تطبيق الواقع المختلط للتعليم (MRE) والنتائج في الفصول الدراسية عبر الإنترنت للهندسة
Summary
في هذا العمل ، تم تطوير نظام واقع مختلط يسمى MRE لمساعدة الطلاب على تطوير ممارسات معملية تكمل الفصول الدراسية عبر الإنترنت. أجريت تجربة مع 30 طالبا. 10 طلاب لم يستخدموا MRE ، و 10 استخدموا MRE ، و 10 آخرون استخدموا MRE مع ملاحظات المعلمين.
Abstract
لقد غيرت جائحة COVID-19 العديد من الصناعات ، مما مكن بعض القطاعات وتسبب في اختفاء العديد من القطاعات الأخرى. قطاع التعليم ليس معفيا من التغييرات الرئيسية. في بعض البلدان أو المدن ، تم تدريس الفصول الدراسية بنسبة 100٪ عبر الإنترنت لمدة عام واحد على الأقل. ومع ذلك ، تحتاج بعض المهن الجامعية إلى ممارسات معملية لاستكمال التعلم ، خاصة في المجالات الهندسية ، وقد يؤثر وجود دروس نظرية فقط عبر الإنترنت على معرفتهم. لهذا السبب ، في هذا العمل ، تم تطوير نظام واقع مختلط يسمى الواقع المختلط للتعليم (MRE) لمساعدة الطلاب على تطوير الممارسات المختبرية لاستكمال الفصول الدراسية عبر الإنترنت. أجريت تجربة مع 30 طالبا. 10 طلاب لم يستخدموا MRE ، و 10 استخدموا MRE ، و 10 آخرون استخدموا MRE مع ملاحظات المعلمين. مع هذا ، يمكن للمرء أن يرى مزايا الواقع المختلط في قطاع التعليم. تظهر النتائج أن استخدام التصوير بالصور والترجمة بمخاطر الألغام يساعد على تحسين المعرفة في الموضوعات الهندسية. حصل الطلاب على مؤهلات بدرجات 10٪ إلى 20٪ أفضل من أولئك الذين لم يستخدموها. قبل كل شيء ، تظهر النتائج أهمية التغذية الراجعة عند استخدام أنظمة الواقع الافتراضي.
Introduction
كانت التكنولوجيا موجودة دائما في قطاع التعليم. حدثت تغييرات عميقة في الأجهزة المستخدمة لتدريس الفصول الدراسية. ومع ذلك ، تظل الفصول الدراسية وجها لوجه هي الخيار المفضل للطلاب والمعلمين. عندما جاء الوباء ، غير جميع القطاعات ، ولم يكن التعليم استثناء. في عام 2018 ، قبل الوباء ، أفاد 35٪ فقط من الطلاب الذين درسوا درجة علمية أنهم أخذوا فصلا واحدا على الأقل عبر الإنترنت ؛ أي أن 65٪ من الطلاب أكملوا دراستهم شخصيا1. اعتبارا من أبريل 2020 ، بموجب أمر حكومي (مكسيكي) ، تم حظر جميع المدارس العامة والخاصة من تدريس الفصول الدراسية وجها لوجه. لهذا السبب ، كان على 100٪ من الطلاب أخذ دروس عن بعد. كانت الجامعات أول من تصرف ، باستخدام أدوات لمكالمات الفيديو ، وإعداد الفصول الدراسية ، وإدارة الواجبات المنزلية ، وما إلى ذلك. هذا أمر منطقي ، لأن الأشخاص في سن الجامعة (بين 18 و 25 عاما) هم أشخاص كانوا على اتصال بالتكنولوجيا منذ الولادة.
