Implementatie van Mixed Reality for Education (MRE) en resultaten in online lessen voor engineering

Summary

In dit werk werd een mixed reality-systeem genaamd MRE ontwikkeld om studenten te helpen laboratoriumpraktijken te ontwikkelen als aanvulling op online lessen. Er is een experiment uitgevoerd met 30 studenten; 10 studenten gebruikten geen MRE, 10 gebruikten MRE en 10 anderen gebruikten MRE met feedback van docenten.

Abstract

De COVID-19-pandemie heeft veel industrieën veranderd, waardoor sommige sectoren sterker zijn geworden en vele andere zijn verdwenen. De onderwijssector is niet vrijgesteld van grote veranderingen; In sommige landen of steden werden de lessen gedurende ten minste 1 jaar 100% online gegeven. Sommige universitaire carrières hebben echter laboratoriumpraktijken nodig om het leren aan te vullen, vooral op technisch gebied, en het online hebben van alleen theoretische lessen kan hun kennis beïnvloeden. Om deze reden is in dit werk een mixed reality-systeem ontwikkeld, mixed reality for education (MRE) genaamd, om studenten te helpen laboratoriumpraktijken te ontwikkelen als aanvulling op online lessen. Er is een experiment uitgevoerd met 30 studenten; 10 studenten gebruikten geen MRE, 10 gebruikten MRE en 10 anderen gebruikten MRE met feedback van docenten. Hiermee kan men de voordelen van mixed reality in de onderwijssector zien. De resultaten laten zien dat het gebruik van MRE helpt om de kennis in technische vakken te verbeteren; De studenten behaalden kwalificaties met cijfers die 10% tot 20% beter waren dan degenen die er geen gebruik van maakten. Bovenal tonen de resultaten het belang aan van feedback bij het gebruik van virtual reality-systemen.

Introduction

Technologie is altijd aanwezig geweest in de onderwijssector; Er hebben zich ingrijpende veranderingen voorgedaan in de apparaten die worden gebruikt om lessen te geven. Face-to-face lessen blijven echter de voorkeursoptie voor studenten en docenten. Toen de pandemie kwam, veranderde dat alle sectoren, en het onderwijs was daarop geen uitzondering. In 2018, vóór de pandemie, meldde slechts 35% van de studenten die een diploma studeerden ten minste één les online te hebben gevolgd; Dat wil zeggen, 65% van de studenten voltooide hun studie in persoon¹. Vanaf april 2020 was het op bevel van de regering (Mexicaans) alle openbare en particuliere scholen verboden om face-to-face lessen te geven; Om deze reden moest 100% van de studenten afstandslessen volgen. Universiteiten waren de eersten die in actie kwamen, met behulp van tools voor videobellen, het voorbereiden van lessen, huiswerkbeheer, enz. Dit is logisch, aangezien mensen van universitaire leeftijd (tussen 18 en 25 jaar oud) mensen zijn die al sinds hun geboorte in contact komen met technologie.

Sommige lessen kunnen volledig virtueel worden aangepast; Laboratoriumpraktijken zijn echter complex om op afstand uit te voeren en studenten beschikken niet over het benodigde materiaal, dat vaak duur is. De impact die online lessen hebben op de kwaliteit van kennis is onduidelijk, en sommige onderzoeken tonen aan dat online cursussen over het algemeen slechtere prestaties van studenten opleveren dan persoonlijke cursussen². Maar één ding is zeker: het niet uitvoeren van laboratoriumpraktijken die studenten dichter bij wat ze in de branche zullen ervaren, zal een negatieve invloed hebben op hun professionele prestaties. Daarom wordt het belang van ervaringen op ware grootte noodzakelijk in het huidige ingenieursonderwijs ^3,4,5. Om deze redenen worden nieuwe technologieën gebruikt om deze problemen te verminderen. Onder hen zijn virtual reality (VR), augmented reality (AR) en mixed reality (MR). Het is belangrijk om te vermelden dat VR een technologie is die het mogelijk maakt om een volledig meeslepende digitale omgeving te creëren, terwijlAR virtuele objecten in de echte wereld overlapt. Aan de andere kant maakt MR niet alleen gebruik van virtuele objecten, maar verankert deze objecten ook aan de echte wereld, waardoor het mogelijk wordt om ermee te interageren. MR is dus een combinatie van VR en AR⁶. Aan de andere kant hebben sommige organisaties zich ook ingespannen om laboratoria op afstand te ontwikkelen, waar echte apparatuur bestaat, maar die op afstand kan worden bediend⁷.

De term MR dateert uit 1994; in de afgelopen 5 jaar is het echter van bijzonder belang geworden, dankzij grote bedrijven die hun inspanningen hebben gericht op het ontwikkelen van omgevingen, zoals de Metaverse⁶. MR kan op verschillende gebieden worden toegepast; Twee van de meest voorkomende zijn training en opleiding. Training is een van de grote drijfveren van MR geweest; Het is erg duur voor een bedrijf om een productielijn stil te leggen om nieuwe werknemers op te leiden, of in gevaarlijke omgevingen, en het is niet eenvoudig om training in het veld uit te voeren. Het onderwijs loopt niet ver achter; hoewel face-to-face lessen weinig zijn veranderd, zijn er grote inspanningen om MR op te nemen in klassen ^8,9. Voor het onderwijs zijn er professionele carrières waarbij het nodig is om laboratoriumpraktijken uit te voeren om een volledige opleiding te hebben. Veel bestaande studies en onderzoeken bevinden zich in de geneeskunde, waarbij VR, AR en MR een sleutelrol spelen. Meerdere artikelen laten zien hoe MR de traditionele onderwijsmethoden in chirurgische en medische vakken overtreft, waarbij de praktijk een duidelijk voordeel is voor het ontwikkelen van studenten 10,11,12,13,14.

Er is echter niet evenveel onderzoek gedaan naar technische kwesties. Normaal gesproken heeft een student in technische carrières theorielessen aangevuld met praktijken. Op deze manier zijn er studies over MR en VR die de voordelen van technische pedagogiek aantonen¹². Sommige van deze onderzoeken richten zich echter op het analyseren van de complexiteit van de omgeving en de gebruikte instrumenten ^8,15. Tang et al. bedachten een studie waarbij studenten uit verschillende gebieden en met verschillende kennis MR gebruikten om hun begrip van geometrische analyse en creativiteit te verbeteren¹⁶. In een volgende test eindigden mensen die hun lessen volgden met behulp van MR sneller, wat duidelijk maakte dat MR een positieve invloed heeft op het leren¹⁶. Bovendien toonde Halabi het gebruik van VR-tools in het ingenieursonderwijs. Hoewel het geen MR is, toont het tools die kunnen worden gebruikt voor het onderwijs. Het is een echte casestudy om te laten zien dat het mogelijk is om VR te introduceren in ingenieursklassen¹⁷.

Aan de andere kant zijn externe laboratoria (RL’s) technologische hulpmiddelen die zijn samengesteld uit software en hardware waarmee studenten hun praktijken op afstand kunnen uitvoeren alsof ze zich in een traditioneel laboratorium bevinden. RL’s zijn over het algemeen toegankelijk via internet en worden normaal gesproken gebruikt wanneer studenten verplicht zijn om autonoom in de praktijk te brengen wat ze hebben geleerd, zo vaak als ze nodig hebben¹⁸. Met de komst van COVID-19 is het echter gebruikt om traditionele laboratoria te vervangen en om praktijken uit te voeren tijdens online lessen¹⁸. Zoals hierboven vermeld, heeft een RL een fysieke ruimte nodig (traditioneel laboratorium) en elementen waarmee deze op afstand kan worden bediend. Met de komst van VR zijn laboratoria virtueel gemodelleerd en via fysieke mechanismen kunnen de elementen van het laboratorium worden bestuurd¹⁹. Het hebben van een RL is echter erg duur, wat veel scholen belemmert, vooral in ontwikkelingslanden. Sommige onderzoeken vermelden dat de kosten kunnen variëren tussen $ 50,000 en $ 100,000^20,21.

Bovendien moesten er sinds het begin van de pandemie snel veranderingen worden doorgevoerd; in het geval van RL’s werden pogingen ondernomen om kits naar de huizen van elke student te sturen om de traditionele laboratoria te vervangen. Er was echter een kostenprobleem, aangezien studies aantoonden dat elke kit ongeveer $ 700^18,22 kostte. Niettemin werden in de studies dure en moeilijk verkrijgbare componenten gebruikt. De pandemie trof het onderwijs over de hele wereld en niet veel mensen konden duizenden dollars uitgeven om een laboratorium te automatiseren of een kit te kopen. De meeste studies houden rekening met face-to-face lessen en vullen deze aan met MR. In de afgelopen jaren zijn de lessen echter online geweest vanwege COVID-19, en slechts enkele werken laten de verbetering zien van virtuele lessen met behulp van MR en betaalbare apparaten^23,24.

Het onderzoek dat tot nu toe bestaat, is vooral gericht op geneeskunde, met weinig informatie over techniek. Wij zijn echter zonder twijfel van mening dat de grootste bijdrage en het grootste verschil is dat ons experiment gedurende 6 maanden werd uitgevoerd en werd vergeleken met proefpersonen met dezelfde kenmerken die geen virtuele modellen gebruikten, terwijl de meeste eerdere werken korte experimenten uitvoerden om afzonderlijke technologieën of procedures te vergelijken; Ze pasten ze niet toe gedurende meerdere maanden. Daarom laat dit artikel het verschil zien in leren dat kan worden gemaakt met behulp van MR in een universitair vak.

