Summary
I dette arbeidet ble et blandet virkelighetssystem kalt MRE utviklet for å hjelpe elevene med å utvikle laboratoriepraksis som utfyller online klasser. Et eksperiment ble utført med 30 studenter; 10 elever brukte ikke MRE, 10 brukte MRE, og 10 flere brukte MRE med tilbakemeldinger fra lærere.
Abstract
COVID-19-pandemien har endret mange bransjer, styrket noen sektorer og fått mange andre til å forsvinne. Utdanningssektoren er ikke fritatt for store endringer; I noen land eller byer ble klasser undervist 100% online i minst 1 år. Noen universitetskarrierer trenger imidlertid laboratoriepraksis for å utfylle læring, spesielt innen ingeniørområder, og å ha bare teoretiske leksjoner på nettet kan påvirke deres kunnskap. Av denne grunn ble det i dette arbeidet utviklet et blandet virkelighetssystem kalt blandet virkelighet for utdanning (MRE) for å hjelpe elevene med å utvikle laboratoriepraksis for å utfylle online-klasser. Et eksperiment ble utført med 30 studenter; 10 elever brukte ikke MRE, 10 brukte MRE, og 10 flere brukte MRE med tilbakemeldinger fra lærere. Med dette kan man se fordelene med blandet virkelighet i utdanningssektoren. Resultatene viser at bruk av MRE bidrar til økt kunnskap i ingeniørfag; Studentene oppnådde kvalifikasjoner med karakterer 10% til 20% bedre enn de som ikke brukte den. Fremfor alt viser resultatene viktigheten av tilbakemelding når du bruker virtuelle virkelighetssystemer.
Introduction
Teknologi har alltid vært til stede i utdanningssektoren; Dyptgripende endringer har skjedd i enhetene som brukes til å undervise klasser. Imidlertid forblir ansikt til ansikt klasser det foretrukne alternativet for studenter og lærere. Da pandemien kom, endret den alle sektorer, og utdanning var intet unntak. I 2018, før pandemien, rapporterte bare 35% av studentene som studerte en grad å ha tatt minst en klasse online; Det vil si at 65% av studentene fullførte studiene iperson 1. Fra april 2020, etter regjeringsordre (meksikansk), var alle offentlige og private skoler forbudt å undervise ansikt til ansikt klasser; Av denne grunn måtte 100% av studentene ta avstandsklasser. Universiteter var de første som handlet, ved hjelp av verktøy for videosamtaler, forberedelse av klasser, leksestyring, etc. Dette er fornuftig, siden folk i universitetsalderen (mellom 18 og 25 år) er mennesker som har vært i kontakt med teknologi siden fødselen.
Noen klasser kan tilpasses fullt ut virtuelt; Laboratoriepraksis er imidlertid komplisert å utføre eksternt, og studentene har ikke det nødvendige materialet, noe som ofte er dyrt. Virkningen som online klasser har på kvaliteten på kunnskapen er uklar, og noen studier viser at online kurs generelt gir dårligere studentprestasjoner enn personlig kurs2. Men en ting er sikkert, ikke å utføre laboratoriepraksis som bringer studentene nærmere det de vil oppleve i bransjen, vil påvirke deres faglige ytelse negativt. Derfor blir betydningen av virkelige erfaringer nødvendig i dagens undervisning i ingeniørfag 3,4,5. Av disse grunnene blir ny teknologi brukt for å redusere disse problemene. Blant dem er virtuell virkelighet (VR), utvidet virkelighet (AR) og blandet virkelighet (MR). Det er viktig å nevne at VR er en teknologi som gjør det mulig å skape et helt oppslukende digitalt miljø, mens AR overlegger virtuelle objekter i det virkelige miljøet. På den annen side bruker MR ikke bare virtuelle objekter, men forankrer også disse objektene til den virkelige verden, noe som gjør det mulig å samhandle med dem. Dermed er MR en kombinasjon av VR og AR6. På den annen side har noen organisasjoner også gjort en innsats for å utvikle eksterne laboratorier, der ekte utstyr eksisterer, men kan styres eksternt7.
