Summary
בעבודה זו, פותחה מערכת מציאות משולבת בשם MRE כדי לסייע לתלמידים לפתח שיטות מעבדה המשלימות שיעורים מקוונים. נערך ניסוי עם 30 תלמידים; 10 תלמידים לא השתמשו ב-MRE, 10 השתמשו ב-MRE ו-10 נוספים השתמשו ב-MRE עם משוב מהמורים.
Abstract
מגפת הקורונה שינתה תעשיות רבות, העצימה מגזרים מסוימים וגרמה לרבים אחרים להיעלם. מגזר החינוך אינו פטור משינויים משמעותיים; במדינות או ערים מסוימות, שיעורים נלמדו 100% באינטרנט במשך שנה אחת לפחות. עם זאת, כמה קריירה באוניברסיטה צריך שיטות מעבדה כדי להשלים את הלמידה, במיוחד בתחומי ההנדסה, ויש רק שיעורים תיאורטיים באינטרנט יכול להשפיע על הידע שלהם. מסיבה זו, בעבודה זו, פותחה מערכת מציאות משולבת בשם מציאות משולבת לחינוך (MRE) כדי לסייע לתלמידים לפתח שיטות מעבדה כדי להשלים שיעורים מקוונים. נערך ניסוי עם 30 תלמידים; 10 תלמידים לא השתמשו ב-MRE, 10 השתמשו ב-MRE ו-10 נוספים השתמשו ב-MRE עם משוב מהמורים. עם זאת, ניתן לראות את היתרונות של מציאות מעורבת במגזר החינוך. התוצאות מראות כי שימוש ב-MRE מסייע לשיפור הידע במקצועות הנדסיים; התלמידים השיגו כישורים עם ציונים טובים ב-10% עד 20% מאלה שלא השתמשו בו. מעל לכל, התוצאות מראות את חשיבות המשוב בעת שימוש במערכות מציאות מדומה.
Introduction
הטכנולוגיה תמיד הייתה נוכחת במגזר החינוך; שינויים עמוקים חלו במכשירים המשמשים להוראת שיעורים. עם זאת, שיעורים פנים אל פנים נותרו האפשרות המועדפת על תלמידים ומורים. כשהמגפה הגיעה, היא שינתה את כל המגזרים, והחינוך לא היה יוצא מן הכלל. בשנת 2018, לפני המגפה, רק 35% מהסטודנטים שלמדו תואר דיווחו כי למדו לפחות שיעור אחד באופן מקוון; כלומר, 65% מהסטודנטים סיימו את לימודיהם באופן אישי1. החל מאפריל 2020, על פי צו ממשלתי (מקסיקני), נאסר על כל בתי הספר הציבוריים והפרטיים ללמד שיעורים פנים אל פנים; מסיבה זו, 100% מהתלמידים נאלצו לקחת שיעורים מרחוק. האוניברסיטאות היו הראשונות לפעול, תוך שימוש בכלים לשיחות וידאו, הכנת שיעורים, ניהול שיעורי בית וכו '. זה הגיוני, שכן אנשים בגיל האוניברסיטה (בין 18 ל 25 שנים) הם אנשים שהיו בקשר עם הטכנולוגיה מאז הלידה.
חלק מהשיעורים ניתנים להתאמה וירטואלית מלאה; עם זאת, שיטות מעבדה מורכבות לביצוע מרחוק, ולסטודנטים אין את החומר הדרוש, שהוא לעתים קרובות יקר. ההשפעה שיש לשיעורים מקוונים על איכות הידע אינה ברורה, וכמה מחקרים מראים כי קורסים מקוונים בדרך כלל מניבים ביצועים גרועים יותר של התלמידים מאשר קורסים אישיים2. אבל דבר אחד בטוח, אי ביצוע פרקטיקות מעבדה המקרבות את התלמידים למה שהם יחוו בתעשייה ישפיע לרעה על הביצועים המקצועיים שלהם. לכן, החשיבות של חוויות בקנה מידה אמיתי הופך להיות הכרחי בהוראה הנוכחית של הנדסה 3,4,5. מסיבות אלה, טכנולוגיות חדשות משמשות כדי להקל על בעיות אלה. ביניהם מציאות מדומה (VR), מציאות רבודה (AR) ומציאות משולבת (MR). חשוב להזכיר כי VR היא טכנולוגיה המאפשרת יצירת סביבה דיגיטלית סוחפת לחלוטין, בעוד AR מכסה אובייקטים וירטואליים בסביבה בעולם האמיתי. מצד שני, MR לא רק משתמש באובייקטים וירטואליים, אלא גם מעגן את האובייקטים האלה לעולם האמיתי, מה שמאפשר אינטראקציה איתם. לפיכך, MR הוא שילוב של VR ו- AR6. מצד שני, חלק מהארגונים גם עשו מאמצים לפתח מעבדות מרוחקות, שבהן קיים ציוד אמיתי אך ניתן לשלוט בו מרחוק7.
המונח MR מתוארך לשנת 1994; עם זאת, ב-5 השנים האחרונות הוא קיבל חשיבות מיוחדת, הודות לחברות גדולות שמיקדו את מאמציהן בסביבות מתפתחות, כמו המטאברס6. MR יכול להיות מיושם בתחומים שונים; שניים מהנפוצים ביותר הם הכשרה וחינוך. הכשרה הייתה אחד הנהגים הגדולים של MR; יקר מאוד לחברה לעצור פס ייצור כדי להכשיר עובדים חדשים, או בסביבות מסוכנות, ולא קל לבצע הדרכות בתחום. החינוך לא הרחק מאחור; למרות ששיעורים פנים אל פנים השתנו מעט מאוד, ישנם מאמצים גדולים לשלב MR בכיתות 8,9. עבור חינוך, יש קריירות מקצועיות שבהן יש צורך לבצע שיטות מעבדה כדי לקבל הכשרה מלאה. מחקרים ומחקרים קיימים רבים הם ברפואה, כאשר VR, AR ו- MR משחקים תפקיד מפתח. מאמרים רבים מראים כיצד MR עולה על שיטות הוראה מסורתיות בנושאים כירורגיים ורפואיים, שם בפועל הוא יתרון ברור לפיתוח תלמידים 10,11,12,13,14.
