Implementering av Mixed Reality for Education (MRE) och resultat i onlinekurser för teknik

Summary

I detta arbete utvecklades ett mixed reality-system som kallas MRE för att hjälpa eleverna att utveckla laboratoriemetoder som kompletterar onlinekurser. Ett experiment genomfördes med 30 studenter; 10 elever använde inte MRE, 10 använde MRE och ytterligare 10 använde MRE med lärarfeedback.

Abstract

Covid-19-pandemin har förändrat många branscher, stärkt vissa sektorer och fått många andra att försvinna. Utbildningssektorn är inte undantagen från stora förändringar. I vissa länder eller städer undervisades klasser 100 % online i minst 1 år. Vissa universitetskarriärer behöver dock laboratoriepraktik för att komplettera lärandet, särskilt inom ingenjörsområden, och att bara ha teoretiska lektioner online kan påverka deras kunskaper. Av denna anledning utvecklades i detta arbete ett mixed reality-system som kallas mixed reality for education (MRE) för att hjälpa eleverna att utveckla laboratoriemetoder för att komplettera onlinekurser. Ett experiment genomfördes med 30 studenter; 10 elever använde inte MRE, 10 använde MRE och ytterligare 10 använde MRE med lärarfeedback. Med detta kan man se fördelarna med mixad verklighet inom utbildningssektorn. Resultaten visar att användning av MRE bidrar till att förbättra kunskaperna inom tekniska ämnen; Eleverna fick kvalifikationer med betyg som var 10 % till 20 % bättre än de som inte använde det. Framför allt visar resultaten på vikten av feedback vid användning av virtual reality-system.

Introduction

Teknik har alltid varit närvarande inom utbildningssektorn; Genomgripande förändringar har skett i de apparater som används för att undervisa klasser. Lektioner ansikte mot ansikte är dock fortfarande det föredragna alternativet för elever och lärare. När pandemin kom förändrade den alla sektorer, och utbildning var inget undantag. År 2018, före pandemin, rapporterade endast 35 % av studenterna som studerade en examen att de hade tagit minst en lektion online; Det vill säga 65 % av de studerande slutförde sina studier på plats¹. Från och med april 2020 förbjöds alla offentliga och privata skolor att undervisa ansikte mot ansikte genom regeringsbeslut (mexikanskt). Av denna anledning var 100 % av eleverna tvungna att ta distansundervisning. Universiteten var de första som agerade och använde verktyg för videosamtal, förberedelse av lektioner, läxhantering etc. Detta är logiskt, eftersom personer i universitetsåldern (mellan 18 och 25 år) är människor som har varit i kontakt med teknik sedan födseln.

Vissa klasser kan anpassas helt virtuellt; Laborationer är dock komplexa att utföra på distans, och studenterna har inte det nödvändiga materialet, vilket ofta är dyrt. Det är oklart vilken inverkan onlinekurser har på kunskapskvaliteten, och vissa studier visar att onlinekurser i allmänhet ger sämre studentprestationer än personliga kurser². Men en sak är säker, att inte genomföra laboratoriemetoder som för eleverna närmare vad de kommer att uppleva i branschen kommer att påverka deras professionella prestationer negativt. Därför blir vikten av erfarenheter i verklig skala nödvändig i den nuvarande undervisningen i teknik ^3,4,5. Av dessa skäl används ny teknik för att mildra dessa problem. Bland dem finns virtuell verklighet (VR), förstärkt verklighet (AR) och blandad verklighet (MR). Det är viktigt att nämna att VR är en teknik som gör det möjligt att skapa en helt uppslukande digital miljö, medan AR överlagrar virtuella objekt i den verkliga miljön. Å andra sidan använder MR inte bara virtuella objekt, utan förankrar också dessa objekt i den verkliga världen, vilket gör det möjligt att interagera med dem. MR är alltså en kombination av VR och AR⁶. Å andra sidan har vissa organisationer också ansträngt sig för att utveckla fjärrlaboratorier, där verklig utrustning finns men kan fjärrstyras⁷.

