Towards mixed reality in education: overcoming challenges of teaching, learning, and authoring.

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Autor/in	Drey, Tobias
Titel	Towards mixed reality in education: overcoming challenges of teaching, learning, and authoring.
Quelle	Ulm: Universität Ulm (2023), xvi, 207 S. PDF als Volltext kostenfreie Datei (1); PDF als Volltext kostenfreie Datei (2); PDF als Volltext kostenfreie Datei (3) Link als defekt meldenVerfügbarkeit Dissertation, Universität Ulm, 2023.
Sprache	englisch
Dokumenttyp	online; Monografie
DOI	10.18725/OPARU-51635
URN	urn:nbn:de:bsz:289-oparu-51711-1
Schlagwörter	Bildung; Mixed-Methods-Design; Lernen; Augmented Reality; Computerunterstützter Unterricht; Lehre; Informatik; Mensch-Maschine-Kommunikation; Virtuelle Realität; Dissertation; E-Learning
Abstract	Die Digitalisierung ist allgegenwärtig und hat das Bildungswesen bereits revolutioniert. Insbesondere die zunehmende Verbreitung von Mixed Reality (MR) im letzten Jahrzehnt hat zahlreiche neue Möglichkeiten für innovative digitale Bildung eröffnet, um den Lernerfolg in den kognitiven und psychomotorischen Bereichen zu steigern. Allerdings sind bisherige Studienergebnisse uneinheitlich, wie MR-Umgebungen gestaltet werden sollten und wie bestehende Bildungstheorien, einschließlich Multimedia-Design-Prinzipien, auf MR übertragen werden können. Die Hürden, die eine solche Forschung überwinden muss, sind darüber hinaus interdisziplinär, da die durch Human-Computer Interaction (HCI) angetriebene Interaktionstheorie das Design der MR Lernumgebung maßgeblich beeinflusst und somit auch den Lernerfolg. Um solch eine interdisziplinäre Forschung sicherzustellen, habe ich das interdisziplinäre TriDactIX Framework geschaffen, basierend auf Normans Interaktionszyklus sowie dem Model-View-Controller Pattern (HCI Theorie) und dem didaktischen Dreieck (Bildungstheorie). Es betont die Rolle des digitalen Systems in der digitalisierten Bildung und die Interaktion mit den jeweiligen Nutzern, nämlich Lernenden und Lehrenden. Dieses Framework leitete diese Dissertation und die fünf Hauptpublikationen an, um aktuelle Herausforderungen beim Lehren, Lernen und Erstellen von Inhalten/Authoring, z.B. durch die Lehrkraft, in MR zu identifizieren und zu überwinden. Die erste Hauptpublikation untersuchte die Designanforderungen für kollaborative Virtual Reality (VR)-Umgebungen im Kontext von paarweisem Lernen, indem ein symmetrisches Setup mit einem asymmetrischen verglichen wurde. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Teilnehmer (N=46) das symmetrische System bevorzugten, da es eine einfachere Kommunikation ermöglichte. Daraus wurden sechs Richtlinien für die Gestaltung von kollaborativen MR-Lernanwendungen formuliert. Die zweite Hauptpublikation, SpARklingPaper, ist ein Augmented Reality (AR)-System, welches das haptische Feedback von traditionellem Stift und Papier mit dem sofortigen und personalisierten Feedback von digitalem Lernen kombiniert, um das Schreibtraining von Kindern zu verbessern. In einer Nutzerstudie mit Kindern und ihren Eltern (N=26) wurde es mit einem state-of-the-art Tablet verglichen, und sie bestätigten das überlegene haptische Feedback von SpARklingPaper bei der Unterstützung des Schreibtrainings. Die Ergebnisse zeigen, dass SpARklingPaper als Referenzsystemdesign dienen kann. Da stetiger Unterrichts- und Lernfortschritt anzustreben ist und nicht behindert werden sollte, untersuchte die dritte Hauptpublikation den unerwünschten "being stuck"-Zustand, speziell für adaptive Lernumgebungen, indem ein Systematic Literature Review (SLR) durchgeführt wurde. Dieser Zustand wird inklusive einem damit verbundenen Kontinuum definiert, einschließlich Auslösern, Indikatoren und Gegenmaßnahmen basierend auf individuellen Eigenschaften der Nutzer. Diese Publikation wird die Entwicklung von MR-Anwendungen unterstützen, die individuelle Eigenschaften berücksichtigen, um das Lehren, Lernen und Erstellen von Inhalten zu personalisieren, und somit den Lernerfolg zu erhöhen. Die vierte Hauptpublikation, VRSketchIn, untersuchte eine Lösung für den Zielkonflikt zwischen Funktion und Komplexität bei der 3D-Inhaltserstellung, indem ein VR in-situ Authoring-System eingeführt wird. Es nutzt ein Interaktionskonzept, das auf uneingeschränktem 3D in der Luft und eingeschränktem 2D-oberflächenunterstütztem Zeichnen basiert. VRSketchIn wurde in einer Nutzerstudie von Teilnehmern (N=6) bewertet, und es zeigte sich, dass es allen Nutzern, Lehrende und Lernende eingeschlossen, ermöglicht, Inhalte zu generieren, die normalerweise Expertenwerkzeuge und -fähigkeiten erfordern würden. Die fünfte Hauptpublikation untersuchte, wie individuelle Eigenschaften, genauer räumliches Vorstellungsvermögen, das Lehren, Lernen und Erstellen von Inhalten in MR beeinflusst, indem sie die Auswirkungen auf die Leistung bei Objektmanipulationsaufgaben in VR betrachtete. Die Ergebnisse der Nutzerstudie (N=66) zeigen, dass die Berücksichtigung des räumlichen Vorstellungsvermögens die Leistung verbessert. Die entwickelten sieben Richtlinien werden bei der Erstellung von personalisierten Lehr-, Lern- und Authoring-Umgebungen in MR helfen. Die Hauptpublikationen und ihre Ergebnisse zeigen, dass das TriDactIX Framework verwendet werden kann, um HCI- und bildungstheoriebasierte interdisziplinäre Forschung auf strukturierte Weise durchzuführen, indem neue Forschungslücken und Forschungsfragen identifiziert werden können, einschließlich der Definition von unabhängigen und abhängigen Variablen. Die gemeinsame Diskussion der Hauptpublikationen auf der Grundlage des TriDactIX Frameworks in dieser Dissertation verdeutlicht, wie es sowohl die HCI- als auch die Bildungstheorie voranbringen kann, indem diese Diskussion miteinander verknüpfte Interaktions-, System- und Lerneinheits-Designprinzipien aufzeigt. Sie sind für