Summary
Bu çalışmada, öğrencilerin çevrimiçi dersleri tamamlayan laboratuvar uygulamaları geliştirmelerine yardımcı olmak için MRE adı verilen bir karma gerçeklik sistemi geliştirilmiştir. 30 öğrenci ile bir deney yapıldı; 10 öğrenci MRE kullanmadı, 10 öğrenci MRE kullandı ve 10 öğrenci daha öğretmen geri bildirimi ile MRE kullandı.
Abstract
COVID-19 salgını birçok sektörü değiştirdi, bazı sektörleri güçlendirdi ve diğerlerinin ortadan kalkmasına neden oldu. Eğitim sektörü büyük değişikliklerden muaf değildir; Bazı ülkelerde veya şehirlerde dersler en az 1 yıl boyunca %100 çevrimiçi olarak verilmektedir. Bununla birlikte, bazı üniversite kariyerleri, özellikle mühendislik alanlarında öğrenmeyi tamamlamak için laboratuvar uygulamalarına ihtiyaç duyar ve yalnızca çevrimiçi teorik derslerin olması bilgilerini etkileyebilir. Bu nedenle bu çalışmada, öğrencilerin çevrimiçi dersleri tamamlayacak laboratuvar uygulamaları geliştirmelerine yardımcı olmak için eğitim için karma gerçeklik (MRE) adı verilen bir karma gerçeklik sistemi geliştirilmiştir. 30 öğrenci ile bir deney yapıldı; 10 öğrenci MRE kullanmadı, 10 öğrenci MRE kullandı ve 10 öğrenci daha öğretmen geri bildirimi ile MRE kullandı. Bununla, eğitim sektöründe karma gerçekliğin avantajları görülebilir. Sonuçlar, MRE kullanımının mühendislik konularındaki bilgiyi geliştirmeye yardımcı olduğunu göstermektedir; Öğrenciler, kullanmayanlara göre %10 ila %20 daha iyi notlarla yeterlilik elde ettiler. Her şeyden önce, sonuçlar sanal gerçeklik sistemlerini kullanırken geri bildirimin önemini göstermektedir.
Introduction
Teknoloji eğitim sektöründe her zaman var olmuştur; Sınıfları öğretmek için kullanılan cihazlarda köklü değişiklikler meydana geldi. Ancak, yüz yüze dersler öğrenciler ve öğretmenler için tercih edilen seçenek olmaya devam ediyor. Pandemi geldiğinde tüm sektörleri değiştirdi ve eğitim de bir istisna değildi. 2018'de, pandemiden önce, bir derece okuyan öğrencilerin yalnızca %35'i çevrimiçi olarak en az bir ders aldığını bildirdi; yani, öğrencilerin %65'i eğitimlerini1. Nisan 2020 itibariyle, hükümet emriyle (Meksika), tüm devlet ve özel okulların yüz yüze ders vermesi yasaklandı; Bu nedenle öğrencilerin %100'ü uzaktan ders almak zorunda kaldı. Üniversiteler, görüntülü arama, ders hazırlama, ödev yönetimi vb. için araçlar kullanarak ilk harekete geçenler oldu. Üniversite çağındaki insanlar (18 ila 25 yaş arası) doğumdan beri teknoloji ile temas halinde olan insanlar olduğu için bu mantıklıdır.
Bazı sınıflar sanal olarak tamamen uyarlanabilir; Bununla birlikte, laboratuvar uygulamalarının uzaktan gerçekleştirilmesi karmaşıktır ve öğrenciler genellikle pahalı olan gerekli malzemeye sahip değildir. Çevrimiçi sınıfların bilgi kalitesi üzerindeki etkisi belirsizdir ve bazı araştırmalar, çevrimiçi kursların genellikle yüz yüze kurslardan daha kötü öğrenci performansı sağladığını göstermektedir2. Ancak kesin olan bir şey var ki, öğrencileri sektörde yaşayacaklarına yaklaştıran laboratuvar uygulamalarının yapılmaması, mesleki performanslarını olumsuz etkileyecektir. Bu nedenle, mevcut mühendislik öğretiminde gerçek ölçekli deneyimlerin önemi gerekli hale gelmektedir 3,4,5. Bu nedenlerden dolayı, bu sorunları azaltmak için yeni teknolojiler kullanılmaktadır. Bunlar arasında sanal gerçeklik (VR), artırılmış gerçeklik (AR) ve karma gerçeklik (MR) bulunmaktadır. VR'nin tamamen sürükleyici bir dijital ortamın oluşturulmasına izin veren bir teknoloji olduğunu, AR'nin ise sanal nesneleri gerçek dünya ortamında kapladığını belirtmek önemlidir. Öte yandan, MR sadece sanal nesneleri kullanmakla kalmaz, aynı zamanda bu nesneleri gerçek dünyaya sabitleyerek onlarla etkileşime girmeyi mümkün kılar. Bu nedenle MR, VR VEAR 6'nın bir kombinasyonudur. Öte yandan, bazı kuruluşlar, gerçek ekipmanların bulunduğu ancak uzaktan kontrol edilebilen uzak laboratuvarlar geliştirmek için de çaba sarf etmişlerdir7.
