MRE(교육용 혼합 현실) 구현 및 엔지니어링용 온라인 수업의 결과
Summary
이 작업에서는 학생들이 온라인 수업을 보완하는 실험실 실습을 개발할 수 있도록 MRE라는 혼합 현실 시스템을 개발했습니다. 30명의 학생을 대상으로 실험을 수행했습니다. 10명의 학생은 MRE를 사용하지 않았고, 10명은 MRE를 사용했으며, 10명은 교사 피드백을 통해 MRE를 사용했습니다.
Abstract
COVID-19 팬데믹은 많은 산업을 변화시켜 일부 부문에 힘을 실어주고 다른 많은 부문을 사라지게 했습니다. 교육 부문도 큰 변화에서 예외는 아닙니다. 일부 국가나 도시에서는 최소 1년 동안 수업이 100% 온라인으로 진행되었습니다. 그러나 일부 대학 경력은 특히 공학 분야에서 학습을 보완하기 위해 실험실 실습이 필요하며 온라인으로 이론 수업만 하면 지식에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 이유로 이 작업에서는 학생들이 온라인 수업을 보완하는 실험실 실습을 개발할 수 있도록 MRE(Mixed Reality for Education)라는 혼합 현실 시스템을 개발했습니다. 30명의 학생을 대상으로 실험을 수행했습니다. 10명의 학생은 MRE를 사용하지 않았고, 10명은 MRE를 사용했으며, 10명은 교사 피드백을 통해 MRE를 사용했습니다. 이를 통해 교육 부문에서 혼합 현실의 이점을 볼 수 있습니다. 결과는 MRE를 사용하는 것이 공학 과목에 대한 지식을 향상시키는 데 도움이 된다는 것을 보여줍니다. 학생들은 그것을 사용하지 않은 학생들보다 10%에서 20% 더 나은 성적으로 자격을 취득했습니다. 무엇보다도, 이 결과는 가상 현실 시스템을 사용할 때 피드백의 중요성을 보여줍니다.
Introduction
기술은 항상 교육 부문에 존재해 왔습니다. 수업을 가르치는 데 사용되는 장치에 큰 변화가 일어났습니다. 그러나 대면 수업은 여전히 학생과 교사가 선호하는 옵션입니다. 팬데믹이 닥쳤을 때 모든 부문이 바뀌었고 교육도 예외는 아니었습니다. 팬데믹 이전인 2018년에는 학위를 공부한 학생의 35%만이 적어도 하나의 온라인 수업을 들었다고 보고했습니다. 즉, 65%의 학생이 직접 학업을 마쳤습니다1. 2020년 4월부터 정부 명령(멕시코)에 따라 모든 공립 및 사립 학교는 대면 수업을 가르치는 것이 금지되었습니다. 이러한 이유로 학생의 100%가 원격 수업을 들어야 했습니다. 대학은 화상 통화, 수업 준비, 숙제 관리 등을 위한 도구를 사용하여 가장 먼저 행동에 나섰습니다. 대학 연령(18세에서 25세 사이)의 사람들은 태어날 때부터 기술을 접해 온 사람들이기 때문에 이것은 의미가 있습니다.
일부 수업은 가상으로 완전히 조정할 수 있습니다. 그러나 실험실 실습은 원격으로 수행하기가 복잡하고 학생들은 필요한 자료를 가지고 있지 않아 종종 비용이 많이 듭니다. 온라인 수업이 지식의 질에 미치는 영향은 불분명하며, 일부 연구에 따르면 온라인 수업은 일반적으로 대면 수업보다 학생 성과가 더 나쁘다2. 그러나 한 가지 확실한 것은 학생들이 업계에서 경험하게 될 것에 더 가까이 다가갈 수 있는 실험실 관행을 수행하지 않으면 전문적인 성과에 부정적인 영향을 미칠 것이라는 것입니다. 따라서 실제 경험의 중요성은 현재의 공학 교육 3,4,5에서 필요합니다. 이러한 이유로 이러한 문제를 완화하기 위해 새로운 기술이 사용되고 있습니다. 그 중에는 가상 현실(VR), 증강 현실(AR) 및 혼합 현실(MR)이 있습니다. VR은 완전히 몰입할 수 있는 디지털 환경을 만들 수 있는 기술인 반면 AR은 실제 환경에 가상 물체를 오버레이한다는 점을 언급하는 것이 중요합니다. 반면에 MR은 가상 객체를 사용할 뿐만 아니라 이러한 객체를 현실 세계에 고정하여 상호 작용할 수 있도록 합니다. 따라서 MR은 VR과 AR6의 조합입니다. 한편, 일부 조직에서는 실제 장비가 존재하지만 원격으로 제어할 수 있는 원격 실험실을 개발하기 위해 노력하기도 했다7.