Forscher als auch für Praktiker wie Lehrkräfte hilfreich. Diese Dissertation schlägt weiter vor, wie HCI-Faktoren wie Usability möglicherweise zur Erweiterung der Bildungstheorie verwendet werden könnten (siehe Cognitive Affective Model of Immersive Learning (CAMIL)). Die Schlussfolgerung ist die Empfehlung an Forscher das TriDactIX Framework zukünftig als Leitfaden zu verwenden. Zusammenfassend bietet diese Dissertation Beiträge zum Lehren, Lernen und Erstellen von Inhalten in MR hinsichtlich (1) kollaborativem Lernen, (2) Schreibfertigkeitstraining, (3) dem individuellen "being stuck"-Zustand, (4) in-situ Content-Authoring, (5) dem Einfluss individuellen räumlichen Vorstellungsvermögens auf die Leistung bei der Objektmanipulation und (6) dem TriDactIX Framework. (übernommen). Digitization is ubiquitous in our everyday life and has already revolutionized education. Especially the rise of Mixed Reality (MR) during the last decade has shown multiple new opportunities for innovative digitized education to increase learning outcomes in the cognitive and psychomotor domains. However, previous study results are ambiguous on how MR environments should be designed and how existing education theory, including multimedia design principles, can be transferred to MR. The obstacles such research has to overcome are further interdisciplinary, as interaction theory driven by Human-Computer Interaction (HCI) strongly influences the MR learning environment´s design and, consequently, learning outcomes. To ensure such interdisciplinary research, I created the interdisciplinary TriDactIX framework based on Norman´s interaction cycle as well as the model-view-controller pattern (HCI theory) and the didactic triangle (education theory). It emphasizes the role of the digital system in digitized education and the interaction with the respective users, namely learners and teachers. This framework guided this thesis and the five core publications to identify and overcome current teaching, learning, and authoring challenges in MR. The first core publication investigated the design requirements for collaborative Virtual Reality (VR) environments in the context of pair-learning by comparing a symmetric setup with an asymmetric one. The study´s findings reveal that users (N=46) favored the symmetric system as it facilitated more straightforward communication. This led to the formulation of six guidelines for designing collaborative MR learning applications. The second core publication, SpARklingPaper, is an Augmented Reality (AR) system that integrates the genuine haptic feedback of traditional pen and paper with digital education´s immediate and personalized feedback to improve children´s handwriting training. In a user study with children and their parents (N=26), it was compared to a state-of-the-art digital tablet, and they acknowledged its superior haptic feedback in supporting handwriting training. The results show that SpARklingPaper can serve as a reference system design. As constant teaching and learning progress is always aspired and should not be impeded, core publication three investigated the undesirable "being stuck" state, specifically for adaptive learning environments, by conducting a Systematic Literature Review (SLR). It defines this state and a related continuum, including triggers, indicators, and countermeasures based on the individual characteristics of the users. This research will support developing MR applications that consider individual characteristics to personalize teaching, learning, and authoring, thereby enhancing learning outcomes. The fourth core publication, VRSketchIn, investigated a solution to the function vs. complexity trade-off for 3D content creation by introducing a VR in-situ authoring system. It utilizes an interaction concept based on unconstrained 3D mid-air and constrained 2D surface supported drawing. VRSketchIn was assessed with six participants (N=6) and it demonstrated that it allows non-expert users, such as teachers and learners, to generate content that would typically necessitate expert tools as well as skills. Core publication five investigated how individual characteristics, namely spatial abilities, influence teaching, learning, and authoring in MR by investigating their effects on object manipulation task performance in VR. The user studies´ findings (N=66) show that considering these spatial abilities enhances task performance. The developed seven guidelines will assist in creating customized teaching, learning, and authoring experiences in MR. The core publications and their findings show that the TriDactIX framework can be used to guide HCI and education theory-based interdisciplinary research in a structured way by being able to identify novel research gaps and research questions, including the definition of independent and dependent variables. The joint discussion of the core publications based on the TriDactIX framework in this thesis shows how it can advance both HCI and education theory. Therefore, this discussion provides interlinked interaction, system, and learning unit design principles for researchers and practitioners. This thesis also proposes how HCI factors such as usability could possibly be used to extend education theory (see Cognitive Affective Model of Immersive Learning (CAMIL)). Therefore, it concludes that researchers should use the TriDactIX framework as guidance in their future works. Concluding, this dissertation provides contributions for teaching, learning, and authoring in MR regarding (1) collaborative learning, (2) handwriting skill training, (3) the individual "being stuck" state, (4) in-situ content authoring, (5) the influence of individual spatial abilities on object manipulation performance, and (6) the TriDactIX framework. (übernommen).
Erfasst von	Deutsche Nationalbibliothek, Frankfurt am Main
Update	2024/2