2019 Fiscal Year Research-status Report
Development and Evaluation of Educational Systems with Augmented Reality and Sensors for Physics (Circuits / Dynamics) Experiments
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18K02907
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| Research Institution | Tamagawa University |
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Principal Investigator |
塩澤 秀和 玉川大学, 工学部, 教授 (80328533)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 拡張現実感（AR） / 教育支援システム / 力学実験 / 回路実験 / フィジカルコンピューティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，力学や回路などの物理の学生実験で用いる装置に小型のセンサーを取り付け，AR（Augmented Reality；拡張現実感）技術を用いることで， 力のベクトルや電圧などの現実の物理量を，カメラ映像にリアルタイムに重ね合わせて可視化することで，学習者のより直感的な理解を促すシステムを開発・評価することを目的としている。
現在までに，物理学の力学および電気回路の実験のためのAR教材を試作し，改良を進めている。前者では，加速度センサー等を搭載したセンサーボックスにARマーカーを付与し，センサーの出力値から計算した力やエネルギーなどの物理量を，ベクトルを表す矢印等でAR表示する。前者では，回路素子にARマーカーを付与することで回路の状態を認識し，学習者に，素子の説明，回路の接続状況，実験の手順などを，回路の映像に重ね合わせてAR表示する。
令和元年度の実績としては，力学実験に関して，実験コンテンツの開発を中心に取り組み，複数のセンサーボックスを利用した具体的な教材の開発に取り組んだ。また，ゲームエンジンのUnityを用いることで，iOS，Android，Microsoft Hololensに対応したマルチプラットフォームARソフトウェアの開発を進めている。さらに，ARとセンサーを用いるという本システムの手法を，物理実験教材だけでなく，ロボットを用いたプログラミング教材に適用する提案も行った。
令和元年度は本プロジェクトの成果とした試作したシステムについて，教育システム情報学会，日本バーチャルリアリティ学会等で口頭発表を行なった。また，AR/VRおよびそれに関連した周辺分野について，最新の研究動向等を調査するため，VRおよびユーザインタフェースに関する学会等に参加した。令和元年度の研究成果に関しては，令和2年度に学会等で発表していく予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初は本プロジェクトの早期に，システムをゲームエンジンのようなマルチプラットフォームに対応した開発環境とプログラミング言語で新しく書き直し，回路実験と力学実験のシステムを統一することに取り組む予定であった。しかし，これらに関して調査に時間がかかったことと，デモンストレーションのできる教材を開発する必要性から，令和元年度には方針を若干改めて、力学実験を対象として複数のセンサーボックスを利用した具体的な教材コンテンツの開発に取り組んだ。
しかしながら，前年度にこのような変更を行って課題を残したために，マルチプラットフォーム化に遅れが生じる結果となり，最終的な目標に対して若干の遅れが生じている。さらに，新型コロナウィルスへの対応によって，令和2年2月ごろから学生の登校が制限され，試作された物理実験の教材システムを実際にユーザに使ってもらうような評価実験（ユーザスタディ）が困難になり，学生の協力によって改良することも困難であるので，プロジェクトの進捗にやや遅れが生じている。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画では，本プロジェクトの3年目では，具体的な実験コンテンツの開発と，ユーザに実際に利用してもらうことによる学習支援システムとしての評価実験（ユーザスタディ）および学会や論文誌での研究成果発表に重点的に取り組む計画であった。しかしながら，新型コロナウィルスをめぐる社会情勢により，なかなか人を集めて評価実験を行うことが困難となっている。
そこで，本システムをゲームエンジンであるUnityで実装し，iOS，Android，Microsoft Hololensのマルチプラットフォームで動作させることに最優先で取り組む。これによって，これまで2年間中心的に取り組んできた力学実験と回路実験のシステムが統一され，さらには，令和元年度に新しく提案したプログラミング教育にも適用できるようになるものと考えている。さらに，ヘッドマウント型ARディスプレイの3D表示に対応されることによって，特に力学実験においては，各種の3次元ベクトルがより実空間に存在するかのように直感的に可視化できるものと期待される。
また，令和元年度に中心的に取り組んだ本システムを利用した具体的な教材コンテンツの開発にも，引き続き重点的に取り組んでいく。そのために，小・中学生向けも含めた市販の物理学関係の実験キット等についてもさらに調査を進め，本研究のようなARによる情報表示が有効な実験テーマを考察し，具体的な教材の例として教材コンテンツの開発に取り組んでいく。
さらに，このような現在の状況下でもユーザによる評価実験を行い，研究成果をまとめるために，実験室の環境をカメラで撮影して，学生は遠隔から画面（できればVR）越しにARで表示された情報を見るというような，比較的容易に実現可能な遠隔アクセスの方法を実現できないかと考えている。もしこれが可能になれば，本プロジェクトの新たな展開につながると考えている。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの影響により，海外の学会に参加して発表・調査を行うための出張を取りやめたため，および，学生の作業協力者の募集が不調に終わり謝金の支払いが生じなかったため，次年度使用額が生じた。これは，新型コロナウイルスの影響が改善されれば，学会参加費，旅費，論文投稿料として使用予定であるが，海外・国内出張が難しい見込みの場合は，成果発表のための備品の購入に充てる。また，学生の希望者がいるので謝金は使用できる予定である。
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