Summary
In dieser Arbeit wurde ein Mixed-Reality-System namens MRE entwickelt, um Studenten bei der Entwicklung von Laborpraktiken zu unterstützen, die den Online-Unterricht ergänzen. Es wurde ein Experiment mit 30 Studierenden durchgeführt; 10 Schüler nutzten keine MRE, 10 nutzten MRE und 10 weitere nutzten MRE mit Feedback der Lehrkräfte.
Abstract
Die COVID-19-Pandemie hat viele Branchen verändert, einige Sektoren gestärkt und viele andere verschwinden lassen. Der Bildungssektor ist von großen Veränderungen nicht ausgenommen; In einigen Ländern oder Städten wurde der Unterricht mindestens 1 Jahr lang zu 100 % online abgehalten. Einige Universitätsberufe benötigen jedoch Laborpraktiken, um das Lernen zu ergänzen, insbesondere in technischen Bereichen, und wenn nur theoretischer Unterricht online stattfindet, könnte dies ihr Wissen beeinträchtigen. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Mixed-Reality-System namens Mixed Reality for Education (MRE) entwickelt, um Studenten bei der Entwicklung von Laborpraktiken zu unterstützen, die den Online-Unterricht ergänzen. Es wurde ein Experiment mit 30 Studierenden durchgeführt; 10 Schüler nutzten keine MRE, 10 nutzten MRE und 10 weitere nutzten MRE mit Feedback der Lehrkräfte. Damit sieht man die Vorteile von Mixed Reality im Bildungsbereich. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von MRE dazu beiträgt, das Wissen in ingenieurwissenschaftlichen Fächern zu verbessern. Die Schülerinnen und Schüler erhielten Qualifikationen mit Noten, die 10 % bis 20 % besser waren als diejenigen, die sie nicht nutzten. Die Ergebnisse zeigen vor allem, wie wichtig Feedback beim Einsatz von Virtual-Reality-Systemen ist.
Introduction
Technologie war im Bildungssektor schon immer präsent; Tiefgreifende Veränderungen haben sich bei den Geräten vollzogen, mit denen der Unterricht stattfindet. Der Präsenzunterricht bleibt jedoch die bevorzugte Option für Studierende und Lehrkräfte. Als die Pandemie kam, veränderte sie alle Sektoren, und das Bildungswesen war da keine Ausnahme. Im Jahr 2018, vor der Pandemie, gaben nur 35 % der Studierenden, die einen Abschluss gemacht haben, an, mindestens einen Kurs online besucht zu haben. Das heißt, 65 % der Studierenden haben ihr Studium in Präsenz1 abgeschlossen. Ab April 2020 war es allen öffentlichen und privaten Schulen per Regierungsverordnung (mexikanisch) untersagt, Präsenzunterricht zu erteilen; Aus diesem Grund mussten 100% der Schülerinnen und Schüler Fernunterricht nehmen. Die Universitäten waren die ersten, die handelten, indem sie Tools für Videoanrufe, die Vorbereitung von Kursen, die Verwaltung von Hausaufgaben usw. einsetzten. Das macht Sinn, denn Menschen im Universitätsalter (zwischen 18 und 25 Jahren) sind Menschen, die von Geburt an mit Technik in Berührung gekommen sind.
Einige Klassen können vollständig virtuell angepasst werden; Laborpraktiken sind jedoch komplex, um sie aus der Ferne durchzuführen, und die Studenten verfügen nicht über das notwendige Material, was oft teuer ist. Die Auswirkungen, die Online-Kurse auf die Qualität des Wissens haben, sind unklar, und einige Studien zeigen, dass Online-Kurse im Allgemeinen schlechtere Leistungen der Studierenden erbringen als Präsenzkurse2. Eines ist jedoch sicher: Wenn Sie keine Laborpraktiken durchführen, die den Studenten näher an das heranbringen, was sie in der Branche erleben werden, wird sich dies negativ auf ihre berufliche Leistung auswirken. Daher wird die Bedeutung von Erfahrungen im realen Maßstab in der aktuellen Lehre der Ingenieurwissenschaften notwendig 3,4,5. Aus diesen Gründen werden neue Technologien eingesetzt, um diese Probleme zu entschärfen. Dazu gehören Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR) und Mixed Reality (MR). Es ist wichtig zu erwähnen, dass VR eine Technologie ist, die es ermöglicht, eine vollständig immersive digitale Umgebung zu schaffen, während AR virtuelle Objekte in der realen Umgebung überlagert. Auf der anderen Seite verwendet MR nicht nur virtuelle Objekte, sondern verankert diese Objekte auch in der realen Welt und ermöglicht so die Interaktion mit ihnen. Somit ist MR eine Kombination aus VR und AR6. Auf der anderen Seite haben einige Organisationen auch Anstrengungen unternommen, um entfernte Laboratorien zu entwickeln, in denen echte Geräte vorhanden sind, die aber aus der Ferne gesteuert werden können7.
