Implementering av blandet virkelighet for utdanning (MRE) og resultater i online klasser for ingeniørfag

Summary

I dette arbeidet ble et blandet virkelighetssystem kalt MRE utviklet for å hjelpe elevene med å utvikle laboratoriepraksis som utfyller online klasser. Et eksperiment ble utført med 30 studenter; 10 elever brukte ikke MRE, 10 brukte MRE, og 10 flere brukte MRE med tilbakemeldinger fra lærere.

Abstract

COVID-19-pandemien har endret mange bransjer, styrket noen sektorer og fått mange andre til å forsvinne. Utdanningssektoren er ikke fritatt for store endringer; I noen land eller byer ble klasser undervist 100% online i minst 1 år. Noen universitetskarrierer trenger imidlertid laboratoriepraksis for å utfylle læring, spesielt innen ingeniørområder, og å ha bare teoretiske leksjoner på nettet kan påvirke deres kunnskap. Av denne grunn ble det i dette arbeidet utviklet et blandet virkelighetssystem kalt blandet virkelighet for utdanning (MRE) for å hjelpe elevene med å utvikle laboratoriepraksis for å utfylle online-klasser. Et eksperiment ble utført med 30 studenter; 10 elever brukte ikke MRE, 10 brukte MRE, og 10 flere brukte MRE med tilbakemeldinger fra lærere. Med dette kan man se fordelene med blandet virkelighet i utdanningssektoren. Resultatene viser at bruk av MRE bidrar til økt kunnskap i ingeniørfag; Studentene oppnådde kvalifikasjoner med karakterer 10% til 20% bedre enn de som ikke brukte den. Fremfor alt viser resultatene viktigheten av tilbakemelding når du bruker virtuelle virkelighetssystemer.

Introduction

Teknologi har alltid vært til stede i utdanningssektoren; Dyptgripende endringer har skjedd i enhetene som brukes til å undervise klasser. Imidlertid forblir ansikt til ansikt klasser det foretrukne alternativet for studenter og lærere. Da pandemien kom, endret den alle sektorer, og utdanning var intet unntak. I 2018, før pandemien, rapporterte bare 35% av studentene som studerte en grad å ha tatt minst en klasse online; Det vil si at 65% av studentene fullførte studiene i^{person 1}. Fra april 2020, etter regjeringsordre (meksikansk), var alle offentlige og private skoler forbudt å undervise ansikt til ansikt klasser; Av denne grunn måtte 100% av studentene ta avstandsklasser. Universiteter var de første som handlet, ved hjelp av verktøy for videosamtaler, forberedelse av klasser, leksestyring, etc. Dette er fornuftig, siden folk i universitetsalderen (mellom 18 og 25 år) er mennesker som har vært i kontakt med teknologi siden fødselen.

Noen klasser kan tilpasses fullt ut virtuelt; Laboratoriepraksis er imidlertid komplisert å utføre eksternt, og studentene har ikke det nødvendige materialet, noe som ofte er dyrt. Virkningen som online klasser har på kvaliteten på kunnskapen er uklar, og noen studier viser at online kurs generelt gir dårligere studentprestasjoner enn personlig kurs². Men en ting er sikkert, ikke å utføre laboratoriepraksis som bringer studentene nærmere det de vil oppleve i bransjen, vil påvirke deres faglige ytelse negativt. Derfor blir betydningen av virkelige erfaringer nødvendig i dagens undervisning i ingeniørfag ^3,4,5. Av disse grunnene blir ny teknologi brukt for å redusere disse problemene. Blant dem er virtuell virkelighet (VR), utvidet virkelighet (AR) og blandet virkelighet (MR). Det er viktig å nevne at VR er en teknologi som gjør det mulig å skape et helt oppslukende digitalt miljø, mens AR overlegger virtuelle objekter i det virkelige miljøet. På den annen side bruker MR ikke bare virtuelle objekter, men forankrer også disse objektene til den virkelige verden, noe som gjør det mulig å samhandle med dem. Dermed er MR en kombinasjon av VR og AR⁶. På den annen side har noen organisasjoner også gjort en innsats for å utvikle eksterne laboratorier, der ekte utstyr eksisterer, men kan styres eksternt⁷.