Begrepet MR dateres til 1994; de siste 5 årene har det imidlertid fått spesiell betydning, takket være store selskaper som har fokusert sin innsats på å utvikle miljøer, for eksempel Metaverse6. MR kan brukes på forskjellige områder; To av de vanligste er opplæring og utdanning. Trening har vært en av de store driverne for MR; Det er veldig dyrt for et selskap å stoppe en produksjonslinje for å trene nye ansatte, eller i farlige miljøer, og det er ikke lett å gjennomføre opplæring i feltet. Utdanning er ikke langt bak; Selv om ansikt-til-ansikt-klasser har endret seg svært lite, er det stor innsats for å innlemme MR i klassene 8,9. For utdanning er det yrkeskarriere der det er nødvendig å utføre laboratoriepraksis for å ha fullstendig opplæring. Mange eksisterende studier og forskning er innen medisin, med VR, AR og MR som spiller en nøkkelrolle. Flere artikler viser hvordan MR overgår tradisjonelle undervisningsmetoder i kirurgiske og medisinske, hvor praksisen er en klar fordel for å utvikle studenter 10,11,12,13,14.
Det er imidlertid ikke samme mengde forskning på tekniske problemer. Normalt i ingeniørkarrierer har en student teoriklasser supplert med praksis. På denne måten er det studier på MR og VR som viser fordelene i ingeniørpedagogikk12. Noen av disse studiene fokuserer imidlertid på å analysere miljøets kompleksitet og verktøyene som brukes 8,15. Tang et al. utviklet en studie der studenter fra ulike områder og med ulik kunnskap brukte MR for å forbedre sin forståelse av geometrisk analyse og kreativitet16. I en påfølgende test fullførte folk som tok sine klasser ved hjelp av MR raskere, noe som gjør det klart at MR positivt påvirker læring16. Videre viste Halabi bruk av VR-verktøy i ingeniørutdanningen. Selv om det ikke er MR, viser det verktøy som kan brukes til undervisning. Det gjør en reell casestudie for å vise at det er mulig å introdusere VR i ingeniørklasser17.
På den annen side er eksterne laboratorier (RL) teknologiske verktøy sammensatt av programvare og maskinvare som lar elevene eksternt utføre sin praksis som om de var i et tradisjonelt laboratorium. RL-er er vanligvis tilgjengelige via internett, og brukes vanligvis når studentene må selvstendig praktisere det de har lært så mange ganger som de krever18. Imidlertid, med ankomsten av COVID-19, har bruken vært å erstatte tradisjonelle laboratorier og å kunne utføre praksis under online klasser18. Som nevnt ovenfor trenger en RL et fysisk rom (tradisjonelt laboratorium) og elementer som gjør at det kan fjernstyres. Med ankomsten av VR har laboratorier blitt modellert virtuelt, og gjennom fysiske mekanismer kan elementene i laboratoriet styres19. Å ha en RL er imidlertid veldig dyrt, og hindrer mange skoler, spesielt i utviklingsland. Noen studier nevner at kostnadene kan variere mellom $ 50,000 og $ 100,00020,21.
Siden pandemien startet, har dessuten endringer måttet gjøres raskt; Når det gjelder RL, ble det forsøkt å sende sett til hver elevs hjem for å erstatte de tradisjonelle laboratoriene. Det var imidlertid et kostnadsproblem, da studier viste at hvert sett kostet rundt $700 18,22. Likevel brukte studiene dyre og vanskelige å få tak i komponenter. Pandemien påvirket utdanning over hele verden, og ikke mange mennesker kunne bruke tusenvis av dollar for å automatisere et laboratorium eller kjøpe et sett. De fleste studier vurderer ansikt til ansikt klasser og utfyller dem med MR. Imidlertid har klassene de siste årene vært online på grunn av COVID-19, og bare noen arbeider viser forbedring av virtuelle klasser ved hjelp av MR og rimelige enheter23,24.
Forskningen som eksisterer så langt er hovedsakelig fokusert på medisin, med lite informasjon om ingeniørfag. Vi tror imidlertid uten tvil at det største bidraget og forskjellen er at eksperimentet vårt ble utført i 6 måneder og ble sammenlignet med personer med samme egenskaper som ikke brukte virtuelle modeller, mens de fleste tidligere arbeider utførte korte eksperimenter for å sammenligne enkeltteknologier eller prosedyrer; De brukte dem ikke over flere måneder. Derfor viser denne artikkelen forskjellen i læring som kan gjøres ved hjelp av MR i et universitetsfag.
