Eğitim için Karma Gerçeklik (MRE) Uygulaması ve Mühendislik için Çevrimiçi Sınıflarda Sonuçlar
Summary
Bu çalışmada, öğrencilerin çevrimiçi dersleri tamamlayan laboratuvar uygulamaları geliştirmelerine yardımcı olmak için MRE adı verilen bir karma gerçeklik sistemi geliştirilmiştir. 30 öğrenci ile bir deney yapıldı; 10 öğrenci MRE kullanmadı, 10 öğrenci MRE kullandı ve 10 öğrenci daha öğretmen geri bildirimi ile MRE kullandı.
Abstract
COVID-19 salgını birçok sektörü değiştirdi, bazı sektörleri güçlendirdi ve diğerlerinin ortadan kalkmasına neden oldu. Eğitim sektörü büyük değişikliklerden muaf değildir; Bazı ülkelerde veya şehirlerde dersler en az 1 yıl boyunca %100 çevrimiçi olarak verilmektedir. Bununla birlikte, bazı üniversite kariyerleri, özellikle mühendislik alanlarında öğrenmeyi tamamlamak için laboratuvar uygulamalarına ihtiyaç duyar ve yalnızca çevrimiçi teorik derslerin olması bilgilerini etkileyebilir. Bu nedenle bu çalışmada, öğrencilerin çevrimiçi dersleri tamamlayacak laboratuvar uygulamaları geliştirmelerine yardımcı olmak için eğitim için karma gerçeklik (MRE) adı verilen bir karma gerçeklik sistemi geliştirilmiştir. 30 öğrenci ile bir deney yapıldı; 10 öğrenci MRE kullanmadı, 10 öğrenci MRE kullandı ve 10 öğrenci daha öğretmen geri bildirimi ile MRE kullandı. Bununla, eğitim sektöründe karma gerçekliğin avantajları görülebilir. Sonuçlar, MRE kullanımının mühendislik konularındaki bilgiyi geliştirmeye yardımcı olduğunu göstermektedir; Öğrenciler, kullanmayanlara göre %10 ila %20 daha iyi notlarla yeterlilik elde ettiler. Her şeyden önce, sonuçlar sanal gerçeklik sistemlerini kullanırken geri bildirimin önemini göstermektedir.
Introduction
Teknoloji eğitim sektöründe her zaman var olmuştur; Sınıfları öğretmek için kullanılan cihazlarda köklü değişiklikler meydana geldi. Ancak, yüz yüze dersler öğrenciler ve öğretmenler için tercih edilen seçenek olmaya devam ediyor. Pandemi geldiğinde tüm sektörleri değiştirdi ve eğitim de bir istisna değildi. 2018’de, pandemiden önce, bir derece okuyan öğrencilerin yalnızca %35’i çevrimiçi olarak en az bir ders aldığını bildirdi; yani, öğrencilerin %65’i eğitimlerini1. Nisan 2020 itibariyle, hükümet emriyle (Meksika), tüm devlet ve özel okulların yüz yüze ders vermesi yasaklandı; Bu nedenle öğrencilerin %100’ü uzaktan ders almak zorunda kaldı. Üniversiteler, görüntülü arama, ders hazırlama, ödev yönetimi vb. için araçlar kullanarak ilk harekete geçenler oldu. Üniversite çağındaki insanlar (18 ila 25 yaş arası) doğumdan beri teknoloji ile temas halinde olan insanlar olduğu için bu mantıklıdır.