עם זאת, אין את אותה כמות של מחקר בנושאים הנדסיים. בדרך כלל בקריירה הנדסית, סטודנט יש שיעורי תיאוריה להשלים על ידי פרקטיקות. בדרך זו, ישנם מחקרים על MR ו- VR המראים את היתרונות בפדגוגיה הנדסית12. עם זאת, חלק מהמחקרים הללו מתמקדים בניתוח מורכבות הסביבה והכלים המשמשים 8,15. טאנג ועמיתיו המציאו מחקר שבו סטודנטים מתחומים שונים ובעלי ידע שונה השתמשו ב- MR כדי לשפר את הבנתם בניתוח גיאומטרי ויצירתיות16. במבחן שנערך לאחר מכן, אנשים שלקחו את השיעורים שלהם באמצעות MR סיימו מהר יותר, מה שהבהיר כי MR משפיע באופן חיובי על למידה16. יתר על כן, חלבי הראה את השימוש בכלי VR בחינוך הנדסי. למרות שזה לא MR, זה מראה כלים שניתן להשתמש בהם להוראה. זה עושה מקרה בוחן אמיתי כדי להראות שאפשר להציג VR בשיעורי הנדסה17.
מצד שני, מעבדות מרוחקות (RLs) הן כלים טכנולוגיים המורכבים מתוכנה וחומרה המאפשרים לתלמידים לבצע מרחוק את התרגולים שלהם כאילו היו במעבדה מסורתית. RLs נגישים בדרך כלל דרך האינטרנט, והם משמשים בדרך כלל כאשר התלמידים נדרשים ליישם באופן אוטונומי את מה שהם למדו פעמים רבות ככל שהם דורשים18. עם זאת, עם הגעתו של COVID-19, השימוש בו היה להחליף מעבדות מסורתיות ולהיות מסוגל לבצע תרגולים במהלך שיעורים מקוונים18. כאמור, RL זקוק למרחב פיזי (מעבדה מסורתית) ולאלמנטים המאפשרים לשלוט בו מרחוק. עם הגעתו של VR, מעבדות כבר מודלים וירטואליים, ובאמצעות מנגנונים פיזיים, אלמנטים של המעבדה ניתן לשלוט19. עם זאת, בעל RL הוא יקר מאוד, מעכב בתי ספר רבים במיוחד במדינות מתפתחות. כמה מחקרים מציינים כי עלויות יכול לנוע בין $ 50,000 ל $ 100,00020,21.
יתר על כן, מאז פרוץ המגפה היה צורך לבצע שינויים במהירות; במקרה של RLs, נעשו ניסיונות לשלוח ערכות לביתו של כל תלמיד כדי להחליף את המעבדות המסורתיות. עם זאת, הייתה בעיית עלות, שכן מחקרים הראו כי כל ערכה עלתה בסביבות $70018,22. עם זאת, המחקרים השתמשו ברכיבים יקרים וקשים להשגה. המגפה השפיעה על החינוך ברחבי העולם, ולא הרבה אנשים יכלו להוציא אלפי דולרים כדי להפוך מעבדה לאוטומטית או לקנות ערכה. רוב המחקרים מתייחסים לשיעורים פנים אל פנים ומשלימים אותם עם MR. עם זאת, בשנים האחרונות, שיעורים היו מקוונים בשל COVID-19, ורק כמה עבודות מראות את השיפור של שיעורים וירטואליים באמצעות MR ומכשירים סבירים23,24.
המחקר הקיים עד כה מתמקד בעיקר ברפואה, עם מעט מידע על הנדסה. עם זאת, ללא ספק, אנו מאמינים כי התרומה הגדולה ביותר ואת ההבדל הוא כי הניסוי שלנו בוצע במשך 6 חודשים והושווה עם נבדקים עם אותם מאפיינים שלא השתמשו במודלים וירטואליים, בעוד שרוב העבודות הקודמות ביצעו ניסויים קצרים כדי להשוות טכנולוגיות או נהלים בודדים; הם לא יישמו אותם במשך כמה חודשים. לכן, מאמר זה מראה את ההבדל בלמידה שניתן לבצע באמצעות MR בנושא אוניברסיטאי.
מסיבה זו, עבודה זו מראה את הפיתוח והתוצאות של מערכת MR כדי לסייע בביצוע פרקטיקות מעבדה באוניברסיטאות המתמקדות בהנדסת אלקטרוניקה. חשוב לציין כי דגש מיוחד מושם על שמירה על עלות נמוכה של המכשיר, והפיכתו לנגיש לכלל האוכלוסייה. שלוש קבוצות משתמשות בשיטות הוראה שונות, ונערכת בחינה על נושאי הכיתה. בדרך זו, ניתן להשיג תוצאות על הבנת הנושאים בחינוך מרחוק באמצעות MR.
הפרויקט המוסבר בעבודה זו נקרא מציאות משולבת לחינוך (MRE) והוא מוצע כפלטפורמה שבה תלמידים משתמשים במשקפי VR עם סמארטפון (כלומר, לא נעשה שימוש במשקפי VR מיוחדים). נוצר מרחב עבודה שבו התלמידים יכולים לקיים אינטראקציה עם סביבות וירטואליות ואובייקטים אמיתיים פשוט באמצעות הידיים שלהם, בשל השימוש באובייקטים וירטואליים ואמיתיים, מערכת מציאות משולבת. סביבת עבודה זו מורכבת מבסיס עם תמונה שבה כל האובייקטים הווירטואליים מוצגים ומקיימים איתם אינטראקציה. הסביבה שנוצרה מתמקדת בביצוע שיטות מעבדה כדי להראות רכיבים אלקטרוניים ופיזיקה לקריירה הנדסית. חשוב להדגיש את הצורך לספק משוב לתלמידים. מסיבה זו, MRE משלב מערכת משוב שבה מנהל (בדרך כלל המורה) יכול לראות מה נעשה כדי לדרג את הפעילות. בדרך זו, משוב יכול להינתן על העבודה שנעשתה על ידי התלמיד. לבסוף, היקף עבודה זו הוא לבדוק אם יש יתרונות בשימוש ב- MR בשיעורים מקוונים.