Av denne grunn viser dette arbeidet utviklingen og resultatene av et MR-system for å bidra til å utføre laboratoriepraksis på universiteter med fokus på elektronisk prosjektering. Det er viktig å nevne at det legges spesiell vekt på å holde kostnadene for enheten lave, noe som gjør den tilgjengelig for befolkningen generelt. Tre grupper bruker ulike undervisningsformer, og det gjennomføres eksamen på klassens temaer. På denne måten er det mulig å oppnå resultater på å forstå temaene i fjernundervisning ved hjelp av MR.
Prosjektet forklart i dette arbeidet kalles blandet virkelighet for utdanning (MRE) og er foreslått som en plattform der elevene bruker VR-briller med en smarttelefon (dvs. ingen spesielle VR-briller brukes). Et arbeidsområde er opprettet der elevene kan samhandle med virtuelle miljøer og virkelige objekter ganske enkelt ved å bruke egne hender, på grunn av bruk av virtuelle og virkelige objekter, et blandet virkelighetssystem. Dette arbeidsområdet består av en base med et bilde der alle de virtuelle objektene vises og samhandles med. Miljøet opprettet fokuserer på å gjennomføre laboratoriepraksis for å vise elektroniske komponenter og fysikk for ingeniørkarrierer. Det er viktig å synliggjøre behovet for å gi tilbakemeldinger til studentene. Av denne grunn inkorporerer MRE et tilbakemeldingssystem der en administrator (normalt læreren) kan se hva som blir gjort for å rangere aktiviteten. På denne måten kan det gis tilbakemelding på arbeidet som er gjort av studenten. Til slutt er omfanget av dette arbeidet å sjekke om det er fordeler ved å bruke MR i online klasser.
For å oppnå dette ble eksperimentet utført med tre grupper studenter. Hver gruppe besto av 10 studenter (30 studenter totalt). Den første gruppen brukte ikke MRE, bare tok teori (online klasser) på momentumbevaringsprinsippet og elektroniske komponenter. Den andre gruppen brukte MRE uten tilbakemelding, og den tredje gruppen brukte MRE med tilbakemelding fra en lærer. Det er viktig å nevne at alle elever har samme skolenivå; De er universitetsstudenter i samme semester og med samme karriere, studerer mekatronikk engineering. Eksperimentet ble brukt i et enkelt kurs kalt Introduksjon til fysikk og elektronikk, i andre semester av graden; Det vil si at studentene hadde vært på universitetet i mindre enn 1 år. Derfor kan emnene som dekkes i klassen betraktes som grunnleggende fra et teknisk synspunkt. Forsøket ble utført på 30 studenter, da dette var antall studenter som meldte seg på klassen der eksperimentet ble autorisert. Den utvalgte klassen (Introduksjon til fysikk og elektronikk) hadde teori og laboratoriepraksis, men på grunn av pandemien ble det bare undervist i teoriklasser. Studentene ble delt inn i tre grupper for å se hvilken innvirkning praksisene har på generell læring og om MR-klasser kunne være en erstatning for ansikt til ansikt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollen følger retningslinjene til Panamerican University etiske komité. Eksperimentet ble gjennomført med totalt 30 studenter, mellom 18 og 20 år; åtte studenter var kvinner og 22 var menn, og de gikk alle på Panamerican University i Guadalajara, Mexico (den nest største byen i Mexico). Alle deltakerne fullførte prosessen for informert samtykke og ga skriftlig tillatelse til at bilder ble tatt og publisert under datainnsamlingen. Det eneste kravet var at elevene måtte ha en smarttelefon, noe som ikke var noe problem. Derfor var det ingen eksklusjonskriterier for eksperimentet.
1. VR-systemoppsett og kalibrering
MERK: Dette trinnet tar ~ 10 min.
- Forsikre deg om at systemet inneholder alle komponentene: en Android-telefon med operativsystemversjon 10 eller nyere, VR-boksbriller og en trebunn med kalibreringsbilde (figur 1) (se materialfortegnelse).