Bazı sınıflar sanal olarak tamamen uyarlanabilir; Bununla birlikte, laboratuvar uygulamalarının uzaktan gerçekleştirilmesi karmaşıktır ve öğrenciler genellikle pahalı olan gerekli malzemeye sahip değildir. Çevrimiçi sınıfların bilgi kalitesi üzerindeki etkisi belirsizdir ve bazı araştırmalar, çevrimiçi kursların genellikle yüz yüze kurslardan daha kötü öğrenci performansı sağladığını göstermektedir2. Ancak kesin olan bir şey var ki, öğrencileri sektörde yaşayacaklarına yaklaştıran laboratuvar uygulamalarının yapılmaması, mesleki performanslarını olumsuz etkileyecektir. Bu nedenle, mevcut mühendislik öğretiminde gerçek ölçekli deneyimlerin önemi gerekli hale gelmektedir 3,4,5. Bu nedenlerden dolayı, bu sorunları azaltmak için yeni teknolojiler kullanılmaktadır. Bunlar arasında sanal gerçeklik (VR), artırılmış gerçeklik (AR) ve karma gerçeklik (MR) bulunmaktadır. VR’nin tamamen sürükleyici bir dijital ortamın oluşturulmasına izin veren bir teknoloji olduğunu, AR’nin ise sanal nesneleri gerçek dünya ortamında kapladığını belirtmek önemlidir. Öte yandan, MR sadece sanal nesneleri kullanmakla kalmaz, aynı zamanda bu nesneleri gerçek dünyaya sabitleyerek onlarla etkileşime girmeyi mümkün kılar. Bu nedenle MR, VR VEAR 6’nın bir kombinasyonudur. Öte yandan, bazı kuruluşlar, gerçek ekipmanların bulunduğu ancak uzaktan kontrol edilebilen uzak laboratuvarlar geliştirmek için de çaba sarf etmişlerdir7.
MR terimi 1994 yılına kadar uzanır; ancak son 5 yılda, çabalarını Metaverse6 gibi ortamları geliştirmeye odaklayan büyük şirketler sayesinde özel bir önem kazanmıştır. MR farklı alanlarda uygulanabilir; En yaygın olanlardan ikisi eğitim ve öğretimdir. Eğitim, MR’ın en büyük itici güçlerinden biri olmuştur; Bir şirketin yeni çalışanları eğitmek için veya tehlikeli ortamlarda bir üretim hattını durdurması çok pahalıdır ve sahada eğitim vermek kolay değildir. Eğitim çok geride değil; yüz yüze sınıflar çok az değişmiş olsa da, MR’yi 8,9 sınıflarına dahil etmek için büyük çabalar var. Eğitim için, tam bir eğitime sahip olmak için laboratuvar uygulamaları yapmanın gerekli olduğu profesyonel kariyerler vardır. Mevcut birçok çalışma ve araştırma, VR, AR ve MR’ın önemli bir rol oynadığı tıptadır. Çok sayıda makale, MR’ın cerrahi ve tıbbi konularda geleneksel öğretim yöntemlerini nasıl aştığını göstermektedir, burada uygulama gelişmekte olan öğrencileriçin açık bir avantajdır 10,11,12,13,14.
Ancak, mühendislik konularında aynı miktarda araştırma yoktur. Normalde mühendislik kariyerlerinde, bir öğrencinin uygulamalarla tamamlanan teori dersleri vardır. Bu sayede MR ve VR ile ilgili mühendislik pedagojisindeki faydalarını gösteren çalışmalar bulunmaktadır12. Bununla birlikte, bu çalışmaların bir kısmı çevrenin karmaşıklığını ve kullanılan araçları analiz etmeye odaklanmaktadır 8,15. Tang ve arkadaşları, farklı alanlardan ve farklı bilgilere sahip öğrencilerin geometrik analiz ve yaratıcılık anlayışlarını geliştirmek için MR’yi kullandıkları bir çalışma tasarlamışlardır16. Daha sonraki bir testte, MR kullanarak derslerini alan kişiler daha hızlı bitirdiler ve bu da MR’nin öğrenmeyi olumlu yönde etkilediğini açıkça ortaya koydu16. Ayrıca Halabi, mühendislik eğitiminde VR araçlarının kullanımını gösterdi. MR olmasa da öğretim için kullanılabilecek araçları gösterir. 17 mühendislik derslerinde VR’yi tanıtmanın mümkün olduğunu göstermek için gerçek bir vaka çalışması yapar.
Uzak laboratuvarlar (RL’ler) ise öğrencilerin uygulamalarını geleneksel bir laboratuvardaymış gibi uzaktan yürütmelerine olanak tanıyan yazılım ve donanımdan oluşan teknolojik araçlardır. RL’lere genellikle internet üzerinden erişilir ve normalde öğrencilerinöğrendiklerini 18 ihtiyaç duydukları kadar özerk bir şekilde uygulamaya koymaları gerektiğinde kullanılır. Bununla birlikte, COVID-19’un gelişiyle birlikte, kullanımı geleneksel laboratuvarların yerini almak ve çevrimiçi sınıflar18 sırasında uygulamalar yapabilmek olmuştur. Yukarıda bahsedildiği gibi, bir RL’nin fiziksel bir alana (geleneksel laboratuvar) ve uzaktan kontrol edilmesine izin veren unsurlara ihtiyacı vardır. VR’nin gelişiyle laboratuvarlar sanal olarak modellendi ve fiziksel mekanizmalar aracılığıyla laboratuvarın unsurları kontrol edilebiliyor19. Bununla birlikte, bir RL’ye sahip olmak çok pahalıdır ve özellikle gelişmekte olan ülkelerde birçok okulu engellemektedir. Bazı araştırmalar, maliyetlerin 50,000 ila 100,000 ABD Doları arasında değişebileceğini belirtmektedir20,21.