Der Begriff MR stammt aus dem Jahr 1994; In den letzten 5 Jahren hat es jedoch dank großer Unternehmen, die sich auf die Entwicklung von Umgebungen wie dem Metaverse6 konzentriert haben, eine besondere Bedeutung erlangt. MR kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden; Zwei der häufigsten sind Aus- und Weiterbildung. Die Ausbildung war einer der großen Treiber von MR; Es ist sehr teuer für ein Unternehmen, eine Produktionslinie anzuhalten, um neue Mitarbeiter zu schulen oder in gefährlichen Umgebungen, und es ist nicht einfach, Schulungen vor Ort durchzuführen. Die Bildung ist nicht weit dahinter; Obwohl sich der Präsenzunterricht kaum verändert hat, gibt es große Bemühungen, MR in die Klassen8 und 9 zu integrieren. Für die Ausbildung gibt es berufliche Laufbahnen, bei denen es notwendig ist, Laborpraktiken durchzuführen, um eine vollständige Ausbildung zu erhalten. Viele bestehende Studien und Forschungen finden in der Medizin statt, wobei VR, AR und MR eine Schlüsselrolle spielen. Mehrere Artikel zeigen, wie MR traditionelle Lehrmethoden in chirurgischen und medizinischen Fächern übertrifft, wo die Praxis ein klarer Vorteil für die Entwicklung von Studenten ist 10,11,12,13,14.
Es gibt jedoch nicht die gleiche Menge an Forschung zu technischen Fragen. Normalerweise hat ein Student in Ingenieursberufen Theorieunterricht, der durch Übungen ergänzt wird. Auf diese Weise gibt es Studien zu MR und VR, die den Nutzen in der Ingenieurpädagogik belegen12. Einige dieser Studien konzentrieren sich jedoch auf die Analyse der Komplexität des Umfelds und der verwendeten Werkzeuge 8,15. Tang et al. entwickelten eine Studie, in der Studenten aus verschiedenen Bereichen und mit unterschiedlichem Wissen MR nutzten, um ihr Verständnis von geometrischer Analyse und Kreativität zu verbessern16. In einem anschließenden Test beendeten Personen, die ihre Kurse mit MR absolvierten, schneller ab, was deutlich machte, dass MR das Lernen positiv beeinflusst16. Darüber hinaus zeigte Halabi den Einsatz von VR-Tools in der Ingenieurausbildung. Obwohl es sich nicht um MR handelt, zeigt es Werkzeuge, die für den Unterricht verwendet werden können. Anhand einer realen Fallstudie soll gezeigt werden, dass es möglich ist, VR in den Ingenieursklassen17 einzuführen.
Auf der anderen Seite sind Remote-Labore (RLs) technologische Werkzeuge, die aus Software und Hardware bestehen und es den Studenten ermöglichen, ihre Praktiken aus der Ferne durchzuführen, als ob sie sich in einem traditionellen Labor befänden. RLs werden in der Regel über das Internet abgerufen und kommen in der Regel zum Einsatz, wenn die Schüler das Gelernte selbstständig in die Praxis umsetzen müssen, so oft sie es benötigen18. Mit dem Aufkommen von COVID-19 wurde es jedoch verwendet, um traditionelle Labore zu ersetzen und Übungen während des Online-Unterrichts durchführen zu können18. Wie bereits erwähnt, benötigt ein RL einen physischen Raum (traditionelles Labor) und Elemente, die es ermöglichen, es aus der Ferne zu steuern. Mit dem Aufkommen von VR wurden Labore virtuell modelliert, und durch physische Mechanismen können die Elemente des Labors gesteuert werden19. Ein RL ist jedoch sehr teuer und behindert viele Schulen, insbesondere in Entwicklungsländern. Einige Studien erwähnen, dass die Kosten zwischen 50.000 und 100.000 US-Dollar liegen können20,21.
Darüber hinaus mussten seit Beginn der Pandemie schnell Änderungen vorgenommen werden. Im Falle der RLs wurde versucht, jedem Schüler Kits nach Hause zu schicken, um die traditionellen Laboratorien zu ersetzen. Es gab jedoch ein Kostenproblem, da Studien zeigten, dass jedes Kit etwa 700 US-Dollarkostete 18,22 US-Dollar. Dennoch wurden in den Studien teure und schwer zu beschaffende Komponenten verwendet. Die Pandemie wirkte sich weltweit auf das Bildungswesen aus, und nicht viele Menschen konnten Tausende von Dollar ausgeben, um ein Labor zu automatisieren oder ein Kit zu kaufen. Die meisten Studien berücksichtigen den Präsenzunterricht und ergänzen ihn mit MR. In den letzten Jahren fand der Unterricht jedoch aufgrund von COVID-19 online statt, und nur einige Werke zeigen die Verbesserung des virtuellen Unterrichts mit MR und erschwinglichen Geräten23,24.
Die Forschung, die es bisher gibt, konzentriert sich hauptsächlich auf die Medizin, mit wenigen Informationen über die Technik. Wir glauben jedoch, dass der größte Beitrag und Unterschied darin besteht, dass unser Experiment 6 Monate lang durchgeführt und mit Probanden mit den gleichen Merkmalen verglichen wurde, die keine virtuellen Modelle verwendeten, während die meisten früheren Arbeiten kurze Experimente durchführten, um einzelne Technologien oder Verfahren zu vergleichen; Sie haben sie über mehrere Monate hinweg nicht angewendet. Daher zeigt diese Arbeit den Unterschied im Lernen, der mit MR in einem Universitätsfach gemacht werden kann.
