Implementierung von Mixed Reality for Education (MRE) und Ergebnisse in Onlinekursen für Ingenieurwissenschaften

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 Klassen^{8 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 können^20,21.

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-Dollar^{kostete 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 Geräten^23,24.

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.

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 ein…

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 mö…

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 Lehr…

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)