混合现实技术在工程学在线课程中的教育应用及实施效果
2023年6月23日
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。
本方案探讨了混合现实技术如何通过克服远程实验室的局限性和昂贵的虚拟现实设备问题，来增强在线工程教育。该方案涉及30名学生，强调混合现实的优势以及反馈的重要性。混合现实系统的主要优势在于能够促进在线工程课程中的实验实践，使学生能够补充理论学习。
该研究强调了反馈的重要性。混合现实系统还可应用于其他领域，例如在需要实践经验但传统环境中难以提供的工业培训。该系统提供了一种具有成本效益的解决方案，使更广泛的人群能够获得此类培训资源。
用户在导航虚拟环境、与虚拟和真实物体交互以及理解反馈系统时可能会遇到困难。为了帮助初学者，建议提供清晰的指导和演示。首先启动用于教育的混合现实（MRE）应用程序，并在手机上加载所需的服务。
现在将手机插入VR眼镜中，并戴上眼镜。目视定位MRE原型底座的中心位置。当模拟画面出现时，伸出手并将手放置在视野中心。
为了在不佩戴眼镜的情况下为用户准备虚拟现实环境，请打开MRE应用程序，选择用户想要执行的场景。按下播放，然后运行该场景。通过使用红色、绿色和蓝色来执行第一个电气元件场景。
为了确定放置组件的位置，可取用该组件并将其置于正确位置。重复此操作，直至所有组件均被准确放置。未使用磁共振弹性成像（MRE）时，典型的偏差表现为更为分散。
当使用MRE并结合教师反馈时，获得了最佳的平均成绩。使用MRE可确保平均得分达到7.5及以上；而结合反馈使用的MRE使平均得分达到8分及以上，三个组中的最高平均分分别为9.3和9.5。
该流程最关键的方面是检测真实物体，因此必须检测用户的手部，才能执行相应场景。当前的流程可应用于工业领域，例如对新员工进行培训，使其能够在安全的环境中练习。该技术有助于让更多具有相同知识水平的学生参与研究学习。
同样，可以分析自动化反馈，以验证其是否对学习产生影响。
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概述
本研究探讨了一种混合现实系统 MRE 的开发，旨在加强在线工程教育中的实验实践。通过一项涉及 30 名学生的实验，评估了 MRE 的有效性，并对所提供的反馈形式进行了不同设置。
关键研究组成部分
科学领域
- 混合现实在教育中的应用
- 在线学习增强
- 实验实践
背景
- 远程实验室的局限性阻碍了实践学习。
- 昂贵的虚拟现实设备限制了可及性。
- 混合现实技术提供了潜在解决方案。
- 反馈对于有效学习至关重要。
研究目的
- 评估混合现实环境（MRE）在在线工程课程中的有效性。
- 评估反馈对学生学习效果的影响。
- 为实践培训提供一种具有成本效益的替代方案。
使用的方法
- 将30名学生分为三组进行实验。
- 比较使用混合现实在有教师反馈和无教师反馈情况下的效果。
- 评估学生的参与度和学习成果。
- 分析混合现实在教育中的优势。
主要结果
- 与传统方法相比，MRE 有助于实现更优的实验操作规范。
- 获得反馈的学生表现出更佳的学习成效。
- 该系统被证实为一种具有成本效益的教育工具。
- 其潜在应用可拓展至工业领域的培训。
结论
- 混合现实可显著提升在线工程教育的效果。
- 反馈在最大化学生学习成效方面起着至关重要的作用。
- 混合现实教育（MRE）为远程学习面临的挑战提供了切实可行的解决方案。
常见问题
行业重要性概述
混合现实平台（如 MRE）为远程技术培训提供了可扩展且具有成本效益的解决方案，有助于应对在分布式或资源有限环境中开展实践性实验教学的挑战。对于生物制药研发&D，这些系统可在无法进行面对面接触时，支持员工技能提升、技术培训以及操作流程的标准化。整合实时反馈机制，可进一步加强地理上分散的团队之间的知识留存率和操作准备就绪程度。
生物制药中的策略性应用&D
早期发现与靶点验证
- 使新科研人员能够远程接受复杂仪器和实验方案的培训。
- 支持分布式团队在检测建立和故障排除方面的标准化入职培训。
- 促进知识转移，减少实际操作技术执行中的变异性。
筛选与检测方法开发
- 通过沉浸式、可重复的实践场景，为工作人员进行高通量筛选工作流程的准备。
- 通过强化正确的组分放置和操作步骤，提高实验的可重复性。
- 在无需实际进入实验室的情况下，加快对新检测平台的准备就绪速度。
转化与临床前研究
- 可在实际操作前，为复杂或高风险的操作流程提供安全的模拟培训。
- 扩大对特定方案培训的可及性，减少不同实验地点之间的操作差异。
- 统一全球研究机构的技术能力，确保临床前数据生成的一致性。
流程与工作流整合
混合现实培训模块可用于从早期发现阶段的入职培训到临床前工作流程的标准化，弥合实践技能获取与方案依从性方面的差距。
- 发现生物学：通过基于情景的互动学习，强化以假设为驱动的实验设计。
- 筛选：标准化检测方法的建立与执行，支持可重复的定量结果输出。
- 分析：提供关于用户操作熟练程度和方案依从性的可量化绩效数据。
- 转化研究：确保项目从发现阶段推进到临床前阶段时，技术技能的连续性。
- 企业级复用：提供一个可扩展、可重复使用的平台，用于持续的人员能力发展和跨站点操作标准化。
运营与企业影响
- 科学价值：提高技术操作的可预测性，降低操作流程中的不确定性。
- 运行价值：以最少的实体资源需求，实现大规模标准化、可重复的培训。
- 战略价值：通过确保技术准备充分和方案执行准确，提升决策（通过/不通过）的质量。
- 项目组合影响：通过减少各项目间的技术变异性，支持基于风险评估的推进决策。
实施注意事项
- 需要具备专业知识，以开发准确的基于情景的培训模块。
- 需要兼容的硬件设备（例如智能手机、VR眼镜）以及可靠的软件基础设施。
- 需要清晰的教学设计和用户支持，以实现有效的用户引导。
- 必须针对不同的实验室操作规程和用户背景进行适应性调整。
- 应评估潜在的导航与反馈系统挑战，以优化用户体验。
