Summary
I dette arbejde blev et mixed reality-system kaldet MRE udviklet for at hjælpe eleverne med at udvikle laboratoriepraksis, der supplerer online klasser. Et eksperiment blev udført med 30 studerende; 10 studerende brugte ikke MRE, 10 brugte MRE, og 10 mere brugte MRE med lærerfeedback.
Abstract
Covid-19-pandemien har ændret mange brancher, styrket nogle sektorer og fået mange andre til at forsvinde. Uddannelsessektoren er ikke fritaget for større ændringer. I nogle lande eller byer blev klasser undervist 100% online i mindst 1 år. Nogle universitetskarrierer har dog brug for laboratoriepraksis for at supplere læring, især inden for ingeniørområder, og kun at have teoretiske lektioner online kan påvirke deres viden. Af denne grund blev der i dette arbejde udviklet et mixed reality-system kaldet mixed reality for education (MRE) for at hjælpe eleverne med at udvikle laboratoriepraksis som supplement til online klasser. Et eksperiment blev udført med 30 studerende; 10 studerende brugte ikke MRE, 10 brugte MRE, og 10 mere brugte MRE med lærerfeedback. Med dette kan man se fordelene ved mixed reality i uddannelsessektoren. Resultaterne viser, at brug af MRE hjælper med at forbedre viden inden for ingeniørfag; De studerende opnåede kvalifikationer med karakterer 10% til 20% bedre end dem, der ikke brugte det. Frem for alt viser resultaterne vigtigheden af feedback, når man bruger virtual reality-systemer.
Introduction
Teknologi har altid været til stede i uddannelsessektoren; Der er sket dybtgående ændringer i de enheder, der bruges til at undervise klasser. Ansigt til ansigt klasser forbliver dog den foretrukne mulighed for studerende og lærere. Da pandemien kom, ændrede den alle sektorer, og uddannelse var ingen undtagelse. I 2018, før pandemien, rapporterede kun 35% af de studerende, der studerede en grad, at have taget mindst en klasse online; Det vil sige, at 65% af eleverne afsluttede deres studier personligt1. Fra april 2020 var alle offentlige og private skoler ved regeringsordre (mexicansk) forbudt at undervise ansigt til ansigt-klasser; Af denne grund måtte 100% af eleverne tage fjernundervisning. Universiteterne var de første til at handle ved hjælp af værktøjer til videoopkald, forberedelse af klasser, lektiestyring mv. Dette giver mening, da folk i universitetsalderen (mellem 18 og 25 år) er mennesker, der har været i kontakt med teknologi siden fødslen.
Nogle klasser kan tilpasses fuldt ud virtuelt; Laboratoriepraksis er imidlertid kompleks at udføre eksternt, og eleverne har ikke det nødvendige materiale, hvilket ofte er dyrt. Den indvirkning, som onlineklasser har på kvaliteten af viden, er uklar, og nogle undersøgelser viser, at onlinekurser generelt giver dårligere studerendes præstationer end personlige kurser2. Men en ting er sikkert, ikke at udføre laboratoriepraksis, der bringer eleverne tættere på, hvad de vil opleve i branchen, vil påvirke deres faglige præstationer negativt. Derfor bliver betydningen af virkelige oplevelser nødvendig i den nuværende undervisning i ingeniørvidenskab 3,4,5. Af disse grunde anvendes nye teknologier til at afbøde disse problemer. Blandt dem er virtual reality (VR), augmented reality (AR) og mixed reality (MR). Det er vigtigt at nævne, at VR er en teknologi, der tillader oprettelse af et helt fordybende digitalt miljø, mens AR overlejrer virtuelle objekter i det virkelige miljø. På den anden side bruger MR ikke kun virtuelle objekter, men forankrer også disse objekter til den virkelige verden, hvilket gør det muligt at interagere med dem. MR er således en kombination af VR og AR6. På den anden side har nogle organisationer også gjort en indsats for at udvikle fjerntliggende laboratorier, hvor der findes reelt udstyr, men som kan fjernstyres7.
