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 $ 100,00020,21.
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 $ 70018,22 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 apparaten23,24.
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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. De enige vereiste was dat de studenten een smartphone moesten hebben, wat geen probleem was. Daarom waren er geen uitsluitingscriteria voor het experiment.
1. Installatie en kalibratie van het VR-systeem
OPMERKING: Deze stap duurt ~10 min.
- Zorg ervoor dat het systeem alle componenten bevat: een Android-telefoon met versie 10 of hoger van het besturingssysteem, een VR-boxbril en een houten basis met een kalibratieafbeelding (Afbeelding 1) (zie Materiaaltabel).
- Open de MRE-applicatie op de mobiele telefoon en laad de Unity-, AR Foundation-, Google Cardboard- en ManoMotion-services25,26,27,28. De MRE-applicatie is door onszelf ontwikkeld; het is ontwikkeld voor Android en is niet openbaar.
- Plaats de mobiele telefoon in de VR-bril en zet de bril op.
- Lokaliseer visueel het midden van de basis van het MRE-prototype (het blauwe vierkant in afbeelding 1).
- Wanneer de simulatie verschijnt, steekt u een uitgestoken hand op om deze in het midden van de weergave te plaatsen.
OPMERKING: Vanaf dit moment kunnen de gebruikers handgebaren maken om te communiceren met de gesimuleerde omgeving.
2. Voorbereiding van de gebruiker
OPMERKING: Deze stap duurt ~5 min.
- Open zonder VR-bril de MRE-applicatie, zoals weergegeven in afbeelding 2.
- Zorg ervoor dat de applicatie start in de gebruikersmodus, zodat u alleen hoeft in te loggen.
- Selecteer het scenario dat de gebruiker wil uitvoeren. Er zijn twee scenario's: elektronische componenten en fysica.
- Druk op Afspelen; de gebruiker heeft 30 seconden de tijd om de VR-bril op te zetten.
3. Uitvoering van scenario's
OPMERKING: Deze stap duurt ~15 min.
- Scenario 1: elektronische componenten
- Lokaliseer de gebieden om componenten te positioneren door middel van rode, groene en blauwe kleuren. Dit begrenst de zes interactiezones van deze scène: drie zones om de virtuele elektronicacomponenten te nemen en drie zones om de componenten te laten vallen, zoals weergegeven in figuur 3.
- Pak het onderdeel en plaats het op de juiste plaats. De juiste plaats hangt af van het onderdeel en wat er in theorie wordt gezien; in theorie wordt bijvoorbeeld uitgelegd hoe een koellichaam moet worden geplaatst, en in MRE wordt deze plaatsing geoefend.
- Ga door totdat alle componenten op hun plaats zitten.
- Scenario 2: natuurkunde
- Lokaliseer de twee auto's die bij het scenario betrokken zijn (Figuur 4).
- Selecteer de snelheid van elke auto.
- Visualiseer de grafieken na de botsing.
4. Administratie weergave
- Druk op het hoofdscherm op MRE-modi (zie afbeelding 2) en selecteer de beheerdersoptie.
- Log in om te controleren of het account toestemming heeft om toegang te krijgen als beheerder.
OPMERKING: Het wordt mogelijk om de lijst met studenten en de behaalde cijfers in elk scenario te bekijken.
5. Resultaten van studenten
- Log in als beheerder, klik op de naam van de gewenste student en bekijk de tabel met de informatie van de cijfers van hun scenario's.
- Klik op de naam van een student en selecteer cijfers downloaden als CSV. Hierdoor worden alle resultaten weergegeven in een door komma's gescheiden bestand.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 face-to-face laboratoriumpraktijken uit te voeren, wat een directe impact heeft op de kennis die studenten verwerven. Om te analyseren of het in dit artikel ontwikkelde project impact heeft, is een experiment uitgevoerd met drie groepen studenten. Elke groep bestond uit 10 studenten; de eerste groep gebruikte geen MRE, maar volgde alleen theorie (online lessen) over het principe van momentumbehoud en elektronische componenten. De tweede groep gebruikte MRE zonder feedback, en ten slotte gebruikte de derde groep MRE met feedback van een docent. Het is belangrijk om te vermelden dat alle studenten hetzelfde schoolniveau hadden. Ze waren allemaal universiteitsstudenten in hetzelfde semester en met dezelfde carrière, die mechatronica studeerden. Ze waren allemaal studenten aan de Panamerican University in Guadalajara, Mexico (de op een na grootste stad van Mexico). Het experiment werd toegepast in een enkele cursus genaamd Inleiding tot natuurkunde en elektronica, in het tweede semester van de opleiding (dwz het waren studenten die minder dan 1 jaar aan de universiteit hadden gezeten. Daarom kunnen de onderwerpen die in de klas worden behandeld, vanuit technisch oogpunt als fundamenteel worden beschouwd17.
