混合现实教育 （MRE） 在工程在线课程中的实施和结果

Summary

在这项工作中，开发了一个名为MRE的混合现实系统，以帮助学生开发实验室实践，以补充在线课程。对 30 名学生进行了实验;10 名学生没有使用 MRE，10 名学生使用了 MRE，另有 10 名学生在教师反馈的情况下使用了 MRE。

Abstract

COVID-19 大流行改变了许多行业，赋予了一些行业权力，并导致许多其他行业消失。教育部门也不能免于重大变化;在一些国家或城市，课程至少 100% 在线授课至少 1 年。然而，一些大学职业需要实验室实践来补充学习，尤其是在工程领域，而只有在线理论课程可能会影响他们的知识。出于这个原因，在这项工作中，开发了一种称为混合现实教育 （MRE） 的混合现实系统，以帮助学生开发实验室实践以补充在线课程。对 30 名学生进行了实验;10 名学生没有使用 MRE，10 名学生使用了 MRE，另有 10 名学生在教师反馈的情况下使用了 MRE。有了这个，人们可以看到混合现实在教育领域的优势。结果表明，使用MRE有助于提高工程学科的知识水平;学生获得的资格比没有使用它的学生高 10% 到 20%。最重要的是，结果显示了使用虚拟现实系统时反馈的重要性。

Introduction

技术一直存在于教育领域;用于教学课程的设备发生了深刻的变化。然而，面对面的课程仍然是学生和教师的首选。当大流行来临时，它改变了所有部门，教育也不例外。2018 年，在大流行之前，只有 35% 的攻读学位的学生报告至少在线上过一门课;也就是说，65% 的学生亲自完成了学业¹.截至 2020 年 4 月，根据政府命令（墨西哥），所有公立和私立学校都被禁止教授面对面课程;出于这个原因，100%的学生不得不参加远程课程。大学率先采取行动，使用视频通话、备课、家庭作业管理等工具。这是有道理的，因为大学年龄的人（18 到 25 岁之间）是从出生起就接触技术的人。

有些课程可以完全虚拟地适应;然而，远程执行的实验室实践很复杂，学生没有必要的材料，这通常很昂贵。在线课程对知识质量的影响尚不清楚，一些研究表明，在线课程的学生表现通常比面对面课程更差².但有一点是肯定的，不进行实验室实践，使学生更接近他们在行业中的体验，将对他们的专业表现产生负面影响。因此，在当前的工程教学中，真实规模经验的重要性变得必要 ^3,4,5。由于这些原因，人们正在使用新技术来缓解这些问题。其中包括虚拟现实 （VR）、增强现实 （AR） 和混合现实 （MR）。值得一提的是，VR是一种允许创建完全身临其境的数字环境的技术，而AR则将虚拟对象叠加在现实世界环境中。另一方面，MR不仅使用虚拟对象，还将这些对象锚定到现实世界中，从而可以与它们进行交互。因此，MR 是 VR 和 AR⁶ 的结合。另一方面，一些组织也努力发展远程实验室，其中存在真实设备，但可以远程控制⁷.

MR 一词可以追溯到 1994 年;然而，在过去的 5 年里，由于大公司将精力集中在开发环境上，例如 Metaverse⁶，它变得特别重要。MR可以应用于不同的领域;最常见的两种是培训和教育。培训一直是MR的重要驱动力之一;对于一家公司来说，停止生产线培训新员工的成本非常高，或者在危险的环境中，而且在现场进行培训并不容易。教育也不甘落后;尽管面授课程变化不大，但正在努力将 MR 纳入^8、9 级。对于教育，在一些职业生涯中，有必要进行实验室实践以接受完整的培训。许多现有的研究和研究都是在医学领域，VR、AR和MR发挥着关键作用。多篇论文展示了MR如何超越外科和医学科目的传统教学方法，其中这种做法对于培养学生具有明显的优势10,11,12,13,14。

然而，关于工程问题的研究数量并不相同。通常在工程职业中，学生有理论课和实践课。通过这种方式，有关于 MR 和 VR 的研究显示了工程教学法的好处¹².然而，其中一些研究侧重于分析环境的复杂性和所使用的工具 ^8,15。Tang 等人设计了一项研究，让来自不同领域和不同知识的学生使用 MR 来提高他们对几何分析和创造力的理解¹⁶。在随后的测试中，使用 MR 上课的人完成得更快，这清楚地表明 MR 对学习有积极影响¹⁶。此外，Halabi还展示了VR工具在工程教育中的应用。虽然它不是MR，但它显示了可用于教学的工具。它做了一个真实的案例研究，表明在工程类¹⁷ 中引入 VR 是可能的。

另一方面，远程实验室 （RL） 是由软件和硬件组成的技术工具，允许学生像在传统实验室中一样远程进行实践。RL 通常通过互联网访问，通常用于要求学生自主实践他们所学知识的次数，就像他们需要的次数一样多¹⁸.然而，随着 COVID-19 的到来，它的用途是取代传统实验室并能够在在线课程¹⁸ 期间进行实践。如上所述，RL需要一个物理空间（传统实验室）和允许远程控制的元素。随着VR的到来，实验室已经进行了虚拟建模，通过物理机制，可以控制实验室的元素¹⁹。然而，拥有RL非常昂贵，阻碍了许多学校，特别是在发展中国家。一些研究提到，成本可能在 50,000 美元到 100,000 美元之间变化^20,21.

此外，自大流行开始以来，必须迅速做出改变;就RL而言，尝试将工具包发送到每个学生的家中，以取代传统的实验室。然而，存在成本问题，因为研究表明，每个套件的成本约为 700^18,22 美元。然而，这些研究使用了昂贵且难以获得的成分。大流行影响了全球的教育，没有多少人能花数千美元来自动化实验室或购买套件。大多数研究考虑了面对面的课程，并用MR进行补充。然而，近年来，由于 COVID-19，课程已经在线，只有一些作品显示了使用 MR 和负担得起的设备^23,24 的虚拟课程的改进。

目前存在的研究主要集中在医学上，几乎没有关于工程学的信息。然而，毫无疑问，我们认为最大的贡献和区别在于，我们的实验进行了6个月，并与不使用虚拟模型的具有相同特征的受试者进行了比较，而以前的大多数工作都进行了简短的实验来比较单个技术或程序;他们没有在几个月内应用它们。因此，本文展示了在大学科目中使用 MR 可以进行的学习差异。

出于这个原因，这项工作展示了MR系统的开发和结果，以帮助在专注于电子工程的大学中开展实验室实践。值得一提的是，特别强调的是保持设备的低成本，使其可供普通人群使用。三个小组使用不同的教学方法，并针对班级主题进行考试。通过这种方式，可以获得使用MR理解远程教育主题的结果。

这项工作中解释的项目被称为混合现实教育（MRE），并被提议作为一个平台，学生在智能手机上使用VR眼镜（即，不使用特殊的VR眼镜）。由于使用了虚拟和真实对象，因此创建了一个工作区，学生只需使用自己的双手即可与虚拟环境和真实对象进行交互，这是一个混合现实系统。该工作区由一个带有图像的底座组成，所有虚拟对象都在其中显示并与之交互。所创造的环境侧重于进行实验室实践，以展示工程职业的电子元件和物理学。重要的是要强调向学生提供反馈的必要性。出于这个原因，MRE包含了一个反馈系统，管理员（通常是教师）可以看到正在做什么来评价活动。通过这种方式，可以对学生所做的工作进行反馈。最后，这项工作的范围是检查在在线课程中使用MR是否有优势。

为了实现这一目标，该实验由三组学生进行。每组由10名学生组成（共30名学生）。第一组没有使用MRE，只学习动量守恒原理和电子元件的理论（在线课程）。第二组在没有反馈的情况下使用MRE，第三组在老师的反馈下使用MRE。值得一提的是，所有学生都有相同的学校水平;他们是同一学期、从事同一职业的大学生，学习机电一体化工程。该实验在学位的第二学期应用于一门名为“物理和电子学导论”的课程;也就是说，这些学生在大学里的时间不到 1 年。因此，从工程的角度来看，课程中涵盖的主题可以被认为是基本的。该实验是在 30 名学生身上进行的，因为这是在授权实验的班级注册的学生人数。选定的课程（物理和电子学导论）有理论和实验室实践，但由于大流行，只教授理论课程。学生们被分成三组，看看这些练习对一般学习的影响，以及MR课程是否可以替代面对面的练习。

Protocol

该协议遵循泛美大学伦理委员会的指导方针。该实验共有 30 名学生，年龄在 18 至 20 岁之间;8名学生为女生，22名男生，均就读于墨西哥瓜达拉哈拉（墨西哥第二大城市）的泛美大学。所有参与者都完成了知情同意程序，并在数据收集期间提供了拍摄和发布照片的书面许可。唯一的要求是学生需要有一部智能手机，这没有问题。因此，该实验没有排除标准。 1. VR系统设置?…

Representative Results

本部分显示从实验中获得的结果。首先，解释了实验如何进行的一些细节，然后显示了对实验学生进行的测试，此外，还介绍了测试结果。最后，描述了使用每组一名学生的分析。 大流行给工程教育带来的最大问题之一是无法进行面对面的实验室实践，这对学生获得的知识有直接影响。为了分析本文开发的项目是否具有影响力，对三组学生进行了实验。每组由10名学生组成;?…

Discussion

MRE系统允许学生在不同的场景中学习电子元件或物理主题。重要的一点是教师提供反馈的可能性。通过这种方式，学生可以知道他们做错了什么以及为什么做错了。利用MRE系统开发，对30名学生进行了实验，其中10名学生没有使用MRE，10名学生使用MRE，最后还有10名学生使用了MRE并得到了老师的反馈。在课程结束时，对所有学生进行了常识测试。该测试没有针对实验进行修改（即，如果课程是纯理?…

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)