Termen MR dateras till 1994; men under de senaste 5 åren har det fått särskild betydelse, tack vare stora företag som har fokuserat sina ansträngningar på att utveckla miljöer, som Metaverse⁶. MR kan tillämpas inom olika områden; Två av de vanligaste är utbildning. Utbildning har varit en av de stora drivkrafterna för MR; Det är mycket dyrt för ett företag att stoppa en produktionslinje för att utbilda nya medarbetare, eller i farliga miljöer, och det är inte lätt att genomföra utbildning på fältet. Utbildningen ligger inte långt efter; Även om de fysiska klasserna har förändrats mycket lite, görs stora ansträngningar för att införliva MR i klasserna ^8,9. För utbildning finns det yrkeskarriärer där det är nödvändigt att utföra laboratoriepraktiker för att få fullständig utbildning. Många befintliga studier och forskning är inom medicin, där VR, AR och MR spelar en nyckelroll. Flera artiklar visar hur MR överträffar traditionella undervisningsmetoder i kirurgiska och medicinska ämnen, där praktiken är en klar fördel för att utveckla studenter 10,11,12,13,14.

Det finns dock inte lika mycket forskning om ingenjörsfrågor. Normalt i ingenjörskarriärer har en student teorilektioner kompletterade med praktik. På så sätt finns det studier om MR och VR som visar på fördelarna inom ingenjörspedagogik¹². Vissa av dessa studier fokuserar dock på att analysera komplexiteten i miljön och de verktyg som används ^8,15. Tang et al. utformade en studie där elever från olika områden och med olika kunskaper använde MR för att förbättra sin förståelse för geometrisk analys och kreativitet¹⁶. I ett efterföljande test blev personer som tog sina lektioner med MR snabbare färdiga, vilket gjorde det tydligt att MR påverkar inlärningen positivt¹⁶. Dessutom visade Halabi användningen av VR-verktyg i ingenjörsutbildningar. Även om det inte är MR visar det verktyg som kan användas för undervisning. Det är en verklig fallstudie för att visa att det är möjligt att införa VR i ingenjörsklass¹⁷.

Å andra sidan är fjärrlaboratorier (RL) tekniska verktyg som består av mjukvara och hårdvara som gör det möjligt för studenter att utföra sina övningar på distans som om de befann sig i ett traditionellt laboratorium. RL nås i allmänhet via internet och används normalt när eleverna måste självständigt omsätta vad de har lärt sig i praktiken så många gånger som de behöver¹⁸. Men med ankomsten av COVID-19 har dess användning varit att ersätta traditionella laboratorier och för att kunna utföra övningar under onlinekurser¹⁸. Som nämnts ovan behöver en RL ett fysiskt utrymme (traditionellt laboratorium) och element som gör att den kan fjärrstyras. Med ankomsten av VR har laboratorier modellerats virtuellt, och genom fysiska mekanismer kan elementen i laboratoriet styras¹⁹. Att ha en RL är dock mycket dyrt, vilket hindrar många skolor, särskilt i utvecklingsländer. Vissa studier nämner att kostnaderna kan variera mellan $50 000 och $100 000^20,21.

Sedan pandemin började har man dessutom varit tvungen att göra snabba förändringar. När det gäller RL gjordes försök att skicka kit till varje elevs hem för att ersätta de traditionella laboratorierna. Det fanns dock ett kostnadsproblem, eftersom studier visade att varje kit kostade cirka $700^18,22. Ändå använde studierna dyra och svåråtkomliga komponenter. Pandemin påverkade utbildning över hela världen, och det var inte många som kunde spendera tusentals dollar på att automatisera ett labb eller köpa ett kit. De flesta studier överväger lektioner ansikte mot ansikte och kompletterar dem med MR. Men under de senaste åren har klasser varit online på grund av COVID-19, och endast vissa arbeten visar förbättringen av virtuella klasser med MR och prisvärda enheter^23,24.

Den forskning som finns hittills är främst inriktad på medicin, med lite information om teknik. Men utan tvekan tror vi att det största bidraget och skillnaden är att vårt experiment utfördes under 6 månader och jämfördes med försökspersoner med samma egenskaper som inte använde virtuella modeller, medan de flesta tidigare arbeten utförde korta experiment för att jämföra enskilda tekniker eller procedurer; De tillämpade dem inte under flera månader. Därför visar denna uppsats på skillnaden i lärande som kan göras med hjälp av MR i ett universitetsämne.

Av denna anledning visar detta arbete utvecklingen och resultaten av ett MR-system för att hjälpa till att utföra laboratoriepraxis vid universitet med fokus på elektronik. Det är viktigt att nämna att särskild vikt läggs vid att hålla kostnaden för enheten låg, vilket gör den tillgänglig för allmänheten. Tre grupper använder olika undervisningsmetoder och en tentamen genomförs om klassens ämnen. På så sätt är det möjligt att få resultat på att förstå ämnena i distansutbildning med hjälp av MR.

Projektet som beskrivs i detta arbete kallas mixed reality for education (MRE) och föreslås som en plattform där eleverna använder VR-glasögon med en smartphone (dvs inga speciella VR-glasögon används). En arbetsyta skapas där eleverna kan interagera med virtuella miljöer och verkliga objekt helt enkelt genom att använda sina egna händer, på grund av användningen av virtuella och verkliga objekt, ett system för mixad verklighet. Den här arbetsytan består av en bas med en bild där alla virtuella objekt visas och interageras med. Den miljö som skapats fokuserar på att genomföra laboratoriepraktiker för att visa elektroniska komponenter och fysik för ingenjörskarriärer. Det är viktigt att lyfta fram behovet av att ge återkoppling till studenterna. Av denna anledning innehåller MRE ett återkopplingssystem där en administratör (vanligtvis läraren) kan se vad som görs för att betygsätta aktiviteten. På så sätt kan man ge respons på det arbete som den studerande har utfört. Slutligen är syftet med detta arbete att kontrollera om det finns fördelar med att använda MR i onlinekurser.

För att uppnå detta genomfördes experimentet med tre grupper av studenter. Varje grupp bestod av 10 elever (totalt 30 elever). Den första gruppen använde inte MRE, utan tog bara teori (onlinekurser) om principen för bevarande av rörelsemängd och elektroniska komponenter. Den andra gruppen använde MRE utan återkoppling och den tredje gruppen använde MRE med återkoppling från en lärare. Det är viktigt att nämna att alla elever har samma skolnivå; De är universitetsstudenter på samma termin och med samma karriär, som studerar mekatronikteknik. Experimentet tillämpades i en enda kurs som heter Introduktion till fysik och elektronik, under andra terminen av examen; Det vill säga att studenterna hade varit på universitetet i mindre än 1 år. Därför kan de ämnen som tas upp i klassen betraktas som grundläggande ur teknisk synvinkel. Experimentet utfördes på 30 elever, eftersom detta var antalet elever som anmälde sig till den klass där experimentet var auktoriserat. Den utvalda klassen (Introduktion till fysik och elektronik) hade teori- och laborationspraktik, men på grund av pandemin undervisades endast teoriklasser. Eleverna delades in i tre grupper för att se vilken inverkan övningarna har på det allmänna lärandet och om MR-klasser kan vara ett substitut för fysiska övningar.

Protocol

Protokollet följer riktlinjerna från Panamerican Universitys etiska kommitté. Experimentet genomfördes med totalt 30 elever, mellan 18 och 20 år; Åtta studenter var kvinnor och 22 var män, och de gick alla på Panamerican University i Guadalajara, Mexiko (den näst största staden i Mexiko). Alla deltagare slutförde processen för informerat samtycke och gav skriftligt tillstånd till att foton togs och publicerades under datainsamlingen. Det enda kravet var att eleverna behövde ha en smart telefon, vilket inte …

Representative Results

I det här avsnittet visas resultaten från experimentet. Först förklaras några detaljer om hur experimentet genomfördes, sedan visas de tester som utförts på eleverna i experimentet, och dessutom presenteras resultaten av testerna. Slutligen beskrivs en analys med en elev från varje grupp. Ett av de största problemen som pandemin medförde för ingenjörsutbildningen var att det inte var möjligt att genomföra laborationer ansikte mot ansikte, vilket har en direkt inverkan på de kun…

Discussion

MRE-systemet tillåter olika scenarier för eleverna att lära sig om elektroniska komponenter eller fysikämnen. En viktig punkt är möjligheten för läraren att ge feedback. På så sätt kan eleverna veta vad de gjorde fel och varför. Med MRE-systemet utvecklat genomfördes ett experiment med 30 elever, där 10 elever inte använde MRE, 10 använde MRE och slutligen ytterligare 10 använde MRE och fick feedback från läraren. I slutet av lektionerna gavs ett allmänt kunskapstest till alla elever. Testet modifiera…

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)