menționat proiectul NICE (Narrative-based, Immersive, Collaborative Environment) [5], care este special creat pentru copii cu vârste între 6 și 10 ani. Copiii pot planta flori, pot muta norii pentru a le uda sau chiar pot muta soarele pentru a le face să crească mai repede. Scopul principal al proiectului a fost de a explora realitatea virtuală ca un mediu de învățare.

Figura 1.4 – Proiectul NICE

Water on Tap este un mediu virtual pentru chimie care permite crearea de molecule [6]. Elevii au posibilitatea de a plasa electronii pe orbite în jurul nucleului unui atom. Aplicația permite rotația electronilor și manipularea moleculelor în cadrul sarcinilor de învățare.

Figura 1.5 – Water on Tap

ScienceSpace reprezintă o colecție de medii virtuale imersive Newtonworld, MaxwellWorld și PaulingWorld [7]. Newtonworld oferă un mediu pentru investigarea aspectelor dinamice ale mișcării uni-dimensionale. MaxwellWorld sprijină explorarea electrostaticii, pe baza Legii lui Gauss, iar PaulingWorld permite studiul structurii moleculare oferind o varietate de reprezentări.

Figura 1.6 – Newtonworld

Figura 1.7- PaulingWorld

Figura 1.8- MaxwellWorld

Cercetătorii de la Graduate School of Education, Universitatea Wisconsin au elaborat un joc bazat pe realitatea augmentată, destinat învățării matematicii și dezvoltării abilităților pentru cunoașterea științifică la elevii de gimnaziu. Realitatea augmentată este văzută ca o oportunitate incitantă pentru cercetare, învățare, predare și tehnologie. Avantajele oferite de mediul AR prin intermediul dispozitivelor mobile wireless (telefoane celulare, platforme de jocuri portabile, asistenți digitali personalizați) sunt de natură să favorizeze obținerea informației, comunicarea și exprimarea personală. Cercetătorii menționați studiază potențialele avantaje și limite ale realității îmbogățite ca mijloc de angajare (implicare) și educare a elevilor care obțin performanțe școlare slabe prin metode pedagogice tradiționale.

Un alt proiect este MagicBook (Cartea Magică) dezvoltat de Mark Billinghurst & Hirokazu Kato (2001) împreună cu alți cercetători de la HITLab [8]. MagicBook este o carte ca oricare alta, completată cu o povestire scrisă pe mai multe pagini, care poate fi citită fără ajutorul tehnologiei AR. De asemenea, paginile conțin ilustrații digitale animate, fiecare putând fi vizualizată cu un display heads-up (afișaj deasupra paginii), care inițiază povestirea în spațiul tridimensional. MagicBook are capacitatea de a introduce imediat cititorul în ținutul caracterelor, acesta putând deveni un personaj în interiorul mediului virtual al povestirii.

Figura 1.9- MagicBook

SMART (System of Augmented Reality for Teaching) este un sistem educațional care utilizează realitatea augmentată pentru învățarea conceptelor în învățământul primar [9]. Elevii învață concepte legate de mijloace de transport, animale, plante și alte categorii semantice prin explorarea de modele tridimensionale în mediul de realitate augmentată.

O altă aplicație de tipul unei cărți este AR-Dehaes dezvoltată pentru a oferi modele tridimensionale care să ajute studenții din domeniul ingineriei să își dezvolte abilitățile spațiale [10]. AR-Dehaes presupune următoarele componente: o aplicație software care conține modelele tridimensionale virtuale; o scurtă demonstrație video care prezintă conținutul teoretic; un laptop cu întrebări și exerciții de îndeplinit de către studenți și cartea augmentată care oferă marcaje pentru modelele virtuale tridimensionale.

Figura 1.10- AR-Dehaes

În Elveția a fost creat un Laborator AR virtual pentru chimie. Elevii pot vedea și obține atomi prin intermediul unei tehnici virtuale de tipul drag-and-drop (trage și desprinde). Atomii pot fi combinați prin ajustarea rotirii electronilor de pe stratul extern al unui atom cu electronii altui atom al cărui strat extern necesită completare. Odată combinați, o structură nouă este vizualizată și noi atomi pot fi adăugați utilizând aceeași metodă. Atunci când sunt formate molecule stabile, apar etichete care denumesc structura. În acest fel elevii pot construi propriul complex de molecule, reacțiile și interacțiunile moleculare fiind guvernate de reguli subatomice.

1.3 Avantajele utilizării aplicațiilor AR în procesul de studiu

Abilitățile spațiale reprezintă o componentă importantă a inteligenței, iar perspectiva tridimensională oferită de aplicațiile bazate pe tehnologia AR combinată cu posibilitatea manipulării obiectelor poate oferi noi oportunități pentru dezvoltarea abilităților spațiale. Combinația dintre elementele reale și cele virtuale reprezintă un context propice pentru explorarea relațiilor spațiale în medii colaborative. Cele mai multe studii din literatura de specialitate sunt axate mai ales pe aspectele legate de interacțiune și colaborare în mediul AR și mai puțin pe aspecte care țin de învățare și înțelegere.

Motivația reprezintă un concept cheie la nivelul învățării umane și al majorității teoriilor învățării. Teoriile de factură behavioristă au în prim plan motivația extrinsecă, în timp ce teoriile cognitiviste pun accentul pe motivația intrinsecă. Teoria cognitivistă înțelege motivația ca un proces de creare de intenții și acțiuni orientate către scop, care în timp conduc la un proces de învățare activă orientată de curiozitate, de capacitatea de învățare și inițiativa celui care învață. Motivarea elevilor pentru a se implica într-un domeniu al cunoașterii reprezintă astfel cheia dezvoltării unui mediu cu multiple oportunități de învățare.

O serie de studii indică faptul că utilizarea tehnologiei AR are efecte pozitive la nivelul motivației, menținerii atenției și angajării în sarcinile de învățare. Într-un studiu efectuat pe 63 de profesori care au testat cu elevi platforma AR Spinnstube, s-a pus în evidență faptul că majoritatea respondenților au menționat creșterea motivației și a interesului elevilor, chiar dacă o parte dintre aceștia s-au declarat dezamăgiți de o serie de probleme tehnice apărute [11]. Un studiu asemănător elaborat de Hornecker și Dunser în 2007 arată că utilizarea de cărți augmentate virtual a avut un efect motivator pregnant în rândul elevilor din școala primară [12].

Figura 1.11- Interacțiunea copiilor cu o carte augmentată

Cu privire la tehnologia AR pentru muzee, Grasset R. în 2007 arată că a fost recepționat un feedback pozitiv constant din partea vizitatorilor, fapt explicabil prin intermediul caracterului distractiv al tehnologiei care, de multe ori, trece dincolo de interesul față de problematica în cauză. De remarcat este faptul că nu sunt menționate studii longitudinale care să arate dacă creșterea motivației în rândul elevilor este determinată de caracteristicile aplicațiilor AR sau dacă este provocată de noutatea acestei tehnologii, fapt care ar putea conduce la diminuarea acestei motivații o dată cu trecerea timpului.

Schimbul de idei între elevii implicați în aceeași sarcină de învățare îi ajută pe aceștia să ajungă la o înțelegere mai profundă a subiectului de studiu să reflecteze și să-și conceptualizeze experiențele. În plus, aplicațiile colaborative conduc adesea la învățarea conținuturilor în perechi, metodă considerată ca având o importanță deosebită.

Elevii colaborează mai bine atunci când sunt grupați în jurul unui spațiu de lucru comun, fapt dificil de realizat în educația bazată pe utilizarea calculatorului, unde elevii trebuie să se grupeze în jurul unui ecran. Prin opoziție, sistemele AR de tip desktop permit elevilor să stea în jurul unei mese și fiecare să aibă acces în același timp la conținutul învățării, fapt care este mai degrabă asemănător cu colaborarea față în față decât cu colaborarea în jurul unui ecran.

Dincolo de colaborarea directă, față în față, multe aplicații educaționale de tip AR permit colaborarea la distanță între cei care învață, fapt care deschide o gamă largă de posibilități precum colaborarea între elevi din țări diferite, fapt care poate conduce la schimburi culturale și la formarea de noi abilități de învățare.

Se consideră că în timp ce majoritatea tehnologiilor pentru colaborare la distanță afectează în mod negativ comunicarea, realitatea augmentată are potențialul de a preîntâmpina aceste neajunsuri prin oferirea unui cadru real, oferind indicii spațiale, auditive și vizuale, permițând astfel realizarea unei comunicări mai naturale. Tehnologia AR actuală nu oferă încă toate aceste facilități, în mare parte datorită provocărilor de ordin tehnic precum înregistrarea 3D audio și video în timp real a participanților sau reproducerea cu fidelitate la nivelul dispozitivelor la distanță.

Unul dintre principalele puncte tari ale aplicațiilor AR de tip educațional îl reprezintă posibilitatea de a controla nivelul de augmentare (augmentare informațională) a conținuturilor în vederea oferirii unor puncte de vedere diferite asupra aceluiași obiect sau situații. Această calitate se poate dovedi utilă într-un spectru larg de situații și este în concordanță cu diferite aspecte prezente în teoriile moderne cu privire la învățare.