MR terimi 1994 yılına kadar uzanır; ancak son 5 yılda, çabalarını Metaverse6 gibi ortamları geliştirmeye odaklayan büyük şirketler sayesinde özel bir önem kazanmıştır. MR farklı alanlarda uygulanabilir; En yaygın olanlardan ikisi eğitim ve öğretimdir. Eğitim, MR'ın en büyük itici güçlerinden biri olmuştur; Bir şirketin yeni çalışanları eğitmek için veya tehlikeli ortamlarda bir üretim hattını durdurması çok pahalıdır ve sahada eğitim vermek kolay değildir. Eğitim çok geride değil; yüz yüze sınıflar çok az değişmiş olsa da, MR'yi 8,9 sınıflarına dahil etmek için büyük çabalar var. Eğitim için, tam bir eğitime sahip olmak için laboratuvar uygulamaları yapmanın gerekli olduğu profesyonel kariyerler vardır. Mevcut birçok çalışma ve araştırma, VR, AR ve MR'ın önemli bir rol oynadığı tıptadır. Çok sayıda makale, MR'ın cerrahi ve tıbbi konularda geleneksel öğretim yöntemlerini nasıl aştığını göstermektedir, burada uygulama gelişmekte olan öğrencileriçin açık bir avantajdır 10,11,12,13,14.
Ancak, mühendislik konularında aynı miktarda araştırma yoktur. Normalde mühendislik kariyerlerinde, bir öğrencinin uygulamalarla tamamlanan teori dersleri vardır. Bu sayede MR ve VR ile ilgili mühendislik pedagojisindeki faydalarını gösteren çalışmalar bulunmaktadır12. Bununla birlikte, bu çalışmaların bir kısmı çevrenin karmaşıklığını ve kullanılan araçları analiz etmeye odaklanmaktadır 8,15. Tang ve arkadaşları, farklı alanlardan ve farklı bilgilere sahip öğrencilerin geometrik analiz ve yaratıcılık anlayışlarını geliştirmek için MR'yi kullandıkları bir çalışma tasarlamışlardır16. Daha sonraki bir testte, MR kullanarak derslerini alan kişiler daha hızlı bitirdiler ve bu da MR'nin öğrenmeyi olumlu yönde etkilediğini açıkça ortaya koydu16. Ayrıca Halabi, mühendislik eğitiminde VR araçlarının kullanımını gösterdi. MR olmasa da öğretim için kullanılabilecek araçları gösterir. 17 mühendislik derslerinde VR'yi tanıtmanın mümkün olduğunu göstermek için gerçek bir vaka çalışması yapar.
Uzak laboratuvarlar (RL'ler) ise öğrencilerin uygulamalarını geleneksel bir laboratuvardaymış gibi uzaktan yürütmelerine olanak tanıyan yazılım ve donanımdan oluşan teknolojik araçlardır. RL'lere genellikle internet üzerinden erişilir ve normalde öğrencilerinöğrendiklerini 18 ihtiyaç duydukları kadar özerk bir şekilde uygulamaya koymaları gerektiğinde kullanılır. Bununla birlikte, COVID-19'un gelişiyle birlikte, kullanımı geleneksel laboratuvarların yerini almak ve çevrimiçi sınıflar18 sırasında uygulamalar yapabilmek olmuştur. Yukarıda bahsedildiği gibi, bir RL'nin fiziksel bir alana (geleneksel laboratuvar) ve uzaktan kontrol edilmesine izin veren unsurlara ihtiyacı vardır. VR'nin gelişiyle laboratuvarlar sanal olarak modellendi ve fiziksel mekanizmalar aracılığıyla laboratuvarın unsurları kontrol edilebiliyor19. Bununla birlikte, bir RL'ye sahip olmak çok pahalıdır ve özellikle gelişmekte olan ülkelerde birçok okulu engellemektedir. Bazı araştırmalar, maliyetlerin 50,000 ila 100,000 ABD Doları arasında değişebileceğini belirtmektedir20,21.
Dahası, pandemi başladığından beri değişikliklerin hızlı bir şekilde yapılması gerekiyordu; RL'ler söz konusu olduğunda, geleneksel laboratuvarların yerini almak üzere her öğrencinin evine kitler göndermek için girişimlerde bulunuldu. Ancak, araştırmalar her bir kitin yaklaşık 700 $18,22'ye mal olduğunu gösterdiğinden, bir maliyet sorunu vardı. Bununla birlikte, çalışmalar pahalı ve elde edilmesi zor bileşenler kullandı. Pandemi dünya çapında eğitimi etkiledi ve pek çok insan bir laboratuvarı otomatikleştirmek veya bir kit satın almak için binlerce dolar harcayamadı. Çoğu çalışma yüz yüze dersleri dikkate alır ve bunları MR ile tamamlar. Bununla birlikte, son yıllarda, COVID-19 nedeniyle sınıflar çevrimiçi olmuştur ve yalnızca bazı çalışmalar, MR ve uygun fiyatlı cihazlar kullanılarak sanal sınıfların iyileştirildiğini göstermektedir23,24.
Şimdiye kadar var olan araştırmalar, mühendislik hakkında çok az bilgi ile esas olarak tıbba odaklanmıştır. Bununla birlikte, şüphesiz, en büyük katkının ve farkın, deneyimizin 6 ay boyunca gerçekleştirilmesi ve sanal modeller kullanmayan aynı özelliklere sahip deneklerle karşılaştırılması olduğuna inanıyoruz, oysa önceki çalışmaların çoğunda tek teknolojileri veya prosedürleri karşılaştırmak için kısa deneyler yapıldı; Bunları birkaç ay boyunca uygulamadılar. Bu nedenle, bu makale bir üniversite dersinde MR kullanılarak yapılabilecek öğrenme farkını göstermektedir.
Bu nedenle bu çalışma, elektronik mühendisliği odaklı üniversitelerde laboratuvar uygulamalarının yürütülmesine yardımcı olacak bir MR sisteminin gelişimini ve sonuçlarını göstermektedir. Cihazın maliyetinin düşük tutulmasına ve genel nüfus için erişilebilir olmasına özel önem verildiğini belirtmek önemlidir. Üç grup farklı öğretim yöntemleri kullanır ve sınıf konularında bir sınav yapılır. Bu sayede MR kullanarak uzaktan eğitimdeki konuların anlaşılmasına yönelik sonuçlar elde etmek mümkündür.
Bu çalışmada açıklanan proje, eğitim için karma gerçeklik (MRE) olarak adlandırılıyor ve öğrencilerin bir akıllı telefon ile VR gözlüklerini kullandıkları bir platform olarak öneriliyor (yani, özel bir VR gözlüğü kullanılmıyor). Sanal ve gerçek nesnelerin kullanımı, karma gerçeklik sistemi sayesinde öğrencilerin sanal ortamlar ve gerçek nesnelerle sadece kendi ellerini kullanarak etkileşime girebilecekleri bir çalışma alanı oluşturulur. Bu çalışma alanı, tüm sanal nesnelerin görüntülendiği ve etkileşimde bulunulduğu bir görüntüye sahip bir tabandan oluşur. Yaratılan ortam, mühendislik kariyerleri için elektronik bileşenleri ve fiziği göstermek için laboratuvar uygulamaları yürütmeye odaklanır. Öğrencilere geri bildirim sağlama ihtiyacını vurgulamak önemlidir. Bu nedenle MRE, bir yöneticinin (normalde öğretmenin) etkinliği derecelendirmek için neler yapıldığını görebileceği bir geri bildirim sistemi içerir. Bu sayede öğrencinin yaptığı çalışmalar hakkında geri bildirim verilebilir. Son olarak, bu çalışmanın kapsamı, çevrimiçi derslerde MR kullanmanın avantajları olup olmadığını kontrol etmektir.
Bunu başarmak için, deney üç grup öğrenci ile gerçekleştirildi. Her grup 10 öğrenciden (toplam 30 öğrenci) oluşuyordu. İlk grup MRE kullanmadı, sadece momentum korunumu ilkesi ve elektronik bileşenler üzerine teori (çevrimiçi dersler) aldı. İkinci grup geri bildirim olmadan MRE'yi, üçüncü grup ise bir öğretmenden gelen geri bildirimle MRE'yi kullandı. Tüm öğrencilerin aynı okul seviyesine sahip olduğunu belirtmek önemlidir; Aynı dönemde ve aynı kariyere sahip, mekatronik mühendisliği okuyan üniversite öğrencileridir. Deney, derecenin ikinci yarıyılında Fizik ve Elektroniğe Giriş adlı tek bir derste uygulandı; yani öğrenciler 1 yıldan az bir süredir üniversitedeydiler. Bu nedenle, sınıfta işlenen konular mühendislik açısından temel olarak kabul edilebilir. Deney, deneyin yetkilendirildiği sınıfa kaydolan öğrenci sayısı olduğu için 30 öğrenci üzerinde gerçekleştirildi. Seçilen derste (Fizik ve Elektroniğe Giriş) teori ve laboratuvar uygulamaları vardı ancak pandemi nedeniyle sadece teori dersleri işleniyordu. Öğrenciler, uygulamaların genel öğrenme üzerindeki etkisini ve MR derslerinin yüz yüze uygulamaların yerini alıp alamayacağını görmek için üç gruba ayrıldı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokol, Panamerikan Üniversitesi etik komitesinin yönergelerini takip eder. Deney, yaşları 18 ile 20 arasında değişen toplam 30 öğrenci ile gerçekleştirilmiştir; sekiz öğrenci kız ve 22 erkekti ve hepsi Meksika'nın Guadalajara kentindeki (Meksika'nın en büyük ikinci şehri) Panamerikan Üniversitesi'ne gitti. Tüm katılımcılar bilgilendirilmiş onam sürecini tamamladı ve veri toplama sırasında çekilecek ve yayınlanacak fotoğraflar için yazılı izin verdi. Tek şart, öğrencilerin bir akıllı telefona sahip olmaları gerektiğiydi ki bu sorun değildi. Bu nedenle, deney için herhangi bir dışlama kriteri yoktu.
