Augmented reality mobile app development for all
Author links open overlay panelJoseacute; MiguelMotaaIvaacute;nRuiz-RubeaJuan ManuelDoderoaInmaculadaArnedillo-Saacute;nchezb
Highlights
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Classification of authoring tools to develop e-learning activities with AR.
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Framework to support technologies such as Augmented Reality and Learning analytics.
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Visual programming language to overcome the barriers to develop mobile applications.
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Results of an evaluation with educators and students.
Abstract
Lack of programming skills is a barrier to the engagement of teachers in the development and customisation of their own applications. Visual Environment for Designing Interactive Learning Scenarios (VEDILS), a visual tool for designing, customising and deploying learning technologies, provides teachers with a development environment with a low entry threshold. Current mobile devices are equipped with sensors and have sufficient processing power to use augmented reality technologies. Despite the heavy use of mobile devices in studentsrsquo; lives, the use of augmented reality mobile applications as learning tools is not widespread among teachers. The current work presents a framework comprising the development tool and a method for designing and deploying learning activities. It focuses on the augmented reality components of the authoring tools, which allow users to create their own mobile augmented reality learning apps. It also present the results of the evaluation of the framework with 47 third-level educators, and two case studies of classroom implementations of mobile augmented reality apps developed by these educators. The results illustrate the suitability of the framework and authoring tool for supporting users without programming skills in developing their own apps.
Graphical abstract
Keywords
Learning activities
Augmented reality
Visual language
Mobile learning
Programming skills
1. Introduction
In Technology Enhanced Learning (TEL) research, ubiquitous and mobile technologies and serious games, Augmented Reality (AR) and Learning Analytics (LA) provide a means of improving usersrsquo; experiences and satisfaction in enriched, multimodal learning environments[1]. While TEL research takes advantage of technological innovations in mobile hardware and software, significant developments in user modelling and penalisation techniques have placed students at the center of the learning process [2], and AR has had the effect of increasing the motivation of students [3].
AR technology refers to the inclusion of virtual elements in views of actual physical environments, in order to create a mixed reality in real time. It supplements and enhances the perceptions humans gain through their senses in the real world. AR provides various degrees of immersion and interaction, which can help to engage students in e-learning activities. For instance, in AR learning environments, motivational factors related to attention and satisfaction are rated more highly than for slide-based environments [3].