يمكن تكييف بعض الفصول بالكامل افتراضيا. ومع ذلك ، فإن الممارسات المختبرية معقدة لأداء عن بعد ، وليس لدى الطلاب المواد اللازمة ، والتي غالبا ما تكون مكلفة. تأثير الفصول الدراسية عبر الإنترنت على جودة المعرفة غير واضح ، وتظهر بعض الدراسات أن الدورات التدريبية عبر الإنترنت تؤدي عموما إلى أداء طلابي أسوأ من الدورات الدراسية الشخصية2. ولكن هناك شيء واحد مؤكد ، وهو أن عدم تنفيذ الممارسات المعملية التي تقرب الطلاب مما سيختبرونه في الصناعة سيؤثر سلبا على أدائهم المهني. لذلك ، تصبح أهمية التجارب على نطاق حقيقي ضرورية في التدريس الحالي للهندسة3،4،5. لهذه الأسباب ، يتم استخدام تقنيات جديدة للتخفيف من هذه المشاكل. من بينها الواقع الافتراضي (VR) والواقع المعزز (AR) والواقع المختلط (MR). من المهم الإشارة إلى أن الواقع الافتراضي هو تقنية تسمح بإنشاء بيئة رقمية غامرة تماما ، بينما يقوم الواقع المعزز بتراكب الكائنات الافتراضية في بيئة العالم الحقيقي. من ناحية أخرى ، لا يستخدم MR الكائنات الافتراضية فحسب ، بل يربط هذه الكائنات أيضا بالعالم الحقيقي ، مما يجعل من الممكن التفاعل معها. وبالتالي ، فإن MR هو مزيج من VR و AR6. من ناحية أخرى ، بذلت بعض المنظمات أيضا جهودا لتطوير المختبرات عن بعد ، حيث توجد معدات حقيقية ولكن يمكن التحكم فيها عنبعد 7.
يعود مصطلح MR إلى عام 1994. ومع ذلك ، في السنوات الخمس الماضية ، اكتسبت أهمية خاصة ، وذلك بفضل الشركات الكبيرة التي ركزت جهودها على تطوير البيئات ، مثل Metaverse6. MR يمكن تطبيقها في مجالات مختلفة. اثنان من أكثرها شيوعا هما التدريب والتعليم. كان التدريب أحد المحركات العظيمة ل MR. من المكلف للغاية بالنسبة للشركة إيقاف خط إنتاج لتدريب موظفين جدد ، أو في بيئات خطرة ، وليس من السهل إجراء التدريب في هذا المجال. التعليم ليس بعيدا عن الركب. على الرغم من أن الفصول الدراسية وجها لوجه قد تغيرت قليلا جدا ، إلا أن هناك جهودا كبيرة لدمج MR في الفصول 8,9. بالنسبة للتعليم ، هناك وظائف مهنية حيث يكون من الضروري إجراء ممارسات مخبرية للحصول على تدريب كامل. العديد من الدراسات والأبحاث الحالية في الطب ، حيث يلعب الواقع الافتراضي والواقع المعزز والرنين المغناطيسي دورا رئيسيا. تظهر أوراق متعددة كيف يتفوق MR على طرق التدريس التقليدية في المواد الجراحية والطبية ، حيث تعد الممارسة ميزة واضحة لتطوير الطلاب10،11،12،13،14.
ومع ذلك ، لا يوجد نفس القدر من الأبحاث حول القضايا الهندسية. عادة في المهن الهندسية ، يكون لدى الطالب فصول نظرية تكملها الممارسات. بهذه الطريقة ، هناك دراسات حول MR و VR تظهر الفوائد في علم أصول التدريس الهندسي12. ومع ذلك ، تركز بعض هذه الدراسات على تحليل تعقيد البيئة والأدوات المستخدمة 8,15. ابتكر Tang et al. دراسة حيث استخدم الطلاب من مختلف المجالات وبمعرفة مختلفة MR لتحسين فهمهم للتحليل الهندسي والإبداع16. في اختبار لاحق ، انتهى الأشخاص الذين أخذوا دروسهم باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي بشكل أسرع ، مما يوضح أن التصوير بالرنين المغناطيسي يؤثر بشكل إيجابي على التعلم16. علاوة على ذلك، أظهر الحلبي استخدام أدوات الواقع الافتراضي في التعليم الهندسي. على الرغم من أنه ليس MR ، إلا أنه يعرض الأدوات التي يمكن استخدامها للتدريس. إنه يجعل دراسة حالة حقيقية لإظهار أنه من الممكن إدخال الواقع الافتراضي في فصول الهندسة17.
من ناحية أخرى ، فإن المختبرات البعيدة (RLs) هي أدوات تكنولوجية تتكون من برامج وأجهزة تسمح للطلاب بتنفيذ ممارساتهم عن بعد كما لو كانوا في مختبر تقليدي. يتم الوصول إلى RLs بشكل عام عبر الإنترنت ، ويتم استخدامها عادة عندما يطلب من الطلاب تطبيق ما تعلموه بشكل مستقل عدة مرات كما يحتاجونإلى 18. ومع ذلك ، مع وصول COVID-19 ، كان استخدامه ليحل محل المختبرات التقليدية وليكون قادرا على تنفيذ الممارسات خلال الفصول الدراسية عبر الإنترنت18. كما ذكر أعلاه ، تحتاج RL إلى مساحة مادية (مختبر تقليدي) وعناصر تسمح بالتحكم فيها عن بعد. مع وصول الواقع الافتراضي ، تم تصميم المختبرات افتراضيا ، ومن خلال الآليات المادية ، يمكن التحكم في عناصر المختبر19. ومع ذلك ، فإن الحصول على RL مكلف للغاية ، مما يعيق العديد من المدارس خاصة في البلدان النامية. تشير بعض الدراسات إلى أن التكاليف يمكن أن تتراوح بين 50,000 دولار و 100,000 دولار20,21.
علاوة على ذلك ، منذ أن بدأ الوباء ، كان لا بد من إجراء التغييرات بسرعة. وفي حالة المختبرات الزميلة، بذلت محاولات لإرسال مجموعات إلى منازل كل طالب لتحل محل المختبرات التقليدية. ومع ذلك ، كانت هناك مشكلة في التكلفة ، حيث أظهرت الدراسات أن كل مجموعة تكلف حوالي 700دولار 18,22. ومع ذلك ، استخدمت الدراسات مكونات باهظة الثمن ويصعب الحصول عليها. أثر الوباء على التعليم في جميع أنحاء العالم ، ولم يتمكن الكثير من الناس من إنفاق آلاف الدولارات لأتمتة مختبر أو شراء مجموعة. تنظر معظم الدراسات في الفصول الدراسية وجها لوجه وتكملها بالرنين المغناطيسي. ومع ذلك ، في السنوات الأخيرة ، كانت الفصول الدراسية عبر الإنترنت بسبب COVID-19 ، وتظهر بعض الأعمال فقط تحسين الفصول الافتراضية باستخدام MR والأجهزة ذات الأسعار المعقولة23,24.
تركز الأبحاث الموجودة حتى الآن بشكل أساسي على الطب ، مع القليل من المعلومات عن الهندسة. ومع ذلك ، بلا شك ، نعتقد أن أكبر مساهمة واختلاف هو أن تجربتنا أجريت لمدة 6 أشهر وتمت مقارنتها بموضوعات لها نفس الخصائص لم تستخدم نماذج افتراضية ، في حين أن معظم الأعمال السابقة أجرت تجارب قصيرة لمقارنة التقنيات أو الإجراءات الفردية ؛ لم يطبقوها على مدى عدة أشهر. لذلك ، توضح هذه الورقة الفرق في التعلم الذي يمكن إجراؤه باستخدام MR في مادة جامعية.
لهذا السبب ، يوضح هذا العمل تطوير ونتائج نظام MR للمساعدة في تنفيذ الممارسات المختبرية في الجامعات التي تركز على الهندسة الإلكترونية. من المهم الإشارة إلى أنه يتم التركيز بشكل خاص على الحفاظ على تكلفة الجهاز منخفضة ، مما يجعله في متناول عامة السكان. تستخدم ثلاث مجموعات طرق تدريس مختلفة ، ويتم إجراء اختبار حول موضوعات الفصل. بهذه الطريقة ، من الممكن الحصول على نتائج حول فهم الموضوعات في التعليم عن بعد باستخدام MR.
يطلق على المشروع الموضح في هذا العمل اسم الواقع المختلط للتعليم (MRE) ويقترح كمنصة حيث يستخدم الطلاب نظارات الواقع الافتراضي مع الهاتف الذكي (أي لا يتم استخدام نظارات VR خاصة). يتم إنشاء مساحة عمل حيث يمكن للطلاب التفاعل مع البيئات الافتراضية والأشياء الحقيقية ببساطة باستخدام أيديهم ، بسبب استخدام الكائنات الافتراضية والحقيقية ، وهو نظام واقع مختلط. تتكون مساحة العمل هذه من قاعدة بها صورة حيث يتم عرض جميع الكائنات الافتراضية والتفاعل معها. تركز البيئة التي تم إنشاؤها على إجراء الممارسات المختبرية لإظهار المكونات الإلكترونية والفيزياء للمهن الهندسية. من المهم تسليط الضوء على الحاجة إلى تقديم ملاحظات للطلاب. لهذا السبب ، يشتمل MRE على نظام ملاحظات حيث يمكن للمسؤول (عادة المعلم) رؤية ما يتم القيام به لتقييم النشاط. بهذه الطريقة ، يمكن تقديم ملاحظات حول العمل الذي قام به الطالب. أخيرا ، يتمثل نطاق هذا العمل في التحقق مما إذا كانت هناك مزايا في استخدام MR في الفصول الدراسية عبر الإنترنت.
