Summary
Neste trabalho, um sistema de realidade mista denominado ERM foi desenvolvido para auxiliar os alunos a desenvolver práticas laboratoriais complementares às aulas online. Foi realizado um experimento com 30 estudantes; 10 alunos não utilizaram MRE, 10 utilizaram MRE e outros 10 utilizaram MRE com feedback do professor.
Abstract
A pandemia da COVID-19 mudou muitas indústrias, capacitando alguns setores e fazendo com que muitos outros desaparecessem. O setor da educação não está isento de grandes mudanças; Em alguns países ou cidades, as aulas foram ministradas 100% online por pelo menos 1 ano. No entanto, algumas carreiras universitárias precisam de práticas laboratoriais para complementar o aprendizado, especialmente nas áreas de engenharia, e ter apenas aulas teóricas on-line pode afetar seus conhecimentos. Por essa razão, neste trabalho, um sistema de realidade mista denominado realidade mista para a educação (MRE) foi desenvolvido para auxiliar os alunos a desenvolver práticas laboratoriais para complementar as aulas online. Foi realizado um experimento com 30 estudantes; 10 alunos não utilizaram MRE, 10 utilizaram MRE e outros 10 utilizaram MRE com feedback do professor. Com isso, percebe-se as vantagens da realidade mista no setor educacional. Os resultados mostram que o uso da ERM ajuda a melhorar o conhecimento em assuntos de engenharia; Os alunos obtiveram qualificações com notas 10% a 20% melhores do que aqueles que não a utilizaram. Acima de tudo, os resultados mostram a importância do feedback na utilização de sistemas de realidade virtual.
Introduction
A tecnologia sempre esteve presente no setor educacional; Profundas mudanças ocorreram nos aparelhos utilizados para ministrar as aulas. No entanto, as aulas presenciais continuam sendo a opção preferida de alunos e professores. Quando veio a pandemia, mudou todos os setores, e a educação não foi exceção. Em 2018, antes da pandemia, apenas 35% dos alunos que cursaram uma graduação relataram ter feito pelo menos uma aula online; ou seja, 65% dos alunos concluíram seus estudos presencialmente1. A partir de abril de 2020, por ordem do governo (mexicano), todas as escolas públicas e privadas foram proibidas de ministrar aulas presenciais; Por isso, 100% dos alunos tiveram que ter aulas a distância. As universidades foram as primeiras a agir, utilizando ferramentas para videochamadas, preparação de aulas, gestão de tarefas de casa, etc. Isso faz sentido, já que pessoas em idade universitária (entre 18 e 25 anos) são pessoas que têm contato com a tecnologia desde o nascimento.
Algumas aulas podem ser totalmente adaptadas virtualmente; No entanto, as práticas laboratoriais são complexas de serem realizadas remotamente, e os alunos não têm o material necessário, o que muitas vezes é caro. O impacto que as aulas on-line têm na qualidade do conhecimento não é claro, e alguns estudos mostram que os cursos on-line geralmente rendem pior desempenho dos alunos do que os cursos presenciais2. Mas uma coisa é certa, não realizar práticas laboratoriais que aproximem os alunos do que eles vivenciarão na indústria afetará negativamente seu desempenho profissional. Portanto, torna-se necessária a importância de experiências em escala real no ensino atual de engenharia 3,4,5. Por essas razões, novas tecnologias estão sendo utilizadas para mitigar esses problemas. Entre eles estão a realidade virtual (VR), a realidade aumentada (AR) e a realidade mista (MR). É importante mencionar que a RV é uma tecnologia que permite a criação de um ambiente digital totalmente imersivo, enquanto a RA sobrepõe objetos virtuais no ambiente do mundo real. Por outro lado, a RM não utiliza apenas objetos virtuais, mas também ancora esses objetos ao mundo real, possibilitando a interação com eles. Assim, a RM é uma combinação de RV eRA6. Por outro lado, algumas organizações também têm se esforçado para desenvolver laboratórios remotos, onde existem equipamentos reais, mas que podem ser controlados remotamente7.