Toate aceste exemple ilustrează posibilitățile tehnologiei AR de a controla nivelul “augmentării” informaționale și de a media realitatea în diferite moduri. Totodată, fiecare dintre ele se bazează pe aspecte relevante din teoriile învățării și au în vedere utilizarea tehnologiei pentru a crea oportunități noi și antrenante de învățare.

Obiectele fizice sunt folosite adesea în situații educaționale pentru a clarifica înțelesuri, explica relații spațiale și pentru a focaliza atenția elevilor. Prin combinarea obiectelor reale și a celor virtuale la nivelul unei interfețe tangibile, realitatea augmentată nu numai ca oferă o continuare a acestor practici la nivelul mediilor virtuale, dar și “augmentează” informațional obiectele fizice oferind completări sau reprezentări vizuale contextuale.

Spre deosebire de interfețele convenționale, interfețele tangibile nu creează o “alipire” artificială între lumea reală și spațiul sarcinilor digitale și nu distrag atenția de la obiectul sau problema reală, fapt considerat ca având o importanță deosebită de către profesorii care au participat la un studiu referitor la introducerea tehnologiei AR în școli. În plus, interfețele tangibile implică și analizatorii tactil și kinestezic, spre deosebire de interfețele convenționale care se adresează doar analizatorilor vizual și auditiv. Aceste aspecte atrag elevii care învață mai bine prin mijloace kinestezice, răspunzând astfel recomandărilor lui Gardner care considera că activitățile de predare ar trebui să apeleze la diferite forme ale inteligenței și modalități de învățare. Interfața tangibilă permite ca și copiii de vârste foarte mici să aibă acces la o experiență educațională bogată, sunt în concordanță cu opinia potrivit căreia materialele și activitățile de învățare ar trebui sa implice nivelul corespunzător vârstei elevilor, în special al operațiilor motorii și mentale.

Interfețele tangibile cu utilizatorul facilitează explorarea și experimentarea independentă, fapt care ajută elevii să-și construiască propria viziune asupra cunoașterii. Abilitatea tehnologiei AR de a combina conținutul real cu cel virtual și de a permite tranziția treptată de la real la virtual prin controlarea nivelului de augmentare, este în acord cu o serie de idei exprimate în teoriile moderne cu privire la învățare referitor la autenticitate, transferabilitate și motivație.

1.4 Limitări în utilizarea aplicațiilor AR în procesul de studiu

Pe lângă varietatea largă de avantaje care recomandă tehnologia AR pentru elaborarea de aplicații educaționale, literatura de specialitate descrie și o serie de probleme care pot deveni bariere în realizarea potențialului de care dispune. Multe dintre aceste probleme evidențiază faptul că tehnologia AR este o tehnologie nouă, care are încă nevoie de dezvoltări substanțiale în vederea producerii de aplicații robuste și solide. Problemele descrise în literatura de specialitate pot fi clasificate, în linii mari, în dificultăți tehnice, probleme de utilizabilitate și lipsa de standarde și instrumente pentru crearea de conținut.

Această categorie de probleme se referă în special la dispozitivele HMD (head mounted display), structura acestor dispozitive ca fiind greu de utilizat și deranjante. Această modalitate de vizualizare este des considerată ca fiind prea îngustă, întâmpinând probleme de stabilitate sau că necesită un personal calificat care să verifice echipamentul înainte de fiecare utilizare. Chiar dacă aceste probleme par a fi doar niște simple inconveniente, ele creează dificultăți semnificative pentru utilizatori.

Aceste probleme pot fi preîntâmpinate prin utilizarea unor ochelari ușori, care îmbunătățesc considerabil experiența utilizatorului. Un studiu evaluativ preliminar cu privire la tehnologia AR pentru mediul școlar a pus, de asemenea, în evidență un disconfort vizual la elevii care au folosit ochelarii 3D, fapt care subliniază riscurile implicate în utilizarea unei noi tehnologii fără o perioada mai îndelungată de încercări si experimentări.

O alta categorie de probleme se referă la urmărire, înregistrare și transmitere. Mai ales în contextul interacțiunii cu obiectul în dispozitivele AR de tip desktop este nevoie de o acuratețe ridicată a dispozitivelor de urmărire și înregistrare, deoarece orice eroare are impact direct asupra interacțiunii cu utilizatorul. Cele mai mici erori de urmărire (a poziției) afectează acuratețea și sensibilitatea unei pensule tangibile rezultând instabilitate în producerea scenei.

A treia categorie de probleme este legată de puterea de calcul și de resursele crescute solicitate de modelarea 3D, urmărire și transmitere în timp util. Industria jocurilor video poate oferi soluții în acest sens, deoarece, în acest domeniu, problemele de acest gen sunt cunoscute de mai multă vreme. În timp ce aceste probleme nu par a fi insurmontabile în contextul sporirii continue a puterii de calcul și a dezvoltărilor din domeniul tehnologiilor apropiate de cea AR, în zilele noastre ele încă produc dezamăgiri, iar câteodată, utilizatorilor le este greu să lucreze în aceste condiții.

Cei mai mulți utilizatori nu au experiențe anterioare legate de lucrul cu afișajele 3D sau a interfețelor tangibile. Ar trebui dezvoltate dispozitive mult mai acceptate social înainte ca tehnologia AR să poată intra în uzul comun. Tehnologia AR va fi respinsă în condițiile în care nu va oferi utilizatorilor o interfață intuitivă bazată pe metafore familiare. Utilizatorii în vârstă evită să folosească acest tip de tehnologie dacă nu le sunt clare condițiile de utilizare.

În vederea preîntâmpinării problemelor de utilizabilitate, în cazul dispozitivelor pentru muzee (prin opoziție cu mediile școlare unde profesorii pot avea rolul de îndrumători), literatura de specialitate menționează necesitatea fie a unui ghid care să instruiască și să sprijine utilizatorii, fie a unor instrucțiuni corespunzătoare care să le explice condițiile de utilizare. Aceste măsuri sunt mai eficiente sub forma unor imagini de fundal, care se activează după o perioadă de inactivitate și care sunt înlocuite de instrucțiuni mai detaliate pe măsură ce utilizatorul se angajează în utilizarea sistemului.

Se consideră că informația afișată la nivelul interfeței tangibile poate fi o provocare în măsura în care proprietățile fizice ale obiectelor nu pot fi schimbate cu ușurință precum ale obiectelor virtuale corespunzătoare. Manipularea obiectelor virtuale în mediul 3D cu ajutorul unui indicator, în lipsa feedback-ului tactil, poate da naștere la dificultăți de coordonare mână-ochi. Lipsa de corespondență tactilă la nivelul dispozitivelor AR între lumea fizică și cea virtuală reprezintă un inconvenient major care reamintește de alipirea artificială dintre realitate și spațiul sarcinilor digitale de la nivelul interfețelor convenționale ale calculatoarelor.

Crearea de conținut pare să fie unul dintre aspectele cele mai provocatoare ale tehnologiei AR, existând o gamă largă de probleme legate de complexitatea și noutatea dispozitivelor AR. Dezvoltarea unor instrumente eficiente, simple și necostisitoare de creare a conținutului reprezintă o precondiție pentru adoptarea pe scară largă a tehnologiei AR.

Una dintre probleme este reprezentată de crearea obiectelor 3D. Există o compensație între timpul necesar creării unui obiect virtual și utilitatea lui în contextul mediului AR, de exemplu crearea manuală a unui obiect în mediul 3D produce rezultate excelente, dar este consumatoare de timp, în timp ce digitalizarea obiectului real este mult mai rapidă însă necesită un echipament mai costisitor și este condiționată de obiectele existente.

Crearea de conținut pentru sistemele AR implică adesea echipe extinse de specialiști, care trebuie organizate și coordonate. Literatura de specialitate descrie două abordări principale referitoare la acest aspect, prima implicând definirea rolurilor și a procedurilor bazate pe cadrul de lucru, iar cealaltă utilizând instrumente înalt configurabile și procese iterative de dezvoltare care caută să impună ideea de echipe implicate în dezvoltarea de prototipuri succesiv îmbunătățite.

Deși în prezent există un număr semnificativ de metode de evaluare care țintesc aplicațiile de e-learning, puține dintre acestea au fost adaptate pentru evaluarea sistemelor educaționale bazate pe tehnologia AR. În continuare vor fi detaliate câteva modele de evaluare a aplicațiilor de tip e-learning descrise în literatura de specialitate din domeniul interdisciplinar al interacțiunii om-calculator (HCI).

Evaluarea educațională a aplicațiilor bazate pe AR nu poate face abstracție de evaluarea utilizabilității. Tehnologia AR, fiind o tehnologie inovativă, poate fi însoțită de probleme de utilizabilitate pe parcursul dezvoltării acesteia. Aceste probleme de utilizabilitate pot afecta în mod negativ atingerea obiectivelor educaționale propuse. În literatura de specialitate, există o varietate de abordări în definirea utilizabilității fără a exista un consens ferm în această privință.

