Mobile augmented reality using fuzzy logic for learners' spatial ability training

Abstract

The aim of this thesis is to design and develop a mobile training system, integrating augmented reality features, for fostering spatial ability of undergraduate students. Spatial ability is a factor of human intelligence and is defined as the capacity to mentally generate, transform, and rotate a visual image and thus, understand and recall spatial relationships between real and imagined objects. There is significant correlation between spatial ability and many scientific disciplines, such as science, technology, engineering and mathematics, and performs as an indicator for success in students’ educational pursuits.There are many tests developed to measure specifically the level of learners’ spatial visualization skills. Although a person is born with innate spatial skills, like many other skills, spatial ability can also be developed. This is particularly significant from the perspective of education because current research objectives aim to enhance spatial ability through targeted interventions.Researchers have explored the benefits of augmented reality, and its application has been of increasing interest in all levels of education. Augmented reality provides an ideal interface to Internet of Things (IoT) applications by superimposing virtual information about smart objects and services on a user’s view of the real world and is gaining momentum in enhancing students’ spatial ability.Existing literature has neglected to account for adaptivity in AR training systems, and integration of learning theories, a shortcoming this thesis addresses.The current research asks to what extent and in what ways a blended mobile system, integrating adaptivity through fuzzy logic and fuzzy weights alongside the structure of observed learning outcomes (SOLO) taxonomy, contribute to spatial ability training.The study followed the educational design research (EDR). This study was conducted within three phases as the preliminary, the development and the evaluation phase, each of which was repeated as many times as possible. The designed system was evaluated, revised and redesigned throughout prototyping iterations.Using participants in experimental and control groups, the developed spatial ability training system was evaluated in the field for a period of an academic semester. The students were delivered questionnaires to analyze their feedback in terms of t-tests. In addition, learners were pre- and post-tested using the Purdue Spatial Visualization Test of Rotations (PSVT:R) to gauge spatial visualization ability. Finally, an extended technology acceptance model (TAM) was designed and deployed to the experimental group to evaluate the human–AR system interaction and the contextual affordances to support the training of the students.The evaluation results showed that the control group achieved an improvement to a lesser extent than in the experimental group, demonstrating the benefits that the proposed approach brought to students’ spatial ability. Furthermore, based on the analysis of the proposed TAM model, the contribution in the area of intelligent tutoring systems is that the integration of fuzzy logic adaptivity combined with SOLO taxonomy and AR technology can become pervasive in spatial ability training and acquire a significant part of the learning process.The significance of this study is that it presents a spatial ability training system by introducing a focus on student modeling through fuzzy logic algorithm and delivers augmented reality learning activities within the SOLO taxonomy.

Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός συστήματος εκπαίδευσης για φορητές συσκευές, ενσωματώνοντας χαρακτηριστικά επαυξημένης πραγματικότητας, για την ενίσχυση της χωρικής ικανότητας προπτυχιακών φοιτητών. Η χωρική ικανότητα είναι ένας παράγοντας της ανθρώπινης νοημοσύνης και ορίζεται ως η ικανότητα ενός ανθρώπου να δημιουργεί νοητικά, να μετασχηματίζει και να περιστρέφει μια οπτική εικόνα κι έτσι να κατανοεί και να ανακαλεί τις συσχετίσεις στο χώρο μεταξύ πραγματικών και φανταστικών αντικειμένων. Υπάρχει σημαντική συσχέτιση μεταξύ της χωρικής ικανότητας και πολλών επιστημονικών κλάδων, όπως είναι οι φυσικές επιστήμες, η τεχνολογία, η επιστήμη των μηχανικών και τα μαθηματικά. Η χωρική ικανότητα αποτελεί δείκτη επιτυχίας στις εκπαιδευτικές επιδιώξεις των σπουδαστών των προαναφερθέντων επιστημονικών κλάδων.Υπάρχουν πολλά τεστ, τα οποία έχουν αναπτυχθεί συγκεκριμένα για να μετρήσουν το επίπεδο της ικανότητας οπτικοποίησης του χώρου των σπουδαστών. Παρόλο που ένα άτομο γεννιέται με έμφυτες χωρικές ικανότητες, όπως συμβαίνει με πολλές άλλες δεξιότητες, οι οποίες βασίζονται στην ανάπτυξη ικανοτήτων, έτσι και η χωρική ικανότητα μπορεί να αναπτυχθεί με τη μάθηση, μέσω του συνόλου της εκπαίδευσης και της πρακτική εξάσκησης. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για το χώρο της εκπαίδευσης, καθώς οι τρέχουσες έρευνες μελετούν τρόπους ενίσχυσης της χωρικής ικανότητας μέσω στοχευμένων παρεμβάσεων.Οι ερευνητές έχουν ανακαλύψει τα οφέλη της επαυξημένης πραγματικότητας (Ε.Π.) και η εφαρμογή της έχει αυξανόμενο ενδιαφέρον σε όλα τα επίπεδα εκπαίδευσης. Η επαυξημένη πραγματικότητα παρέχει μια ιδανική διεπαφή για τις εφαρμογές Διαδικτύου των Πραγμάτων, υπερθέτοντας εικονικές πληροφορίες σχετικά με έξυπνα αντικείμενα και υπηρεσίες στην οπτική του χρήστη για τον πραγματικό κόσμο και κερδίζει ολοένα και περισσότερη δυναμική στην ενίσχυση της χωρικής ικανότητας των σπουδαστών.Η υπάρχουσα βιβλιογραφία έχει αγνοήσει τόσο την προσαρμοστικότητα στα εκπαιδευτικά συστήματα επαυξημένης πραγματικότητας, όσο και την ενσωμάτωση των θεωριών μάθησης, μια αδυναμία την οποία προσπαθεί να αντιμετωπίσει η παρούσα διατριβή.Η παρούσα διατριβή διερευνά σε ποιο βαθμό και με ποιους τρόπους μπορεί ένα μικτό σύστημα μάθησης για φορητές συσκευές, το οποίο ενσωματώνει προσωποποιημένη λειτουργία μέσω ασαφούς λογικής και ασαφών βαρών, παράλληλα με την ταξινομία της δομής των παρατηρούμενων μαθησιακών αποτελεσμάτων (SOLO taxonomy), να συμβάλλει στην εκπαίδευση της χωρικής ικανότητας.Η διατριβή ακολούθησε τον εκπαιδευτικό σχεδιασμό έρευνας (EDR). Η μελέτη διεξήχθη σε τρεις φάσεις και συγκεκριμένα την προκαταρκτική φάση, τη φάση ανάπτυξης και τη φάση της αξιολόγησης, καθεμία από τις οποίες επαναλήφθηκε όσο το δυνατόν περισσότερες φορές. Το σχεδιασμένο σύστημα αξιολογήθηκε, αναθεωρήθηκε και επανασχεδιάστηκε κατά τη διάρκεια των αναθεωρήσεων των πρωτοτύπων.Χρησιμοποιώντας συμμετέχοντες σε πειραματικές ομάδες και ομάδες ελέγχου, το αναπτυγμένο σύστημα εκπαίδευσης της χωρικής ικανότητας αξιολογήθηκε για διάστημα ενός ακαδημαϊκού εξαμήνου. Στους μαθητές παραδόθηκαν ερωτηματολόγια αξιολόγησης και η ανάλυση της ανατροφοδότησής τους έγινε με όρους t-test. Επιπλέον, οι εκπαιδευόμενοι αξιολόγησαν το επίπεδο των χωρικών τους δεξιοτήτων χρησιμοποιώντας το τεστ οπτικοποίησης του χώρου μέσω περιστροφών (PSVT:R), τόσο πριν, όσο και μετά την εκπαίδευση τους με το προτεινόμενο σύστημα. Τέλος, ένα διευρυμένο, με εξωτερικές παραμέτρους, μοντέλο αποδοχής τεχνολογίας (ΤΑΜ) σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε για να αξιολογήσει την αλληλεπίδραση του συστήματος ανθρώπου-υπολογιστή και των προσδοκώμενων δυνατοτήτων του για την υποστήριξη της εκπαίδευσης των σπουδαστών.Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης έδειξαν ότι η ομάδα ελέγχου πέτυχε βελτίωση σε μικρότερο βαθμό από ό,τι πέτυχε η πειραματική ομάδα, καταδεικνύοντας τα οφέλη που έφερε η προτεινόμενη προσέγγιση στη βελτίωση της χωρικής ικανότητας των σπουδαστών. Επιπλέον, με βάση την ανάλυση του προτεινόμενου μοντέλου TAM, η συμβολή της παρούσας διατριβής στον τομέα των ευφυών συστημάτων διδασκαλίας είναι ότι η ενσωμάτωση της προσαρμοστικότητας μέσω ασαφούς λογικής σε συνδυασμό με την ταξινομία SOLO και την τεχνολογία επαυξημένης πραγματικότητας μπορεί να ενισχύσει καθοριστικά την εκπαίδευση της χωρικής ικανότητας και να αποτελέσει σημαντικό μέρος της διαδικασία μάθησης.Η συνεισφορά αυτής της διατριβής είναι ότι παρουσιάζει ένα σύστημα εκπαίδευσης χρηστών για τη βελτίωση της χωρικής ικανότητας, εστιάζοντας στη μοντελοποίηση των χρηστών μέσω αλγορίθμου ασαφούς λογικής και παρέχει δραστηριότητες εκμάθησης με χρήση επαυξημένης πραγματικότητας εντός της ταξινομίας SOLO.