Begrepet MR dateres til 1994; de siste 5 årene har det imidlertid fått spesiell betydning, takket være store selskaper som har fokusert sin innsats på å utvikle miljøer, for eksempel Metaverse⁶. MR kan brukes på forskjellige områder; To av de vanligste er opplæring og utdanning. Trening har vært en av de store driverne for MR; Det er veldig dyrt for et selskap å stoppe en produksjonslinje for å trene nye ansatte, eller i farlige miljøer, og det er ikke lett å gjennomføre opplæring i feltet. Utdanning er ikke langt bak; Selv om ansikt-til-ansikt-klasser har endret seg svært lite, er det stor innsats for å innlemme MR i klassene ^8,9. For utdanning er det yrkeskarriere der det er nødvendig å utføre laboratoriepraksis for å ha fullstendig opplæring. Mange eksisterende studier og forskning er innen medisin, med VR, AR og MR som spiller en nøkkelrolle. Flere artikler viser hvordan MR overgår tradisjonelle undervisningsmetoder i kirurgiske og medisinske, hvor praksisen er en klar fordel for å utvikle studenter 10,11,12,13,14.

Det er imidlertid ikke samme mengde forskning på tekniske problemer. Normalt i ingeniørkarrierer har en student teoriklasser supplert med praksis. På denne måten er det studier på MR og VR som viser fordelene i ingeniørpedagogikk¹². Noen av disse studiene fokuserer imidlertid på å analysere miljøets kompleksitet og verktøyene som brukes ^8,15. Tang et al. utviklet en studie der studenter fra ulike områder og med ulik kunnskap brukte MR for å forbedre sin forståelse av geometrisk analyse og kreativitet¹⁶. I en påfølgende test fullførte folk som tok sine klasser ved hjelp av MR raskere, noe som gjør det klart at MR positivt påvirker læring¹⁶. Videre viste Halabi bruk av VR-verktøy i ingeniørutdanningen. Selv om det ikke er MR, viser det verktøy som kan brukes til undervisning. Det gjør en reell casestudie for å vise at det er mulig å introdusere VR i ingeniørklasser¹⁷.

På den annen side er eksterne laboratorier (RL) teknologiske verktøy sammensatt av programvare og maskinvare som lar elevene eksternt utføre sin praksis som om de var i et tradisjonelt laboratorium. RL-er er vanligvis tilgjengelige via internett, og brukes vanligvis når studentene må selvstendig praktisere det de har lært så mange ganger som de krever¹⁸. Imidlertid, med ankomsten av COVID-19, har bruken vært å erstatte tradisjonelle laboratorier og å kunne utføre praksis under online klasser¹⁸. Som nevnt ovenfor trenger en RL et fysisk rom (tradisjonelt laboratorium) og elementer som gjør at det kan fjernstyres. Med ankomsten av VR har laboratorier blitt modellert virtuelt, og gjennom fysiske mekanismer kan elementene i laboratoriet styres¹⁹. Å ha en RL er imidlertid veldig dyrt, og hindrer mange skoler, spesielt i utviklingsland. Noen studier nevner at kostnadene kan variere mellom $ 50,000 og $ 100,000^20,21.

Siden pandemien startet, har dessuten endringer måttet gjøres raskt; Når det gjelder RL, ble det forsøkt å sende sett til hver elevs hjem for å erstatte de tradisjonelle laboratoriene. Det var imidlertid et kostnadsproblem, da studier viste at hvert sett kostet rundt $^{700 18,22}. Likevel brukte studiene dyre og vanskelige å få tak i komponenter. Pandemien påvirket utdanning over hele verden, og ikke mange mennesker kunne bruke tusenvis av dollar for å automatisere et laboratorium eller kjøpe et sett. De fleste studier vurderer ansikt til ansikt klasser og utfyller dem med MR. Imidlertid har klassene de siste årene vært online på grunn av COVID-19, og bare noen arbeider viser forbedring av virtuelle klasser ved hjelp av MR og rimelige enheter^23,24.

Forskningen som eksisterer så langt er hovedsakelig fokusert på medisin, med lite informasjon om ingeniørfag. Vi tror imidlertid uten tvil at det største bidraget og forskjellen er at eksperimentet vårt ble utført i 6 måneder og ble sammenlignet med personer med samme egenskaper som ikke brukte virtuelle modeller, mens de fleste tidligere arbeider utførte korte eksperimenter for å sammenligne enkeltteknologier eller prosedyrer; De brukte dem ikke over flere måneder. Derfor viser denne artikkelen forskjellen i læring som kan gjøres ved hjelp av MR i et universitetsfag.

