Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Внедрение смешанной реальности для образования (MRE) и результаты в онлайн-классах по инженерным специальностям

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

Summary

В этой работе была разработана система смешанной реальности под названием MRE, которая помогает студентам разрабатывать лабораторные практики, дополняющие онлайн-занятия. Был проведен эксперимент с участием 30 студентов; 10 учащихся не использовали MRE, 10 использовали MRE и еще 10 использовали MRE с учетом отзывов учителей.

Abstract

Пандемия COVID-19 изменила многие отрасли, расширив возможности некоторых секторов и вызвав исчезновение многих других. Сектор образования не свободен от серьезных изменений; В некоторых странах или городах занятия проводились на 100% онлайн в течение как минимум 1 года. Тем не менее, некоторые университеты нуждаются в лабораторных практиках в дополнение к обучению, особенно в инженерных областях, и наличие только теоретических онлайн-уроков может повлиять на их знания. По этой причине в данной работе была разработана система смешанной реальности под названием Mixed reality for Education (MRE), чтобы помочь студентам разработать лабораторные практики в дополнение к онлайн-занятиям. Был проведен эксперимент с участием 30 студентов; 10 учащихся не использовали MRE, 10 использовали MRE и еще 10 использовали MRE с учетом отзывов учителей. Таким образом, можно увидеть преимущества смешанной реальности в сфере образования. Результаты показывают, что использование MRE способствует улучшению знаний по инженерным предметам; Студенты получили квалификацию с оценками на 10-20% лучше, чем те, кто ее не использовал. Прежде всего, результаты показывают важность обратной связи при использовании систем виртуальной реальности.

Introduction

Технологии всегда присутствовали в сфере образования; Глубокие изменения произошли в устройствах, используемых для проведения занятий. Тем не менее, очные занятия остаются предпочтительным вариантом для студентов и преподавателей. Когда пришла пандемия, она изменила все отрасли, и образование не стало исключением. В 2018 году, до пандемии, только 35% студентов, получивших степень, сообщили, что прошли хотя бы одно занятие онлайн; То есть 65% студентов завершили обучение очно1. По состоянию на апрель 2020 года постановлением правительства (Мексики) всем государственным и частным школам было запрещено проводить очные занятия; По этой причине 100% студентов были вынуждены посещать дистанционные занятия. Первыми начали действовать университеты, использующие инструменты для видеозвонков, подготовки занятий, управления домашними заданиями и т.д. Это логично, так как люди студенческого возраста (от 18 до 25 лет) – это люди, которые контактируют с технологиями с рождения.

Некоторые занятия могут быть полностью адаптированы виртуально; Однако лабораторные практики сложно проводить дистанционно, а у студентов нет необходимого материала, который зачастую стоит дорого. Влияние онлайн-занятий на качество знаний неясно, и некоторые исследования показывают, что онлайн-курсы, как правило, дают худшую успеваемость студентов, чем очные курсовые работы. Но одно можно сказать наверняка: отсутствие лабораторных практик, которые приближают студентов к тому, что они испытают в отрасли, негативно скажется на их профессиональной деятельности. Таким образом, важность реального опыта становится необходимой в современном преподавании инженерии 3,4,5. По этим причинам для смягчения этих проблем используются новые технологии. Среди них виртуальная реальность (VR), дополненная реальность (AR) и смешанная реальность (MR). Важно отметить, что VR — это технология, которая позволяет создать полностью иммерсивную цифровую среду, в то время как AR накладывает виртуальные объекты на реальную среду. С другой стороны, MR не просто использует виртуальные объекты, но и привязывает эти объекты к реальному миру, делая возможным взаимодействие с ними. Таким образом, MR представляет собой комбинацию VR и AR6. С другой стороны, некоторые организации также предприняли усилия по созданию дистанционных лабораторий, в которых существует реальное оборудование, которым можно управлять дистанционно7.

Термин MR появился в 1994 году; однако в последние 5 лет он приобрел особое значение благодаря крупным компаниям, которые сосредоточили свои усилия на разработке сред, таких как Метавселенная6. МРТ может применяться в различных областях; Два наиболее распространенных – это обучение и образование. Обучение является одним из главных факторов развития МРТ; Для компании очень дорого останавливать производственную линию для обучения новых сотрудников или в опасных условиях, а проводить обучение в полевых условиях непросто. Образование не отстает; Несмотря на то, что очные занятия изменились очень мало, прилагаются большие усилия для включения МРТ в классы 8,9. Для получения образования существуют профессиональные карьеры, где необходимо проводить лабораторные практики, чтобы иметь полную подготовку. Многие существующие исследования и исследования относятся к медицине, в которой ключевую роль играют VR, AR и MR. Многочисленные работы показывают, как МРТ превосходит традиционные методы преподавания хирургических и медицинских дисциплин, где практика является явным преимуществом для развития студентов 10,11,12,13,14.

