Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Mise en œuvre de la réalité mixte pour l’éducation (MRE) et résultats dans les cours en ligne pour l’ingénierie

Published: June 23, 2023 doi: 10.3791/65091
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Faculty of Engineering, Panamerican University

Summary

Dans ce travail, un système de réalité mixte appelé MRE a été développé pour aider les étudiants à développer des pratiques de laboratoire complémentaires aux cours en ligne. Une expérience a été menée auprès de 30 étudiants ; 10 élèves n’ont pas utilisé l’ERM, 10 l’EMR et 10 autres l’EMR avec la rétroaction de l’enseignant.

Abstract

La pandémie de COVID-19 a bouleversé de nombreux secteurs, en renforçant certains secteurs et en entraînant la disparition de nombreux autres. Le secteur de l’éducation n’est pas épargné par des changements majeurs. Dans certains pays ou villes, les cours ont été dispensés 100% en ligne pendant au moins 1 an. Cependant, certaines carrières universitaires nécessitent des pratiques de laboratoire pour compléter l’apprentissage, en particulier dans les domaines de l’ingénierie, et le fait de n’avoir que des cours théoriques en ligne pourrait affecter leurs connaissances. Pour cette raison, dans ce travail, un système de réalité mixte appelé réalité mixte pour l’éducation (MRE) a été développé pour aider les étudiants à développer des pratiques de laboratoire pour compléter les cours en ligne. Une expérience a été menée auprès de 30 étudiants ; 10 élèves n’ont pas utilisé l’ERM, 10 l’EMR et 10 autres l’EMR avec la rétroaction de l’enseignant. Avec cela, on peut voir les avantages de la réalité mixte dans le secteur de l’éducation. Les résultats montrent que l’utilisation des EMR permet d’améliorer les connaissances dans les matières d’ingénierie ; Les étudiants ont obtenu des qualifications avec des notes de 10 % à 20 % supérieures à celles de ceux qui ne l’ont pas utilisée. Surtout, les résultats montrent l’importance du feedback lors de l’utilisation de systèmes de réalité virtuelle.

Introduction

La technologie a toujours été présente dans le secteur de l’éducation ; De profonds changements sont intervenus dans les dispositifs utilisés pour donner des cours. Cependant, les cours en présentiel restent l’option préférée des étudiants et des enseignants. Lorsque la pandémie est arrivée, elle a changé tous les secteurs, et l’éducation n’a pas fait exception. En 2018, avant la pandémie, seulement 35 % des étudiants ayant obtenu un diplôme ont déclaré avoir suivi au moins un cours en ligne ; C’est-à-dire que 65 % des étudiants ont terminé leurs études en présentiel1. À partir d’avril 2020, par ordre du gouvernement (mexicain), toutes les écoles publiques et privées ont été interdites d’enseigner en présentiel ; Pour cette raison, 100% des étudiants ont dû suivre des cours à distance. Les universités ont été les premières à agir, en utilisant des outils pour la visioconférence, la préparation des cours, la gestion des devoirs, etc. C’est logique, puisque les personnes en âge d’aller à l’université (entre 18 et 25 ans) sont des personnes qui sont en contact avec la technologie depuis leur naissance.

Certains cours peuvent être entièrement adaptés virtuellement ; Cependant, les pratiques de laboratoire sont complexes à réaliser à distance, et les étudiants n’ont pas le matériel nécessaire, ce qui est souvent coûteux. L’impact des cours en ligne sur la qualité des connaissances n’est pas clair, et certaines études montrent que les cours en ligne donnent généralement de moins bons résultats aux étudiants que les cours en personne2. Mais une chose est certaine, le fait de ne pas mettre en œuvre des pratiques de laboratoire qui rapprochent les étudiants de ce qu’ils vivront dans l’industrie affectera négativement leur performance professionnelle. Par conséquent, l’importance des expériences à l’échelle réelle devient nécessaire dans l’enseignement actuel de l’ingénierie 3,4,5. Pour ces raisons, de nouvelles technologies sont utilisées pour atténuer ces problèmes. Parmi eux, on trouve la réalité virtuelle (VR), la réalité augmentée (AR) et la réalité mixte (MR). Il est important de mentionner que la RV est une technologie qui permet la création d’un environnement numérique totalement immersif, tandis que la RA superpose des objets virtuels dans l’environnement du monde réel. D’autre part, la RM ne se contente pas d’utiliser des objets virtuels, mais ancre également ces objets dans le monde réel, ce qui permet d’interagir avec eux. Ainsi, la RM est une combinaison de VR et d’AR6. D’autre part, certaines organisations ont également fait des efforts pour développer des laboratoires à distance, où des équipements réels existent mais peuvent être contrôlés à distance7.