כדי להשיג זאת, הניסוי בוצע עם שלוש קבוצות של תלמידים. כל קבוצה כללה 10 תלמידים (30 תלמידים בסך הכל). הקבוצה הראשונה לא השתמשה ב-MRE, אלא רק לקחה תיאוריה (שיעורים מקוונים) על עקרון שימור התנע ורכיבים אלקטרוניים. הקבוצה השנייה השתמשה ב-MRE ללא משוב, והקבוצה השלישית השתמשה ב-MRE עם משוב ממורה. חשוב להזכיר כי לכל התלמידים יש אותה רמת בית ספר; הם סטודנטים באוניברסיטה באותו סמסטר ועם אותה קריירה, לומדים הנדסת מכטרוניקה. הניסוי יושם בקורס יחיד שנקרא מבוא לפיזיקה ואלקטרוניקה, בסמסטר השני של התואר; כלומר, הסטודנטים היו באוניברסיטה פחות משנה. לכן, הנושאים המכוסים בכיתה יכולים להיחשב בסיסיים מנקודת מבט הנדסית. הניסוי בוצע על 30 תלמידים, שכן זה היה מספר התלמידים שנרשמו לכיתה שבה אושר הניסוי. בכיתה שנבחרה (מבוא לפיזיקה ואלקטרוניקה) היו תיאוריה ופרקטיקות מעבדה, אך בשל המגפה נלמדו רק שיעורי תיאוריה. התלמידים חולקו לשלוש קבוצות כדי לראות את ההשפעה שיש לפרקטיקות על למידה כללית ואם שיעורי MR יכולים להוות תחליף לפרקטיקות פנים אל פנים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הפרוטוקול עוקב אחר הנחיות ועדת האתיקה של האוניברסיטה הפאן-אמריקאית. הניסוי נערך עם 30 תלמידים, בגילאי 18 עד 20; שמונה סטודנטים היו נשים ו-22 גברים, וכולם למדו באוניברסיטה הפאן-אמריקאית בגוודלחרה, מקסיקו (העיר השנייה בגודלה במקסיקו). כל המשתתפים השלימו את תהליך ההסכמה מדעת וסיפקו אישור בכתב לתמונות לצילום ופרסום במהלך איסוף הנתונים. הדרישה היחידה הייתה שהתלמידים צריכים שיהיה להם טלפון חכם, וזה לא היה בעיה. לכן, לא היו קריטריונים להחרגה לניסוי.
1. הגדרה וכיול של מערכת VR
הערה: שלב זה אורך ~10 דקות.
- ודאו שהמערכת כוללת את כל הרכיבים: טלפון אנדרואיד עם מערכת הפעלה בגרסה 10 ומעלה, משקפי קופסת VR ובסיס עץ עם תמונת כיול (איור 1) (ראו טבלת חומרים).
- פתח את יישום MRE בטלפון הסלולרי וטען את שירותי Unity, AR Foundation, Google Cardboard ו- ManoMotion25,26,27,28. יישום MRE פותח על ידינו; הוא פותח עבור אנדרואיד והוא אינו ציבורי.
- הכניסו את הטלפון הסלולרי למשקפי המציאות המדומה והרכיבו את המשקפיים.
- אתר חזותית את מרכז הבסיס של אב הטיפוס MRE (הריבוע הכחול באיור 1).
- כאשר הסימולציה מופיעה, הרימו יד מושטת כדי למקם אותה במרכז התצוגה.
הערה: מרגע זה, המשתמשים יכולים לבצע מחוות ידיים כדי לקיים אינטראקציה עם הסביבה המדומה.
2. הכנת המשתמש
הערה: שלב זה אורך ~5 דקות.
- ללא משקפי VR, פתחו את יישום ה-MRE, כפי שמוצג באיור 2.
- ודא שהיישום מופעל במצב משתמש ולכן יש צורך רק להיכנס.
- בחר את התרחיש שהמשתמש רוצה לבצע. ישנם שני תרחישים: רכיבים אלקטרוניים ופיזיקה.
- לחץ על הפעל; למשתמש יהיו 30 שניות להרכיב את משקפי ה- VR.
3. ביצוע תרחישים
הערה: שלב זה אורך ~15 דקות.
- תרחיש 1: רכיבים אלקטרוניים
- אתר את האזורים למיקום רכיבים, באמצעות צבעים אדום, ירוק וכחול. זה תוחם את ששת אזורי האינטראקציה של הסצנה הזאת: שלושה אזורים לקחת את רכיבי האלקטרוניקה הווירטואלית ושלושה אזורים לשחרר את הרכיבים, כפי שמוצג באיור 3.
- קח את הרכיב ומקם אותו במקום הנכון. המקום הנכון תלוי ברכיב ובמה שנראה בתיאוריה; לדוגמה, בתיאוריה, מוסבר כיצד למקם גוף קירור, וב MRE אמר מיקום מתורגל.
- המשך עד שכל הרכיבים יהיו במקומם.
- תרחיש 2: פיזיקה
- אתר את שתי המכוניות המעורבות בתרחיש (איור 4).
- בחר את המהירות של כל מכונית.
- דמיינו את הגרפים לאחר ההתנגשות.
4. תצוגת ניהול
- במסך הראשי, לחץ על מצבי MRE (ראה איור 2) ובחר באפשרות מנהל המערכת.
- היכנס כדי לוודא אם לחשבון יש הרשאת גישה כמנהל.