Jakob Nielsen identifică următoarele trăsături, pe care le consideră esențiale pentru utilizabilitatea unui sistem: eficiența, ușurința în învățare, capacitatea de retenție, robustețea și satisfacția [13]. În cadrul metodei de evaluare euristică, el propune zece principii de bază:

vizibilitatea stării sistemului;

compatibilitate cu activitatea;

controlul și libertatea utilizatorului;

consistență și respectarea standardelor;

prevenirea erorilor;

recunoaștere în loc de reamintire;

flexibilitate și eficiență;

estetică și design minimal;

ajutarea utilizatorului în caz de eroare;

furnizarea de mesaje de eroare complete și utile.

Bastien și Scapin în 1993 au identificat 18 criterii ergonomice de proiectare a interfeței cu utilizatorul, pe baza cărora se pot elabora recomandări pentru proiectanți [14]. Criteriile sunt organizate în 8 grupe:

ghidarea utilizatorului (incitare, grupare / distincție prin amplasare, grupare / distincție prin format, feedback imediat, lizibilitate);

efort cognitiv (concizie, acțiuni minimale, densitatea informației), control explicit (acțiuni explicite ale utilizatorului, controlul utilizatorului);

adaptabilitate (flexibilitate, experiența utilizatorului, adaptivitate), tratare erori (prevenire erori, calitatea mesajelor de eroare, corectare erori);

consistență, semnificația codurilor și compatibilitate (compatibilitate cu sarcina, compatibilitate cu contextul de lucru, compatibilitate cu utilizatorul, accesibilitate).

Dix și G. Ellis în 1998 propun o serie de principii de proiectare organizate în trei categorii, pe baza efectelor pe care acestea le au asupra utilizatorului:

ușurință în învățare;

flexibilitate;

robustețe [15].

Între principiile clasificate de Dix și Ellis, se pot menționa:

familiaritatea;

predictibilitatea;

consistența;

particularizarea;

observabilitatea;

responsivitatea;

recuperabilitatea.

Utilizabilitatea context-specific se asociază cu cerințele diferitelor discipline și cursuri. Fiecare curs are propriile necesități și rezultate intenționate, ceea ce-l face diferit de alte cursuri. Utilizabilitatea de tip academic operează cu probleme educaționale, cum ar fi strategia pedagogică și locul ocupat de situl web în legătură cu alte materiale de curs. Studiul conduitei, intră de asemenea în joc. Acest nivel este considerat caracteristic pentru e-learning. Utilizabilitatea generală este comună majorității siturilor web și include aspecte precum o navigare facilă și accesibilitate pentru utilizatorii cu nevoi speciale. Utilizabilitatea tehnică vizează probleme precum verigile lipsă (broken links), fidelitatea serverului, timpul de descărcare și acuratețea HTML. Acesta mai este cunoscut și ca nivelul “funcțional” de utilizabilitate. Utilizabilitatea tehnică reprezintă baza pentru celelalte trei niveluri, nefiind suficientă luată separat. Între cele patru niveluri trebuie să existe un grad înalt de coeziune internă și inter-relaționare [16].

2 Aspecte analitice

Realitatea augmentată oferă studenților posibilitatea de a-și exersa cunoștințele și abilitățile prin combinarea perfectă a informațiilor digitale cu mediul real. Pe lângă senariile practice din lumea reală, realitatea augmentată poate oferi și medii interactive de învățare prin activități interactive. Aceasta are potențialul de a economisi timp și bani în cazul nevoilor educaționale de înaltă calitate. La fel, permite predarea lecțiilor într-un mod inovativ și interactiv prin prezentarea informațiilor în format 3D, facilitând astfel dobândirea de competențe a elevilor. În plus, sistemele AR influențează în mod pozitiv motivația studenților și învățarea cognitivă. Ele ajută la dezvoltarea deprinderilor spațiale și psihomotor-cognitive. AR poate oferi sugestii și feedback vizual, auditoriu sau senzorial pentru a îmbunătăți experiențele elevilor.

Prin aceste caracteristici, sistemele AR pot fi integrate în notele de cursuri ale profesorilor. Astfel, informațiile abstracte care trebuie predate pot fi transmise elevilor într-un mod concret. Deoarece AR permite studenților să observe evenimente pe care nu le pot vedea cu ușurință într-un mediu natural. Unul dintre cele mai importante avantaje ale AR în ceea ce privește educația contribuie la crearea unui mediu cuprinzător de învățare combinat, care să faciliteze dezvoltarea gândirii critice, rezolvarea problemelor și abilitățile de comunicare reciprocă prin prezentarea împreună a obiectelor digitale și fizice în același mediu.

Se constată că studiile de analiză sunt limitate atunci când se combină rezultatele cercetărilor efectuate pentru a investiga eficacitatea aplicațiilor AR în procesul de învățare în diferite medii și momente diferite. Cercetările care determină eficacitatea aplicațiilor AR în procesul de învățare sunt dependente de diferite variabile de exemplu:

zonele educaționale;

situațiile educaționale;

utilizarea dispozitivelor de afișare AR;

dimensiunile eșantioanelor.

Zonele de învățământ care preferă utilizarea tehnologiei AR în scopuri educaționale diferă. Din acest motiv, se consideră important să se investigheze efectul aplicațiilor AR asupra realizării în termeni de domenii educaționale. Tehnologiile AR sunt mai preferate ca un instrument educațional în mai multe ramuri științifice, cum ar fi fizica, chimia, biologia, matematica și ecologia. În aceste ramuri ale științei, predarea este mai ușoară atunci când concepte care sunt abstracte și greu de înțeles sunt prezentate într-un mod concret, cu ajutorul tehnologiilor AR.

Realitatea augmentată oferă, de asemenea, numeroase activități care permit studenților să vizualizeze anumite conținuturi educaționale (de exemplu, câmpul magnetic) pe care nu le vor vedea în lumea reală. Dimpotrivă, folosirea aplicațiilor AR ca instrument educațional este mult mai puțin frecvent preferată în domenii precum științele sociale, afaceri, administrație și drept.

În plus, studiile analizate au evidențiat faptul că aplicațiile AR sunt un factor important în creșterea nivelului de realizare a studenților la fiecare nivel de învățământ. Studiile experimentale privind utilizarea AR în învățământ par să fi fost făcute la diferite niveluri educaționale, cum ar fi învățământul secundar, universitar și primar.

În acest context, se poate spune că determinarea mărimii efectelor aplicațiilor AR asupra rezultatelor academice ale studenților la diferite niveluri educaționale este foarte importantă. Întrucât dimensiunea eșantionului este foarte importantă în determinarea eficienței metodei folosite pentru realizările studenților, se poate spune că ar trebui considerată o variabilă în studiile de meta-analiză.

Mai mult, dispozitivele actuale utilizate pentru afișarea aplicațiilor AR (de exemplu, telefoane mobile, tablete și webcam) se deosebesc. Utilitatea și eficiența acestor dispozitive de afișare poate fi un factor eficient în descoperirea succesului AR în mediile educaționale. Din acest punct de vedere, această variabilă la fel, trebuie luată în calcul. În acest sens, gruparea rezultatelor diferitelor studii care se referă la aplicațiile AR și combinarea rezultatelor cantitative ale acestor studii va arăta în ce măsură aceste aplicații sunt eficiente.

2.1 Tehnicile și metodele de cercetare și proiectare

În context educațional, evaluarea utilizabilității nu este suficientă, ci este nevoie să se evalueze proiectarea pedagogică a mediilor de învățare. În același timp, evaluarea proiectării pedagogice nu trebuie să înlocuiască evaluarea utilizabilității. Un mediu de învățare poate fi utilizabil, dar nu și din perspectivă pedagogică și viceversa, deși în parte, există o coincidență, între cele două aspecte.

Utilizabilitatea tehnică vizează modul de operare al funcțiilor principale ale sistemului și ușurința în învățare. Utilizabilitatea pedagogică se referă la modalitățile prin care funcțiile sistemului pot facilita învățarea materialului oferit. Cu alte cuvinte, atunci când se evaluează utilizabilitatea unei platforme specifice de învățare, se poate evalua cât de ușor este de utilizat platforma în sine (utilizabilitate tehnică), iar pe de altă parte ce fel de material de învățare îi face capabili pe utilizatori să producă, să învețe mai ușor (utilizabilitatea pedagogică).

Atunci când se evaluează utilizabilitatea unei unități de învățare sau a unui obiect de învățare, se asumă faptul că fiecare unitate de învățare are propria interfață orientată spre conținut și conținutul de învățare bazat pe un obiectiv precis de învățare. Atunci când se evaluează utilizabilitatea pedagogică a unității de învățare, trebuie de încercat ținerea sub control efectul soluțiilor pedagogice ale platformei de învățare (figura 2.1).

Figura 2.1- Modelul conceptual al utilizabilității tehnice și pedagogice Nokelainen

Operaționalizarea atributelor utilizabilității este realizată de Nokelainen conform modelului elaborat de Nielsen în 1990. Potrivit lui Nielsen, utilizabilitatea pedagogică, reprezintă un sub-concept al utilității, în timp ce utilizabilitatea tehnică reprezintă un sub-concept al utilizabilității. Astfel, adițional dialogului dintre utilizator și sistem, utilizabilitatea pedagogică a unui sistem este dependență de setul de scopuri pentru o situație reală de învățare.