Тем не менее, нет такого количества исследований по инженерным вопросам. Как правило, в инженерной карьере у студента есть теоретические занятия, дополненные практикой. Таким образом, существуют исследования по МРТ и виртуальной реальности, показывающие преимущества инженерной педагогики12. Тем не менее, некоторые из этих исследований сосредоточены на анализе сложности среды и используемых инструментов 8,15. Tang et al. разработали исследование, в котором студенты из разных областей и с разными знаниями использовали МРТ для улучшения своего понимания геометрического анализа и творчества16. В последующем тесте люди, которые проходили занятия с использованием MR, закончили быстрее, что дало понять, что MR положительно влияет на обучение16. Кроме того, Халаби показал применение VR-инструментов в инженерном образовании. Несмотря на то, что это не MR, он показывает инструменты, которые можно использовать для обучения. Это реальный кейс, показывающий, что VR можно внедрить винженерных классах 17.

С другой стороны, дистанционные лаборатории (ЛЛ) — это технологические инструменты, состоящие из программного и аппаратного обеспечения, которые позволяют студентам удаленно проводить свою практику, как если бы они находились в традиционной лаборатории. Доступ к РЛ, как правило, осуществляется через Интернет и обычно используется, когда от студентов требуется автономное применение на практике того, что они узнали, столько раз, сколько им требуется18. Однако с приходом COVID-19 он стал использоваться для замены традиционных лабораторий и для того, чтобы иметь возможность проводить практику во время онлайн-занятий18. Как упоминалось выше, РЛ нуждается в физическом пространстве (традиционной лаборатории) и элементах, позволяющих управлять им удаленно. С появлением виртуальной реальности лаборатории стали моделироваться виртуально, и с помощью физических механизмов элементами лаборатории можно управлять19. Тем не менее, наличие RL обходится очень дорого, что затрудняет работу многих школ, особенно в развивающихся странах. В некоторых исследованиях упоминается, что затраты могут варьироваться от 50 000 до 100 000 долларов США.

Более того, с начала пандемии изменения пришлось вносить быстро; В случае с РЛ были предприняты попытки разослать комплекты на дом каждому учащемуся для замены традиционных лабораторий. Тем не менее, существовала проблема стоимости, так как исследования показали, что каждый комплект стоил около 700 долларов18,22. Тем не менее, в исследованиях использовались дорогостоящие и труднодоступные компоненты. Пандемия повлияла на образование во всем мире, и не многие люди могли потратить тысячи долларов на автоматизацию лаборатории или покупку набора. Большинство исследований рассматривают очные занятия и дополняют их МРТ. Однако в последние годы из-за COVID-19 занятия проходят онлайн, и только некоторые работы показывают улучшение виртуальных классов с использованием МРТ и доступных устройств23,24.

Исследования, которые существуют до сих пор, в основном сосредоточены на медицине, и мало информации об инженерии. Однако, без сомнения, мы считаем, что наибольший вклад и отличие заключается в том, что наш эксперимент проводился в течение 6 месяцев и сравнивался с испытуемыми с теми же характеристиками, которые не использовали виртуальные модели, в то время как большинство предыдущих работ проводили короткие эксперименты для сравнения отдельных технологий или процедур; Они не применяли их в течение нескольких месяцев. Таким образом, в данной статье показана разница в обучении, которую можно сделать с помощью МРТ в вузовском предмете.

По этой причине в данной работе показана разработка и результаты МР-системы для проведения лабораторных практик в университетах, ориентированных на электронную инженерию. Важно отметить, что особый акцент сделан на том, чтобы сохранить низкую стоимость устройства, сделав его доступным для широких слоев населения. В трех группах используются разные методики обучения, проводится экзамен по темам занятий. Таким образом, можно получить результаты по пониманию тем в дистанционном образовании с помощью МР.

Проект, описанный в этой работе, называется «Смешанная реальность для образования» (MRE) и предлагается в качестве платформы, где учащиеся используют VR-очки со смартфоном (т.е. не используются специальные VR-очки). Создается рабочее пространство, где учащиеся могут взаимодействовать с виртуальными средами и реальными объектами просто своими руками, за счет использования виртуальных и реальных объектов, системы смешанной реальности. Это рабочее пространство состоит из базы с изображением, где отображаются все виртуальные объекты и с которыми осуществляется взаимодействие. Созданная среда ориентирована на проведение лабораторных практик для демонстрации электронных компонентов и физики для инженерной карьеры. Важно подчеркнуть необходимость обеспечения обратной связи со студентами. По этой причине MRE включает в себя систему обратной связи, с помощью которой администратор (обычно учитель) может видеть, что делается для оценки деятельности. Таким образом, можно дать обратную связь о работе, проделанной студентом. Наконец, цель этой работы — проверить, есть ли преимущества в использовании MR на онлайн-занятиях.