הערה: ניתן להציג את רשימת התלמידים ואת הציונים המתקבלים בכל תרחיש.
5. תוצאות התלמידים
- כניסה כמנהל, לחץ על שם התלמיד הרצוי והצג את הטבלה עם המידע של ציוני התרחישים שלהם.
- לחץ על שם התלמיד ובחר הורד ציונים כ- CSV. פעולה זו תציג את כל התוצאות בקובץ המופרד באמצעות פסיקים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
חלק זה מציג את התוצאות שהתקבלו מהניסוי. ראשית, מוסברים כמה פרטים על אופן ביצוע הניסוי, לאחר מכן מוצגים הבדיקות שבוצעו על תלמידי הניסוי, ויתר על כן, מוצגות תוצאות הבדיקות. לבסוף, מתואר ניתוח באמצעות תלמיד אחד מכל קבוצה.
אחת הבעיות הגדולות שהביאה המגפה לחינוך ההנדסי הייתה שלא ניתן היה לבצע פרקטיקות מעבדה פנים אל פנים, דבר שיש לו השפעה ישירה על הידע שנרכש על ידי הסטודנטים. כדי לנתח אם הפרויקט שפותח במאמר זה יש השפעה, בוצע ניסוי עם שלוש קבוצות של תלמידים. כל קבוצה מנתה 10 תלמידים; הקבוצה הראשונה לא השתמשה ב-MRE, אלא רק לקחה תיאוריה (שיעורים מקוונים) על עקרון שימור התנע ורכיבים אלקטרוניים. הקבוצה השנייה השתמשה ב-MRE ללא משוב, ולבסוף, הקבוצה השלישית השתמשה ב-MRE עם משוב ממורה. חשוב לציין כי כל התלמידים היו באותה רמת בית ספר. כולם היו סטודנטים באותו סמסטר ועם אותה קריירה, למדו הנדסת מכטרוניקה. כולם היו סטודנטים באוניברסיטה הפאן-אמריקאית בגוודלחרה, מקסיקו (העיר השנייה בגודלה במקסיקו). הניסוי יושם בקורס אחד שנקרא מבוא לפיזיקה ואלקטרוניקה, בסמסטר השני של התואר (כלומר, מדובר בסטודנטים ששהו באוניברסיטה פחות משנה. לכן, הנושאים הנלמדים בכיתה יכולים להיחשב בסיסיים מנקודת מבט הנדסית17.
הקורס (מבוא לפיזיקה ואלקטרוניקה) שבו בוצע הניסוי היה בעל המאפיינים הבאים: (1) משך הקורס היה סמסטר אחד; (2) התקיימו שתי בחינות במהלך הסמסטר (כלומר, בחינה התקיימה כל 10 שבועות של שיעורים), וכל אחת מבחינות אלה, או תקופה של 10 שבועות, נקראת "חלקית"; ו-(3) בכל שבוע היו 6 שעות של שיעורים, המחולקים ל-3 ימים של שעתיים לכל שיעור. במהלך השבוע נלמדו 4 שעות של תיאוריה ושעתיים של תרגול. חשוב מאוד להזכיר כי המאפיינים שהוזכרו לעיל הם מה שנעשה לפני המגפה; במהלך המגפה התקיימו שיעורים מקוונים. לכן, 2 שעות של תרגולים בשבוע לא יכול להתבצע, והוחלפו על ידי ייעוץ ופתרון בעיות. מסיבה זו, בשיעורים המקוונים לא בוצעו תרגולים.
הניסוי שלנו ניסה לשנות כמה שפחות את מה שנקבע בכיתה; מערכת MRE הוכנסה לשימוש בשעות תרגול (שעתיים בשבוע), והתלמידים שלא השתמשו במערכת המשיכו בייעוץ ובפתרון בעיות. 4 השעות של התיאוריה לא שונו כלל על ידי הניסוי שלנו. באופן דומה, התלמידים שהשתמשו ב-MRE השתמשו באחד משיעורי התרגול כדי להסביר את פעולת המערכת. יתר על כן, MRE יש שתי סביבות, אחת עבור רכיבים אלקטרוניים ואחת עבור מושגים פיזיקליים. הניסוי בוצע במהלך חלק אחד (10 שבועות), שכלל פרקטיקות פיזיקליות ותרגולי רכיבים אלקטרוניים. בתקופה זו בוצעו שש פרקטיקות ב-MRE (שלוש פרקטיקות של פיזיקה ושלוש של רכיבים אלקטרוניים). לבסוף, היו שתי קבוצות שהשתמשו ב-MRE; לאחד לא היה משוב מהמורה ולשני כן. אלה שלא קיבלו משוב קיבלו תסריט של התרגול שיש לבצע, ובסופו של דבר המורה הקצה ציון מ 0 עד 10 במערכת MRE, אך לא ניתן הסבר נוסף. לעומת זאת, בקבוצה שקיבלה משוב, המורה הדריך אותם במהלך התרגול. המורה יכול היה לצפות בסימולציה במקביל לתלמידים, שכן המערכת אינה מכילה קול ואוזניהם חשופות, ולכן המורה הנחה את התלמיד בכך שדיבר איתם במהלך הסימולציה, תוך ציון הטעויות שלהם והסיבות לטעויות האמורות.
חשוב לציין כי הבדיקה לא נערכה עבור ניסוי זה. במילים אחרות, המבחן היה זהה עבור התלמידים אם הניסוי הנוכחי לא היה מתבצע. בבחינה היו 14 שאלות, הרשומות בקובץ משלים 1 באותו סדר שבו הוצגו.
לכל שאלה במבחן היה משקל זהה בציון, אולם המורה יכול היה להקצות שברי נקודות לכל שאלה על סמך תשובת התלמיד. זה היה לפי שיקול דעתו של המורה. לוח 1 מציג את הציונים של כל אחד מהתלמידים, כאשר 0 הוא הציון הגרוע ביותר ו-10 הוא הטוב ביותר. בסוף מוצג הממוצע של כל קבוצה.
