Artículo de método

Implementación y resultados de la realidad mixta para la educación (MRE) en las clases en línea para ingeniería

DOI:

10.3791/65091

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23 de junio de 2023

 ,  ,  , 
1Faculty of Engineering, Panamerican University

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En este trabajo se desarrolló un sistema de realidad mixta denominado MRE para ayudar a los estudiantes a desarrollar prácticas de laboratorio complementando las clases online. Se realizó un experimento con 30 estudiantes; 10 estudiantes no usaron MRE, 10 usaron MRE y 10 más usaron MRE con comentarios de los maestros.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La pandemia de COVID-19 ha cambiado muchas industrias, empoderando a algunos sectores y haciendo desaparecer muchos otros. El sector educativo no está exento de grandes cambios; En algunos países o ciudades, las clases se impartieron 100% online durante al menos 1 año. Sin embargo, algunas carreras universitarias necesitan prácticas de laboratorio para complementar el aprendizaje, especialmente en áreas de ingeniería, y tener solo lecciones teóricas en línea podría afectar sus conocimientos. Por esta razón, en este trabajo se desarrolló un sistema de realidad mixta denominado realidad mixta para la educación (MRE) para ayudar a los estudiantes a desarrollar prácticas de laboratorio para complementar las clases en línea. Se realizó un experimento con 30 estudiantes; 10 estudiantes no usaron MRE, 10 usaron MRE y 10 más usaron MRE con comentarios de los maestros. Con esto, se pueden ver las ventajas de la realidad mixta en el sector educativo. Los resultados muestran que el uso de MRE ayuda a mejorar el conocimiento en las asignaturas de ingeniería; Los estudiantes obtuvieron calificaciones con calificaciones entre un 10% y un 20% mejores que los que no lo utilizaron. Sobre todo, los resultados muestran la importancia de la retroalimentación cuando se utilizan sistemas de realidad virtual.

Introducción

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La tecnología siempre ha estado presente en el sector educativo; Se han producido cambios profundos en los dispositivos utilizados para impartir las clases. Sin embargo, las clases presenciales siguen siendo la opción preferida por estudiantes y profesores. Cuando llegó la pandemia, cambió todos los sectores, y la educación no fue la excepción. En 2018, antes de la pandemia, solo el 35% de los estudiantes que estudiaban una carrera reportaron haber tomado al menos una clase en línea; es decir, el 65% de los estudiantes completaron sus estudios de manera presencial1. A partir de abril de 2020, por orden del gobierno (mexicano), se prohibió a todas las escuelas públicas y privadas impartir clases presenciales; Por esta razón, el 100% de los estudiantes tuvieron que tomar clases a distancia. Las universidades fueron las primeras en actuar, utilizando herramientas para realizar videollamadas, preparar clases, gestionar deberes, etc. Esto tiene sentido, ya que las personas en edad universitaria (entre 18 y 25 años) son personas que han estado en contacto con la tecnología desde su nacimiento.

Algunas clases se pueden adaptar completamente de forma virtual; Sin embargo, las prácticas de laboratorio son complejas de realizar a distancia, y los estudiantes no cuentan con el material necesario, lo que suele ser costoso. El impacto que las clases en línea tienen en la calidad del conocimiento no está claro, y algunos estudios muestran que los cursos en línea generalmente producen un peor rendimiento de los estudiantes que los cursos presenciales2. Pero una cosa es segura, no realizar prácticas de laboratorio que acerquen a los estudiantes a lo que experimentarán en la industria afectará negativamente su desempeño profesional. Por lo tanto, la importancia de las experiencias a escala real se hace necesaria en la enseñanza actual de la ingeniería 3,4,5. Por estas razones, se están utilizando nuevas tecnologías para mitigar estos problemas. Entre ellas se encuentran la realidad virtual (RV), la realidad aumentada (RA) y la realidad mixta (RM). Es importante mencionar que la realidad virtual es una tecnología que permite la creación de un entorno digital totalmente inmersivo, mientras que la realidad aumentada superpone objetos virtuales en el entorno del mundo real. Por otro lado, la RM no solo utiliza objetos virtuales, sino que también ancla estos objetos al mundo real, lo que permite interactuar con ellos. Por lo tanto, MR es una combinación de VR y AR6. Por otro lado, algunas organizaciones también se han esforzado por desarrollar laboratorios remotos, donde existen equipos reales pero que pueden ser controlados a distancia7.