Для этого эксперимент был проведен с тремя группами студентов. Каждая группа состояла из 10 студентов (всего 30 студентов). Первая группа не использовала MRE, а только теорию (онлайн-занятия) по принципу сохранения импульса и электронные компоненты. Вторая группа использовала MRE без обратной связи, а третья группа использовала MRE с обратной связью от учителя. Важно отметить, что все ученики имеют одинаковый школьный уровень; Они являются студентами университета в одном семестре и с одинаковой профессией, изучающими мехатронную инженерию. Эксперимент был применен в одном курсе под названием «Введение в физику и электронику» во втором семестре обучения; То есть студенты проучились в университете менее 1 года. Поэтому темы, рассматриваемые на занятии, можно считать базовыми с инженерной точки зрения. Эксперимент проводился на 30 студентах, так как именно столько учеников было зачислено в класс, где эксперимент был разрешен. В выбранном классе («Введение в физику и электронику») были теоретические и лабораторные практики, но из-за пандемии преподавались только теоретические занятия. Студенты были разделены на три группы, чтобы увидеть, какое влияние практики оказывают на общее обучение, и могут ли занятия MR заменить очные практики.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Протокол соответствует руководящим принципам комитета по этике Панамериканского университета. В эксперименте приняли участие 30 студентов в возрасте от 18 до 20 лет; восемь студентов были женщинами и 22 мужчинами, и все они учились в Панамериканском университете в Гвадалахаре, Мексика (второй по величине город в Мексике). Все участники заполнили процедуру информированного согласия и предоставили письменное разрешение на фотосъемку и публикацию во время сбора данных. Единственное требование заключалось в том, что у студентов должен был быть смартфон, что не было проблемой. Таким образом, критериев исключения для эксперимента не существовало.

1. Настройка и калибровка VR-системы

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг занимает ~10 минут.

  1. Убедитесь, что система включает в себя все компоненты: телефон Android с операционной системой версии 10 или выше, очки VR-бокса и деревянную основу с калибровочным изображением (рис. 1) (см. таблицу материалов).
  2. Откройте приложение MRE на мобильном телефоне и загрузите сервисы Unity, AR Foundation, Google Cardboard и ManoMotion25,26,27,28. Приложение MRE было разработано нами самими; он был разработан для Android и не является публичным.
  3. Вставьте мобильный телефон в VR-очки и наденьте очки.
  4. Визуально найдите центр основания прототипа MRE (синий квадрат на рисунке 1).
  5. Когда появится симуляция, поднимите вытянутую руку, чтобы поместить ее в центр вида.
    ПРИМЕЧАНИЕ: С этого момента пользователи могут делать жесты руками для взаимодействия с моделируемой средой.

2. Подготовка пользователя

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг занимает ~5 минут.

  1. Без очков виртуальной реальности откройте приложение MRE, как показано на рисунке 2.
  2. Убедитесь, что приложение запускается в пользовательском режиме, поэтому необходимо только войти в систему.
  3. Выберите сценарий, который пользователь хочет выполнить. Есть два сценария: электронные компоненты и физика.
  4. Нажмите кнопку воспроизведения; у пользователя будет 30 секунд, чтобы надеть VR-очки.

3. Выполнение сценариев

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг занимает ~15 минут.

  1. Сценарий 1: электронные компоненты
    1. Найдите области для размещения компонентов с помощью красного, зеленого и синего цветов. Это разграничивает шесть зон взаимодействия в этой сцене: три зоны для размещения компонентов виртуальной электроники и три зоны для отбрасывания компонентов, как показано на рисунке 3.
    2. Возьмите компонент и расположите его в нужном месте. Правильное место зависит от компонента и того, что видно в теории; Например, в теории объясняется, как разместить радиатор, а в MRE это размещение практикуется.
    3. Продолжайте до тех пор, пока все компоненты не будут на месте.
  2. Сценарий 2: физика
    1. Найдите два автомобиля, участвующих в сценарии (рис. 4).
    2. Выберите скорость каждого автомобиля.
    3. Визуализируйте графики после столкновения.

4. Представление администратора

  1. На главном экране нажмите MRE modes (см. рис. 2) и выберите опцию администратора.
  2. Войдите в систему, чтобы проверить, есть ли у учетной записи разрешение на доступ в качестве администратора.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Появляется возможность просматривать список учащихся и оценки, полученные в каждом сценарии.

5. Результаты учащихся

  1. Войдя в систему как администратор, нажмите на имя нужного ученика и просмотрите таблицу с информацией об оценках его сценариев.
  2. Нажмите на имя учащегося и выберите Скачать оценки в формате CSV. При этом все результаты будут отображаться в файле, разделенном запятыми.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

В этом разделе приведены результаты, полученные в ходе эксперимента. Сначала объясняются некоторые подробности того, как проводился эксперимент, затем показываются тесты, проведенные на учащихся эксперимента, и, кроме того, представляются результаты испытаний. Наконец, описывается анализ с использованием одного студента из каждой группы.