MR이라는 용어는 1994년으로 거슬러 올라갑니다. 그러나 지난 5년 동안 메타버스6와 같은 환경 개발에 노력을 집중한 대기업 덕분에 특히 중요해졌습니다. MR은 다양한 영역에 적용할 수 있습니다. 가장 일반적인 두 가지는 훈련과 교육입니다. 교육은 MR의 큰 원동력 중 하나였습니다. 회사가 신입 사원을 교육하기 위해 생산 라인을 중단하거나 위험한 환경에서 수행하는 것은 비용이 많이 들고 현장에서 교육을 수행하는 것이 쉽지 않습니다. 교육도 그리 멀지 않습니다. 대면 수업은 거의 변하지 않았지만 MR을 수업 8,9에 통합하려는 많은 노력이 있습니다. 교육의 경우 완전한 교육을 받기 위해 실험실 실습을 수행해야 하는 전문 직업이 있습니다. 기존의 많은 연구와 연구는 VR, AR 및 MR이 중요한 역할을 하는 의학 분야입니다. 여러 논문에서 MR이 외과 및 의학 과목에서 전통적인 교수법을 능가하는 방법을 보여주며, 실습은 학생 개발에 분명한 이점이 있습니다 10,11,12,13,14.
그러나 엔지니어링 문제에 대한 연구의 양은 동일하지 않습니다. 일반적으로 엔지니어링 경력에서 학생은 실습으로 보완되는 이론 수업을 듣습니다. 이와 같이 MR과 VR에 대한 연구가 공학 교육학의 이점을 보여주고있다 12. 그러나 이러한 연구 중 일부는 환경의 복잡성과 사용 된 도구를 분석하는 데 중점을 둡니다 8,15. Tang et al.은 다양한 분야와 지식을 가진 학생들이 기하학적 해석과 창의성에 대한 이해를 향상시키기 위해 MR을 사용하는 연구를 고안했습니다16. 후속 테스트에서 MR을 사용하여 수업을 들은 사람들은 더 빨리 완료하여 MR이 학습에 긍정적인 영향을 미친다는 것이 분명해졌습니다16. 또한 Halabi는 공학 교육에서 VR 도구를 사용하는 방법을 보여주었습니다. MR은 아니지만 교육에 사용할 수 있는 도구를 보여줍니다. 공학 수업17에서 VR을 도입하는 것이 가능하다는 것을 보여주는 실제 사례 연구를 만듭니다.
반면에 원격 실험실(RL)은 학생들이 마치 기존 실험실에 있는 것처럼 원격으로 실습을 수행할 수 있도록 하는 소프트웨어와 하드웨어로 구성된 기술 도구입니다. RL은 일반적으로 인터넷을 통해 액세스되며, 일반적으로학생들이 필요한 횟수만큼 학습한 내용을 자율적으로 실천해야 할 때 사용됩니다. 그러나 COVID-19가 도래함에 따라 기존 실험실을 대체하고 온라인 수업18 중에 실습을 수행할 수 있게 되었습니다. 위에서 언급했듯이 RL에는 물리적 공간(기존 실험실)과 원격으로 제어할 수 있는 요소가 필요합니다. VR의 등장으로 실험실은 가상으로 모델링되었으며 물리적 메커니즘을 통해 실험실의 요소를 제어할 수 있습니다19. 그러나 RL을 갖는 것은 매우 비싸기 때문에 특히 개발 도상국의 많은 학교에 방해가 됩니다. 일부 연구에서는 비용이 $50,000에서 $100,000 사이일 수 있다고 언급합니다20,21.
더욱이 팬데믹이 시작된 이래로 빠르게 변화해야 했습니다. RL의 경우, 전통적인 실험실을 대체하기 위해 각 학생의 집으로 키트를 보내려는 시도가 있었습니다. 그러나 연구에 따르면 각 키트의 비용은 약 $70018,22인 것으로 나타났기 때문에 비용 문제가 있었습니다. 그럼에도 불구하고 연구에서는 비싸고 구하기 어려운 구성 요소를 사용했습니다. 팬데믹은 전 세계 교육에 영향을 미쳤으며 실험실을 자동화하거나 키트를 구입하기 위해 수천 달러를 지출할 수 있는 사람은 많지 않았습니다. 대부분의 연구는 대면 수업을 고려하고 MR로 보완합니다. 그러나 최근 몇 년 동안 COVID-19로 인해 수업이 온라인으로 진행되었으며 MR 및 저렴한 장치를 사용한 가상 수업의 개선을 보여주는 작품은 일부에 불과합니다23,24.