Het vak (Introduction to Physics and Electronics) waarin het experiment werd uitgevoerd, had de volgende kenmerken: (1) de duur van het vak was één semester; (2) er waren twee examens gedurende het semester (d.w.z. er werd elke 10 weken les een test gehouden), en elk van deze tests, of periode van 10 weken, wordt "gedeeltelijk" genoemd; en (3) elke week 6 uur les had, verdeeld over 3 dagen van 2 uur per les. Gedurende de week werden 4 uur theorie en 2 uur praktijk gegeven. Het is erg belangrijk om te vermelden dat de hierboven genoemde kenmerken zijn wat er vóór de pandemie werd gedaan; Tijdens de pandemie werden er online lessen gegeven. Daarom konden de 2 uur oefeningen per week niet worden uitgevoerd en werden ze vervangen door counseling en probleemoplossing. Om deze reden werden er in de online lessen geen oefeningen uitgevoerd.
Ons experiment probeerde zo min mogelijk te veranderen wat er in de klas was vastgesteld; het MRE-systeem werd ingevoerd tijdens de praktijkuren (2 uur per week) en de studenten die het systeem niet gebruikten, gingen verder met advies en probleemoplossing. De 4 uur theorie werd helemaal niet gewijzigd door ons experiment. Op dezelfde manier gebruikten de studenten die MRE gebruikten een van de oefenlessen om de werking van het systeem uit te leggen. Bovendien heeft MRE twee omgevingen, één voor elektronische componenten en één voor natuurkundige concepten. Het experiment werd uitgevoerd gedurende een deel (10 weken), waarbij natuurkundige oefeningen en elektronische componenten werden uitgevoerd. In deze periode werden zes praktijken uitgevoerd in MRE (drie praktijken van fysica en drie van elektronische componenten). Ten slotte waren er twee groepen die MRE gebruikten; De een had geen feedback van de docent en de ander wel. Degenen die geen feedback hadden, kregen een script van de uit te voeren oefening, en aan het einde kende de leraar een cijfer van 0 tot 10 toe in het MRE-systeem, maar er werd geen verdere uitleg gegeven. Aan de andere kant, in de groep die feedback had, begeleidde de leraar hen tijdens de oefening. De leraar kon de simulatie tegelijkertijd met de studenten observeren, aangezien het systeem geen geluid bevat en hun oren onbedekt zijn, dus de leraar begeleidde de student door tijdens de simulatie met hen te praten en hun fouten en de redenen van die fouten aan te geven.
Het is belangrijk om te vermelden dat de test niet is bewerkt voor dit experiment. Met andere woorden, de test zou hetzelfde zijn geweest voor de studenten als het huidige experiment niet was uitgevoerd. De test bestond uit 14 vragen, opgesomd in aanvullend dossier 1 in dezelfde volgorde als waarin ze werden gepresenteerd.
Elke vraag op de toets had hetzelfde gewicht in het cijfer, maar de docent kon fracties van punten aan elke vraag toekennen op basis van het antwoord van de student. Dit was ter beoordeling van de leraar. Tabel 1 toont de cijfers van elk van de studenten, waarbij 0 het slechtste cijfer is en 10 het beste. Aan het einde wordt het gemiddelde van elke groep weergegeven.
Aan de andere kant toont figuur 5 grafisch de scores van elke leerling, gescheiden door de groep. Op deze manier is het gemakkelijker om de resultaten van het experiment te visualiseren. Tabel 2 toont de resultaten van elke vraag, waarbij één student uit elke groep wordt genomen.
