Implementazione e risultati della realtà mista per l'istruzione (MRE) nelle lezioni online per l'ingegneria

Summary

In questo lavoro, è stato sviluppato un sistema di realtà mista chiamato MRE per aiutare gli studenti a sviluppare pratiche di laboratorio complementari alle lezioni online. È stato condotto un esperimento con 30 studenti; 10 studenti non hanno utilizzato MRE, 10 hanno utilizzato MRE e altri 10 hanno utilizzato MRE con il feedback degli insegnanti.

Abstract

La pandemia di COVID-19 ha cambiato molti settori, potenziandone alcuni e facendone scomparire molti altri. Il settore dell’istruzione non è esente da grandi cambiamenti; In alcuni paesi o città, le lezioni sono state tenute al 100% online per almeno 1 anno. Tuttavia, alcune carriere universitarie hanno bisogno di pratiche di laboratorio per integrare l’apprendimento, soprattutto nelle aree ingegneristiche, e avere solo lezioni teoriche online potrebbe influire sulle loro conoscenze. Per questo motivo, in questo lavoro, è stato sviluppato un sistema di realtà mista chiamato mixed reality for education (MRE) per aiutare gli studenti a sviluppare pratiche di laboratorio a complemento delle lezioni online. È stato condotto un esperimento con 30 studenti; 10 studenti non hanno utilizzato MRE, 10 hanno utilizzato MRE e altri 10 hanno utilizzato MRE con il feedback degli insegnanti. Con questo, si possono vedere i vantaggi della realtà mista nel settore dell’istruzione. I risultati mostrano che l’uso di MRE aiuta a migliorare le conoscenze nelle materie ingegneristiche; Gli studenti hanno ottenuto qualifiche con voti dal 10% al 20% migliori rispetto a quelli che non ne hanno usufruito. Soprattutto, i risultati mostrano l’importanza del feedback quando si utilizzano sistemi di realtà virtuale.

Introduction

La tecnologia è sempre stata presente nel settore dell’istruzione; Si sono verificati profondi cambiamenti nei dispositivi utilizzati per insegnare in classe. Tuttavia, le lezioni in presenza rimangono l’opzione preferita da studenti e insegnanti. Quando è arrivata la pandemia, ha cambiato tutti i settori e l’istruzione non ha fatto eccezione. Nel 2018, prima della pandemia, solo il 35% degli studenti che studiavano una laurea dichiarava di aver seguito almeno una lezione online; Cioè, il 65% degli studenti ha completato gli studi in presenza¹. A partire da aprile 2020, per ordine del governo (messicano), a tutte le scuole pubbliche e private è stato vietato di tenere lezioni in presenza; Per questo motivo, il 100% degli studenti ha dovuto seguire lezioni a distanza. Le università sono state le prime ad agire, utilizzando strumenti per le videochiamate, la preparazione delle lezioni, la gestione dei compiti, ecc. Questo ha senso, dal momento che le persone in età universitaria (tra i 18 e i 25 anni) sono persone che sono state a contatto con la tecnologia fin dalla nascita.

Alcune classi possono essere completamente adattate virtualmente; Tuttavia, le pratiche di laboratorio sono complesse da svolgere a distanza e gli studenti non dispongono del materiale necessario, spesso costoso. L’impatto che le lezioni online hanno sulla qualità della conoscenza non è chiaro e alcuni studi dimostrano che i corsi online generalmente producono prestazioni peggiori degli studenti rispetto ai corsi di persona². Ma una cosa è certa, non svolgere pratiche di laboratorio che avvicinino gli studenti a ciò che sperimenteranno nel settore influirà negativamente sulle loro prestazioni professionali. Pertanto, l’importanza delle esperienze su scala reale diventa necessaria nell’attuale insegnamento dell’ingegneria ^3,4,5. Per questi motivi, le nuove tecnologie vengono utilizzate per mitigare questi problemi. Tra questi ci sono la realtà virtuale (VR), la realtà aumentata (AR) e la realtà mista (MR). È importante ricordare che la VR è una tecnologia che consente la creazione di un ambiente digitale totalmente immersivo, mentre l’AR sovrappone oggetti virtuali nell’ambiente del mondo reale. D’altra parte, la MR non utilizza solo oggetti virtuali, ma li àncora anche al mondo reale, rendendo possibile l’interazione con essi. Pertanto, MR è una combinazione di VR e AR⁶. D’altra parte, alcune organizzazioni si sono anche sforzate di sviluppare laboratori remoti, in cui esistono apparecchiature reali ma possono essere controllate a distanza⁷.

