Mise en œuvre de la réalité mixte pour l’éducation (MRE) et résultats dans les cours en ligne pour l’ingénierie
Summary
Dans ce travail, un système de réalité mixte appelé MRE a été développé pour aider les étudiants à développer des pratiques de laboratoire complémentaires aux cours en ligne. Une expérience a été menée auprès de 30 étudiants ; 10 élèves n’ont pas utilisé l’ERM, 10 l’EMR et 10 autres l’EMR avec la rétroaction de l’enseignant.
Abstract
La pandémie de COVID-19 a bouleversé de nombreux secteurs, en renforçant certains secteurs et en entraînant la disparition de nombreux autres. Le secteur de l’éducation n’est pas épargné par des changements majeurs. Dans certains pays ou villes, les cours ont été dispensés 100% en ligne pendant au moins 1 an. Cependant, certaines carrières universitaires nécessitent des pratiques de laboratoire pour compléter l’apprentissage, en particulier dans les domaines de l’ingénierie, et le fait de n’avoir que des cours théoriques en ligne pourrait affecter leurs connaissances. Pour cette raison, dans ce travail, un système de réalité mixte appelé réalité mixte pour l’éducation (MRE) a été développé pour aider les étudiants à développer des pratiques de laboratoire pour compléter les cours en ligne. Une expérience a été menée auprès de 30 étudiants ; 10 élèves n’ont pas utilisé l’ERM, 10 l’EMR et 10 autres l’EMR avec la rétroaction de l’enseignant. Avec cela, on peut voir les avantages de la réalité mixte dans le secteur de l’éducation. Les résultats montrent que l’utilisation des EMR permet d’améliorer les connaissances dans les matières d’ingénierie ; Les étudiants ont obtenu des qualifications avec des notes de 10 % à 20 % supérieures à celles de ceux qui ne l’ont pas utilisée. Surtout, les résultats montrent l’importance du feedback lors de l’utilisation de systèmes de réalité virtuelle.
Introduction
La technologie a toujours été présente dans le secteur de l’éducation ; De profonds changements sont intervenus dans les dispositifs utilisés pour donner des cours. Cependant, les cours en présentiel restent l’option préférée des étudiants et des enseignants. Lorsque la pandémie est arrivée, elle a changé tous les secteurs, et l’éducation n’a pas fait exception. En 2018, avant la pandémie, seulement 35 % des étudiants ayant obtenu un diplôme ont déclaré avoir suivi au moins un cours en ligne ; C’est-à-dire que 65 % des étudiants ont terminé leurs études en présentiel1. À partir d’avril 2020, par ordre du gouvernement (mexicain), toutes les écoles publiques et privées ont été interdites d’enseigner en présentiel ; Pour cette raison, 100% des étudiants ont dû suivre des cours à distance. Les universités ont été les premières à agir, en utilisant des outils pour la visioconférence, la préparation des cours, la gestion des devoirs, etc. C’est logique, puisque les personnes en âge d’aller à l’université (entre 18 et 25 ans) sont des personnes qui sont en contact avec la technologie depuis leur naissance.
Certains cours peuvent être entièrement adaptés virtuellement ; Cependant, les pratiques de laboratoire sont complexes à réaliser à distance, et les étudiants n’ont pas le matériel nécessaire, ce qui est souvent coûteux. L’impact des cours en ligne sur la qualité des connaissances n’est pas clair, et certaines études montrent que les cours en ligne donnent généralement de moins bons résultats aux étudiants que les cours en personne2. Mais une chose est certaine, le fait de ne pas mettre en œuvre des pratiques de laboratoire qui rapprochent les étudiants de ce qu’ils vivront dans l’industrie affectera négativement leur performance professionnelle. Par conséquent, l’importance des expériences à l’échelle réelle devient nécessaire dans l’enseignement actuel de l’ingénierie 3,4,5. Pour ces raisons, de nouvelles technologies sont utilisées pour atténuer ces problèmes. Parmi eux, on trouve la réalité virtuelle (VR), la réalité augmentée (AR) et la réalité mixte (MR). Il est important de mentionner que la RV est une technologie qui permet la création d’un environnement numérique totalement immersif, tandis que la RA superpose des objets virtuels dans l’environnement du monde réel. D’autre part, la RM ne se contente pas d’utiliser des objets virtuels, mais ancre également ces objets dans le monde réel, ce qui permet d’interagir avec eux. Ainsi, la RM est une combinaison de VR et d’AR6. D’autre part, certaines organisations ont également fait des efforts pour développer des laboratoires à distance, où des équipements réels existent mais peuvent être contrôlés à distance7.
Le terme MR date de 1994 ; cependant, au cours des 5 dernières années, il a pris une importance particulière, grâce aux grandes entreprises qui ont concentré leurs efforts sur le développement d’environnements, tels que le Metaverse6. La RM peut être appliquée dans différents domaines ; Deux des plus courantes sont la formation et l’éducation. La formation a été l’un des grands moteurs de la RM ; Il est très coûteux pour une entreprise d’arrêter une ligne de production pour former de nouveaux employés, ou dans des environnements dangereux, et il n’est pas facile de réaliser des formations sur le terrain. L’éducation n’est pas loin derrière ; Bien que les cours en présentiel aient très peu changé, il y a de gros efforts pour intégrer la RM dans les classes8 et 9. Pour l’éducation, il existe des carrières professionnelles où il est nécessaire d’effectuer des pratiques de laboratoire pour avoir une formation complète. De nombreuses études et recherches existantes sont en médecine, la RV, la RA et l’IRM jouant un rôle clé. De nombreux articles montrent comment la RM surpasse les méthodes d’enseignement traditionnelles dans les matières chirurgicales et médicales, où la pratique est un avantage évident pour le développement des étudiants 10,11,12,13,14.
Cependant, il n’y a pas autant de recherches sur les questions d’ingénierie. Normalement, dans les carrières d’ingénieur, un étudiant suit des cours théoriques complétés par des pratiques. De cette manière, il existe des études sur la RM et la RV montrant les bénéfices de la pédagogie de l’ingénieur12. Cependant, certaines de ces études se concentrent sur l’analyse de la complexité de l’environnement et des outils utilisés 8,15. Tang et al. ont conçu une étude dans laquelle des étudiants de différents domaines et ayant des connaissances différentes ont utilisé la RM pour améliorer leur compréhension de l’analyse géométrique et de la créativité16. Lors d’un test ultérieur, les personnes qui ont suivi leurs cours en utilisant la RM ont terminé plus rapidement, ce qui montre clairement que la RM affecte positivement l’apprentissage16. De plus, Halabi a montré l’utilisation d’outils de réalité virtuelle dans l’enseignement de l’ingénierie. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une RM, il montre des outils qui peuvent être utilisés pour l’enseignement. Il s’agit d’une véritable étude de cas pour montrer qu’il est possible d’introduire la VR dans les classes d’ingénieurs17.
D’autre part, les laboratoires à distance (RL) sont des outils technologiques composés de logiciels et de matériel qui permettent aux étudiants d’effectuer leurs pratiques à distance comme s’ils étaient dans un laboratoire traditionnel. Les RL sont généralement accessibles par Internet et sont normalement utilisés lorsque les étudiants sont tenus de mettre en pratique de manière autonome ce qu’ils ont appris autant de fois qu’ils en ont besoin18. Cependant, avec l’arrivée du COVID-19, son utilisation a été de remplacer les laboratoires traditionnels et de pouvoir effectuer des pratiques lors des cours en ligne18. Comme mentionné ci-dessus, un RL a besoin d’un espace physique (laboratoire traditionnel) et d’éléments qui permettent de le contrôler à distance. Avec l’arrivée de la réalité virtuelle, les laboratoires ont été modélisés virtuellement, et grâce à des mécanismes physiques, les éléments du laboratoire peuvent être contrôlés19. Cependant, avoir un RL est très coûteux, ce qui entrave de nombreuses écoles, en particulier dans les pays en développement. Certaines études mentionnent que les coûts peuvent varier entre 50 000 $ et 100 000 $20,21.
De plus, depuis le début de la pandémie, des changements ont dû être apportés rapidement ; dans le cas des RL, on a tenté d’envoyer des trousses au domicile de chaque étudiant pour remplacer les laboratoires traditionnels. Cependant, il y avait un problème de coût, car des études ont montré que chaque kit coûtait environ 700 $18,22. Néanmoins, les études ont utilisé des composants coûteux et difficiles à obtenir. La pandémie a affecté l’éducation dans le monde entier, et peu de gens pouvaient dépenser des milliers de dollars pour automatiser un laboratoire ou acheter un kit. La plupart des études envisagent des cours en présentiel et les complètent par une IRM. Cependant, ces dernières années, les cours ont été dispensés en ligne en raison de la COVID-19, et seuls quelques travaux montrent l’amélioration des cours virtuels utilisant la RM et des appareils abordables23,24.