Modelul de evaluare elaborat de Nokelainen în 2006 include zece dimensiuni cu valoare de criterii de utilizabilitate pedagogică, după cum urmează:

controlul elevului;

activitatea elevului;

învățare de tip cooperativ / colaborativ;

orientare spre scop;

aplicabilitate;

valoare adăugată;

motivație;

valorizarea cunoștințelor anterioare;

flexibilitate;

feedback.

Fiecare dintre aceste criterii prezintă o serie de sub-dimensiuni, în final rezultând 51 de indicatori de evaluare a utilizabilității pedagogice a unui sistem.

Figura 2.2- Cadrul conceptual al evaluării aplicațiilor de e-learning – Tervakari

Tervakari în 2002 utilizează termenul de utilizabilitate pedagogică pentru a indica acele elemente (conținut, interfață și sarcini de învățare) care sprijină elevii în diferite contexte de învățare în concordanță cu obiectivele pedagogice selectate. Evaluarea utilizabilității pedagogice trebuie să fie întotdeauna corelată cu obiectivele pedagogice selectate și cu valoarea adăugată anticipată. Se consideră că trebuie luate în considerare abilitățile personale ale celor care învață, trebuințele lor, diversitatea și dezvoltarea acestora.

În prezent, utilizarea noilor medii de predare ar trebui să producă o valoare adăugată particulară celor care învață, profesorilor și organizațiilor comparativ cu predarea tradițională. Această valoarea adăugată poate fi operaționalizată la nivelul următoarelor categorii:

organizarea procesului de învățare;

dezvoltarea calității predării;

dezvoltarea abilităților de învățare ale elevilor;

dezvoltarea și testarea informației educaționale și a tehnologiei de comunicare.

În evaluarea valorii adăugate a învățării și predării în noile medii de învățare trebuie acordată atenție atitudinilor, expectațiilor și experienței elevilor, profesorilor și a altor actori. Realizarea valorii adăugate este strâns legată de contextul individului. Aceasta explică de ce aceste medii de învățare produc diferite tipuri de valori la indivizi diferiți. Pentru a avea o calitate informațională ridicată, conținutul mediilor de învățare trebuie să respecte cinci criterii principale: acuratețe, autoritate, obiectivitate, valabilitate și acoperire. Din punctul de vedere al utilizabilității pedagogice este de asemenea important ca informațiile ca și prezentarea conținutului să fie relevante și adecvate contextului dat de învățare sau creat pentru învățare.

În literatura de specialitate este cunoscut faptul că acceptarea nu are o definiție unanim acceptată, cel mai adesea conceptul de acceptare fiind referit cu diverși termeni precum cel de utilizare, adoptare sau persistență. Adoptare este definită în IDT – teoria difuzării inovației – ca decizie de a utiliza o inovație în cea mai bună manieră posibilă. Se definește acceptarea prin referire la persistență ca fiind acțiunea de continuitate în atingerea unui obiectiv educațional. Aceasta implică ideea dimensiunii temporale și prezența unui scop de atins, fapt care depășește ideea utilizării, sau a adoptării implicate de inovație și de tehnologie.

Pe baza unei analize semantice, se identifică trei componente principale ale conceptului de acceptare:

cunoaștere;

acțiune;

angajament.

În fapt, o definiție comună a acceptării este cea de „răspuns pozitiv la o ofertă”. În timp ce acțiunea face acceptarea să fie eficientă, celelalte două componente (cunoașterea și angajamentul) dau naștere împreună stadiului decizional (faza pregătitoare) care sprijină actul în sine și după luarea deciziei.

Se identifică trei macro-faze ale acceptării:

prelucrare;

acțiune;

persistență.

Fazele care prezintă caracteristici comune sunt grupate în macro-categorii:

pregătirea;

acțiunea;

persistența.

Pregătirea poate fi definită ca „orice act care contribuie la a fi gata de acțiune” și este dependentă de nivelul cognitiv. În această fază, oamenii, utilizatorii sau cei care învață își formează expectații despre noul „element”. Aceștia primesc informații despre el, își reamintesc experiențe anterioare, ascultă opiniile celorlalți și își actualizează propria percepție cu privire la acest nou element.

Acțiunea se referă la acceptarea/adoptarea comportamentului. Utilizarea softului, prezența fizică în clasă sau începerea unei activități reprezintă momentul în care utilizatorii sau cei care învață trebuie să-și adapteze expectațiile inițiale la experiența pe care o trăiesc în prezent. Este de asemenea faza în care cei care învață se familiarizează cu mediul și întâmpină primele probleme legate de utilizare.

Persistența reprezintă totalul evenimentelor de după faza acțiune și se desfășoară la nivel meta-cognitiv. Are loc o apreciere a experienței și se decide dacă merită repetată acțiunea sau nu. Aceasta reprezintă o fază în care cei care învață se implică la nivelul proceselor, devin mai productivi și pot dezvolta o atitudine creativă.

Prezența scopurilor de învățare și a pașilor de urmat de către cei care învață trebuie să fie explicită. Prin urmare, acceptarea unui curs necesită un angajament ferm, de tipul acceptării unui contract. Acesta este confirmat de conceptul de „contract educațional”, utilizat adesea pentru a descrie obiectivele negociate la începutul unui curs.

Figura 2.3 prezintă grafic diferitele componente ale acceptării și macro-fazele prezentate în paragrafele anterioare.

Figura 2.3- Componentele și fazele acceptării

O serie de variabile și determinanți cheie sunt utilizați frecvent cu referire la acceptare. Aceste variabile se organizează în patru macro-arii:

cel care învață, din această categorie fac parte toate caracteristicile elevului/studentului de la vârstă la stil de învățare pentru identificarea aptitudinilor, atitudinilor și abilităților de învățare;

tehnologia, atributele percepute, utilizabilitatea și siguranța care pot afecta procesul de acceptare;

resurse, studiile de proiectare a instruirii se focalizează pe calitatea conținutului, pe metodă sau pe utilizarea unei combinații adecvate de mai multe metode;

organizația și contextul, contextul experiențelor de învățare poate influența procesul de acceptare.

Se consideră că focalizarea la nivelul procesului de acceptare poate reprezenta o precondiție a înțelegerii problematicii abandonului la nivelul aplicațiilor de e-learning. În literatura de specialitate sunt descrise trei abordări cu privire la acceptare în e-learning:

teoria acceptării inovației, care e aplicabilă oricărui tip de inovație, inclusiv în e-learning;

cercetarea acceptării tehnologiei realizată pentru a prezice acceptarea de către utilizatorii tehnologiei, extinsă la e-learning;

studiile referitoare la acceptarea celui care învață, realizate pentru a înțelege prioritățile acestuia cu privire la educația la distanță.

Aceste abordări sunt reprezentate în figura 2.4.

Figura 2.5- Cadrul teoretic cu privire la acceptarea în e-learning

Acceptarea inovației are ca punct de plecare Teoria Difuzării Inovației (IDT), care încearcă s ă explice adoptarea inovațiilor prin trasarea unor pași și variabile în procesul adoptării acestora. Inovația e o idee, o practică sau un obiect percepute ca noi de către un individ sau altă unitate socială. Noutatea percepută a ideii influențează reacția individului la difuzia acesteia. Difuzarea reprezintă procesul prin care o inovație este comunicată prin intermediul anumitor canale la nivelul membrilor unui sistem social. IDT o definește ca fiind procesul pe care un subiect îl realizează de la:

prima percepție a inovației;

formarea unei atitudini față de inovație;

decizia de a adopta sau respinge;

implementarea unei noi idei;

confirmarea acestei decizii.

Acest proces este influențat de condițiile existente, caracteristicile individuale și atributele percepute ale inovației precum: avantaje, compatibilitate, complexitate și observabilitate.

Studiul IDT a fost considerat ca fiind potențial valoros pentru e-learning datorită a trei motive. Primul se referă la faptul ca cei mai mulți dintre specialiștii în tehnologia instruirii nu înțeleg de ce produsele lor sunt sau nu sunt adoptate. În al doilea rând, pentru că tehnologia instruirii este o disciplină bazată pe inovație. În al treilea rând, studiul IDT ar putea conduce la dezvoltarea unui model sistematic al adoptării difuziunii. Cu accent pe proces, s-a inventariat o serie de arii de cercetare semnificative pentru domeniul acceptării aplicabile în e-learning, ajungând astfel la mai multe modele. Acestea sunt:

stadiile de relație;

stadiile schimbării; stadiile evoluției utilizării tehnologiei;

stadiile învățării / adoptării inovațiilor;

stadiile pentru învățarea utilizării tehnologiei.