Udtrykket MR dateres til 1994; men i de sidste 5 år har det fået særlig betydning takket være store virksomheder, der har fokuseret deres indsats på at udvikle miljøer, såsom Metaverse6. MR kan anvendes på forskellige områder; To af de mest almindelige er træning og uddannelse. Uddannelse har været en af de store drivkræfter for MR; Det er meget dyrt for en virksomhed at stoppe en produktionslinje for at uddanne nye medarbejdere eller i farlige miljøer, og det er ikke let at gennemføre træning i marken. Uddannelse er ikke langt bagefter; Selvom ansigt til ansigt klasser har ændret sig meget lidt, er der store bestræbelser på at indarbejde MR i klasse 8,9. Til uddannelse er der professionelle karriere, hvor det er nødvendigt at udføre laboratoriepraksis for at have fuldstændig træning. Mange eksisterende undersøgelser og forskning er inden for medicin, hvor VR, AR og MR spiller en nøglerolle. Flere artikler viser, hvordan MR overgår traditionelle undervisningsmetoder i kirurgiske og medicinske, hvor praksis er en klar fordel for at udvikle studerende 10,11,12,13,14.
Der er dog ikke den samme mængde forskning i tekniske spørgsmål. Normalt i ingeniørkarriere har en studerende teoriklasser suppleret med praksis. På denne måde er der undersøgelser af MR og VR, der viser fordelene ved ingeniørpædagogik12. Nogle af disse undersøgelser fokuserer imidlertid på at analysere kompleksiteten af miljøet og de anvendte værktøjer 8,15. Tang et al. udtænkte en undersøgelse, hvor studerende fra forskellige områder og med forskellig viden brugte MR til at forbedre deres forståelse af geometrisk analyse og kreativitet16. I en efterfølgende test afsluttede folk, der tog deres klasser ved hjælp af MR, hurtigere, hvilket gjorde det klart, at MR positivt påvirker læring16. Desuden viste Halabi brugen af VR-værktøjer i ingeniøruddannelsen. Selvom det ikke er MR, viser det værktøjer, der kan bruges til undervisning. Det er et reelt casestudie for at vise, at det er muligt at introducere VR i ingeniørklasse17.
På den anden side er fjernlaboratorier (RL'er) teknologiske værktøjer sammensat af software og hardware, der giver eleverne mulighed for eksternt at udføre deres praksis, som om de var i et traditionelt laboratorium. RL'er er generelt tilgængelige via internettet og bruges normalt, når eleverne skal autonomt omsætte det, de har lært, så mange gange som de har brug for18. Men med ankomsten af COVID-19 har dens anvendelse været at erstatte traditionelle laboratorier og være i stand til at udføre praksis under online klasser18. Som nævnt ovenfor har en RL brug for et fysisk rum (traditionelt laboratorium) og elementer, der gør det muligt at fjernstyre det. Med ankomsten af VR er laboratorier blevet modelleret virtuelt, og gennem fysiske mekanismer kan laboratoriets elementer styres19. Det er dog meget dyrt at have en RL, hvilket hæmmer mange skoler, især i udviklingslande. Nogle undersøgelser nævner, at omkostningerne kan variere mellem $ 50,000 og $ 100,00020,21.
Siden pandemien begyndte, har det desuden været nødvendigt at foretage ændringer hurtigt; i tilfælde af RL'er blev der forsøgt at sende kits til hver elevs hjem for at erstatte de traditionelle laboratorier. Der var dog et omkostningsproblem, da undersøgelser viste, at hvert sæt kostede omkring $ 700 18,22. Ikke desto mindre anvendte undersøgelserne dyre og vanskelige at skaffe komponenter. Pandemien påvirkede uddannelse over hele verden, og ikke mange mennesker kunne bruge tusindvis af dollars på at automatisere et laboratorium eller købe et sæt. De fleste undersøgelser overvejer ansigt til ansigt klasser og supplerer dem med MR. I de senere år har klasser imidlertid været online på grund af COVID-19, og kun nogle værker viser forbedringen af virtuelle klasser ved hjælp af MR og overkommelige enheder23,24.
Den forskning, der eksisterer indtil videre, er hovedsageligt fokuseret på medicin, med lidt information om teknik. Men uden tvivl mener vi, at det største bidrag og forskel er, at vores eksperiment blev udført i 6 måneder og blev sammenlignet med emner med de samme egenskaber, der ikke brugte virtuelle modeller, mens de fleste tidligere værker udførte korte eksperimenter for at sammenligne enkeltteknologier eller procedurer; De anvendte dem ikke over flere måneder. Derfor viser dette papir forskellen i læring, der kan gøres ved hjælp af MR i et universitetsfag.