El término MR data de 1994; sin embargo, en los últimos 5 años, ha cobrado especial importancia, gracias a grandes empresas que han centrado sus esfuerzos en desarrollar entornos, como el Metaverso6. La RM se puede aplicar en diferentes áreas; Dos de los más comunes son la formación y la educación. La formación ha sido uno de los grandes impulsores de la RM; Es muy costoso para una empresa detener una línea de producción para capacitar a nuevos empleados, o en entornos peligrosos, y no es fácil llevar a cabo la capacitación en el campo. La educación no se queda atrás; aunque las clases presenciales han cambiado muy poco, hay grandes esfuerzos para incorporar la RM en las clases 8,9. Para la educación, existen carreras profesionales donde es necesario realizar prácticas de laboratorio para tener una formación completa. Muchos de los estudios e investigaciones existentes se centran en la medicina, y la RV, la RA y la RM desempeñan un papel clave. Múltiples trabajos muestran cómo la RM supera los métodos tradicionales de enseñanza en materias quirúrgicas y médicas, donde la práctica es una clara ventaja para el desarrollo de los estudiantes 10,11,12,13,14.

Sin embargo, no hay la misma cantidad de investigación sobre temas de ingeniería. Normalmente en las carreras de ingeniería, un estudiante tiene clases teóricas complementadas con prácticas. De esta manera, existen estudios sobre RM y RV que muestran los beneficios en la pedagogía de la ingeniería12. Sin embargo, algunos de estos estudios se centran en analizar la complejidad del entorno y las herramientas utilizadas 8,15. Tang et al. idearon un estudio en el que estudiantes de diferentes áreas y con diferentes conocimientos utilizaron la RM para mejorar su comprensión del análisis geométrico y la creatividad16. En una prueba posterior, las personas que tomaron sus clases usando MR terminaron más rápido, dejando en claro que la MR afecta positivamente el aprendizaje16. Además, Halabi mostró el uso de herramientas de realidad virtual en la educación en ingeniería. Aunque no es MR, muestra herramientas que se pueden utilizar para la enseñanza. Se trata de un caso de estudio real para demostrar que es posible introducir la RV en las clases de ingeniería17.

Por otro lado, los laboratorios remotos (RL) son herramientas tecnológicas compuestas por software y hardware que permiten a los estudiantes realizar sus prácticas de forma remota como si estuvieran en un laboratorio tradicional. Por lo general, se accede a los RL a través de Internet, y normalmente se utilizan cuando se requiere que los estudiantes pongan en práctica de forma autónoma lo que han aprendido tantas veces como requieran18. Sin embargo, con la llegada del COVID-19, su uso ha sido sustituir a los laboratorios tradicionales y poder realizar prácticas durante las clases online18. Como se mencionó anteriormente, un RL necesita un espacio físico (laboratorio tradicional) y elementos que permitan controlarlo de forma remota. Con la llegada de la realidad virtual, los laboratorios se han modelado virtualmente, y a través de mecanismos físicos, los elementos del laboratorio pueden ser controlados19. Sin embargo, tener un RL es muy costoso, lo que dificulta muchas escuelas, especialmente en los países en desarrollo. Algunos estudios mencionan que los costos pueden variar entre $50,000 y $100,00020,21.

Además, desde que comenzó la pandemia, los cambios han tenido que hacerse rápidamente; en el caso de los RL, se intentó enviar kits a los domicilios de cada estudiante para reemplazar los laboratorios tradicionales. Sin embargo, había un problema de costos, ya que los estudios mostraron que cada kit costaba alrededor de $70018,22. Sin embargo, los estudios utilizaron componentes caros y difíciles de obtener. La pandemia afectó a la educación en todo el mundo, y no mucha gente pudo gastar miles de dólares para automatizar un laboratorio o comprar un kit. La mayoría de los estudios consideran las clases presenciales y las complementan con la RM. Sin embargo, en los últimos años, las clases han sido en línea debido al COVID-19, y solo algunos trabajos muestran la mejora de las clases virtuales utilizando RM y dispositivos asequibles23,24.

La investigación que existe hasta el momento se centra principalmente en la medicina, con poca información sobre ingeniería. Sin embargo, sin lugar a dudas, creemos que el mayor aporte y diferencia es que nuestro experimento se llevó a cabo durante 6 meses y se comparó con sujetos con las mismas características que no utilizaron modelos virtuales, mientras que la mayoría de los trabajos anteriores realizaron experimentos cortos para comparar tecnologías o procedimientos individuales; No los aplicaron durante varios meses. Por lo tanto, este trabajo muestra la diferencia en el aprendizaje que se puede realizar utilizando la RM en una asignatura universitaria.

