为了让孩子学习更主动,MIT创建了一个AR可视化编程平台

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人们为了教会孩子学习编程,真是煞费苦心。近期,美国麻省理工媒体实验室的一名科研人员Anna Fuste发表了一篇论文,阐释了她与科研团队利用名为HyperCubes的立方体培训几组小学生学习“空间编程”的整个过程。

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先继续深入之前,先来谈谈可视化/图形化编程。其中比较出名的一种方式是Scratch平台,为了简化学习“编程语言”的难度,它利用各种颜色的图形将指令可视化。用户能用它制作小游戏、Flash动画、ppt等内容。而该平台的研发者,也就是美国麻省理工学院媒体实验室的Mitchel Resnick(被誉为“少儿编程之父”)还曾写了一本与儿童编程教育相关的书《终身幼儿园》。

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在书中他举了一个例子,说清华大学前校长陈吉宁担心中国学生虽然知识水平高、学习成绩好,但他们并未准备好面对不断改变和进化的社会。虽然他们大多了解科学原理,会解数学题,但是缺乏创新思维,独立思考和解决的能力。

孩子们在主动去建造对自己有意义的东西时,学习效率最高,而学会计算思维正是帮助孩子们构建这种学习框架的一个很好的途径,尤其是在学习数学、工程、技术或科学等STEM基础学科上。

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因此这些年来,人们想出了各种各样的方法教孩子学习编程,比如:Papert曾研发一款机器乌龟,让孩子通过Logo语言去控制乌龟前进、后退、转向、在纸上绘图;与前者相似的Alice语言和曾经结合Alto电脑教育孩子的SmallTalk语言;乐高Mindstorm机器人系列等等。

而Fuste研发的HyperCubes采用了AR技术,将图形化变成带进了新的维度:三维。用可追踪的立方体代表不同的指令,让孩子们通过操纵空间中的立方体来编程。将立方体标记与AR结合并不是他们首创,在9月举行的柏林国际电子消费品展览会上,曾有一家名为Merge VR的公司也曾展示过一款以立方体为追踪标记,结合AR来为儿童科普人体结构、宇宙等知识的寓教于乐工具MERGE Cube。

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HyperCubes与MERGE Cube的不同之处在于,它能够利用空间中的物体编程。它建立在Fuste在谷歌创意实验室时研发的Paper Cubes基础上,这是一项利用纸质立方体,来对AR应用中的简笔画小人进行控制的技术。不同的立方体会给AR小人提出不同的指令,包括跳跃、转弯、停止,他们甚至还加入了AI技术,让这些小人在遇到障碍物的时候知道如何躲避。

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HyperCubes与之不同之处在于,孩子可以更加自由地去操控,有大量的指令和AR内容可选。据悉,这些立方体根据性质被分为八类:发射体方块(生成球形、立方体、小人、动物、火箭等AR图像)、转化方块(改变AR图像的颜色、大小、移动方式等)、拆解方块(将AR物体指向不同方向,创建多个路径)、逻辑方块(AR物体异步流的逻辑门)、物理方块(帮助AR物体模拟物理原理)、效果方块(应用于AR物体的视觉效果和动画,包含一个在立方体与AR物体相撞时产生音效的指令)、游戏方块(可用来制作游戏)。每一类方块将包含六种明确指令(因为立方体有6面)。

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Fuste利用这项技术对英国Sandfield Close小学的三组学生进行教学实验,每组有15个孩子,培训时间为一个半小时。教学实验被分为四个部分:10-15分钟解释项目;30分钟制作纸立方;30-40分钟体验AR编程;10-15分钟反馈与发言。

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在最后环节中,科研人员用调查问卷收集了孩子们对这场教学体验的反馈,发现他们觉得制作纸质立方体过程简单、会让人主动去通过试错法直观地了解立方体的各项功能、他们更容易学会如何去使用立方体、利用AR编程带来的乐趣极高、他们学到了很多东西、他们很少会觉得无聊。从调查中可以看出,孩子们对HyperCubes产生了积极的回应,学习效率进而也提高了。

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据青亭网了解,与HyperCubes搭配的AR应用,会通过移动设备的摄像头结合Vuforia AR开发者工具,追踪物理环境中的标记(立方体上的图案)。为了避免应用将立方体上不同面的图案混淆,科研人员筛选出了追踪效果最好、对比最明显的图案标记。另外,该应用还需要追踪放置立方体的表面(桌子或地面),为了做到这一点,它使用了ARKit语言ARCore的库(这两个库都包含在Vuforia之中)。该应用追踪的一大特点是,当立方体从摄像头视野内消失时,之前生成的AR图像不会消失,而是会固定在原位。

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另外,HyperCubes这种移动端空间编程的方式与现有的高端AR头显相比也有一些优势,比如它能为用户提供实际的触感,而如果用户用AR眼镜编程或设计,通常是使用去“抓空气”(不像VR可搭配体感装置)。它的其他优势包括:通过DIY培养孩子的动手能力、材料廉价且常见、移动设备很方便实用。

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通过对HyperCubes的研究,Fuste和她的科研团队提出了一种“空间具象化编程”,他们认为这将会是一种新型、有效的计算思维学习方法。空间思维与计算思维的结合,吸引了学生们的兴趣,提高了学习效果。

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论文中写到,现有版本的AR编程应用已经准备好在苹果商店上线,未来这些科研人员还将推出一款开源平台。他们还计划让应用支持云服务、下载与上传内容、自定义立方体、在立方体上加入LED灯、屏幕等电子元件,甚至尝试与头显结合省去手拿摄像头的麻烦(这里猜测应该是将立方体作为体感反馈装置)。本文系青亭网翻译自:MIT Media Lab

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