Af denne grund viser dette arbejde udviklingen og resultaterne af et MR-system, der skal hjælpe med at udføre laboratoriepraksis på universiteter med fokus på elektronisk teknik. Det er vigtigt at nævne, at der lægges særlig vægt på at holde omkostningerne ved enheden lave, hvilket gør den tilgængelig for den almindelige befolkning. Tre grupper bruger forskellige undervisningsmetoder, og der gennemføres en eksamen om klassens emner. På denne måde er det muligt at opnå resultater med at forstå emnerne i fjernundervisning ved hjælp af MR.
Projektet forklaret i dette arbejde kaldes mixed reality for education (MRE) og foreslås som en platform, hvor eleverne bruger VR-briller med en smartphone (dvs. der bruges ingen specielle VR-briller). Der oprettes et arbejdsområde, hvor eleverne kan interagere med virtuelle miljøer og virkelige objekter ved blot at bruge deres egne hænder på grund af brugen af virtuelle og virkelige objekter, et mixed reality-system. Dette arbejdsområde består af en base med et billede, hvor alle de virtuelle objekter vises og interageres med. Det skabte miljø fokuserer på at udføre laboratoriepraksis for at vise elektroniske komponenter og fysik til ingeniørkarriere. Det er vigtigt at fremhæve behovet for at give feedback til studerende. Af denne grund inkorporerer MRE et feedbacksystem, hvor en administrator (normalt læreren) kan se, hvad der gøres for at bedømme aktiviteten. På denne måde kan der gives feedback på det arbejde, som den studerende udfører. Endelig er omfanget af dette arbejde at kontrollere, om der er fordele ved at bruge MR i online klasser.
For at opnå dette blev eksperimentet udført med tre grupper af studerende. Hver gruppe bestod af 10 studerende (30 studerende i alt). Den første gruppe brugte ikke MRE, men tog kun teori (online klasser) om momentumbevaringsprincippet og elektroniske komponenter. Den anden gruppe brugte MRE uden feedback, og den tredje gruppe brugte MRE med feedback fra en lærer. Det er vigtigt at nævne, at alle elever har samme skoleniveau; De er universitetsstuderende i samme semester og med samme karriere, studerer mekatronik teknik. Eksperimentet blev anvendt i et enkelt kursus kaldet Introduktion til fysik og elektronik i andet semester af graden; Det vil sige, at de studerende havde været på universitetet i mindre end 1 år. Derfor kan de emner, der er omfattet af klassen, betragtes som grundlæggende ud fra et teknisk synspunkt. Eksperimentet blev udført på 30 studerende, da dette var antallet af studerende, der tilmeldte sig den klasse, hvor eksperimentet blev godkendt. Den valgte klasse (introduktion til fysik og elektronik) havde teori og laboratoriepraksis, men på grund af pandemien blev der kun undervist i teoriklasser. De studerende blev opdelt i tre grupper for at se den indflydelse, som praksis har på generel læring, og om MR-klasser kunne erstatte ansigt til ansigt-praksis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollen følger retningslinjerne fra Panamerican University etiske komité. Eksperimentet blev udført med i alt 30 studerende mellem 18 og 20 år; otte studerende var kvinder og 22 var mænd, og de gik alle på Panamerican University i Guadalajara, Mexico (den næststørste by i Mexico). Alle deltagere gennemførte processen med informeret samtykke og gav skriftlig tilladelse til, at fotos blev taget og offentliggjort under dataindsamlingen. Det eneste krav var, at eleverne skulle have en smartphone, hvilket ikke var noget problem. Derfor var der ingen eksklusionskriterier for eksperimentet.
1. VR-systemopsætning og kalibrering
BEMÆRK: Dette trin tager ~ 10 min.
- Sørg for, at systemet indeholder alle komponenterne: en Android-telefon med operativsystemversion 10 eller nyere, VR-boksbriller og en træbase med et kalibreringsbillede (figur 1) (se materialetabel).