Society increasingly demands efficient and skilled professionals. In view of this, a particularly valuable skill for educators is the ability to create their own e-learning experiences [4]. Doing so endows educators with agency over the technology; that is, the ability to place this at their service rather than being driven by it [5]. However, the full potential of technology is often underutilised in teaching. Barriers include the need for programming skills to develop customised AR experiences [6] and the lack of education-specific authoring tools 增强现实移动应用开发
Joseacute; MiguelMotaaIvaacute;nRuiz-RubeaJuan ManuelDoderoaInmaculadaArnedillo-Saacute;nchezb
重点bull;
使用AR开发电子学习活动的创作工具的分类。
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支持增强现实和学习分析等技术的框架。
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可视化编程语言，以克服开发移动应用程序的障碍。
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与教育者和学生进行评估的结果。
概要
缺乏编程技能是教师参与开发和定制他们自己的应用程序的障碍。设计交互式学习场景（VEDILS）的视觉环境，是设计、定制和部署学习技术的可视化工具，为教师提供了一个低入门门槛的开发环境。目前的移动设备配备了传感器，并拥有足够的处理能力来使用增强现实技术。尽管在学生的生活中大量使用移动设备，但在教师中使用增强现实移动应用作为学习工具并不普遍。当前的工作提供了一个框架，包括开发工具和设计和部署学习活动的方法。它关注的是创作工具的增强现实组件，它允许用户创建自己的移动增强现实学习应用。它还展示了47个三级教育工作者对该框架的评估结果，以及由这些教育者开发的移动增强现实应用的课堂实现的两个案例研究。这一结果说明了框架和创作工具在开发自己的应用程序时不需要编程技巧的支持。
图形抽象
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关键字
学习活动
增强现实
视觉语言
移动学习
编程技能
1 .介绍
在技术强化学习（TEL）研究中，无处不在的移动技术和严肃游戏，增强现实（AR）和学习分析（LA）提供了一种提高用户在丰富、多模式学习环境中的体验和满意度的方法。虽然TEL研究利用了移动硬件和软件的技术创新，但用户建模和惩罚技术的重大发展使学生处于学习过程的中心，而AR的作用则是增加了学生的积极性。
AR技术指的是将虚拟元素包含在实际物理环境的视图中，以便实时地创建一个混合的现实。它补充和增强了人类在现实世界中通过感官获得的知觉。AR提供不同程度的浸入式和交互作用，这可以帮助学生参与电子学习活动。例如，在AR学习环境中，与注意力和满意度相关的动机因素被认为比基于滑动的环境3要高。
社会越来越需要高效和熟练的专业人士。有鉴于此，对教育者来说，一项特别有价值的技能是能够创造他们自己的电子学习体验。这样做会让教育工作者在技术上有代理;也就是说，将其置于服务的能力，而不是由它驱动。然而，在教学中，技术的全部潜力往往没有得到充分利用。障碍包括需要编程技能来开发定制的AR体验，以及缺乏特定于教育的创作工具7。将概念和工具翻译成最终用户计算机系统是一项复杂的任务，需要计算机专家的参与;因此，面向教育的编程环境的发展仍然是一个挑战。
基于视觉块的编程环境，用户可以将块拖放到一起来编写代码，为初学者提供了学习编程的另一种选择。在课堂和非正式学习环境中，这一点已被证明是成功的。它也适用于早期的编程教学，例如，Code1的一个小时，或者使用诸如刮刮器或应用程序发明人3的工具。
基于基于块的可视化编程语言在克服教育工作者在开发移动应用程序时所面临的障碍的潜力，我们开发了VEDILS 11。这是建立在应用程序发明者之上的，并且扩展了模块，允许将AR和LA特性集成到移动应用程序中。VEDILS嵌入在VEDILS框架中，它是一个四阶段的方法，包括：1）新组件的设计和开发;2)培训;3)迭代设计;和4)评估。为了评估这一创作工具，我们与47名三年级的教育工作者进行了一系列的研讨会。在此期间，参与者完成了旨在提高他们对基于视觉块的编程语言的知识的任务，并开发了一款应用。此外，还对参与者开发的移动增强现实学习应用的课堂实现进行了两个案例研究。
本文介绍了VEDILS框架，并着重介绍了VEDILS工具的AR组件，该工具允许用户创建自己的移动增强现实学习应用。它还展示了教育工作者评估的初步结果。本文的其余部分的结构如下:第二部分描述艺术的状态,第三节介绍了VEDILS框架,概述了该系统的利益相关者和阶段,第四节描述了创作工具和解释了基于“增大化现实”技术的组件;第五部分介绍了研讨会的结果;第六节报告两个案例研究的应用程序开发工具;最后，第7节给出了结论并描述了未来的工作。
2。相关工作
基于多通道交互的新教学环境（例如，手势交互、语音识别、AR、触觉交互或人工视觉），已经成为教师们随时可用的交付格式。当电子学习体验基于这些类型的交互时，激发12并让学生参与进来更容易。特别是，AR增强了用户的感知能力，并改善了他们与现实世界的互动，显示了用户无法直接通过感官检测到的信息。
在开发方面有两种不同的AR应用程序：1）基于标记的跟踪，它需要包含颜色或黑色和白色图案的标签;2）无标记跟踪，它使用移动设备的GPS或图像识别系统来识别位置。两者都利用诸如加速计和陀螺仪等传感器来确定移动设备的位置、方向和方向。AR系统寻找一个预定义的模式来识别匹配和引用位置，然后虚拟信息（声音、2D图像、3D模型等）被叠加在实时图像上。研究人员强调了AR在吸引和激励学习者方面的潜力，例如在解释或评估主题、进行实验室实验、玩教育游戏和增加信息等方面。
在使用AR开发电子学习活动时，教师可以使用各种AR创作工具。下面列出的模式是按照15种模式进行分类的：
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低级库：它们只提供基本的计算机视觉集成。一些最著名的库和框架是ar工具箱16、Aruco 17、Wikitude4和Vuforia，这些都需要编码/脚本技能，以及使用图形化实用程序来投射和操纵虚拟对象。
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高级编程环境：通过提供用AR构建应用程序所需的基础设施来简化开发过程，这些工具的例子是研究人员和os嘉18。它们包括开发AR应用程序所需的所有功能，如场景图呈现、网络、窗口管理、对输入设备的支持等等。这些环境通常需要编程能力;因此，用这些方法开发AR应用程序是一项耗时且费力的任务。