- Åpne MRE-applikasjonen på mobiltelefonen og last inn tjenestene Unity, AR Foundation, Google Cardboard og ManoMotion 25,26,27,28. MRE-applikasjonen er utviklet av oss selv; den ble utviklet for Android, og den er ikke offentlig.
- Sett mobiltelefonen inn i VR-brillene og sett på brillene.
- Finn visuelt midten av basen til MRE-prototypen (den blå firkanten i figur 1).
- Når simuleringen vises, løfter du en utstrakt hånd for å plassere den i midten av visningen.
MERK: Fra dette øyeblikket kan brukerne gjøre håndbevegelser for å samhandle med det simulerte miljøet.
2. Bruker forberedelse
MERK: Dette trinnet tar ~ 5 min.
- Uten VR-briller åpner du MRE-applikasjonen, som vist i figur 2.
- Forsikre deg om at applikasjonen starter i brukermodus, så det er bare nødvendig å logge på.
- Velg scenariet som brukeren vil utføre. Det er to scenarier: elektroniske komponenter og fysikk.
- Trykk på Play; brukeren vil ha 30 s å sette på VR-brillene.
3. Gjennomføring av scenarier
MERK: Dette trinnet tar ~ 15 min.
- Scenario 1: elektroniske komponenter
- Finn områdene som skal plasseres ved hjelp av røde, grønne og blå farger. Dette avgrenser de seks interaksjonssonene i denne scenen: tre soner for å ta de virtuelle elektronikkkomponentene og tre soner for å slippe komponentene, som vist i figur 3.
- Ta komponenten og plasser den på riktig sted. Riktig sted avhenger av komponenten og hva som er sett i teorien; For eksempel er det i teorien forklart hvordan man plasserer en kjøleribbe, og i MRE praktiseres plasseringen.
- Fortsett til alle komponenter er på plass.
- Scenario 2: fysikk
- Finn de to bilene som er involvert i scenariet (figur 4).
- Velg hastigheten på hver bil.
- Visualiser grafene etter kollisjonen.
4. Administrasjon visning
- Trykk på MRE-moduser på hovedskjermen (se figur 2) og velg administratoralternativet.
- Logg på for å bekrefte om kontoen har tillatelse til tilgang som administrator.
MERK: Det blir mulig å se listen over studenter og karakterene som er oppnådd i hvert scenario.
5. Elevenes resultater
- Logg inn som administrator, klikk på navnet til ønsket student og se tabellen med informasjon om karakterene til scenariene deres.
- Klikk på studentens navn, og velg Last ned vurderinger som CSV-fil. Dette vil vise alle resultatene i en kommaseparert fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Denne delen viser resultatene oppnådd fra eksperimentet. Først forklares noen detaljer om hvordan eksperimentet ble utført, deretter vises testene som ble utført på forsøkets studenter, og i tillegg presenteres resultatene av testene. Til slutt beskrives en analyse med en student fra hver gruppe.
Et av de største problemene som pandemien førte til ingeniørutdanningen var at det ikke var mulig å gjennomføre laboratoriepraksis ansikt til ansikt, noe som har en direkte innvirkning på kunnskapen studentene tilegner seg. For å analysere om prosjektet utviklet i denne artikkelen har innvirkning, ble det utført et eksperiment med tre grupper studenter. Hver gruppe besto av 10 studenter; den første gruppen brukte ikke MRE, i stedet tok bare teori (online klasser) på momentumbevaringsprinsippet og elektroniske komponenter. Den andre gruppen brukte MRE uten tilbakemelding, og til slutt brukte den tredje gruppen MRE med tilbakemelding fra en lærer. Det er viktig å nevne at alle elevene hadde samme skolenivå. De var alle universitetsstudenter i samme semester og med samme karriere, og studerte mekatronikk. De var alle studenter ved Panamerican University i Guadalajara, Mexico (den nest største byen i Mexico). Eksperimentet ble brukt i et enkelt kurs kalt Introduksjon til fysikk og elektronikk, i andre semester av graden (dvs. de var studenter som hadde vært på universitetet i mindre enn 1 år. Derfor kan emnene som dekkes i klassen betraktes som grunnleggende fra et teknisk synspunkt17.
