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Engineering

Implementazione e risultati della realtà mista per l'istruzione (MRE) nelle lezioni online per l'ingegneria

Published: June 23, 2023 doi: 10.3791/65091
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Faculty of Engineering, Panamerican University

Summary

In questo lavoro, è stato sviluppato un sistema di realtà mista chiamato MRE per aiutare gli studenti a sviluppare pratiche di laboratorio complementari alle lezioni online. È stato condotto un esperimento con 30 studenti; 10 studenti non hanno utilizzato MRE, 10 hanno utilizzato MRE e altri 10 hanno utilizzato MRE con il feedback degli insegnanti.

Abstract

La pandemia di COVID-19 ha cambiato molti settori, potenziandone alcuni e facendone scomparire molti altri. Il settore dell'istruzione non è esente da grandi cambiamenti; In alcuni paesi o città, le lezioni sono state tenute al 100% online per almeno 1 anno. Tuttavia, alcune carriere universitarie hanno bisogno di pratiche di laboratorio per integrare l'apprendimento, soprattutto nelle aree ingegneristiche, e avere solo lezioni teoriche online potrebbe influire sulle loro conoscenze. Per questo motivo, in questo lavoro, è stato sviluppato un sistema di realtà mista chiamato mixed reality for education (MRE) per aiutare gli studenti a sviluppare pratiche di laboratorio a complemento delle lezioni online. È stato condotto un esperimento con 30 studenti; 10 studenti non hanno utilizzato MRE, 10 hanno utilizzato MRE e altri 10 hanno utilizzato MRE con il feedback degli insegnanti. Con questo, si possono vedere i vantaggi della realtà mista nel settore dell'istruzione. I risultati mostrano che l'uso di MRE aiuta a migliorare le conoscenze nelle materie ingegneristiche; Gli studenti hanno ottenuto qualifiche con voti dal 10% al 20% migliori rispetto a quelli che non ne hanno usufruito. Soprattutto, i risultati mostrano l'importanza del feedback quando si utilizzano sistemi di realtà virtuale.

Introduction

La tecnologia è sempre stata presente nel settore dell'istruzione; Si sono verificati profondi cambiamenti nei dispositivi utilizzati per insegnare in classe. Tuttavia, le lezioni in presenza rimangono l'opzione preferita da studenti e insegnanti. Quando è arrivata la pandemia, ha cambiato tutti i settori e l'istruzione non ha fatto eccezione. Nel 2018, prima della pandemia, solo il 35% degli studenti che studiavano una laurea dichiarava di aver seguito almeno una lezione online; Cioè, il 65% degli studenti ha completato gli studi in presenza1. A partire da aprile 2020, per ordine del governo (messicano), a tutte le scuole pubbliche e private è stato vietato di tenere lezioni in presenza; Per questo motivo, il 100% degli studenti ha dovuto seguire lezioni a distanza. Le università sono state le prime ad agire, utilizzando strumenti per le videochiamate, la preparazione delle lezioni, la gestione dei compiti, ecc. Questo ha senso, dal momento che le persone in età universitaria (tra i 18 e i 25 anni) sono persone che sono state a contatto con la tecnologia fin dalla nascita.

Alcune classi possono essere completamente adattate virtualmente; Tuttavia, le pratiche di laboratorio sono complesse da svolgere a distanza e gli studenti non dispongono del materiale necessario, spesso costoso. L'impatto che le lezioni online hanno sulla qualità della conoscenza non è chiaro e alcuni studi dimostrano che i corsi online generalmente producono prestazioni peggiori degli studenti rispetto ai corsi di persona2. Ma una cosa è certa, non svolgere pratiche di laboratorio che avvicinino gli studenti a ciò che sperimenteranno nel settore influirà negativamente sulle loro prestazioni professionali. Pertanto, l'importanza delle esperienze su scala reale diventa necessaria nell'attuale insegnamento dell'ingegneria 3,4,5. Per questi motivi, le nuove tecnologie vengono utilizzate per mitigare questi problemi. Tra questi ci sono la realtà virtuale (VR), la realtà aumentata (AR) e la realtà mista (MR). È importante ricordare che la VR è una tecnologia che consente la creazione di un ambiente digitale totalmente immersivo, mentre l'AR sovrappone oggetti virtuali nell'ambiente del mondo reale. D'altra parte, la MR non utilizza solo oggetti virtuali, ma li àncora anche al mondo reale, rendendo possibile l'interazione con essi. Pertanto, MR è una combinazione di VR e AR6. D'altra parte, alcune organizzazioni si sono anche sforzate di sviluppare laboratori remoti, in cui esistono apparecchiature reali ma possono essere controllate a distanza7.