מצד שני, איור 5 מציג באופן גרפי את הציונים של כל תלמיד המופרדים על ידי הקבוצה. בדרך זו קל יותר לדמיין את התוצאות המתקבלות מהניסוי. טבלה 2 מציגה את התוצאות של כל שאלה, ולוקחת תלמיד אחד מכל קבוצה.
איור 1: חומרים עיקריים של MRE. מערכת MRE מורכבת מחתיכת עץ מרובעת פשוטה בגודל 8 אינץ' על 8, שעליה מודבקת תמונת בסיס. התמונה מורכבת מלוגו מרכזי בגודל 3 אינץ 'x 3 אינץ '; שאר החלל מורכב ממיקום אקראי של 1 ב x 1 בסמלים המשתמשים בצבעים כחולים כהים על רקע תכלת. בנוסף, קופסת VR וטלפון סלולרי אנדרואיד מוכנסים לקופסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: יישום MRE. (A) הלחצן לבחירה בין משתמש או מנהל מערכת; הוא מתחיל כמשתמש כברירת מחדל. (ב) אפשרות להירשם/להתחבר. (C) לחצן כדי להמשיך להגדיר את התרחיש. (ד) חזור למסך הקודם. (ו) הסמכה כרגע; אם זו הפעם הראשונה שהוא "מנוגן", הוא יופיע ב- 0. (ז) התחל עם התרחיש שנבחר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: תרחיש רכיבים אלקטרוניים. הצבעים תוחמים את ששת אזורי האינטראקציה של סצנה זו: שלושה אזורים לקיחת הרכיבים ושלושה אזורים לשחרור הרכיבים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תרחיש פיזיקלי. שתי מכוניות נוצרות זו מול זו, בנוסף לכפתור התנעה כדורי (צבע ירוק) ואחד מעוקב (צבע תכלת) כדי לווסת את הכוח שבו המכונית השנייה נלחצת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרשים 5: ציון כל תלמיד וסטיית תקן מופרדים לפי קבוצות. ציונים לתלמיד וטכנולוגיה בשימוש; סטיית התקן של כל קבוצה מוצגת לידו. ישנם 30 תלמידים בסך הכל, 10 לכל גישת למידה, ולכל תלמיד בכל קבוצה הוקצה מספר מ-1 עד 10. חשוב להזכיר את הסטייה האופיינית, שם ניתן לראות בבירור כי ללא שימוש ב- MRE, הציונים מפוזרים הרבה יותר. זה עשוי להיות הגיוני, שכן תלמידים אלה קיבלו רק שיעורים מקוונים, ולכן תשומת הלב שכל תלמיד שילם משתנה מאוד, וזה נראה בציונים שהתקבלו. מצד שני, יש הרבה פחות פיזור כאשר MRE משמש. יתר על כן, כאשר משוב מתווסף לטכנולוגיית MR, יש פחות פיזור, מה שמצביע על הבנה טובה יותר על ידי כל התלמידים, לא רק על ידי חלק מהתלמידים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
טבלה 1: תוצאות מבחני ידע עבור שלוש הקבוצות. טבלה זו מציגה את כל תוצאות הבחינות שנבחנו על ידי התלמידים. ישנם 30 תלמידים בסך הכל, 10 לכל גישת למידה, ולכל תלמיד בכל קבוצה הוקצה מספר מ-1 עד 10. ניתן לראות בבירור כי הממוצע הטוב ביותר שהתקבל היה כאשר MRE היה בשימוש והיה משוב מהמורה. גם אם לא היה משוב, זו עדיין אפשרות טובה יותר במונחים כלליים להשתמש ב- MRE להבנה טובה יותר של הנושאים. בעת השימוש ב-MRE, לא היה ציון נמוך מ-7.5 אצל אף אחד מהתלמידים; לכן, ניתן להסיק כי באופן כללי היתה הבנה טובה יותר של הנושאים. לבסוף, באמצעות MRE ועם משוב מהמורה, לא היו ציונים מתחת ל-8.0, ונצפו גם הציונים הגבוהים ביותר מבין 30 התלמידים, 9.3 ו-9.5. לכן, ניתן לראות בבירור את היתרונות שיש לתלמידים בהבנת נושאים בעת שימוש ב- MRE, אך מעל לכל, כאשר ניתן משוב על העבודה שנעשתה בתרגולים. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 2: תוצאות לכל שאלה באמצעות תלמיד אחד מכל קבוצה. ציונים לתשובות של תלמיד מכל קבוצה. נבחרו תלמידים שציונם היה קרוב לממוצע הקבוצתי. המורה יכול להעניק נקודות לתשובות נכונות חלקית. הסטודנטים שהשתמשו ב-MRE השיגו תוצאות טובות יותר עם שאלות הרכיבים האלקטרוניים, דבר המצביע על כך שהכרת הרכיבים בממדיהם ובצורותיהם האמיתיים (באמצעות MRE) סייעה לשפר את הידע התיאורטי. התלמידים שהשתמשו ב- MRE עם משוב, בנוסף ליכולת להתבונן ברכיבים כפי שהם ייראו במציאות, קיבלו עזרה מהמורה בפרקטיקות של פיזיקה ורכיבים אלקטרוניים. לכן, ניתן לומר כי בנוסף לתרגול, היו להם שעות ייעוץ, וזה בא לידי ביטוי בבירור בתוצאות. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
קובץ משלים 1: שאלות המוצגות לתלמידים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מערכת MRE מאפשרת לתלמידים תרחישים שונים ללמוד על רכיבים אלקטרוניים או נושאים פיזיקליים. נקודה חשובה היא האפשרות של המורה לספק משוב. בדרך זו, התלמידים יכולים לדעת מה הם עשו לא בסדר ומדוע. עם מערכת MRE שפותחה, בוצע ניסוי עם 30 תלמידים, שבו 10 תלמידים לא השתמשו MRE, 10 השתמשו MRE, ולבסוף עוד 10 השתמשו MRE וקיבלו משוב מהמורה. בסיום השיעורים נערך מבחן ידע כללי לכל התלמידים. הבדיקה לא שונתה עבור הניסוי (כלומר, אותה בדיקה מיושמת אם השיעורים הם תיאוריה בלבד או אם מתבצעות פרקטיקות מעבדה. התרגולים הם רק השלמה כדי להבין טוב יותר את התיאוריה ובכך יש הבנה כללית טובה יותר של הנושא. המבחן הוא תשובות כתובות המציגות חישובים, והמורה יכול לסמן בחצאי נקודות במקרה שהתשובה נכונה חלקית.