Kurset (Introduksjon til fysikk og elektronikk) der eksperimentet ble utført hadde følgende egenskaper: (1) varigheten av kurset var ett semester; (2) det var to eksamener gjennom hele semesteret (dvs. en test ble holdt hver 10. uke i klassene), Og hver av disse testene, eller 10 ukers periode, kalles "delvis"; og (3) hver uke hadde 6 timer med klasser, delt inn i 3 dager med 2 t per klasse. I løpet av uken ble det undervist i 4 timer teori og 2 timer praksis. Det er veldig viktig å nevne at egenskapene nevnt ovenfor er det som ble gjort før pandemien; Under pandemien ble det holdt nettundervisning. Derfor kunne 2 timers praksis per uke ikke gjennomføres, og ble erstattet av rådgivning og problemløsning. Av denne grunn, i de elektroniske klassene, ble det ikke utført noen praksis.
Vårt eksperiment prøvde å endre så lite som mulig det som ble etablert i klassen; MRE-systemet ble innført i praksistiden (2 t per uke), og studentene som ikke brukte systemet fortsatte med råd og problemløsning. 4 timers teori ble ikke endret i det hele tatt av vårt eksperiment. På samme måte brukte studentene som brukte MRE en av praksisklassene for å forklare driften av systemet. Videre har MRE to miljøer, ett for elektroniske komponenter og ett for fysikkkonsepter. Eksperimentet ble utført i løpet av en delvis (10 uker), som involverte fysikkpraksis og elektronisk komponentpraksis. I denne perioden ble det gjennomført seks praksiser i MRE (tre fysiske praksiser og tre av elektroniske komponenter). Til slutt var det to grupper som brukte MRE; Den ene hadde ikke tilbakemelding fra læreren og den andre gjorde det. De som ikke hadde tilbakemelding, fikk et manus av øvelsen som skulle gjennomføres, og til slutt ga læreren karakteren 0 til 10 i MRE-systemet, men det ble ikke gitt noen nærmere forklaring. På den annen side, i gruppen som hadde tilbakemelding, veiledet læreren dem under øvelsen. Læreren kunne observere simuleringen samtidig som studentene, siden systemet ikke inneholder lyd og ørene deres er avdekket, slik at læreren veiledet studenten ved å snakke med dem under simuleringen, og indikere feilene deres og årsakene til nevnte feil.
Det er viktig å nevne at testen ikke ble redigert for dette eksperimentet. Med andre ord ville testen vært den samme for studentene hvis det nåværende eksperimentet ikke ble utført. Testen hadde 14 spørsmål, oppført i tilleggsfil 1 i samme rekkefølge som de ble presentert.
Hvert spørsmål på prøven hadde samme vekt i karakteren, men læreren kunne tildele brøkdeler av poeng til hvert spørsmål basert på elevens svar. Dette var etter lærerens skjønn. Tabell 1 viser karakterene til hver av elevene, der 0 er dårligste karakter og 10 er best. På slutten vises gjennomsnittet av hver gruppe.
På den annen side viser figur 5 grafisk poengsummene til hver elev atskilt av gruppen. På denne måten er det lettere å visualisere resultatene oppnådd fra forsøket. Tabell 2 viser resultatene av hvert spørsmål, med én elev fra hver gruppe.