Dahası, pandemi başladığından beri değişikliklerin hızlı bir şekilde yapılması gerekiyordu; RL’ler söz konusu olduğunda, geleneksel laboratuvarların yerini almak üzere her öğrencinin evine kitler göndermek için girişimlerde bulunuldu. Ancak, araştırmalar her bir kitin yaklaşık 700 $18,22’ye mal olduğunu gösterdiğinden, bir maliyet sorunu vardı. Bununla birlikte, çalışmalar pahalı ve elde edilmesi zor bileşenler kullandı. Pandemi dünya çapında eğitimi etkiledi ve pek çok insan bir laboratuvarı otomatikleştirmek veya bir kit satın almak için binlerce dolar harcayamadı. Çoğu çalışma yüz yüze dersleri dikkate alır ve bunları MR ile tamamlar. Bununla birlikte, son yıllarda, COVID-19 nedeniyle sınıflar çevrimiçi olmuştur ve yalnızca bazı çalışmalar, MR ve uygun fiyatlı cihazlar kullanılarak sanal sınıfların iyileştirildiğini göstermektedir23,24.
Şimdiye kadar var olan araştırmalar, mühendislik hakkında çok az bilgi ile esas olarak tıbba odaklanmıştır. Bununla birlikte, şüphesiz, en büyük katkının ve farkın, deneyimizin 6 ay boyunca gerçekleştirilmesi ve sanal modeller kullanmayan aynı özelliklere sahip deneklerle karşılaştırılması olduğuna inanıyoruz, oysa önceki çalışmaların çoğunda tek teknolojileri veya prosedürleri karşılaştırmak için kısa deneyler yapıldı; Bunları birkaç ay boyunca uygulamadılar. Bu nedenle, bu makale bir üniversite dersinde MR kullanılarak yapılabilecek öğrenme farkını göstermektedir.
Bu nedenle bu çalışma, elektronik mühendisliği odaklı üniversitelerde laboratuvar uygulamalarının yürütülmesine yardımcı olacak bir MR sisteminin gelişimini ve sonuçlarını göstermektedir. Cihazın maliyetinin düşük tutulmasına ve genel nüfus için erişilebilir olmasına özel önem verildiğini belirtmek önemlidir. Üç grup farklı öğretim yöntemleri kullanır ve sınıf konularında bir sınav yapılır. Bu sayede MR kullanarak uzaktan eğitimdeki konuların anlaşılmasına yönelik sonuçlar elde etmek mümkündür.
Bu çalışmada açıklanan proje, eğitim için karma gerçeklik (MRE) olarak adlandırılıyor ve öğrencilerin bir akıllı telefon ile VR gözlüklerini kullandıkları bir platform olarak öneriliyor (yani, özel bir VR gözlüğü kullanılmıyor). Sanal ve gerçek nesnelerin kullanımı, karma gerçeklik sistemi sayesinde öğrencilerin sanal ortamlar ve gerçek nesnelerle sadece kendi ellerini kullanarak etkileşime girebilecekleri bir çalışma alanı oluşturulur. Bu çalışma alanı, tüm sanal nesnelerin görüntülendiği ve etkileşimde bulunulduğu bir görüntüye sahip bir tabandan oluşur. Yaratılan ortam, mühendislik kariyerleri için elektronik bileşenleri ve fiziği göstermek için laboratuvar uygulamaları yürütmeye odaklanır. Öğrencilere geri bildirim sağlama ihtiyacını vurgulamak önemlidir. Bu nedenle MRE, bir yöneticinin (normalde öğretmenin) etkinliği derecelendirmek için neler yapıldığını görebileceği bir geri bildirim sistemi içerir. Bu sayede öğrencinin yaptığı çalışmalar hakkında geri bildirim verilebilir. Son olarak, bu çalışmanın kapsamı, çevrimiçi derslerde MR kullanmanın avantajları olup olmadığını kontrol etmektir.