Одна из самых больших проблем, которую пандемия принесла в инженерное образование, заключалась в том, что не было возможности проводить очные лабораторные практики, что напрямую сказывается на знаниях, получаемых студентами. Чтобы проанализировать, оказывает ли влияние разработанный в данной статье проект, был проведен эксперимент с тремя группами студентов. Каждая группа состояла из 10 студентов; Первая группа не использовала MRE, а только теорию (онлайн-занятия) по принципу сохранения импульса и электронные компоненты. Вторая группа использовала MRE без обратной связи, и, наконец, третья группа использовала MRE с обратной связью от учителя. Важно отметить, что все ученики имели одинаковый школьный уровень. Все они были студентами университета в одном семестре и с одинаковой карьерой, изучая мехатронную инженерию. Все они были студентами Панамериканского университета в Гвадалахаре, Мексика (второй по величине город Мексики). Эксперимент был применен в одном курсе под названием «Введение в физику и электронику» во втором семестре обучения (т.е. это были студенты, которые проучились в университете менее 1 года). Таким образом, темы, рассматриваемые на занятиях, можно считать базовыми с инженерной точки зрения17.

Курс «Введение в физику и электронику», в рамках которого проводился эксперимент, имел следующие характеристики: (1) продолжительность курса составляла один семестр; (2) в течение семестра было два экзамена (т.е. тест проводился каждые 10 недель занятий), и каждый из этих тестов, или 10-недельный период, называется «частичным»; и (3) каждая неделя состояла из 6 часов занятий, разделенных на 3 дня по 2 часа на занятие. В течение недели было проведено 4 часа теории и 2 часа практики. Очень важно отметить, что упомянутые выше характеристики – это то, что было сделано до пандемии; Во время пандемии проводились онлайн-занятия. Поэтому 2 часа практик в неделю не могли быть выполнены, и были заменены консультированием и решением проблем. По этой причине на онлайн-занятиях практики не проводились.

Наш эксперимент старался как можно меньше модифицировать то, что было установлено в классе; Система MRE была внедрена во время практических занятий (2 часа в неделю), и студенты, которые не использовали систему, продолжали консультировать и решать проблемы. 4 ч теории нисколько не были изменены нашим экспериментом. Аналогичным образом, студенты, которые использовали MRE, использовали один из практических занятий, чтобы объяснить работу системы. Кроме того, MRE имеет две среды: одну для электронных компонентов, а другую для физических концепций. Эксперимент проводился в течение одной части (10 недель), которая включала в себя физические практики и практики электронных компонентов. В этот период в МРЭ было проведено шесть практик (три практики по физике и три практики по электронным компонентам). Наконец, было две группы, которые использовали MRE; У одного не было обратной связи от учителя, а у другого была. Тем, у кого не было обратной связи, был предоставлен сценарий практики, которую необходимо выполнить, и в конце учитель поставил оценку от 0 до 10 в системе MRE, но никаких дополнительных объяснений не последовало. С другой стороны, в группе, у которой была обратная связь, учитель направлял их во время практики. Учитель мог наблюдать за симуляцией одновременно с учениками, так как система не содержит звука и их уши открыты, поэтому учитель направлял ученика, разговаривая с ним во время симуляции, указывая на его ошибки и причины этих ошибок.

Важно отметить, что тест не был отредактирован для этого эксперимента. Другими словами, тест был бы таким же для студентов, если бы текущий эксперимент не проводился. Тест состоял из 14 вопросов, перечисленных в Дополнительном файле 1 в том же порядке, в котором они были представлены.

Каждый вопрос в тесте имел одинаковый вес в оценке, однако учитель мог присвоить доли баллов каждому вопросу в зависимости от ответа ученика. Это было на усмотрение учителя. В таблице 1 показаны оценки каждого из учеников, где 0 — худшая оценка, а 10 — лучшая. В конце показывается среднее значение по каждой группе.

С другой стороны, на рисунке 5 графически показаны баллы каждого студента, разделенного на группы. Так легче визуализировать результаты, полученные в результате эксперимента. В таблице 2 приведены результаты каждого вопроса, по одному студенту из каждой группы.