Figuur 1: Belangrijkste MRE-materialen. Het MRE-systeem bestaat uit een eenvoudig vierkant stuk hout van 8 x 8 inch, waarop een basisafbeelding wordt gelijmd. De afbeelding bestaat uit een centraal logo dat 3 x 3 inch groot is; De rest van de ruimte bestaat uit willekeurig geplaatste 1 in x 1 in pictogrammen met donkerblauwe kleuren op een lichtblauwe achtergrond. Daarnaast worden een VR-box en een Android-mobiele telefoon in de box geplaatst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: MRE-toepassing. (A) De knop om te kiezen tussen gebruiker of beheerder; Het begint standaard als de gebruiker. (B) Mogelijkheid om te registreren/in te loggen. (C) Knop om door te gaan met het configureren van het scenario. (D) Keer terug naar het vorige scherm. (F) Kwalificatie op dit moment; Als het de eerste keer is dat het wordt "gespeeld", verschijnt het op 0. (G) Begin met het geselecteerde scenario. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Scenario voor elektronische componenten. De kleuren bakenen de zes interactiezones van deze scène af: drie zones om de componenten te pakken en drie zones om de componenten te laten vallen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Natuurkundig scenario. Er worden twee auto's tegenover elkaar gemaakt, naast een bolvormige startknop (groene kleur) en een kubusvormige knop (lichtblauwe kleur) om de kracht waarmee de tweede auto wordt geduwd te moduleren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Score van elke leerling en standaarddeviatie uitgesplitst per groep. Cijfers per leerling en gebruikte technologie; De standaarddeviatie van elke groep wordt ernaast weergegeven. Er zijn in totaal 30 studenten, 10 voor elke leerbenadering, en elke student in elke groep kreeg een nummer van 1 tot 10 toegewezen. Het is belangrijk om de typische afwijking te vermelden, waarbij duidelijk te zien is dat zonder het gebruik van MRE de scores veel meer verspreid zijn. Dit kan logisch zijn, aangezien deze studenten alleen online lessen kregen, dus de aandacht die elke student besteedde is zeer variabel, en dit is te zien aan de behaalde scores. Aan de andere kant is er veel minder dispersie wanneer MRE wordt gebruikt. Verder, wanneer feedback wordt toegevoegd aan MR-technologie, is er minder spreiding, wat wijst op een beter begrip door alle studenten, niet alleen door sommige studenten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Tabel 1: Resultaten kennistoetsen voor de drie groepen. Deze tabel toont alle resultaten van de examens die de studenten hebben afgelegd. Er zijn in totaal 30 studenten, 10 voor elke leerbenadering, en elke student in elke groep kreeg een nummer van 1 tot 10 toegewezen. Het is duidelijk te zien dat het beste gemiddelde werd behaald wanneer MRE werd gebruikt en er feedback was van de leraar. Zelfs als er geen feedback was, is het in het algemeen nog steeds een betere optie om MRE te gebruiken voor een beter begrip van de onderwerpen. Bij het gebruik van MRE was er bij geen van de studenten een score lager dan 7,5; Hieruit kan worden afgeleid dat er over het algemeen een beter begrip van de onderwerpen was. Ten slotte waren er met behulp van MRE en met feedback van de docent geen scores onder de 8,0, en werden ook de hoogste scores van de 30 studenten gezien, 9,3 en 9,5. Daarom kan men duidelijk de voordelen zien die studenten hebben bij het begrijpen van onderwerpen bij het gebruik van MRE, maar vooral wanneer feedback wordt gegeven op het werk dat in de praktijken is gedaan. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Tabel 2: Resultaten per vraag met één student uit elke groep. Cijfers voor de antwoorden van een leerling van elke groep. Studenten van wie het cijfer dicht bij het groepsgemiddelde lag, werden geselecteerd. De docent kon punten toekennen aan gedeeltelijk juiste antwoorden. De studenten die MRE gebruikten, hadden betere resultaten met de vragen over elektronische componenten, wat suggereert dat het kennen van de componenten in hun werkelijke afmetingen en vormen (met behulp van MRE) hielp om de theoretische kennis te verbeteren. De studenten die MRE met feedback gebruikten, konden de componenten niet alleen observeren zoals ze in werkelijkheid zouden worden gezien, maar kregen ook hulp van de leraar bij het oefenen van natuurkunde en elektronische componenten. Daarom kan worden gezegd dat ze naast het oefenen ook adviesuren hadden, en dit is duidelijk terug te zien in de resultaten. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Aanvullend dossier 1: Vragen voorgelegd aan de studenten. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 het einde van de lessen werd aan alle studenten een algemene kennistest gegeven. De test is niet aangepast voor het experiment (d.w.z. dezelfde test wordt toegepast als de lessen puur theorie zijn of als laboratoriumpraktijken worden uitgevoerd. De praktijken zijn slechts een aanvulling om de theorie beter te begrijpen en zo een beter algemeen begrip van het onderwerp te krijgen. De test bestaat uit schriftelijke antwoorden met berekeningen, en de leraar kan met halve punten markeren als het antwoord gedeeltelijk correct is.
Dankzij het gebruik van MRE kregen de studenten een beter algemeen gemiddelde, het beste gemiddelde dat werd gezien wanneer er feedback was van de docent. Op dezelfde manier is een belangrijk punt de standaarddeviatie. Het doel van een les is dat de meerderheid van de studenten, of idealiter allemaal, de grootste hoeveelheid kennis opdoet. Door het gebruik van MRE kan een kleinere spreiding van de scores worden waargenomen, wat bewijst dat de kennis over de onderwerpen door een groter aantal studenten werd begrepen.
Bij het in detail observeren van de scores van elke vraag, heeft MRE een kleiner effect wanneer de vragen gericht zijn op problemen die 100% vanuit de theorie kunnen worden geanalyseerd. Bij technische onderwerpen is het echter belangrijk om zowel de apparatuur als de componenten te kennen, daarom had MRE een positieve impact en reageerden de studenten die MRE gebruikten beter op de vragen die over deze onderwerpen gingen. Bovendien, in het geval van theoretische vragen (zoals natuurkunde), is MRE nuttig wanneer men feedback heeft van de docent, omdat de docent deze kwesties kan verduidelijken ondersteund door een virtuele omgeving. Feedback van docenten is niets nieuws; Het komt voor in face-to-face lessen, dus het is duidelijk dat deze feedback nog steeds net zo belangrijk is in virtuele omgevingen.
Het MRE-systeem helpt ingenieursstudenten om laboratoriumpraktijken op afstand uit te voeren. De wereld is veranderd en hoewel het momenteel terugkeert naar face-to-face lessen, openen elke dag meer scholen 100% online cursussen29. Om deze veranderingen het hoofd te bieden, zijn er applicaties gemaakt met behulp van opkomende technologieën. Een van die technologieën is MR, waarbij het mogelijk is om studieomgevingen te visualiseren om het leren te verbeteren. De meeste van deze toepassingen worden echter gebruikt in medische omgevingen, met weinig in engineering 9,12. Aan de andere kant zijn RL's geprezen als de oplossing voor technische lessen op afstand, maar het is noodzakelijk om een fysieke ruimte te hebben en de componenten zijn erg duur. Daarom is de investering voor een RL erg hoog en zijn ze voor veel scholen in Latijns-Amerika niet als mogelijkheid opgenomen19,20.
Op dezelfde manier hebben andere werken besproken hoe virtuele en externe laboratoria kunnen helpen bij afstandsonderwijs. Ze zijn het er bijvoorbeeld over eens dat de kosten lager zijn dan het opzetten van een traditioneel laboratorium. Vergara et al. analyseerden gegevens van meer dan 400 studenten die vroegen naar hun ervaring met het gebruik van VR en MR in laboratoria; 89% van de studenten zei dat ze voldoende zijn om de uitleg van een leraar aan te vullen, maar slechts 11% zei dat het gebruik op zichzelf voldoende is. Deze technologie alleen is voldoende om het onderwerp te begrijpen, hoewel het werk geen analyse uitvoert van de impact die het gebruik van deze technologie heeft op het begrip van het onderwerp, behalve het vragen naar de gevoelens van de student30. Bovendien analyseerden Wu et al. meerdere werken waarin VR wordt genoemd met behulp van head-mounted displays (HMD's; zoals we het in dit werk gebruiken). Ze concluderen dat immersief leren op basis van HMD een beter effect heeft op de leerprestaties dan niet-immersieve leerbenaderingen31. Desondanks presenteren Wu et al. ook niet hoeveel het begrip van het onderwerp kan verbeteren met behulp van VR of MR; Ze vermelden alleen dat er beter wordt geleerd, vooral in wetenschappelijke vakken, opnieuw zoals het geval is dat in dit artikel wordt gepresenteerd.
Aan de andere kant experimenteerden Makarova et al. om het effect van VR te vinden bij het onderwijzen van autodiensten. Hoewel het genoemde aantal studenten 344 is, zijn deze studenten van verschillende leerjaren, dus ze hebben verschillende kennis en vaardigheden. De studenten in hun studie variëren van 19 tot 30 jaar oud, in tegenstelling tot wat hier wordt gepresenteerd, waar alle studenten hetzelfde studieniveau hebben en tussen de 18 en 20 jaar oud zijn. Aan de andere kant analyseerden Makarova et al. studenten die fysieke en virtuele apparatuur gebruikten, waar 35 studenten virtuele apparatuur gebruikten (een aantal studenten verschilt niet veel van ons experiment). Ze concluderen dat VR- en MR-technologieën veel effectiever zijn dan traditionele methodologieën, waardoor de interesse van studenten in leren toeneemt32. Bovendien vermelden andere werken dat het gebruik van virtuele systemen helpt bij het onderwijzen van wetenschap en talen, zelfs bij het analyseren van de bruikbaarheid van verschillende benaderingen en ergonomie, wat buiten het bestek van dit werk valt33,34.