O termo MR data de 1994; no entanto, nos últimos 5 anos, assumiu especial importância, graças a grandes empresas que concentraram seus esforços no desenvolvimento de ambientes, como o Metaverso6. A RM pode ser aplicada em diferentes áreas; dois dos mais comuns são treinamento e educação. O treinamento tem sido um dos grandes impulsionadores da RM; É muito caro para uma empresa parar uma linha de produção para treinar novos funcionários, ou em ambientes perigosos, e não é fácil realizar treinamentos em campo. A educação não fica atrás; embora as aulas presenciais tenham mudado muito pouco, há grandes esforços para incorporar a RM nas classes 8,9. Para a educação, existem carreiras profissionais onde é necessário realizar práticas laboratoriais para ter formação completa. Muitos estudos e pesquisas existentes estão na medicina, com RV, RA e RM desempenhando um papel fundamental. Vários trabalhos mostram como a RM supera os métodos tradicionais de ensino em disciplinas cirúrgicas e médicas, onde a prática é uma clara vantagem para o desenvolvimento dos alunos10,11,12,13,14.
No entanto, não há a mesma quantidade de pesquisas sobre questões de engenharia. Normalmente, nas carreiras de engenharia, o aluno tem aulas teóricas complementadas por práticas. Dessa forma, há estudos sobre RM e RV mostrando os benefícios na pedagogia da engenharia12. No entanto, alguns desses estudos se concentram em analisar a complexidade do ambiente e as ferramentasutilizadas8,15. Tang et al., idealizaram um estudo em que estudantes de diferentes áreas e com diferentes conhecimentos utilizaram a RM para melhorar sua compreensão da análise geométrica e da criatividade16. Em um teste subsequente, as pessoas que fizeram suas aulas usando RM terminaram mais rápido, deixando claro que a RM afeta positivamente o aprendizado16. Além disso, Halabi mostrou o uso de ferramentas de RV no ensino de engenharia. Embora não seja a RM, mostra ferramentas que podem ser utilizadas para o ensino. Faz-se um estudo de caso real para mostrar que é possível introduzir a RV nas aulas de engenharia17.
Já os laboratórios remotos (RLs) são ferramentas tecnológicas compostas por softwares e hardwares que permitem que os alunos realizem remotamente suas práticas como se estivessem em um laboratório tradicional. As RLs são geralmente acessadas pela internet, e normalmente são usadas quando os alunos são obrigados a colocar em prática de forma autônoma o que aprenderam quantas vezes forem necessárias18. No entanto, com a chegada da Covid-19, seu uso tem sido para substituir os laboratórios tradicionais e poder realizar práticas durante as aulas online18. Como mencionado acima, um RL precisa de um espaço físico (laboratório tradicional) e elementos que permitam que ele seja controlado remotamente. Com o advento da RV, os laboratórios passaram a ser modelados virtualmente e, por meio de mecanismos físicos, os elementos do laboratório podem ser controlados19. No entanto, ter um RL é muito caro, prejudicando muitas escolas, especialmente em países em desenvolvimento. Alguns estudos mencionam que os custos podem variar entre US$ 50.000 e US$ 100.00020,21.
Além disso, desde o início da pandemia, as mudanças tiveram que ser feitas rapidamente; no caso dos RLs, tentou-se o envio de kits para as residências de cada aluno em substituição aos laboratórios tradicionais. No entanto, houve um problema de custo, pois estudos mostraram que cada kit custava em torno de R$ 70018,22. No entanto, os estudos utilizaram componentes caros e de difícil obtenção. A pandemia afetou a educação em todo o mundo, e poucas pessoas poderiam gastar milhares de dólares para automatizar um laboratório ou comprar um kit. A maioria dos estudos considera as aulas presenciais e as complementa com a RM. No entanto, nos últimos anos, as aulas têm sido on-line devido à COVID-19, e apenas alguns trabalhos mostram a melhoria das aulas virtuais usando RM e dispositivos acessíveis23,24.
As pesquisas que existem até o momento são focadas principalmente em medicina, com pouca informação em engenharia. No entanto, sem dúvida, acreditamos que a maior contribuição e diferença é que nosso experimento foi realizado por 6 meses e foi comparado com sujeitos com as mesmas características que não usaram modelos virtuais, enquanto a maioria dos trabalhos anteriores realizou experimentos curtos para comparar tecnologias ou procedimentos isolados; não as aplicaram ao longo de vários meses. Portanto, este artigo mostra a diferença no aprendizado que pode ser feito com o uso da RM em uma disciplina universitária.
Por esta razão, este trabalho mostra o desenvolvimento e os resultados de um sistema de RM para auxiliar na realização de práticas laboratoriais em universidades voltadas para a engenharia eletrônica. É importante mencionar que ênfase especial é dada em manter o custo do dispositivo baixo, tornando-o acessível à população em geral. Três grupos usam métodos de ensino diferentes, e um exame é realizado sobre os tópicos da classe. Dessa forma, é possível obter resultados na compreensão dos temas da educação a distância por meio da RM.
O projeto explicado neste trabalho chama-se realidade mista para a educação (MRE) e é proposto como uma plataforma onde os alunos usam óculos VR com um smartphone (ou seja, não são usados óculos VR especiais). É criado um espaço de trabalho onde os alunos podem interagir com ambientes virtuais e objetos reais simplesmente usando suas próprias mãos, devido ao uso de objetos virtuais e reais, um sistema de realidade mista. Esse espaço de trabalho consiste em uma base com uma imagem onde todos os objetos virtuais são exibidos e interagidos. O ambiente criado se concentra na realização de práticas laboratoriais para mostrar componentes eletrônicos e física para carreiras de engenharia. É importante destacar a necessidade de fornecer feedback aos alunos. Por esta razão, o MRE incorpora um sistema de feedback onde um administrador (normalmente o professor) pode ver o que está sendo feito para avaliar a atividade. Dessa forma, é possível dar um feedback sobre o trabalho realizado pelo aluno. Por fim, o objetivo deste trabalho é verificar se há vantagens no uso da RM nas aulas online.
Para tanto, o experimento foi realizado com três grupos de estudantes. Cada grupo foi composto por 10 alunos (30 alunos no total). O primeiro grupo não utilizou o MRE, apenas realizou aulas teóricas (online) sobre o princípio de conservação do momento e componentes eletrônicos. O segundo grupo utilizou ERM sem feedback e o terceiro grupo utilizou ERM com feedback de um professor. É importante mencionar que todos os alunos têm o mesmo nível de escolaridade; São universitários no mesmo semestre e com a mesma carreira, cursando Engenharia Mecatrônica. O experimento foi aplicado em uma única disciplina denominada Introdução à Física e Eletrônica, no segundo semestre da graduação; ou seja, os alunos estavam na universidade há menos de 1 ano. Portanto, os temas abordados na aula podem ser considerados básicos do ponto de vista da engenharia. O experimento foi realizado com 30 alunos, pois este foi o número de alunos que se matricularam na turma em que o experimento foi autorizado. A turma selecionada (Introdução à Física e Eletrônica) tinha teoria e práticas laboratoriais, mas devido à pandemia, apenas aulas teóricas estavam sendo ministradas. Os alunos foram separados em três grupos para ver o impacto que as práticas têm na aprendizagem geral e se as aulas de RM poderiam ser um substituto para as práticas presenciais.
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Protocol
O protocolo segue as diretrizes do comitê de ética da Universidade Panamericana. O experimento foi conduzido com um total de 30 escolares, entre 18 e 20 anos; oito estudantes eram do sexo feminino e 22 do sexo masculino, e todos frequentavam a Universidade Panamericana de Guadalajara, México (a segunda maior cidade do México). Todos os participantes completaram o processo de consentimento informado e forneceram permissão por escrito para que as fotos fossem tiradas e publicadas durante a coleta de dados. A única exigência era que os alunos precisassem ter um smartphone, o que não era problema. Portanto, não houve critérios de exclusão para o experimento.
1. Configuração e calibração do sistema VR
NOTA: Este passo demora ~10 min.
- Certifique-se de que o sistema inclui todos os componentes: um telefone Android com sistema operacional versão 10 ou superior, óculos de caixa VR e uma base de madeira com uma imagem de calibração (Figura 1) (consulte a Tabela de Materiais).
- Abra o aplicativo MRE no celular e carregue os serviços Unity, AR Foundation, Google Cardboard e ManoMotion25,26,27,28. O aplicativo MRE foi desenvolvido por nós mesmos; ele foi desenvolvido para Android e não é público.
- Insira o celular nos óculos VR e coloque os óculos.
- Localize visualmente o centro da base do protótipo de ERM (o quadrado azul na Figura 1).
- Quando a simulação aparecer, levante uma mão estendida para colocá-la no centro da vista.
NOTA: A partir deste momento, os usuários podem fazer gestos com as mãos para interagir com o ambiente simulado.
2. Preparação do usuário
NOTA: Este passo demora ~5 min.
- Sem óculos de RV, abra a aplicação de ERM, como mostra a Figura 2.
- Certifique-se de que o aplicativo seja iniciado no modo de usuário para que seja necessário apenas fazer login.
- Selecione o cenário que o usuário deseja executar. Há dois cenários: componentes eletrônicos e física.
- Aperte o Play; o usuário terá 30 s para colocar os óculos VR.
3. Execução de cenários
NOTA: Este passo demora ~15 min.
- Cenário 1: componentes eletrônicos
- Localize as áreas para posicionar os componentes, por meio das cores vermelho, verde e azul. Isso delimita as seis zonas de interação dessa cena: três zonas para tirar os componentes eletrônicos virtuais e três zonas para soltar os componentes, como mostra a Figura 3.
- Pegue o componente e posicione-o no lugar certo. O lugar certo depende do componente e do que é visto na teoria; por exemplo, na teoria, é explicado como colocar um dissipador de calor, e no MRE a colocação é praticada.
- Continue até que todos os componentes estejam no lugar.
- Cenário 2: física
- Localize os dois carros envolvidos no cenário (Figura 4).
- Selecione a velocidade de cada carro.
- Visualize os gráficos após a colisão.
4. Visão da administração
- Na tela principal, pressione os modos MRE (consulte a Figura 2) e selecione a opção de administrador.
- Faça login para verificar se a conta tem permissão para acessar como administrador.
OBS: Torna-se possível visualizar a lista de alunos e as notas obtidas em cada cenário.
5. Resultados dos alunos
- Fazendo login como administrador, clique no nome do aluno desejado e visualize a tabela com as informações das notas de seus cenários.
- Clique no nome de um aluno e selecione baixar notas como CSV. Isso exibirá todos os resultados em um arquivo separado por vírgula.
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Representative Results
Esta seção mostra os resultados obtidos com o experimento. Primeiro, alguns detalhes de como o experimento foi realizado são explicados, em seguida, os testes realizados nos alunos do experimento são mostrados e, além disso, os resultados dos testes são apresentados. Finalmente, descreve-se uma análise com um aluno de cada grupo.
Um dos maiores problemas que a pandemia trouxe para o ensino de engenharia foi a impossibilidade de realizar práticas laboratoriais presenciais, o que impacta diretamente no conhecimento adquirido pelos alunos. Para analisar se o projeto desenvolvido neste artigo tem impacto, foi realizado um experimento com três grupos de estudantes. Cada grupo foi composto por 10 alunos; o primeiro grupo não utilizou o MRE, apenas fez teoria (aulas online) sobre o princípio de conservação do momento e componentes eletrônicos. O segundo grupo utilizou a ERM sem feedback e, finalmente, o terceiro grupo utilizou a ERM com feedback de um professor. É importante mencionar que todos os alunos tinham o mesmo nível de escolaridade. Todos eram universitários no mesmo semestre e com a mesma carreira, cursando engenharia mecatrônica. Todos eram estudantes da Universidade Panamericana de Guadalajara, no México (a segunda maior cidade do México). O experimento foi aplicado em uma única disciplina denominada Introdução à Física e Eletrônica, no segundo semestre da licenciatura (ou seja, eram alunos que estavam na universidade há menos de 1 ano. Portanto, os tópicos abordados em aula poderiam ser considerados básicos do ponto de vista da engenharia17.
A disciplina (Introdução à Física e à Eletrônica) em que o experimento foi realizado tinha as seguintes características: (1) a duração do curso era de um semestre; (2) houve dois exames ao longo do semestre (ou seja, um teste foi realizado a cada 10 semanas de aulas), E cada um desses testes, ou período de 10 semanas, é chamado de "parcial"; e (3) cada semana teve 6 h de aulas, divididas em 3 dias de 2 h por aula. Durante a semana, foram ministradas 4h de teoria e 2h de prática. É muito importante mencionar que as características citadas acima é o que era feito antes da pandemia; Durante a pandemia, foram realizadas aulas online. Portanto, as 2 h de práticas por semana não puderam ser realizadas, sendo substituídas por aconselhamento e resolução de problemas. Por isso, nas aulas online, não foram realizadas práticas.
Nosso experimento tentou modificar o mínimo possível o que estava estabelecido na aula; o sistema de ERM foi introduzido durante o horário de prática (2 h por semana), e os alunos que não usavam o sistema continuaram com aconselhamento e resolução de problemas. As 4 h de teoria não foram modificadas em nada pelo nosso experimento. Da mesma forma, os alunos que utilizaram ERM utilizaram uma das aulas práticas para explicar o funcionamento do sistema. Além disso, o ERM possui dois ambientes, um para componentes eletrônicos e outro para conceitos de física. O experimento foi realizado durante uma parcial (10 semanas), que envolveu práticas de física e práticas de componentes eletrônicos. Neste período, foram realizadas seis práticas de ERM (três práticas de física e três de componentes eletrônicos). Finalmente, houve dois grupos que utilizaram MRE; um não teve retorno da professora e o outro teve. Aqueles que não tiveram feedback receberam um roteiro da prática a ser realizada e, ao final, o professor atribuiu uma nota de 0 a 10 no sistema de ERM, mas nenhuma explicação adicional foi dada. Por outro lado, no grupo que teve feedback, o professor os orientou durante a prática. O professor pôde observar a simulação ao mesmo tempo que os alunos, uma vez que o sistema não contém som e seus ouvidos estão descobertos, então o professor orientou o aluno falando com eles durante a simulação, indicando seus erros e os motivos dos referidos erros.
É importante mencionar que o teste não foi editado para este experimento. Em outras palavras, o teste teria sido o mesmo para os alunos se o experimento atual não fosse realizado. A prova continha 14 questões, listadas na Ficha Complementar 1 na mesma ordem em que foram apresentadas.
Cada questão da prova tinha o mesmo peso na nota, porém o professor podia atribuir frações de pontos a cada questão com base na resposta do aluno. Isso ficou a critério da professora. A Tabela 1 mostra as notas de cada um dos alunos, sendo 0 a pior nota e 10 a melhor. Ao final, é mostrada a média de cada grupo.
Por outro lado, a Figura 5 mostra graficamente os escores de cada aluno separados pelo grupo. Dessa forma, fica mais fácil visualizar os resultados obtidos com o experimento. A Tabela 2 mostra os resultados de cada questão, considerando um aluno de cada grupo.
Figura 1: Principais materiais de ERM. O sistema MRE consiste em um simples pedaço de madeira quadrado de 8 em x 8, no qual uma imagem de base é colada. A imagem consiste em um logotipo central que é 3 em x 3 em tamanho; O resto do espaço consiste em colocar aleatoriamente 1 em x 1 em ícones usando cores azuis escuras em um fundo azul claro. Além disso, uma caixa VR e um celular Android são inseridos na caixa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Aplicação do ERM. (A) O botão para selecionar entre usuário ou administrador; ele começa como o usuário por padrão. (B) Opção de cadastro/login. (C) Botão para continuar configurando o cenário. (D) Retornar à tela anterior. (F) Qualificação no momento; se for a primeira vez que é "jogado", aparecerá em 0. (G) Comece com o cenário selecionado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Cenário de componentes eletrônicos. As cores delimitam as seis zonas de interação desta cena: três zonas para tirar os componentes e três zonas para soltar os componentes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Cenário de física. Dois carros são criados de frente um para o outro, além de um botão de partida esférico (cor verde) e um cúbico (cor azul claro) para modular a força com que o segundo carro é empurrado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Escore de cada aluno e desvio padrão separados por grupo. Notas por aluno e tecnologia utilizada; o desvio padrão de cada grupo é mostrado ao lado. São 30 alunos no total, 10 para cada abordagem de aprendizagem, e a cada aluno de cada grupo foi atribuído um número de 1 a 10. É importante mencionar o desvio típico, onde se vê claramente que, sem o uso da RM, os escores ficam muito mais dispersos. Isso pode ser lógico, já que esses alunos só recebiam aulas online, então a atenção que cada aluno prestou é muito variável, e isso é visto nas notas obtidas. Por outro lado, há muito menos dispersão quando se utiliza ERM. Além disso, quando o feedback é adicionado à tecnologia de RM, há menos dispersão, o que indica uma melhor compreensão por todos os alunos, não apenas por alguns alunos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1: Resultados dos testes de conhecimento para os três grupos. Esta tabela mostra todos os resultados dos exames realizados pelos alunos. São 30 alunos no total, 10 para cada abordagem de aprendizagem, e a cada aluno de cada grupo foi atribuído um número de 1 a 10. Percebe-se claramente que a melhor média obtida foi quando se utilizou a ERM e houve feedback do professor. Mesmo que não tenha havido feedback, ainda é uma opção melhor em termos gerais usar o MRE para uma melhor compreensão dos tópicos. Quando utilizado o MRE, não houve escore inferior a 7,5 em nenhum dos alunos; Assim, pode-se deduzir que houve, em geral, uma melhor compreensão dos temas. Por fim, utilizando ERM e com feedback do professor, não houve escores abaixo de 8,0, e os maiores escores dos 30 alunos também foram observados, 9,3 e 9,5. Portanto, percebe-se claramente os benefícios que os alunos têm na compreensão dos tópicos ao utilizar o MRE, mas, sobretudo, quando é dado feedback sobre o trabalho realizado nas práticas. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 2: Resultados por questão utilizando um aluno de cada grupo. Notas para as respostas de um aluno de cada grupo. Foram selecionados alunos cuja nota se aproximou da média do grupo. O professor poderia atribuir pontos a respostas parcialmente corretas. Os alunos que utilizaram ERM obtiveram melhores resultados com as questões de componentes eletrônicos, sugerindo que conhecer os componentes em suas reais dimensões e formas (utilizando o MRE) ajudou a melhorar o conhecimento teórico. Os alunos que utilizaram o ERM com feedback, além de poderem observar os componentes como seriam vistos na realidade, receberam ajuda do professor nas práticas de física e componentes eletrônicos. Portanto, pode-se dizer que, além de praticar, eles tinham horas de aconselhamento, e isso se reflete claramente nos resultados. Clique aqui para baixar esta tabela.
Arquivo Suplementar 1: Questões apresentadas aos alunos. Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
O sistema MRE permite diferentes cenários para que os alunos aprendam sobre componentes eletrônicos ou tópicos de física. Um ponto importante é a possibilidade de o professor dar feedback. Dessa forma, os alunos podem saber o que fizeram de errado e por quê. Com o sistema de ERM desenvolvido, foi realizado um experimento com 30 alunos, onde 10 alunos não utilizaram MRE, 10 utilizaram MRE e, finalmente, outros 10 utilizaram MRE e receberam feedback do professor. Ao final das aulas, foi aplicado um teste de conhecimentos gerais a todos os alunos. O teste não foi modificado para o experimento (ou seja, o mesmo teste é aplicado se as aulas forem puramente teóricas ou se práticas de laboratório forem realizadas. As práticas são apenas um complemento para entender melhor a teoria e, assim, ter uma melhor compreensão geral do assunto. A prova é escrita de respostas com cálculos, podendo o professor marcar com meia nota caso a resposta esteja parcialmente correta.
Graças ao uso do MRE, os alunos obtiveram uma melhor média geral, a melhor média observada quando houve feedback do professor. Da mesma forma, um ponto importante é o desvio padrão. O objetivo de uma aula é que a maioria dos alunos, ou idealmente todos eles, obtenham a maior quantidade de conhecimento. Com a utilização do MRE, observa-se menor dispersão dos escores, o que comprova que o conhecimento sobre os temas foi compreendido por um maior número de estudantes.
Ao observar detalhadamente os escores de cada questão, a ERM tem um efeito menor quando as questões são focadas em problemas que podem ser analisados 100% a partir da teoria. No entanto, em tópicos de engenharia, é importante conhecer tanto os equipamentos quanto os componentes, pois o ERM teve um impacto positivo, e os alunos que utilizaram o ERM responderam melhor às questões que abordavam esses tópicos. Além disso, no caso de questões teóricas (como física), o ERM é útil quando se tem feedback do professor, pois o professor pode esclarecer essas questões apoiado em um ambiente virtual. O feedback dos professores não é novidade; Isso ocorre nas aulas presenciais, então fica claro que esse feedback ainda é tão importante quanto nos ambientes virtuais.
O sistema MRE ajuda os estudantes de engenharia a realizar práticas laboratoriais remotamente. O mundo mudou e, embora atualmente esteja retornando às aulas presenciais, a cada dia mais escolas abrem cursos 100% online29. Para enfrentar essas mudanças, aplicativos foram criados usando tecnologias emergentes. Uma dessas tecnologias é a RM, na qual é possível visualizar ambientes de estudo para melhorar o aprendizado. No entanto, a maioria dessas aplicações é utilizada em ambientes médicos, sendo poucas na engenharia9,12. Por outro lado, os RLs têm sido aclamados como a solução para aulas de engenharia a distância, mas é necessário ter um espaço físico e os componentes são muito caros. Portanto, o investimento para uma LP é muito alto, não sendo incluída como possibilidade para muitas escolas da América Latina19,20.
Da mesma forma, outros trabalhos têm discutido como laboratórios virtuais e remotos podem ajudar na educação a distância. Por exemplo, concordam que os custos são mais baixos do que a criação de um laboratório tradicional. analisaram dados de mais de 400 estudantes perguntando sobre sua experiência com o uso de RV e RM em laboratórios; 89% dos alunos mencionaram que são adequados para complementar a explicação do professor, mas apenas 11% disseram que o uso por si só é adequado. Essa tecnologia por si só já é suficiente para a compreensão do assunto, embora o trabalho não realize nenhuma análise sobre o impacto que o uso dessa tecnologia tem na compreensão do assunto além de perguntar os sentimentos do aluno30. Além disso, Wu e col. analisaram vários trabalhos que mencionam a RV usando head-mounted displays (HMDs; como usamos neste trabalho). Eles concluem que a aprendizagem imersiva baseada em HMD tem um efeito melhor sobre o desempenho de aprendizagem do que as abordagens de aprendizagem não imersivas31. Apesar disso, Wu et al., também não apresentam o quanto a compreensão do assunto pode melhorar com o uso da RV ou RM; apenas mencionam que há melhor aprendizado, especialmente nas disciplinas de ciências, novamente como o caso apresentado neste artigo.
Por outro lado, Makarova et al., experimentaram o efeito da RV no ensino de serviços automotivos. Embora o número de alunos mencionados seja de 344, esses alunos são de diferentes séries, portanto, têm conhecimentos e habilidades diferentes. Os alunos do seu estudo têm entre 19 e 30 anos, ao contrário do que é apresentado aqui, onde todos os alunos têm o mesmo nível de estudos e têm entre 18 e 20 anos de idade. Por outro lado, Makarova et al., analisaram os alunos utilizando equipamentos físicos e virtuais, onde 35 alunos utilizaram equipamentos virtuais (número de alunos não muito diferente do nosso experimento). Concluem que as tecnologias de RV e RM são muito mais eficazes do que as metodologias tradicionais, aumentando o interesse dos alunos pela aprendizagem32. Além disso, outros trabalhos mencionam que o uso de sistemas virtuais auxilia no ensino de ciências e linguagens, inclusive analisando a usabilidade de diferentes abordagens e ergonomia, o que foge ao escopo deste trabalho33,34.
Outros trabalhos, como Loetscher et al., analisaram a ferramenta correta de RV que deve ser utilizada dependendo do tipo de teste, especialmente para testes comportamentais, nos quais o tempo de resposta muitas vezes é essencial para a análise dos dados. Mencionam que os sistemas de RV em telefones celulares apresentam baixo tempo de resposta35, embora, para o experimento apresentado neste estudo, o tempo de resposta não influencie o exame aplicado aos alunos. Além disso, é necessário analisar o custo de instalação de um laboratório com equipamentos especializados em relação ao tempo de resposta desejado para obter viabilidade. É claro que alguns experimentos serão cruciais para reduzir as limitações do hardware, mas não é o caso deste trabalho.
Portanto, acreditamos firmemente que este trabalho complementa os estudos realizados até o momento. Muitos trabalhos têm mostrado que o uso de tecnologias virtuais ajuda na aprendizagem e no interesse, no entanto, eles não têm tentado demonstrar o real impacto que isso pode ter na aprendizagem. Embora o número de alunos utilizados no experimento seja baixo, garantimos que todos tivessem o mesmo nível de conhecimento e habilidades (tanto quanto possível) e que o mesmo tópico fosse ensinado a todos, tentando eliminar qualquer componente externo que pudesse ter afetado os resultados. O exame aplicado foi o mesmo, permitindo quantificar (em uma amostra pequena) a melhora que os alunos têm utilizando tecnologias virtuais para complementar a teoria vista em aula.
Graças ao MRE, é possível realizar práticas laboratoriais de engenharia a baixo custo e com um investimento mínimo para as escolas. Basta um celular Android de 2019 ou posterior e uma base de madeira para calibração, tornando-o muito mais acessível para escolas de países em desenvolvimento. Vale ressaltar que é necessário seguir uma série de passos para utilizar o sistema de ERM. Sem dúvida, a etapa crítica para o correto funcionamento do sistema é a configuração e calibração do sistema de RV (passo 1). Como o MRE utiliza as mãos como ferramentas de aplicação, um erro na calibração impediria a continuidade da execução dos cenários. Além disso, é importante utilizar a base com a imagem para calibração. A imagem é usada para dimensionar o ambiente e detectar a mão no espaço.
Portanto, fica claro que uma limitação do projeto apresentado é ter uma base com a imagem para a calibração. Para o experimento apresentado, foi necessário fabricar uma base para cada aluno. Embora uma vez calibrado fosse bastante fácil reproduzir e reproduzir os cenários, vale ressaltar que é complexo criar novos cenários. Portanto, é necessário um longo tempo de desenvolvimento para cada prática que é necessária a ser desenvolvida.
No entanto, um ponto diferenciador com RLs ou outras tecnologias de RM é o baixo custo de equipamentos e materiais necessários. Qualquer telefone Android pode ser usado como ferramenta para realizar as práticas, embora uma limitação seja a obtenção da imagem de calibração; Ainda assim, pode ser impresso da forma tradicional e não é necessário nenhum equipamento especial. Portanto, o acesso aos cenários já desenvolvidos tem um baixo custo. Ao usar essa tecnologia acessível, a ERM pode ser usada também em outras áreas, não apenas em práticas laboratoriais. Principalmente, durante o treinamento de pessoal para empresas, quando um novo funcionário ingressa, muitas vezes é necessário parar ou diminuir a produção para ensinar o uso de máquinas. Portanto, o ERM pode ser adaptado para desenvolver ambientes de linha de produção.
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Disclosures
Os autores declaram não ter interesses financeiros concorrentes conhecidos ou relações pessoais que possam ter influenciado o trabalho relatado neste artigo.
Acknowledgments
Este estudo foi patrocinado pelo campus da Universidade Panamericana de Guadalajara. Agradecemos aos estudantes de engenharia mecatrônica por contribuírem com o experimento.
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
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