Aus diesem Grund zeigt diese Arbeit die Entwicklung und die Ergebnisse eines MR-Systems zur Durchführung von Laborpraktiken an Universitäten mit Schwerpunkt Elektrotechnik. Es ist wichtig zu erwähnen, dass besonderer Wert darauf gelegt wird, die Kosten für das Gerät niedrig zu halten und es der breiten Bevölkerung zugänglich zu machen. Drei Gruppen verwenden unterschiedliche Lehrmethoden, und es wird eine Prüfung zu den Unterrichtsthemen durchgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, Ergebnisse zum Verständnis der Themen im Fernunterricht mit MR zu erhalten.
Das in dieser Arbeit erläuterte Projekt heißt Mixed Reality for Education (MRE) und wird als Plattform vorgeschlagen, auf der Schülerinnen und Schüler VR-Brillen mit einem Smartphone verwenden (d.h. es werden keine speziellen VR-Brillen verwendet). Es wird ein Arbeitsbereich geschaffen, in dem die Schüler mit virtuellen Umgebungen und realen Objekten interagieren können, indem sie einfach ihre eigenen Hände benutzen, aufgrund der Verwendung von virtuellen und realen Objekten, einem Mixed-Reality-System. Dieser Arbeitsbereich besteht aus einer Basis mit einem Bild, in dem alle virtuellen Objekte angezeigt und mit ihnen interagiert wird. Die geschaffene Umgebung konzentriert sich auf die Durchführung von Laborübungen, um elektronische Komponenten und Physik für Ingenieurskarrieren zu zeigen. Es ist wichtig, die Notwendigkeit hervorzuheben, den Studierenden Feedback zu geben. Aus diesem Grund enthält MRE ein Feedback-System, bei dem ein Administrator (normalerweise der Lehrer) sehen kann, was getan wird, um die Aktivität zu bewerten. Auf diese Weise kann eine Rückmeldung über die geleistete Arbeit des Studierenden gegeben werden. Schließlich besteht der Umfang dieser Arbeit darin, zu prüfen, ob der Einsatz von MR im Online-Unterricht Vorteile bietet.
Um dies zu erreichen, wurde das Experiment mit drei Gruppen von Studierenden durchgeführt. Jede Gruppe bestand aus 10 Studierenden (insgesamt 30 Studierende). Die erste Gruppe nutzte keine MRE, sondern belegte nur Theorie (Online-Kurse) über das Impulserhaltungsprinzip und elektronische Komponenten. Die zweite Gruppe nutzte MRE ohne Feedback und die dritte Gruppe nutzte MRE mit Feedback eines Lehrers. Es ist wichtig zu erwähnen, dass alle Schüler das gleiche Schulniveau haben; Sie studieren im selben Semester und im gleichen Beruf Mechatronik. Das Experiment wurde in einem einzigen Kurs namens Einführung in die Physik und Elektronik im zweiten Semester des Studiums angewendet; Das heißt, die Studenten waren weniger als 1 Jahr an der Universität. Daher können die im Kurs behandelten Themen aus technischer Sicht als grundlegend angesehen werden. Das Experiment wurde an 30 Schülern durchgeführt, da dies die Anzahl der Schüler war, die sich in der Klasse einschrieben, in der das Experiment genehmigt wurde. Die ausgewählte Klasse (Einführung in die Physik und Elektronik) hatte Theorie und Laborpraxis, aber aufgrund der Pandemie wurde nur Theorieunterricht gegeben. Die Studierenden wurden in drei Gruppen eingeteilt, um zu sehen, welche Auswirkungen die Praktiken auf das allgemeine Lernen haben und ob MR-Kurse ein Ersatz für Präsenzübungen sein könnten.
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Protocol
Das Protokoll folgt den Richtlinien der Ethikkommission der Panamerikanischen Universität. Das Experiment wurde mit insgesamt 30 Schülern im Alter zwischen 18 und 20 Jahren durchgeführt; acht Studenten waren weiblich und 22 männlich, und sie alle besuchten die Panamerikanische Universität in Guadalajara, Mexiko (der zweitgrößten Stadt Mexikos). Alle Teilnehmer absolvierten den Einwilligungsprozess und gaben die schriftliche Zustimmung zur Aufnahme und Veröffentlichung von Fotos während der Datenerhebung. Die einzige Voraussetzung war, dass die Schüler ein Smartphone haben mussten, was kein Problem war. Daher gab es keine Ausschlusskriterien für das Experiment.
1. Einrichtung und Kalibrierung des VR-Systems
HINWEIS: Dieser Schritt dauert ~10 Minuten.
- Stellen Sie sicher, dass das System alle Komponenten enthält: ein Android-Telefon mit Betriebssystemversion 10 oder höher, eine VR-Box-Brille und einen Holzsockel mit einem Kalibrierungsbild (Abbildung 1) (siehe Materialtabelle).
- Öffnen Sie die MRE-Anwendung auf dem Mobiltelefon und laden Sie die Dienste Unity, AR Foundation, Google Cardboard und ManoMotion25,26,27,28. Die MRE-Anwendung wurde von uns selbst entwickelt; Es wurde für Android entwickelt und ist nicht öffentlich.
