Mixed Reality for Education (MRE) の実装とエンジニアリングのオンライン クラスの結果

Summary

この作業では、MREと呼ばれる複合現実システムが開発され、学生がオンラインクラスを補完する実験室での実践を開発できるようにしました。実験は30人の学生で行われました。10人の生徒がMREを使用しておらず、10人がMREを使用し、さらに10人が教師のフィードバックを受けてMREを使用していました。

Abstract

COVID-19のパンデミックは多くの業界を変え、一部のセクターに力を与え、他の多くのセクターを消滅させました。教育部門も大きな変化を免れることはできません。一部の国や都市では、少なくとも1年間、授業は100%オンラインで行われました。ただし、一部の大学のキャリアでは、特に工学分野での学習を補完するために実験室での実践が必要であり、オンラインで理論的なレッスンのみを行うと、知識に影響を与える可能性があります。このため、この作業では、教育用複合現実 (MRE) と呼ばれる複合現実システムを開発し、学生がオンライン クラスを補完する実験室の実践を開発できるようにしました。実験は30人の学生で行われました。10人の生徒がMREを使用しておらず、10人がMREを使用し、さらに10人が教師のフィードバックを受けてMREを使用していました。これにより、教育部門における複合現実の利点を確認できます。結果は、MREの使用が工学科目の知識の向上に役立つことを示しています。学生は、それを使用しなかった学生よりも10%から20%良い成績で資格を取得しました。とりわけ、この結果は、バーチャルリアリティシステムを使用する際のフィードバックの重要性を示しています。

Introduction

テクノロジーは教育分野に常に存在しています。授業に使われる機器に大きな変化が起きています。ただし、対面式のクラスは、学生と教師にとって依然として好ましいオプションです。パンデミックが起こったとき、それはすべての分野を変えましたが、教育も例外ではありませんでした。パンデミック前の2018年には、学位を取得した学生の35%のみが少なくとも1つのクラスをオンラインで受講したと報告していました。つまり、学生の65%が対面¹で学習を完了しました。2020年4月現在、政府の命令(メキシコ)により、すべての公立および私立学校は対面授業を禁止されました。このため、100%の学生が遠隔授業を受講する必要がありました。大学は、ビデオ通話、授業の準備、宿題の管理などのツールを使って、いち早く行動を起こしました。大学生(18歳から25歳)の人々は、生まれたときからテクノロジーに触れてきた人々であるため、これは理にかなっています。

一部のクラスは、仮想的に完全に適応できます。しかし、実験室での実習はリモートで行うには複雑であり、学生は必要な資料を持っていないため、多くの場合、費用がかかります。オンライン授業が知識の質に与える影響は不明であり、いくつかの研究によると、オンライン授業は一般的に対面授業よりも学生の成績が悪い^{ことがわかっています2。}しかし、1つ確かなことは、学生が業界で経験することに近づく実験室での実践を行わないことは、彼らの専門的なパフォーマンスに悪影響を与えるということです。したがって、現在の工学教育では、実物大の経験の重要性が必要になります^3,4,5。これらの理由から、これらの問題を軽減するために新しいテクノロジーが使用されています。その中には、仮想現実(VR)、拡張現実(AR)、複合現実(MR)があります。VRは完全に没入型のデジタル環境を作成できる技術であるのに対し、ARは現実世界の環境に仮想オブジェクトをオーバーレイする技術であることに言及することが重要です。一方、MRは仮想オブジェクトを使用するだけでなく、これらのオブジェクトを現実世界に固定することで、それらと対話することを可能にします。したがって、MRはVRと^AR6の組み合わせです。一方、一部の組織では、実際の機器が存在するが、リモートで制御できるリモートラボの開発にも取り組みています⁷。

MRという用語は1994年にさかのぼります。しかし、過去5年間で、メタバース⁶などの開発環境に力を注いできた大企業のおかげで、特別な重要性を帯びてきました。MRはさまざまな分野に適用できます。最も一般的なのは、トレーニングと教育の2つです。トレーニングはMRの大きな推進力の1つです。新入社員の教育や危険な環境下で生産ラインを止めることは、企業にとって非常に費用がかかり、現場での研修は容易ではありません。教育もそれほど遅れてはいません。対面授業はほとんど変わっていませんが、授業にMRを取り入れる努力は大いにあります^8,9。教育のために、完全なトレーニングを受けるために実験室の実践を行う必要がある専門的なキャリアがあります。医療分野では既存の研究や研究が多く行われており、VR、AR、MRが重要な役割を果たしています。複数の論文は、MRが外科および医学科目における従来の教授法をどのように凌駕しているかを示しており、その実践は学生を育成するための明らかな利点です¹⁰、11^、12、^13、14。

しかし、工学的な問題に関する研究はそれほど多くありません。通常、エンジニアリングのキャリアでは、学生は理論のクラスを実践によって補完します。このように、MRとVRに関する研究は、工学教育学における利点を示しています¹²。ただし、これらの研究のいくつかは、環境の複雑さと使用されるツールの分析に焦点を当てています^8,15。Tangらは、さまざまな分野の異なる知識を持つ学生がMRを使用して、幾何学的分析と創造性の理解を深める研究を考案しました¹⁶。その後のテストでは、MRを使用してクラスを受講した人はより早く終了し、MRが学習にプラスの影響を与えることが明らかになりました¹⁶。さらに、Halabi氏は、工学教育におけるVRツールの使用を示しました。MRではありませんが、教育に使える道具を紹介しています。工学の授業にVRを導入することが可能であることを示すための実際のケーススタディになります¹⁷。

一方、リモートラボ(RL)は、ソフトウェアとハードウェアで構成される技術ツールであり、学生は従来の研究室にいるかのようにリモートで練習を行うことができます。RLは通常、インターネットを介してアクセスされ、通常、学生が¹⁸回必要な回数だけ学習したことを自律的に実践する必要がある場合に使用されます。しかし、COVID-19の到来により、その使用は従来の実験室に取って代わり、オンラインクラス¹⁸中に練習を実施できるようにすることでした。前述したように、RLには物理的な空間(従来の実験室)と、リモートで制御できる要素が必要です。VRの登場により、実験室は仮想的にモデル化され、物理的なメカニズムを通じて、実験室の要素を制御することができます¹⁹。しかし、RLを持つことは非常に費用がかかり、特に発展途上国の多くの学校を妨げています。いくつかの研究では、費用は50,000ドルから100,000ドルの間で変動する可能性があると述べています^20,21。

さらに、パンデミックが始まって以来、迅速に変更を行う必要がありました。RLの場合、従来の実験室を置き換えるために、各学生の自宅にキットを送る試みが行われました。しかし、研究によると、各キットの価格は約700ドル^18,22であることが示されていたため、コストの問題がありました。それにもかかわらず、これらの研究では高価で入手が困難な成分が用いられていた。パンデミックは世界中の教育に影響を与え、ラボの自動化やキットの購入に数千ドルを費やすことができる人は多くありません。ほとんどの研究は、対面式のクラスを考慮し、MRでそれらを補完します。しかし、近年はCOVID-19の影響で授業がオンライン化されており、MRや手ごろな価格のデバイスを使ったバーチャル授業の改善が見られる作品は一部にとどまっている^23,24。

これまでの研究は医学が中心で、工学に関する情報はほとんどありません。しかし、間違いなく、最大の貢献と違いは、私たちの実験が6か月間実施され、仮想モデルを使用しなかった同じ特性を持つ被験者と比較されたことであると考えています。彼らは数ヶ月にわたってそれらを適用しませんでした。そこで、本稿では、大学の科目でMRを使った学習の違いを示す。

このため、本研究は、電子工学を中心とする大学における実験実習の実施に役立つMRシステムの開発と成果を示すものである。デバイスのコストを低く抑え、一般の人々がアクセスできるようにすることに特に重点が置かれていることに言及することが重要です。3つのグループで異なる教授法を使用し、授業のテーマについて試験を行います。このように、MRを用いた遠隔教育のトピックス理解の成果を得ることができる。

本稿で紹介するプロジェクトは、教育向け複合現実(MRE)と呼ばれ、学生がスマートフォンでVRメガネを使用する(つまり、特別なVRメガネは使用しない)プラットフォームとして提案されています。仮想オブジェクトと現実オブジェクト、複合現実システムの使用により、学生が自分の手だけで仮想環境と実際のオブジェクトを操作できるワークスペースが作成されます。このワークスペースは、すべての仮想オブジェクトが表示され、操作される画像を含むベースで構成されています。作成された環境は、エンジニアリングのキャリアのための電子部品と物理学を示すための実験室での実践の実施に焦点を当てています。学生にフィードバックを提供する必要性を強調することが重要です。このため、MREには、管理者(通常は教師)がアクティビティを評価するために何が行われているかを確認できるフィードバックシステムが組み込まれています。このようにして、学生が行った作業にフィードバックを与えることができます。最後に、オンライン授業でMRを利用するメリットがあるかを確認するのが本作業です。

これを達成するために、実験は3つのグループの学生で行われました。各グループ10名(総勢30名)で構成。第1班はMREを使わず、運動量保存原理と電子部品に関する理論(オンライン授業)のみを受講しました。2番目のグループはフィードバックなしでMREを使用し、3番目のグループは教師からのフィードバックでMREを使用しました。すべての生徒が同じ学校レベルを持っていることに言及することが重要です。彼らは同じ学期、同じキャリアの大学生で、メカトロニクス工学を学んでいます。この実験は、学位の2学期に「物理学と電子工学入門」と呼ばれる単一のコースに適用されました。つまり、大学在学1年未満の学生です。したがって、クラスで取り上げるトピックは、工学的観点から基本的なものと見なすことができます。実験は、実験が承認されたクラスに登録した学生の数であったため、30人の学生に対して実施されました。選抜された授業(物理・電子工学概論)は、理論と実験実習がありましたが、パンデミックの影響で、理論の授業のみが行われていました。生徒たちは3つのグループに分かれ、実践が一般的な学習に与える影響と、MRクラスが対面式の実践に代わるものになるかどうかを確認しました。

Protocol

プロトコルは、パンアメリカン大学倫理委員会のガイドラインに従います。実験は、18歳から20歳までの合計30人の学生を対象に行われました。学生は8人、男性は22人で、全員がメキシコのグアダラハラ(メキシコ第2の都市)にあるパンアメリカン大学に通っていました。すべての参加者はインフォームドコンセントプロセスを完了し、データ収集中に写真を撮影および公開することについて書?…

Representative Results

ここでは、実験から得られた結果を示します。まず、実験がどのように行われたかの詳細を説明し、次に実験の学生に実施されたテストを示し、さらにテストの結果を提示します。最後に、各グループの1人の学生を使用した分析について説明します。 パンデミックが工学教育にもたらした最大の問題の1つは、学生が習得する知識に直接影響を与える対面式の実験室実習…

Discussion

MREシステムにより、学生は電子部品や物理学のトピックについて学ぶことができます。重要な点は、教師がフィードバックを提供する可能性です。このようにして、生徒は自分が何を間違えたのか、なぜ間違えたのかを知ることができます。MREシステムを開発した30人の学生を対象に実験を行い、10人の学生がMREを使用し、10人がMREを使用し、最後にさらに10人がMREを使用し、教師からフィー?…

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)