Bunu başarmak için, deney üç grup öğrenci ile gerçekleştirildi. Her grup 10 öğrenciden (toplam 30 öğrenci) oluşuyordu. İlk grup MRE kullanmadı, sadece momentum korunumu ilkesi ve elektronik bileşenler üzerine teori (çevrimiçi dersler) aldı. İkinci grup geri bildirim olmadan MRE’yi, üçüncü grup ise bir öğretmenden gelen geri bildirimle MRE’yi kullandı. Tüm öğrencilerin aynı okul seviyesine sahip olduğunu belirtmek önemlidir; Aynı dönemde ve aynı kariyere sahip, mekatronik mühendisliği okuyan üniversite öğrencileridir. Deney, derecenin ikinci yarıyılında Fizik ve Elektroniğe Giriş adlı tek bir derste uygulandı; yani öğrenciler 1 yıldan az bir süredir üniversitedeydiler. Bu nedenle, sınıfta işlenen konular mühendislik açısından temel olarak kabul edilebilir. Deney, deneyin yetkilendirildiği sınıfa kaydolan öğrenci sayısı olduğu için 30 öğrenci üzerinde gerçekleştirildi. Seçilen derste (Fizik ve Elektroniğe Giriş) teori ve laboratuvar uygulamaları vardı ancak pandemi nedeniyle sadece teori dersleri işleniyordu. Öğrenciler, uygulamaların genel öğrenme üzerindeki etkisini ve MR derslerinin yüz yüze uygulamaların yerini alıp alamayacağını görmek için üç gruba ayrıldı.
Protocol
Representative Results
Discussion
MRE sistemi, öğrencilerin elektronik bileşenler veya fizik konuları hakkında bilgi edinmeleri için farklı senaryolara olanak tanır. Önemli bir nokta, öğretmenin geri bildirim sağlama olasılığıdır. Bu sayede öğrenciler neyi neden yanlış yaptıklarını bilebilirler. Geliştirilen MRE sistemi ile 30 öğrenci ile 10 öğrencinin MRE kullanmadığı, 10 öğrencinin MRE kullandığı ve son olarak 10 öğrencinin daha MRE kullandığı bir deney gerçekleştirilmiş ve öğretmenden geri bildirim alınm…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Panamerican Üniversitesi Guadalajara kampüsü tarafından desteklenmiştir. Deneye katkı sağlayan mekatronik mühendisliği öğrencilerine teşekkür ederiz.
Materials
| 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
- 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)
- 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)
- 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).
- Garlinska, M., Osial, M., Proniewska, K., Pregowska, A. The influence of emerging technologies on distance education. Electronics. 12 (7), 1550 (2023).
- Parmaxi, A. Virtual reality in language learning: A systematic review and implications for research and practice. Interactive Learning Environments. 31, 172-184 (2023).
- Milgram, P., Kishino, F. A taxonomy of mixed reality visual displays. IEICE Transactions on Information and Systems. 77 (12), 1321-1329 (1994).
- Zaghloul, M. A. S., Hassan, A., Dallal, A. Teaching and managing remote lab-based courses. ASEE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings. , (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sinou, N., Sinou, N., Filippou, D. Virtual reality and augmented reality in anatomy education during COVID-19 pandemic. Cureus. 15 (2), (2023).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Halabi, O. Immersive virtual reality to enforce teaching in engineering education. Multimedia Tools and Applications. 79 (3-4), 2987-3004 (2020).
- Borish, V. Undergraduate student experiences in remote lab courses during the COVID-19 pandemic. Physical Review Physics Education Research. 18 (2), 020105 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Guerrero-Osuna, H. A., et al. Implementation of a MEIoT weather station with exogenous disturbance input. Sensors. 21 (5), 1653 (2021).
- . Unity Technologies Available from: https://unity.com/ (2023)
- About AR Foundation. Unity Technologies Available from: https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.xr.arfoundation@4.1/manual/index.html (2020)
- . Manomotion Available from: https://www.manomotion.com/ (2022)
- Create immersive VR experiences. Alphabet Inc Available from: https://developers.google.com/cardboard (2021)
- 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)
- 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).
- 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).
- 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).
- Cho, Y., Park, K. S. Designing immersive virtual reality simulation for environmental science education. Electronics. 12 (2), 315 (2023).
- 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).
- 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).