Figure 1
Рисунок 1: Основные материалы МРЭ. Система MRE состоит из простого квадратного куска дерева размером 8 x 8 дюймов, на который наклеивается базовое изображение. Изображение состоит из центрального логотипа размером 3 x 3 дюйма; Остальное пространство состоит из случайно размещенных значков 1 в x 1 в темно-синих цветах на светло-голубом фоне. Кроме того, в коробку вставляется VR-бокс и мобильный телефон Android. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Приложение MRE. (A) Кнопка для выбора между пользователем и администратором; По умолчанию он запускается от имени пользователя. (B) Возможность регистрации/входа в систему. (C) , чтобы продолжить настройку сценария. (D) Возврат к предыдущему экрану. (F) Квалификация на данный момент; Если он «играется» впервые, он будет отображаться на 0. (G) Начните с выбранного сценария. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Сценарий электронных компонентов. Цвета разграничивают шесть зон взаимодействия этой сцены: три зоны для взятия компонентов и три зоны для сброса компонентов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Физический сценарий. Два автомобиля созданы лицом друг к другу, в дополнение к сферической кнопке запуска (зеленый цвет) и кубической (светло-голубой цвет) для модуляции силы, с которой толкается второй автомобиль. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Баллы каждого студента и стандартное отклонение, разделенные по группам. Оценки за одного учащегося и используемую технологию; Рядом с ним отображается стандартное отклонение каждой группы. Всего 30 студентов, по 10 на каждый подход к обучению, и каждому студенту в каждой группе был присвоен номер от 1 до 10. Важно упомянуть о типичном отклонении, где хорошо видно, что без использования MRE оценки гораздо более рассредоточены. Это может быть логично, так как эти студенты получали только онлайн-занятия, поэтому внимание, которое уделял каждый студент, очень варьируется, и это видно по полученным баллам. С другой стороны, при использовании MRE дисперсия значительно меньше. Кроме того, когда обратная связь добавляется к технологии МРТ, дисперсия уменьшается, что указывает на лучшее понимание всеми студентами, а не только некоторыми студентами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 1: Результаты тестов знаний по трем группам. В этой таблице представлены все результаты экзаменов, сданных студентами. Всего 30 студентов, по 10 на каждый подход к обучению, и каждому студенту в каждой группе был присвоен номер от 1 до 10. Хорошо видно, что наилучший средний балл был получен при использовании MRE и наличии обратной связи от учителя. Даже если обратной связи не было, все равно лучше в общих чертах использовать MRE для лучшего понимания тем. При использовании MRE ни у одного из студентов не было баллов ниже 7,5; Таким образом, можно сделать вывод, что в целом было лучшее понимание тем. Наконец, с помощью MRE и с обратной связью от учителя не было ни одного балла ниже 8,0, а также были замечены самые высокие баллы у 30 учеников, 9,3 и 9,5. Таким образом, можно ясно увидеть преимущества, которые получают студенты в понимании тем при использовании MRE, но, прежде всего, когда дается обратная связь о проделанной работе на практиках. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Таблица 2: Результаты по одному вопросу с использованием одного студента из каждой группы. Выставляет оценки за ответы студента каждой группы. Были отобраны студенты, чья оценка была близка к среднему показателю по группе. Учитель мог начислять баллы за частично правильные ответы. Студенты, которые использовали MRE, показали лучшие результаты в вопросах об электронных компонентах, предполагая, что знание компонентов в их реальных размерах и формах (с использованием MRE) помогло улучшить теоретические знания. Студенты, которые использовали MRE с обратной связью, помимо возможности наблюдать компоненты так, как они видятся в реальности, получили помощь от преподавателя в практических занятиях по физике и электронным компонентам. Поэтому можно сказать, что помимо практики, у них были консультационные часы, и это наглядно отражается на результатах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Дополнительный файл 1: Вопросы, заданные студентам. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Система MRE позволяет студентам изучать электронные компоненты или темы физики в различных сценариях. Важным моментом является возможность предоставления преподавателем обратной связи. Таким образом, учащиеся могут узнать, что они сделали неправильно и почему. С разработкой системы MRE был проведен эксперимент с 30 студентами, где 10 студентов не использовали MRE, 10 использовали MRE и, наконец, еще 10 использовали MRE и получили обратную связь от преподавателя. В конце занятий всем студентам был проведен тест на общие знания. Тест не был модифицирован для эксперимента (т.е. один и тот же тест применяется, если занятия являются чисто теоретическими или если проводятся лабораторные практики). Эти практики являются лишь дополнением к лучшему пониманию теории и, таким образом, лучшему общему пониманию предмета. В тесте письменные ответы показывают расчеты, и учитель может поставить полубаллы в случае, если ответ частично правильный.

Благодаря использованию MRE учащиеся получили лучший общий средний балл, лучший средний показатель, который наблюдался при наличии обратной связи от учителя. Точно так же важным моментом является стандартное отклонение. Цель занятия состоит в том, чтобы большинство учеников, а в идеале все, получили наибольший объем знаний. За счет использования MRE можно наблюдать меньший разброс оценок, что доказывает, что знания по темам были поняты большим количеством студентов.

