DOI: https://doi.org/10.1007/s10639-024-13210-z
تاريخ النشر: 2025-01-16
المؤلف: Haozhe Jiang وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات الواقع المعزز
نظرة عامة
تستكشف هذه المراجعة المنهجية دور الواقع الافتراضي (VR) والواقع المعزز (AR) في تعزيز التعليم في مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM) لطلاب K-12، من خلال تحليل 117 مقالة نُشرت بين عامي 2010 و2022. باستخدام طريقة PRISMA، تحدد الدراسة الاتجاهات والمزايا والتحديات المرتبطة بالتعلم المدعوم بـ VR/AR. تكشف النتائج عن زيادة ملحوظة في النشاط البحثي من 2017 إلى 2022، مع التركيز بشكل أساسي على تطبيقات VR/AR في العلوم والرياضيات، حيث كانت تقنية AR المعتمدة على الهواتف الذكية/الأجهزة اللوحية هي الأكثر استخدامًا. ومع ذلك، هناك نقص ملحوظ في الدراسات التي تتناول التعليم في مجالات الهندسة والتكنولوجيا، خاصة على مستوى المدارس الثانوية العليا.
تسلط المراجعة الضوء على العديد من فوائد VR/AR في التعليم STEM لطلاب K-12، بما في ذلك تحسين الأداء الأكاديمي، وتعزيز المهارات المعرفية، وزيادة دافعية الطلاب وانخراطهم. وعلى النقيض، تم الإشارة أيضًا إلى التحديات مثل المشتتات، والصعوبات التقنية، وارتفاع تكاليف التنفيذ. يواجه المعلمون عقبات تتعلق بإدارة الفصول الدراسية والتكيف مع أدوار التدريس الجديدة، بينما تواجه المدارس قضايا الوصول والخصوصية. يقترح المؤلفون ستة أجندات بحثية لاستكشاف إمكانيات VR/AR في التعلم STEM لطلاب K-12 بشكل أعمق ويؤكدون على الحاجة إلى دراسات مستقبلية تشمل أدبيات وأساليب متنوعة لمعالجة الفجوات الحالية والبيئات التكنولوجية المتطورة. بشكل عام، تؤكد هذه المراجعة على الإمكانيات التحويلية لـ VR/AR في التعليم مع الاعتراف بالتعقيدات المرتبطة بتنفيذها.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الأهمية المتزايدة للواقع الافتراضي (VR) والواقع المعزز (AR) في التعليم STEM لطلاب K-12. يُعرف VR بأنه بيئة اصطناعية يدركها المستخدمون على أنها حقيقية، بينما يعزز AR هذه التجربة من خلال دمج الكائنات الافتراضية في العالم الحقيقي، مما يسمح بالتفاعل ثلاثي الأبعاد. يبرز المؤلفون أن تقنيات VR/AR قد تم استخدامها بشكل متزايد في السياقات التعليمية، خاصة في مجالات STEM، التي غالبًا ما تُعتبر تحديًا بسبب مفاهيمها المعقدة. يُفترض أن دمج VR/AR في التعليم STEM يعزز فهم الطلاب للمفاهيم المكانية، ويعزز الاستفسار العلمي، ويطور المهارات العملية، مما يجعل التعلم أكثر جذبًا وأقل تجريدًا.
تستعرض المقدمة أيضًا الدراسات السابقة التي فحصت النتائج المعرفية لـ AR وVR في التعلم STEM، مشيرةً إلى كل من المزايا – مثل تحسين الاحتفاظ، والدافعية، والتعلم التعاوني – والتحديات، بما في ذلك المشتتات المحتملة والتحميل المعرفي الزائد. ومع ذلك، يتم انتقاد المراجعات الأدبية الحالية لكونها قديمة أو تركز بشكل ضيق على مواضيع محددة. يجادل المؤلفون من أجل نظرة شاملة لتطبيقات VR/AR في التعليم STEM من 2010 إلى 2022، مؤكدين على الحاجة لاستكشاف التعلم المتكامل في STEM (iSTEM) بشكل أوسع. تهدف الورقة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال مراجعة منهجية للدراسات التجريبية لتحديد الاتجاهات والمزايا والتحديات المرتبطة بالتعلم STEM المدعوم بـ VR/AR لطلاب K-12، مسترشدين بأسئلة بحث محددة تتعلق باتجاهات النشر، ومواضيع التعلم، والأثر العام لهذه التقنيات.
النتائج
في قسم النتائج، يتناول المؤلفون بشكل منهجي أسئلتهم البحثية، RQ1 وRQ2، من خلال تقديم النتائج ذات الصلة المستمدة من دراستهم. يتم تنظيم النتائج في أقسام فرعية تتماشى بشكل محدد مع كل سؤال بحث، مما يسمح بتفسير واضح ومركز للبيانات. تسهل هذه الطريقة المنظمة فهمًا شاملاً لتداعيات النتائج فيما يتعلق بالاستفسارات البحثية المطروحة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على الأسس النظرية التي تدعم التعلم STEM المدعوم بـ VR/AR، مع التأكيد على طبيعته المتمحورة حول الطالب التي تعزز الانخراط والاستقلالية. يحدد المؤلفون عدة نظريات تعلم رئيسية – السلوكية، والمعرفية، والبنائية، والتجريبية، والاتصالية – التي تُعلم الاستخدام الفعال لتقنيات VR/AR في السياقات التعليمية. على سبيل المثال، يتم دعم السلوكية من خلال قدرة VR/AR على توفير بيئات تكيفية للممارسة والتغذية الراجعة، بينما يتم تسهيل المعرفية من خلال قدرة التقنيات على إنشاء مهام معرفية معقدة. يتم التأكيد بشكل خاص على البنائية، حيث يسمح VR/AR للمتعلمين باستكشاف البيئات الافتراضية والتلاعب بها بنشاط، وبالتالي بناء المعرفة من خلال التجربة.