Il termine MR risale al 1994; tuttavia, negli ultimi 5 anni, ha assunto un'importanza particolare, grazie a grandi aziende che hanno concentrato i loro sforzi sullo sviluppo di ambienti, come il Metaverso6. La risonanza magnetica può essere applicata in diverse aree; Due dei più comuni sono la formazione e l'istruzione. La formazione è stata uno dei grandi motori della MR; È molto costoso per un'azienda fermare una linea di produzione per formare nuovi dipendenti, o in ambienti pericolosi, e non è facile svolgere la formazione sul campo. L'istruzione non è da meno; sebbene le lezioni in presenza siano cambiate molto poco, ci sono grandi sforzi per incorporare la MR nelle classi 8,9. Per la formazione, ci sono carriere professionali in cui è necessario svolgere pratiche di laboratorio per avere una formazione completa. Molti studi e ricerche esistenti riguardano la medicina, con VR, AR e MR che svolgono un ruolo chiave. Diversi articoli mostrano come la MR superi i metodi di insegnamento tradizionali nelle materie chirurgiche e mediche, dove la pratica è un chiaro vantaggio per gli studenti in via di sviluppo 10,11,12,13,14.

Tuttavia, non c'è la stessa quantità di ricerca su questioni ingegneristiche. Normalmente nelle carriere ingegneristiche, uno studente ha lezioni teoriche integrate da pratiche. In questo modo, ci sono studi su MR e VR che mostrano i benefici nella pedagogia ingegneristica12. Tuttavia, alcuni di questi studi si concentrano sull'analisi della complessità dell'ambiente e degli strumenti utilizzati 8,15. Tang et al. hanno ideato uno studio in cui studenti provenienti da diverse aree e con diverse conoscenze hanno utilizzato la MR per migliorare la loro comprensione dell'analisi geometrica e della creatività16. In un test successivo, le persone che hanno seguito le loro lezioni utilizzando la RM hanno terminato più velocemente, chiarendo che la MR influisce positivamente sull'apprendimento16. Inoltre, Halabi ha mostrato l'uso di strumenti VR nell'educazione ingegneristica. Sebbene non sia MR, mostra gli strumenti che possono essere utilizzati per l'insegnamento. Si tratta di un caso di studio reale per dimostrare che è possibile introdurre la realtà virtuale nelle classidi ingegneria 17.

D'altra parte, i laboratori a distanza (RL) sono strumenti tecnologici composti da software e hardware che consentono agli studenti di svolgere a distanza le loro pratiche come se fossero in un laboratorio tradizionale. Le RV sono generalmente accessibili tramite Internet, e sono normalmente utilizzate quando gli studenti sono chiamati a mettere in pratica autonomamente ciò che hanno imparato tutte le volte che ne hanno bisogno18. Tuttavia, con l'arrivo del COVID-19, il suo utilizzo è stato quello di sostituire i laboratori tradizionali e di poter svolgere pratiche durante le lezioni online18. Come accennato in precedenza, una RL ha bisogno di uno spazio fisico (laboratorio tradizionale) e di elementi che ne permettano il controllo da remoto. Con l'arrivo della realtà virtuale, i laboratori sono stati modellati virtualmente e, attraverso meccanismi fisici, gli elementi del laboratorio possono essere controllati19. Tuttavia, avere una RL è molto costoso, ostacolando molte scuole soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Alcuni studi menzionano che i costi possono variare tra $ 50,000 e $ 100,00020,21.

Inoltre, dall'inizio della pandemia, è stato necessario apportare rapidamente dei cambiamenti; nel caso delle RL si è cercato di inviare kit a domicilio di ogni studente in sostituzione dei laboratori tradizionali. Tuttavia, c'era un problema di costi, poiché gli studi hanno dimostrato che ogni kit costava circa $ 70018,22. Ciononostante, gli studi hanno utilizzato componenti costosi e difficili da ottenere. La pandemia ha colpito l'istruzione in tutto il mondo e non molte persone hanno potuto spendere migliaia di dollari per automatizzare un laboratorio o acquistare un kit. La maggior parte degli studi prende in considerazione le lezioni faccia a faccia e le integra con la risonanza magnetica. Tuttavia, negli ultimi anni, le lezioni sono state online a causa del COVID-19 e solo alcuni lavori mostrano il miglioramento delle classi virtuali utilizzando MR e dispositivi a prezzi accessibili23,24.