지금까지 존재하는 연구는 주로 의학에 초점을 맞추고 있으며 공학에 대한 정보는 거의 없습니다. 그러나 의심할 여지 없이 가장 큰 기여와 차이점은 우리의 실험이 6개월 동안 수행되었으며 가상 모델을 사용하지 않은 동일한 특성을 가진 피험자와 비교된 반면 대부분의 이전 연구는 단일 기술이나 절차를 비교하기 위해 짧은 실험을 수행했다는 것입니다. 그들은 몇 달 동안 그것들을 적용하지 않았습니다. 따라서 본 논문은 대학 과목에서 MR을 사용하여 할 수 있는 학습의 차이를 보여줍니다.
이러한 이유로 이 작업은 전자 공학에 중점을 둔 대학에서 실험실 실습을 수행하는 데 도움이 되는 MR 시스템의 개발 및 결과를 보여줍니다. 장치 비용을 낮게 유지하여 일반 대중이 접근할 수 있도록 하는 데 특히 중점을 둔다는 점을 언급하는 것이 중요합니다. 세 그룹이 서로 다른 교수법을 사용하며 수업 주제에 대한 시험이 실시됩니다. 이러한 방식으로 MR을 사용하여 원격 교육의 주제를 이해하는 결과를 얻을 수 있습니다.
이 연구에서 설명하는 프로젝트는 MRE(Mixed Reality for Education)라고 불리며, 학생들이 스마트폰으로 VR 안경을 사용하는 플랫폼으로 제안됩니다(즉, 특별한 VR 안경을 사용하지 않음). 혼합 현실 시스템인 가상 및 실제 개체를 사용하기 때문에 학생들이 자신의 손을 사용하여 가상 환경 및 실제 개체와 상호 작용할 수 있는 작업 공간이 만들어집니다. 이 작업 공간은 모든 가상 객체가 표시되고 상호 작용하는 이미지가 있는 베이스로 구성됩니다. 만들어진 환경은 엔지니어링 경력을 위한 전자 부품 및 물리학을 보여주기 위해 실험실 실습을 수행하는 데 중점을 둡니다. 학생들에게 피드백을 제공해야 할 필요성을 강조하는 것이 중요합니다. 이러한 이유로 MRE는 관리자(일반적으로 교사)가 활동을 평가하기 위해 수행되는 작업을 볼 수 있는 피드백 시스템을 통합합니다. 이러한 방식으로 학생이 수행한 작업에 대한 피드백을 제공할 수 있습니다. 마지막으로 온라인 수업에서 MR을 사용할 때 장점이 있는지 확인하는 것이 작업의 범위입니다.
이를 위해 세 그룹의 학생들과 함께 실험을 수행했습니다. 각 그룹은 10명의 학생(총 30명)으로 구성되었습니다. 첫 번째 그룹은 MRE를 사용하지 않고 운동량 보존 원리와 전자 부품에 대한 이론(온라인 수업)만 수강했습니다. 두 번째 그룹은 피드백 없이 MRE를 사용했고, 세 번째 그룹은 교사의 피드백과 함께 MRE를 사용했습니다. 모든 학생들이 동일한 학교 수준을 가지고 있다는 점을 언급하는 것이 중요합니다. 그들은 같은 학기에 같은 직업을 가진 대학생으로 메카트로닉스 공학을 공부하고 있습니다. 실험은 학위 2학기에 물리학 및 전자 입문이라는 단일 과정에 적용되었습니다. 즉, 학생들이 대학에 다닌 지 1년 미만이었습니다. 따라서 수업에서 다루는 주제는 엔지니어링 관점에서 기본으로 간주될 수 있습니다. 실험은 30명의 학생을 대상으로 수행되었는데, 이는 실험이 승인된 수업에 등록한 학생 수였기 때문입니다. 선정된 수업(물리학 및 전자공학 입문)은 이론 및 실습이 있었지만 팬데믹으로 인해 이론 수업만 진행되었습니다. 학생들은 실습이 일반 학습에 미치는 영향과 MR 수업이 대면 실습을 대체할 수 있는지 알아보기 위해 세 그룹으로 나뉘었습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
MRE 시스템을 통해 학생들은 전자 부품 또는 물리학 주제에 대해 배울 수 있는 다양한 시나리오를 사용할 수 있습니다. 중요한 점은 교사가 피드백을 제공할 수 있다는 것입니다. 이런 식으로 학생들은 자신이 무엇을 잘못했고 왜 잘못했는지 알 수 있습니다. MRE 시스템이 개발됨에 따라 30명의 학생을 대상으로 실험을 수행했는데, 10명의 학생은 MRE를 사용하지 않았고, 10명은 MRE를 사용했으며, 마지?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 Panamerican University Guadalajara 캠퍼스의 후원을 받았습니다. 실험에 기여해 주신 메카트로닉스 공학과 학생들에게 감사드립니다.
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) |
Referencias
- 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).