بالإضافة إلى ذلك، يستخدم المؤلفون نموذج التعلم القائم على التكنولوجيا لتحليل الاتجاهات في التعليم STEM المدعوم بـ VR/AR لطلاب K-12. تكشف مراجعتهم للأدبيات من 2010 إلى 2022 عن زيادة ملحوظة في الدراسات المنشورة، خاصة في العلوم والرياضيات، مع تفضيل ملحوظ للأجهزة غير الغامرة على الأجهزة الغامرة. تشير التحليلات أيضًا إلى تحول في التركيز من طلاب المدارس الابتدائية إلى طلاب المدارس المتوسطة في السنوات الأخيرة. تشمل مزايا VR/AR في التعليم تحسين الإنجاز الأكاديمي، وتعزيز القدرات المعرفية، وزيادة الدافعية، وتحسين المواقف تجاه التعلم، على الرغم من أن التحديات لا تزال قائمة لكل من المتعلمين والمعلمين. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات تقنيات VR/AR في إثراء تجارب التعلم STEM مع تسليط الضوء أيضًا على الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لتنفيذها في البيئات التعليمية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10639-024-13210-z
Publication Date: 2025-01-16
Author(s): Haozhe Jiang et al.
Primary Topic: Augmented Reality Applications
Overview
This systematic review investigates the role of virtual reality (VR) and augmented reality (AR) in enhancing science, technology, engineering, and mathematics (STEM) education for K-12 students, analyzing 117 articles published between 2010 and 2022. Utilizing the PRISMA method, the study identifies trends, advantages, and challenges associated with VR/AR-supported learning. The findings reveal a significant increase in research activity from 2017 to 2022, predominantly focusing on VR/AR applications in science and mathematics, with smartphone/tablet-based AR being the most utilized technology. However, there is a notable lack of studies addressing engineering and technology education, particularly at the senior high school level.
The review highlights several benefits of VR/AR in K-12 STEM education, including improved academic performance, enhanced cognitive skills, and increased student motivation and engagement. Conversely, challenges such as distractions, technical difficulties, and high implementation costs are also noted. Teachers face obstacles related to classroom management and adapting to new teaching roles, while schools contend with issues of access and privacy. The authors propose six research agendas to further explore VR/AR’s potential in K-12 STEM learning and emphasize the need for future studies to include diverse literature and methodologies to address existing gaps and evolving technological landscapes. Overall, this review underscores the transformative potential of VR/AR in education while acknowledging the complexities involved in its implementation.
Introduction
The introduction of the paper discusses the growing significance of virtual reality (VR) and augmented reality (AR) in K-12 STEM education. VR is defined as an artificial environment that users perceive as real, while AR enhances this experience by integrating virtual objects into the real world, allowing for interactive three-dimensional engagement. The authors highlight that VR/AR technologies have been increasingly utilized in educational contexts, particularly in STEM fields, which are often perceived as challenging due to their complex concepts. The integration of VR/AR in STEM education is posited to enhance students’ understanding of spatial concepts, foster scientific inquiry, and develop practical skills, thereby making learning more engaging and less abstract.
The introduction also reviews prior studies that have examined the cognitive outcomes of AR and VR in STEM learning, noting both advantages—such as improved retention, motivation, and cooperative learning—and challenges, including potential distractions and cognitive overload. However, existing literature reviews are criticized for being outdated or narrowly focused on specific subjects. The authors argue for a comprehensive overview of VR/AR applications in STEM education from 2010 to 2022, emphasizing the need to explore integrated STEM learning (iSTEM) more broadly. The paper aims to address this gap by systematically reviewing empirical studies to identify trends, advantages, and challenges associated with VR/AR-supported K-12 STEM learning, guided by specific research questions regarding publication trends, learning subjects, and the overall impact of these technologies.
Results
In the Results section, the authors systematically address their research questions, RQ1 and RQ2, by presenting relevant findings derived from their study. The results are organized into sub-sections that specifically align with each research question, allowing for a clear and focused interpretation of the data. This structured approach facilitates a comprehensive understanding of the implications of the findings in relation to the posed research inquiries.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the theoretical foundations underpinning VR/AR-supported STEM learning, emphasizing its student-centered nature that promotes engagement and autonomy. The authors identify several key learning theories—behaviorism, cognitivism, constructivism, experientialism, and connectivism—that inform the effective use of VR/AR technologies in educational contexts. For instance, behaviorism is supported through VR/AR’s ability to provide adaptive environments for practice and feedback, while cognitivism is facilitated by the technologies’ capacity to create complex cognitive tasks. Constructivism is particularly emphasized, as VR/AR allows learners to actively explore and manipulate virtual environments, thereby constructing knowledge through experience.
Additionally, the authors employ the technology-based learning model to analyze trends in VR/AR-supported K-12 STEM education. Their review of literature from 2010 to 2022 reveals a significant increase in published studies, particularly in science and mathematics, with a notable preference for non-immersive devices over immersive ones. The analysis also indicates a shift in focus from elementary to junior high school students in recent years. The advantages of VR/AR in education include improved academic achievement, enhanced cognitive abilities, increased motivation, and better learning attitudes, although challenges remain for both learners and educators. Overall, the findings underscore the potential of VR/AR technologies to enrich STEM learning experiences while also highlighting the need for further exploration of their implementation in educational settings.