La ricerca che esiste finora si concentra principalmente sulla medicina, con poche informazioni sull'ingegneria. Tuttavia, senza dubbio, riteniamo che il contributo e la differenza maggiore sia che il nostro esperimento è stato condotto per 6 mesi ed è stato confrontato con soggetti con le stesse caratteristiche che non utilizzavano modelli virtuali, mentre la maggior parte dei lavori precedenti ha svolto brevi esperimenti per confrontare singole tecnologie o procedure; Non li hanno applicati per diversi mesi. Pertanto, questo documento mostra la differenza nell'apprendimento che può essere fatta utilizzando la RM in una materia universitaria.

Per questo motivo, questo lavoro mostra lo sviluppo e i risultati di un sistema di risonanza magnetica per aiutare a svolgere pratiche di laboratorio nelle università incentrate sull'ingegneria elettronica. È importante ricordare che viene posta particolare enfasi sul mantenimento del costo del dispositivo, rendendolo accessibile alla popolazione generale. Tre gruppi utilizzano metodi di insegnamento diversi e viene condotto un esame sugli argomenti del corso. In questo modo, è possibile ottenere risultati sulla comprensione degli argomenti della formazione a distanza utilizzando la MR.

Il progetto spiegato in questo lavoro si chiama mixed reality for education (MRE) e si propone come una piattaforma in cui gli studenti utilizzano occhiali VR con uno smartphone (cioè non vengono utilizzati occhiali VR speciali). Viene creato uno spazio di lavoro in cui gli studenti possono interagire con ambienti virtuali e oggetti reali semplicemente utilizzando le proprie mani, grazie all'uso di oggetti virtuali e reali, un sistema di realtà mista. Questo spazio di lavoro è costituito da una base con un'immagine in cui vengono visualizzati e interagiti tutti gli oggetti virtuali. L'ambiente creato si concentra sulla conduzione di pratiche di laboratorio per mostrare componenti elettronici e fisica per le carriere ingegneristiche. È importante sottolineare la necessità di fornire un feedback agli studenti. Per questo motivo, MRE incorpora un sistema di feedback in cui un amministratore (normalmente l'insegnante) può vedere cosa viene fatto per valutare l'attività. In questo modo è possibile dare un feedback sul lavoro svolto dallo studente. Infine, lo scopo di questo lavoro è quello di verificare se ci sono vantaggi nell'utilizzo della MR nelle lezioni online.

Per raggiungere questo obiettivo, l'esperimento è stato condotto con tre gruppi di studenti. Ogni gruppo era composto da 10 studenti (30 studenti in totale). Il primo gruppo non ha utilizzato l'MRE, ma ha seguito solo lezioni teoriche (online) sul principio di conservazione della quantità di moto e sui componenti elettronici. Il secondo gruppo ha utilizzato l'MRE senza feedback e il terzo gruppo ha utilizzato l'MRE con il feedback di un insegnante. È importante ricordare che tutti gli studenti hanno lo stesso livello scolastico; Sono studenti universitari nello stesso semestre e con la stessa carriera, che studiano ingegneria meccatronica. L'esperimento è stato applicato in un unico corso denominato Introduzione alla Fisica e all'Elettronica, nel secondo semestre del corso di laurea; cioè, gli studenti erano stati all'università per meno di 1 anno. Pertanto, gli argomenti trattati nel corso possono essere considerati di base dal punto di vista ingegneristico. L'esperimento è stato condotto su 30 studenti, in quanto questo era il numero di studenti iscritti alla classe in cui l'esperimento era stato autorizzato. La classe selezionata (Introduzione alla fisica e all'elettronica) aveva teoria e pratiche di laboratorio, ma a causa della pandemia, venivano insegnate solo lezioni di teoria. Gli studenti sono stati divisi in tre gruppi per vedere l'impatto che le pratiche hanno sull'apprendimento generale e se le lezioni di MR potessero essere un sostituto delle pratiche faccia a faccia.

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Protocol

Il protocollo segue le linee guida del comitato etico dell'Università Panamericana. L'esperimento è stato condotto su un totale di 30 studenti, tra i 18 e i 20 anni; otto studenti erano femmine e 22 erano maschi, e tutti frequentavano l'Università Panamericana di Guadalajara, in Messico (la seconda città più grande del Messico). Tutti i partecipanti hanno completato il processo di consenso informato e hanno fornito l'autorizzazione scritta per lo scatto e la pubblicazione delle foto durante la raccolta dei dati. L'unico requisito era che gli studenti avessero bisogno di uno smartphone, il che non era un problema. Pertanto, non c'erano criteri di esclusione per l'esperimento.

1. Configurazione e calibrazione del sistema VR

NOTA: Questo passaggio richiede ~10 minuti.