Por esta razón, este trabajo muestra el desarrollo y los resultados de un sistema de RM para ayudar a realizar prácticas de laboratorio en universidades enfocadas en la ingeniería electrónica. Es importante mencionar que se pone especial énfasis en mantener bajo el costo del dispositivo, haciéndolo accesible a la población en general. Tres grupos utilizan diferentes métodos de enseñanza y se realiza un examen sobre los temas de la clase. De esta manera, es posible obtener resultados en la comprensión de los temas de la educación a distancia utilizando la RM.

El proyecto explicado en este trabajo se denomina realidad mixta para la educación (MRE) y se propone como una plataforma donde los estudiantes utilizan gafas de realidad virtual con un teléfono inteligente (es decir, no se utilizan gafas de realidad virtual especiales). Se crea un espacio de trabajo donde los alumnos pueden interactuar con entornos virtuales y objetos reales simplemente utilizando sus propias manos, debido al uso de objetos virtuales y reales, un sistema de realidad mixta. Este espacio de trabajo consta de una base con una imagen donde se muestran todos los objetos virtuales y se interactúa con ellos. El entorno creado se enfoca en la realización de prácticas de laboratorio para mostrar componentes electrónicos y física para carreras de ingeniería. Es importante destacar la necesidad de proporcionar retroalimentación a los estudiantes. Por este motivo, MRE incorpora un sistema de retroalimentación donde un administrador (normalmente el profesor) puede ver lo que se está haciendo para calificar la actividad. De esta manera, se puede dar retroalimentación sobre el trabajo realizado por el estudiante. Finalmente, el alcance de este trabajo es comprobar si existen ventajas en el uso de la RM en las clases online.

Para lograrlo, el experimento se llevó a cabo con tres grupos de estudiantes. Cada grupo estaba formado por 10 estudiantes (30 estudiantes en total). El primer grupo no utilizó MRE, solo tomó teoría (clases en línea) sobre el principio de conservación del momento y los componentes electrónicos. El segundo grupo utilizó MRE sin retroalimentación, y el tercer grupo utilizó MRE con retroalimentación de un profesor. Es importante mencionar que todos los estudiantes tienen el mismo nivel escolar; Son estudiantes universitarios en el mismo semestre y con la misma carrera, estudiando ingeniería mecatrónica. El experimento se aplicó en un único curso denominado Introducción a la Física y la Electrónica, en el segundo semestre de la carrera; es decir, los estudiantes llevaban menos de 1 año en la universidad. Por lo tanto, los temas tratados en la clase pueden considerarse básicos desde el punto de vista de la ingeniería. El experimento se llevó a cabo en 30 estudiantes, ya que este fue el número de estudiantes que se inscribieron en la clase donde se autorizó el experimento. La clase seleccionada (Introducción a la Física y la Electrónica) tenía teoría y prácticas de laboratorio, pero debido a la pandemia, solo se impartían clases teóricas. Los estudiantes se dividieron en tres grupos para ver el impacto que las prácticas tienen en el aprendizaje general y si las clases de RM podrían ser un sustituto de las prácticas presenciales.

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Protocolo

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El protocolo sigue los lineamientos del comité de ética de la Universidad Panamericana. El experimento se realizó con un total de 30 estudiantes, de entre 18 y 20 años; ocho estudiantes eran mujeres y 22 hombres, y todos asistían a la Universidad Panamericana en Guadalajara, México (la segunda ciudad más grande de México). Todos los participantes completaron el proceso de consentimiento informado y dieron permiso por escrito para que se tomaran y publicaran fotos durante la recolección de datos. El único requisito era que los estudiantes debían tener un teléfono inteligente, lo cual no era un problema. Por lo tanto, no hubo criterios de exclusión para el experimento.

1. Configuración y calibración del sistema de realidad virtual

NOTA: Este paso tarda ~10 min.

  1. Asegúrese de que el sistema incluya todos los componentes: un teléfono Android con sistema operativo versión 10 o superior, gafas de caja de realidad virtual y una base de madera con una imagen de calibración (Figura 1) (consulte la tabla de materiales).
  2. Abra la aplicación MRE en el teléfono celular y cargue los servicios Unity, AR Foundation, Google Cardboard y ManoMotion25,26,27,28. La aplicación MRE ha sido desarrollada por nosotros mismos; fue desarrollado para Android y no es público.
  3. Inserte el teléfono celular en las gafas de realidad virtual y póngase las gafas.
  4. Localice visualmente el centro de la base del prototipo MRE (el cuadrado azul de la Figura 1).
  5. Cuando aparezca la simulación, levante una mano extendida para colocarla en el centro de la vista.
    NOTA: A partir de este momento, los usuarios pueden realizar gestos con las manos para interactuar con el entorno simulado.