Modelul de acceptare a tehnologiilor (TAM) reprezintă o teorie a sistemelor informatice (IS) dezvoltată pentru a putea face predicții cu privire la acceptarea tehnologiei. Acest model sugerează că atunci când utilizatorilor le este prezentată o nouă tehnologie, o serie de factori influențează decizia lor cu privire la maniera și momentul în care o vor utiliza. TAM se bazează pe relația cauzală convingeri – atitudine – intenție – comportament, relație elaborată în cadrul teoriei acțiunii motivate (TRA).

Abordarea TRA se bazează pe ipoteza conform căreia subiecții acționează rațional și iau în considerare implicațiile acțiunilor potențiale înainte de a se angaja într-un comportament. Subiectul se va angaja într-un anumit comportament în măsura în care acesta conduce la rezultate pozitive. În TRA se consideră că atitudinile și convingerile unei persoane au un rol important în formarea intenției și declanșarea unei acțiuni. Modelul TAM urmează același lanț cauzal definit în TRA și anume: Atitudine – Intenție – Comportament. Pe această bază, a fost sugerată pentru modelul TAM o diagramă cauzală apropiată de TRA (figura 2.6).

Figura 2.6- Diagrama cauzală a modelului de acceptare a tehnologiilor

TAM postulează faptul că două convingeri specifice, ușurința în utilizare percepută (EOU) și utilitatea percepută (U) influențează direct atitudinile unei persoane în legătură cu utilizarea tehnologiei. Utilitatea percepută este influențată de ușurința în utilizare și de alte variabile externe cum sunt: activitățile și caracteristicile utilizatorului, procesul de dezvoltare, instruire, documentație, asistența tehnică și factori organizaționali.

Utilitatea percepută este definită ca gradul în care o persoană crede că utilizând un anumit sistem își va îmbunătăți performanța și activitățile sale. Ușurința în utilizare percepută se referă la gradul în care o persoană crede că va depune un efort mai mic prin utilizarea unui anumit sistem.

În TAM se afirmă că, atât ușurința în utilizare percepută, cât și utilitatea percepută corelate cu utilizarea unui anumit sistem pot constitui o bază pentru a putea explica adecvat de ce utilizatorii acceptă sau resping o aplicație software. Mai există și un model eclectic, denumit Teoria unificată a acceptării și utilizării tehnologiei (UTAUT) care postulează importanța a patru constructe în determinarea acceptării tehnologiei:

performanța așteptată;

efortul așteptat;

influența socială;

condițiile facilitatoare.

Cele mai multe aplicații ale TAM în e-learning propun o integrare a modelului, introducând variabile externe ca antecedente ale utilității percepute și ale ușurinței în utilitatea percepută. Este menționată difuzia rapidă a sistemului de e-learning la nivelul instituțiilor educaționale și este recunoscută nevoia de cercetări viitoare cu privire la acceptare și utilizare. De regulă, problemele legate de tehnologie în e-learning țin de acces, conexiune și familiaritatea cu utilizarea internetului. Pe măsură ce tehnologia avansează, problemele se deplasează la nivelul celui care învață, al acceptării acestuia.

Pentru acest nivel este relevant modelul integrării elevului (Student Integration Model – SIM) dezvoltat de Vincent Tinto în 1975 și aplicarea acestuia în e-learning. Acceptarea și persistența sunt strâns legate din moment ce a fost demonstrat faptul că motivele care conduc la abandonul elevilor sunt localizate la nivelul fazei de acceptare. Persistența în studiu a celui care învață reprezintă o arie de real interes în domeniul educației la distanță. Decizia de a continua sau de a nu continua educația la distanță este un proces complex care implică un număr de factori și variabile inter-corelate, specifice contextului celui care învață.

SIM explică persistența într-un anumit program de e-learning prin intermediul obligațiilor celui care învață, cât de mult este el implicat în viața academică și socială a instituției de învățământ. O lipsă a implicării pentru realizarea obiectivelor va conduce la o discontinuitate a studiilor, în timp ce o lipsă a implicării la nivel instituțional va conduce la excluderea din acea instituție.

SIM a fost aplicat în variate cercetări în educație, diferiți autori, în special cei implicați în cercetarea abandonului în e-learning, încercând să identifice principalele variabile care influențează acceptarea e-learning în interiorul organizațiilor. Se consideră că aceste variabile sunt legate de diferite aspecte care țin de e-learning precum: conținuturi, evaluări ale tehnologiei și mediul organizațional. Teoriile acceptării tehnologiilor de e-learnig sunt relevante pentru că oferă modele explicative care acoperă sfera largă a actorilor implicați în procesul de predare-învățare prin intermediul acestui instrument inovativ.

Model conceptual pentru Evaluarea Interdisciplinară a Instrumentelor destinate Învățării, cunoscut ca și CIELT reprezintă un model conceptual elaborat de S. Grund, L. Windlinger, și G. Grote. Acest model sprijină echipe eterogene în definirea scopurilor specifice proiectării și evaluării sistemelor de e-learning prin vizualizarea conexiunilor dintre aspectele didactice, tehnice, pedagogice și cele care țin de evaluare.

Figura 2.7- Modelul CIELT

În primul rând, acest model presupune implicarea unor echipe eterogene la nivelul proceselor de proiectare și evaluare. La nivelul proiectării se realizează o integrare a aspectelor legate de concepția didactică, integrarea curriculară, proiectarea sistemului în vederea conturării sistemului de e-learning.

Testarea prototipului, focalizată pe utilizabilitate este considerată a fi primul pas logic al procesului de evaluare. După prima evaluare a utilizabilității, este necesară raportarea la piramida pre-condițiilor. Aceasta propune diferite niveluri de cerințe care trebuie îndeplinite în vederea evaluării aspectelor specifice ale sistemului de e-learning. În acest sens, pentru a evalua utilizabilitatea, sistemul trebuie să fie accesibil și stabil. Pentru a evalua comportamentul utilizatorilor, sistemul trebuie să fie acceptat de către utilizatori.

2.2 Metodologia evaluării aplicațiilor de realitate augmentată în educație

În literatura de specialitate din domeniul interacțiunii om – calculator (HCI – human computer interaction) sunt descrise mai multe cercetări cu privire la evaluarea de aplicații educaționale bazate pe AR. În 2003 au fost realizate studii în care au fost evaluate eficiența utilizării realității augmentate (AR) ca mediu de instruire în asamblarea obiectelor. A fost comparat un sistem bazat pe realitatea augmentată cu trei medii de învățare diferite: un manual, instruirea asistată de calculator (IAC) utilizând un afișaj de tip monitor și o aplicație de realitate augmentată utilizând un afișaj la nivelul capului (head mounted display).

S-au formulat trei ipoteze cu privire la avantajele utilizării tehnologiei AR ca mediu de instruire și anume:

comparativ cu alte sisteme multimedia, AR reduce semnificativ durata de timp necesară îndeplinirii sarcinilor;

AR îmbunătățește semnificativ acuratețea și reduce erorile în efectuarea sarcinilor;

AR sprijină operațiile mentale și are ca efect reducerea semnificativă a efortului cognitiv în comparație cu sistemele multimedia tradiționale.

Variabilele supuse măsurării au fost performanța în îndeplinirea sarcinilor și efortul cognitiv perceput. Performanța în îndeplinirea sarcinilor este definită în funcție de timpul necesar și acuratețea îndeplinirii sarcinilor. Acuratețea este măsura numărului de erori pe care un utilizator le face pe parcursul îndeplinirii sarcinii. Efortul cognitiv perceput a fost măsurat prin utilizarea Indexului de Efort în Sarcină NASA (NASA Task Load Index – TLX). Rezultatele obținute au indicat faptul că utilizarea sistemului de realitate augmentată a condus la reducerea ratei erorilor pentru o sarcină de asamblare cu 82%, în special prin reducerea erorilor cumulative (erori datorate greșelilor anterioare de asamblare). Totodată, în condițiile utilizării sistemului bazat pe realitatea augmentată s-a constatat și o reducere a efortului mental depus în timpul sarcinilor de asamblare.

Kaufmann și Dünser în 2007 menționează rezultatele a trei evaluări formative ale unei aplicații de realitate augmentată destinată învățării geometriei denumită Construct3D. Ipoteza de lucru a fost că lucrul în spațiul tridimensional conduce la o înțelegere mai bună și mai rapidă a relațiilor spațiale complexe. Construct3D este o aplicație de realitate augmentată de tip head mounted display (afișaj la nivelul capului) proiectată pentru a sprijini colaborarea dintre utilizatori care împart un spațiu virtual.

Prima evaluare din 2000 a aplicației Construct3D fost realizată cu 14 elevi și a fost focalizată pe observarea interacțiunii cu sistemul. Utilizatorii au interacționat cu sistemul într-o manieră constructivă și nu au avut nevoie de o introducere prea lungă în utilizarea aplicației. A doua evaluare s-a desfășurat în 2003 și a constat în evaluarea utilizabilității aplicației cu ajutorul chestionarului standardizat de evaluare a utilizabilității ISONORM 924/10. La testare au participat 15 elevi de liceu care au rezolvat exercițiile cu ajutor din partea profesorilor.