  1. Assicurarsi che il sistema includa tutti i componenti: un telefono Android con sistema operativo versione 10 o successiva, occhiali VR e una base in legno con un'immagine di calibrazione (Figura 1) (vedere la tabella dei materiali).
  2. Apri l'applicazione MRE sul telefono cellulare e carica i servizi Unity, AR Foundation, Google Cardboard e ManoMotion25,26,27,28. L'applicazione MRE è stata sviluppata da noi stessi; è stato sviluppato per Android e non è pubblico.
  3. Inserire il telefono cellulare negli occhiali VR e indossare gli occhiali.
  4. Individuare visivamente il centro della base del prototipo MRE (il quadrato blu nella Figura 1).
  5. Quando viene visualizzata la simulazione, alzare una mano tesa per posizionarla al centro della vista.
    NOTA: Da questo momento, gli utenti possono fare gesti con le mani per interagire con l'ambiente simulato.

2. Preparazione dell'utente

NOTA: Questo passaggio richiede ~ 5 minuti.

  1. Senza occhiali VR, aprire l'applicazione MRE, come mostrato nella Figura 2.
  2. Assicurarsi che l'applicazione si avvii in modalità utente in modo che sia necessario solo accedere.
  3. Selezionare lo scenario che l'utente desidera eseguire. Ci sono due scenari: componenti elettronici e fisica.
  4. Premere Play; l'utente avrà 30 secondi da indossare sugli occhiali VR.

3. Esecuzione di scenari

NOTA: Questo passaggio richiede ~15 minuti.

  1. Scenario 1: componenti elettronici
    1. Individua le aree in cui posizionare i componenti, utilizzando i colori rosso, verde e blu. Questo delimita le sei zone di interazione di questa scena: tre zone per prendere i componenti elettronici virtuali e tre zone per rilasciare i componenti, come mostrato nella Figura 3.
    2. Prendi il componente e posizionalo nel posto giusto. Il posto giusto dipende dal componente e da ciò che si vede in teoria; ad esempio, in teoria, viene spiegato come posizionare un dissipatore di calore e in MRE viene praticato tale posizionamento.
    3. Continuare fino a quando tutti i componenti non sono in posizione.
  2. Scenario 2: fisica
    1. Individuare le due auto coinvolte nello scenario (Figura 4).
    2. Seleziona la velocità di ogni auto.
    3. Visualizza i grafici dopo la collisione.

4. Visualizzazione dell'amministrazione

  1. Nella schermata principale, premere Modalità MRE (vedere la Figura 2) e selezionare l'opzione amministratore.
  2. Accedi per verificare se l'account dispone dell'autorizzazione per accedere come amministratore.
    NOTA: Diventa possibile visualizzare l'elenco degli studenti e i voti ottenuti in ogni scenario.

5. Risultati degli studenti

  1. Effettuando l'accesso come amministratore, clicca sul nome dello studente desiderato e visualizza la tabella con le informazioni dei voti dei suoi scenari.
  2. Fai clic sul nome di uno studente e seleziona Scarica i voti come CSV. In questo modo verranno visualizzati tutti i risultati in un file separato da virgole.

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Representative Results

In questa sezione vengono illustrati i risultati ottenuti dall'esperimento. Per prima cosa vengono spiegati alcuni dettagli di come è stato condotto l'esperimento, poi vengono mostrati i test effettuati sugli studenti dell'esperimento e, inoltre, vengono presentati i risultati dei test. Infine, viene descritta un'analisi che utilizza uno studente di ciascun gruppo.

Uno dei maggiori problemi che la pandemia ha portato alla formazione ingegneristica è stato l'impossibilità di svolgere pratiche di laboratorio in presenza, il che ha un impatto diretto sulle conoscenze acquisite dagli studenti. Per analizzare se il progetto sviluppato in questo articolo ha un impatto, è stato condotto un esperimento con tre gruppi di studenti. Ogni gruppo era composto da 10 studenti; il primo gruppo non ha utilizzato l'MRE, ma si è limitato a seguire lezioni teoriche (online) sul principio di conservazione della quantità di moto e sui componenti elettronici. Il secondo gruppo ha utilizzato l'MRE senza feedback e, infine, il terzo gruppo ha utilizzato l'MRE con il feedback di un insegnante. È importante ricordare che tutti gli studenti avevano lo stesso livello scolastico. Erano tutti studenti universitari nello stesso semestre e con la stessa carriera, studiando ingegneria meccatronica. Erano tutti studenti dell'Università Panamericana di Guadalajara, in Messico (la seconda città più grande del Messico). L'esperimento è stato applicato in un unico corso chiamato Introduzione alla Fisica e all'Elettronica, nel secondo semestre del corso di laurea (cioè erano studenti che erano stati all'università per meno di 1 anno. Pertanto, gli argomenti trattati a lezione potrebbero essere considerati di base dal punto di vista ingegneristico17.

Il corso (Introduzione alla Fisica e all'Elettronica) in cui è stato svolto l'esperimento ha avuto le seguenti caratteristiche: (1) la durata del corso è stata di un semestre; (2) c'erano due esami durante il semestre (cioè, si teneva un test ogni 10 settimane di lezioni), e ognuno di questi test, o periodo di 10 settimane, è chiamato "parziale"; e (3) ogni settimana aveva 6 ore di lezione, suddivise in 3 giorni di 2 ore per classe. Durante la settimana sono state insegnate 4 ore di teoria e 2 ore di pratica. È molto importante ricordare che le caratteristiche sopra menzionate sono ciò che si faceva prima della pandemia; Durante la pandemia si sono tenute lezioni online. Pertanto, le 2 ore di pratica settimanale non potevano essere svolte e sono state sostituite da consulenza e problem solving. Per questo motivo, nelle lezioni online, non sono state effettuate pratiche.

Il nostro esperimento ha cercato di modificare il meno possibile ciò che è stato stabilito nella classe; il sistema MRE è stato introdotto durante le ore di pratica (2 ore a settimana), e gli studenti che non hanno utilizzato il sistema hanno continuato con la consulenza e la risoluzione dei problemi. Le 4 ore di teoria non sono state affatto modificate dal nostro esperimento. Allo stesso modo, gli studenti che hanno utilizzato MRE hanno utilizzato una delle lezioni pratiche per spiegare il funzionamento del sistema. Inoltre, MRE ha due ambienti, uno per i componenti elettronici e uno per i concetti di fisica. L'esperimento è stato condotto durante una parte (10 settimane), che ha coinvolto pratiche di fisica e pratiche di componenti elettronici. In questo periodo, sono state svolte sei pratiche in MRE (tre pratiche di fisica e tre di componenti elettronici). Infine, ci sono stati due gruppi che hanno utilizzato MRE; Uno non ha avuto feedback dall'insegnante e l'altro sì. A coloro che non hanno avuto un feedback è stato dato uno script della pratica da svolgere, e alla fine l'insegnante ha assegnato un voto da 0 a 10 nel sistema MRE, ma non sono state fornite ulteriori spiegazioni. D'altra parte, nel gruppo che ha avuto un feedback, l'insegnante li ha guidati durante la pratica. L'insegnante potrebbe osservare la simulazione contemporaneamente agli studenti, poiché il sistema non contiene suoni e le loro orecchie sono scoperte, quindi l'insegnante ha guidato lo studente parlando con loro durante la simulazione, indicando i loro errori e le ragioni di tali errori.

È importante ricordare che il test non è stato modificato per questo esperimento. In altre parole, il test sarebbe stato lo stesso per gli studenti se l'esperimento in corso non fosse stato effettuato. Il test prevedeva 14 domande, elencate nel file supplementare 1 nello stesso ordine in cui erano state presentate.

Ogni domanda del test aveva lo stesso peso nel voto, tuttavia l'insegnante poteva assegnare frazioni di punti a ciascuna domanda in base alla risposta dello studente. Questo era a discrezione dell'insegnante. La tabella 1 mostra i voti di ciascuno degli studenti, dove 0 è il voto peggiore e 10 il migliore. Alla fine, viene mostrata la media di ciascun gruppo.

D'altra parte, la Figura 5 mostra graficamente i punteggi di ogni studente separati per gruppo. In questo modo è più facile visualizzare i risultati ottenuti dall'esperimento. La tabella 2 mostra i risultati di ogni domanda, prendendo uno studente per ogni gruppo.

Figure 1
Figura 1: Materiali principali di MRE. Il sistema MRE è costituito da un semplice pezzo di legno quadrato di 8 pollici x 8 pollici, su cui è incollata un'immagine di base. L'immagine è costituita da un logo centrale di dimensioni pari a 3 x 3 pollici; Il resto dello spazio è costituito da icone 1 in x 1 posizionate in modo casuale utilizzando colori blu scuro su sfondo azzurro. Inoltre, nella scatola vengono inseriti un box VR e un telefono cellulare Android. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Applicazione MRE. (A) Il pulsante per selezionare tra utente o amministratore; Viene avviato come utente per impostazione predefinita. (B) Possibilità di registrarsi/accedere. (C) per continuare a configurare lo scenario. (D) Tornare alla schermata precedente. (F) Qualifica al momento; Se è la prima volta che viene "giocato", apparirà a 0. (G) Iniziare con lo scenario selezionato. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Scenario dei componenti elettronici. I colori delimitano le sei zone di interazione di questa scena: tre zone per prendere i componenti e tre zone per rilasciare i componenti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Scenario fisico. Vengono create due vetture una di fronte all'altra, oltre ad un pulsante di avviamento sferico (colore verde) e uno cubico (colore azzurro) per modulare la forza con cui viene spinta la seconda vettura. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Punteggio di ogni studente e deviazione standard separati per gruppo. Voti per studente e tecnologia utilizzata; Accanto ad esso viene visualizzata la deviazione standard di ciascun gruppo. Ci sono 30 studenti in totale, 10 per ogni approccio di apprendimento, e ad ogni studente di ogni gruppo è stato assegnato un numero da 1 a 10. È importante menzionare la deviazione tipica, dove si vede chiaramente che senza l'uso di MRE, i punteggi sono molto più dispersi. Questo può essere logico, dal momento che questi studenti hanno ricevuto solo lezioni online, quindi l'attenzione che ogni studente ha prestato è molto variabile, e questo si vede nei punteggi ottenuti. D'altra parte, c'è molta meno dispersione quando si utilizza MRE. Inoltre, quando il feedback viene aggiunto alla tecnologia MR, c'è meno dispersione, il che indica una migliore comprensione da parte di tutti gli studenti, non solo da parte di alcuni studenti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella 1: Risultati dei test di conoscenza per i tre gruppi. In questa tabella sono riportati tutti i risultati degli esami sostenuti dagli studenti. Ci sono 30 studenti in totale, 10 per ogni approccio di apprendimento, e ad ogni studente di ogni gruppo è stato assegnato un numero da 1 a 10. Si può vedere chiaramente che la migliore media ottenuta è stata quando è stato utilizzato l'MRE e c'è stato un feedback da parte dell'insegnante. Anche se non c'è stato alcun feedback, è comunque un'opzione migliore in termini generali utilizzare MRE per una migliore comprensione degli argomenti. Quando si utilizzava MRE, non c'era un punteggio inferiore a 7,5 in nessuno degli studenti; Quindi, si può dedurre che c'era in generale una migliore comprensione degli argomenti. Infine, utilizzando MRE e con il feedback dell'insegnante, non ci sono stati punteggi inferiori a 8,0 e sono stati osservati anche i punteggi più alti dei 30 studenti, 9,3 e 9,5. Pertanto, si possono vedere chiaramente i benefici che gli studenti hanno nella comprensione degli argomenti quando si utilizza MRE, ma soprattutto quando viene dato un feedback sul lavoro svolto nelle pratiche. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 2: Risultati per domanda utilizzando uno studente per ogni gruppo. Voti alle risposte di uno studente di ogni gruppo. Sono stati selezionati gli studenti il cui voto era vicino alla media del gruppo. L'insegnante può assegnare punti alle risposte parzialmente corrette. Gli studenti che hanno utilizzato MRE hanno ottenuto risultati migliori con le domande sui componenti elettronici, suggerendo che conoscere i componenti nelle loro dimensioni e forme reali (utilizzando MRE) ha contribuito a migliorare le conoscenze teoriche. Gli studenti che hanno utilizzato MRE con feedback, oltre a poter osservare i componenti come sarebbero stati visti nella realtà, hanno ricevuto aiuto dal docente nelle pratiche di fisica e componenti elettronici. Pertanto, si può dire che oltre a praticare, hanno avuto ore di consulenza, e questo si riflette chiaramente nei risultati. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Fascicolo supplementare 1: Domande presentate agli studenti. Fare clic qui per scaricare il file.

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Discussion

Il sistema MRE consente agli studenti di conoscere diversi scenari sui componenti elettronici o su argomenti di fisica. Un punto importante è la possibilità che l'insegnante fornisca un feedback. In questo modo, gli studenti possono sapere cosa hanno sbagliato e perché. Con il sistema MRE sviluppato, è stato condotto un esperimento con 30 studenti, in cui 10 studenti non hanno utilizzato MRE, 10 hanno utilizzato MRE e infine altri 10 hanno utilizzato MRE e hanno ricevuto un feedback dall'insegnante. Al termine delle lezioni, è stato somministrato a tutti gli studenti un test di cultura generale. Il test non è stato modificato per l'esperimento (cioè, lo stesso test viene applicato se le lezioni sono puramente teoriche o se vengono svolte pratiche di laboratorio. Le pratiche sono solo un complemento per comprendere meglio la teoria e quindi avere una migliore comprensione generale dell'argomento. Il test consiste in risposte scritte che mostrano calcoli e l'insegnante può segnare con mezzo punto nel caso in cui la risposta sia parzialmente corretta.

Grazie all'uso dell'MRE, gli studenti hanno ottenuto una migliore media generale, la migliore media vista quando c'è stato un feedback da parte dell'insegnante. Allo stesso modo, un punto importante è la deviazione standard. L'obiettivo di una classe è che la maggior parte degli studenti, o idealmente tutti, acquisiscano la maggior quantità di conoscenze. A causa dell'uso di MRE, si può osservare una minore dispersione dei punteggi, il che dimostra che la conoscenza degli argomenti è stata compresa da un numero maggiore di studenti.

Quando si osservano i punteggi di ogni domanda in dettaglio, l'MRE ha un effetto minore quando le domande sono focalizzate su problemi che possono essere analizzati al 100% dalla teoria. Tuttavia, negli argomenti di ingegneria, è importante conoscere sia l'attrezzatura che i componenti, quindi MRE ha avuto un impatto positivo e gli studenti che hanno utilizzato MRE hanno risposto meglio alle domande che trattavano questi argomenti. Inoltre, nel caso di domande teoriche (come la fisica), l'MRE è utile quando si ha un feedback da parte dell'insegnante, in quanto l'insegnante può chiarire queste questioni supportate da un ambiente virtuale. Il feedback degli insegnanti non è una novità; Si verifica nelle lezioni faccia a faccia, quindi è chiaro che questo feedback è ancora altrettanto importante negli ambienti virtuali.

Il sistema MRE aiuta gli studenti di ingegneria a svolgere esercitazioni di laboratorio a distanza. Il mondo è cambiato, e anche se attualmente si sta tornando alle lezioni in presenza, ogni giorno sempre più scuole aprono corsi 100% online29. Per far fronte a questi cambiamenti, sono state create applicazioni utilizzando tecnologie emergenti. Una di queste tecnologie è la risonanza magnetica, in cui è possibile visualizzare gli ambienti di studio per migliorare l'apprendimento. Tuttavia, la maggior parte di queste applicazioni sono utilizzate in ambienti medici, con poche in ingegneria 9,12. D'altra parte, gli RL sono stati salutati come la soluzione per le lezioni di ingegneria a distanza, ma è necessario avere uno spazio fisico e i componenti sono molto costosi. Pertanto, l'investimento per un RL è molto alto e non sono inclusi come possibilità per molte scuole in America Latina19,20.

Allo stesso modo, altri lavori hanno discusso di come i laboratori virtuali e remoti possano aiutare nella formazione a distanza. Ad esempio, concordano sul fatto che i costi sono inferiori rispetto alla creazione di un laboratorio tradizionale. Vergara et al. hanno analizzato i dati di oltre 400 studenti che chiedevano la loro esperienza con l'uso di VR e MR nei laboratori; L'89% degli studenti ha affermato che sono adeguati per integrare la spiegazione di un insegnante, ma solo l'11% ha affermato che l'uso da solo è adeguato. Questa tecnologia da sola è sufficiente per comprendere la materia, anche se il lavoro non effettua alcuna analisi sull'impatto che l'uso di questa tecnologia ha sulla comprensione della materia al di là della domanda sui sentimenti dello studente30. Inoltre, Wu et al. hanno analizzato diversi lavori che menzionano la realtà virtuale utilizzando display montati sulla testa (HMD, come lo usiamo in questo lavoro). Concludono che l'apprendimento immersivo basato su HMD ha un effetto migliore sulle prestazioni di apprendimento rispetto agli approcci di apprendimento non immersivo31. Nonostante ciò, Wu et al. non presentano nemmeno quanto la comprensione dell'argomento possa migliorare utilizzando VR o MR; Menzionano solo che c'è un apprendimento migliore, specialmente nelle materie scientifiche, ancora una volta come il caso presentato in questo articolo.

D'altra parte, Makarova et al. hanno sperimentato per trovare l'effetto della realtà virtuale nell'insegnamento dei servizi automobilistici. Sebbene il numero di studenti menzionati sia 344, questi studenti provengono da classi diverse, quindi hanno conoscenze e abilità diverse. Gli studenti nel loro percorso di studi vanno dai 19 ai 30 anni, a differenza di quanto viene presentato qui, dove tutti gli studenti hanno lo stesso livello di studi e hanno un'età compresa tra i 18 e i 20 anni. D'altra parte, Makarova et al. hanno analizzato gli studenti che utilizzavano attrezzature fisiche e virtuali, mentre 35 studenti utilizzavano apparecchiature virtuali (un numero di studenti non molto diverso dal nostro esperimento). Concludono che le tecnologie VR e MR sono molto più efficaci delle metodologie tradizionali, aumentando l'interesse degli studenti per l'apprendimento32. Inoltre, altri lavori menzionano che l'uso di sistemi virtuali aiuta a insegnare la scienza e le lingue, anche analizzando l'usabilità di diversi approcci ed ergonomia, che è al di fuori dello scopo di questo lavoro33,34.

Altri lavori, come Loetscher et al., hanno analizzato il corretto strumento VR che dovrebbe essere utilizzato a seconda del tipo di test, soprattutto per i test comportamentali, in cui il tempo di risposta è spesso essenziale per l'analisi dei dati. Menzionano che i sistemi VR sui telefoni cellulari hanno un basso tempo di risposta35, anche se per l'esperimento mostrato in questo studio, il tempo di risposta non influenza l'esame applicato agli studenti. Inoltre, è necessario analizzare il costo dell'allestimento di un laboratorio con attrezzature specializzate rispetto al tempo di risposta desiderato per ottenere la fattibilità. È chiaro che alcuni esperimenti saranno cruciali per ridurre i limiti dell'hardware, ma non è il caso di questo lavoro.

Pertanto, crediamo fermamente che questo lavoro integri gli studi che sono stati condotti finora. Molti lavori hanno dimostrato che l'uso delle tecnologie virtuali aiuta nell'apprendimento e nell'interesse, tuttavia, non hanno cercato di dimostrare il reale impatto che può avere sull'apprendimento. Sebbene il numero di studenti utilizzati nell'esperimento sia basso, ci siamo assicurati che tutti avessero lo stesso livello di conoscenze e abilità (per quanto possibile) e che lo stesso argomento fosse insegnato a tutti, cercando di eliminare qualsiasi componente esterna che avrebbe potuto influenzare i risultati. L'esame applicato è stato lo stesso, permettendo di quantificare (in un piccolo campione) il miglioramento che gli studenti hanno avuto utilizzando tecnologie virtuali a complemento della teoria vista a lezione.

Grazie a MRE è possibile svolgere pratiche di laboratorio per l'ingegneria a basso costo e con un investimento minimo per le scuole. Basta un telefono cellulare Android del 2019 o successivo e una base in legno per la calibrazione, che lo rende molto più accessibile per le scuole dei paesi in via di sviluppo. Vale la pena ricordare che è necessario seguire una serie di passaggi per utilizzare il sistema MRE. Indubbiamente, il passaggio critico per il corretto funzionamento del sistema è la configurazione e la calibrazione del sistema VR (fase 1). Poiché MRE utilizza le mani come strumenti di applicazione, un errore nella calibrazione impedirebbe di continuare con l'esecuzione degli scenari. Inoltre, è importante utilizzare la base con l'immagine per la calibrazione. L'immagine viene utilizzata per dimensionare l'ambiente e rilevare la mano nello spazio.

Pertanto, è chiaro che un limite del progetto presentato è quello di avere una base con l'immagine per la calibrazione. Per l'esperimento presentato, è stato necessario fabbricare una base per ogni studente. Sebbene una volta calibrato sia stato abbastanza facile riprodurre e riprodurre gli scenari, vale la pena ricordare che è complesso creare nuovi scenari. Pertanto, è necessario un lungo tempo di sviluppo per ogni pratica che deve essere sviluppata.

Tuttavia, un punto di differenziazione con le RL o altre tecnologie MR è il basso costo delle attrezzature e dei materiali necessari. Qualsiasi telefono Android può essere utilizzato come strumento per eseguire le pratiche, anche se una limitazione è ottenere l'immagine di calibrazione; Tuttavia, può essere stampato in modo tradizionale e non è necessaria alcuna attrezzatura speciale. Pertanto, l'accesso agli scenari già sviluppati ha un costo contenuto. Utilizzando tale tecnologia accessibile, l'MRE può essere utilizzato anche in altre aree, non solo nelle pratiche di laboratorio. Principalmente, durante la formazione del personale per le aziende, quando un nuovo dipendente entra a far parte, è spesso necessario interrompere o abbassare la produzione per insegnare l'uso dei macchinari. Pertanto, MRE può essere adattato per sviluppare ambienti di linea di produzione.

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Disclosures

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari o relazioni personali che potrebbero aver influenzato il lavoro riportato in questo articolo.

Acknowledgments

Questo studio è stato sponsorizzato dal campus dell'Università Panamericana di Guadalajara. Ringraziamo gli studenti di ingegneria meccatronica per aver contribuito all'esperimento.

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)

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Valdivia, L. J., Del-Valle-Soto, C., Castillo-Vera, J., Rico-Campos, A. Mixed Reality for Education (MRE) Implementation and Results in Online Classes for Engineering. J. Vis. Exp. (196), e65091, doi:10.3791/65091 (2023).

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