لتحقيق ذلك ، أجريت التجربة مع ثلاث مجموعات من الطلاب. تألفت كل مجموعة من 10 طلاب (30 طالبا في المجموع). لم تستخدم المجموعة الأولى MRE ، فقط أخذت النظرية (دروس عبر الإنترنت) حول مبدأ الحفاظ على الزخم والمكونات الإلكترونية. استخدمت المجموعة الثانية MRE دون تغذية راجعة ، واستخدمت المجموعة الثالثة MRE مع ملاحظات من المعلم. من المهم الإشارة إلى أن جميع الطلاب لديهم نفس المستوى المدرسي. هم طلاب جامعيون في نفس الفصل الدراسي وبنفس المهنة ، يدرسون هندسة الميكاترونكس. تم تطبيق التجربة في دورة واحدة تسمى مقدمة في الفيزياء والإلكترونيات ، في الفصل الدراسي الثاني من الدرجة. وهذا هو ، كان الطلاب في الجامعة لمدة تقل عن 1 سنة. لذلك ، يمكن اعتبار الموضوعات التي يتم تناولها في الفصل أساسية من وجهة نظر هندسية. أجريت التجربة على ٣٠ طالبا؛ حيث كان هذا هو عدد الطلاب الذين التحقوا بالفصل الذي تم فيه التصريح بالتجربة. كان للفصل المختار (مقدمة في الفيزياء والإلكترونيات) ممارسات نظرية ومعملية ، ولكن بسبب الوباء ، تم تدريس الفصول النظرية فقط. تم تقسيم الطلاب إلى ثلاث مجموعات لمعرفة تأثير الممارسات على التعلم العام وما إذا كانت فصول MR يمكن أن تكون بديلا عن الممارسات وجها لوجه.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح نظام MRE بسيناريوهات مختلفة للطلاب للتعرف على المكونات الإلكترونية أو موضوعات الفيزياء. نقطة مهمة هي إمكانية قيام المعلم بتقديم التغذية الراجعة. بهذه الطريقة ، يمكن للطلاب معرفة الخطأ الذي ارتكبوه ولماذا. مع تطوير نظام MRE ، تم إجراء تجربة مع 30 طالبا ، حيث لم يستخدم 10 طلاب MRE ، و 10 استخدم?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه الدراسة برعاية حرم جامعة عموم أمريكا في غوادالاخارا. نشكر طلاب هندسة الميكاترونيك على مساهمتهم في التجربة.
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) |
References
- The COVID-19 pandemic has changed education forever. This is how. World Economic Forum Available from: https://www.weforum.org/agenda/2020/04/coronavirus-education-gloabl-covid19-online-digital-learning/ (2020)
- How does virtual learning impact students in higher education. Brown Center Chalkboard Available from: https://www.brookings.edu/blog/brown-center-chalkboard/2021/08/13/how-does-virtual-learning-impact-students-in-hegher-education/ (2021)
- Loukatos, D., Androulidakis, N., Arvanitis, K. G., Peppas, K. P., Chondrogiannis, E. Using open tools to transform retired equipment into powerful engineering education instruments: a smart Agri-IoT control example. Electronics. 11, 855 (2022).
- Garlinska, M., Osial, M., Proniewska, K., Pregowska, A. The influence of emerging technologies on distance education. Electronics. 12 (7), 1550 (2023).
- Parmaxi, A. Virtual reality in language learning: A systematic review and implications for research and practice. Interactive Learning Environments. 31, 172-184 (2023).
- Milgram, P., Kishino, F. A taxonomy of mixed reality visual displays. IEICE Transactions on Information and Systems. 77 (12), 1321-1329 (1994).
- Zaghloul, M. A. S., Hassan, A., Dallal, A. Teaching and managing remote lab-based courses. ASEE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings. , (2021).
- Maas, M. J., Hughes, J. M. Virtual, augmented and mixed reality in K-12 education: A review of the literature. Technology, Pedagogy and Education. 20 (2), 231-249 (2020).
- Noah, N., Das, S. Exploring evolution of augmented and virtual reality education space in 2020 through systematic literature review. Computer Animation and Virtual Worlds. 32 (3-4), e2020 (2021).
- Gerup, J., Soerensen, C. B., Dieckmann, P. Augmented reality and mixed reality for healthcare education beyond surgery: an integrative review. International Journal of Medical Education. 11, 1-18 (2020).
- Sinou, N., Sinou, N., Filippou, D. Virtual reality and augmented reality in anatomy education during COVID-19 pandemic. Cureus. 15 (2), (2023).