Caracteristicile principale ale unei aplicații educaționale compatibile cu principiile constructivismului ca teorie pedagogică sunt considerate de Kaufmann și Dünser în 2007 a fi:

ușurința în utilizarea aplicației și timp redus pentru învățare;

încurajarea elevilor/studenților de a găsi noi funcții ale aplicației;

învățare de durată a cunoștințelor prin intermediul aplicației.

Analiza răspunsurilor chestionarului de utilizabilitate au indicat faptul că aplicația Construct3D a răspuns pe deplin acestor recomandări, majoritatea elevilor afirmând că ar dori să utilizeze aplicația în instituțiile de învățământ.

Cea de-a treia evaluare formativă a avut loc în 2005 cu două grupuri de subiecți. Primul grup (47 elevi) a avut de rezolvat sarcini prin intermediul aplicației Construct3D, în mediu AR, în timp ce al doilea grup (44 elevi) au rezolvat aceleași probleme de geometrie cu ajutorul unei aplicații educaționale de tip desktop, denumită CAD3D, care este folosită în mod obișnuit în liceele din Austria. Pentru testare a fost utilizat un chestionar de utilizabilitate cu 7 scale (28 itemi) construit pe baza itemilor din mai multe instrumente:

Chestionarul pentru Evaluarea Satisfacției la nivelul Interfeței cu Utilizatorul;

Chestionarul Purdue pentru Testarea Utilizabilității;

Chestionarul pentru Evaluarea Utilizabilității Sistemelor PC;

Euristici Practice pentru Evaluarea Utilizabilității;

Inventarul pentru Măsurarea Utilizabilității Software;

Chestionarul pentru Evaluarea Utilizabilității ISONORM).

Analiza rezultatelor celei de-a treia evaluări realizate au indicat faptul că elevii care au utilizat aplicația AR Construct3D au apreciat cu cotații mai înalte majoritatea categoriilor – control, abilitate de învățare, utilitate, satisfacție, feedback și meniu / interfață – cu excepția aspectelor tehnice (de exemplu, robustețe) comparativ cu elevii care au utilizat aplicația pe calculator CAD3D. Rezultatele acestor evaluări indică și faptul că realitatea augmentată este utilă pentru predarea de conținuturi care fac apel la geometria 3D sau necesită vizualizarea problemelor abstracte.

Vilkoniene. M în 2009 a realizat un experiment pedagogic în Lituania cu scopul de a evalua influența utilizării scenariului de biologie din cadrul platformei de realitate augmentată (Augmented Reality Teaching Platform – ARTP), dezvoltate în cadrul proiectului ARiSE la nivelul rezultatelor învățării elevilor. ARTP a fost testată cu 114 elevi de clasa a VII-a care au fost împărțiți în trei grupuri: două experimentale și unul de control. Primul grup experimental a învățat conținuturile cu ajutorul ARTP, cel de-al doilea prin intermediul instruirii asistate de calculator, iar grupul de control a învățat în manieră tradițională (utilizând mulaje, ilustrații și cărți). Înainte și după aplicarea programelor de instruire, au fost evaluate cunoștințele și abilitățile elevilor din eșantionul descris prin intermediul pre-testelor și post-testelor. Sarcinile au fost formulate de așa manieră încât să includă 4 teme diferite existente în programa de învățământ pentru biologie din Lituania și anume:

organele sistemului digestiv;

tractul digestiv;

descompunerea alimentelor;

absorbția alimentelor.

Rezultatele cercetării au indicat faptul că grupul de elevi care au utilizat ARTP pentru îndeplinirea sarcinilor de învățare a obținut rezultate mai bune decât celelalte două grupuri, materializate în: o mai bună reținere a numelor organelor sistemului digestiv și o proporție de 100% a elevilor care au identificat gura ca organ al sistemului digestiv. Totodată, rezultatele indică și faptul că programul de predare prin intermediul calculatorului a avut o influență nesemnificativă la nivelul cunoștințelor și abilităților elevilor care l-au utilizat.

După cum se observă, o parte dintre cercetările discutate sunt focalizate pe evaluarea utilizabilității aplicațiilor educaționale bazate pe AR, iar altele sunt centrate pe evaluarea unor dimensiuni ce țin de latura strict pedagogică a acestor aplicații. Până în prezent, în literatura de specialitate se constatată un deficit de cercetări care să evalueze valoarea educațională a aplicațiilor de AR prin raportare la evaluarea utilizabilității acestora.

2.3 Metode de cercetare

Activitățile de evaluare presupun parcurgerea unor sesiune de testare la care trebuie să participe atât elevi, cât și cadre didactice de specialitate. Elevii trebuie să parcurgă mai multe scenarii didactice sub forma unor programe demonstrative, lecții și exerciții prin intermediul realității augmentate.

Observația

Unul dintre metodele de cercetare este observația. Aceasta presupune urmărirea și consemnarea sistematică a manifestărilor de comportament individual sau interacțional în diferite situații de învățare parcurse de elevii care participă la sesiunile de testare.

Comportamentele manifestate și mesajele emise de subiecți trebuie consemnate și repartizate în următoarele categorii interacționale / tipuri de interacțiuni:

manifestarea implicării, prin concentrarea și focalizarea atenției asupra îndeplinirii sarcinilor, căutarea de soluții alternative, solicitarea de informații legate de efectuarea sarcinilor primite;

manifestarea destinderii, prin reacții de mulțumire și bucurie, manifestarea angajării, plăcerii, a interesului;

manifestarea aprobării, printr-o atitudine de susținere nepărtinitoare, prin afirmații cu caracter pozitiv;

manifestarea tensiunii, prin reacții care exprimă neliniște, frustrare;

manifestarea dezaprobării prin afirmații cu caracter negativ, indiferență, atitudine de ne-acceptare a tehnologiei;

manifestarea antagonismului prin dezacord activ, agresivitate verbală, ironie.

Focus grupul

Altă metodă este formarea focus grupului. Un focus grup este un tip de interviu de grup în care moderatorul conduce discuția cu un mic grup de persoane (elevi, profesori) pentru a examina în detaliu ce gândesc membrii grupului despre o temă dată. Numele de „focus” grup este dat de faptul că moderatorul încearcă să țină persoanele din grup focalizate asupra subiectului supus discuției.

Aceasta reprezintă discuție de grup la care participă, de regulă, între 6 și 10 persoane. Dacă sunt prea puține persoane participante la focus grup există riscul de a nu obține suficiente informații în legătură cu problema discutată. Dacă numărul persoanelor depășește 12, există riscuri ca să nu fie suficient timpul alocat întâlnirii, să fie încurajată pasivitatea participanților, să fie greu de dirijat discuțiile de către moderator.

Organizarea focus grupului din cadrul acestei cercetări presupune următoarele etape:

stabilirea temei de discuție;

stabilirea structurii grupului și a modalităților de selectare a participanților;

elaborarea și testarea ghidului de interviu;

stabilirea datei, locului și pregătirea acestuia pentru întâlnire;

testarea aplicației AR de către cadrele didactice;

derularea întâlnirii.

Think aloud protocol

Protocolul “gândire cu voce tare” (Think aloud protocol – TAP) este o metodă utilizată pentru a obține date în testarea utilizabilității, în proiectarea și în dezvoltarea de produse. Această metodă este folosită frecvent în ultima perioadă în cercetările de tip educațional datorită bogăției de date care pot fi derivate. În TAP mai ste utilizat în combinație cu metoda învățării în perechi pe parcursul unor sesiuni separate de testare cu utilizatori.

TAP presupune ca participanții să gândească cu voce tare în timp ce parcurg un set de sarcini specificate. Utilizatorii sunt rugați să descrie tot ceea ce privesc, gândesc, fac și simt pe măsură ce îndeplinesc sarcina. Aceasta permite observatorilor să vadă la „prima mână” procesul îndeplinirii sarcinii (mai curând decât produsul său final).

Observatorii la testare sunt rugați să ia notă în mod obiectiv de tot ceea ce spun utilizatorii, fără a încerca să le interpreteze acțiunile și cuvintele. Sesiunile de testare sunt cel mai adesea înregistrate audio și video, astfel încât cei care se ocupă de dezvoltare se pot întoarce la ceea ce au spus participanții și pot vedea cum au reacționat. Scopul acestei metode este de a face explicit ceea ce este implicit prezent la nivelul subiectului care este capabil să îndeplinească o sarcină specifică.

O metodă apropiată dar puțin diferită de colectare a datelor este „talk-aloud” protocol (protocolul “vorbire cu voce tare”). Acesta presupune ca participanții doar să descrie propriile acțiuni, fără a da însă explicații. Această metodă este gândită a fi mai obiectivă deoarece participanții mai degrabă prezintă cum ajung la îndeplinirea sarcinii decât să interpreteze și să-și justifice acțiunile.

Există două variații la nivelul tehnicilor protocolului TAP și anume:

răspunsul critic, unde utilizatorul este solicitat să verbalizeze impresiile doar pe durata execuției unor sarcini predeterminate;

raportarea periodică, în cazul sarcinilor complexe care implică dificultăți ale utilizatorilor de a gândi cu voce tare în timp ce le îndeplinesc.

