Summary
이 작업에서는 학생들이 온라인 수업을 보완하는 실험실 실습을 개발할 수 있도록 MRE라는 혼합 현실 시스템을 개발했습니다. 30명의 학생을 대상으로 실험을 수행했습니다. 10명의 학생은 MRE를 사용하지 않았고, 10명은 MRE를 사용했으며, 10명은 교사 피드백을 통해 MRE를 사용했습니다.
Abstract
COVID-19 팬데믹은 많은 산업을 변화시켜 일부 부문에 힘을 실어주고 다른 많은 부문을 사라지게 했습니다. 교육 부문도 큰 변화에서 예외는 아닙니다. 일부 국가나 도시에서는 최소 1년 동안 수업이 100% 온라인으로 진행되었습니다. 그러나 일부 대학 경력은 특히 공학 분야에서 학습을 보완하기 위해 실험실 실습이 필요하며 온라인으로 이론 수업만 하면 지식에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 이유로 이 작업에서는 학생들이 온라인 수업을 보완하는 실험실 실습을 개발할 수 있도록 MRE(Mixed Reality for Education)라는 혼합 현실 시스템을 개발했습니다. 30명의 학생을 대상으로 실험을 수행했습니다. 10명의 학생은 MRE를 사용하지 않았고, 10명은 MRE를 사용했으며, 10명은 교사 피드백을 통해 MRE를 사용했습니다. 이를 통해 교육 부문에서 혼합 현실의 이점을 볼 수 있습니다. 결과는 MRE를 사용하는 것이 공학 과목에 대한 지식을 향상시키는 데 도움이 된다는 것을 보여줍니다. 학생들은 그것을 사용하지 않은 학생들보다 10%에서 20% 더 나은 성적으로 자격을 취득했습니다. 무엇보다도, 이 결과는 가상 현실 시스템을 사용할 때 피드백의 중요성을 보여줍니다.
Introduction
기술은 항상 교육 부문에 존재해 왔습니다. 수업을 가르치는 데 사용되는 장치에 큰 변화가 일어났습니다. 그러나 대면 수업은 여전히 학생과 교사가 선호하는 옵션입니다. 팬데믹이 닥쳤을 때 모든 부문이 바뀌었고 교육도 예외는 아니었습니다. 팬데믹 이전인 2018년에는 학위를 공부한 학생의 35%만이 적어도 하나의 온라인 수업을 들었다고 보고했습니다. 즉, 65%의 학생이 직접 학업을 마쳤습니다1. 2020년 4월부터 정부 명령(멕시코)에 따라 모든 공립 및 사립 학교는 대면 수업을 가르치는 것이 금지되었습니다. 이러한 이유로 학생의 100%가 원격 수업을 들어야 했습니다. 대학은 화상 통화, 수업 준비, 숙제 관리 등을 위한 도구를 사용하여 가장 먼저 행동에 나섰습니다. 대학 연령(18세에서 25세 사이)의 사람들은 태어날 때부터 기술을 접해 온 사람들이기 때문에 이것은 의미가 있습니다.
일부 수업은 가상으로 완전히 조정할 수 있습니다. 그러나 실험실 실습은 원격으로 수행하기가 복잡하고 학생들은 필요한 자료를 가지고 있지 않아 종종 비용이 많이 듭니다. 온라인 수업이 지식의 질에 미치는 영향은 불분명하며, 일부 연구에 따르면 온라인 수업은 일반적으로 대면 수업보다 학생 성과가 더 나쁘다2. 그러나 한 가지 확실한 것은 학생들이 업계에서 경험하게 될 것에 더 가까이 다가갈 수 있는 실험실 관행을 수행하지 않으면 전문적인 성과에 부정적인 영향을 미칠 것이라는 것입니다. 따라서 실제 경험의 중요성은 현재의 공학 교육 3,4,5에서 필요합니다. 이러한 이유로 이러한 문제를 완화하기 위해 새로운 기술이 사용되고 있습니다. 그 중에는 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 및 혼합 현실(MR)이 있습니다. VR은 완전히 몰입할 수 있는 디지털 환경을 만들 수 있는 기술인 반면 AR은 실제 환경에 가상 물체를 오버레이한다는 점을 언급하는 것이 중요합니다. 반면에 MR은 가상 객체를 사용할 뿐만 아니라 이러한 객체를 현실 세계에 고정하여 상호 작용할 수 있도록 합니다. 따라서 MR은 VR과 AR6의 조합입니다. 한편, 일부 조직에서는 실제 장비가 존재하지만 원격으로 제어할 수 있는 원격 실험실을 개발하기 위해 노력하기도 했다7.
