Artigo de método

Implementação de Realidade Mista para Educação (MRE) e Resultados em Aulas Online de Engenharia

DOI:

10.3791/65091

⸱

23 de junho de 2023

 ,  ,  , 
1Faculty of Engineering, Panamerican University

Neste artigo

Resumo

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

Neste trabalho, um sistema de realidade mista denominado ERM foi desenvolvido para auxiliar os alunos a desenvolver práticas laboratoriais complementares às aulas online. Foi realizado um experimento com 30 estudantes; 10 alunos não utilizaram MRE, 10 utilizaram MRE e outros 10 utilizaram MRE com feedback do professor.

Resumo

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

A pandemia da COVID-19 mudou muitas indústrias, capacitando alguns setores e fazendo com que muitos outros desaparecessem. O setor da educação não está isento de grandes mudanças; Em alguns países ou cidades, as aulas foram ministradas 100% online por pelo menos 1 ano. No entanto, algumas carreiras universitárias precisam de práticas laboratoriais para complementar o aprendizado, especialmente nas áreas de engenharia, e ter apenas aulas teóricas on-line pode afetar seus conhecimentos. Por essa razão, neste trabalho, um sistema de realidade mista denominado realidade mista para a educação (MRE) foi desenvolvido para auxiliar os alunos a desenvolver práticas laboratoriais para complementar as aulas online. Foi realizado um experimento com 30 estudantes; 10 alunos não utilizaram MRE, 10 utilizaram MRE e outros 10 utilizaram MRE com feedback do professor. Com isso, percebe-se as vantagens da realidade mista no setor educacional. Os resultados mostram que o uso da ERM ajuda a melhorar o conhecimento em assuntos de engenharia; Os alunos obtiveram qualificações com notas 10% a 20% melhores do que aqueles que não a utilizaram. Acima de tudo, os resultados mostram a importância do feedback na utilização de sistemas de realidade virtual.

Introdução

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A tecnologia sempre esteve presente no setor educacional; Profundas mudanças ocorreram nos aparelhos utilizados para ministrar as aulas. No entanto, as aulas presenciais continuam sendo a opção preferida de alunos e professores. Quando veio a pandemia, mudou todos os setores, e a educação não foi exceção. Em 2018, antes da pandemia, apenas 35% dos alunos que cursaram uma graduação relataram ter feito pelo menos uma aula online; ou seja, 65% dos alunos concluíram seus estudos presencialmente1. A partir de abril de 2020, por ordem do governo (mexicano), todas as escolas públicas e privadas foram proibidas de ministrar aulas presenciais; Por isso, 100% dos alunos tiveram que ter aulas a distância. As universidades foram as primeiras a agir, utilizando ferramentas para videochamadas, preparação de aulas, gestão de tarefas de casa, etc. Isso faz sentido, já que pessoas em idade universitária (entre 18 e 25 anos) são pessoas que têm contato com a tecnologia desde o nascimento.

Algumas aulas podem ser totalmente adaptadas virtualmente; No entanto, as práticas laboratoriais são complexas de serem realizadas remotamente, e os alunos não têm o material necessário, o que muitas vezes é caro. O impacto que as aulas on-line têm na qualidade do conhecimento não é claro, e alguns estudos mostram que os cursos on-line geralmente rendem pior desempenho dos alunos do que os cursos presenciais2. Mas uma coisa é certa, não realizar práticas laboratoriais que aproximem os alunos do que eles vivenciarão na indústria afetará negativamente seu desempenho profissional. Portanto, torna-se necessária a importância de experiências em escala real no ensino atual de engenharia 3,4,5. Por essas razões, novas tecnologias estão sendo utilizadas para mitigar esses problemas. Entre eles estão a realidade virtual (VR), a realidade aumentada (AR) e a realidade mista (MR). É importante mencionar que a RV é uma tecnologia que permite a criação de um ambiente digital totalmente imersivo, enquanto a RA sobrepõe objetos virtuais no ambiente do mundo real. Por outro lado, a RM não utiliza apenas objetos virtuais, mas também ancora esses objetos ao mundo real, possibilitando a interação com eles. Assim, a RM é uma combinação de RV eRA6. Por outro lado, algumas organizações também têm se esforçado para desenvolver laboratórios remotos, onde existem equipamentos reais, mas que podem ser controlados remotamente7.