Le terme MR date de 1994 ; cependant, au cours des 5 dernières années, il a pris une importance particulière, grâce aux grandes entreprises qui ont concentré leurs efforts sur le développement d’environnements, tels que le Metaverse6. La RM peut être appliquée dans différents domaines ; Deux des plus courantes sont la formation et l’éducation. La formation a été l’un des grands moteurs de la RM ; Il est très coûteux pour une entreprise d’arrêter une ligne de production pour former de nouveaux employés, ou dans des environnements dangereux, et il n’est pas facile de réaliser des formations sur le terrain. L’éducation n’est pas loin derrière ; Bien que les cours en présentiel aient très peu changé, il y a de gros efforts pour intégrer la RM dans les classes8 et 9. Pour l’éducation, il existe des carrières professionnelles où il est nécessaire d’effectuer des pratiques de laboratoire pour avoir une formation complète. De nombreuses études et recherches existantes sont en médecine, la RV, la RA et l’IRM jouant un rôle clé. De nombreux articles montrent comment la RM surpasse les méthodes d’enseignement traditionnelles dans les matières chirurgicales et médicales, où la pratique est un avantage évident pour le développement des étudiants 10,11,12,13,14.

Cependant, il n’y a pas autant de recherches sur les questions d’ingénierie. Normalement, dans les carrières d’ingénieur, un étudiant suit des cours théoriques complétés par des pratiques. De cette manière, il existe des études sur la RM et la RV montrant les bénéfices de la pédagogie de l’ingénieur12. Cependant, certaines de ces études se concentrent sur l’analyse de la complexité de l’environnement et des outils utilisés 8,15. Tang et al. ont conçu une étude dans laquelle des étudiants de différents domaines et ayant des connaissances différentes ont utilisé la RM pour améliorer leur compréhension de l’analyse géométrique et de la créativité16. Lors d’un test ultérieur, les personnes qui ont suivi leurs cours en utilisant la RM ont terminé plus rapidement, ce qui montre clairement que la RM affecte positivement l’apprentissage16. De plus, Halabi a montré l’utilisation d’outils de réalité virtuelle dans l’enseignement de l’ingénierie. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une RM, il montre des outils qui peuvent être utilisés pour l’enseignement. Il s’agit d’une véritable étude de cas pour montrer qu’il est possible d’introduire la VR dans les classes d’ingénieurs17.

D’autre part, les laboratoires à distance (RL) sont des outils technologiques composés de logiciels et de matériel qui permettent aux étudiants d’effectuer leurs pratiques à distance comme s’ils étaient dans un laboratoire traditionnel. Les RL sont généralement accessibles par Internet et sont normalement utilisés lorsque les étudiants sont tenus de mettre en pratique de manière autonome ce qu’ils ont appris autant de fois qu’ils en ont besoin18. Cependant, avec l’arrivée du COVID-19, son utilisation a été de remplacer les laboratoires traditionnels et de pouvoir effectuer des pratiques lors des cours en ligne18. Comme mentionné ci-dessus, un RL a besoin d’un espace physique (laboratoire traditionnel) et d’éléments qui permettent de le contrôler à distance. Avec l’arrivée de la réalité virtuelle, les laboratoires ont été modélisés virtuellement, et grâce à des mécanismes physiques, les éléments du laboratoire peuvent être contrôlés19. Cependant, avoir un RL est très coûteux, ce qui entrave de nombreuses écoles, en particulier dans les pays en développement. Certaines études mentionnent que les coûts peuvent varier entre 50 000 $ et 100 000 $20,21.

De plus, depuis le début de la pandémie, des changements ont dû être apportés rapidement ; dans le cas des RL, on a tenté d’envoyer des trousses au domicile de chaque étudiant pour remplacer les laboratoires traditionnels. Cependant, il y avait un problème de coût, car des études ont montré que chaque kit coûtait environ 700 $18,22. Néanmoins, les études ont utilisé des composants coûteux et difficiles à obtenir. La pandémie a affecté l’éducation dans le monde entier, et peu de gens pouvaient dépenser des milliers de dollars pour automatiser un laboratoire ou acheter un kit. La plupart des études envisagent des cours en présentiel et les complètent par une IRM. Cependant, ces dernières années, les cours ont été dispensés en ligne en raison de la COVID-19, et seuls quelques travaux montrent l’amélioration des cours virtuels utilisant la RM et des appareils abordables23,24.

La recherche qui existe jusqu’à présent est principalement axée sur la médecine, avec peu d’informations sur l’ingénierie. Cependant, sans aucun doute, nous pensons que la plus grande contribution et différence est que notre expérience a été réalisée pendant 6 mois et a été comparée à des sujets ayant les mêmes caractéristiques qui n’utilisaient pas de modèles virtuels, alors que la plupart des travaux précédents ont effectué de courtes expériences pour comparer des technologies ou des procédures uniques ; Ils ne les ont pas appliqués pendant plusieurs mois. Par conséquent, cet article montre la différence dans l’apprentissage qui peut être faite à l’aide de la RM dans une matière universitaire.