Prin urmare, utilizatorii verbalizează la intervale predeterminate de timp și descriu ceea ce încearcă s ă rezolve. Lungimea intervalelor de timp este dependentă de complexitatea sarcinilor. Această tehnică necesită un timp îndelungat pentru punerea în practică, de aceea se recomandă o subdiviziune a sarcinilor de îndeplinit de către utilizatori.

Avantajele principale ale protocolului gândirii cu voce tare constau într-o mai bună înțelegere a modelului mental al utilizatorului și a interacțiunii cu produsul: ce fac utilizatorii, de ce fac ceea ce fac și cum fac. TAP permite utilizatorilor să exprime, într-o secvență de pași cum utilizează un produs pentru a îndeplini sarcinile solicitate. Dacă această secvență de pași este diferită de cea așteptată, probabil că interfața ar trebui revizuită.

Procedura de lucru pentru TAP constă într-o fază de pregătire urmată de un număr de sesiuni de testare, de regulă câte una pentru fiecare utilizator. În faza de pregătire persoanele care realizează testarea se familiarizează ei înșiși cu mediul de lucru în care sistemul urmează a fi utilizat, se definesc sarcinile și se recrutează utilizatori. Sesiunile de testare sunt administrate de către un facilitator, care poate fi în același timp persoana care apreciază când utilizatorii întâmpină probleme.

Fiecare sesiune începe cu o introducere pentru a familiariza utilizatorii cu situația de testare și pentru a-i informa cu privire la ceea ce au de făcut. În introducere, facilitatorul trebuie să învețe utilizatorul cum să gândească cu voce tare, experiența indicând că fără instructaj și anumite încurajări pe parcursul sesiunilor de testare doar o mică parte dintre utilizatori sunt în măsură s ă ofere rapoarte verbale consistente. Sesiunea de testare se inițiază prin citirea cu voce tare a primei sarcini și predarea ei utilizatorului care o rezolvă în timp ce gândește cu voce tare.

După terminarea primei sarcini, următoarea este prezentată în aceeași manieră și așa mai departe. În momentul în care utilizatorul a terminat toate sarcinile, sau când timpul rezervat sesiunii de testare a expirat, utilizatorul este încurajat să ofere orice feedback suplimentar cu privire la sistem. După parcurgerea sesiunilor de testare, evaluatorul elaborează o listă completă a problemelor de utilizabilitate detectate.

Peer-tutoring

Învățarea în perechi (sau peer-tutoring) este o metodă de evaluare a aplicațiilor software destinate copiilor, în care un copil învață alt copil cum să utilizeze un produs, într-o ambianță socială familiară. Abordarea de la care s-a plecat în această cercetare a fost considerarea aplicației ca fiind o parte din jocul copiilor, astfel încât procesul de învățare a fost analog cu explicarea regulilor unui joc. Dacă aplicația e ușor de predat și învățat, numărul de potențiali utilizatori va crește într-un mediu cum este cel școlar.

Această abordare oferă informații despre potențialul aplicației de a fi predată, respectiv învățată, și de asemenea promovează comunicarea în situația testului, într-o măsură mai ridicată decât comunicarea copilului cu un instructor adult.

În domeniul relațiilor sau colaborării în perechi sunt folosite nenumărate paradigme teoretice și experimentale (de la abordări psihanalitice până la psihologia socială sau psihopedagogie). Tehnologiile colaborative încurajează învățarea în perechi.

Principala paradigmă a interacțiunii cu calculatorul pleacă de la premisa că există un singur utilizator pentru fiecare calculator. Dar, de fapt, copiilor le place și câștigă mai mult din colaborarea cu alți copii atunci când folosesc aplicații informatice. Tehnologiile informatice bazate pe colaborare pot conduce la învățarea copiilor de noi abilități sociale. Atunci când se realizează proiectarea unor medii interactive din punct de vedere fizic pentru copii, sunt necesare metode de proiectare și de evaluare a utilizabilității, atât centrate pe copii, cât și participative.

Metoda învățării în perechi reprezintă o abordare specifică evaluării utilizabilității aplicațiilor informatice destinate copiilor. Mai multe definiții ale utilizabilității aplicațiilor informatice pentru copii sunt legate de capacitatea și dorința unui copil de a-l învăța pe altul cum să o folosească. Acest lucru permite propagarea cunoștințelor între copii. Cu alte cuvinte, folosirea unui soft este ușor de învățat în măsura în care este ușor de predat. Această ușurință poate determina creșterea numărului de utilizatori.

Folosirea învățării în perechi a ajutat la evaluarea aplicației, dar și la obținerea unor informații importante despre modul în care copiii folosesc sistemul sau comunică despre acesta (ce fel de indicații și termeni folosesc și unde anume diferă limbajul lor de cel folosit de proiectanții aplicației sau de adulți în general). Dacă un instrument este ușor de învățat și controlat, atunci copiii se vor cufunda repede în experimentarea acesteia. Ușurința de a fi învățat este într-un fel atributul cel mai fundamental al utilizabilității.

Evaluarea euristică

Evaluarea euristică – HE (Heuristic Evaluation) este la fel utilizată înaintea testării cu utilizatori și a are un caracter formativ, astfel încât s-a elimină un număr cât mai mare de probleme de utilizabilitate pe parcursul procesului de dezvoltare ale aplicațiilor AR.

HE este o metodă utilizată cu precădere în evaluarea utilizabilității realizată de un număr redus de evaluatori care examinează o interfață cu utilizatorul, judecă respectarea unui set de principii de utilizabilitate (euristici) și elaborează o listă de probleme de utilizabilitate (UP) clasificate pe categorii de severitate corespunzător impactului estimat asupra performanțelor utilizatorului sau acceptanței. Evaluarea euristică este, în esență, o inspecție de utilizabilitate.

În cadrul HE se colectează:

Măsuri cantitative, numărul de probleme de utilizabilitate, ordonate pe două niveluri de severitate: major și minor;

măsuri calitative, descrierea detaliată a UP individuale și contextul în care apar.

Evaluarea euristică este cea mai răspândită metodă de evaluare, folosită de 76% din specialiștii din domeniul utilizabilității.

Este necesară luarea în considerație a expertizei evaluatorilor pentru a estima corect gradul de încredere. Nu numai expertiza generală în utilizabilitate este utilă, dar și specializarea acestora pe anumite aspecte ale sistemelor interactive, atât la nivel general (probleme cognitive, design grafic, sisteme web, intraneturi), cât și de detaliu (arhitectura informației, navigare, procesarea tranzacțiilor).

Evaluarea cu un număr redus de principii de utilizabilitate este dificilă și presupune o dublă expertiză a evaluatorilor: în domeniul activității și în interacțiunea om-calculator. Există două posibilități de a asista evaluatorul:

utilizarea unei liste de verificare pentru fiecare criteriu, se pot elabora liste personalizate (presupun o experiență prealabilă în evaluarea unui tip de aplicații) sau se pot utiliza liste existente;

utilizarea unor recomandări de utilizabilitate care susțin principiul respectiv.

Un caz particular al evaluării euristice este evaluarea bazată pe recomandări. Recomandările fac referire la criterii, între care un rol important îl au criteriile ergonomice. O recomandare sau regulă ergonomică (guideline-en) constă într-un principiu de proiectare și/sau evaluare care trebuie respectat pentru a asigura utilizabilitatea interfeței om-calculator a unui sistem interactiv utilizat de anumiți utilizatori într-un context de lucru dat.

O altă bază de referință pentru evaluarea euristică este setul de 10 principii cognitive elaborate de Gerhard-Powels în 1996:

automatizarea încărcării nedorite;

reducerea incertitudinii;

reducerea încărcării cognitive prin grupare;

sprijin în interpretarea informației noi;

utilizarea de denumiri care sunt conceptual asociate cu funcția;

gruparea datelor astfel încât să se reducă timpul de căutare;

limitarea sarcinilor conduse de date;

afișarea numai a informației necesare la un moment dat;

furnizarea de multiple codificări ale datelor;

utilizarea judicioasă a redundanței.

Recomandările de utilizabilitate sunt utilizate în diferite activități:

specificarea cerințelor;

proiectarea interfeței;

prototipizare;

implementare;

evaluare;

instruire.

Evaluarea ergonomică utilizează criteriile ergonomice în locul euristicilor. Setul de criterii ergonomice a evoluat în timp și au fost elaborate și seturi de recomandări pentru două categorii de aplicații; comerț electronic și realitate virtuală.

Testarea cu utilizatori

Testarea cu utilizatori (UT) este definită ca o metodă empirică intensivă de evaluare implicând participanți care prezintă caracteristici apropiate de cele ale utilizatorilor reali ai produsului care va fi evaluat. Evaluarea formativă prin testarea cu utilizatori (UT – User Testing) este o metodă care necesită un număr de utilizatori (minim 5), care testează aplicația conform unor sarcini predefinite.

În testarea cu utilizatori se înregistrează comportamentul utilizatorului, cu ajutorul unor tehnici specifice cum sunt observarea, protocoalele de “gândire cu voce tare” sau înregistrările video. În funcție de logistica existentă, se recomandă combinarea mai multor tehnici. Principala diferență între evaluarea euristică și testarea cu utilizatori, o reprezintă absența utilizatorului în primul caz.