Om deze reden toont dit werk de ontwikkeling en resultaten van een MR-systeem om laboratoriumpraktijken uit te voeren in universiteiten gericht op elektronische engineering. Het is belangrijk om te vermelden dat er speciale nadruk wordt gelegd op het laag houden van de kosten van het apparaat, waardoor het toegankelijk wordt voor de algemene bevolking. Drie groepen gebruiken verschillende lesmethoden en er wordt een examen afgenomen over de lesonderwerpen. Op deze manier is het mogelijk om resultaten te behalen over het begrijpen van de onderwerpen in afstandsonderwijs met behulp van MR.

Het project dat in dit werk wordt uitgelegd, heet mixed reality for education (MRE) en wordt voorgesteld als een platform waarbij studenten VR-brillen gebruiken met een smartphone (d.w.z. er wordt geen speciale VR-bril gebruikt). Er wordt een werkruimte gecreëerd waar studenten kunnen communiceren met virtuele omgevingen en echte objecten door simpelweg hun eigen handen te gebruiken, door het gebruik van virtuele en echte objecten, een mixed reality-systeem. Deze werkruimte bestaat uit een basis met een afbeelding waar alle virtuele objecten worden weergegeven en waarmee interactie wordt gehad. De gecreëerde omgeving richt zich op het uitvoeren van laboratoriumpraktijken om elektronische componenten en fysica te laten zien voor technische carrières. Het is belangrijk om de noodzaak te benadrukken om feedback te geven aan studenten. Om deze reden bevat MRE een feedbacksysteem waarbij een beheerder (normaal gesproken de docent) kan zien wat er wordt gedaan om de activiteit te beoordelen. Op deze manier kan er feedback worden gegeven op het werk dat de student heeft gedaan. Ten slotte is de reikwijdte van dit werk om na te gaan of er voordelen zijn aan het gebruik van MR in online lessen.

Om dit te bereiken is het experiment uitgevoerd met drie groepen studenten. Elke groep bestond uit 10 studenten (30 studenten in totaal). De eerste groep maakte geen gebruik van MRE, maar volgde alleen theorie (online lessen) over het principe van momentumbehoud en elektronische componenten. De tweede groep gebruikte MRE zonder feedback en de derde groep gebruikte MRE met feedback van een docent. Het is belangrijk om te vermelden dat alle leerlingen hetzelfde schoolniveau hebben; Het zijn universiteitsstudenten in hetzelfde semester en met dezelfde carrière, die mechatronica studeren. Het experiment werd toegepast in een enkele cursus genaamd Inleiding tot natuurkunde en elektronica, in het tweede semester van de opleiding; Dat wil zeggen, de studenten waren minder dan 1 jaar op de universiteit geweest. Daarom kunnen de onderwerpen die in de les worden behandeld, vanuit technisch oogpunt als fundamenteel worden beschouwd. Het experiment werd uitgevoerd op 30 studenten, aangezien dit het aantal studenten was dat zich inschreef voor de klas waar het experiment was toegestaan. De geselecteerde klas (Inleiding tot natuurkunde en elektronica) had theorie en laboratoriumpraktijken, maar vanwege de pandemie werden alleen theorielessen gegeven. De studenten werden in drie groepen verdeeld om te zien welke impact de praktijken hebben op het algemene leren en of MR-lessen een vervanging kunnen zijn voor face-to-face praktijken.

Protocol

Het protocol volgt de richtlijnen van de ethische commissie van de Panamerican University. Het experiment werd uitgevoerd met in totaal 30 studenten, tussen de 18 en 20 jaar oud; acht studenten waren vrouwen en 22 waren mannen, en ze gingen allemaal naar de Panamerican University in Guadalajara, Mexico (de op een na grootste stad van Mexico). Alle deelnemers voltooiden het proces van geïnformeerde toestemming en gaven schriftelijke toestemming voor het maken en publiceren van foto’s tijdens het verzamelen van gegevens. …

Representative Results

In dit gedeelte worden de resultaten van het experiment weergegeven. Eerst worden enkele details uitgelegd over hoe het experiment is uitgevoerd, vervolgens worden de tests getoond die op de studenten van het experiment zijn uitgevoerd en bovendien worden de resultaten van de tests gepresenteerd. Tot slot wordt een analyse met één leerling van elke groep beschreven. Een van de grootste problemen die de pandemie met zich meebracht voor het ingenieursonderwijs was dat het niet mogelijk was om …

Discussion

Het MRE-systeem maakt het mogelijk om studenten in verschillende scenario’s te leren over elektronische componenten of natuurkundige onderwerpen. Een belangrijk punt is de mogelijkheid voor de docent om feedback te geven. Op deze manier kunnen de studenten weten wat ze verkeerd hebben gedaan en waarom. Met het ontwikkelde MRE-systeem werd een experiment uitgevoerd met 30 studenten, waarbij 10 studenten geen MRE gebruikten, 10 MRE gebruikten en ten slotte nog eens 10 MRE gebruikten en feedback kregen van de docent. Aan he…

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)