La recherche qui existe jusqu’à présent est principalement axée sur la médecine, avec peu d’informations sur l’ingénierie. Cependant, sans aucun doute, nous pensons que la plus grande contribution et différence est que notre expérience a été réalisée pendant 6 mois et a été comparée à des sujets ayant les mêmes caractéristiques qui n’utilisaient pas de modèles virtuels, alors que la plupart des travaux précédents ont effectué de courtes expériences pour comparer des technologies ou des procédures uniques ; Ils ne les ont pas appliqués pendant plusieurs mois. Par conséquent, cet article montre la différence dans l’apprentissage qui peut être faite à l’aide de la RM dans une matière universitaire.
Pour cette raison, ce travail montre le développement et les résultats d’un système d’IRM pour aider à réaliser des pratiques de laboratoire dans les universités axées sur l’ingénierie électronique. Il est important de mentionner qu’un accent particulier est mis sur le maintien du coût de l’appareil à un faible niveau, le rendant accessible à la population générale. Trois groupes utilisent des méthodes d’enseignement différentes, et un examen est effectué sur les sujets de la classe. De cette façon, il est possible d’obtenir des résultats sur la compréhension des sujets de l’enseignement à distance à l’aide de la RM.
Le projet expliqué dans ce travail s’appelle la réalité mixte pour l’éducation (MRE) et est proposé comme une plate-forme où les étudiants utilisent des lunettes VR avec un smartphone (c’est-à-dire qu’aucune lunette VR spéciale n’est utilisée). Un espace de travail est créé où les étudiants peuvent interagir avec des environnements virtuels et des objets réels simplement en utilisant leurs propres mains, grâce à l’utilisation d’objets virtuels et réels, un système de réalité mixte. Cet espace de travail se compose d’une base avec une image où tous les objets virtuels sont affichés et avec lesquels on interagit. L’environnement créé met l’accent sur la conduite de pratiques de laboratoire pour montrer les composants électroniques et la physique pour les carrières d’ingénieur. Il est important de souligner la nécessité de fournir une rétroaction aux étudiants. Pour cette raison, MRE intègre un système de rétroaction où un administrateur (normalement l’enseignant) peut voir ce qui est fait pour évaluer l’activité. De cette façon, un retour d’information peut être donné sur le travail effectué par l’étudiant. Enfin, l’objectif de ce travail est de vérifier s’il y a des avantages à utiliser la RM dans les cours en ligne.
Pour y parvenir, l’expérience a été menée auprès de trois groupes d’étudiants. Chaque groupe était composé de 10 étudiants (30 étudiants au total). Le premier groupe n’a pas utilisé l’ERM, mais a suivi des cours théoriques (en ligne) sur le principe de conservation de la quantité de mouvement et les composants électroniques. Le deuxième groupe a utilisé l’EMR sans rétroaction, et le troisième groupe a utilisé l’EMR avec la rétroaction d’un enseignant. Il est important de mentionner que tous les élèves ont le même niveau scolaire ; Ce sont des étudiants universitaires dans le même semestre et avec le même parcours, étudiant l’ingénierie mécatronique. L’expérience a été appliquée dans un seul cours appelé Introduction à la physique et à l’électronique, au deuxième semestre du diplôme ; c’est-à-dire que les étudiants étaient à l’université depuis moins d’un an. Par conséquent, les sujets abordés dans le cours peuvent être considérés comme fondamentaux d’un point de vue technique. L’expérience a été réalisée sur 30 étudiants, car c’était le nombre d’étudiants qui se sont inscrits dans la classe où l’expérience a été autorisée. Le cours sélectionné (Introduction à la physique et à l’électronique) avait de la théorie et des pratiques de laboratoire, mais en raison de la pandémie, seuls des cours théoriques étaient enseignés. Les étudiants ont été séparés en trois groupes pour voir l’impact que les pratiques ont sur l’apprentissage général et si les cours de RM pouvaient remplacer les pratiques en face à face.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le système EMR permet aux étudiants d’apprendre différents scénarios sur des composants électroniques ou des sujets de physique. Un point important est la possibilité pour l’enseignant de donner son avis. De cette façon, les élèves peuvent savoir ce qu’ils ont fait de mal et pourquoi. Une fois le système EMR développé, une expérience a été menée auprès de 30 étudiants, où 10 étudiants n’ont pas utilisé l’EMR, 10 ont utilisé l’EMR et enfin 10 autres ont utilisé l’EMR et ont reçu un re…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été parrainée par le campus de l’Université panaméricaine de Guadalajara. Nous remercions les étudiants en génie mécatronique d’avoir contribué à l’expérience.
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) |
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