- Åbn MRE-applikationen på mobiltelefonen, og indlæs tjenesterne Unity, AR Foundation, Google Cardboard og ManoMotion 25,26,27,28. MRE-applikationen er udviklet af os selv; det blev udviklet til Android, og det er ikke offentligt.
- Indsæt mobiltelefonen i VR-brillerne og tag brillerne på.
- Find visuelt midten af bunden af MRE-prototypen (den blå firkant i figur 1).
- Når simuleringen vises, skal du løfte en udstrakt hånd for at placere den i midten af visningen.
BEMÆRK: Fra dette øjeblik kan brugerne lave håndbevægelser for at interagere med det simulerede miljø.
2. Forberedelse af bruger
BEMÆRK: Dette trin tager ~5 min.
- Uden VR-briller skal du åbne MRE-applikationen som vist i figur 2.
- Sørg for, at applikationen starter i brugertilstand, så det kun er nødvendigt at logge ind.
- Vælg det scenarie, som brugeren vil udføre. Der er to scenarier: elektroniske komponenter og fysik.
- Tryk på Afspil; brugeren har 30 s til at tage VR-brillerne på.
3. Udførelse af scenarier
BEMÆRK: Dette trin tager ~ 15 min.
- Scenarie 1: elektroniske komponenter
- Find de områder, der skal placeres komponenter, ved hjælp af røde, grønne og blå farver. Dette afgrænser de seks interaktionszoner i denne scene: tre zoner til at tage de virtuelle elektronikkomponenter og tre zoner til at droppe komponenterne, som vist i figur 3.
- Tag komponenten og placer den på det rigtige sted. Det rigtige sted afhænger af komponenten og hvad der ses i teorien; for eksempel forklares det i teorien, hvordan man placerer en køleplade, og i MRE nævnte placering praktiseres.
- Fortsæt, indtil alle komponenter er på plads.
- Scenarie 2: fysik
- Find de to biler, der er involveret i scenariet (figur 4).
- Vælg hastigheden for hver bil.
- Visualiser graferne efter kollisionen.
4. Administrationsvisning
- Tryk på MRE-tilstande på hovedskærmen (se figur 2), og vælg administratorindstillingen.
- Log ind for at bekræfte, om kontoen har tilladelse til at få adgang som administrator.
BEMÆRK: Det bliver muligt at se listen over studerende og de opnåede karakterer i hvert scenarie.
5. Studerendes resultater
- Log ind som administrator, klik på navnet på den ønskede studerende og se tabellen med oplysningerne om karaktererne i deres scenarier.
- Klik på en elevs navn, og vælg downloadkarakterer som CSV. Dette viser alle resultaterne i en kommasepareret fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dette afsnit viser resultaterne fra eksperimentet. For det første forklares nogle detaljer om, hvordan eksperimentet blev udført, derefter vises testene udført på eksperimentets studerende, og desuden præsenteres resultaterne af testene. Endelig beskrives en analyse ved hjælp af en elev i hver gruppe.
Et af de største problemer, som pandemien bragte til ingeniøruddannelsen, var, at det ikke var muligt at udføre ansigt til ansigt laboratoriepraksis, hvilket har en direkte indvirkning på den viden, som studerende erhverver. For at analysere, om projektet udviklet i denne artikel har indflydelse, blev der udført et eksperiment med tre grupper af studerende. Hver gruppe bestod af 10 studerende; den første gruppe brugte ikke MRE, men tog i stedet kun teori (online klasser) om momentumbevaringsprincippet og elektroniske komponenter. Den anden gruppe brugte MRE uden feedback, og endelig brugte den tredje gruppe MRE med feedback fra en lærer. Det er vigtigt at nævne, at alle eleverne havde samme skoleniveau. De var alle universitetsstuderende i samme semester og med samme karriere, der studerede mekatronik teknik. De var alle studerende på Panamerican University i Guadalajara, Mexico (den næststørste by i Mexico). Eksperimentet blev anvendt i et enkelt kursus kaldet Introduktion til fysik og elektronik i andet semester af graden (dvs. de var studerende, der havde været på universitetet i mindre end 1 år. Derfor kan de emner, der er omfattet af klassen, betragtes som grundlæggende ud fra et teknisk synspunkt17.