- Soliman, M., Pesyridis, A., Dalaymani-Zad, D., Gronfula, M., Kourmpetis, M. The application of virtual reality in engineering education. Applied Sciences. 11 (6), 2879 (2021).
- Rojas-Sánchez, M. A., Palos-Sánchez, P. R., Folgado-Fernández, J. A. Systematic literature review and bibliometric analysis on virtual reality and education. Education and Information Technologies. 28, 155-192 (2023).
- Brown, K. E., et al. A large-scale, multiplayer virtual reality deployment: a novel approach to distance education in human anatomy. Medical Science Educator. , 1-13 (2023).
- Birt, J., Stromberga, Z., Cowling, M., Moro, C. Mobile mixed reality for experiential learning and simulation in medical and health sciences education. Informatics. 9 (2), 31 (2018).
- Tang, Y. M., Au, K. M., Lau, H. C. W., Ho, G. T. S., Wu, C. H. Evaluating the effectiveness of learning design with mixed reality (MR) in higher education. Virtual Reality. 24 (4), 797-807 (2020).
- Halabi, O. Immersive virtual reality to enforce teaching in engineering education. Multimedia Tools and Applications. 79 (3-4), 2987-3004 (2020).
- Borish, V. Undergraduate student experiences in remote lab courses during the COVID-19 pandemic. Physical Review Physics Education Research. 18 (2), 020105 (2022).
- Trentsios, P., Wolf, M., Frerich, S. Remote Lab meets Virtual Reality-Enabling immersive access to high tech laboratories from afar. Procedia Manufacturing. 43, 25-31 (2020).
- Jona, K., Roque, R., Skolnik, J., Uttal, D., Rapp, D. Are remote labs worth the cost? Insights from a study of student perceptions of remote labs. International Journal of Online Engineering. 7 (2), 48-53 (2011).
- Lowe, D., De La Villefromoy, M., Jona, K., Yeoh, L. R. Remote laboratories: Uncovering the true costs. 2012 9th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation. IEEE. , 1-6 (2012).
- Miles, D. T., Wells, W. G. Lab-in-a-box: A guide for remote laboratory instruction in an instrumental analysis course. Journal of Chemical Education. 97 (9), 2971-2975 (2020).
- Loukatos, D., Zoulias, E., Chondrogiannis, E., Arvanitis, K. G. A mixed reality approach enriching the agricultural engineering education paradigm, against the COVID19 Constraints. 2021 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON). IEEE. , 1587-1592 (2021).
- Guerrero-Osuna, H. A., et al. Implementation of a MEIoT weather station with exogenous disturbance input. Sensors. 21 (5), 1653 (2021).
- . Unity Technologies Available from: https://unity.com/ (2023)
- About AR Foundation. Unity Technologies Available from: https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.xr.arfoundation@4.1/manual/index.html (2020)
- . Manomotion Available from: https://www.manomotion.com/ (2022)
- Create immersive VR experiences. Alphabet Inc Available from: https://developers.google.com/cardboard (2021)
- Demand for online education is growing. Are providers ready. McKinsey & Company Available from: https://www.mckinsey.com/industries/education/our-insights/demand-for-online-education-is-growing-are-providers-ready (2022)
- Vergara, D., Fernández-Arias, P., Extremera, J., Dávila, L. P., Rubio, M. P. Educational trends post COVID-19 in engineering: Virtual laboratories. Materials Today: Proceedings. 49, 155-160 (2022).
- Wu, B., Yu, X., Gu, X. Effectiveness of immersive virtual reality using head-mounted displays on learning performance: A meta-analysis. British Journal of Educational Technology. 51 (6), 1991-2005 (2020).
- Makarova, I., et al. A virtual reality lab for automotive service specialists: a knowledge transfer system in the digital age. Information. 14 (3), 163 (2023).
- Cho, Y., Park, K. S. Designing immersive virtual reality simulation for environmental science education. Electronics. 12 (2), 315 (2023).
- Burov, O. Y., Pinchuk, O. P. A meta-analysis of the most influential factors of the virtual reality in education for the health and efficiency of students’ activity. Educational Technology Quarterly. 2023, 58-68 (2023).
- Loetscher, T., Jurkovic, N. S., Michalski, S. C., Billinghurst, M., Lee, G. Online platforms for remote immersive Virtual Reality testing: an emerging tool for experimental behavioral research. Multimodal Technologies and Interaction. 7 (3), 32 (2023).