O termo MR data de 1994; no entanto, nos últimos 5 anos, assumiu especial importância, graças a grandes empresas que concentraram seus esforços no desenvolvimento de ambientes, como o Metaverso6. A RM pode ser aplicada em diferentes áreas; dois dos mais comuns são treinamento e educação. O treinamento tem sido um dos grandes impulsionadores da RM; É muito caro para uma empresa parar uma linha de produção para treinar novos funcionários, ou em ambientes perigosos, e não é fácil realizar treinamentos em campo. A educação não fica atrás; embora as aulas presenciais tenham mudado muito pouco, há grandes esforços para incorporar a RM nas classes 8,9. Para a educação, existem carreiras profissionais onde é necessário realizar práticas laboratoriais para ter formação completa. Muitos estudos e pesquisas existentes estão na medicina, com RV, RA e RM desempenhando um papel fundamental. Vários trabalhos mostram como a RM supera os métodos tradicionais de ensino em disciplinas cirúrgicas e médicas, onde a prática é uma clara vantagem para o desenvolvimento dos alunos10,11,12,13,14.

No entanto, não há a mesma quantidade de pesquisas sobre questões de engenharia. Normalmente, nas carreiras de engenharia, o aluno tem aulas teóricas complementadas por práticas. Dessa forma, há estudos sobre RM e RV mostrando os benefícios na pedagogia da engenharia12. No entanto, alguns desses estudos se concentram em analisar a complexidade do ambiente e as ferramentasutilizadas8,15. Tang et al., idealizaram um estudo em que estudantes de diferentes áreas e com diferentes conhecimentos utilizaram a RM para melhorar sua compreensão da análise geométrica e da criatividade16. Em um teste subsequente, as pessoas que fizeram suas aulas usando RM terminaram mais rápido, deixando claro que a RM afeta positivamente o aprendizado16. Além disso, Halabi mostrou o uso de ferramentas de RV no ensino de engenharia. Embora não seja a RM, mostra ferramentas que podem ser utilizadas para o ensino. Faz-se um estudo de caso real para mostrar que é possível introduzir a RV nas aulas de engenharia17.

Já os laboratórios remotos (RLs) são ferramentas tecnológicas compostas por softwares e hardwares que permitem que os alunos realizem remotamente suas práticas como se estivessem em um laboratório tradicional. As RLs são geralmente acessadas pela internet, e normalmente são usadas quando os alunos são obrigados a colocar em prática de forma autônoma o que aprenderam quantas vezes forem necessárias18. No entanto, com a chegada da Covid-19, seu uso tem sido para substituir os laboratórios tradicionais e poder realizar práticas durante as aulas online18. Como mencionado acima, um RL precisa de um espaço físico (laboratório tradicional) e elementos que permitam que ele seja controlado remotamente. Com o advento da RV, os laboratórios passaram a ser modelados virtualmente e, por meio de mecanismos físicos, os elementos do laboratório podem ser controlados19. No entanto, ter um RL é muito caro, prejudicando muitas escolas, especialmente em países em desenvolvimento. Alguns estudos mencionam que os custos podem variar entre US$ 50.000 e US$ 100.00020,21.

Além disso, desde o início da pandemia, as mudanças tiveram que ser feitas rapidamente; no caso dos RLs, tentou-se o envio de kits para as residências de cada aluno em substituição aos laboratórios tradicionais. No entanto, houve um problema de custo, pois estudos mostraram que cada kit custava em torno de R$ 70018,22. No entanto, os estudos utilizaram componentes caros e de difícil obtenção. A pandemia afetou a educação em todo o mundo, e poucas pessoas poderiam gastar milhares de dólares para automatizar um laboratório ou comprar um kit. A maioria dos estudos considera as aulas presenciais e as complementa com a RM. No entanto, nos últimos anos, as aulas têm sido on-line devido à COVID-19, e apenas alguns trabalhos mostram a melhoria das aulas virtuais usando RM e dispositivos acessíveis23,24.

As pesquisas que existem até o momento são focadas principalmente em medicina, com pouca informação em engenharia. No entanto, sem dúvida, acreditamos que a maior contribuição e diferença é que nosso experimento foi realizado por 6 meses e foi comparado com sujeitos com as mesmas características que não usaram modelos virtuais, enquanto a maioria dos trabalhos anteriores realizou experimentos curtos para comparar tecnologias ou procedimentos isolados; não as aplicaram ao longo de vários meses. Portanto, este artigo mostra a diferença no aprendizado que pode ser feito com o uso da RM em uma disciplina universitária.