- Stecken Sie das Handy in die VR-Brille und setzen Sie die Brille auf.
- Lokalisieren Sie visuell die Mitte der Basis des MRE-Prototyps (das blaue Quadrat in Abbildung 1).
- Wenn die Simulation angezeigt wird, heben Sie eine ausgestreckte Hand, um sie in der Mitte der Ansicht zu platzieren.
HINWEIS: Von diesem Moment an können die Benutzer Handgesten ausführen, um mit der simulierten Umgebung zu interagieren.
2. Vorbereitung des Benutzers
HINWEIS: Dieser Schritt dauert ~5 Minuten.
- Öffnen Sie ohne VR-Brille die MRE-Anwendung, wie in Abbildung 2 dargestellt.
- Stellen Sie sicher, dass die Anwendung im Benutzermodus gestartet wird, damit Sie sich nur anmelden müssen.
- Wählen Sie das Szenario aus, das der Benutzer ausführen möchte. Es gibt zwei Szenarien: elektronische Bauteile und Physik.
- Drücken Sie die Wiedergabetaste; Der Benutzer hat 30 Sekunden Zeit, um die VR-Brille aufzusetzen.
3. Durchführung von Szenarien
HINWEIS: Dieser Schritt dauert ~15 Minuten.
- Szenario 1: Elektronische Bauteile
- Positionieren Sie die zu positionierenden Komponenten mithilfe der Farben Rot, Grün und Blau. Dadurch werden die sechs Interaktionszonen dieser Szene begrenzt: drei Zonen für die Aufnahme der virtuellen Elektronikkomponenten und drei Zonen für das Ablegen der Komponenten, wie in Abbildung 3 dargestellt.
- Nehmen Sie das Bauteil und positionieren Sie es an der richtigen Stelle. Der richtige Platz hängt vom Bauteil ab und davon, was in der Theorie zu sehen ist. Zum Beispiel wird in der Theorie erklärt, wie man einen Kühlkörper platziert, und in MRE wird diese Platzierung geübt.
- Fahren Sie fort, bis alle Komponenten an ihrem Platz sind.
- Szenario 2: Physik
- Suchen Sie die beiden Fahrzeuge, die an dem Szenario beteiligt sind (Abbildung 4).
- Wählen Sie die Geschwindigkeit jedes Fahrzeugs aus.
- Visualisieren Sie die Diagramme nach der Kollision.
4. Administrationsansicht
- Drücken Sie auf dem Hauptbildschirm auf MRE-Modi (siehe Abbildung 2) und wählen Sie die Administratoroption aus.
- Melden Sie sich an, um zu überprüfen, ob das Konto über die Zugriffsberechtigung als Administrator verfügt.
HINWEIS: Es ist möglich, die Liste der Teilnehmer und die in jedem Szenario erzielten Noten anzuzeigen.
5. Ergebnisse der Studierenden
- Melden Sie sich als Administrator an, klicken Sie auf den Namen des gewünschten Teilnehmers und sehen Sie sich die Tabelle mit den Informationen zu den Noten seiner Szenarien an.
- Klicken Sie auf den Namen eines Teilnehmers und wählen Sie Noten als CSV herunterladen aus. Dadurch werden alle Ergebnisse in einer durch Kommas getrennten Datei angezeigt.
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Representative Results
In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse des Experiments gezeigt. Zuerst werden einige Details erklärt, wie das Experiment durchgeführt wurde, dann werden die Tests gezeigt, die an den Studenten des Experiments durchgeführt wurden, und darüber hinaus werden die Ergebnisse der Tests vorgestellt. Abschließend wird eine Analyse anhand eines Schülers jeder Gruppe beschrieben.
Eines der größten Probleme, die die Pandemie für die Ingenieurausbildung mit sich brachte, war, dass es nicht möglich war, Laborpraktika von Angesicht zu Angesicht durchzuführen, was sich direkt auf das von den Studierenden erworbene Wissen auswirkt. Um zu analysieren, ob das in diesem Artikel entwickelte Projekt Wirkung zeigt, wurde ein Experiment mit drei Gruppen von Studierenden durchgeführt. Jede Gruppe bestand aus 10 Schülern; Die erste Gruppe nutzte keine MRE, sondern belegte nur Theorie (Online-Kurse) über das Prinzip der Impulserhaltung und elektronische Komponenten. Die zweite Gruppe nutzte MRE ohne Feedback, und schließlich nutzte die dritte Gruppe MRE mit Feedback eines Lehrers. Es ist wichtig zu erwähnen, dass alle Schüler das gleiche Schulniveau hatten. Sie waren alle Studenten im selben Semester und mit dem gleichen Beruf, dem Studium der Mechatronik. Sie alle waren Studenten an der Panamerikanischen Universität in Guadalajara, Mexiko (der zweitgrößten Stadt Mexikos). Das Experiment wurde in einem einzigen Kurs namens Einführung in die Physik und Elektronik im zweiten Semester des Studiums angewendet (d.h. es handelte sich um Studenten, die weniger als 1 Jahr an der Universität waren. Daher können die im Unterricht behandelten Themen aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht als grundlegend angesehen werden17.
Die Lehrveranstaltung (Einführung in die Physik und Elektronik), in der das Experiment durchgeführt wurde, wies folgende Merkmale auf: (1) Die Dauer der Lehrveranstaltung betrug ein Semester; (2) Es gab zwei Prüfungen während des gesamten Semesters (d. h. alle 10 Wochen wurde ein Test abgehalten), und jeder dieser Tests oder 10-Wochen-Zeitraum wird als "teilweise" bezeichnet; und (3) jede Woche hatte 6 Stunden Unterricht, aufgeteilt in 3 Tage à 2 Stunden pro Klasse. Unter der Woche wurden 4 Stunden Theorie und 2 Stunden Praxis vermittelt. Es ist sehr wichtig zu erwähnen, dass die oben genannten Merkmale das sind, was vor der Pandemie getan wurde; Während der Pandemie fand der Online-Unterricht statt. Daher konnten die 2 Stunden Übungen pro Woche nicht durchgeführt werden und wurden durch Beratung und Problemlösung ersetzt. Aus diesem Grund wurden in den Online-Kursen keine Übungen durchgeführt.
Unser Experiment versuchte, das, was in der Klasse etabliert war, so wenig wie möglich zu verändern; Das MRE-System wurde während der Praxisstunden (2 h pro Woche) eingeführt, und die Studenten, die das System nicht nutzten, fuhren mit Beratung und Problemlösung fort. Die 4 Stunden Theorie wurden durch unser Experiment überhaupt nicht verändert. In ähnlicher Weise nutzten die Studenten, die MRE verwendeten, eine der Übungsklassen, um die Funktionsweise des Systems zu erklären. Darüber hinaus verfügt MRE über zwei Umgebungen, eine für elektronische Komponenten und eine für physikalische Konzepte. Das Experiment wurde in einem Teilteil (10 Wochen) durchgeführt, der physikalische Übungen und Übungen für elektronische Komponenten umfasste. In diesem Zeitraum wurden sechs Übungen in MRE durchgeführt (drei Praktika in Physik und drei in elektronischen Bauteilen). Schließlich gab es zwei Gruppen, die MRE verwendeten; Der eine hatte kein Feedback vom Lehrer und der andere schon. Diejenigen, die kein Feedback hatten, erhielten ein Skript der durchzuführenden Übung, und am Ende vergab der Lehrer eine Note von 0 bis 10 im MRE-System, aber es wurde keine weitere Erklärung gegeben. Auf der anderen Seite, in der Gruppe, die Feedback hatte, wurden sie von der Lehrerin während der Praxis angeleitet. Der Lehrer konnte die Simulation gleichzeitig mit den Schülern beobachten, da das System keinen Ton enthält und ihre Ohren unbedeckt sind, so dass der Lehrer den Schüler anleitete, indem er während der Simulation mit ihm sprach und seine Fehler und die Gründe für diese Fehler angab.
Es ist wichtig zu erwähnen, dass der Test für dieses Experiment nicht bearbeitet wurde. Mit anderen Worten, der Test wäre für die Studierenden derselbe gewesen, wenn das aktuelle Experiment nicht durchgeführt worden wäre. Der Test bestand aus 14 Fragen, die in der Reihenfolge ihrer Vorlage in der Ergänzungsdatei 1 aufgeführt waren.
Jede Frage im Test hatte die gleiche Gewichtung in der Note, jedoch konnte der Lehrer jeder Frage basierend auf der Antwort des Schülers Bruchteile von Punkten zuweisen. Dies lag im Ermessen des Lehrers. Tabelle 1 zeigt die Noten der einzelnen Schüler, wobei 0 die schlechteste und 10 die beste Note ist. Am Ende wird der Durchschnitt jeder Gruppe angezeigt.
Auf der anderen Seite zeigt Abbildung 5 grafisch die Ergebnisse der einzelnen Schüler, getrennt nach Gruppen. Auf diese Weise ist es einfacher, die Ergebnisse des Experiments zu visualisieren. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse jeder Frage, wobei ein Schüler aus jeder Gruppe ausgewählt wurde.