Kurset (Introduktion til fysik og elektronik), hvor eksperimentet blev udført, havde følgende egenskaber: (1) kursets varighed var et semester; (2) der var to eksamener i løbet af semesteret (dvs. en test blev afholdt hver 10. uge af klasser), Og hver af disse tests, eller 10 ugers periode, kaldes "delvis"; og (3) hver uge havde 6 timers klasser, opdelt i 3 dage på 2 timer pr. Klasse. I løbet af ugen blev der undervist i 4 timers teori og 2 timers praksis. Det er meget vigtigt at nævne, at ovennævnte egenskaber er, hvad der blev gjort før pandemien; Under pandemien blev der afholdt online klasser. Derfor kunne de 2 timers praksis om ugen ikke udføres og blev erstattet af rådgivning og problemløsning. Af denne grund blev der ikke udført nogen praksis i onlineklasserne.
Vores eksperiment forsøgte at ændre så lidt som muligt, hvad der blev etableret i klassen; MRE-systemet blev indført i øvelsestiden (2 timer om ugen), og de studerende, der ikke brugte systemet, fortsatte med rådgivning og problemløsning. De 4 timers teori blev slet ikke ændret af vores eksperiment. På samme måde brugte de studerende, der brugte MRE, en af øvelsesklasserne til at forklare systemets funktion. Desuden har MRE to miljøer, et til elektroniske komponenter og et til fysikkoncepter. Eksperimentet blev udført i løbet af en delvis (10 uger), som involverede fysikpraksis og elektronisk komponentpraksis. I denne periode blev seks praksis udført i MRE (tre fysikpraksis og tre elektroniske komponenter). Endelig var der to grupper, der brugte MRE; Den ene havde ikke feedback fra læreren, og den anden gjorde. De, der ikke havde feedback, fik et manuskript af den praksis, der skulle udføres, og til sidst tildelte læreren en karakter fra 0 til 10 i MRE-systemet, men der blev ikke givet nogen yderligere forklaring. På den anden side guidede læreren dem i gruppen, der havde feedback, under øvelsen. Læreren kunne observere simuleringen på samme tid som eleverne, da systemet ikke indeholder lyd, og deres ører er afdækket, så læreren guidede eleven ved at tale til dem under simuleringen og angive deres fejl og årsagerne til de nævnte fejl.
Det er vigtigt at nævne, at testen ikke blev redigeret til dette eksperiment. Med andre ord ville testen have været den samme for eleverne, hvis det nuværende eksperiment ikke blev udført. Testen havde 14 spørgsmål, der var opført i supplerende fil 1 i samme rækkefølge, som de blev præsenteret.
Hvert spørgsmål på testen havde samme vægt i karakteren, men læreren kunne tildele brøkdele af point til hvert spørgsmål baseret på elevens svar. Dette var efter lærerens skøn. Tabel 1 viser karaktererne for hver af eleverne, hvor 0 er den dårligste karakter og 10 den bedste. I slutningen vises gennemsnittet af hver gruppe.
På den anden side viser figur 5 grafisk scorerne for hver elev adskilt af gruppen. På denne måde er det lettere at visualisere resultaterne fra eksperimentet. Tabel 2 viser resultaterne af hvert spørgsmål, idet der tages en elev fra hver gruppe.