Il termine MR risale al 1994; tuttavia, negli ultimi 5 anni, ha assunto un’importanza particolare, grazie a grandi aziende che hanno concentrato i loro sforzi sullo sviluppo di ambienti, come il Metaverso⁶. La risonanza magnetica può essere applicata in diverse aree; Due dei più comuni sono la formazione e l’istruzione. La formazione è stata uno dei grandi motori della MR; È molto costoso per un’azienda fermare una linea di produzione per formare nuovi dipendenti, o in ambienti pericolosi, e non è facile svolgere la formazione sul campo. L’istruzione non è da meno; sebbene le lezioni in presenza siano cambiate molto poco, ci sono grandi sforzi per incorporare la MR nelle classi ^8,9. Per la formazione, ci sono carriere professionali in cui è necessario svolgere pratiche di laboratorio per avere una formazione completa. Molti studi e ricerche esistenti riguardano la medicina, con VR, AR e MR che svolgono un ruolo chiave. Diversi articoli mostrano come la MR superi i metodi di insegnamento tradizionali nelle materie chirurgiche e mediche, dove la pratica è un chiaro vantaggio per gli studenti in via di sviluppo 10,11,12,13,14.

Tuttavia, non c’è la stessa quantità di ricerca su questioni ingegneristiche. Normalmente nelle carriere ingegneristiche, uno studente ha lezioni teoriche integrate da pratiche. In questo modo, ci sono studi su MR e VR che mostrano i benefici nella pedagogia ingegneristica¹². Tuttavia, alcuni di questi studi si concentrano sull’analisi della complessità dell’ambiente e degli strumenti utilizzati ^8,15. Tang et al. hanno ideato uno studio in cui studenti provenienti da diverse aree e con diverse conoscenze hanno utilizzato la MR per migliorare la loro comprensione dell’analisi geometrica e della creatività¹⁶. In un test successivo, le persone che hanno seguito le loro lezioni utilizzando la RM hanno terminato più velocemente, chiarendo che la MR influisce positivamente sull’apprendimento¹⁶. Inoltre, Halabi ha mostrato l’uso di strumenti VR nell’educazione ingegneristica. Sebbene non sia MR, mostra gli strumenti che possono essere utilizzati per l’insegnamento. Si tratta di un caso di studio reale per dimostrare che è possibile introdurre la realtà virtuale nelle classi^{di ingegneria 17}.

D’altra parte, i laboratori a distanza (RL) sono strumenti tecnologici composti da software e hardware che consentono agli studenti di svolgere a distanza le loro pratiche come se fossero in un laboratorio tradizionale. Le RV sono generalmente accessibili tramite Internet, e sono normalmente utilizzate quando gli studenti sono chiamati a mettere in pratica autonomamente ciò che hanno imparato tutte le volte che ne hanno bisogno¹⁸. Tuttavia, con l’arrivo del COVID-19, il suo utilizzo è stato quello di sostituire i laboratori tradizionali e di poter svolgere pratiche durante le lezioni online¹⁸. Come accennato in precedenza, una RL ha bisogno di uno spazio fisico (laboratorio tradizionale) e di elementi che ne permettano il controllo da remoto. Con l’arrivo della realtà virtuale, i laboratori sono stati modellati virtualmente e, attraverso meccanismi fisici, gli elementi del laboratorio possono essere controllati¹⁹. Tuttavia, avere una RL è molto costoso, ostacolando molte scuole soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Alcuni studi menzionano che i costi possono variare tra $ 50,000 e $ 100,000^20,21.

Inoltre, dall’inizio della pandemia, è stato necessario apportare rapidamente dei cambiamenti; nel caso delle RL si è cercato di inviare kit a domicilio di ogni studente in sostituzione dei laboratori tradizionali. Tuttavia, c’era un problema di costi, poiché gli studi hanno dimostrato che ogni kit costava circa $ 700^18,22. Ciononostante, gli studi hanno utilizzato componenti costosi e difficili da ottenere. La pandemia ha colpito l’istruzione in tutto il mondo e non molte persone hanno potuto spendere migliaia di dollari per automatizzare un laboratorio o acquistare un kit. La maggior parte degli studi prende in considerazione le lezioni faccia a faccia e le integra con la risonanza magnetica. Tuttavia, negli ultimi anni, le lezioni sono state online a causa del COVID-19 e solo alcuni lavori mostrano il miglioramento delle classi virtuali utilizzando MR e dispositivi a prezzi accessibili^23,24.

La ricerca che esiste finora si concentra principalmente sulla medicina, con poche informazioni sull’ingegneria. Tuttavia, senza dubbio, riteniamo che il contributo e la differenza maggiore sia che il nostro esperimento è stato condotto per 6 mesi ed è stato confrontato con soggetti con le stesse caratteristiche che non utilizzavano modelli virtuali, mentre la maggior parte dei lavori precedenti ha svolto brevi esperimenti per confrontare singole tecnologie o procedure; Non li hanno applicati per diversi mesi. Pertanto, questo documento mostra la differenza nell’apprendimento che può essere fatta utilizzando la RM in una materia universitaria.