Por esta razão, este trabalho mostra o desenvolvimento e os resultados de um sistema de RM para auxiliar na realização de práticas laboratoriais em universidades voltadas para a engenharia eletrônica. É importante mencionar que ênfase especial é dada em manter o custo do dispositivo baixo, tornando-o acessível à população em geral. Três grupos usam métodos de ensino diferentes, e um exame é realizado sobre os tópicos da classe. Dessa forma, é possível obter resultados na compreensão dos temas da educação a distância por meio da RM.

O projeto explicado neste trabalho chama-se realidade mista para a educação (MRE) e é proposto como uma plataforma onde os alunos usam óculos VR com um smartphone (ou seja, não são usados óculos VR especiais). É criado um espaço de trabalho onde os alunos podem interagir com ambientes virtuais e objetos reais simplesmente usando suas próprias mãos, devido ao uso de objetos virtuais e reais, um sistema de realidade mista. Esse espaço de trabalho consiste em uma base com uma imagem onde todos os objetos virtuais são exibidos e interagidos. O ambiente criado se concentra na realização de práticas laboratoriais para mostrar componentes eletrônicos e física para carreiras de engenharia. É importante destacar a necessidade de fornecer feedback aos alunos. Por esta razão, o MRE incorpora um sistema de feedback onde um administrador (normalmente o professor) pode ver o que está sendo feito para avaliar a atividade. Dessa forma, é possível dar um feedback sobre o trabalho realizado pelo aluno. Por fim, o objetivo deste trabalho é verificar se há vantagens no uso da RM nas aulas online.

Para tanto, o experimento foi realizado com três grupos de estudantes. Cada grupo foi composto por 10 alunos (30 alunos no total). O primeiro grupo não utilizou o MRE, apenas realizou aulas teóricas (online) sobre o princípio de conservação do momento e componentes eletrônicos. O segundo grupo utilizou ERM sem feedback e o terceiro grupo utilizou ERM com feedback de um professor. É importante mencionar que todos os alunos têm o mesmo nível de escolaridade; São universitários no mesmo semestre e com a mesma carreira, cursando Engenharia Mecatrônica. O experimento foi aplicado em uma única disciplina denominada Introdução à Física e Eletrônica, no segundo semestre da graduação; ou seja, os alunos estavam na universidade há menos de 1 ano. Portanto, os temas abordados na aula podem ser considerados básicos do ponto de vista da engenharia. O experimento foi realizado com 30 alunos, pois este foi o número de alunos que se matricularam na turma em que o experimento foi autorizado. A turma selecionada (Introdução à Física e Eletrônica) tinha teoria e práticas laboratoriais, mas devido à pandemia, apenas aulas teóricas estavam sendo ministradas. Os alunos foram separados em três grupos para ver o impacto que as práticas têm na aprendizagem geral e se as aulas de RM poderiam ser um substituto para as práticas presenciais.

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Protocolo

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O protocolo segue as diretrizes do comitê de ética da Universidade Panamericana. O experimento foi conduzido com um total de 30 escolares, entre 18 e 20 anos; oito estudantes eram do sexo feminino e 22 do sexo masculino, e todos frequentavam a Universidade Panamericana de Guadalajara, México (a segunda maior cidade do México). Todos os participantes completaram o processo de consentimento informado e forneceram permissão por escrito para que as fotos fossem tiradas e publicadas durante a coleta de dados. A única exigência era que os alunos precisassem ter um smartphone, o que não era problema. Portanto, não houve critérios de exclusão para o experimento.

1. Configuração e calibração do sistema VR

NOTA: Este passo demora ~10 min.

  1. Certifique-se de que o sistema inclui todos os componentes: um telefone Android com sistema operacional versão 10 ou superior, óculos de caixa VR e uma base de madeira com uma imagem de calibração (Figura 1) (consulte a Tabela de Materiais).
  2. Abra o aplicativo MRE no celular e carregue os serviços Unity, AR Foundation, Google Cardboard e ManoMotion25,26,27,28. O aplicativo MRE foi desenvolvido por nós mesmos; ele foi desenvolvido para Android e não é público.
  3. Insira o celular nos óculos VR e coloque os óculos.
  4. Localize visualmente o centro da base do protótipo de ERM (o quadrado azul na Figura 1).
  5. Quando a simulação aparecer, levante uma mão estendida para colocá-la no centro da vista.
    NOTA: A partir deste momento, os usuários podem fazer gestos com as mãos para interagir com o ambiente simulado.

