Augmented Reality for Learning : The Role of Contextuality, Interactivity, and Spatiality for AR-based Learning Experiences

Augmented reality (AR) is a form of presenting information by combining virtual and physical elements. This combination can be leveraged for unique learning scenarios, providing learners with information through interactive and spatial representations contextualised in a physical environment. While the technology necessary for this is already commonly used and outcomes of research generally suggest positive effects on learning processes and outcomes, the specific mechanisms that play a role for learning in AR are not yet fully established and examined. The aim of this dissertation is to fill this gap and provide insights into specific characteristics of AR-based learning and how they can be leveraged to support learning processes and outcomes. Based on three subgoals, a theoretical framework on educational AR is introduced, the results of systematic empirical studies are analysed, and recommendations for practical implementations are made. The theoretical ARcis framework developed as part of the dissertation explores the unique features of AR and elaborates the three characteristics contextuality, interactivity, and spatiality. Contextuality describes the integrated perception of virtual and physical elements, interactivity describes the manipulation of these elements in different ways, and spatiality describes the perception of spatial elements in 3D space. These characteristics can have an influence on learning processes and outcomes and can be leveraged for the design of systematic research. Furthermore, they can be used to develop AR experiences in a goal-oriented way. First empirical insights on the three characteristics and their influence on learning were collected in seven studies that are part of the five papers included in this dissertation. The studies focus on specific aspects of the AR-based learning experience, and most were designed as value-added studies with one of the three characteristics in mind. The study outcomes suggest a positive influence of the implementation of combined virtual and physical elements, guided mental and physical interactivity, and spatial representations in educational AR on cognitive and motivational processes and outcomes. In addition to the theoretical framework and empirical studies, practical design implications are described and analysed. It is proposed that the design of learning material should be aligned with the learning goals of the situation, leveraging the three ARcis characteristics for the design of purposeful AR experiences. All in all, the definition of the unique characteristics of AR, the outcomes of the empirical studies, and recommendations for practical application can inform research and practice on learning with AR.

Augmented Reality (AR) ist eine Form der Informationsdarstellung, bei der virtuelle und physische Elemente kombiniert werden. Diese Kombination kann für einzigartige Lernszenarien genutzt werden, in denen Lernenden Informationen durch interaktive und räumliche Repräsentationen kontextualisiert in einer physischen Umgebung vermittelt werden. Während die dafür notwendige Technologie bereits weit verbreitet ist und Forschungsergebnisse im Allgemeinen auf positive Auswirkungen auf Lernprozesse und -ergebnisse hindeuten, sind die spezifischen Mechanismen, die beim Lernen mit AR eine Rolle spielen, noch nicht vollständig bekannt und erforscht. Das Ziel dieser Dissertation ist es, diese Lücke zu füllen und Einblicke in die spezifischen Merkmale des AR-basierten Lernens zu geben und zu zeigen, wie diese zur Unterstützung von Lernprozessen und -ergebnissen genutzt werden können. Auf Basis von drei Teilzielen wird ein theoretischer Rahmen für AR in der Bildung vorgestellt, die Ergebnisse systematischer empirischer Studien werden analysiert und Empfehlungen für die praktische Umsetzung gegeben. Das im Rahmen der Dissertation entwickelte theoretische ARcis Framework untersucht die besonderen Merkmale von AR und arbeitet die drei Eigenschaften Kontextualität, Interaktivität und Räumlichkeit heraus. Kontextualität beschreibt die integrierte Wahrnehmung virtueller und physischer Elemente, Interaktivität beschreibt die Manipulation dieser Elemente auf unterschiedliche Weise und Räumlichkeit beschreibt die Wahrnehmung räumlicher Elemente im 3D-Raum. Diese Eigenschaften können einen Einfluss auf Lernprozesse und -ergebnisse haben und für die Gestaltung systematischer Forschung genutzt werden. Darüber hinaus können sie genutzt werden, um AR-Erfahrungen zielgerichtet zu entwickeln. Erste empirische Erkenntnisse zu den drei Eigenschaften und ihrem Einfluss auf das Lernen wurden in sieben Studien gesammelt, die Teil der fünf in dieser Dissertation enthaltenen Arbeiten sind. Die Studien konzentrieren sich auf spezifische Aspekte der AR-basierten Lernerfahrung, und die meisten wurden als Mehrwertstudien mit einer der drei Eigenschaften im Hinterkopf konzipiert. Die Studienergebnisse deuten auf einen positiven Einfluss der Implementierung kombinierter virtueller und physischer Elemente, angeleiteter mentaler und physischer Interaktivität und räumlicher Repräsentationen in bildungsbezogener AR auf kognitive und motivationale Prozesse und Ergebnisse hin. Neben dem theoretischen Rahmen und den empirischen Studien werden auch praktische Implikationen für die Gestaltung beschrieben und analysiert. Es wird vorgeschlagen, dass die Gestaltung des Lernmaterials auf die Lernziele der Situation abgestimmt werden sollte, indem die drei ARcis Eigenschaften für die Gestaltung zielgerichteter AR-Erfahrungen genutzt werden. Alles in allem können die Definition der einzigartigen Eigenschaften von AR, die Ergebnisse der empirischen Studien und die Empfehlungen für die praktische Anwendung die Forschung und Praxis zum Lernen mit AR informieren.

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