При детальном рассмотрении оценок каждого вопроса MRE имеет меньший эффект, когда вопросы сосредоточены на проблемах, которые могут быть проанализированы на 100% из теории. Однако в инженерных темах важно знать как оборудование, так и комплектующие, поэтому MRE оказал положительное влияние, а студенты, которые использовали MRE, лучше отвечали на вопросы, которые охватывали эти темы. Кроме того, в случае теоретических вопросов (например, физики) MRE полезен, когда у вас есть обратная связь от учителя, поскольку учитель может прояснить эти вопросы с помощью виртуальной среды. Отзывы учителей не являются чем-то новым; Это происходит на очных занятиях, поэтому очевидно, что эта обратная связь по-прежнему важна в виртуальной среде.

Система MRE помогает студентам инженерных специальностей проводить лабораторные практики удаленно. Мир изменился, и хотя в настоящее время он возвращается к очным занятиям, с каждым днем все больше школ открывают 100% онлайн-курсов29. Чтобы справиться с этими изменениями, были созданы приложения с использованием новых технологий. Одной из таких технологий является MR, с помощью которой можно визуализировать учебную среду для улучшения обучения. Тем не менее, большинство из этих приложений используются в медицинских учреждениях, и лишь немногие из них используются в инженерии 9,12. С другой стороны, RL были провозглашены решением для дистанционных инженерных классов, но для этого необходимо иметь физическое пространство, а компоненты очень дорогие. Таким образом, инвестиции в RL очень высоки, и они не включены в качестве возможности для многих школ в Латинской Америке19,20.

Точно так же в других работах обсуждалось, как виртуальные и дистанционные лаборатории могут помочь в дистанционном образовании. Например, они согласны с тем, что затраты ниже, чем на создание традиционной лаборатории. Vergara et al. проанализировали данные более 400 студентов, которые спрашивали об их опыте использования VR и MR в лабораториях; 89% учащихся отметили, что они адекватны, чтобы дополнить объяснение учителя, но только 11% сказали, что использование само по себе адекватно. Одной этой технологии достаточно для понимания предмета, хотя в работе не проводится никакого анализа влияния, которое использование этой технологии оказывает на понимание предмета, кроме вопросао чувствах студента. Более того, Ву и др. проанализировали множество работ, в которых упоминается виртуальная реальность с использованием шлемов виртуальной реальности (HMD; в том виде, в каком мы используем ее в этой работе). Они пришли к выводу, что иммерсивное обучение на основе HMD оказывает лучшее влияние на эффективность обучения, чем неиммерсивные подходы к обучению31. Несмотря на это, Ву и др. также не представляют, насколько понимание предмета может улучшиться с помощью VR или MR; Они лишь упоминают о том, что обучение лучше, особенно по естественным наукам, опять же, как и в случае, представленном в этой статье.

С другой стороны, Макарова и др. экспериментировали, чтобы найти влияние VR на обучение автомобильным услугам. Несмотря на то, что количество упомянутых учеников составляет 344 человека, эти ученики из разных классов, поэтому у них разные знания и навыки. Возраст студентов варьируется от 19 до 30 лет, в отличие от того, что представлено здесь, где все студенты имеют одинаковый уровень образования и находятся в возрасте от 18 до 20 лет. С другой стороны, Макарова и др. проанализировали студентов, использующих физическое и виртуальное оборудование, где 35 студентов использовали виртуальное оборудование (количество студентов, не сильно отличающихся от нашего эксперимента). Они пришли к выводу, что технологии VR и MR гораздо более эффективны, чем традиционные методики, повышая интерес студентов к обучению32. Кроме того, в других работах упоминается, что использование виртуальных систем помогает преподавать естественные науки и языки, даже анализируя удобство использования различных подходов и эргономику, что выходит за рамки данной работы33,34.

В других работах, таких как Loetscher et al., анализировался правильный инструмент виртуальной реальности, который следует использовать в зависимости от типа теста, особенно для поведенческих тестов, в которых время отклика часто имеет важное значение для анализа данных. Они упоминают, что VR-системы на мобильных телефонах имеют низкое время отклика35, хотя для эксперимента, показанного в этом исследовании, время отклика не влияет на экзамен, применяемый к студентам. Кроме того, для получения осуществимости необходимо проанализировать затраты на создание лаборатории со специализированным оборудованием в сравнении со временем желаемого ответа. Понятно, что некоторые эксперименты будут иметь решающее значение для снижения ограничений аппаратного обеспечения, но это не относится к этой работе.

Поэтому мы твердо верим, что эта работа дополняет исследования, которые были проведены до сих пор. Многие работы показали, что использование виртуальных технологий помогает в обучении и интересе, однако они не пытались продемонстрировать реальное влияние, которое они могут оказать на обучение. Несмотря на то, что количество студентов, задействованных в эксперименте, невелико, мы позаботились о том, чтобы все имели одинаковый уровень знаний и навыков (насколько это возможно) и чтобы всем преподавалась одна и та же тема, стараясь исключить любой внешний компонент, который мог бы повлиять на результаты. Экзамен был таким же, что позволило количественно оценить (на небольшой выборке) улучшения, которые студенты получили с помощью виртуальных технологий в дополнение к теории, увиденной в классе.

Благодаря MRE можно проводить лабораторные практики по инженерии с небольшими затратами и с минимальными вложениями для школ. Для калибровки нужен только мобильный телефон Android 2019 года выпуска или позже и деревянная основа, что делает его гораздо более доступным для школ в развивающихся странах. Стоит отметить, что для использования системы MRE необходимо выполнить ряд шагов. Несомненно, критическим этапом для корректной работы системы является настройка и калибровка VR-системы (шаг 1). Поскольку MRE использует руки в качестве прикладных инструментов, ошибка в калибровке не позволит продолжить выполнение сценариев. Кроме того, для калибровки важно использовать базу с изображением. Изображение используется для измерения окружающей среды и обнаружения руки в пространстве.

Таким образом, понятно, что ограничением представленного проекта является наличие базы с изображением для калибровки. Для представленного эксперимента необходимо было изготовить базу для каждого ученика. Несмотря на то, что после калибровки было довольно легко воспроизводить и воспроизводить сценарии, стоит отметить, что создавать новые сценарии сложно. Поэтому для каждой практики, которую требуется развить, требуется длительное время на разработку.

Тем не менее, отличительной чертой RL или других технологий МРТ является низкая стоимость необходимого оборудования и материалов. Любой телефон Android может быть использован в качестве инструмента для выполнения этих действий, хотя одним из ограничений является получение калибровочного изображения; Тем не менее, он может быть напечатан традиционным способом и не требует специального оборудования. Поэтому доступ к уже разработанным сценариям имеет низкую стоимость. Используя такую доступную технологию, MRE можно использовать и в других областях, а не только в лабораторной практике. В основном, во время обучения персонала для компаний, когда приходит новый сотрудник, часто приходится останавливать или снижать производство, чтобы научить пользоваться техникой. Таким образом, MRE может быть адаптирован для разработки производственных линий.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.

Acknowledgments

Это исследование было спонсировано кампусом Панамериканского университета в Гвадалахаре. Мы благодарим студентов, изучающих мехатронную инженерию, за вклад в эксперимент.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. World Economic Forum. The COVID-19 pandemic has changed education forever. This is how. World Economic Forum. , Available from: https://www.weforum.org/agenda/2020/04/coronavirus-education-gloabl-covid19-online-digital-learning/ (2020).
  2. Cellini, S. R. How does virtual learning impact students in higher education. Brown Center Chalkboard. , Available from: https://www.brookings.edu/blog/brown-center-chalkboard/2021/08/13/how-does-virtual-learning-impact-students-in-hegher-education/ (2021).
  3. Loukatos, D., Androulidakis, N., Arvanitis, K. G., Peppas, K. P., Chondrogiannis, E. Using open tools to transform retired equipment into powerful engineering education instruments: a smart Agri-IoT control example. Electronics. 11, 855 (2022).
  4. Garlinska, M., Osial, M., Proniewska, K., Pregowska, A. The influence of emerging technologies on distance education. Electronics. 12 (7), 1550 (2023).
  5. Parmaxi, A. Virtual reality in language learning: A systematic review and implications for research and practice. Interactive Learning Environments. 31, 172-184 (2023).
  6. Milgram, P., Kishino, F. A taxonomy of mixed reality visual displays. IEICE Transactions on Information and Systems. 77 (12), 1321-1329 (1994).
  7. Zaghloul, M. A. S., Hassan, A., Dallal, A. Teaching and managing remote lab-based courses. ASEE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings. , (2021).
  8. Maas, M. J., Hughes, J. M. Virtual, augmented and mixed reality in K-12 education: A review of the literature. Technology, Pedagogy and Education. 20 (2), 231-249 (2020).
  9. Noah, N., Das, S. Exploring evolution of augmented and virtual reality education space in 2020 through systematic literature review. Computer Animation and Virtual Worlds. 32 (3-4), e2020 (2021).
  10. Gerup, J., Soerensen, C. B., Dieckmann, P. Augmented reality and mixed reality for healthcare education beyond surgery: an integrative review. International Journal of Medical Education. 11, 1-18 (2020).
  11. Sinou, N., Sinou, N., Filippou, D. Virtual reality and augmented reality in anatomy education during COVID-19 pandemic. Cureus. 15 (2), (2023).
  12. Soliman, M., Pesyridis, A., Dalaymani-Zad, D., Gronfula, M., Kourmpetis, M. The application of virtual reality in engineering education. Applied Sciences. 11 (6), 2879 (2021).
  13. Rojas-Sánchez, M. A., Palos-Sánchez, P. R., Folgado-Fernández, J. A. Systematic literature review and bibliometric analysis on virtual reality and education. Education and Information Technologies. 28, 155-192 (2023).
  14. Brown, K. E., et al. A large-scale, multiplayer virtual reality deployment: a novel approach to distance education in human anatomy. Medical Science Educator. , 1-13 (2023).
  15. Birt, J., Stromberga, Z., Cowling, M., Moro, C. Mobile mixed reality for experiential learning and simulation in medical and health sciences education. Informatics. 9 (2), 31 (2018).
  16. Tang, Y. M., Au, K. M., Lau, H. C. W., Ho, G. T. S., Wu, C. H. Evaluating the effectiveness of learning design with mixed reality (MR) in higher education. Virtual Reality. 24 (4), 797-807 (2020).
  17. Halabi, O. Immersive virtual reality to enforce teaching in engineering education. Multimedia Tools and Applications. 79 (3-4), 2987-3004 (2020).
  18. Borish, V. Undergraduate student experiences in remote lab courses during the COVID-19 pandemic. Physical Review Physics Education Research. 18 (2), 020105 (2022).
  19. Trentsios, P., Wolf, M., Frerich, S. Remote Lab meets Virtual Reality-Enabling immersive access to high tech laboratories from afar. Procedia Manufacturing. 43, 25-31 (2020).
  20. Jona, K., Roque, R., Skolnik, J., Uttal, D., Rapp, D. Are remote labs worth the cost? Insights from a study of student perceptions of remote labs. International Journal of Online Engineering. 7 (2), 48-53 (2011).
  21. Lowe, D., De La Villefromoy, M., Jona, K., Yeoh, L. R. Remote laboratories: Uncovering the true costs. 2012 9th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation. IEEE. , 1-6 (2012).
  22. Miles, D. T., Wells, W. G. Lab-in-a-box: A guide for remote laboratory instruction in an instrumental analysis course. Journal of Chemical Education. 97 (9), 2971-2975 (2020).
  23. Loukatos, D., Zoulias, E., Chondrogiannis, E., Arvanitis, K. G. A mixed reality approach enriching the agricultural engineering education paradigm, against the COVID19 Constraints. 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). IEEE. , 1587-1592 (2021).
  24. Guerrero-Osuna, H. A., et al. Implementation of a MEIoT weather station with exogenous disturbance input. Sensors. 21 (5), 1653 (2021).
  25. Unity Technologies. , Available from: https://unity.com/ (2023).
  26. About AR Foundation. Unity Technologies. , Available from: https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.xr.arfoundation@4.1/manual/index.html (2020).
  27. Manomotion. , Available from: https://www.manomotion.com/ (2022).
  28. Create immersive VR experiences. Alphabet Inc. , Available from: https://developers.google.com/cardboard (2021).
  29. Demand for online education is growing. Are providers ready. McKinsey & Company. , Available from: https://www.mckinsey.com/industries/education/our-insights/demand-for-online-education-is-growing-are-providers-ready (2022).
  30. Vergara, D., Fernández-Arias, P., Extremera, J., Dávila, L. P., Rubio, M. P. Educational trends post COVID-19 in engineering: Virtual laboratories. Materials Today: Proceedings. 49, 155-160 (2022).
  31. Wu, B., Yu, X., Gu, X. Effectiveness of immersive virtual reality using head-mounted displays on learning performance: A meta-analysis. British Journal of Educational Technology. 51 (6), 1991-2005 (2020).
  32. Makarova, I., et al. A virtual reality lab for automotive service specialists: a knowledge transfer system in the digital age. Information. 14 (3), 163 (2023).
  33. Cho, Y., Park, K. S. Designing immersive virtual reality simulation for environmental science education. Electronics. 12 (2), 315 (2023).
  34. Burov, O. Y., Pinchuk, O. P. A meta-analysis of the most influential factors of the virtual reality in education for the health and efficiency of students' activity. Educational Technology Quarterly. 2023, 58-68 (2023).
  35. Loetscher, T., Jurkovic, N. S., Michalski, S. C., Billinghurst, M., Lee, G. Online platforms for remote immersive Virtual Reality testing: an emerging tool for experimental behavioral research. Multimodal Technologies and Interaction. 7 (3), 32 (2023).

Tags

Инженерное дело Выпуск 196 Онлайн-классы Инженерное дело Пандемия COVID-19 Изменения в сфере образования Лабораторные практики Теоретические уроки Система смешанной реальности MRE Студенческий эксперимент Обратная связь от учителя Преимущества смешанной реальности в образовании Повышение знаний по инженерным предметам Повышение оценок Важность обратной связи в системах виртуальной реальности
Внедрение смешанной реальности для образования (MRE) и результаты в онлайн-классах по инженерным специальностям
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Valdivia, L. J., Del-Valle-Soto, C., … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter