本研究开发了一种名为 MRE 的混合现实系统，旨在帮助学生在线上课程之外开展实验操作训练。实验共招募了 30 名学生；其中 10 名学生未使用 MRE，10 名学生使用 MRE，另外 10 名学生在使用 MRE 的同时接受教师反馈。
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摘要
摘要
新冠肺炎疫情改变了众多行业，推动了某些领域的发展，同时也导致许多其他行业消失。教育领域也未能幸免于重大变革；在一些国家或城市，课程曾完全以在线形式授课长达至少一年。然而，部分大学专业需要通过实验课程来补充学习，尤其是在工程领域，仅依靠在线理论课程可能会影响学生的学习效果。因此，本研究开发了一套名为“教育用混合现实”（MRE）的混合现实系统，旨在帮助学生开展实验实践，以补充在线教学。研究对30名学生进行了实验：其中10名学生未使用MRE，10名使用MRE，另外10名则在使用MRE的同时接受教师反馈。该实验揭示了混合现实在教育领域的优势。结果表明，使用MRE有助于提升工程类课程的学习成效；使用该系统的学生所获得的成绩比未使用者高出10%至20%。尤其值得注意的是，实验结果凸显了在使用虚拟现实系统时提供反馈的重要性。
引言
技术一直存在于教育领域中，用于教学的设备也发生了深刻的变化。然而，面对面授课仍然是学生和教师的首选方式。当疫情爆发时，它改变了所有行业，教育也不例外。2018年，在疫情发生之前，仅有35%的学位课程学习者报告曾参加过至少一门在线课程；也就是说，65%的学生仍以线下方式完成学业1。自2020年4月起，根据政府命令（墨西哥），所有公立和私立学校均被禁止开展面对面教学，因此100%的学生不得不转为远程学习。大学是最早采取行动的机构，使用视频通话工具、课程准备平台、作业管理系统等进行教学。这并不奇怪，因为大学生年龄段的人群（18至25岁）是自出生以来就一直接触技术的一代人。
某些课程可以完全转为线上教学；然而，实验实践远程操作较为复杂，且学生缺乏必要的实验材料，而这些材料通常价格昂贵。在线课程对知识掌握质量的影响尚不明确，一些研究表明，在线课程的学生表现普遍不如线下课程的学生2。但有一点是确定的：若不开展使学生贴近未来工业实际体验的实验实践，将对其职业能力产生负面影响。因此，在当前的工程教育中，开展真实规模的实践体验变得尤为必要3,4,5。基于这些原因，人们正利用新技术来缓解上述问题，其中包括虚拟现实（V....
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方案
本方案遵循泛美大学伦理委员会的指导原则。实验共招募了30名年龄在18至20岁之间的学生参与，其中8名为女性，22名为男性，所有参与者均为墨西哥哈利斯科州瓜达拉哈拉市（墨西哥第二大城市）泛美大学的学生。所有参与者均完成了知情同意程序，并书面同意在数据采集过程中拍摄和发表照片。唯一的参与要求是学生需拥有一部智能手机，而这一点对所有参与者均无困难。因此，本实验未设置任何排除标准。
1. 虚拟现实系统的设置与校准
注意：此步骤需要约 10 分钟。
- 确保系统包含所有组件：一台操作系统版本为10或更高的Android手机、VR盒子眼镜，以及带有校准图像的木制底座（图1）（参见材料表）。
- 在手机上打开MRE应用程序，并加载Unity、AR Foundation、Google Cardboard和ManoMotion服务25,26,27,28。MRE应用程序由我们自行开发，专为Android系统设计，目前未公开发布....
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结果
本部分展示了实验获得的结果。首先，解释了实验实施过程的一些细节，然后展示了对实验学生进行的测试，并且呈现了测试结果。最后，描述了对每组各一名学生的分析。
疫情给工程教育带来的最大问题之一是无法开展面对面的实验实践，这直接影响了学生所获得的知识。为了分析本文所开发的项目是否具有影响，我们对三组学生进行了实验。每组由10名学生组成：第一组不使用MRE，仅学习动量守恒原理和电子元件的理论（在线课程）；第二组使用无反馈的MRE；最后，第三组使用带有教师反馈的MRE。需要强调的是，所有学生的教育水平相同，均为墨西哥瓜达拉哈拉泛美大学（墨西哥第二大城市）同一学期、同一专业的机电工程专业大学生，且均处于大学学习时间不足一年的阶段。该实验应用于一门名为“物理与电子学导论”的单一课程中，该课程开设于本科第二学期，因此课堂所涵盖的主题从工程学角度来看可被视为基础性内容17。
开展本实验的课程（物理学与电子学导论）具有以下特点：（1）课程持续一个学期；（2）整个学期共进行两次考试（即每10周上课时间举.......
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讨论
MRE 系统为学生提供了学习电子元件或物理主题的不同场景。其中一个重要方面是教师提供反馈的可能性。通过这种方式，学生能够了解自己哪里出错以及出错的原因。在开发出 MRE 系统后，开展了一项包含 30 名学生的实验，其中 10 名学生未使用 MRE，10 名学生使用 MRE，最后另外 10 名学生使用 MRE 并接收教师的反馈。课程结束后，对所有学生进行了一次综合知识测试。该测试未因实验而修改（即无论课程是纯理论授课，还是包含实验实践，均使用相同的测试）。实验实践仅作为补充，以帮助更好地理解理论内容，从而更全面地掌握学科知识。测试要求书面作答并展示计算过程，若答案部分正确，教师可给予半分评分。
由于使用了MRE，学生的总体平均分有所提高，在教师提供反馈的情况下达到了最高平均分。同样，一个重要的方面是标准差。课堂教学的目标是让大多数学生、理想情况下是所有学生，掌握尽可能多的知识。由于使用了MRE，成绩的离散程度更小，这表明有更多学生理解了相关主题的知识。
详细观察每道题的得分情况时可以发现，当问题集中在完全可以通过理论分析解决的问.......
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披露
作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究由泛美大学瓜达拉哈拉校区资助。感谢机电工程专业的学生为实验做出的贡献。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 适用于 Android 的 MRE 应用程序 | 该应用程序是为实验开发的，由我们团队自行制作。它并未公开发布，且目前无发布计划。 | ||
| 防滑织物（20 × 20 cm） | |||
| 我们的基础图像打印件 | |||
| 自粘纸（1 张 A4 尺寸） | |||
| 虚拟现实眼镜 | Meta Quest 2 | 我们使用的是 Meta Quest 2，这是一款虚拟现实头戴设备，每只眼睛对应的显示屏分辨率为 1832 × 1920 像素。通过该设备，您可以运行视频游戏或体验具有 360 度视野的模拟器。此外，该头戴设备配备两个控制器，结合手部追踪技术，可使虚拟环境中的手部动作与真实手部动作一致。 https://www.meta.com/quest/products/quest-2/tech-specs/#tech-specs | |
| 木板（20 × 20 cm） |
参考文献
- 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://w....
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