1. VR sistem kurulumu ve kalibrasyonu
NOT: Bu adım ~10 dakika sürer.
- Sistemin tüm bileşenleri içerdiğinden emin olun: işletim sistemi sürümü 10 veya üzeri olan bir Android telefon, VR kutu gözlükleri ve kalibrasyon görüntüsüne sahip ahşap bir taban (Şekil 1) (bkz.
- Cep telefonunda MRE uygulamasını açın ve Unity, AR Foundation, Google Cardboard ve ManoMotion hizmetlerini25,26,27,28 yükleyin. MRE uygulaması tarafımızca geliştirilmiştir; Android için geliştirilmiştir ve herkese açık değildir.
- Cep telefonunu VR gözlüklerine yerleştirin ve gözlükleri takın.
- MRE prototipinin tabanının merkezini görsel olarak bulun ( Şekil 1'deki mavi kare).
- Simülasyon göründüğünde, görünümün ortasına yerleştirmek için uzanmış bir elinizi kaldırın.
NOT: Bu andan itibaren, kullanıcılar simüle edilmiş ortamla etkileşim kurmak için el hareketleri yapabilirler.
2. Kullanıcı hazırlığı
NOT: Bu adım ~5 dakika sürer.
- VR gözlüğü olmadan, Şekil 2'de gösterildiği gibi MRE uygulamasını açın.
- Uygulamanın kullanıcı modunda başladığından emin olun, böylece yalnızca oturum açmanız gerekir.
- Kullanıcının gerçekleştirmek istediği senaryoyu seçin. İki senaryo vardır: elektronik bileşenler ve fizik.
- Oynat'a basın; kullanıcının VR gözlüklerini takmak için 30 saniyesi olacaktır.
3. Senaryoların yürütülmesi
NOT: Bu adım ~15 dakika sürer.
- Senaryo 1: elektronik bileşenler
- Kırmızı, yeşil ve mavi renkler aracılığıyla bileşenlerin konumlandırılacağı alanları bulun. Bu, bu sahnenin altı etkileşim bölgesini sınırlar: Şekil 3'te gösterildiği gibi, sanal elektronik bileşenleri almak için üç bölge ve bileşenleri bırakmak için üç bölge.
- Bileşeni alın ve doğru yere yerleştirin. Doğru yer, bileşene ve teoride ne görüldüğüne bağlıdır; örneğin, teoride, bir soğutucunun nasıl yerleştirileceği açıklanır ve MRE'de söz konusu yerleştirme uygulanır.
- Tüm bileşenler yerine oturana kadar devam edin.
- Senaryo 2: fizik
- Senaryoda yer alan iki arabayı bulun (Şekil 4).
- Her arabanın hızını seçin.
- Çarpışmadan sonra grafikleri görselleştirin.
4. Yönetim görünümü
- Ana ekranda, MRE modlarına basın (bkz. Şekil 2) ve yönetici seçeneğini seçin.
- Hesabın yönetici olarak erişim izni olup olmadığını doğrulamak için oturum açın.
NOT: Her senaryoda öğrenci listesini ve alınan notları görüntülemek mümkün hale gelir.
5. Öğrenci sonuçları
- Yönetici olarak oturum açarak, istediğiniz öğrencinin adına tıklayın ve senaryolarının notlarının bilgilerini içeren tabloyu görüntüleyin.
- Bir öğrencinin adına tıklayın ve notları CSV olarak indir'i seçin. Bu, tüm sonuçları virgülle ayrılmış bir dosyada görüntüler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu bölümde, deneyden elde edilen sonuçlar gösterilmektedir. İlk olarak, deneyin nasıl yapıldığına dair bazı detaylar açıklanmış, daha sonra deney öğrencileri üzerinde yapılan testler gösterilmiş ve ayrıca testlerin sonuçları sunulmuştur. Son olarak, her gruptan bir öğrencinin kullanıldığı bir analiz açıklanmıştır.
Pandeminin mühendislik eğitimine getirdiği en büyük sorunlardan biri, öğrencilerin edindikleri bilgileri doğrudan etkileyen laboratuvar uygulamalarının yüz yüze gerçekleştirilememesi oldu. Bu makalede geliştirilen projenin bir etkisinin olup olmadığını analiz etmek için üç grup öğrenci ile bir deney yapılmıştır. Her grup 10 öğrenciden oluşuyordu; ilk grup MRE kullanmadı, bunun yerine sadece momentum korunumu ilkesi ve elektronik bileşenler üzerine teori (çevrimiçi dersler) aldı. İkinci grup geri bildirim olmadan MRE'yi kullandı ve son olarak üçüncü grup bir öğretmenden geri bildirim alarak MRE'yi kullandı. Tüm öğrencilerin aynı okul seviyesine sahip olduğunu belirtmek önemlidir. Hepsi aynı dönemde ve aynı kariyere sahip, mekatronik mühendisliği okuyan üniversite öğrencileriydi. Hepsi Meksika'nın Guadalajara kentindeki (Meksika'nın en büyük ikinci şehri) Panamerikan Üniversitesi'nde öğrenciydi. Deney, derecenin ikinci döneminde Fizik ve Elektroniğe Giriş adlı tek bir derste uygulandı (yani, 1 yıldan az bir süredir üniversitede olan öğrencilerdi. Bu nedenle, sınıfta işlenen konular mühendislik açısından temel olarak kabul edilebilir17.
Deneyin yapıldığı ders (Fizik ve Elektroniğe Giriş) aşağıdaki özelliklere sahipti: (1) dersin süresi bir dönemdi; (2) dönem boyunca iki sınav yapıldı (yani, her 10 haftada bir test yapıldı), Ve bu testlerin her birine veya 10 haftalık süreye "kısmi" denir; ve (3) her hafta 6 saat ders vardı ve sınıf başına 3 gün 2 saate bölündü. Hafta boyunca 4 saat teori ve 2 saat pratik öğretildi. Yukarıda belirtilen özelliklerin pandemiden önce yapılanlar olduğunu belirtmek çok önemlidir; Pandemi sırasında çevrimiçi dersler yapıldı. Bu nedenle, haftada 2 saatlik uygulamalar yapılamadı ve yerini danışmanlık ve problem çözme aldı. Bu nedenle çevrim içi derslerde herhangi bir uygulama yapılmamıştır.
Deneyimiz, sınıfta kurulanları mümkün olduğunca az değiştirmeye çalıştı; MRE sistemi uygulama saatlerinde (haftada 2 saat) tanıtıldı ve sistemi kullanmayan öğrenciler tavsiye ve problem çözme ile devam ettiler. Teorinin 4 saati, deneyimiz tarafından hiç değiştirilmedi. Benzer şekilde, MRE kullanan öğrenciler sistemin işleyişini açıklamak için uygulama sınıflarından birini kullandılar. Ayrıca, MRE'nin biri elektronik bileşenler ve diğeri fizik kavramları için olmak üzere iki ortamı vardır. Deney, fizik uygulamalarını ve elektronik bileşen uygulamalarını içeren bir kısmi (10 hafta) boyunca gerçekleştirildi. Bu dönemde, MRE'de altı uygulama (üç fizik uygulaması ve üç elektronik bileşen) gerçekleştirilmiştir. Son olarak, MRE kullanan iki grup vardı; Biri öğretmenden geri bildirim almadı, diğeri aldı. Geri bildirimi olmayanlara yapılacak uygulamanın bir senaryosu verildi ve sonunda öğretmen MRE sisteminde 0'dan 10'a kadar bir not verdi, ancak daha fazla açıklama yapılmadı. Öte yandan, geri bildirim alan grupta, öğretmen uygulama sırasında onlara rehberlik etti. Öğretmen, sistem ses içermediği ve kulakları açıkta olduğu için simülasyonu öğrencilerle aynı anda gözlemleyebildi, bu nedenle öğretmen simülasyon sırasında öğrenciyle konuşarak hatalarını ve söz konusu hataların nedenlerini belirterek öğrenciyi yönlendirdi.
Testin bu deney için düzenlenmediğini belirtmek önemlidir. Başka bir deyişle, mevcut deney yapılmasaydı, test öğrenciler için aynı olacaktı. Testte, Ek Dosya 1'de sunuldukları sırayla listelenen 14 soru vardı.
Testteki her soru notta aynı ağırlığa sahipti, ancak öğretmen öğrencinin cevabına göre her soruya puan kesirleri atayabilirdi. Bu öğretmenin takdirindeydi. Tablo 1 , 0 en kötü not ve 10 en iyi not olmak üzere her öğrencinin notlarını göstermektedir. Sonunda, her grubun ortalaması gösterilir.
Öte yandan, Şekil 5 , gruba göre ayrılmış her öğrencinin puanlarını grafiksel olarak göstermektedir. Bu sayede deneyden elde edilen sonuçları görselleştirmek daha kolaydır. Tablo 2 , her gruptan bir öğrenci alınarak her sorunun sonuçlarını göstermektedir.
Şekil 1: MRE ana malzemeleri. MRE sistemi, üzerine bir temel görüntünün yapıştırıldığı 8 inç x 8 inç kare ahşap parçasından oluşur. Görüntü, 3 inç x 3 inç boyutunda merkezi bir logodan oluşur; Alanın geri kalanı, açık mavi bir arka plan üzerinde koyu mavi renkler kullanan simgelerde rastgele yerleştirilmiş 1 inç x 1'den oluşur. Ek olarak, kutuya bir VR kutusu ve bir Android cep telefonu yerleştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: MRE uygulaması. (A) Kullanıcı veya yönetici arasında seçim yapma düğmesi; Varsayılan olarak kullanıcı olarak başlar. (B) Kayıt/giriş yapma seçeneği. (C) Senaryoyu yapılandırmaya devam etmek için düğmesine basın. (D) Önceki ekrana dönün. (F) Şu andaki kalifikasyon; İlk kez "oynanıyorsa", 0'da görünecektir. (G) Seçilen senaryo ile başlayın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Elektronik bileşenler senaryosu. Renkler, bu sahnenin altı etkileşim bölgesini sınırlar: bileşenleri almak için üç bölge ve bileşenleri bırakmak için üç bölge. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Fizik senaryosu. İkinci arabanın itildiği kuvveti modüle etmek için küresel bir başlat düğmesine (yeşil renk) ve kübik bir düğmeye (açık mavi renk) ek olarak birbirine bakan iki araba oluşturulur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Her öğrencinin puanı ve gruplara göre ayrılmış standart sapma. Öğrenci başına notlar ve kullanılan teknoloji; Her grubun standart sapması yanında gösterilir. Her öğrenme yaklaşımı için 10 olmak üzere toplam 30 öğrenci vardır ve her gruptaki her öğrenciye 1'den 10'a kadar bir numara verilmiştir. MRE kullanılmadan puanların çok daha dağınık olduğu açıkça görülen tipik sapmadan bahsetmek önemlidir. Bu mantıklı olabilir, çünkü bu öğrenciler sadece çevrimiçi dersler aldılar, bu nedenle her öğrencinin gösterdiği dikkat çok değişkendir ve bu, elde edilen puanlarda görülür. Öte yandan, MRE kullanıldığında çok daha az dağılım vardır. Ayrıca, MR teknolojisine geri bildirim eklendiğinde, daha az dağılım olur, bu da sadece bazı öğrenciler tarafından değil, tüm öğrenciler tarafından daha iyi anlaşıldığını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Tablo 1: Üç grup için bilgi testi sonuçları. Bu tablo öğrencilerin girdikleri tüm sınavların sonuçlarını göstermektedir. Her öğrenme yaklaşımı için 10 olmak üzere toplam 30 öğrenci vardır ve her gruptaki her öğrenciye 1'den 10'a kadar bir numara verilmiştir. Elde edilen en iyi ortalamanın MRE kullanıldığında olduğu ve öğretmenden geri bildirim alındığı açıkça görülmektedir. Geri bildirim olmasa bile, konuların daha iyi anlaşılması için MRE'yi kullanmak genel anlamda daha iyi bir seçenektir. MRE kullanılırken, hiçbir öğrencide 7.5'ten düşük puan yoktu; Dolayısıyla, genel olarak konuların daha iyi anlaşıldığı sonucuna varılabilir. Son olarak, MRE kullanılarak ve öğretmenden alınan geri bildirimlerle, 8.0'ın altında puan yoktu ve 30 öğrencinin en yüksek puanları da 9.3 ve 9.5 olarak görüldü. Bu nedenle, öğrencilerin MRE kullanırken konuları anlamada sahip oldukları faydalar açıkça görülebilir, ancak her şeyden önce, uygulamalarda yapılan çalışmalar hakkında geri bildirim verildiğinde. Bu Tabloyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Tablo 2: Her gruptan bir öğrenci kullanılarak soru başına sonuçlar. Her gruptaki bir öğrencinin yanıtlarına not verir. Notu grup ortalamasına yakın olan öğrenciler seçildi. Öğretmen kısmen doğru cevaplara puan verebilir. MRE kullanan öğrenciler elektronik bileşenler sorularında daha iyi sonuçlar elde ettiler, bu da bileşenleri gerçek boyutlarında ve şekillerinde (MRE kullanarak) bilmenin teorik bilgilerin geliştirilmesine yardımcı olduğunu düşündürdü. MRE'yi geri bildirimle kullanan öğrenciler, bileşenleri gerçekte görüleceği gibi gözlemleyebilmenin yanı sıra, fizik ve elektronik bileşenlerin uygulamalarında öğretmenden yardım aldılar. Bu nedenle, pratik yapmanın yanı sıra, tavsiye saatleri olduğu söylenebilir ve bu, sonuçlara açıkça yansır. Bu Tabloyu indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 1: Öğrencilere sunulan sorular. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
MRE sistemi, öğrencilerin elektronik bileşenler veya fizik konuları hakkında bilgi edinmeleri için farklı senaryolara olanak tanır. Önemli bir nokta, öğretmenin geri bildirim sağlama olasılığıdır. Bu sayede öğrenciler neyi neden yanlış yaptıklarını bilebilirler. Geliştirilen MRE sistemi ile 30 öğrenci ile 10 öğrencinin MRE kullanmadığı, 10 öğrencinin MRE kullandığı ve son olarak 10 öğrencinin daha MRE kullandığı bir deney gerçekleştirilmiş ve öğretmenden geri bildirim alınmıştır. Derslerin sonunda tüm öğrencilere genel kültür testi yapıldı. Test, deney için değiştirilmemiştir (yani, sınıflar tamamen teori ise veya laboratuvar uygulamaları yapılıyorsa aynı test uygulanır. Uygulamalar, teoriyi daha iyi anlamak ve böylece konu hakkında daha iyi bir genel anlayışa sahip olmak için yalnızca bir tamamlayıcıdır. Test, hesaplamaları gösteren yazılı cevaplardır ve cevabın kısmen doğru olması durumunda öğretmen yarım puanla işaretleyebilir.
MRE kullanımı sayesinde, öğrenciler daha iyi bir genel ortalama elde ettiler, öğretmenden geri bildirim alındığında görülen en iyi ortalama. Aynı şekilde önemli bir nokta da standart sapmadır. Bir sınıfın amacı, öğrencilerin çoğunluğunun veya ideal olarak hepsinin en fazla miktarda bilgi edinmesidir. MRE kullanımı nedeniyle, puanların daha küçük bir dağılımı gözlemlenebilir, bu da konular hakkındaki bilgilerin daha fazla sayıda öğrenci tarafından anlaşıldığını kanıtlar.
Her sorunun puanlarını ayrıntılı olarak gözlemlerken, sorular teoriden% 100 analiz edilebilecek problemlere odaklandığında MRE'nin daha küçük bir etkisi vardır. Bununla birlikte, mühendislik konularında, hem ekipmanı hem de bileşenleri bilmek önemlidir, bu nedenle MRE'nin olumlu bir etkisi olmuştur ve MRE'yi kullanan öğrenciler bu konuları kapsayan sorulara daha iyi yanıt vermiştir. Ayrıca, teorik sorular (fizik gibi) söz konusu olduğunda, öğretmen sanal bir ortamla desteklenen bu konuları netleştirebileceğinden, öğretmenden geri bildirim alındığında MRE yararlıdır. Öğretmen geri bildirimi yeni bir şey değil; Yüz yüze derslerde gerçekleşir, bu nedenle bu geri bildirimin sanal ortamlarda hala aynı derecede önemli olduğu açıktır.
MRE sistemi, mühendislik öğrencilerinin laboratuvar uygulamalarını uzaktan gerçekleştirmelerine yardımcı olur. Dünya değişti ve şu anda yüz yüze derslere dönse de, her gün daha fazla okul %100 çevrimiçi kurslar açıyor29. Bu değişikliklerle yüzleşmek için, gelişmekte olan teknolojiler kullanılarak uygulamalar oluşturulmuştur. Böyle bir teknoloji, öğrenmeyi geliştirmek için çalışma ortamlarını görselleştirmenin mümkün olduğu MR'dir. Bununla birlikte, bu uygulamaların çoğu tıbbi ortamlarda kullanılmaktadır ve çok azı mühendisliktekullanılmaktadır 9,12. Öte yandan, RL'ler uzaktan mühendislik sınıfları için bir çözüm olarak selamlandı, ancak fiziksel bir alana sahip olmak gerekiyor ve bileşenler çok pahalı. Bu nedenle, bir RL için yatırım çok yüksektir ve Latin Amerika'daki birçok okul için bir olasılık olarak dahil edilmemiştir19,20.
Aynı şekilde, diğer çalışmalarda sanal ve uzak laboratuvarların uzaktan eğitime nasıl yardımcı olabileceği tartışılmıştır. Örneğin, maliyetlerin geleneksel bir laboratuvar kurmaktan daha düşük olduğu konusunda hemfikirdirler. Vergara ve ark. laboratuvarlarda VR ve MR kullanımı ile ilgili deneyimlerini soran 400'den fazla öğrencinin verilerini analiz etti; Öğrencilerin %89'u bir öğretmenin açıklamasını tamamlamak için yeterli olduğunu belirtmiş, ancak sadece %11'i tek başına kullanımın yeterli olduğunu belirtmiştir. Bu teknoloji tek başına konuyu anlamak için yeterlidir, ancak çalışma, bu teknolojinin kullanımının öğrencinin duygularını sormanın ötesinde konunun anlaşılması üzerindeki etkisine dair herhangi bir analiz yapmamaktadır30. Dahası, Wu ve ark. başa takılan ekranlar (HMD'ler; bu çalışmada kullandığımız şekliyle) kullanarak VR'den bahseden çok sayıda çalışmayı analiz etti. HMD tabanlı sürükleyici öğrenmenin, sürükleyici olmayan öğrenme yaklaşımlarına göre öğrenme performansı üzerinde daha iyi bir etkiye sahip olduğu sonucuna varmışlardır31. Buna rağmen, Wu ve ark. ayrıca konunun anlaşılmasının VR veya MR kullanarak ne kadar gelişebileceğini sunmuyor; Sadece, özellikle fen konularında, yine bu yazıda sunulduğu gibi, daha iyi öğrenmenin olduğundan bahsediyorlar.
Öte yandan, Makarova ve ark. otomotiv hizmetlerinin öğretilmesinde VR'nin etkisini bulmak için deneyler yaptı. Bahsedilen öğrenci sayısı 344 olmasına rağmen, bu öğrenciler farklı sınıflardan olduğu için farklı bilgi ve becerilere sahiptirler. Çalışmalarındaki öğrenciler, burada sunulanların aksine, 19 ila 30 yaşları arasında değişmektedir, burada sunulanların aksine, tüm öğrenciler aynı düzeyde eğitim almış ve 18 ila 20 yaşları arasındadır. Öte yandan, Makarova ve ark. 35 öğrencinin sanal ekipman kullandığı fiziksel ve sanal ekipman kullanarak öğrencileri analiz etti (bizim deneyimimizden çok farklı olmayan bir dizi öğrenci). VR ve MR teknolojilerinin geleneksel metodolojilerden çok daha etkili olduğu ve öğrencilerin öğrenmeye olan ilgisini artırdığı sonucuna varmışlardır32. Ek olarak, diğer çalışmalar, sanal sistemlerin kullanımının bilim ve dillerin öğretilmesine yardımcı olduğunu, hatta bu çalışmanın kapsamı dışında kalan farklı yaklaşımların ve ergonominin kullanılabilirliğini analiz ettiğini belirtmektedir33,34.
Loetscher ve ark. gibi diğer çalışmalar, özellikle yanıt süresinin veri analizi için genellikle gerekli olduğu davranışsal testler için test türüne bağlı olarak kullanılması gereken doğru VR aracını analiz etti. Cep telefonlarındaki VR sistemlerinin düşük tepki süresinesahip olduğunu belirtiyorlar 35, ancak bu çalışmada gösterilen deney için yanıt süresi öğrencilere uygulanan sınavı etkilemiyor. Ek olarak, fizibilite elde etmek için özel ekipmana sahip bir laboratuvar kurmanın maliyetini, istenen yanıt süresine göre analiz etmek gerekir. Donanımın sınırlamalarını azaltmak için bazı deneylerin çok önemli olacağı açıktır, ancak bu çalışma için durum böyle değildir.
Bu nedenle, bu çalışmanın şimdiye kadar yapılan çalışmaları tamamladığına inanıyoruz. Birçok çalışma, sanal teknolojilerin kullanılmasının öğrenmeye ve ilgiye yardımcı olduğunu göstermiştir, ancak öğrenme üzerindeki gerçek etkisini göstermeye çalışmamışlardır. Deneyde kullanılan öğrenci sayısı az olmasına rağmen, herkesin aynı düzeyde bilgi ve beceriye sahip olduğundan (mümkün olduğunca) ve aynı konunun herkese öğretildiğinden emin olduk ve sonuçları etkileyebilecek herhangi bir dış bileşeni ortadan kaldırmaya çalıştık. Uygulanan sınav aynıydı ve öğrencilerin sınıfta görülen teoriyi tamamlamak için sanal teknolojileri kullanarak sahip oldukları gelişmeyi (küçük bir örneklemde) ölçmeye izin verdi.
MRE sayesinde okullar için düşük maliyetle ve minimum yatırımla mühendisliğe yönelik laboratuvar uygulamalarının gerçekleştirilmesi mümkündür. Yalnızca 2019 veya sonrasına ait bir Android cep telefonuna ve kalibrasyon için ahşap bir tabana ihtiyaç vardır, bu da onu gelişmekte olan ülkelerdeki okullar için çok daha erişilebilir hale getirir. MRE sistemini kullanmak için bir dizi adımı takip etmenin gerekli olduğunu belirtmekte fayda var. Kuşkusuz, sistemin doğru çalışması için kritik adım, VR sisteminin yapılandırılması ve kalibrasyonudur (1. adım). MRE elleri uygulama aracı olarak kullandığından, kalibrasyondaki bir hata senaryoların yürütülmesine devam etmeyi engelleyecektir. Ek olarak, kalibrasyon için tabanın görüntüyle birlikte kullanılması önemlidir. Görüntü, ortamı boyutlandırmak ve uzaydaki eli algılamak için kullanılır.
Bu nedenle, sunulan projenin bir sınırlamasının, kalibrasyon için görüntüye sahip bir tabana sahip olmak olduğu açıktır. Sunulan deney için, her öğrenci için bir temel üretmek gerekiyordu. Kalibre edildikten sonra senaryoları yeniden üretmek ve oynamak oldukça kolay olsa da, yeni senaryolar oluşturmanın karmaşık olduğunu belirtmekte fayda var. Bu nedenle, geliştirilmesi gereken her uygulama için uzun bir geliştirme süresine ihtiyaç vardır.
Bununla birlikte, RL'ler veya diğer MR teknolojilerinden ayırt edilen bir nokta, ihtiyaç duyulan ekipman ve malzeme maliyetinin düşük olmasıdır. Herhangi bir Android telefon, uygulamaları gerçekleştirmek için bir araç olarak kullanılabilir, ancak bir sınırlama kalibrasyon görüntüsünü elde etmektir; Yine de geleneksel şekilde basılabilir ve özel bir ekipmana gerek yoktur. Bu nedenle, halihazırda geliştirilmiş senaryolara erişim düşük bir maliyete sahiptir. Bu tür erişilebilir teknolojiyi kullanarak, MRE sadece laboratuvar uygulamalarında değil, diğer alanlarda da kullanılabilir. Esas olarak, şirketler için personelin eğitimi sırasında, yeni bir çalışan katıldığında, makine kullanımını öğretmek için genellikle üretimi durdurmak veya azaltmak gerekir. Bu nedenle MRE, üretim hattı ortamlarını geliştirmek için uyarlanabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar, bu yazıda bildirilen çalışmayı etkilemiş gibi görünebilecek bilinen hiçbir rakip mali çıkarları veya kişisel ilişkileri olmadığını beyan ederler.
Acknowledgments
Bu çalışma Panamerican Üniversitesi Guadalajara kampüsü tarafından desteklenmiştir. Deneye katkı sağlayan mekatronik mühendisliği öğrencilerine teşekkür ederiz.
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).