Andere werken, zoals Loetscher et al., analyseerden de juiste VR-tool die afhankelijk van het testtype moet worden gebruikt, vooral voor gedragstests, waarbij de responstijd vaak essentieel is voor data-analyse. Ze vermelden dat VR-systemen op mobiele telefoons een lage responstijd hebben35, hoewel voor het experiment dat in dit onderzoek wordt getoond, de responstijd geen invloed heeft op het examen dat op de studenten wordt toegepast. Bovendien is het noodzakelijk om de kosten van het opzetten van een laboratorium met gespecialiseerde apparatuur te analyseren tegen de tijd van de gewenste respons om haalbaarheid te verkrijgen. Het is duidelijk dat sommige experimenten cruciaal zullen zijn om de beperkingen van de hardware te verminderen, maar dat is niet het geval voor dit werk.
Daarom zijn we er vast van overtuigd dat dit werk een aanvulling vormt op de onderzoeken die tot nu toe zijn uitgevoerd. Veel werken hebben aangetoond dat het gebruik van virtuele technologieën helpt bij het leren en interesseren, maar ze hebben niet geprobeerd de echte impact aan te tonen die het kan hebben op leren. Hoewel het aantal studenten dat in het experiment is gebruikt laag is, hebben we ervoor gezorgd dat iedereen (zoveel mogelijk) hetzelfde niveau van kennis en vaardigheden had en dat hetzelfde onderwerp aan iedereen werd onderwezen, in een poging om elke externe component te elimineren die de resultaten had kunnen beïnvloeden. Het toegepaste examen was hetzelfde, waardoor (in een kleine steekproef) de verbetering kon worden gekwantificeerd die studenten hebben met behulp van virtuele technologieën als aanvulling op de theorie die in de klas wordt gezien.
Dankzij MRE is het mogelijk om tegen lage kosten en met een minimale investering voor scholen laboratoriumpraktijken voor engineering uit te voeren. Je hebt alleen een Android-mobiele telefoon uit 2019 of later nodig en een houten basis voor kalibratie, waardoor het veel toegankelijker is voor scholen in ontwikkelingslanden. Het is vermeldenswaard dat het noodzakelijk is om een reeks stappen te volgen om het MRE-systeem te gebruiken. De cruciale stap voor de juiste werking van het systeem is ongetwijfeld de configuratie en kalibratie van het VR-systeem (stap 1). Omdat MRE de wijzers als applicatietools gebruikt, zou een fout in de kalibratie verhinderen dat de uitvoering van de scenario's kan worden voortgezet. Daarnaast is het belangrijk om de basis met het beeld te gebruiken voor kalibratie. Het beeld wordt gebruikt om de omgeving te dimensioneren en de hand in de ruimte te detecteren.
Daarom is het duidelijk dat een beperking van het gepresenteerde project is om een basis te hebben met het beeld voor de kalibratie. Voor het gepresenteerde experiment was het nodig om voor elke student een basis te maken. Hoewel het, eenmaal gekalibreerd, vrij eenvoudig was om de scenario's te reproduceren en af te spelen, is het vermeldenswaard dat het complex is om nieuwe scenario's te maken. Daarom is er een lange ontwikkelingstijd nodig voor elke praktijk die moet worden ontwikkeld.
Een onderscheidend punt bij RL's of andere MR-technologieën zijn echter de lage kosten van benodigde apparatuur en materiaal. Elke Android-telefoon kan worden gebruikt als hulpmiddel om de praktijken uit te voeren, hoewel een beperking het verkrijgen van het kalibratiebeeld is; Toch kan het op de traditionele manier worden geprint en is er geen speciale apparatuur nodig. Daarom heeft toegang tot de reeds ontwikkelde scenario's lage kosten. Door gebruik te maken van dergelijke toegankelijke technologie kan MRE ook op andere gebieden worden gebruikt, niet alleen in laboratoriumpraktijken. Vooral tijdens de opleiding van personeel voor bedrijven, wanneer een nieuwe werknemer in dienst treedt, is het vaak nodig om de productie te stoppen of te verlagen om het gebruik van machines aan te leren. Daarom kan MRE worden aangepast om productielijnomgevingen te ontwikkelen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat ze geen bekende concurrerende financiële belangen of persoonlijke relaties hebben die het werk in dit artikel zouden kunnen hebben beïnvloed.
Acknowledgments
Deze studie werd gesponsord door de campus van de Panamerican University Guadalajara. We bedanken de studenten mechatronische techniek voor hun bijdrage aan het experiment.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
- World Economic Forum. 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).
- Cellini, S. R. 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).