2. Preparación del usuario

NOTA: Este paso tarda ~5 min.

  1. Sin gafas de realidad virtual, abra la aplicación MRE, como se muestra en la Figura 2.
  2. Asegúrese de que la aplicación se inicie en modo de usuario para que solo sea necesario iniciar sesión.
  3. Seleccione el escenario que el usuario desea realizar. Hay dos escenarios: componentes electrónicos y física.
  4. Presione Reproducir; el usuario tendrá 30 segundos para ponerse las gafas de realidad virtual.

3. Ejecución de escenarios

NOTA: Este paso tarda ~15 min.

  1. Escenario 1: componentes electrónicos
    1. Localice las áreas para posicionar los componentes, mediante los colores rojo, verde y azul. Esto delimita las seis zonas de interacción de esta escena: tres zonas para tomar los componentes electrónicos virtuales y tres zonas para soltar los componentes, como se muestra en la Figura 3.
    2. Tome el componente y colóquelo en el lugar correcto. El lugar correcto depende del componente y de lo que se ve en teoría; por ejemplo, en teoría se explica cómo colocar un disipador de calor, y en MRE se practica dicha colocación.
    3. Continúe hasta que todos los componentes estén en su lugar.
  2. Escenario 2: física
    1. Localice los dos coches implicados en el escenario (Figura 4).
    2. Selecciona la velocidad de cada coche.
    3. Visualice los gráficos después de la colisión.

4. Vista de administración

  1. En la pantalla principal, presione MRE modes (consulte la Figura 2) y seleccione la opción de administrador.
  2. Inicie sesión para verificar si la cuenta tiene permiso para acceder como administrador.
    NOTA: Es posible ver la lista de estudiantes y las calificaciones obtenidas en cada escenario.

5. Resultados de los estudiantes

  1. Al iniciar sesión como administrador, haga clic en el nombre del estudiante deseado y visualice la tabla con la información de las calificaciones de sus escenarios.
  2. Haga clic en el nombre de un estudiante y seleccione descargar calificaciones como CSV. Esto mostrará todos los resultados en un archivo separado por comas.

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Resultados

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En esta sección se muestran los resultados obtenidos del experimento. En primer lugar, se explican algunos detalles de cómo se llevó a cabo el experimento, luego se muestran las pruebas realizadas a los alumnos del experimento y, además, se presentan los resultados de las pruebas. Finalmente, se describe un análisis con un estudiante de cada grupo.

Uno de los mayores problemas que trajo la pandemia a la enseñanza de la ingeniería fue que no fue posible realizar prácticas presenciales de labora...

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Discusión

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El sistema MRE permite diferentes escenarios para que los estudiantes aprendan sobre componentes electrónicos o temas de física. Un punto importante es la posibilidad de que el profesor proporcione retroalimentación. De esta manera, los estudiantes pueden saber qué hicieron mal y por qué. Con el sistema MRE desarrollado, se realizó un experimento con 30 estudiantes, donde 10 estudiantes no usaron MRE, 10 usaron MRE y finalmente otros 10 usaron MRE y recibieron retroalimentación del profesor. Al final de las clases, se re...

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Divulgaciones

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Los autores declaran que no tienen intereses financieros o relaciones personales que puedan haber influido en el trabajo reportado en este artículo.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este estudio fue patrocinado por la Universidad Panamericana campus Guadalajara. Agradecemos a los estudiantes de ingeniería mecatrónica por contribuir al experimento.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Aplicación de MRE para AndoridLa aplicación fue desarrollada para el experimento, fue hecha por nosotros. NO es público y no hay planes de publicación.
Tela antideslizante (20 x 20 cm)
Impresión de nuestra imagen
Papel autoadhesivo (1 hoja tamaño carta)
Gafas de Realidad VirtualMeta Quest 2Utilizamos el Meta Quest 2, que es un casco de realidad virtual con dos pantallas de 1832 x 1920 píxeles por ojo, con este auricular podrías jugar a videojuegos, o probar simuladores con una vista 360. Además, el auricular tiene dos controles, en los que las manos virtuales se sienten como las reales y esto es gracias a la tecnología de seguimiento de manos.
https://www.meta.com/quest/products/quest-2/tech-specs/#tech-specs
Placa de madera (20 x 20 cm)
base

Referencias

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