הודות לשימוש ב-MRE, התלמידים השיגו ממוצע כללי טוב יותר, הממוצע הטוב ביותר שנראה כאשר היה משוב מהמורה. באותו אופן, נקודה חשובה היא סטיית התקן. המטרה של כיתה היא שרוב התלמידים, או באופן אידיאלי כולם, יקבלו את כמות הידע הגדולה ביותר. בשל השימוש ב- MRE, ניתן לראות פיזור קטן יותר של הציונים, מה שמוכיח כי הידע על הנושאים הובן על ידי מספר גדול יותר של תלמידים.
כאשר מתבוננים בציונים של כל שאלה בפירוט, MRE יש השפעה קטנה יותר כאשר השאלות מתמקדות בבעיות שניתן לנתח 100% מהתיאוריה. עם זאת, בנושאים הנדסיים, חשוב לדעת הן את הציוד והן את הרכיבים, ולכן MRE הייתה השפעה חיובית, והתלמידים שהשתמשו ב- MRE הגיבו טוב יותר לשאלות שכיסו נושאים אלה. יתר על כן, במקרה של שאלות תיאורטיות (כגון פיזיקה), MRE מועיל כאשר יש משוב מהמורה, שכן המורה יכול להבהיר נושאים אלה הנתמכים על ידי סביבה וירטואלית. משוב מורים אינו דבר חדש; זה קורה בשיעורים פנים אל פנים, ולכן ברור כי משוב זה עדיין חשוב באותה מידה בסביבות וירטואליות.
מערכת MRE מסייעת לסטודנטים להנדסה לבצע תרגולי מעבדה מרחוק. העולם השתנה, ולמרות שהוא חוזר כרגע לשיעורים פרונטליים, בכל יום יותר בתי ספר פותחים 100% קורסים מקוונים29. כדי להתמודד עם שינויים אלה, יישומים נוצרו באמצעות טכנולוגיות מתפתחות. טכנולוגיה אחת כזו היא MR, שבה ניתן לדמיין סביבות למידה כדי לשפר את הלמידה. עם זאת, רוב היישומים הללו משמשים בסביבות רפואיות, עם מעטים בהנדסה 9,12. מצד שני, RLs כבר הילל כפתרון עבור שיעורי הנדסה מרחוק, אבל יש צורך יש מקום פיזי ואת הרכיבים הם יקרים מאוד. לכן, ההשקעה עבור RL היא גבוהה מאוד, והם אינם נכללים כאפשרות עבור בתי ספר רבים באמריקה הלטינית19,20.
באותו אופן, עבודות אחרות דנו כיצד מעבדות וירטואליות ומרוחקות יכולות לסייע בחינוך מרחוק. לדוגמה, הם מסכימים כי העלויות נמוכות יותר מאשר הקמת מעבדה מסורתית. Vergara et al. ניתחו נתונים של יותר מ -400 סטודנטים ששאלו על הניסיון שלהם עם השימוש ב- VR ו- MR במעבדות; 89% מהתלמידים ציינו כי הם מספיקים כדי להשלים את הסבר המורה, אך רק 11% אמרו כי השימוש כשלעצמו מספיק. טכנולוגיה זו לבדה מספיקה כדי להבין את הנושא, אם כי העבודה אינה מבצעת כל ניתוח על ההשפעה שיש לשימוש בטכנולוגיה זו על הבנת הנושא מעבר לשאול את רגשותיו של התלמיד30. יתר על כן, Wu et al. ניתחו עבודות מרובות המזכירות VR באמצעות צגים המותקנים על הראש (HMDs; כפי שאנו משתמשים בו בעבודה זו). הם מסיקים כי ללמידה אימרסיבית מבוססת HMD יש השפעה טובה יותר על ביצועי הלמידה מאשר גישות למידה לא אימרסיביות31. למרות זאת, Wu et al. גם לא מציגים עד כמה ההבנה של הנושא יכולה להשתפר באמצעות VR או MR; הם רק מזכירים שיש למידה טובה יותר, במיוחד במקצועות מדעיים, שוב כמו במקרה שהוצג במאמר זה.
מצד שני, Makarova et al. ניסו למצוא את ההשפעה של VR בהוראת שירותי רכב. למרות שמספר התלמידים שהוזכרו הוא 344, תלמידים אלה הם מכיתות שונות, ולכן יש להם ידע ומיומנויות שונים. טווח התלמידים בלימודיהם נע בין 19 ל -30 שנים, בניגוד למה שמוצג כאן, שם כל התלמידים הם באותה רמת לימודים והם בין 18 ל -20 שנים. מצד שני, Makarova et al. ניתחו תלמידים באמצעות ציוד פיזי ווירטואלי, שבו 35 תלמידים השתמשו בציוד וירטואלי (מספר תלמידים לא שונה מאוד מהניסוי שלנו). הם מסיקים כי טכנולוגיות VR ו- MR יעילות הרבה יותר ממתודולוגיות מסורתיות, מה שמגביר את העניין של התלמידים בלמידה32. בנוסף, עבודות אחרות מציינות כי השימוש במערכות וירטואליות מסייע בהוראת מדע ושפות, ואף מנתח את השימושיות של גישות שונות וארגונומיה, שהיא מחוץ לתחום עבודה זו33,34.