Figur 1: MRE vigtigste materialer. MRE-systemet består af et simpelt 8 tommer x 8 i firkantet stykke træ, hvorpå et basisbillede limes. Billedet består af et centralt logo, der er 3 i x 3 i størrelse; Resten af rummet består af tilfældigt placeret 1 i x 1 i ikoner ved hjælp af mørkeblå farver på en lyseblå baggrund. Derudover indsættes en VR-boks og en Android-mobiltelefon i kassen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: MRE-ansøgning. (A) Knappen til at vælge mellem bruger eller administrator; Det starter som bruger som standard. (B) Mulighed for at registrere/logge ind. (C) Knappen for at fortsætte konfigurationen af scenariet. (D) Gå tilbage til forrige skærmbillede. F) Kvalifikation i øjeblikket Hvis det er første gang, det "afspilles", vises det ved 0. (G) Start med det valgte scenarie. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Scenarie for elektroniske komponenter. Farverne afgrænser de seks interaktionszoner i denne scene: tre zoner til at tage komponenterne og tre zoner til at slippe komponenterne. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Fysik scenarie. To biler oprettes mod hinanden ud over en sfærisk startknap (grøn farve) og en kubisk (lyseblå farve) for at modulere den kraft, hvormed den anden bil skubbes. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Score for hver elev og standardafvigelse adskilt efter gruppe. Karakterer pr. elev og anvendt teknologi; Standardafvigelsen for hver gruppe vises ved siden af den. Der er 30 studerende i alt, 10 for hver læringsmetode, og hver elev i hver gruppe blev tildelt et nummer fra 1 til 10. Det er vigtigt at nævne den typiske afvigelse, hvor det tydeligt ses, at uden brug af MRE er scorerne meget mere spredt. Dette kan være logisk, da disse studerende kun modtog online klasser, så den opmærksomhed, som hver elev betalte, er meget variabel, og dette ses i de opnåede scoringer. På den anden side er der meget mindre spredning, når MRE anvendes. Når feedback tilføjes til MR-teknologi, er der desuden mindre spredning, hvilket indikerer en bedre forståelse af alle studerende, ikke kun af nogle studerende. Klik her for at se en større version af denne figur.
Tabel 1: Resultater af videnstest for de tre grupper. Denne tabel viser alle resultaterne af de eksamener, som eleverne har taget. Der er 30 studerende i alt, 10 for hver læringsmetode, og hver elev i hver gruppe blev tildelt et nummer fra 1 til 10. Det kan tydeligt ses, at det bedste opnåede gennemsnit var, da MRE blev brugt, og der var feedback fra læreren. Selvom der ikke var nogen feedback, er det stadig en bedre mulighed generelt at bruge MRE til en bedre forståelse af emnerne. Ved brug af MRE var der ingen score lavere end 7,5 hos nogen af eleverne; Så det kan udledes, at der generelt var en bedre forståelse af emnerne. Endelig var der ved hjælp af MRE og med feedback fra læreren ingen score under 8,0, og de højeste score af de 30 studerende blev også set, 9,3 og 9,5. Derfor kan man tydeligt se de fordele, som studerende har i at forstå emner, når de bruger MRE, men frem for alt, når der gives feedback på det arbejde, der udføres i praksis. Klik her for at downloade denne tabel.
Tabel 2: Resultater pr. spørgsmål med en elev fra hver gruppe. Karakterer til svarene fra en studerende i hver gruppe. Studerende, hvis karakter var tæt på gruppens gennemsnit, blev valgt. Læreren kunne tildele point til delvist korrekte svar. De studerende, der brugte MRE, havde bedre resultater med spørgsmålene om elektroniske komponenter, hvilket tyder på, at kendskab til komponenterne i deres virkelige dimensioner og former (ved hjælp af MRE) hjalp med at forbedre teoretisk viden. De studerende, der brugte MRE med feedback, ud over at kunne observere komponenterne, som de ville blive set i virkeligheden, modtog hjælp fra læreren i praksis med fysik og elektroniske komponenter. Derfor kan det siges, at de ud over at øve havde rådgivningstimer, og dette afspejles tydeligt i resultaterne. Klik her for at downloade denne tabel.
Supplerende fil 1: Spørgsmål til de studerende. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
MRE-systemet giver eleverne mulighed for at lære om elektroniske komponenter eller fysikemner. Et vigtigt punkt er muligheden for, at læreren giver feedback. På denne måde kan eleverne vide, hvad de gjorde forkert og hvorfor. Med MRE-systemet udviklet blev der udført et eksperiment med 30 studerende, hvor 10 studerende ikke brugte MRE, 10 brugte MRE, og endelig brugte yderligere 10 MRE og modtog feedback fra læreren. I slutningen af klasserne blev der givet en generel videntest til alle eleverne. Testen blev ikke ændret til eksperimentet (dvs. den samme test anvendes, hvis klasserne er rent teori, eller hvis laboratoriepraksis udføres. Praksis er kun et supplement til bedre at forstå teorien og dermed få en bedre generel forståelse af emnet. Testen er skriftlige svar, der viser beregninger, og læreren kan markere med halve point, hvis svaret er delvist korrekt.
Takket være brugen af MRE opnåede eleverne et bedre generelt gennemsnit, det bedste gennemsnit set, når der var feedback fra læreren. På samme måde er et vigtigt punkt standardafvigelsen. Formålet med en klasse er, at størstedelen af eleverne, eller ideelt set dem alle, får den største mængde viden. På grund af brugen af MRE kan der observeres en mindre spredning af scorerne, hvilket beviser, at viden om emnerne blev forstået af et større antal studerende.
Når man observerer scorerne for hvert spørgsmål i detaljer, har MRE en mindre effekt, når spørgsmålene er fokuseret på problemer, der kan analyseres 100% fra teorien. I tekniske emner er det imidlertid vigtigt at kende både udstyr og komponenter, derfor havde MRE en positiv indvirkning, og de studerende, der brugte MRE, svarede bedre på de spørgsmål, der dækkede disse emner. Desuden I tilfælde af teoretiske spørgsmål (såsom fysik) er MRE nyttigt, når man har feedback fra læreren, da læreren kan afklare disse spørgsmål understøttet af et virtuelt miljø. Lærerfeedback er ikke noget nyt; Det forekommer i ansigt til ansigt klasser, så det er klart, at denne feedback stadig er lige så vigtig i virtuelle miljøer.
MRE-systemet hjælper ingeniørstuderende med at udføre laboratoriepraksis eksternt. Verden har ændret sig, og selvom den i øjeblikket vender tilbage til ansigt til ansigt-klasser, åbner flere skoler hver dag 100% online kurser29. For at imødegå disse ændringer er der oprettet applikationer ved hjælp af nye teknologier. En sådan teknologi er MR, hvor det er muligt at visualisere studiemiljøer for at forbedre læringen. Imidlertid bruges de fleste af disse applikationer i medicinske miljøer, med få inden for teknik 9,12. På den anden side er RL'er blevet hyldet som løsningen til fjerningeniørklasser, men det er nødvendigt at have et fysisk rum, og komponenterne er meget dyre. Derfor er investeringen i en RL meget høj, og de er ikke inkluderet som en mulighed for mange skoler i Latinamerika19,20.
På samme måde har andre værker diskuteret, hvordan virtuelle og fjerntliggende laboratorier kan hjælpe med fjernundervisning. For eksempel er de enige om, at omkostningerne er lavere end at oprette et traditionelt laboratorium. Vergara et al. analyserede data fra mere end 400 studerende, der spurgte om deres erfaring med brugen af VR og MR i laboratorier; 89% af eleverne nævnte, at de er tilstrækkelige til at supplere en lærers forklaring, men kun 11% sagde, at brugen i sig selv er tilstrækkelig. Denne teknologi alene er nok til at forstå emnet, selvom arbejdet ikke udfører nogen analyse af den indvirkning, som brugen af denne teknologi har på forståelsen af emnet ud over at spørge den studerendes følelser30. Desuden analyserede Wu et al. flere værker, der nævner VR ved hjælp af hovedmonterede skærme (HMD'er; som vi bruger det i dette arbejde). De konkluderer, at HMD-baseret fordybende læring har en bedre effekt på læringspræstationen end ikke-fordybende læringsmetoder31. På trods af dette præsenterer Wu et al. heller ikke, hvor meget forståelsen af emnet kan forbedres ved hjælp af VR eller MR; De nævner kun, at der er bedre læring, især i naturvidenskabelige, igen som tilfældet præsenteres i dette papir.
På den anden side eksperimenterede Makarova et al. for at finde effekten af VR i undervisningen i biltjenester. Selvom antallet af nævnte studerende er 344, er disse studerende fra forskellige klasser, så de har forskellig viden og færdigheder. De studerende i deres studie spænder fra 19 til 30 år, i modsætning til hvad der præsenteres her, hvor alle studerende har samme studieniveau og er mellem 18 og 20 år. På den anden side analyserede Makarova et al. studerende ved hjælp af fysisk og virtuelt udstyr, hvor 35 studerende brugte virtuelt udstyr (et antal studerende ikke meget forskellige fra vores eksperiment). De konkluderer, at VR- og MR-teknologier er meget mere effektive end traditionelle metoder, hvilket øger elevernes interesse for at lære32. Derudover nævner andre værker, at brugen af virtuelle systemer hjælper med at undervise i videnskab og sprog, endda analysere anvendeligheden af forskellige tilgange og ergonomi, hvilket er uden for rammerne af dette arbejde33,34.