MR이라는 용어는 1994년으로 거슬러 올라갑니다. 그러나 지난 5년 동안 메타버스6와 같은 환경 개발에 노력을 집중한 대기업 덕분에 특히 중요해졌습니다. MR은 다양한 영역에 적용할 수 있습니다. 가장 일반적인 두 가지는 훈련과 교육입니다. 교육은 MR의 큰 원동력 중 하나였습니다. 회사가 신입 사원을 교육하기 위해 생산 라인을 중단하거나 위험한 환경에서 수행하는 것은 비용이 많이 들고 현장에서 교육을 수행하는 것이 쉽지 않습니다. 교육도 그리 멀지 않습니다. 대면 수업은 거의 변하지 않았지만 MR을 수업 8,9에 통합하려는 많은 노력이 있습니다. 교육의 경우 완전한 교육을 받기 위해 실험실 실습을 수행해야 하는 전문 직업이 있습니다. 기존의 많은 연구와 연구는 VR, AR 및 MR이 중요한 역할을 하는 의학 분야입니다. 여러 논문에서 MR이 외과 및 의학 과목에서 전통적인 교수법을 능가하는 방법을 보여주며, 실습은 학생 개발에 분명한 이점이 있습니다 10,11,12,13,14.
그러나 엔지니어링 문제에 대한 연구의 양은 동일하지 않습니다. 일반적으로 엔지니어링 경력에서 학생은 실습으로 보완되는 이론 수업을 듣습니다. 이와 같이 MR과 VR에 대한 연구가 공학 교육학의 이점을 보여주고있다 12. 그러나 이러한 연구 중 일부는 환경의 복잡성과 사용 된 도구를 분석하는 데 중점을 둡니다 8,15. Tang et al.은 다양한 분야와 지식을 가진 학생들이 기하학적 해석과 창의성에 대한 이해를 향상시키기 위해 MR을 사용하는 연구를 고안했습니다16. 후속 테스트에서 MR을 사용하여 수업을 들은 사람들은 더 빨리 완료하여 MR이 학습에 긍정적인 영향을 미친다는 것이 분명해졌습니다16. 또한 Halabi는 공학 교육에서 VR 도구를 사용하는 방법을 보여주었습니다. MR은 아니지만 교육에 사용할 수 있는 도구를 보여줍니다. 공학 수업17에서 VR을 도입하는 것이 가능하다는 것을 보여주는 실제 사례 연구를 만듭니다.
반면에 원격 실험실(RL)은 학생들이 마치 기존 실험실에 있는 것처럼 원격으로 실습을 수행할 수 있도록 하는 소프트웨어와 하드웨어로 구성된 기술 도구입니다. RL은 일반적으로 인터넷을 통해 액세스되며, 일반적으로학생들이 필요한 횟수만큼 학습한 내용을 자율적으로 실천해야 할 때 사용됩니다. 그러나 COVID-19가 도래함에 따라 기존 실험실을 대체하고 온라인 수업18 중에 실습을 수행할 수 있게 되었습니다. 위에서 언급했듯이 RL에는 물리적 공간(기존 실험실)과 원격으로 제어할 수 있는 요소가 필요합니다. VR의 등장으로 실험실은 가상으로 모델링되었으며 물리적 메커니즘을 통해 실험실의 요소를 제어할 수 있습니다19. 그러나 RL을 갖는 것은 매우 비싸기 때문에 특히 개발 도상국의 많은 학교에 방해가 됩니다. 일부 연구에서는 비용이 $50,000에서 $100,000 사이일 수 있다고 언급합니다20,21.
더욱이 팬데믹이 시작된 이래로 빠르게 변화해야 했습니다. RL의 경우, 전통적인 실험실을 대체하기 위해 각 학생의 집으로 키트를 보내려는 시도가 있었습니다. 그러나 연구에 따르면 각 키트의 비용은 약 $70018,22인 것으로 나타났기 때문에 비용 문제가 있었습니다. 그럼에도 불구하고 연구에서는 비싸고 구하기 어려운 구성 요소를 사용했습니다. 팬데믹은 전 세계 교육에 영향을 미쳤으며 실험실을 자동화하거나 키트를 구입하기 위해 수천 달러를 지출할 수 있는 사람은 많지 않았습니다. 대부분의 연구는 대면 수업을 고려하고 MR로 보완합니다. 그러나 최근 몇 년 동안 COVID-19로 인해 수업이 온라인으로 진행되었으며 MR 및 저렴한 장치를 사용한 가상 수업의 개선을 보여주는 작품은 일부에 불과합니다23,24.
지금까지 존재하는 연구는 주로 의학에 초점을 맞추고 있으며 공학에 대한 정보는 거의 없습니다. 그러나 의심할 여지 없이 가장 큰 기여와 차이점은 우리의 실험이 6개월 동안 수행되었으며 가상 모델을 사용하지 않은 동일한 특성을 가진 피험자와 비교된 반면 대부분의 이전 연구는 단일 기술이나 절차를 비교하기 위해 짧은 실험을 수행했다는 것입니다. 그들은 몇 달 동안 그것들을 적용하지 않았습니다. 따라서 본 논문은 대학 과목에서 MR을 사용하여 할 수 있는 학습의 차이를 보여줍니다.