עבודות אחרות, כגון Loetscher et al., ניתחו את כלי VR הנכון שיש להשתמש בו בהתאם לסוג הבדיקה, במיוחד עבור בדיקות התנהגותיות, שבהן זמן התגובה הוא לעתים קרובות חיוני לניתוח נתונים. הם מזכירים כי למערכות VR בטלפונים סלולריים יש זמן תגובה נמוך35, אם כי עבור הניסוי שהוצג במחקר זה, זמן התגובה אינו משפיע על הבחינה המופעלת על התלמידים. בנוסף, יש צורך לנתח את עלות הקמת מעבדה עם ציוד מיוחד מול זמן התגובה הרצויה כדי לקבל היתכנות. ברור כי כמה ניסויים יהיו חיוניים כדי להפחית את המגבלות של החומרה, אבל זה לא המקרה עבור עבודה זו.
לכן, אנו מאמינים באמונה שלמה כי עבודה זו משלימה את המחקרים שבוצעו עד כה. עבודות רבות הראו כי שימוש בטכנולוגיות וירטואליות מסייע בלמידה ובעניין, עם זאת, הם לא ניסו להדגים את ההשפעה האמיתית שיכולה להיות לו על הלמידה. למרות שמספר התלמידים שהשתתפו בניסוי נמוך, וידאנו שלכולם יש את אותה רמה של ידע ומיומנויות (ככל האפשר) ושאותו נושא נלמד לכולם, תוך ניסיון לחסל כל מרכיב חיצוני שיכול היה להשפיע על התוצאות. הבחינה שיושמה הייתה זהה, ואפשרה לכמת (במדגם קטן) את השיפור שיש לתלמידים באמצעות טכנולוגיות וירטואליות כדי להשלים את התיאוריה שנראתה בכיתה.
הודות ל- MRE, ניתן לבצע שיטות מעבדה להנדסה בעלות נמוכה ובהשקעה מינימלית לבתי ספר. צריך רק טלפון סלולרי אנדרואיד משנת 2019 ואילך ובסיס עץ לכיול, מה שהופך אותו להרבה יותר נגיש לבתי ספר במדינות מתפתחות. ראוי להזכיר כי יש צורך לבצע סדרה של צעדים כדי להשתמש במערכת MRE. אין ספק, השלב הקריטי לפעולה נכונה של המערכת הוא תצורה וכיול של מערכת VR (שלב 1). מכיוון ש- MRE משתמש בידיים ככלי יישום, שגיאה בכיול תמנע את היכולת להמשיך בביצוע התרחישים. בנוסף, חשוב להשתמש בבסיס עם התמונה לכיול. התמונה משמשת למדידת הסביבה ולזיהוי היד בחלל.
לכן, ברור כי מגבלה של הפרויקט המוצג היא להיות בסיס עם התמונה עבור כיול. עבור הניסוי שהוצג, היה צורך לייצר בסיס לכל תלמיד. למרות שלאחר כיול זה היה די קל לשחזר ולשחק את התרחישים, ראוי להזכיר כי זה מורכב ליצור תרחישים חדשים. לכן, נדרש זמן פיתוח ארוך עבור כל תרגול שנדרש לפתח.
עם זאת, נקודה מבדילה עם RLs או טכנולוגיות MR אחרות היא העלות הנמוכה של ציוד וחומרים הדרושים. כל טלפון אנדרואיד יכול לשמש ככלי לביצוע התרגולים, אם כי מגבלה אחת היא השגת תמונת הכיול; ובכל זאת, ניתן להדפיס אותו בדרך המסורתית ואין צורך בציוד מיוחד. לכן, גישה לתרחישים שכבר פותחו יש עלות נמוכה. על ידי שימוש בטכנולוגיה נגישה כזו, MRE יכול לשמש גם בתחומים אחרים, לא רק שיטות מעבדה. בעיקר, במהלך ההכשרה של כוח אדם עבור חברות, כאשר עובד חדש מצטרף, לעתים קרובות יש צורך לעצור או להוריד את הייצור כדי ללמד את השימוש במכונות. לכן, MRE יכול להיות מותאם לפיתוח סביבות קו ייצור.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים ידועים או קשרים אישיים שיכלו להשפיע לכאורה על העבודה המדווחת במאמר זה.
Acknowledgments
מחקר זה נערך בחסות קמפוס אוניברסיטת גוודלחרה הפאן-אמריקאית. אנו מודים לסטודנטים להנדסה מכטרונית על תרומתם לניסוי.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MRE application for Andorid | The application was developed for the experiment, it was made by us. It is NOT public, and there are no plans for publication. | ||
| Non-slip fabric (20 x 20 cm) | |||
| Printing of our base image | |||
| Self-adhesive paper (1 letter size sheet) | |||
| Virtual Reality Glasses | Meta Quest 2 | We use the Meta Quest 2, which is a virtual reality headset with two displays of 1832 x 1920 pixels per eye, with this headset you could play video games, or try simulators with a 360 view. Also, the headset has two controls, in which the virtual hands feel like your real ones and this is thanks to the hand-tracking technology. https://www.meta.com/quest/products/quest-2/tech-specs/#tech-specs |
|
| Wooden plate (20 x 20 cm) |
References
- World Economic Forum. The COVID-19 pandemic has changed education forever. This is how. World Economic Forum. , Available from: https://www.weforum.org/agenda/2020/04/coronavirus-education-gloabl-covid19-online-digital-learning/ (2020).
- Cellini, S. R. How does virtual learning impact students in higher education. Brown Center Chalkboard. , Available from: https://www.brookings.edu/blog/brown-center-chalkboard/2021/08/13/how-does-virtual-learning-impact-students-in-hegher-education/ (2021).