Per questo motivo, questo lavoro mostra lo sviluppo e i risultati di un sistema di risonanza magnetica per aiutare a svolgere pratiche di laboratorio nelle università incentrate sull’ingegneria elettronica. È importante ricordare che viene posta particolare enfasi sul mantenimento del costo del dispositivo, rendendolo accessibile alla popolazione generale. Tre gruppi utilizzano metodi di insegnamento diversi e viene condotto un esame sugli argomenti del corso. In questo modo, è possibile ottenere risultati sulla comprensione degli argomenti della formazione a distanza utilizzando la MR.

Il progetto spiegato in questo lavoro si chiama mixed reality for education (MRE) e si propone come una piattaforma in cui gli studenti utilizzano occhiali VR con uno smartphone (cioè non vengono utilizzati occhiali VR speciali). Viene creato uno spazio di lavoro in cui gli studenti possono interagire con ambienti virtuali e oggetti reali semplicemente utilizzando le proprie mani, grazie all’uso di oggetti virtuali e reali, un sistema di realtà mista. Questo spazio di lavoro è costituito da una base con un’immagine in cui vengono visualizzati e interagiti tutti gli oggetti virtuali. L’ambiente creato si concentra sulla conduzione di pratiche di laboratorio per mostrare componenti elettronici e fisica per le carriere ingegneristiche. È importante sottolineare la necessità di fornire un feedback agli studenti. Per questo motivo, MRE incorpora un sistema di feedback in cui un amministratore (normalmente l’insegnante) può vedere cosa viene fatto per valutare l’attività. In questo modo è possibile dare un feedback sul lavoro svolto dallo studente. Infine, lo scopo di questo lavoro è quello di verificare se ci sono vantaggi nell’utilizzo della MR nelle lezioni online.

Per raggiungere questo obiettivo, l’esperimento è stato condotto con tre gruppi di studenti. Ogni gruppo era composto da 10 studenti (30 studenti in totale). Il primo gruppo non ha utilizzato l’MRE, ma ha seguito solo lezioni teoriche (online) sul principio di conservazione della quantità di moto e sui componenti elettronici. Il secondo gruppo ha utilizzato l’MRE senza feedback e il terzo gruppo ha utilizzato l’MRE con il feedback di un insegnante. È importante ricordare che tutti gli studenti hanno lo stesso livello scolastico; Sono studenti universitari nello stesso semestre e con la stessa carriera, che studiano ingegneria meccatronica. L’esperimento è stato applicato in un unico corso denominato Introduzione alla Fisica e all’Elettronica, nel secondo semestre del corso di laurea; cioè, gli studenti erano stati all’università per meno di 1 anno. Pertanto, gli argomenti trattati nel corso possono essere considerati di base dal punto di vista ingegneristico. L’esperimento è stato condotto su 30 studenti, in quanto questo era il numero di studenti iscritti alla classe in cui l’esperimento era stato autorizzato. La classe selezionata (Introduzione alla fisica e all’elettronica) aveva teoria e pratiche di laboratorio, ma a causa della pandemia, venivano insegnate solo lezioni di teoria. Gli studenti sono stati divisi in tre gruppi per vedere l’impatto che le pratiche hanno sull’apprendimento generale e se le lezioni di MR potessero essere un sostituto delle pratiche faccia a faccia.

Protocol

Il protocollo segue le linee guida del comitato etico dell’Università Panamericana. L’esperimento è stato condotto su un totale di 30 studenti, tra i 18 e i 20 anni; otto studenti erano femmine e 22 erano maschi, e tutti frequentavano l’Università Panamericana di Guadalajara, in Messico (la seconda città più grande del Messico). Tutti i partecipanti hanno completato il processo di consenso informato e hanno fornito l’autorizzazione scritta per lo scatto e la pubblicazione delle foto durante la raccolta dei dati. L’u…

Representative Results

In questa sezione vengono illustrati i risultati ottenuti dall’esperimento. Per prima cosa vengono spiegati alcuni dettagli di come è stato condotto l’esperimento, poi vengono mostrati i test effettuati sugli studenti dell’esperimento e, inoltre, vengono presentati i risultati dei test. Infine, viene descritta un’analisi che utilizza uno studente di ciascun gruppo. Uno dei maggiori problemi che la pandemia ha portato alla formazione ingegneristica è stato l’impossibilità di svolgere pratich…

Discussion

Il sistema MRE consente agli studenti di conoscere diversi scenari sui componenti elettronici o su argomenti di fisica. Un punto importante è la possibilità che l’insegnante fornisca un feedback. In questo modo, gli studenti possono sapere cosa hanno sbagliato e perché. Con il sistema MRE sviluppato, è stato condotto un esperimento con 30 studenti, in cui 10 studenti non hanno utilizzato MRE, 10 hanno utilizzato MRE e infine altri 10 hanno utilizzato MRE e hanno ricevuto un feedback dall’insegnante. Al termine delle …

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)