2. Preparação do usuário

NOTA: Este passo demora ~5 min.

  1. Sem óculos de RV, abra a aplicação de ERM, como mostra a Figura 2.
  2. Certifique-se de que o aplicativo seja iniciado no modo de usuário para que seja necessário apenas fazer login.
  3. Selecione o cenário que o usuário deseja executar. Há dois cenários: componentes eletrônicos e física.
  4. Aperte o Play; o usuário terá 30 s para colocar os óculos VR.

3. Execução de cenários

NOTA: Este passo demora ~15 min.

  1. Cenário 1: componentes eletrônicos
    1. Localize as áreas para posicionar os componentes, por meio das cores vermelho, verde e azul. Isso delimita as seis zonas de interação dessa cena: três zonas para tirar os componentes eletrônicos virtuais e três zonas para soltar os componentes, como mostra a Figura 3.
    2. Pegue o componente e posicione-o no lugar certo. O lugar certo depende do componente e do que é visto na teoria; por exemplo, na teoria, é explicado como colocar um dissipador de calor, e no MRE a colocação é praticada.
    3. Continue até que todos os componentes estejam no lugar.
  2. Cenário 2: física
    1. Localize os dois carros envolvidos no cenário (Figura 4).
    2. Selecione a velocidade de cada carro.
    3. Visualize os gráficos após a colisão.

4. Visão da administração

  1. Na tela principal, pressione os modos MRE (consulte a Figura 2) e selecione a opção de administrador.
  2. Faça login para verificar se a conta tem permissão para acessar como administrador.
    OBS: Torna-se possível visualizar a lista de alunos e as notas obtidas em cada cenário.

5. Resultados dos alunos

  1. Fazendo login como administrador, clique no nome do aluno desejado e visualize a tabela com as informações das notas de seus cenários.
  2. Clique no nome de um aluno e selecione baixar notas como CSV. Isso exibirá todos os resultados em um arquivo separado por vírgula.

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Resultados

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Esta seção mostra os resultados obtidos com o experimento. Primeiro, alguns detalhes de como o experimento foi realizado são explicados, em seguida, os testes realizados nos alunos do experimento são mostrados e, além disso, os resultados dos testes são apresentados. Finalmente, descreve-se uma análise com um aluno de cada grupo.

Um dos maiores problemas que a pandemia trouxe para o ensino de engenharia foi a impossibilidade de realizar práticas laboratoriais presenciais, o que impacta diretam...

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Discussão

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O sistema MRE permite diferentes cenários para que os alunos aprendam sobre componentes eletrônicos ou tópicos de física. Um ponto importante é a possibilidade de o professor dar feedback. Dessa forma, os alunos podem saber o que fizeram de errado e por quê. Com o sistema de ERM desenvolvido, foi realizado um experimento com 30 alunos, onde 10 alunos não utilizaram MRE, 10 utilizaram MRE e, finalmente, outros 10 utilizaram MRE e receberam feedback do professor. Ao final das aulas, foi aplicado um teste de conhecimentos g...

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Divulgações

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Os autores declaram não ter interesses financeiros concorrentes conhecidos ou relações pessoais que possam ter influenciado o trabalho relatado neste artigo.

Agradecimentos

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Este estudo foi patrocinado pelo campus da Universidade Panamericana de Guadalajara. Agradecemos aos estudantes de engenharia mecatrônica por contribuírem com o experimento.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Aplicação de ERM para AndoridA aplicação foi desenvolvida para o experimento, foi feita por nós. NÃO é público e não há planos para publicação.
Tecido antiderrapante (20 x 20 cm)
Impressão da nossa imagem
Papel autoadesivo (folha tamanho 1 carta)
Óculos de realidade virtualMeta Quest 2Usamos o Meta Quest 2, que é um fone de ouvido de realidade virtual com dois monitores de 1832 x 1920 pixels por olho, com este fone de ouvido você pode jogar videogame ou experimentar simuladores com uma visão 360. Além disso, o fone de ouvido possui dois controles, nos quais as mãos virtuais parecem suas verdadeiras e isso graças à tecnologia de rastreamento de mãos.
https://www.meta.com/quest/products/quest-2/tech-specs/#tech-specs
Placa de madeira (20 x 20 cm)
base

Referências

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