De regulă, în testarea cu utilizatori măsurile colectate sunt:

măsuri ale eficacității și eficienței: durata, erorile (numărul de alegeri greșite din meniu, numărul de selecții greșite, alte erori), solicitarea ajutorului (numărul de cereri explicite de asistență din partea experimentatorului și numărul de solicitări de ajutor online);

măsuri ale satisfacției: expresiile emoționale (observarea frustrării, observarea confuziei), percepțiile, opiniile și aprecierile participanților.

Experimentul

Experimentul poate fi definit ca dezvoltarea unui mediu în care cercetătorul, în mod obișnuit numit experimentator, observă cu obiectivitate fenomenele care sunt făcute să se producă în situații controlate cu rigurozitate, în care una sau mai multe variabile sunt manipulate, în timp ce altele sunt ținute constante.

Valoarea deosebită a experimentului este dată de funcția acestuia de verificare a ipotezelor cauzale. Așa cum remarca Raymond Siever în 1970, experimentul este, de cele mai multe ori, asociat cu abordarea analitică a fenomenului, spre deosebire de observație, care se asociază spontan abordării descriptive. În legătură cu funcția de verificare a ipotezelor cauzale, rezultatele experimentului se prezintă direct cu fapte științifice, ceea ce nu se poate susține și despre datele empirice obținute prin intermediul altor metode, care trebuie sistematizate în continuare în vederea dezvăluirii relațiilor de cauzalitate.

2.4 Instrumentele utilizate pentru realizarea sarcinii

În cadrul cercetării impactului integrării studiilor și a tehnologiei realității augmentate, a fost realizată aplicația AR Solar System. Dezvoltarea acesteia a fost realizată în mediul de dezvoltare(sau IDE) Xcode. Acest IDE se află în centrul experienței de dezvoltare ale Apple. Complet integrat cu cadrele Cocoa și Cocoa Touch, Xcode este un mediu incredibil de productiv pentru construirea de aplicații pentru Mac, iPhone, iPad, Apple Watch și Apple TV (figura 2.8).

Figura 2.8 – Interfața mediului de dezvoltare Xcode

Xcode contribuie la trecerea rapidă de la concept, la cod și în final la utilizatori. Deoarece totul este atât de bine integrat, fluxurile de lucru se simt naturale. Pe măsură ce compui o nouă interfață, editorul Asistent prezintă intuitiv codul sursă asociat într-un panou de ferestre divizat.

Tehnologia compilatorului LLVM de la Apple analizează codul, păstrând fiecare simbol pe care îl vezi în depanatorul LLDB compatibil cu editorul și compilatorul. Pe măsură ce tastați, acel motor este în mod constant la locul de muncă, găsind greșeli și oferind soluții optime pentru codul dvs. Xcode chiar comunică cu site-ul Web al dezvoltatorului Apple, astfel încât să poți activa în aplicație servicii precum Game Center sau Passbook cu un singur clic.

2.5 Limbaje de programare

Pentru realizarea aplicației AR Solar System a fost utilizat limbajul de programare Swift. El este un limbaj de programare puternic și intuitiv pentru MacOS, iOS, watchOS și tvOS. Scrierea codului Swift este interactivă, iar sintaxa este concisă dar expresivă, iar Swift include caracteristicile moderne ale dezvoltatorilor. Codul Swift este sigur din punct de vedere al designului, dar produce și software care rulează rapid.

Swift este rezultatul celor mai recente cercetări pe limbi de programare, combinate cu decenii de experiență în construirea platformelor Apple. Parametrii numiți avansați din obiectivul C sunt exprimați într-o sintaxă curată care face API-urile în Swift chiar mai ușor de citit și de întreținut.

De la cele mai vechi concepte, Swift a fost construit pentru a fi rapid. Folosind compilatorul LLVM incredibil de performant, codul Swift este transformat în codul nativ optimizat, care profită la maxim de hardware-ul modern. Sintaxa și biblioteca standard au fost, de asemenea, reglate pentru a face cea mai evidentă modalitate de a scrie codul, de asemenea, se obțin cele mai bune rezultate.

Swift este un succesor atât al limbajului C, cât și al limbajului Objective-C. Acesta include primitive de nivel scăzut, cum ar fi tipurile, controlul fluxului și operatori. De asemenea, oferă funcții orientate pe obiecte, cum ar fi clase, protocoale și generice, oferind dezvoltatorilor Cocoa și Cocoa Touch performanța și puterea pe care o cer.

Consola de depanare LLDB din Xcode include o versiune interactivă a limbii Swift integrată. Aceasta permite utilizarea sintaxei limbajului de programare Swift pentru a evalua și a interacționa cu aplicația în desfășurare sau pentru a scrie un nou cod pentru a vedea cum funcționează într-un mediu asemănător scriptului. Disponibil din interiorul consolei Xcode sau din Terminal.

Concluzii

Învățarea augmentată este definită ca o tehnică de învățare la cerere în care mediul de învățare se adaptează nevoilor și contribuțiilor elevilor. În general vorbind, "mediul înconjurător" nu trebuie să fie limitat în mediul de învățare fizică, cum ar fi sala de clasă, ci ar putea să se refere la un astfel de mediu de învățare ca la mediul digital de învățare, prin intermediul căruia se stimulează curiozitatea și o înțelegere mai bună a conținutului prezentat.

A sosit momentul detașării de la noțiunea de învățământ tradițional, cu dezvoltarea noilor modele de predare în care realitatea virtuală și augmentată poate juca un rol important. Utilizând ansamblu de instrumente AR și VR, studenții vor putea să învețe într-un mod complet nou. Aceștia pot organiza excursii virtuale pe teren, pot vizita locații istorice, pot efectua experimente și pot testa o gamă largă de dispozitive. Tehnologiile VR și AR adaugă elemente de interactivitate la educația clasică, contribuind la proces de învățare tot mai atrăgător.

Bibliografie

1 Paul Milgram, Haruo Takemura, Akira Utsumi, Fumio Kishino, Augmented Reality: A class of displays on the reality-virtuality continuum, Japan, Telemanipulator and Telepresence Technologies, 1994, vol. 2351, p. 283-292.

2 Ronald T. Azuma, A Survey of Augmented Reality, California, Teleoperators and Virtual Environments 6, 1997, p. 355-385.

3 Rose, H. Billinghurst, M., Zengo Sayu: An Immersive Educational Environment for Learning Japanese, Seattle, Human Interface Technology Laboratory, 1995, p. 1-9

4 Howard Rose, Assessing Learning in VR: Towards Developing a Paradigm Virtual Reality in Roving Vehicles, Seattle, Human Interface Technology Laboratory, 1995, 70-74

5 Roussos Maria, Andrew E. Johnson, Jason Leigh, Christina A. Vasilakis, Craig R. Barnes, Thomas G. Moher, NICE: Combining constructionism, narrative and collaboration in a virtual learning environment, New York, Computer Graphics (ACM), 1997, vol. 31, p. 62-63

6 Christine M. Byrne, Water on Tap: The Use of Virtual Reality as an Educational Tool, Seattle, Doctoral Dissertation, 1996, p. 1-102

7 C. Dede, M.C. Salzman, R. Bowen Loftin, ScienceSpace: virtual realities for learning complex and abstract scientific concepts, California, IEEE, 1996, p. 246

8 Mark Billinghurst, Hirokazu Kato, Ivan Poupyrev, MagicBook: Transitioning between Reality and Virtuality, Seattle, Human Interface Technology Laboratory, 2001, p. 1-2

9 Rubina Freitas, Pedro Campos, SMART: a SysteM of Augmented Reality for Teaching 2nd Grade Students, Liverpool, British Computer Society, 2008, vol. 2, p. 27-30

10 Jorge Martin-Gutierrez, Jose Luis Saorín, Manuel Contero, Mariano Alcañiz, AR_Dehaes: An Educational Toolkit Based on Augmented Reality Tecnology for Learnig Engineering Graphics, Spain, Intelligent Tutoring Systems, p.296-306

11 Jürgen Wind, Manfred Bogen, Kai Riege, Spinnstube: A Seated Augmented Reality Display System, Germany, 13th Eurographics Symposium on Virtual Environments, 2007, p. 27-30

12 Dünser A., Hornecker E., An observational study of children interacting with an augmented story book, China, Technologies for ELearning and Digital Entertainment, 2007, p 305-315

13 Jakob Nielsen, Usability Inspection Methods, New York, Wiley & Sons, 1994, p. 301-338

14 J. M. Christian Bastien, Dominique L. Scapin, Ergonomic Criteria for the Evaluation of Human-Computer Interfaces, The Netherlands, INRIA Rocquencourt, 1993, p. 9-40

15 A. Dix, G. Ellis, Starting Simple – adding value to static visualisation through simple interaction, L'Aquila, ACM Press, 1998, p.124-134

16 Waycott, J. and Kukulska-Hulme, Students’ experiences with PDAs for reading course materials, UK, Personal and Ubiquitous Computing, 2003, vol.7, p. 30-43