Pour cette raison, ce travail montre le développement et les résultats d’un système d’IRM pour aider à réaliser des pratiques de laboratoire dans les universités axées sur l’ingénierie électronique. Il est important de mentionner qu’un accent particulier est mis sur le maintien du coût de l’appareil à un faible niveau, le rendant accessible à la population générale. Trois groupes utilisent des méthodes d’enseignement différentes, et un examen est effectué sur les sujets de la classe. De cette façon, il est possible d’obtenir des résultats sur la compréhension des sujets de l’enseignement à distance à l’aide de la RM.

Le projet expliqué dans ce travail s’appelle la réalité mixte pour l’éducation (MRE) et est proposé comme une plate-forme où les étudiants utilisent des lunettes VR avec un smartphone (c’est-à-dire qu’aucune lunette VR spéciale n’est utilisée). Un espace de travail est créé où les étudiants peuvent interagir avec des environnements virtuels et des objets réels simplement en utilisant leurs propres mains, grâce à l’utilisation d’objets virtuels et réels, un système de réalité mixte. Cet espace de travail se compose d’une base avec une image où tous les objets virtuels sont affichés et avec lesquels on interagit. L’environnement créé met l’accent sur la conduite de pratiques de laboratoire pour montrer les composants électroniques et la physique pour les carrières d’ingénieur. Il est important de souligner la nécessité de fournir une rétroaction aux étudiants. Pour cette raison, MRE intègre un système de rétroaction où un administrateur (normalement l’enseignant) peut voir ce qui est fait pour évaluer l’activité. De cette façon, un retour d’information peut être donné sur le travail effectué par l’étudiant. Enfin, l’objectif de ce travail est de vérifier s’il y a des avantages à utiliser la RM dans les cours en ligne.

Pour y parvenir, l’expérience a été menée auprès de trois groupes d’étudiants. Chaque groupe était composé de 10 étudiants (30 étudiants au total). Le premier groupe n’a pas utilisé l’ERM, mais a suivi des cours théoriques (en ligne) sur le principe de conservation de la quantité de mouvement et les composants électroniques. Le deuxième groupe a utilisé l’EMR sans rétroaction, et le troisième groupe a utilisé l’EMR avec la rétroaction d’un enseignant. Il est important de mentionner que tous les élèves ont le même niveau scolaire ; Ce sont des étudiants universitaires dans le même semestre et avec le même parcours, étudiant l’ingénierie mécatronique. L’expérience a été appliquée dans un seul cours appelé Introduction à la physique et à l’électronique, au deuxième semestre du diplôme ; c’est-à-dire que les étudiants étaient à l’université depuis moins d’un an. Par conséquent, les sujets abordés dans le cours peuvent être considérés comme fondamentaux d’un point de vue technique. L’expérience a été réalisée sur 30 étudiants, car c’était le nombre d’étudiants qui se sont inscrits dans la classe où l’expérience a été autorisée. Le cours sélectionné (Introduction à la physique et à l’électronique) avait de la théorie et des pratiques de laboratoire, mais en raison de la pandémie, seuls des cours théoriques étaient enseignés. Les étudiants ont été séparés en trois groupes pour voir l’impact que les pratiques ont sur l’apprentissage général et si les cours de RM pouvaient remplacer les pratiques en face à face.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Le protocole suit les directives du comité d’éthique de l’Université panaméricaine. L’expérience a été menée auprès d’un total de 30 étudiants, âgés de 18 à 20 ans ; huit étudiants étaient des femmes et 22 des hommes, et ils ont tous fréquenté l’Université panaméricaine de Guadalajara, au Mexique (la deuxième plus grande ville du Mexique). Tous les participants ont suivi le processus de consentement éclairé et ont donné leur autorisation écrite pour que des photos soient prises et publiées pendant la collecte des données. La seule exigence était que les étudiants aient besoin d’un téléphone intelligent, ce qui n’était pas un problème. Par conséquent, il n’y avait pas de critères d’exclusion pour l’expérience.

1. Configuration et étalonnage du système VR

REMARQUE : Cette étape prend ~10 min.

  1. Assurez-vous que le système comprend tous les composants : un téléphone Android avec le système d’exploitation version 10 ou supérieure, des lunettes VR et une base en bois avec une image d’étalonnage (Figure 1) (voir le tableau des matériaux).
  2. Ouvrez l’application MRE sur le téléphone portable et chargez les services Unity, AR Foundation, Google Cardboard et ManoMotion25,26,27,28. L’application EMR a été développée par nos soins ; il a été développé pour Android et il n’est pas public.
  3. Insérez le téléphone portable dans les lunettes VR et mettez les lunettes.
  4. Localisez visuellement le centre de la base du prototype d’EMR (le carré bleu de la figure 1).
  5. Lorsque la simulation s’affiche, levez une main tendue pour la placer au centre de la vue.
    REMARQUE : À partir de ce moment, les utilisateurs peuvent faire des gestes de la main pour interagir avec l’environnement simulé.

2. Préparation de l’utilisateur

REMARQUE : Cette étape prend ~5 min.