Abbildung 1: MRE-Hauptmaterialien. Das MRE-System besteht aus einem einfachen 8 x 8 Zoll großen quadratischen Stück Holz, auf das ein Basisbild geklebt wird. Das Bild besteht aus einem zentralen Logo, das 3 Zoll x 3 Zoll groß ist. Der Rest des Raums besteht aus zufällig platzierten 1 in x 1 in Symbolen mit dunkelblauen Farben auf hellblauem Hintergrund. Zusätzlich werden eine VR-Box und ein Android-Handy in die Box eingelegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: MRE-Anwendung. (A) Die Schaltfläche zur Auswahl zwischen Benutzer und Administrator; Er wird standardmäßig als Benutzer gestartet. (B) Möglichkeit zur Registrierung/Anmeldung. (C) Schaltfläche, um mit der Konfiguration des Szenarios fortzufahren. (D) Kehren Sie zum vorherigen Bildschirm zurück. (F) Derzeitige Qualifikation; Wenn es das erste Mal ist, dass es "gespielt" wird, wird es bei 0 angezeigt. (G) Beginnen Sie mit dem ausgewählten Szenario. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Szenario für elektronische Komponenten. Die Farben begrenzen die sechs Interaktionszonen dieser Szene: drei Zonen zum Aufnehmen der Komponenten und drei Zonen zum Ablegen der Komponenten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Physikalisches Szenario. Es entstehen zwei Wagen, die sich gegenüberstehen, zusätzlich zu einem kugelförmigen Startknopf (grüne Farbe) und einem kubischen (hellblaue Farbe), um die Kraft zu modulieren, mit der der zweite Wagen gedrückt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Punktzahl jedes Schülers und Standardabweichung getrennt nach Gruppen. Noten pro Schüler und verwendeter Technologie; Die Standardabweichung jeder Gruppe wird daneben angezeigt. Es gibt insgesamt 30 Schüler, 10 für jeden Lernansatz, und jedem Schüler in jeder Gruppe wurde eine Zahl von 1 bis 10 zugewiesen. Es ist wichtig, die typische Abweichung zu erwähnen, bei der deutlich zu sehen ist, dass die Werte ohne den Einsatz von MRE viel breiter gestreut sind. Dies mag logisch sein, da diese Schüler nur Online-Unterricht erhielten, so dass die Aufmerksamkeit, die jeder Schüler ihm schenkte, sehr unterschiedlich ist, was sich in den erzielten Ergebnissen widerspiegelt. Auf der anderen Seite gibt es viel weniger Streuung, wenn MRE verwendet wird. Wenn Feedback zur MR-Technologie hinzugefügt wird, gibt es außerdem eine geringere Streuung, was auf ein besseres Verständnis aller Schüler hindeutet, nicht nur einiger Schüler. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Tabelle 1: Ergebnisse des Wissenstests für die drei Gruppen. Diese Tabelle zeigt alle Ergebnisse der von den Studierenden abgelegten Prüfungen. Es gibt insgesamt 30 Schüler, 10 für jeden Lernansatz, und jedem Schüler in jeder Gruppe wurde eine Zahl von 1 bis 10 zugewiesen. Es ist deutlich zu erkennen, dass der beste Durchschnitt erzielt wurde, wenn MRE verwendet wurde und es eine Rückmeldung des Lehrers gab. Auch wenn es keine Rückmeldung gab, ist es generell immer noch eine bessere Option, MRE für ein besseres Verständnis der Themen zu nutzen. Bei der Verwendung von MRE gab es bei keinem der Studenten eine Punktzahl von weniger als 7,5; Daraus lässt sich ableiten, dass es generell ein besseres Verständnis für die Themen gab. Schließlich gab es mit Hilfe von MRE und mit Rückmeldung des Lehrers keine Werte unter 8,0, und die höchsten Werte der 30 Schüler wurden ebenfalls gesehen, 9,3 und 9,5. Daher kann man deutlich sehen, welche Vorteile die Studierenden beim Verständnis von Themen beim Einsatz von MRE haben, aber vor allem, wenn Feedback zur Arbeit in den Praxen gegeben wird. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 2: Ergebnisse pro Frage mit einem Studenten aus jeder Gruppe. Noten für die Antworten eines Schülers jeder Gruppe. Es wurden Schülerinnen und Schüler ausgewählt, deren Note nahe am Gruppendurchschnitt lag. Der Lehrer könnte Punkte für teilweise richtige Antworten vergeben. Die Studenten, die MRE verwendeten, erzielten bessere Ergebnisse bei den Fragen zu elektronischen Komponenten, was darauf hindeutet, dass die Kenntnis der Komponenten in ihren tatsächlichen Abmessungen und Formen (mit MRE) dazu beitrug, das theoretische Wissen zu verbessern. Die Schüler, die MRE mit Feedback nutzten, konnten nicht nur die Komponenten so beobachten, wie sie in der Realität zu sehen wären, sondern erhielten auch Hilfe vom Lehrer in den Übungen der Physik und der elektronischen Komponenten. Daher kann man sagen, dass sie neben dem Üben auch Beratungsstunden hatten, was sich deutlich in den Ergebnissen widerspiegelt. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Ergänzungsdatei 1: Fragen an die Studierenden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Das MRE-System ermöglicht es den Schülern, sich in verschiedenen Szenarien mit elektronischen Bauteilen oder physikalischen Themen vertraut zu machen. Ein wichtiger Punkt ist die Möglichkeit des Feedbacks durch die Lehrkraft. Auf diese Weise können die Schüler wissen, was sie falsch gemacht haben und warum. Mit der Entwicklung des MRE-Systems wurde ein Experiment mit 30 Schülern durchgeführt, bei dem 10 Schüler keine MRE verwendeten, 10 MRE nutzten und schließlich weitere 10 MRE nutzten und Feedback von der Lehrkraft erhielten. Am Ende des Unterrichts wurde allen Schülerinnen und Schülern ein Allgemeinwissenstest durchgeführt. Der Test wurde für das Experiment nicht modifiziert (d.h. der gleiche Test wird angewendet, wenn es sich um reine Theoriekurse handelt oder wenn Laborübungen durchgeführt werden). Die Übungen sind nur eine Ergänzung, um die Theorie besser zu verstehen und somit ein besseres allgemeines Verständnis des Themas zu haben. Der Test besteht aus schriftlichen Antworten mit Berechnungen, und der Lehrer kann mit halben Punkten bewerten, falls die Antwort teilweise richtig ist.
Dank des Einsatzes von MRE erhielten die Schüler einen besseren allgemeinen Durchschnitt, den besten Durchschnitt, der bei einer Rückmeldung des Lehrers zu sehen war. Ebenso ist ein wichtiger Punkt die Standardabweichung. Das Ziel eines Kurses ist es, dass die Mehrheit der Schüler, oder im Idealfall alle, die größte Menge an Wissen erhalten. Durch den Einsatz von MRE ist eine geringere Streuung der Scores zu beobachten, was beweist, dass das Wissen über die Themen von einer größeren Anzahl von Studierenden verstanden wurde.
Wenn man die Ergebnisse jeder Frage im Detail betrachtet, hat MRE einen geringeren Effekt, wenn sich die Fragen auf Probleme konzentrieren, die zu 100 % aus der Theorie heraus analysiert werden können. Bei technischen Themen ist es jedoch wichtig, sowohl die Ausrüstung als auch die Komponenten zu kennen, daher hatte MRE einen positiven Einfluss, und die Studenten, die MRE verwendeten, reagierten besser auf die Fragen, die diese Themen behandelten. Darüber hinaus ist MRE bei theoretischen Fragestellungen (z.B. Physik) hilfreich, wenn man Feedback von der Lehrkraft hat, da die Lehrkraft diese Fragen durch eine virtuelle Umgebung klären kann. Das Feedback von Lehrkräften ist nichts Neues. Es findet im Präsenzunterricht statt, daher ist klar, dass dieses Feedback auch in virtuellen Umgebungen genauso wichtig ist.
Das MRE-System hilft Ingenieurstudenten, Laborübungen aus der Ferne durchzuführen. Die Welt hat sich verändert, und obwohl sie derzeit zum Präsenzunterricht zurückkehrt, eröffnen jeden Tag mehr Schulen 100 % Online-Kurse29. Um diesen Veränderungen gerecht zu werden, wurden Anwendungen mit neuen Technologien erstellt. Eine solche Technologie ist die MR, bei der es möglich ist, Lernumgebungen zu visualisieren, um das Lernen zu verbessern. Die meisten dieser Anwendungen werden jedoch in medizinischen Umgebungen eingesetzt, nur wenige im Ingenieurwesen 9,12. Auf der anderen Seite wurden RLs als die Lösung für Fernunterricht gepriesen, aber es ist notwendig, einen physischen Raum zu haben, und die Komponenten sind sehr teuer. Daher sind die Investitionen für ein RL sehr hoch, und sie sind für viele Schulen in Lateinamerika nicht als Möglichkeit enthalten19,20.
In ähnlicher Weise wurde in anderen Arbeiten diskutiert, wie virtuelle und Remote-Labore im Fernunterricht helfen können. Sie sind sich zum Beispiel einig, dass die Kosten niedriger sind als bei der Einrichtung eines herkömmlichen Labors. Vergara et al. analysierten Daten von mehr als 400 Studenten, die nach ihren Erfahrungen mit dem Einsatz von VR und MR in Laboren fragten. 89 % der Schüler gaben an, dass sie geeignet sind, die Erklärung eines Lehrers zu ergänzen, aber nur 11 % sagten, dass die Verwendung allein ausreichend ist. Diese Technologie allein reicht aus, um das Thema zu verstehen, obwohl die Arbeit keine Analyse der Auswirkungen durchführt, die der Einsatz dieser Technologie auf das Verständnis des Themas hat, die über die Frage nach den Gefühlen des Schülers hinausgehen30. Darüber hinaus analysierten Wu et al. mehrere Arbeiten, in denen VR mit Head-Mounted Displays (HMDs; wie wir es in dieser Arbeit verwenden) erwähnt wird. Sie kommen zu dem Schluss, dass HMD-basiertes immersives Lernen einen besseren Effekt auf die Lernleistung hat als nicht-immersive Lernansätze31. Trotzdem zeigen Wu et al. auch nicht, wie sehr sich das Verständnis des Themas durch VR oder MR verbessern lässt; Sie erwähnen lediglich, dass es ein besseres Lernen gibt, insbesondere in naturwissenschaftlichen Fächern, wie es in diesem Artikel der Fall ist.
Auf der anderen Seite experimentierten Makarova et al., um die Wirkung von VR in der Lehre von Automobildienstleistungen zu finden. Obwohl die Anzahl der erwähnten Schüler 344 beträgt, kommen diese Schüler aus verschiedenen Jahrgangsstufen, so dass sie über unterschiedliche Kenntnisse und Fähigkeiten verfügen. Die Studenten in ihrer Studie sind zwischen 19 und 30 Jahre alt, im Gegensatz zu dem, was hier vorgestellt wird, wo alle Studenten das gleiche Studienniveau haben und zwischen 18 und 20 Jahre alt sind. Auf der anderen Seite analysierten Makarova et al. Studenten, die physische und virtuelle Geräte verwendeten, wobei 35 Studenten virtuelle Geräte verwendeten (eine Anzahl von Studenten, die sich nicht sehr von unserem Experiment unterschieden). Sie kommen zu dem Schluss, dass VR- und MR-Technologien viel effektiver sind als herkömmliche Methoden und das Interesse der Schüler am Lernen steigern32. Darüber hinaus wird in anderen Arbeiten erwähnt, dass der Einsatz virtueller Systeme den Unterricht in Naturwissenschaften und Sprachen unterstützt und sogar die Benutzerfreundlichkeit verschiedener Ansätze und Ergonomie analysiert, was außerhalb des Rahmens dieser Arbeit liegt33,34.
Andere Arbeiten, wie z.B. Loetscher et al., analysierten das richtige VR-Tool, das je nach Testtyp verwendet werden sollte, insbesondere für Verhaltenstests, bei denen die Antwortzeit oft entscheidend für die Datenanalyse ist. Sie erwähnen, dass VR-Systeme auf Mobiltelefonen eine geringe Reaktionszeit haben35, obwohl für das in dieser Studie gezeigte Experiment die Reaktionszeit keinen Einfluss auf die Prüfung hat, die auf die Studenten angewendet wird. Darüber hinaus ist es notwendig, die Kosten für die Einrichtung eines Labors mit Spezialgeräten gegen die Zeit der gewünschten Reaktion zu analysieren, um die Machbarkeit zu erhalten. Es ist klar, dass einige Experimente entscheidend sein werden, um die Einschränkungen der Hardware zu verringern, aber das ist bei dieser Arbeit nicht der Fall.
Daher sind wir der festen Überzeugung, dass diese Arbeit die bisher durchgeführten Studien ergänzt. Viele Arbeiten haben gezeigt, dass der Einsatz virtueller Technologien beim Lernen und Interesse hilft, aber sie haben nicht versucht, die tatsächlichen Auswirkungen zu demonstrieren, die sie auf das Lernen haben können. Obwohl die Anzahl der im Experiment verwendeten Studenten gering ist, stellten wir sicher, dass alle den gleichen Wissensstand und die gleichen Fähigkeiten hatten (so weit wie möglich) und dass allen das gleiche Thema beigebracht wurde, wobei wir versuchten, alle externen Komponenten zu eliminieren, die die Ergebnisse hätten beeinflussen können. Die angewandte Prüfung war die gleiche, die es ermöglichte, (in einer kleinen Stichprobe) die Verbesserung zu quantifizieren, die die Schüler durch den Einsatz virtueller Technologien zur Ergänzung der im Unterricht gesehenen Theorie haben.
Dank MRE ist es möglich, Laborpraktiken für das Ingenieurwesen zu geringen Kosten und mit minimalen Investitionen für Schulen durchzuführen. Man braucht nur ein Android-Handy von 2019 oder später und einen Holzsockel für die Kalibrierung, was es für Schulen in Entwicklungsländern viel zugänglicher macht. Es ist erwähnenswert, dass es notwendig ist, eine Reihe von Schritten zu befolgen, um das MRE-System zu verwenden. Der entscheidende Schritt für den korrekten Betrieb des Systems ist zweifelsohne die Konfiguration und Kalibrierung des VR-Systems (Schritt 1). Da MRE die Hände als Applikationswerkzeuge verwendet, würde ein Fehler in der Kalibrierung verhindern, dass mit der Ausführung der Szenarien fortgefahren werden kann. Darüber hinaus ist es wichtig, die Basis mit dem Bild für die Kalibrierung zu verwenden. Das Bild wird verwendet, um die Umgebung zu dimensionieren und die Hand im Raum zu erkennen.
Daher ist klar, dass eine Einschränkung des vorgestellten Projekts darin besteht, eine Basis mit dem Bild für die Kalibrierung zu haben. Für das vorgestellte Experiment war es notwendig, für jeden Schüler eine Basis herzustellen. Obwohl es nach der Kalibrierung recht einfach war, die Szenarien zu reproduzieren und zu spielen, ist es erwähnenswert, dass es komplex ist, neue Szenarien zu erstellen. Daher ist für jede Praxis, die entwickelt werden soll, eine lange Entwicklungszeit erforderlich.
Ein Unterscheidungsmerkmal bei RLs oder anderen MR-Technologien sind jedoch die geringen Kosten für die benötigte Ausrüstung und das benötigte Material. Jedes Android-Telefon kann als Werkzeug zur Durchführung der Übungen verwendet werden, obwohl eine Einschränkung darin besteht, das Kalibrierungsbild zu erhalten. Dennoch kann es auf traditionelle Weise gedruckt werden und es ist keine spezielle Ausrüstung erforderlich. Daher ist der Zugriff auf die bereits entwickelten Szenarien mit geringen Kosten verbunden. Durch den Einsatz einer solchen zugänglichen Technologie kann MRE auch in anderen Bereichen eingesetzt werden, nicht nur in Laborpraxen. Vor allem bei der Ausbildung von Personal für Unternehmen, wenn ein neuer Mitarbeiter eintritt, ist es oft notwendig, die Produktion zu stoppen oder zu reduzieren, um den Umgang mit Maschinen zu erlernen. Daher kann MRE an die Entwicklung von Produktionslinienumgebungen angepasst werden.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel berichtete Arbeit beeinflusst haben.
Acknowledgments
Diese Studie wurde vom Campus der Panamerikanischen Universität Guadalajara gesponsert. Wir danken den Studierenden der Mechatronik für ihren Beitrag zum Experiment.
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) |
References
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