Figur 1: MRE hovedmaterialer. MRE-systemet består av en enkel 8 i x 8 i firkantet trestykke, som et basisbilde limes på. Bildet består av en sentral logo som er 3 x 3 i størrelse; Resten av plassen består av tilfeldig plassert 1 i x 1 i ikoner med mørkeblå farger på en lyseblå bakgrunn. I tillegg settes en VR-boks og en Android-mobiltelefon inn i esken. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: MRE-applikasjon. (A) Knappen for å velge mellom bruker eller administrator; Det starter som brukeren som standard. (B) Mulighet til å registrere / logge inn. (C) Knapp for å fortsette å konfigurere scenariet. (D) Gå tilbake til forrige skjermbilde. (F) Kvalifisering for øyeblikket; Hvis det er første gang det "spilles", vises det på 0. (G) Start med det valgte scenariet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Scenario for elektroniske komponenter. Fargene avgrenser de seks interaksjonssonene i denne scenen: tre soner for å ta komponentene og tre soner for å slippe komponentene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Fysikkscenario. To biler er opprettet mot hverandre, i tillegg til en sfærisk startknapp (grønn farge) og en kubisk (lyseblå farge) for å modulere kraften som den andre bilen skyves med. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Skår for hver elev og standardavvik inndelt etter gruppe. Karakterer per student og teknologi som brukes; Standardavviket for hver gruppe vises ved siden av den. Det er 30 studenter totalt, 10 for hver læringsmetode, og hver student i hver gruppe ble tildelt et nummer fra 1 til 10. Det er viktig å nevne det typiske avviket, der det tydelig ses at uten bruk av MRE, er poengene mye mer spredt. Dette kan være logisk, siden disse studentene bare mottok online klasser, så oppmerksomheten som hver student betalte er svært variabel, og dette ses i poengene som er oppnådd. På den annen side er det mye mindre spredning når MRE brukes. Videre, når tilbakemelding legges til MR-teknologi, er det mindre spredning, noe som indikerer en bedre forståelse av alle studenter, ikke bare av noen studenter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Tabell 1: Resultater fra kunnskapstester for de tre gruppene. Denne tabellen viser alle resultatene av eksamenene tatt av studentene. Det er 30 studenter totalt, 10 for hver læringsmetode, og hver student i hver gruppe ble tildelt et nummer fra 1 til 10. Det kan tydelig sees at det beste gjennomsnittet som ble oppnådd var når MRE ble brukt og det var tilbakemelding fra læreren. Selv om det ikke var noen tilbakemelding, er det fortsatt et bedre alternativ generelt å bruke MRE for en bedre forståelse av emnene. Ved bruk av MRE var det ingen score lavere enn 7,5 hos noen av studentene; Så det kan utledes at det generelt var en bedre forståelse av emnene. Til slutt, ved hjelp av MRE og med tilbakemelding fra læreren, var det ingen score under 8,0, og de høyeste poengsummene av de 30 studentene ble også sett, 9,3 og 9,5. Derfor kan man tydelig se fordelene studentene har med å forstå emner når de bruker MRE, men fremfor alt når det gis tilbakemelding på arbeidet som er gjort i praksis. Klikk her for å laste ned denne tabellen.
Tabell 2: Resultater per spørsmål med én student fra hver gruppe. Karakterer til svarene til en student i hver gruppe. Studenter hvis karakter var nær gruppegjennomsnittet ble valgt. Læreren kunne gi poeng til delvis riktige svar. Studentene som brukte MRE hadde bedre resultater med spørsmålene om elektroniske komponenter, noe som tyder på at det å kjenne komponentene i deres virkelige dimensjoner og former (ved hjelp av MRE) bidro til å forbedre teoretisk kunnskap. Studentene som brukte MRE med tilbakemelding, i tillegg til å kunne observere komponentene slik de ville bli sett i virkeligheten, fikk hjelp fra læreren i praksis av fysikk og elektroniske komponenter. Derfor kan det sies at i tillegg til å praktisere, hadde de råd timer, og dette gjenspeiles tydelig i resultatene. Klikk her for å laste ned denne tabellen.
Tilleggsfil 1: Spørsmål presentert for studentene. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
MRE-systemet tillater ulike scenarier for studenter å lære om elektroniske komponenter eller fysikkemner. Et viktig poeng er muligheten for at læreren gir tilbakemelding. På denne måten kan elevene vite hva de gjorde galt og hvorfor. Med MRE-systemet utviklet ble det gjennomført et eksperiment med 30 studenter, hvor 10 studenter ikke brukte MRE, 10 brukte MRE, og til slutt brukte ytterligere 10 MRE og fikk tilbakemelding fra læreren. På slutten av klassene ble det gitt en generell kunnskapstest til alle elevene. Testen ble ikke modifisert for eksperimentet (dvs. den samme testen brukes hvis klassene er rent teori eller hvis laboratoriepraksis utføres. Praksisene er bare et supplement for å bedre forstå teorien og dermed få en bedre generell forståelse av emnet. Prøven er skriftlige svar som viser regnestykker, og læreren kan markere med halve poeng dersom svaret er delvis riktig.
Takket være bruk av MRE oppnådde studentene et bedre generelt gjennomsnitt, det beste gjennomsnittet sett når det var tilbakemelding fra læreren. På samme måte er et viktig poeng standardavviket. Målet med en klasse er at flertallet av elevene, eller ideelt sett alle, får størst mulig kunnskap. På grunn av bruken av MRE kan en mindre spredning av poengene observeres, noe som viser at kunnskapen om emnene ble forstått av et større antall studenter.
Når man observerer poengsummene til hvert spørsmål i detalj, har MRE en mindre effekt når spørsmålene er fokusert på problemer som kan analyseres 100% fra teorien. I ingeniørfag er det imidlertid viktig å kjenne både utstyret og komponentene, derfor hadde MRE en positiv innvirkning, og studentene som brukte MRE svarte bedre på spørsmålene som dekket disse emnene. Videre, Når det gjelder teoretiske spørsmål (som fysikk), er MRE nyttig når man har tilbakemelding fra læreren, da læreren kan avklare disse problemene støttet av et virtuelt miljø. Tilbakemeldinger fra lærere er ikke noe nytt; Det skjer i ansikt til ansikt-klasser, så det er klart at denne tilbakemeldingen fortsatt er like viktig i virtuelle miljøer.
MRE-systemet hjelper ingeniørstudenter til å utføre laboratoriepraksis eksternt. Verden har endret seg, og selv om den for tiden vender tilbake til ansikt-til-ansikt-klasser, åpner flere skoler hver dag 100% online kurs29. For å møte disse endringene har applikasjoner blitt opprettet ved hjelp av nye teknologier. En slik teknologi er MR, der det er mulig å visualisere studiemiljøer for å forbedre læringen. Imidlertid brukes de fleste av disse applikasjonene i medisinske miljøer, med få i ingeniørfag 9,12. På den annen side har RL-er blitt hyllet som løsningen for fjernteknikkklasser, men det er nødvendig å ha en fysisk plass og komponentene er veldig dyre. Derfor er investeringen for en RL svært høy, og de er ikke inkludert som en mulighet for mange skoler i Latin-Amerika19,20.
På samme måte har andre arbeider diskutert hvordan virtuelle og eksterne laboratorier kan hjelpe til med fjernundervisning. For eksempel er de enige om at kostnadene er lavere enn å sette opp et tradisjonelt laboratorium. Vergara et al. analyserte data fra mer enn 400 studenter som spurte om deres erfaring med bruk av VR og MR i laboratorier; 89% av elevene nevnte at de er tilstrekkelige til å utfylle en lærers forklaring, men bare 11% sa at bruken i seg selv er tilstrekkelig. Denne teknologien alene er nok til å forstå emnet, selv om arbeidet ikke utfører noen analyse av virkningen som bruken av denne teknologien har på forståelsen av emnet utover å spørre studentens følelser30. Videre analyserte Wu et al. flere arbeider som nevner VR ved hjelp av hodemonterte skjermer (HMD; som vi bruker det i dette arbeidet). De konkluderer med at HMD-basert immersive learning har en bedre effekt på læringsprestasjoner enn ikke-oppslukende læringstilnærminger31. Til tross for dette presenterer Wu et al. heller ikke hvor mye forståelsen av emnet kan forbedres ved hjelp av VR eller MR; De nevner bare at det er bedre læring, spesielt i realfag, igjen som tilfellet presenteres i denne artikkelen.
På den annen side eksperimenterte Makarova et al. for å finne effekten av VR i undervisning av biltjenester. Selv om antall studenter som nevnes er 344, er disse studentene fra forskjellige karakterer, så de har forskjellige kunnskaper og ferdigheter. Studentene i deres studie varierer fra 19 til 30 år, i motsetning til det som presenteres her, hvor alle studentene har samme nivå på studier og er mellom 18 og 20 år. På den annen side analyserte Makarova et al. studenter ved hjelp av fysisk og virtuelt utstyr, hvor 35 studenter brukte virtuelt utstyr (en rekke studenter ikke veldig forskjellig fra vårt eksperiment). De konkluderer med at VR- og MR-teknologier er mye mer effektive enn tradisjonelle metoder, og øker studentenes interesse for å lære32. I tillegg nevner andre arbeider at bruken av virtuelle systemer bidrar til å lære vitenskap og språk, til og med å analysere brukbarheten til forskjellige tilnærminger og ergonomi, noe som er utenfor omfanget av dette arbeidet33,34.
Andre arbeider, som Loetscher et al., analyserte det riktige VR-verktøyet som skal brukes avhengig av testtypen, spesielt for atferdstester, der responstiden ofte er avgjørende for dataanalyse. De nevner at VR-systemer på mobiltelefoner har lav responstid35, men for eksperimentet vist i denne studien påvirker responstiden ikke eksamenen som brukes på studentene. I tillegg er det nødvendig å analysere kostnadene ved å sette opp et laboratorium med spesialutstyr mot tidspunktet for ønsket respons for å oppnå gjennomførbarhet. Det er klart at noen eksperimenter vil være avgjørende for å redusere begrensningene i maskinvaren, men det er ikke tilfelle for dette arbeidet.
Derfor tror vi fast at dette arbeidet utfyller studiene som har blitt utført så langt. Mange arbeider har vist at bruk av virtuelle teknologier hjelper til med læring og interesse, men de har ikke forsøkt å demonstrere den virkelige effekten det kan ha på læring. Selv om antall studenter som brukes i eksperimentet er lavt, sørget vi for at alle hadde samme nivå av kunnskap og ferdigheter (så mye som mulig), og at det samme emnet ble lært til alle, og forsøkte å eliminere enhver ekstern komponent som kunne ha påvirket resultatene. Eksamen som ble brukt var den samme, slik at man kunne kvantifisere (i en liten prøve) forbedringen som studentene har ved hjelp av virtuelle teknologier for å utfylle teorien sett i klassen.
Takket være MRE er det mulig å utføre laboratoriepraksis for ingeniørfag til en lav kostnad og med en minimumsinvestering for skoler. Man trenger bare en Android-mobiltelefon fra 2019 eller senere og en trebase for kalibrering, noe som gjør den mye mer tilgjengelig for skoler i utviklingsland. Det er verdt å nevne at det er nødvendig å følge en rekke trinn for å bruke MRE-systemet. Utvilsomt er det kritiske trinnet for riktig drift av systemet konfigurasjonen og kalibreringen av VR-systemet (trinn 1). Fordi MRE bruker hendene som applikasjonsverktøy, vil en feil i kalibreringen forhindre at du kan fortsette med utførelsen av scenariene. I tillegg er det viktig å bruke basen med bildet til kalibrering. Bildet brukes til å dimensjonere omgivelsene og oppdage hånden i rommet.
Derfor er det klart at en begrensning av det presenterte prosjektet er å ha en base med bildet for kalibreringen. For forsøket som ble presentert, var det nødvendig å produsere en base for hver student. Selv om det en gang var kalibrert, var det ganske enkelt å reprodusere og spille scenariene, er det verdt å nevne at det er komplisert å lage nye scenarier. Derfor er det nødvendig med lang utviklingstid for hver praksis som må utvikles.
Imidlertid er et differensieringspunkt med RL eller andre MR-teknologier den lave prisen på utstyr og materiale som trengs. Enhver Android-telefon kan brukes som et verktøy for å utføre øvelsene, selv om en begrensning er å skaffe kalibreringsbildet; Likevel kan den skrives ut på tradisjonell måte, og det er ikke nødvendig med spesialutstyr. Derfor har tilgang til de allerede utviklede scenariene en lav kostnad. Ved å bruke slik tilgjengelig teknologi kan MRE også brukes på andre områder, ikke bare laboratoriepraksis. Hovedsakelig, under opplæring av personell til bedrifter, når en ny ansatt blir med, er det ofte nødvendig å stoppe eller senke produksjonen for å lære bruken av maskiner. Derfor kan MRE tilpasses for å utvikle produksjonslinjemiljøer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer at de ikke har noen kjente konkurrerende økonomiske interesser eller personlige forhold som kunne ha syntes å påvirke arbeidet rapportert i denne artikkelen.
Acknowledgments
Denne studien ble sponset av Panamerican University Guadalajara campus. Vi takker de mekatroniske ingeniørstudentene for å ha bidratt 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).