  1. Si vous n’avez pas de lunettes VR, ouvrez l’application EMR, comme illustré à la figure 2.
  2. Assurez-vous que l’application démarre en mode utilisateur afin qu’il ne soit nécessaire que de se connecter.
  3. Sélectionnez le scénario que l’utilisateur souhaite exécuter. Il existe deux scénarios : les composants électroniques et la physique.
  4. Appuyez sur Lecture ; l’utilisateur aura 30 s pour mettre les lunettes VR.

3. Exécution de scénarios

REMARQUE : Cette étape prend ~15 min.

  1. Scénario 1 : composants électroniques
    1. Localisez les zones de positionnement des composants, à l’aide des couleurs rouge, verte et bleue. Cela délimite les six zones d’interaction de cette scène : trois zones pour prendre les composants électroniques virtuels et trois zones pour déposer les composants, comme le montre la figure 3.
    2. Prenez le composant et positionnez-le au bon endroit. Le bon endroit dépend du composant et de ce que l’on voit en théorie ; par exemple, en théorie, il est expliqué comment placer un dissipateur thermique, et dans les EMR, ce placement est pratiqué.
    3. Continuez jusqu’à ce que tous les composants soient en place.
  2. Scénario 2 : physique
    1. Repérez les deux voitures impliquées dans le scénario (figure 4).
    2. Sélectionnez la vitesse de chaque voiture.
    3. Visualisez les graphiques après la collision.

4. Vue de l’administration

  1. Sur l’écran principal, appuyez sur Modes MRE (voir Figure 2) et sélectionnez l’option administrateur.
  2. Connectez-vous pour vérifier si le compte est autorisé à y accéder en tant qu’administrateur.
    NOTE : Il devient possible de visualiser la liste des élèves et les notes obtenues dans chaque scénario.

5. Résultats des élèves

  1. En vous connectant en tant qu’administrateur, cliquez sur le nom de l’étudiant souhaité et affichez le tableau avec les informations des notes de ses scénarios.
  2. Cliquez sur le nom d’un élève et sélectionnez Télécharger les notes au format CSV. Cela affichera tous les résultats dans un fichier séparé par des virgules.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Cette section présente les résultats obtenus à partir de l’expérience. Tout d’abord, quelques détails sur la façon dont l’expérience a été réalisée sont expliqués, puis les tests effectués sur les étudiants de l’expérience sont montrés, et de plus, les résultats des tests sont présentés. Enfin, une analyse à l’aide d’un étudiant de chaque groupe est décrite.

L’un des plus gros problèmes que la pandémie a apporté à la formation d’ingénieur était qu’il n’était pas possible d’effectuer des pratiques de laboratoire en présentiel, ce qui a un impact direct sur les connaissances acquises par les étudiants. Afin d’analyser si le projet développé dans cet article a un impact, une expérience a été menée auprès de trois groupes d’étudiants. Chaque groupe était composé de 10 étudiants ; le premier groupe n’a pas utilisé l’ERM, mais n’a suivi que des cours théoriques (cours en ligne) sur le principe de conservation de la quantité de mouvement et les composants électroniques. Le deuxième groupe a utilisé l’EMR sans rétroaction, et enfin, le troisième groupe a utilisé l’EMR avec la rétroaction d’un enseignant. Il est important de mentionner que tous les élèves avaient le même niveau scolaire. Ils étaient tous étudiants universitaires dans le même semestre et avec le même parcours, étudiant l’ingénierie mécatronique. Ils étaient tous étudiants à l’Université panaméricaine de Guadalajara, au Mexique (la deuxième plus grande ville du Mexique). L’expérience a été appliquée dans un seul cours appelé Introduction à la physique et à l’électronique, au deuxième semestre du diplôme (c’est-à-dire qu’il s’agissait d’étudiants qui étaient à l’université depuis moins d’un an. Par conséquent, les sujets abordés en classe pourraient être considérés comme fondamentaux du point de vue de l’ingénierie17.

Le cours (Introduction à la physique et à l’électronique) dans lequel l’expérience a été réalisée présentait les caractéristiques suivantes : (1) la durée du cours était d’un semestre ; (2) il y avait deux examens tout au long du semestre (c’est-à-dire qu’un test avait lieu toutes les 10 semaines de cours), et chacun de ces tests, ou période de 10 semaines, est appelé « partiel » ; et (3) chaque semaine comportait 6 h de cours, divisés en 3 jours de 2 h par cours. Au cours de la semaine, 4 h de théorie et 2 h de pratique ont été enseignées. Il est très important de mentionner que les caractéristiques mentionnées ci-dessus sont ce qui se faisait avant la pandémie ; Pendant la pandémie, des cours en ligne ont été organisés. Par conséquent, les 2 h de pratiques par semaine n’ont pas pu être effectuées et ont été remplacées par des conseils et la résolution de problèmes. Pour cette raison, dans les cours en ligne, aucune pratique n’a été effectuée.

Notre expérience a essayé de modifier le moins possible ce qui était établi dans la classe ; le système EMR a été introduit pendant les heures de pratique (2 h par semaine), et les étudiants qui n’utilisaient pas le système ont continué à donner des conseils et à résoudre des problèmes. Les 4 h de théorie n’ont pas du tout été modifiées par notre expérience. De même, les étudiants qui ont utilisé l’EMR ont utilisé l’un des cours pratiques pour expliquer le fonctionnement du système. De plus, MRE dispose de deux environnements, l’un pour les composants électroniques et l’autre pour les concepts physiques. L’expérience a été réalisée au cours d’une partie (10 semaines), qui a impliqué des pratiques de physique et des pratiques de composants électroniques. Au cours de cette période, six pratiques ont été réalisées dans les EMR (trois pratiques de physique et trois de composants électroniques). Enfin, il y avait deux groupes qui utilisaient l’ERM ; L’un n’a pas eu de retour de l’enseignant et l’autre en a eu. Ceux qui n’ont pas eu de retour d’information ont reçu un script de la pratique à mettre en œuvre, et à la fin, l’enseignant a attribué une note de 0 à 10 dans le système EMR, mais aucune autre explication n’a été donnée. D’autre part, dans le groupe qui avait un retour d’information, l’enseignant les guidait pendant la pratique. L’enseignant pouvait observer la simulation en même temps que les élèves, puisque le système ne contient pas de son et que leurs oreilles sont découvertes, de sorte que l’enseignant a guidé l’élève en lui parlant pendant la simulation, en indiquant ses erreurs et les raisons de ces erreurs.

Il est important de mentionner que le test n’a pas été modifié pour cette expérience. En d’autres termes, le test aurait été le même pour les étudiants si l’expérience actuelle n’avait pas été réalisée. Le test comportait 14 questions, énumérées dans le dossier supplémentaire 1 dans le même ordre que celui dans lequel elles ont été présentées.

Chaque question du test avait le même poids dans la note, mais l’enseignant pouvait attribuer des fractions de points à chaque question en fonction de la réponse de l’élève. C’était à la discrétion de l’enseignant. Le tableau 1 montre les notes de chacun des élèves, 0 étant la pire note et 10 la meilleure. À la fin, la moyenne de chaque groupe est affichée.

D’autre part, la figure 5 montre graphiquement les scores de chaque élève séparés par le groupe. De cette façon, il est plus facile de visualiser les résultats obtenus à partir de l’expérience. Le tableau 2 présente les résultats de chaque question, en prenant un élève de chaque groupe.

Figure 1
Figure 1 : Principaux matériaux EMR. Le système MRE consiste en une simple pièce de bois carrée de 8 po x 8 po, sur laquelle une image de base est collée. L’image se compose d’un logo central de 3 po x 3 po ; Le reste de l’espace se compose d’icônes de 1 po x 1 po placées au hasard en utilisant des couleurs bleu foncé sur un fond bleu clair. De plus, une boîte VR et un téléphone portable Android sont insérés dans la boîte. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Application EMR. (A) Le bouton permettant de choisir entre utilisateur ou administrateur ; Il démarre en tant qu’utilisateur par défaut. (B) Possibilité de s’inscrire/de se connecter. (C) pour continuer à configurer le scénario. (D) Revenez à l’écran précédent. (F) Qualification à l’heure actuelle ; Si c’est la première fois qu’il est « joué », il apparaîtra à 0. (G) Commencez par le scénario sélectionné. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Scénario de composants électroniques. Les couleurs délimitent les six zones d’interaction de cette scène : trois zones pour prendre les composants et trois zones pour déposer les composants. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Scénario physique. Deux voitures sont créées l’une en face de l’autre, en plus d’un bouton de démarrage sphérique (couleur verte) et d’un bouton cubique (couleur bleu clair) pour moduler la force avec laquelle la deuxième voiture est poussée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Score de chaque élève et écart-type séparés par groupe. les notes par élève et la technologie utilisée ; L’écart-type de chaque groupe est indiqué à côté. Il y a 30 élèves au total, 10 pour chaque approche d’apprentissage, et chaque élève de chaque groupe s’est vu attribuer un numéro de 1 à 10. Il est important de mentionner l’écart typique, où l’on voit clairement que sans l’utilisation de MRE, les scores sont beaucoup plus dispersés. Cela peut être logique, puisque ces étudiants n’ont reçu que des cours en ligne, de sorte que l’attention portée par chaque étudiant est très variable, et cela se voit dans les scores obtenus. D’autre part, il y a beaucoup moins de dispersion lorsque l’EMR est utilisé. De plus, lorsque la rétroaction est ajoutée à la technologie de RM, il y a moins de dispersion, ce qui indique une meilleure compréhension par tous les étudiants, et pas seulement par certains étudiants. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Tableau 1 : Résultats des tests théoriques pour les trois groupes. Ce tableau présente tous les résultats des examens passés par les étudiants. Il y a 30 élèves au total, 10 pour chaque approche d’apprentissage, et chaque élève de chaque groupe s’est vu attribuer un numéro de 1 à 10. On peut clairement voir que la meilleure moyenne obtenue a été obtenue lors de l’utilisation de l’EMR et qu’il y a eu un retour d’information de l’enseignant. Même s’il n’y a pas eu de retour, il est toujours préférable en termes généraux d’utiliser les EMR pour une meilleure compréhension des sujets. Lors de l’utilisation de MRE, il n’y avait pas de score inférieur à 7,5 chez aucun des étudiants ; On peut donc en déduire qu’il y avait en général une meilleure compréhension des sujets. Enfin, en utilisant l’EMR et avec les commentaires de l’enseignant, il n’y a pas eu de notes inférieures à 8,0, et les scores les plus élevés des 30 élèves ont également été observés, 9,3 et 9,5. Par conséquent, on peut clairement voir les bénéfices que les étudiants ont dans la compréhension des sujets lors de l’utilisation de l’EMR, mais surtout, lorsque des commentaires sont donnés sur le travail effectué dans les pratiques. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

Tableau 2 : Résultats par question à l’aide d’un élève de chaque groupe. Notes aux réponses d’un élève de chaque groupe. Les élèves dont la note était proche de la moyenne du groupe ont été sélectionnés. L’enseignant pourrait attribuer des points aux réponses partiellement correctes. Les étudiants qui ont utilisé l’EMR ont obtenu de meilleurs résultats avec les questions sur les composants électroniques, ce qui suggère que la connaissance des composants dans leurs dimensions et formes réelles (à l’aide de l’ERM) a permis d’améliorer les connaissances théoriques. Les élèves qui ont utilisé l’EMR avec rétroaction, en plus de pouvoir observer les composants tels qu’ils seraient vus dans la réalité, ont reçu l’aide de l’enseignant dans les pratiques de la physique et des composants électroniques. Par conséquent, on peut dire qu’en plus de pratiquer, ils ont eu des heures de conseil, et cela se reflète clairement dans les résultats. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

Dossier complémentaire 1 : Questions posées aux élèves. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Le système EMR permet aux étudiants d’apprendre différents scénarios sur des composants électroniques ou des sujets de physique. Un point important est la possibilité pour l’enseignant de donner son avis. De cette façon, les élèves peuvent savoir ce qu’ils ont fait de mal et pourquoi. Une fois le système EMR développé, une expérience a été menée auprès de 30 étudiants, où 10 étudiants n’ont pas utilisé l’EMR, 10 ont utilisé l’EMR et enfin 10 autres ont utilisé l’EMR et ont reçu un retour de l’enseignant. À la fin des cours, un test de culture générale a été donné à tous les élèves. L’essai n’a pas été modifié pour l’expérience (c’est-à-dire que le même essai est appliqué si les cours sont purement théoriques ou si des pratiques de laboratoire sont appliquées). Les pratiques ne sont qu’un complément pour mieux comprendre la théorie et ainsi avoir une meilleure compréhension générale du sujet. Le test est constitué de réponses écrites montrant des calculs, et l’enseignant peut noter avec des demi-points au cas où la réponse serait partiellement correcte.

Grâce à l’utilisation de l’ERM, les élèves ont obtenu une meilleure moyenne générale, la meilleure moyenne observée lorsqu’il y avait un retour de l’enseignant. De la même manière, un point important est l’écart-type. L’objectif d’un cours est que la majorité des étudiants, ou idéalement tous, acquièrent le plus grand nombre de connaissances. En raison de l’utilisation de MRE, une plus petite dispersion des scores peut être observée, ce qui prouve que les connaissances sur les sujets ont été comprises par un plus grand nombre d’étudiants.

Lorsque l’on observe en détail les scores de chaque question, l’EMR a un effet plus faible lorsque les questions se concentrent sur des problèmes qui peuvent être analysés à 100% à partir de la théorie. Cependant, dans les sujets d’ingénierie, il est important de connaître à la fois l’équipement et les composants, donc les EMR ont eu un impact positif, et les étudiants qui ont utilisé les EMR ont mieux répondu aux questions qui couvraient ces sujets. De plus, dans le cas de questions théoriques (telles que la physique), l’EMR est utile lorsque l’on a un retour d’information de l’enseignant, car l’enseignant peut clarifier ces questions en s’appuyant sur un environnement virtuel. La rétroaction des enseignants n’a rien de nouveau ; Cela se produit dans les cours en face à face, il est donc clair que ce feedback est toujours aussi important dans les environnements virtuels.

Le système EMR aide les élèves ingénieurs à réaliser des pratiques de laboratoire à distance. Le monde a changé, et bien qu’il revienne actuellement aux cours en présentiel, chaque jour de plus en plus d’écoles ouvrent des cours 100% en ligne29. Pour faire face à ces changements, des applications ont été créées à l’aide de technologies émergentes. L’une de ces technologies est la RM, dans laquelle il est possible de visualiser les environnements d’étude pour améliorer l’apprentissage. Cependant, la plupart de ces applications sont utilisées dans des environnements médicaux, et peu d’entre elles dans le domaine de l’ingénierie 9,12. D’autre part, les RL ont été salués comme la solution pour les cours d’ingénierie à distance, mais il est nécessaire d’avoir un espace physique et les composants sont très coûteux. Par conséquent, l’investissement pour un RL est très élevé, et ils ne sont pas inclus comme une possibilité pour de nombreuses écoles en Amérique latine19,20.

De la même manière, d’autres travaux ont discuté de la façon dont les laboratoires virtuels et à distance peuvent aider à l’enseignement à distance. Par exemple, ils s’accordent à dire que les coûts sont inférieurs à ceux de la mise en place d’un laboratoire traditionnel. Vergara et al. ont analysé les données de plus de 400 étudiants interrogés sur leur expérience de l’utilisation de la RV et de la RM dans les laboratoires ; 89 % des élèves ont mentionné qu’ils sont adéquats pour compléter l’explication d’un enseignant, mais seulement 11 % ont déclaré que l’utilisation en elle-même est adéquate. Cette technologie à elle seule suffit à comprendre le sujet, bien que le travail n’effectue aucune analyse sur l’impact que l’utilisation de cette technologie a sur la compréhension du sujet au-delà de la question du ressenti de l’élève30. De plus, Wu et al. ont analysé plusieurs travaux qui mentionnent la réalité virtuelle à l’aide d’écrans montés sur la tête (HMD, tels que nous les utilisons dans ce travail). Ils concluent que l’apprentissage immersif basé sur le casque a un meilleur effet sur les performances d’apprentissage que les approches d’apprentissage non immersives31. Malgré cela, Wu et al. ne présentent pas non plus dans quelle mesure la compréhension du sujet peut s’améliorer en utilisant la RV ou la RM ; Ils mentionnent seulement qu’il y a un meilleur apprentissage, en particulier dans les matières scientifiques, comme c’est le cas présenté dans cet article.

D’autre part, Makarova et al. ont expérimenté pour trouver l’effet de la RV dans l’enseignement des services automobiles. Bien que le nombre d’élèves mentionnés soit de 344, ces élèves sont de différents niveaux, ils ont donc des connaissances et des compétences différentes. Les étudiants de leur étude ont entre 19 et 30 ans, contrairement à ce qui est présenté ici, où tous les étudiants ont le même niveau d’études et ont entre 18 et 20 ans. D’autre part, Makarova et al. ont analysé les étudiants utilisant des équipements physiques et virtuels, où 35 étudiants ont utilisé des équipements virtuels (un nombre d’étudiants pas très différent de notre expérience). Ils concluent que les technologies de RV et d’IRM sont beaucoup plus efficaces que les méthodologies traditionnelles, ce qui augmente l’intérêt des étudiants pour l’apprentissage32. En outre, d’autres travaux mentionnent que l’utilisation de systèmes virtuels permet d’enseigner les sciences et les langues, voire d’analyser l’utilisabilité des différentes approches et de l’ergonomie, ce qui n’entre pas dans le cadre de ce travail33,34.

D’autres travaux, tels que Loetscher et al., ont analysé le bon outil VR qui devrait être utilisé en fonction du type de test, en particulier pour les tests comportementaux, dans lesquels le temps de réponse est souvent essentiel pour l’analyse des données. Ils mentionnent que les systèmes de RV sur les téléphones portables ont un faible temps de réponse35, bien que pour l’expérience montrée dans cette étude, le temps de réponse n’influence pas l’examen appliqué aux étudiants. De plus, il est nécessaire d’analyser le coût de la mise en place d’un laboratoire avec un équipement spécialisé par rapport au temps de réponse souhaité pour obtenir la faisabilité. Il est clair que certaines expériences seront cruciales pour réduire les limitations du matériel, mais ce n’est pas le cas pour ce travail.

Par conséquent, nous croyons fermement que ce travail complète les études qui ont été menées jusqu’à présent. De nombreux travaux ont montré que l’utilisation des technologies virtuelles aide à l’apprentissage et à l’intérêt, cependant, ils n’ont pas essayé de démontrer l’impact réel que cela peut avoir sur l’apprentissage. Bien que le nombre d’étudiants utilisés dans l’expérience soit faible, nous avons veillé à ce que tout le monde ait le même niveau de connaissances et de compétences (autant que possible) et que le même sujet soit enseigné à tous, en essayant d’éliminer toute composante externe qui aurait pu affecter les résultats. L’examen appliqué était le même, ce qui a permis de quantifier (dans un petit échantillon) l’amélioration que les étudiants ont en utilisant les technologies virtuelles pour compléter la théorie vue en classe.

Grâce aux MRE, il est possible de réaliser des pratiques de laboratoire pour l’ingénierie à faible coût et avec un investissement minimum pour les écoles. Il suffit d’un téléphone portable Android de 2019 ou plus tard et d’une base en bois pour l’étalonnage, ce qui le rend beaucoup plus accessible pour les écoles des pays en développement. Il convient de mentionner qu’il est nécessaire de suivre une série d’étapes pour utiliser le système EMR. Sans aucun doute, l’étape critique pour le bon fonctionnement du système est la configuration et l’étalonnage du système VR (étape 1). Étant donné que l’ERM utilise les mains comme outils d’application, une erreur dans l’étalonnage empêcherait de poursuivre l’exécution des scénarios. De plus, il est important d’utiliser la base avec l’image pour le calibrage. L’image est utilisée pour dimensionner l’environnement et détecter la main dans l’espace.

Par conséquent, il est clair qu’une limite du projet présenté est d’avoir une base avec l’image pour l’étalonnage. Pour l’expérience présentée, il a fallu fabriquer une base pour chaque élève. Bien qu’une fois calibré, il était assez facile de reproduire et de jouer les scénarios, il convient de mentionner qu’il est complexe de créer de nouveaux scénarios. Par conséquent, un long temps de développement est nécessaire pour chaque pratique qui doit être développée.

Cependant, un point de différenciation avec les RL ou d’autres technologies MR est le faible coût de l’équipement et du matériel nécessaires. N’importe quel téléphone Android peut être utilisé comme outil pour effectuer les pratiques, bien que l’une des limites soit l’obtention de l’image d’étalonnage ; Pourtant, il peut être imprimé de manière traditionnelle et aucun équipement spécial n’est nécessaire. Par conséquent, l’accès aux scénarios déjà développés a un faible coût. Grâce à l’utilisation d’une telle technologie accessible, les EMR peuvent également être utilisées dans d’autres domaines, et pas seulement dans les pratiques de laboratoire. Principalement, lors de la formation du personnel pour les entreprises, lorsqu’un nouvel employé arrive, il est souvent nécessaire d’arrêter ou de réduire la production pour enseigner l’utilisation des machines. Par conséquent, les EMR peuvent être adaptés pour développer des environnements de ligne de production.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents connus ou de relations personnelles qui auraient pu sembler influencer les travaux rapportés dans cet article.

Acknowledgments

Cette étude a été parrainée par le campus de l’Université panaméricaine de Guadalajara. Nous remercions les étudiants en génie mécatronique d’avoir contribué à l’expérience.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Garlinska, M., Osial, M., Proniewska, K., Pregowska, A. The influence of emerging technologies on distance education. Electronics. 12 (7), 1550 (2023).
  5. Parmaxi, A. Virtual reality in language learning: A systematic review and implications for research and practice. Interactive Learning Environments. 31, 172-184 (2023).
  6. Milgram, P., Kishino, F. A taxonomy of mixed reality visual displays. IEICE Transactions on Information and Systems. 77 (12), 1321-1329 (1994).
  7. Zaghloul, M. A. S., Hassan, A., Dallal, A. Teaching and managing remote lab-based courses. ASEE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings. , (2021).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Sinou, N., Sinou, N., Filippou, D. Virtual reality and augmented reality in anatomy education during COVID-19 pandemic. Cureus. 15 (2), (2023).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Halabi, O. Immersive virtual reality to enforce teaching in engineering education. Multimedia Tools and Applications. 79 (3-4), 2987-3004 (2020).
  18. Borish, V. Undergraduate student experiences in remote lab courses during the COVID-19 pandemic. Physical Review Physics Education Research. 18 (2), 020105 (2022).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Guerrero-Osuna, H. A., et al. Implementation of a MEIoT weather station with exogenous disturbance input. Sensors. 21 (5), 1653 (2021).
  25. Unity Technologies. , Available from: https://unity.com/ (2023).
  26. About AR Foundation. Unity Technologies. , Available from: https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.xr.arfoundation@4.1/manual/index.html (2020).
  27. Manomotion. , Available from: https://www.manomotion.com/ (2022).
  28. Create immersive VR experiences. Alphabet Inc. , Available from: https://developers.google.com/cardboard (2021).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Cho, Y., Park, K. S. Designing immersive virtual reality simulation for environmental science education. Electronics. 12 (2), 315 (2023).
  34. 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).
  35. 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).

Tags

Ingénierie Numéro 196 Cours en ligne Ingénierie Pandémie de COVID-19 Changements dans le secteur de l’éducation Pratiques de laboratoire Leçons théoriques Système de réalité mixte MRE Expérience des étudiants Commentaires des enseignants Avantages de la réalité mixte dans l’éducation Amélioration des connaissances dans les matières d’ingénierie Amélioration des notes Importance de la rétroaction dans les systèmes de réalité virtuelle
Mise en œuvre de la réalité mixte pour l’éducation (MRE) et résultats dans les cours en ligne pour l’ingénierie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Valdivia, L. J., Del-Valle-Soto, C., … More

Valdivia, L. J., Del-Valle-Soto, C., Castillo-Vera, J., Rico-Campos, A. Mixed Reality for Education (MRE) Implementation and Results in Online Classes for Engineering. J. Vis. Exp. (196), e65091, doi:10.3791/65091 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter