Summary
I detta arbete utvecklades ett mixed reality-system som kallas MRE för att hjälpa eleverna att utveckla laboratoriemetoder som kompletterar onlinekurser. Ett experiment genomfördes med 30 studenter; 10 elever använde inte MRE, 10 använde MRE och ytterligare 10 använde MRE med lärarfeedback.
Abstract
Covid-19-pandemin har förändrat många branscher, stärkt vissa sektorer och fått många andra att försvinna. Utbildningssektorn är inte undantagen från stora förändringar. I vissa länder eller städer undervisades klasser 100 % online i minst 1 år. Vissa universitetskarriärer behöver dock laboratoriepraktik för att komplettera lärandet, särskilt inom ingenjörsområden, och att bara ha teoretiska lektioner online kan påverka deras kunskaper. Av denna anledning utvecklades i detta arbete ett mixed reality-system som kallas mixed reality for education (MRE) för att hjälpa eleverna att utveckla laboratoriemetoder för att komplettera onlinekurser. Ett experiment genomfördes med 30 studenter; 10 elever använde inte MRE, 10 använde MRE och ytterligare 10 använde MRE med lärarfeedback. Med detta kan man se fördelarna med mixad verklighet inom utbildningssektorn. Resultaten visar att användning av MRE bidrar till att förbättra kunskaperna inom tekniska ämnen; Eleverna fick kvalifikationer med betyg som var 10 % till 20 % bättre än de som inte använde det. Framför allt visar resultaten på vikten av feedback vid användning av virtual reality-system.
Introduction
Teknik har alltid varit närvarande inom utbildningssektorn; Genomgripande förändringar har skett i de apparater som används för att undervisa klasser. Lektioner ansikte mot ansikte är dock fortfarande det föredragna alternativet för elever och lärare. När pandemin kom förändrade den alla sektorer, och utbildning var inget undantag. År 2018, före pandemin, rapporterade endast 35 % av studenterna som studerade en examen att de hade tagit minst en lektion online; Det vill säga 65 % av de studerande slutförde sina studier på plats1. Från och med april 2020 förbjöds alla offentliga och privata skolor att undervisa ansikte mot ansikte genom regeringsbeslut (mexikanskt). Av denna anledning var 100 % av eleverna tvungna att ta distansundervisning. Universiteten var de första som agerade och använde verktyg för videosamtal, förberedelse av lektioner, läxhantering etc. Detta är logiskt, eftersom personer i universitetsåldern (mellan 18 och 25 år) är människor som har varit i kontakt med teknik sedan födseln.
Vissa klasser kan anpassas helt virtuellt; Laborationer är dock komplexa att utföra på distans, och studenterna har inte det nödvändiga materialet, vilket ofta är dyrt. Det är oklart vilken inverkan onlinekurser har på kunskapskvaliteten, och vissa studier visar att onlinekurser i allmänhet ger sämre studentprestationer än personliga kurser2. Men en sak är säker, att inte genomföra laboratoriemetoder som för eleverna närmare vad de kommer att uppleva i branschen kommer att påverka deras professionella prestationer negativt. Därför blir vikten av erfarenheter i verklig skala nödvändig i den nuvarande undervisningen i teknik 3,4,5. Av dessa skäl används ny teknik för att mildra dessa problem. Bland dem finns virtuell verklighet (VR), förstärkt verklighet (AR) och blandad verklighet (MR). Det är viktigt att nämna att VR är en teknik som gör det möjligt att skapa en helt uppslukande digital miljö, medan AR överlagrar virtuella objekt i den verkliga miljön. Å andra sidan använder MR inte bara virtuella objekt, utan förankrar också dessa objekt i den verkliga världen, vilket gör det möjligt att interagera med dem. MR är alltså en kombination av VR och AR6. Å andra sidan har vissa organisationer också ansträngt sig för att utveckla fjärrlaboratorier, där verklig utrustning finns men kan fjärrstyras7.
Termen MR dateras till 1994; men under de senaste 5 åren har det fått särskild betydelse, tack vare stora företag som har fokuserat sina ansträngningar på att utveckla miljöer, som Metaverse6. MR kan tillämpas inom olika områden; Två av de vanligaste är utbildning. Utbildning har varit en av de stora drivkrafterna för MR; Det är mycket dyrt för ett företag att stoppa en produktionslinje för att utbilda nya medarbetare, eller i farliga miljöer, och det är inte lätt att genomföra utbildning på fältet. Utbildningen ligger inte långt efter; Även om de fysiska klasserna har förändrats mycket lite, görs stora ansträngningar för att införliva MR i klasserna 8,9. För utbildning finns det yrkeskarriärer där det är nödvändigt att utföra laboratoriepraktiker för att få fullständig utbildning. Många befintliga studier och forskning är inom medicin, där VR, AR och MR spelar en nyckelroll. Flera artiklar visar hur MR överträffar traditionella undervisningsmetoder i kirurgiska och medicinska ämnen, där praktiken är en klar fördel för att utveckla studenter 10,11,12,13,14.
Det finns dock inte lika mycket forskning om ingenjörsfrågor. Normalt i ingenjörskarriärer har en student teorilektioner kompletterade med praktik. På så sätt finns det studier om MR och VR som visar på fördelarna inom ingenjörspedagogik12. Vissa av dessa studier fokuserar dock på att analysera komplexiteten i miljön och de verktyg som används 8,15. Tang et al. utformade en studie där elever från olika områden och med olika kunskaper använde MR för att förbättra sin förståelse för geometrisk analys och kreativitet16. I ett efterföljande test blev personer som tog sina lektioner med MR snabbare färdiga, vilket gjorde det tydligt att MR påverkar inlärningen positivt16. Dessutom visade Halabi användningen av VR-verktyg i ingenjörsutbildningar. Även om det inte är MR visar det verktyg som kan användas för undervisning. Det är en verklig fallstudie för att visa att det är möjligt att införa VR i ingenjörsklass17.
Å andra sidan är fjärrlaboratorier (RL) tekniska verktyg som består av mjukvara och hårdvara som gör det möjligt för studenter att utföra sina övningar på distans som om de befann sig i ett traditionellt laboratorium. RL nås i allmänhet via internet och används normalt när eleverna måste självständigt omsätta vad de har lärt sig i praktiken så många gånger som de behöver18. Men med ankomsten av COVID-19 har dess användning varit att ersätta traditionella laboratorier och för att kunna utföra övningar under onlinekurser18. Som nämnts ovan behöver en RL ett fysiskt utrymme (traditionellt laboratorium) och element som gör att den kan fjärrstyras. Med ankomsten av VR har laboratorier modellerats virtuellt, och genom fysiska mekanismer kan elementen i laboratoriet styras19. Att ha en RL är dock mycket dyrt, vilket hindrar många skolor, särskilt i utvecklingsländer. Vissa studier nämner att kostnaderna kan variera mellan $50 000 och $100 00020,21.
Sedan pandemin började har man dessutom varit tvungen att göra snabba förändringar. När det gäller RL gjordes försök att skicka kit till varje elevs hem för att ersätta de traditionella laboratorierna. Det fanns dock ett kostnadsproblem, eftersom studier visade att varje kit kostade cirka $70018,22. Ändå använde studierna dyra och svåråtkomliga komponenter. Pandemin påverkade utbildning över hela världen, och det var inte många som kunde spendera tusentals dollar på att automatisera ett labb eller köpa ett kit. De flesta studier överväger lektioner ansikte mot ansikte och kompletterar dem med MR. Men under de senaste åren har klasser varit online på grund av COVID-19, och endast vissa arbeten visar förbättringen av virtuella klasser med MR och prisvärda enheter23,24.
Den forskning som finns hittills är främst inriktad på medicin, med lite information om teknik. Men utan tvekan tror vi att det största bidraget och skillnaden är att vårt experiment utfördes under 6 månader och jämfördes med försökspersoner med samma egenskaper som inte använde virtuella modeller, medan de flesta tidigare arbeten utförde korta experiment för att jämföra enskilda tekniker eller procedurer; De tillämpade dem inte under flera månader. Därför visar denna uppsats på skillnaden i lärande som kan göras med hjälp av MR i ett universitetsämne.
Av denna anledning visar detta arbete utvecklingen och resultaten av ett MR-system för att hjälpa till att utföra laboratoriepraxis vid universitet med fokus på elektronik. Det är viktigt att nämna att särskild vikt läggs vid att hålla kostnaden för enheten låg, vilket gör den tillgänglig för allmänheten. Tre grupper använder olika undervisningsmetoder och en tentamen genomförs om klassens ämnen. På så sätt är det möjligt att få resultat på att förstå ämnena i distansutbildning med hjälp av MR.
Projektet som beskrivs i detta arbete kallas mixed reality for education (MRE) och föreslås som en plattform där eleverna använder VR-glasögon med en smartphone (dvs inga speciella VR-glasögon används). En arbetsyta skapas där eleverna kan interagera med virtuella miljöer och verkliga objekt helt enkelt genom att använda sina egna händer, på grund av användningen av virtuella och verkliga objekt, ett system för mixad verklighet. Den här arbetsytan består av en bas med en bild där alla virtuella objekt visas och interageras med. Den miljö som skapats fokuserar på att genomföra laboratoriepraktiker för att visa elektroniska komponenter och fysik för ingenjörskarriärer. Det är viktigt att lyfta fram behovet av att ge återkoppling till studenterna. Av denna anledning innehåller MRE ett återkopplingssystem där en administratör (vanligtvis läraren) kan se vad som görs för att betygsätta aktiviteten. På så sätt kan man ge respons på det arbete som den studerande har utfört. Slutligen är syftet med detta arbete att kontrollera om det finns fördelar med att använda MR i onlinekurser.
För att uppnå detta genomfördes experimentet med tre grupper av studenter. Varje grupp bestod av 10 elever (totalt 30 elever). Den första gruppen använde inte MRE, utan tog bara teori (onlinekurser) om principen för bevarande av rörelsemängd och elektroniska komponenter. Den andra gruppen använde MRE utan återkoppling och den tredje gruppen använde MRE med återkoppling från en lärare. Det är viktigt att nämna att alla elever har samma skolnivå; De är universitetsstudenter på samma termin och med samma karriär, som studerar mekatronikteknik. Experimentet tillämpades i en enda kurs som heter Introduktion till fysik och elektronik, under andra terminen av examen; Det vill säga att studenterna hade varit på universitetet i mindre än 1 år. Därför kan de ämnen som tas upp i klassen betraktas som grundläggande ur teknisk synvinkel. Experimentet utfördes på 30 elever, eftersom detta var antalet elever som anmälde sig till den klass där experimentet var auktoriserat. Den utvalda klassen (Introduktion till fysik och elektronik) hade teori- och laborationspraktik, men på grund av pandemin undervisades endast teoriklasser. Eleverna delades in i tre grupper för att se vilken inverkan övningarna har på det allmänna lärandet och om MR-klasser kan vara ett substitut för fysiska övningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollet följer riktlinjerna från Panamerican Universitys etiska kommitté. Experimentet genomfördes med totalt 30 elever, mellan 18 och 20 år; Åtta studenter var kvinnor och 22 var män, och de gick alla på Panamerican University i Guadalajara, Mexiko (den näst största staden i Mexiko). Alla deltagare slutförde processen för informerat samtycke och gav skriftligt tillstånd till att foton togs och publicerades under datainsamlingen. Det enda kravet var att eleverna behövde ha en smart telefon, vilket inte var några problem. Därför fanns det inga uteslutningskriterier för experimentet.
1. Installation och kalibrering av VR-system
OBS: Detta steg tar ~10 min.
- Se till att systemet innehåller alla komponenter: en Android-telefon med operativsystemversion 10 eller senare, VR-boxglasögon och en träbas med en kalibreringsbild (Figur 1) (se Materialförteckning).
- Öppna MRE-applikationen på mobiltelefonen och ladda Unity-, AR Foundation-, Google Cardboard- och ManoMotion-tjänsterna25,26,27,28. MRE-applikationen har utvecklats av oss själva; den utvecklades för Android och den är inte offentlig.
- Sätt in mobiltelefonen i VR-glasögonen och sätt på dig glasögonen.
- Lokalisera visuellt mitten av basen på MRE-prototypen (den blå fyrkanten i figur 1).
- När simuleringen visas höjer du en utsträckt hand för att placera den i mitten av vyn.
OBS: Från och med nu kan användarna göra handgester för att interagera med den simulerade miljön.
2. Förberedelse för användare
OBS: Detta steg tar ~5 min.
- Utan VR-glasögon öppnar du MRE-applikationen, som visas i figur 2.
- Se till att programmet startar i användarläge så att det bara är nödvändigt att logga in.
- Välj det scenario som användaren vill utföra. Det finns två scenarier: elektroniska komponenter och fysik.
- Tryck på Play; användaren kommer att ha 30 s på sig att ta på sig VR-glasögonen.
3. Genomförande av scenarier
OBS: Detta steg tar ~15 min.
- Scenario 1: Elektroniska komponenter
- Leta reda på de områden som ska placeras med hjälp av röda, gröna och blå färger. Detta avgränsar de sex interaktionszonerna i den här scenen: tre zoner för att ta de virtuella elektronikkomponenterna och tre zoner för att släppa komponenterna, som visas i figur 3.
- Ta komponenten och placera den på rätt plats. Rätt plats beror på komponenten och vad som ses i teorin; till exempel, i teorin, förklaras det hur man placerar en kylfläns, och i MRE praktiseras nämnda placering.
- Fortsätt tills alla komponenter är på plats.
- Scenario 2: fysik
- Leta reda på de två bilarna som är inblandade i scenariot (figur 4).
- Välj hastighet för varje bil.
- Visualisera graferna efter kollisionen.
4. Vy över administrationen
- På huvudskärmen trycker du på MRE-lägen (se figur 2) och väljer administratörsalternativet.
- Logga in för att kontrollera om kontot har behörighet att komma åt som administratör.
OBS: Det blir möjligt att se listan över elever och de betyg som erhållits i varje scenario.
5. Elevernas resultat
- Logga in som administratör, klicka på namnet på den önskade eleven och visa tabellen med information om betygen för deras scenarier.
- Klicka på en elevs namn och välj ladda ner betyg som CSV. Detta kommer att visa alla resultat i en kommaseparerad fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I det här avsnittet visas resultaten från experimentet. Först förklaras några detaljer om hur experimentet genomfördes, sedan visas de tester som utförts på eleverna i experimentet, och dessutom presenteras resultaten av testerna. Slutligen beskrivs en analys med en elev från varje grupp.
Ett av de största problemen som pandemin medförde för ingenjörsutbildningen var att det inte var möjligt att genomföra laborationer ansikte mot ansikte, vilket har en direkt inverkan på de kunskaper som studenterna tillägnar sig. För att analysera om projektet som utvecklats i denna artikel har en effekt genomfördes ett experiment med tre grupper av studenter. Varje grupp bestod av 10 studenter; Den första gruppen använde inte MRE, utan tog bara teori (onlinekurser) om principen för bevarande av rörelsemängd och elektroniska komponenter. Den andra gruppen använde MRE utan återkoppling och slutligen använde den tredje gruppen MRE med återkoppling från en lärare. Det är viktigt att nämna att alla elever hade samma skolnivå. De var alla universitetsstudenter på samma termin och med samma karriär, de studerade mekatronik. De var alla studenter vid Panamerican University i Guadalajara, Mexiko (den näst största staden i Mexiko). Experimentet tillämpades i en enda kurs som heter Introduktion till fysik och elektronik, under den andra terminen av examen (dvs. de var studenter som hade varit på universitetet i mindre än 1 år. Därför kan de ämnen som tas upp i klassen betraktas som grundläggande ur teknisk synvinkel17.
Kursen (Introduktion till fysik och elektronik) där experimentet utfördes hade följande egenskaper: (1) kursens längd var en termin; (2) det fanns två tentor under terminen (dvs. ett prov hölls var 10:e vecka av lektioner), Och vart och ett av dessa prov, eller 10-veckorsperiod, kallas "partiellt"; och (3) varje vecka hade 6 timmars lektioner, uppdelat på 3 dagar à 2 timmar per klass. Under veckan undervisades 4 h teori och 2 h praktik. Det är mycket viktigt att nämna att de egenskaper som nämns ovan är vad som gjordes före pandemin; Under pandemin hölls onlinekurser. Därför kunde de 2 timmarna av övningar per vecka inte genomföras, och ersattes av rådgivning och problemlösning. Av denna anledning genomfördes inga övningar i onlinekurserna.
Vårt experiment försökte modifiera så lite som möjligt av det som etablerades i klassen; MRE-systemet infördes under övningstid (2 h per vecka), och de elever som inte använde systemet fortsatte med rådgivning och problemlösning. Teorins 4 timmar modifierades inte alls av vårt experiment. På samma sätt använde eleverna som använde MRE en av övningsklasserna för att förklara hur systemet fungerar. Dessutom har MRE två miljöer, en för elektroniska komponenter och en för fysikkoncept. Experimentet genomfördes under en partiell (10 veckor), som involverade fysikövningar och övningar för elektroniska komponenter. Under denna period genomfördes sex praktiker i MRE (tre praktiker i fysik och tre i elektroniska komponenter). Slutligen var det två grupper som använde MRE; Den ena hade ingen återkoppling från läraren och den andra hade det. De som inte hade feedback fick ett manus av övningen som skulle utföras, och i slutet tilldelade läraren ett betyg från 0 till 10 i MRE-systemet, men ingen ytterligare förklaring gavs. Å andra sidan, i gruppen som hade feedback, vägledde läraren dem under övningen. Läraren kunde observera simuleringen samtidigt som eleverna, eftersom systemet inte innehåller ljud och deras öron är avtäckta, så läraren vägledde eleven genom att prata med dem under simuleringen och ange deras fel och orsakerna till dessa fel.
Det är viktigt att nämna att testet inte redigerades för det här experimentet. Med andra ord skulle testet ha varit detsamma för studenterna om det aktuella experimentet inte genomfördes. Provet hade 14 frågor, listade i tilläggsfil 1 i samma ordning som de presenterades.
Varje fråga på provet hade samma vikt i betyget, men läraren kunde tilldela bråkdelar av poäng till varje fråga baserat på elevens svar. Detta var upp till läraren. Tabell 1 visar betygen för var och en av eleverna, där 0 är det sämsta betyget och 10 det bästa. I slutet visas genomsnittet för varje grupp.
Å andra sidan visar figur 5 grafiskt poängen för varje elev separerade efter grupp. På så sätt är det lättare att visualisera resultaten från experimentet. Tabell 2 visar resultatet av varje fråga, med en elev från varje grupp.
Figur 1: Huvudmaterial i MRE. MRE-systemet består av en enkel 8 x 8 tum stor fyrkantig träbit, på vilken en basbild limmas. Bilden består av en central logotyp som är 3 x 3 tum stor; Resten av utrymmet består av slumpmässigt placerade 1 i x 1 i ikoner med mörkblå färger på en ljusblå bakgrund. Dessutom sätts en VR-box och en Android-mobiltelefon in i lådan. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: MRE-applikation. (A) Knappen för att välja mellan användare eller administratör; Den börjar som användare som standard. (B) Möjlighet att registrera sig/logga in. (C) Knapp för att fortsätta konfigurera scenariot. (D) Återgå till föregående skärm. (F) Kvalifikationer för närvarande. Om det är första gången den "spelas" kommer den att visas på 0. (G) Börja med det valda scenariot. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 3: Scenario för elektroniska komponenter. Färgerna avgränsar de sex interaktionszonerna i den här scenen: tre zoner för att ta komponenterna och tre zoner för att släppa komponenterna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Fysikscenario. Två bilar skapas vända mot varandra, förutom en sfärisk startknapp (grön färg) och en kubisk (ljusblå färg) för att modulera kraften med vilken den andra bilen skjuts. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Poäng för varje elev och standardavvikelse separerade efter grupp. Betyg per elev och använd teknik; Standardavvikelsen för varje grupp visas bredvid den. Det finns totalt 30 elever, 10 för varje inlärningsmetod, och varje elev i varje grupp tilldelades ett nummer från 1 till 10. Det är viktigt att nämna den typiska avvikelsen, där det tydligt framgår att utan användning av MRE är poängen mycket mer spridda. Detta kan vara logiskt, eftersom dessa elever bara fick onlinekurser, så uppmärksamheten som varje elev ägnade är mycket varierande, och detta ses i de erhållna poängen. Å andra sidan är det mycket mindre spridning när MRE används. Vidare, när återkoppling läggs till MR-teknik, blir det mindre spridning, vilket indikerar en bättre förståelse av alla elever, inte bara av vissa elever. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Tabell 1: Kunskapstestresultat för de tre grupperna. Den här tabellen visar alla resultat av de prov som eleverna har tagit. Det finns totalt 30 elever, 10 för varje inlärningsmetod, och varje elev i varje grupp tilldelades ett nummer från 1 till 10. Det kan tydligt ses att det bästa medelvärdet som erhölls var när MRE användes och det fanns feedback från läraren. Även om det inte fanns någon återkoppling är det fortfarande ett bättre alternativ i allmänna termer att använda MRE för en bättre förståelse av ämnena. Vid användning av MRE fanns det ingen poäng lägre än 7,5 hos någon av eleverna; Så man kan dra slutsatsen att det i allmänhet fanns en bättre förståelse för ämnena. Slutligen, med hjälp av MRE och med feedback från läraren, fanns det inga poäng under 8,0, och de högsta poängen av de 30 eleverna sågs också, 9,3 och 9,5. Därför kan man tydligt se de fördelar som eleverna har med att förstå ämnen när man använder MRE, men framför allt när feedback ges på det arbete som görs i övningarna. Klicka här för att ladda ner denna tabell.
Tabell 2: Resultat per fråga med en elev från varje grupp. Betyg på svaren från en deltagare i varje grupp. Elever vars betyg låg nära gruppens genomsnitt valdes ut. Läraren kunde ge poäng för delvis korrekta svar. Eleverna som använde MRE hade bättre resultat med frågorna om elektroniska komponenter, vilket tyder på att kunskap om komponenterna i deras verkliga dimensioner och former (med hjälp av MRE) bidrog till att förbättra den teoretiska kunskapen. Eleverna som använde MRE med återkoppling fick, förutom att kunna observera komponenterna så som de skulle ses i verkligheten, hjälp av läraren i fysik och elektroniska komponenter. Därför kan man säga att de förutom att träna hade rådgivningstimmar, och detta återspeglas tydligt i resultaten. Klicka här för att ladda ner denna tabell.
Kompletteringsfil 1: Frågor som presenteras för studenterna. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
MRE-systemet tillåter olika scenarier för eleverna att lära sig om elektroniska komponenter eller fysikämnen. En viktig punkt är möjligheten för läraren att ge feedback. På så sätt kan eleverna veta vad de gjorde fel och varför. Med MRE-systemet utvecklat genomfördes ett experiment med 30 elever, där 10 elever inte använde MRE, 10 använde MRE och slutligen ytterligare 10 använde MRE och fick feedback från läraren. I slutet av lektionerna gavs ett allmänt kunskapstest till alla elever. Testet modifierades inte för experimentet (dvs. samma test tillämpas om klasserna är rent teoretiska eller om laboratoriepraktik utförs. Övningarna är endast ett komplement för att bättre förstå teorin och därmed få en bättre allmän förståelse för ämnet. Provet är skriftliga svar som visar uträkningar, och läraren kan rätta med halva poäng om svaret är delvis korrekt.
Tack vare användningen av MRE fick eleverna ett bättre generellt genomsnitt, det bästa genomsnittet som ses när det fanns feedback från läraren. På samma sätt är standardavvikelsen en viktig punkt. Målet med en lektion är att majoriteten av eleverna, eller helst alla, ska få största möjliga kunskap. På grund av användningen av MRE kan en mindre spridning av poängen observeras, vilket bevisar att kunskapen om ämnena förstods av ett större antal elever.
När man observerar poängen för varje fråga i detalj har MRE en mindre effekt när frågorna är fokuserade på problem som kan analyseras 100 % från teorin. Men i tekniska ämnen är det viktigt att känna till både utrustning och komponenter, därför hade MRE en positiv inverkan, och eleverna som använde MRE svarade bättre på frågorna som täckte dessa ämnen. Dessutom, när det gäller teoretiska frågor (t.ex. fysik), är MRE till hjälp när man har feedback från läraren, eftersom läraren kan klargöra dessa frågor med stöd av en virtuell miljö. Lärarnas feedback är inget nytt; Det sker i lektioner ansikte mot ansikte, så det är tydligt att denna feedback fortfarande är lika viktig i virtuella miljöer.
MRE-systemet hjälper ingenjörsstudenter att utföra laboratorieövningar på distans. Världen har förändrats, och även om den för närvarande återgår till lektioner ansikte mot ansikte, öppnar fler skolor varje dag 100 % onlinekurser29. För att möta dessa förändringar har applikationer skapats med hjälp av ny teknik. En sådan teknik är MR, där det är möjligt att visualisera studiemiljöer för att förbättra lärandet. De flesta av dessa applikationer används dock i medicinska miljöer, med få inom teknik 9,12. Å andra sidan har RL hyllats som lösningen för distansteknikklasser, men det är nödvändigt att ha ett fysiskt utrymme och komponenterna är mycket dyra. Därför är investeringen för en RL mycket hög, och de ingår inte som en möjlighet för många skolor i Latinamerika19,20.
På samma sätt har andra arbeten diskuterat hur virtuella laboratorier och fjärrlaboratorier kan hjälpa till i distansundervisning. De är till exempel överens om att kostnaderna är lägre än att inrätta ett traditionellt laboratorium. Vergara et al. analyserade data från mer än 400 studenter som frågade om deras erfarenhet av användningen av VR och MR i laboratorier; 89 % av eleverna nämnde att de är tillräckliga för att komplettera en lärares förklaring, men endast 11 % sa att användningen i sig är tillräcklig. Denna teknik i sig är tillräcklig för att förstå ämnet, även om arbetet inte utför någon analys av den inverkan som användningen av denna teknik har på förståelsen av ämnet utöver att fråga elevens känslor30. Dessutom analyserade Wu et al. flera verk som nämner VR med hjälp av huvudmonterade skärmar (HMD; som vi använder det i detta arbete). De drar slutsatsen att HMD-baserat immersivt lärande har en bättre effekt på inlärningsresultat än icke-immersiva inlärningsmetoder31. Trots detta presenterar Wu et al. inte heller hur mycket förståelsen av ämnet kan förbättras med hjälp av VR eller MR; De nämner bara att det finns bättre lärande, särskilt i naturvetenskapliga ämnen, vilket återigen är fallet som presenteras i denna uppsats.
Å andra sidan experimenterade Makarova et al. för att hitta effekten av VR i undervisning av fordonstjänster. Även om antalet elever som nämns är 344, kommer dessa elever från olika årskurser, så de har olika kunskaper och färdigheter. Studenterna i deras studie är mellan 19 och 30 år gamla, till skillnad från vad som presenteras här, där alla elever har samma studienivå och är mellan 18 och 20 år. Å andra sidan analyserade Makarova et al. elever som använde fysisk och virtuell utrustning, där 35 studenter använde virtuell utrustning (ett antal elever som inte skiljer sig särskilt mycket från vårt experiment). De drar slutsatsen att VR- och MR-teknik är mycket effektivare än traditionella metoder, vilket ökar elevernas intresse för att lära sig32. Dessutom nämner andra arbeten att användningen av virtuella system hjälper till att lära ut naturvetenskap och språk, till och med analysera användbarheten av olika tillvägagångssätt och ergonomi, vilket ligger utanför ramen för detta arbete33,34.
Andra arbeten, som Loetscher et al., analyserade det korrekta VR-verktyget som bör användas beroende på testtyp, särskilt för beteendetester, där svarstiden ofta är avgörande för dataanalys. De nämner att VR-system på mobiltelefoner har en låg svarstid35, även om svarstiden för experimentet som visas i denna studie inte påverkar provet som tillämpas på studenterna. Dessutom är det nödvändigt att analysera kostnaden för att inrätta ett laboratorium med specialutrustning mot tidpunkten för önskat svar för att få genomförbarhet. Det är uppenbart att vissa experiment kommer att vara avgörande för att minska hårdvarans begränsningar, men det är inte fallet för detta arbete.
Därför är vi övertygade om att detta arbete kompletterar de studier som hittills har genomförts. Många arbeten har visat att användning av virtuell teknik hjälper till med inlärning och intresse, men de har inte försökt visa den verkliga inverkan som det kan ha på lärandet. Även om antalet elever som används i experimentet är lågt, såg vi till att alla hade samma kunskapsnivå och färdigheter (så mycket som möjligt) och att samma ämne lärdes ut till alla, och försökte eliminera alla externa komponenter som kunde ha påverkat resultaten. Provet som tillämpades var detsamma, vilket gjorde det möjligt att kvantifiera (i ett litet urval) den förbättring som eleverna har med hjälp av virtuell teknik för att komplettera teorin som ses i klassen.
Tack vare MRE är det möjligt att utföra laboratoriepraktiker för teknik till en låg kostnad och med en minimal investering för skolor. Man behöver bara en Android-mobiltelefon från 2019 eller senare och en träbas för kalibrering, vilket gör den mycket mer tillgänglig för skolor i utvecklingsländer. Det är värt att nämna att det är nödvändigt att följa en rad steg för att använda MRE-systemet. Utan tvekan är det kritiska steget för korrekt drift av systemet konfigurationen och kalibreringen av VR-systemet (steg 1). Eftersom MRE använder händerna som applikationsverktyg skulle ett fel i kalibreringen förhindra att man kan fortsätta med körningen av scenarierna. Dessutom är det viktigt att använda basen med bilden för kalibrering. Bilden används för att dimensionera miljön och detektera handen i rummet.
Därför är det tydligt att en begränsning med det presenterade projektet är att ha en bas med bilden för kalibreringen. För det experiment som presenterades var det nödvändigt att tillverka en bas för varje elev. Även om det var ganska enkelt att reproducera och spela scenarierna när de väl var kalibrerade, är det värt att nämna att det är komplicerat att skapa nya scenarier. Därför behövs en lång utvecklingstid för varje praktik som behöver utvecklas.
En särskiljande punkt med RL eller annan MR-teknik är dock den låga kostnaden för utrustning och material som behövs. Vilken Android-telefon som helst kan användas som ett verktyg för att utföra övningarna, även om en begränsning är att få kalibreringsbilden; Ändå kan den skrivas ut på traditionellt sätt och ingen speciell utrustning behövs. Därför har tillgången till de redan utvecklade scenarierna en låg kostnad. Genom att använda en sådan tillgänglig teknik kan MRE användas även inom andra områden, inte bara laboratoriemetoder. Främst under utbildning av personal för företag, när en ny anställd börjar, är det ofta nödvändigt att stoppa eller sänka produktionen för att lära ut användningen av maskiner. Därför kan MRE anpassas för att utveckla produktionslinjemiljöer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några kända konkurrerande ekonomiska intressen eller personliga relationer som skulle kunna ha påverkat det arbete som redovisas i denna uppsats.
Acknowledgments
Denna studie sponsrades av Panamerican University Guadalajara campus. Vi tackar de mekatroniska ingenjörsstudenterna för att de bidrog till experimentet.
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).