이러한 이유로 이 작업은 전자 공학에 중점을 둔 대학에서 실험실 실습을 수행하는 데 도움이 되는 MR 시스템의 개발 및 결과를 보여줍니다. 장치 비용을 낮게 유지하여 일반 대중이 접근할 수 있도록 하는 데 특히 중점을 둔다는 점을 언급하는 것이 중요합니다. 세 그룹이 서로 다른 교수법을 사용하며 수업 주제에 대한 시험이 실시됩니다. 이러한 방식으로 MR을 사용하여 원격 교육의 주제를 이해하는 결과를 얻을 수 있습니다.
이 연구에서 설명하는 프로젝트는 MRE(Mixed Reality for Education)라고 불리며, 학생들이 스마트폰으로 VR 안경을 사용하는 플랫폼으로 제안됩니다(즉, 특별한 VR 안경을 사용하지 않음). 혼합 현실 시스템인 가상 및 실제 개체를 사용하기 때문에 학생들이 자신의 손을 사용하여 가상 환경 및 실제 개체와 상호 작용할 수 있는 작업 공간이 만들어집니다. 이 작업 공간은 모든 가상 객체가 표시되고 상호 작용하는 이미지가 있는 베이스로 구성됩니다. 만들어진 환경은 엔지니어링 경력을 위한 전자 부품 및 물리학을 보여주기 위해 실험실 실습을 수행하는 데 중점을 둡니다. 학생들에게 피드백을 제공해야 할 필요성을 강조하는 것이 중요합니다. 이러한 이유로 MRE는 관리자(일반적으로 교사)가 활동을 평가하기 위해 수행되는 작업을 볼 수 있는 피드백 시스템을 통합합니다. 이러한 방식으로 학생이 수행한 작업에 대한 피드백을 제공할 수 있습니다. 마지막으로 온라인 수업에서 MR을 사용할 때 장점이 있는지 확인하는 것이 작업의 범위입니다.
이를 위해 세 그룹의 학생들과 함께 실험을 수행했습니다. 각 그룹은 10명의 학생(총 30명)으로 구성되었습니다. 첫 번째 그룹은 MRE를 사용하지 않고 운동량 보존 원리와 전자 부품에 대한 이론(온라인 수업)만 수강했습니다. 두 번째 그룹은 피드백 없이 MRE를 사용했고, 세 번째 그룹은 교사의 피드백과 함께 MRE를 사용했습니다. 모든 학생들이 동일한 학교 수준을 가지고 있다는 점을 언급하는 것이 중요합니다. 그들은 같은 학기에 같은 직업을 가진 대학생으로 메카트로닉스 공학을 공부하고 있습니다. 실험은 학위 2학기에 물리학 및 전자 입문이라는 단일 과정에 적용되었습니다. 즉, 학생들이 대학에 다닌 지 1년 미만이었습니다. 따라서 수업에서 다루는 주제는 엔지니어링 관점에서 기본으로 간주될 수 있습니다. 실험은 30명의 학생을 대상으로 수행되었는데, 이는 실험이 승인된 수업에 등록한 학생 수였기 때문입니다. 선정된 수업(물리학 및 전자공학 입문)은 이론 및 실습이 있었지만 팬데믹으로 인해 이론 수업만 진행되었습니다. 학생들은 실습이 일반 학습에 미치는 영향과 MR 수업이 대면 실습을 대체할 수 있는지 알아보기 위해 세 그룹으로 나뉘었습니다.
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Protocol
이 프로토콜은 Panamerican University 윤리 위원회의 지침을 따릅니다. 실험은 18세에서 20세 사이의 총 30명의 학생을 대상으로 수행되었습니다. 여학생 8명, 남학생 22명으로 모두 멕시코 과달라하라(멕시코에서 두 번째로 큰 도시)에 있는 팬아메리칸 대학교에 다녔다. 모든 참가자는 정보에 입각한 동의 절차를 완료하고 데이터 수집 중에 사진을 찍고 게시할 수 있도록 서면 허가를 제공했습니다. 유일한 요구 사항은 학생들이 스마트 폰을 가지고 있어야한다는 것이었고 아무런 문제가되지 않았습니다. 따라서 실험에 대한 제외 기준이 없었습니다.
1. VR 시스템 설정 및 보정
참고: 이 단계는 ~10분이 소요됩니다.
- 시스템에 운영 체제 버전 10 이상이 설치된 Android 휴대폰, VR 박스 안경, 보정 이미지가 있는 나무 받침대(그림 1)와 같은 모든 구성 요소가 포함되어 있는지 확인합니다( 재료 표 참조).
- 휴대폰에서 MRE 애플리케이션을 열고 Unity, AR Foundation, Google Cardboard 및 ManoMotion 서비스25,26,27,28을 로드합니다. MRE 응용 프로그램은 자체 개발되었습니다. Android용으로 개발되었으며 공개되지 않았습니다.
- VR 안경에 휴대폰을 삽입하고 안경을 착용합니다.
- MRE 프로토타입 밑면의 중심( 그림 1의 파란색 사각형)을 시각적으로 찾습니다.
- 시뮬레이션이 나타나면 손을 뻗어 뷰의 가운데에 놓습니다.
참고: 이 순간부터 사용자는 손 제스처를 만들어 시뮬레이션된 환경과 상호 작용할 수 있습니다.
2. 사용자 준비
참고: 이 단계는 ~5분 정도 걸립니다.
- VR 안경을 착용하지 않은 경우 그림 2와 같이 MRE 애플리케이션을 엽니다.
- 로그인만 하면 되도록 응용 프로그램이 사용자 모드에서 시작되는지 확인합니다.
- 사용자가 수행할 시나리오를 선택합니다. 전자 부품과 물리학의 두 가지 시나리오가 있습니다.
- 재생을 누릅니다. 사용자는 VR 안경을 착용하는 데 30초가 주어집니다.
3. 시나리오 실행
참고: 이 단계는 ~15분 정도 걸립니다.
- 시나리오 1: 전자 부품
- 빨강, 초록, 파랑 색상을 사용하여 구성요소를 배치할 영역을 찾습니다. 이렇게 하면 이 장면의 6개 상호 작용 영역, 즉 가상 전자 부품을 가져오는 3개의 영역과 구성 요소를 드롭하는 3개의 영역이 구분됩니다( 그림 3 참조).
- 구성 요소를 가져 와서 올바른 위치에 배치하십시오. 올바른 위치는 구성 요소와 이론적으로 보이는 것에 따라 다릅니다. 예를 들어, 이론적으로는 방열판을 배치하는 방법을 설명하고 MRE에서는 배치를 연습합니다.
- 모든 구성 요소가 제자리에 있을 때까지 계속합니다.
- 시나리오 2: 물리학
- 시나리오와 관련된 두 대의 자동차를 찾습니다(그림 4).
- 각 차량의 속도를 선택합니다.
- 충돌 후의 그래프를 시각화합니다.
4. 관리 보기
- 기본 화면에서 MRE 모드 ( 그림 2 참조)를 누르고 관리자 옵션을 선택합니다.
- 계정에 관리자로 액세스할 수 있는 권한이 있는지 확인하려면 로그인하십시오.
참고: 각 시나리오에서 얻은 학생 목록과 성적을 볼 수 있습니다.
5. 학생 결과
- 관리자로 로그인하여 원하는 학생의 이름을 클릭하고 시나리오 성적 정보가 포함된 표를 봅니다.
- 학생 이름을 클릭하고 성적을 CSV로 다운로드를 선택합니다. 이렇게 하면 모든 결과가 쉼표로 구분된 파일로 표시됩니다.
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Representative Results
이 섹션에서는 실험에서 얻은 결과를 보여 줍니다. 먼저 실험이 어떻게 수행되었는지에 대한 몇 가지 세부 사항을 설명한 다음 실험 학생에 대해 수행된 테스트를 보여주고 테스트 결과를 제시합니다. 마지막으로, 각 그룹의 학생 1명을 사용한 분석에 대해 설명합니다.
팬데믹이 공학 교육에 가져온 가장 큰 문제 중 하나는 학생들이 습득한 지식에 직접적인 영향을 미치는 대면 실험실 실습을 수행할 수 없다는 것이었습니다. 이 기사에서 개발한 프로젝트가 영향을 미치는지 분석하기 위해 세 그룹의 학생을 대상으로 실험을 수행했습니다. 각 그룹은 10명의 학생으로 구성되었습니다. 첫 번째 그룹은 MRE를 사용하지 않고 대신 운동량 보존 원리와 전자 부품에 대한 이론(온라인 수업)만 수강했습니다. 두 번째 그룹은 피드백 없이 MRE를 사용했고, 마지막으로 세 번째 그룹은 교사의 피드백과 함께 MRE를 사용했습니다. 모든 학생들이 같은 학교 수준을 가지고 있다는 점을 언급하는 것이 중요합니다. 그들은 모두 같은 학기에 같은 직업을 가진 대학생으로 메카트로닉스 공학을 공부했습니다. 그들은 모두 멕시코 과달라하라(멕시코에서 두 번째로 큰 도시)에 있는 팬아메리칸 대학교의 학생들이었습니다. 실험은 학위 2학기에 물리학 및 전자 입문이라는 단일 과목에 적용되었습니다(즉, 대학에 입학한 지 1년 미만인 학생이었습니다. 따라서 수업에서 다루는 주제는 공학적 관점17에서 기본으로 간주될 수 있다.
실험이 수행된 과목(물리학 및 전자공학 입문)은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다: (1) 과목 기간은 한 학기였습니다. (2) 한 학기 동안 두 번의 시험이 있었고(즉, 수업 10주마다 시험이 열렸음), 이러한 각 시험 또는 10주 기간을 "부분"이라고 합니다. (3) 매주 6시간의 수업이 있었고 수업당 2시간씩 3일로 나뉩니다. 일주일 동안 이론 4 시간과 실습 2 시간을 가르쳤습니다. 위에서 언급한 특성이 팬데믹 이전에 수행된 것임을 언급하는 것이 매우 중요합니다. 팬데믹 기간 동안 온라인 수업이 진행되었습니다. 따라서 일주일에 2시간의 실습을 수행할 수 없었고, 상담과 문제 해결로 대체되었습니다. 이러한 이유로 온라인 수업에서는 연습이 수행되지 않았습니다.
우리의 실험은 수업에서 확립된 것을 가능한 한 적게 수정하려고 노력했습니다. MRE 시스템은 연습 시간(주 2시간)에 도입되었으며, 시스템을 사용하지 않는 학생들은 조언과 문제 해결을 계속했습니다. 이론의 4 시간은 우리의 실험에 의해 전혀 수정되지 않았습니다. 마찬가지로 MRE를 사용한 학생들은 실습 수업 중 하나를 사용하여 시스템 작동을 설명했습니다. 또한 MRE에는 전자 부품과 물리학 개념의 두 가지 환경이 있습니다. 실험은 물리학 실습 및 전자 부품 실습을 포함하는 부분(10주) 동안 수행되었습니다. 이 기간 동안 MRE에서 6 개의 실습 (물리학 3 개, 전자 부품 3 개)이 수행되었습니다. 마지막으로, MRE를 사용하는 두 그룹이 있었습니다. 한 명은 교사의 피드백을 받지 못했고 다른 한 명은 피드백을 받았습니다. 피드백이 없는 학생들에게는 연습 대본을 주었고, 마지막에 교사는 MRE 시스템에서 0에서 10까지의 등급을 할당했지만 더 이상의 설명은 제공되지 않았습니다. 반면에 피드백이 있는 그룹에서는 연습 중에 교사가 지도했습니다. 시스템에 소리가 포함되어 있지 않고 귀가 가려져 있기 때문에 교사는 학생과 동시에 시뮬레이션을 관찰할 수 있으므로 교사는 시뮬레이션 중에 학생과 대화하여 오류와 해당 오류의 이유를 표시하여 학생을 안내했습니다.
이 실험에서는 테스트가 편집되지 않았다는 점을 언급하는 것이 중요합니다. 즉, 현재 실험이 수행되지 않은 경우 테스트는 학생들에게 동일했을 것입니다. 시험에는 14개의 문항이 출제된 순서와 동일한 보충 파일 1 에 나열되어 있습니다.
시험의 각 문항은 성적에서 동일한 가중치를 가졌지만, 교사는 학생의 응답에 따라 각 문항에 점수의 일부를 할당할 수 있었습니다. 이것은 교사의 재량에 달려 있었습니다. 표 1 은 각 학생의 성적을 보여주며, 0은 최악의 성적이고 10은 최고의 성적입니다. 마지막에는 각 그룹의 평균이 표시됩니다.
반면에 그림 5 는 그룹별로 구분된 각 학생의 점수를 그래픽으로 보여줍니다. 이러한 방식으로 실험에서 얻은 결과를 더 쉽게 시각화할 수 있습니다. 표 2 는 각 그룹에서 한 명의 학생을 대상으로 각 질문의 결과를 보여줍니다.
그림 1: MRE 주요 재료. MRE 시스템은 기본 이미지가 붙어있는 단순한 8인치 x 8인치 정사각형 나무 조각으로 구성됩니다. 이미지는 크기가 3인치 x 3인치인 중앙 로고로 구성됩니다. 나머지 공간은 연한 파란색 배경에 진한 파란색을 사용하여 1 in x 1 in 아이콘으로 무작위로 배치됩니다. 또한 VR 박스와 Android 휴대폰이 상자에 삽입됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: MRE 응용 프로그램 . (A) 사용자 또는 관리자 중에서 선택하는 버튼입니다. 기본적으로 사용자로 시작됩니다. (B) 등록/로그인 옵션. (C) 시나리오 구성을 계속하는 버튼입니다. (D) 이전 화면으로 돌아갑니다. (F) 현재 자격; 처음 "재생"하는 경우 0으로 표시됩니다. (G) 선택한 시나리오로 시작합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 전자 부품 시나리오. 색상은 이 장면의 6개 상호 작용 영역, 즉 구성 요소를 가져오는 3개의 영역과 구성 요소를 드롭하는 3개의 영역을 구분합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 물리학 시나리오. 두 번째 자동차가 밀리는 힘을 조절하기 위해 구형 시작 버튼(녹색)과 입방체 버튼(하늘색) 외에도 서로 마주보는 두 대의 자동차가 만들어집니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 각 학생의 점수와 그룹별로 구분된 표준 편차. 학생당 성적 및 사용된 기술; 각 그룹의 표준 편차가 옆에 표시됩니다. 총 30명의 학생이 있으며, 각 학습 방법마다 10명씩 있으며, 각 그룹의 각 학생에게는 1에서 10까지의 번호가 할당되었습니다. MRE를 사용하지 않으면 점수가 훨씬 더 분산된다는 것을 분명히 알 수 있는 일반적인 편차를 언급하는 것이 중요합니다. 이 학생들은 온라인 수업만 받았기 때문에 각 학생이 지불하는 관심은 매우 다양하며 이는 얻은 점수에서 볼 수 있습니다. 반면에 MRE를 사용할 때 분산이 훨씬 적습니다. 또한 MR 기술에 피드백이 추가되면 분산이 줄어들어 일부 학생뿐만 아니라 모든 학생이 더 잘 이해한다는 것을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 1: 세 그룹에 대한 지식 테스트 결과. 이 표는 학생들이 치른 모든 시험 결과를 보여줍니다. 총 30명의 학생이 있으며, 각 학습 방법마다 10명씩 있으며, 각 그룹의 각 학생에게는 1에서 10까지의 번호가 할당되었습니다. MRE를 사용하고 교사의 피드백이 있을 때 가장 좋은 평균을 얻었다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 피드백이 없더라도 주제를 더 잘 이해하기 위해 MRE를 사용하는 것이 일반적인 측면에서 더 나은 옵션입니다. MRE를 사용할 때 어떤 학생도 7.5점 미만의 점수는 없었습니다. 따라서 일반적으로 주제에 대한 더 나은 이해가 있었다고 추론할 수 있습니다. 마지막으로 MRE를 사용하고 교사의 피드백을 받은 결과 8.0 미만의 점수는 없었으며 30명의 학생 중 가장 높은 점수인 9.3점과 9.5점도 나타났습니다. 따라서 MRE를 사용할 때 학생들이 주제를 이해하는 데 있어 얻을 수 있는 이점, 무엇보다도 실습에서 수행된 작업에 대한 피드백이 제공될 때 분명히 알 수 있습니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
표 2: 각 그룹에서 한 명의 학생을 사용한 질문당 결과. 각 그룹의 학습자 답안을 채점합니다. 그룹 평균에 가까운 성적을 가진 학생을 선택했습니다. 교사는 부분적으로 정답을 맞힌 것에 대해 점수를 부여할 수 있다. MRE를 사용한 학생들은 전자 부품 질문에서 더 나은 결과를 얻었으며, 이는 MRE 사용으로 실제 치수와 모양으로 구성 요소를 아는 것이 이론적 지식을 향상시키는 데 도움이 되었음을 시사합니다. 피드백과 함께 MRE를 사용한 학생들은 실제로 보이는 것처럼 구성 요소를 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 물리학 및 전자 부품 실습에서 교사의 도움을 받았습니다. 따라서 연습 외에도 조언 시간이 있었다고 할 수 있으며, 이는 결과에 명확하게 반영됩니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: 학생들에게 제시된 질문. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
MRE 시스템을 통해 학생들은 전자 부품 또는 물리학 주제에 대해 배울 수 있는 다양한 시나리오를 사용할 수 있습니다. 중요한 점은 교사가 피드백을 제공할 수 있다는 것입니다. 이런 식으로 학생들은 자신이 무엇을 잘못했고 왜 잘못했는지 알 수 있습니다. MRE 시스템이 개발됨에 따라 30명의 학생을 대상으로 실험을 수행했는데, 10명의 학생은 MRE를 사용하지 않았고, 10명은 MRE를 사용했으며, 마지막으로 10명은 MRE를 사용하고 교사로부터 피드백을 받았습니다. 수업이 끝날 무렵에는 모든 학생들에게 일반 지식 시험이 주어졌습니다. 테스트는 실험을 위해 수정되지 않았습니다(즉, 수업이 순전히 이론이거나 실험실 실습이 수행되는 경우 동일한 테스트가 적용됩니다. 이러한 관행은 이론을 더 잘 이해하고 주제에 대한 더 나은 일반적인 이해를 갖기 위한 보완물일 뿐입니다. 시험은 계산을 보여주는 필기 답안이며, 교사는 답이 부분적으로 맞을 경우 절반 점수로 채점할 수 있습니다.
MRE를 사용한 덕분에 학생들은 교사의 피드백이 있을 때 볼 수 있는 최고의 평균인 더 나은 일반 평균을 얻었습니다. 마찬가지로 중요한 점은 표준 편차입니다. 수업의 목적은 대다수의 학생들 또는 이상적으로는 모든 학생들이 가장 많은 양의 지식을 얻는 것입니다. MRE를 사용하기 때문에 점수의 더 작은 분산을 관찰할 수 있으며, 이는 더 많은 학생들이 주제에 대한 지식을 이해했음을 증명합니다.
각 질문의 점수를 자세히 관찰할 때 MRE는 이론에서 100% 분석할 수 있는 문제에 질문을 집중할 때 효과가 더 작습니다. 그러나 엔지니어링 주제에서는 장비와 구성 요소를 모두 아는 것이 중요하므로 MRE는 긍정적인 영향을 미쳤으며 MRE를 사용한 학생들은 이러한 주제를 다루는 질문에 더 잘 응답했습니다. 또한 이론적 질문(예: 물리학)의 경우 MRE는 교사가 가상 환경에서 지원하는 이러한 문제를 명확히 할 수 있으므로 교사의 피드백이 있을 때 유용합니다. 교사의 피드백은 새로운 것이 아닙니다. 대면 수업에서 발생하므로 이 피드백은 가상 환경에서도 여전히 중요하다는 것이 분명합니다.
MRE 시스템은 공학 학생들이 원격으로 실험실 실습을 수행할 수 있도록 도와줍니다. 세상이 바뀌었고 현재 대면 수업으로 돌아가고 있지만 매일 더 많은 학교가 100% 온라인 과정을 열고 있습니다29. 이러한 변화에 대처하기 위해 새로운 기술을 사용하여 응용 프로그램을 만들었습니다. 그러한 기술 중 하나는 학습 환경을 시각화하여 학습을 향상시킬 수 있는 MR입니다. 그러나 이러한 응용 프로그램의 대부분은 의료 환경에서 사용되며 엔지니어링 9,12에서는 거의 사용되지 않습니다. 반면에 RL은 원격 공학 수업을 위한 솔루션으로 환영받았지만 물리적 공간이 필요하고 구성 요소가 매우 비쌉니다. 따라서 RL에 대한 투자는 매우 높으며 라틴 아메리카19,20의 많은 학교에 대한 가능성으로 포함되지 않습니다.
같은 방식으로 다른 연구에서는 가상 및 원격 실험실이 원격 교육에 어떻게 도움이 될 수 있는지에 대해 논의했습니다. 예를 들어, 그들은 전통적인 실험실을 설립하는 것보다 비용이 저렴하다는 데 동의합니다. Vergara et al.은 실험실에서 VR 및 MR을 사용한 경험에 대해 묻는 400명 이상의 학생들의 데이터를 분석했습니다. 89%의 학생들이 교사의 설명을 보완하기에 충분하다고 말했지만, 11%만이 사용 자체가 적절하다고 말했습니다. 이 기술만으로도 주제를 이해하기에 충분하지만, 이 기술의 사용이 학생의 감정을 묻는 것 이상으로 주제에 대한 이해에 미치는 영향에 대한 분석은 수행하지 않는다30. 또한 Wu et al.은 헤드 마운트 디스플레이(HMD)를 사용하여 VR을 언급하는 여러 작업을 분석했습니다. 그들은 HMD 기반 몰입형 학습이 비몰입형 학습 접근법보다 학습 성과에 더 나은 영향을 미친다는 결론을 내렸다31. 그럼에도 불구하고 Wu et al.은 VR이나 MR을 사용하여 주제에 대한 이해가 얼마나 향상될 수 있는지 제시하지 않습니다. 그들은 이 논문에서 제시된 경우와 같이 특히 과학 과목에서 더 나은 학습이 있다고 언급할 뿐입니다.
한편, 마카로바(Makarova) 등은 자동차 서비스 교육에 VR이 미치는 영향을 알아보기 위해 실험을 진행했습니다. 언급된 학생 수는 344명이지만 이 학생들은 학년이 다르기 때문에 지식과 기술이 다릅니다. 그들의 연구에 참여하는 학생들은 19세에서 30세 사이이며, 여기에 제시된 것과 달리 모든 학생들이 동일한 수준의 학업을 하고 18세에서 20세 사이입니다. 반면, Makarova et al.은 물리적 및 가상 장비를 사용하여 학생들을 분석했는데, 35명의 학생이 가상 장비를 사용했습니다(많은 수의 학생들이 우리의 실험과 크게 다르지 않음). 그들은 VR과 MR 기술이 전통적인 방법론보다 훨씬 더 효과적이어서 학습에 대한 학생들의 관심을 높인다는 결론을 내렸습니다32. 또한 다른 연구에서는 가상 시스템의 사용이 과학과 언어를 가르치는 데 도움이 된다고 언급하며, 이 작업의 범위를 벗어난 다양한 접근 방식과 인체 공학의 유용성을 분석하기도 합니다33,34.
Loetscher et al.과 같은 다른 연구에서는 테스트 유형, 특히 데이터 분석에 응답 시간이 필수적인 행동 테스트의 경우 테스트 유형에 따라 사용해야 하는 올바른 VR 도구를 분석했습니다. 그들은 휴대 전화의 VR 시스템이 응답 시간이 낮다고 언급하지만(35), 이 연구에서 보여준 실험의 경우 응답 시간은 학생들에게 적용되는 시험에 영향을 미치지 않습니다. 또한 타당성을 얻기 위해 원하는 응답 시간에 대해 특수 장비를 갖춘 실험실 설치 비용을 분석해야 합니다. 하드웨어의 한계를 줄이기 위해 몇 가지 실험이 중요하다는 것은 분명하지만 이 작업의 경우는 그렇지 않습니다.
따라서 우리는 이 작업이 지금까지 수행된 연구를 보완한다고 굳게 믿습니다. 많은 연구에서 가상 기술을 사용하는 것이 학습과 흥미에 도움이 된다는 것을 보여주었지만 학습에 미칠 수 있는 실제 영향을 보여주려고 시도하지는 않았습니다. 실험에 사용된 학생 수는 적지만 모든 사람이 동일한 수준의 지식과 기술을 가지고 있는지 확인했으며(가능한 한 많이) 동일한 주제를 모두에게 가르쳤으며 결과에 영향을 미칠 수 있는 외부 요소를 제거하려고 노력했습니다. 적용된 시험은 동일했기 때문에 학생들이 수업에서 본 이론을 보완하기 위해 가상 기술을 사용하여 향상 된 것을 (작은 샘플로) 정량화 할 수있었습니다.
MRE 덕분에 저렴한 비용과 최소한의 학교 투자로 엔지니어링을 위한 실험실 실습을 수행할 수 있습니다. 2019년 이후의 Android 휴대폰과 보정을 위한 나무 받침대만 있으면 개발도상국의 학교에서 훨씬 더 쉽게 접근할 수 있습니다. MRE 시스템을 사용하려면 일련의 단계를 따라야한다는 점을 언급 할 가치가 있습니다. 의심할 여지 없이 시스템의 올바른 작동을 위한 중요한 단계는 VR 시스템의 구성 및 보정입니다(1단계). MRE는 손을 응용 프로그램 도구로 사용하기 때문에 보정 오류로 인해 시나리오 실행을 계속할 수 없습니다. 또한 보정을 위해 이미지와 함께 베이스를 사용하는 것이 중요합니다. 이미지는 환경의 치수를 측정하고 공간에서 손을 감지하는 데 사용됩니다.
따라서 제시된 프로젝트의 한계는 보정을 위한 이미지가 있는 베이스를 갖는 것임이 분명합니다. 제시된 실험을 위해 각 학생을 위한 기반을 제작해야 했습니다. 일단 보정되면 시나리오를 재현하고 재생하는 것이 매우 쉬웠지만 새로운 시나리오를 만드는 것이 복잡하다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 따라서 개발해야 하는 각 사례에 대해 긴 개발 시간이 필요합니다.
그러나 RL 또는 기타 MR 기술의 차별화 포인트는 필요한 장비 및 재료의 비용이 저렴하다는 것입니다. 모든 Android 휴대전화를 연습을 수행하는 도구로 사용할 수 있지만 한 가지 제한 사항은 보정 이미지를 얻는 것입니다. 그래도 전통적인 방식으로 인쇄할 수 있으며 특별한 장비가 필요하지 않습니다. 따라서 이미 개발된 시나리오에 대한 액세스는 비용이 저렴합니다. 이러한 접근 가능한 기술을 사용함으로써 MRE는 실험실 실습뿐만 아니라 다른 영역에서도 사용할 수 있습니다. 주로 회사의 직원 교육 중에 신입 사원이 합류하면 기계 사용을 가르치기 위해 생산을 중단하거나 줄여야 하는 경우가 많습니다. 따라서 MRE는 생산 라인 환경을 개발하도록 조정할 수 있습니다.
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Disclosures
저자들은 이 논문에 보고된 연구에 영향을 미칠 수 있는 경쟁적인 재정적 이해관계나 개인적 관계를 알지 못한다고 선언합니다.
Acknowledgments
이 연구는 Panamerican University Guadalajara 캠퍼스의 후원을 받았습니다. 실험에 기여해 주신 메카트로닉스 공학과 학생들에게 감사드립니다.
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) |
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