- Loukatos, D., Androulidakis, N., Arvanitis, K. G., Peppas, K. P., Chondrogiannis, E. Using open tools to transform retired equipment into powerful engineering education instruments: a smart Agri-IoT control example. Electronics. 11, 855 (2022).
- Garlinska, M., Osial, M., Proniewska, K., Pregowska, A. The influence of emerging technologies on distance education. Electronics. 12 (7), 1550 (2023).
- Parmaxi, A. Virtual reality in language learning: A systematic review and implications for research and practice. Interactive Learning Environments. 31, 172-184 (2023).
- Milgram, P., Kishino, F. A taxonomy of mixed reality visual displays. IEICE Transactions on Information and Systems. 77 (12), 1321-1329 (1994).
- Zaghloul, M. A. S., Hassan, A., Dallal, A. Teaching and managing remote lab-based courses. ASEE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings. , (2021).
- Maas, M. J., Hughes, J. M. Virtual, augmented and mixed reality in K-12 education: A review of the literature. Technology, Pedagogy and Education. 20 (2), 231-249 (2020).
- Noah, N., Das, S. Exploring evolution of augmented and virtual reality education space in 2020 through systematic literature review. Computer Animation and Virtual Worlds. 32 (3-4), e2020 (2021).
- Gerup, J., Soerensen, C. B., Dieckmann, P. Augmented reality and mixed reality for healthcare education beyond surgery: an integrative review. International Journal of Medical Education. 11, 1-18 (2020).
- Sinou, N., Sinou, N., Filippou, D. Virtual reality and augmented reality in anatomy education during COVID-19 pandemic. Cureus. 15 (2), (2023).
- Soliman, M., Pesyridis, A., Dalaymani-Zad, D., Gronfula, M., Kourmpetis, M. The application of virtual reality in engineering education. Applied Sciences. 11 (6), 2879 (2021).
- Rojas-Sánchez, M. A., Palos-Sánchez, P. R., Folgado-Fernández, J. A. Systematic literature review and bibliometric analysis on virtual reality and education. Education and Information Technologies. 28, 155-192 (2023).
- Brown, K. E., et al. A large-scale, multiplayer virtual reality deployment: a novel approach to distance education in human anatomy. Medical Science Educator. , 1-13 (2023).
- Birt, J., Stromberga, Z., Cowling, M., Moro, C. Mobile mixed reality for experiential learning and simulation in medical and health sciences education. Informatics. 9 (2), 31 (2018).
- Tang, Y. M., Au, K. M., Lau, H. C. W., Ho, G. T. S., Wu, C. H. Evaluating the effectiveness of learning design with mixed reality (MR) in higher education. Virtual Reality. 24 (4), 797-807 (2020).
- Halabi, O. Immersive virtual reality to enforce teaching in engineering education. Multimedia Tools and Applications. 79 (3-4), 2987-3004 (2020).
- Borish, V. Undergraduate student experiences in remote lab courses during the COVID-19 pandemic. Physical Review Physics Education Research. 18 (2), 020105 (2022).
- Trentsios, P., Wolf, M., Frerich, S. Remote Lab meets Virtual Reality-Enabling immersive access to high tech laboratories from afar. Procedia Manufacturing. 43, 25-31 (2020).
- Jona, K., Roque, R., Skolnik, J., Uttal, D., Rapp, D. Are remote labs worth the cost? Insights from a study of student perceptions of remote labs. International Journal of Online Engineering. 7 (2), 48-53 (2011).
- Lowe, D., De La Villefromoy, M., Jona, K., Yeoh, L. R. Remote laboratories: Uncovering the true costs. 2012 9th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation. IEEE. , 1-6 (2012).
- Miles, D. T., Wells, W. G. Lab-in-a-box: A guide for remote laboratory instruction in an instrumental analysis course. Journal of Chemical Education. 97 (9), 2971-2975 (2020).
- Loukatos, D., Zoulias, E., Chondrogiannis, E., Arvanitis, K. G. A mixed reality approach enriching the agricultural engineering education paradigm, against the COVID19 Constraints. 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). IEEE. , 1587-1592 (2021).
- Guerrero-Osuna, H. A., et al. Implementation of a MEIoT weather station with exogenous disturbance input. Sensors. 21 (5), 1653 (2021).
- Unity Technologies. , Available from: https://unity.com/ (2023).
- About AR Foundation. Unity Technologies. , Available from: https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.xr.arfoundation@4.1/manual/index.html (2020).
- Manomotion. , Available from: https://www.manomotion.com/ (2022).
- Create immersive VR experiences. Alphabet Inc. , Available from: https://developers.google.com/cardboard (2021).
- Demand for online education is growing. Are providers ready. McKinsey & Company. , Available from: https://www.mckinsey.com/industries/education/our-insights/demand-for-online-education-is-growing-are-providers-ready (2022).
- Vergara, D., Fernández-Arias, P., Extremera, J., Dávila, L. P., Rubio, M. P. Educational trends post COVID-19 in engineering: Virtual laboratories. Materials Today: Proceedings. 49, 155-160 (2022).
- Wu, B., Yu, X., Gu, X. Effectiveness of immersive virtual reality using head-mounted displays on learning performance: A meta-analysis. British Journal of Educational Technology. 51 (6), 1991-2005 (2020).
- Makarova, I., et al. A virtual reality lab for automotive service specialists: a knowledge transfer system in the digital age. Information. 14 (3), 163 (2023).
- Cho, Y., Park, K. S. Designing immersive virtual reality simulation for environmental science education. Electronics. 12 (2), 315 (2023).
- Burov, O. Y., Pinchuk, O. P. A meta-analysis of the most influential factors of the virtual reality in education for the health and efficiency of students' activity. Educational Technology Quarterly. 2023, 58-68 (2023).
- Loetscher, T., Jurkovic, N. S., Michalski, S. C., Billinghurst, M., Lee, G. Online platforms for remote immersive Virtual Reality testing: an emerging tool for experimental behavioral research. Multimodal Technologies and Interaction. 7 (3), 32 (2023).