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非程序员的基于gui的工具：这些工具不需要编程技能来生成AR应用程序。这些例子是4月19日，AMIRE 20和飞镖21。还存在其他一些高级创作工具，如Layar、7 aumentap8、8增强、9 Aurasma10或ARCrowd，11只支持物理标记和虚拟对象之间的一对一映射。由此产生的交互是简单和直观的，尽管有些限制。
无论用于创建AR教育应用程序的创作工具是什么，关于其实现的许多困难都有详细的文档说明：
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学生监督：这是高质量教育的一个重要组成部分，是“区分有效学校和教师与无效教师的主要因素之一”。然而，大多数移动学习应用程序并没有为教师提供内置的监控功能，以查看学生互动的统计信息。
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评估：创作工具通常不包括创建调查问卷或其他评估工具的功能，教师必须使用外部工具来评估学生。
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个性化：高级和低级工具可以提供活动的定制;然而，为了构建AR应用程序，它们需要大量的编程技能。
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利用移动能力：许多创作工具没有充分利用移动设备，如传感器数据采集、信息存储和与外部系统的连接等。
3。VEDILS框架：支持教师设计和部署移动学习活动
VEDILS框架旨在支持没有编程技能的用户设计和部署移动技术。由于它是独立于内容的，所以它可以用来支持来自不同领域的专业人员。尽管目前的工作重点是VEDILS如何支持教师创建他们自己的电子学习活动，但它也适用于许多其他的环境，如电子健康、设计和其他方面。例如，电子健康市场是由非临床开发人员创建的应用程序所填充的。
该框架由基于设计的研究（DBR）24和VEDILS 11创作工具组成的四阶段方法组成。它的特点是迭代方法，在原地进行干预，以及对教学和学习的承诺。该框架的利益攸关方是：
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领导：这些形成了教师、程序员和研究人员之间的联系，定义了可以被合并的新技术，并对最终过程的质量负责。
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程序员：这些都是编程语言和低级别/高级库的知识渊博的专业人员。
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研究人员：这些研究并提出了新组件的设计。他们对研究方法和DBR有一定的了解，因此可以设计出在自然学习环境中测试这些设计的过程。
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老师：这些学生用VEDILS创建他们自己的学习活动，并且可以提出教学方法和技术与这些活动相结合。他们接受了VEDILS的培训，并了解了创作工具的可能性。
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学生：这些是最终用户。教师在设计新的学习应用或改进现有的学习应用时，应该考虑到他们的背景、背景、需求和愿望。
设计和部署学习活动方法的四个阶段如下：1）设计和开发新组件;2)培训;3)迭代设计;4）评估（图1）。这些可以描述如下：
1。
新组件的设计和开发：这只发生在领导者、教师和研究人员决定使用一种新技术的时候，例如手势交互、语音识别或AR，或者改进现有的功能。然后，在VEDILS代码库中拥有专业知识的开发人员通过定义一个包含一组可视化属性和几个编程块的组件，将新技术或特性集成到平台中。
2。
培训：领导者、程序员和研究人员可以通过向教师介绍可以与创作工具一起使用的概念和技术，从而使教师了解他们的潜力和益处，从而发挥培训师的作用。
3。
迭代设计：教师使用基于块的视觉语言和VEDILS提供的工具，开发随时可用的移动应用程序，以便将其整合到他们的教学中。
4。
评估：一旦学生安装了应用程序，教师就可以获得用户交互的实时信息;例如，关于哪些屏幕正在被查看、在哪里、什么时候、等等的信息。此外，可以在应用程序本身中开发对教育活动的评估。所有这些信息都可以向老师提供，使他们能够分析活动，并回到前一阶段，在必要时改进这款应用。
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图1所示。设计和部署学习活动的方法。
4。VEDILS:创作工具
我们没有开发新的编程环境，而是研究了成功的编程环境，以评估是否可以扩展这些环境。每个环境都是基于许多标准进行评估的，包括编程的简单性（儿童应该能够在其中创建丰富的应用程序）、空间简单性（在空间认知方面的最小负荷，偏爱2D/3D），以及易于扩展（使用AR功能扩展的能力）。
VEDILS是一款基于应用程序发明者的创作工具;它是由谷歌在开源许可下设计的，目前由麻省理工学院（MIT）维护。它是一个基于块的编程工具，它可以授权用户，包括新手，开始编程，并为Android设备构建功能齐全的应用程序。这些应用程序使用了Android设备提供的通用功能，例如传感器，比如GPS接收器、陀螺仪或加速计;多媒体元素，如照相机、麦克风或视频播放器;绘图和动画;与社交网络共享数据;和各种web服务。
VEDILS的架构由几个模块组成：一个用于设计新应用程序的用户界面的GWT应用程序（图2）;一个用于编程应用程序行为逻辑的块状编辑器（图3）;一个构建服务器，它将设计和逻辑转换为可输出文件（apk）;在移动设备上运行的解释器，用于调试应用程序;最后，一个模块包含了其他模块所需要的所有内置组件（可视化和非视觉效果），并可用于最终用户开发他们的应用程序。
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图2所示。屏幕来设计应用程序并定义组件的属性。
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图3所示。使用基于块的可视语言来定义应用程序的行为。
4.1。增强现实技术组件
为了解决当前的AR创作工具的问题，即学生监控、评估、个性化和利用移动设备的功能，开发了以下组件（图4（a）），以实现VEDILS创作工具中的AR特性：
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ARCamera：这个组件代表AR场景，它显示了由设备的摄像头直接捕捉到的真实图像。用户可以配置一些方面，如屏幕朝向、摄像头（前或后）、可识别的物理目标的可选外部数据库，以及是否需要立体呈现。此外，使用与ARCamera相关联的arcamera叠加组件，可以在屏幕上显示导航条。
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ar跟踪：这个组件对应于在最终应用程序中触发动作的物理元素。这个物理元素可以是一个AR标记，一个外部对象（图像、cuboid或圆柱体）或文本。该组件管理事件，例如当物理元素在摄像机的视野中被识别时，当它的位置发生变化或者当它消失时。
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