Andre værker, såsom Loetscher et al., analyserede det korrekte VR-værktøj, der skal bruges afhængigt af testtypen, især til adfærdstests, hvor responstiden ofte er afgørende for dataanalyse. De nævner, at VR-systemer på mobiltelefoner har en lav responstid35, selvom responstiden for eksperimentet vist i denne undersøgelse ikke påvirker den eksamen, der anvendes på de studerende. Derudover er det nødvendigt at analysere omkostningerne ved oprettelse af et laboratorium med specialudstyr mod tidspunktet for ønsket respons for at opnå gennemførlighed. Det er klart, at nogle eksperimenter vil være afgørende for at reducere hardwarens begrænsninger, men det er ikke tilfældet for dette arbejde.
Derfor er vi overbevist om, at dette arbejde supplerer de undersøgelser, der hidtil er gennemført. Mange værker har vist, at brug af virtuelle teknologier hjælper med læring og interesse, men de har ikke forsøgt at demonstrere den reelle indvirkning, det kan have på læring. Selvom antallet af studerende, der blev brugt i eksperimentet, er lavt, sørgede vi for, at alle havde det samme niveau af viden og færdigheder (så meget som muligt), og at det samme emne blev undervist til alle og forsøgte at eliminere enhver ekstern komponent, der kunne have påvirket resultaterne. Den anvendte eksamen var den samme, hvilket gjorde det muligt at kvantificere (i en lille prøve) den forbedring, som eleverne har ved hjælp af virtuelle teknologier til at supplere teorien set i klassen.
Takket være MRE er det muligt at udføre laboratoriepraksis for teknik til en lav pris og med en minimumsinvestering for skoler. Man behøver kun en Android-mobiltelefon fra 2019 eller senere og en træbase til kalibrering, hvilket gør den meget mere tilgængelig for skoler i udviklingslande. Det er værd at nævne, at det er nødvendigt at følge en række trin for at bruge MRE-systemet. Uden tvivl er det kritiske trin for korrekt drift af systemet konfiguration og kalibrering af VR-systemet (trin 1). Da MRE bruger hænderne som applikationsværktøjer, vil en fejl i kalibreringen forhindre at kunne fortsætte med udførelsen af scenarierne. Derudover er det vigtigt at bruge basen med billedet til kalibrering. Billedet bruges til at dimensionere miljøet og registrere hånden i rummet.
Derfor er det klart, at en begrænsning af det præsenterede projekt er at have en base med billedet til kalibreringen. For det præsenterede eksperiment var det nødvendigt at fremstille en base for hver elev. Selvom det engang var kalibreret var ret let at gengive og afspille scenarierne, er det værd at nævne, at det er komplekst at oprette nye scenarier. Derfor er der brug for en lang udviklingstid for hver praksis, der skal udvikles.
Et differentierende punkt med RL'er eller andre MR-teknologier er imidlertid de lave omkostninger til udstyr og materiale, der er nødvendigt. Enhver Android-telefon kan bruges som et værktøj til at udføre praksis, selvom en begrænsning er at opnå kalibreringsbilledet; Alligevel kan det udskrives på traditionel måde, og der kræves ikke specielt udstyr. Derfor har adgang til de allerede udviklede scenarier en lav pris. Ved at bruge en sådan tilgængelig teknologi kan MRE også bruges på andre områder, ikke kun laboratoriepraksis. Hovedsageligt under uddannelse af personale til virksomheder, når en ny medarbejder tiltræder, er det ofte nødvendigt at stoppe eller sænke produktionen for at undervise i brugen af maskiner. Derfor kan MRE tilpasses til at udvikle produktionslinjemiljøer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen kendte konkurrerende økonomiske interesser eller personlige forhold, der kunne have syntes at påvirke det arbejde, der er rapporteret i dette papir.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev sponsoreret af Panamerican University Guadalajara campus. Vi takker de mekatroniske ingeniørstuderende for at bidrage til eksperimentet.
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).