Av denne grunn viser dette arbeidet utviklingen og resultatene av et MR-system for å bidra til å utføre laboratoriepraksis på universiteter med fokus på elektronisk prosjektering. Det er viktig å nevne at det legges spesiell vekt på å holde kostnadene for enheten lave, noe som gjør den tilgjengelig for befolkningen generelt. Tre grupper bruker ulike undervisningsformer, og det gjennomføres eksamen på klassens temaer. På denne måten er det mulig å oppnå resultater på å forstå temaene i fjernundervisning ved hjelp av MR.

Prosjektet forklart i dette arbeidet kalles blandet virkelighet for utdanning (MRE) og er foreslått som en plattform der elevene bruker VR-briller med en smarttelefon (dvs. ingen spesielle VR-briller brukes). Et arbeidsområde er opprettet der elevene kan samhandle med virtuelle miljøer og virkelige objekter ganske enkelt ved å bruke egne hender, på grunn av bruk av virtuelle og virkelige objekter, et blandet virkelighetssystem. Dette arbeidsområdet består av en base med et bilde der alle de virtuelle objektene vises og samhandles med. Miljøet opprettet fokuserer på å gjennomføre laboratoriepraksis for å vise elektroniske komponenter og fysikk for ingeniørkarrierer. Det er viktig å synliggjøre behovet for å gi tilbakemeldinger til studentene. Av denne grunn inkorporerer MRE et tilbakemeldingssystem der en administrator (normalt læreren) kan se hva som blir gjort for å rangere aktiviteten. På denne måten kan det gis tilbakemelding på arbeidet som er gjort av studenten. Til slutt er omfanget av dette arbeidet å sjekke om det er fordeler ved å bruke MR i online klasser.

For å oppnå dette ble eksperimentet utført med tre grupper studenter. Hver gruppe besto av 10 studenter (30 studenter totalt). Den første gruppen brukte ikke MRE, bare tok teori (online klasser) på momentumbevaringsprinsippet og elektroniske komponenter. Den andre gruppen brukte MRE uten tilbakemelding, og den tredje gruppen brukte MRE med tilbakemelding fra en lærer. Det er viktig å nevne at alle elever har samme skolenivå; De er universitetsstudenter i samme semester og med samme karriere, studerer mekatronikk engineering. Eksperimentet ble brukt i et enkelt kurs kalt Introduksjon til fysikk og elektronikk, i andre semester av graden; Det vil si at studentene hadde vært på universitetet i mindre enn 1 år. Derfor kan emnene som dekkes i klassen betraktes som grunnleggende fra et teknisk synspunkt. Forsøket ble utført på 30 studenter, da dette var antall studenter som meldte seg på klassen der eksperimentet ble autorisert. Den utvalgte klassen (Introduksjon til fysikk og elektronikk) hadde teori og laboratoriepraksis, men på grunn av pandemien ble det bare undervist i teoriklasser. Studentene ble delt inn i tre grupper for å se hvilken innvirkning praksisene har på generell læring og om MR-klasser kunne være en erstatning for ansikt til ansikt.

Protocol

Protokollen følger retningslinjene til Panamerican University etiske komité. Eksperimentet ble gjennomført med totalt 30 studenter, mellom 18 og 20 år; åtte studenter var kvinner og 22 var menn, og de gikk alle på Panamerican University i Guadalajara, Mexico (den nest største byen i Mexico). Alle deltakerne fullførte prosessen for informert samtykke og ga skriftlig tillatelse til at bilder ble tatt og publisert under datainnsamlingen. Det eneste kravet var at elevene måtte ha en smarttelefon, noe som ikke var no…

Representative Results

Denne delen viser resultatene oppnådd fra eksperimentet. Først forklares noen detaljer om hvordan eksperimentet ble utført, deretter vises testene som ble utført på forsøkets studenter, og i tillegg presenteres resultatene av testene. Til slutt beskrives en analyse med en student fra hver gruppe. Et av de største problemene som pandemien førte til ingeniørutdanningen var at det ikke var mulig å gjennomføre laboratoriepraksis ansikt til ansikt, noe som har en direkte innvirkning på …

Discussion

MRE-systemet tillater ulike scenarier for studenter å lære om elektroniske komponenter eller fysikkemner. Et viktig poeng er muligheten for at læreren gir tilbakemelding. På denne måten kan elevene vite hva de gjorde galt og hvorfor. Med MRE-systemet utviklet ble det gjennomført et eksperiment med 30 studenter, hvor 10 studenter ikke brukte MRE, 10 brukte MRE, og til slutt brukte ytterligere 10 MRE og fikk tilbakemelding fra læreren. På slutten av klassene ble det gitt en generell kunnskapstest til alle elevene. …

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)