יישום מציאות משולבת לחינוך (MRE) ותוצאות בשיעורים מקוונים להנדסה
Summary
בעבודה זו, פותחה מערכת מציאות משולבת בשם MRE כדי לסייע לתלמידים לפתח שיטות מעבדה המשלימות שיעורים מקוונים. נערך ניסוי עם 30 תלמידים; 10 תלמידים לא השתמשו ב-MRE, 10 השתמשו ב-MRE ו-10 נוספים השתמשו ב-MRE עם משוב מהמורים.
Abstract
מגפת הקורונה שינתה תעשיות רבות, העצימה מגזרים מסוימים וגרמה לרבים אחרים להיעלם. מגזר החינוך אינו פטור משינויים משמעותיים; במדינות או ערים מסוימות, שיעורים נלמדו 100% באינטרנט במשך שנה אחת לפחות. עם זאת, כמה קריירה באוניברסיטה צריך שיטות מעבדה כדי להשלים את הלמידה, במיוחד בתחומי ההנדסה, ויש רק שיעורים תיאורטיים באינטרנט יכול להשפיע על הידע שלהם. מסיבה זו, בעבודה זו, פותחה מערכת מציאות משולבת בשם מציאות משולבת לחינוך (MRE) כדי לסייע לתלמידים לפתח שיטות מעבדה כדי להשלים שיעורים מקוונים. נערך ניסוי עם 30 תלמידים; 10 תלמידים לא השתמשו ב-MRE, 10 השתמשו ב-MRE ו-10 נוספים השתמשו ב-MRE עם משוב מהמורים. עם זאת, ניתן לראות את היתרונות של מציאות מעורבת במגזר החינוך. התוצאות מראות כי שימוש ב-MRE מסייע לשיפור הידע במקצועות הנדסיים; התלמידים השיגו כישורים עם ציונים טובים ב-10% עד 20% מאלה שלא השתמשו בו. מעל לכל, התוצאות מראות את חשיבות המשוב בעת שימוש במערכות מציאות מדומה.
Introduction
הטכנולוגיה תמיד הייתה נוכחת במגזר החינוך; שינויים עמוקים חלו במכשירים המשמשים להוראת שיעורים. עם זאת, שיעורים פנים אל פנים נותרו האפשרות המועדפת על תלמידים ומורים. כשהמגפה הגיעה, היא שינתה את כל המגזרים, והחינוך לא היה יוצא מן הכלל. בשנת 2018, לפני המגפה, רק 35% מהסטודנטים שלמדו תואר דיווחו כי למדו לפחות שיעור אחד באופן מקוון; כלומר, 65% מהסטודנטים סיימו את לימודיהם באופן אישי1. החל מאפריל 2020, על פי צו ממשלתי (מקסיקני), נאסר על כל בתי הספר הציבוריים והפרטיים ללמד שיעורים פנים אל פנים; מסיבה זו, 100% מהתלמידים נאלצו לקחת שיעורים מרחוק. האוניברסיטאות היו הראשונות לפעול, תוך שימוש בכלים לשיחות וידאו, הכנת שיעורים, ניהול שיעורי בית וכו ‘. זה הגיוני, שכן אנשים בגיל האוניברסיטה (בין 18 ל 25 שנים) הם אנשים שהיו בקשר עם הטכנולוגיה מאז הלידה.
חלק מהשיעורים ניתנים להתאמה וירטואלית מלאה; עם זאת, שיטות מעבדה מורכבות לביצוע מרחוק, ולסטודנטים אין את החומר הדרוש, שהוא לעתים קרובות יקר. ההשפעה שיש לשיעורים מקוונים על איכות הידע אינה ברורה, וכמה מחקרים מראים כי קורסים מקוונים בדרך כלל מניבים ביצועים גרועים יותר של התלמידים מאשר קורסים אישיים2. אבל דבר אחד בטוח, אי ביצוע פרקטיקות מעבדה המקרבות את התלמידים למה שהם יחוו בתעשייה ישפיע לרעה על הביצועים המקצועיים שלהם. לכן, החשיבות של חוויות בקנה מידה אמיתי הופך להיות הכרחי בהוראה הנוכחית של הנדסה 3,4,5. מסיבות אלה, טכנולוגיות חדשות משמשות כדי להקל על בעיות אלה. ביניהם מציאות מדומה (VR), מציאות רבודה (AR) ומציאות משולבת (MR). חשוב להזכיר כי VR היא טכנולוגיה המאפשרת יצירת סביבה דיגיטלית סוחפת לחלוטין, בעוד AR מכסה אובייקטים וירטואליים בסביבה בעולם האמיתי. מצד שני, MR לא רק משתמש באובייקטים וירטואליים, אלא גם מעגן את האובייקטים האלה לעולם האמיתי, מה שמאפשר אינטראקציה איתם. לפיכך, MR הוא שילוב של VR ו- AR6. מצד שני, חלק מהארגונים גם עשו מאמצים לפתח מעבדות מרוחקות, שבהן קיים ציוד אמיתי אך ניתן לשלוט בו מרחוק7.
המונח MR מתוארך לשנת 1994; עם זאת, ב-5 השנים האחרונות הוא קיבל חשיבות מיוחדת, הודות לחברות גדולות שמיקדו את מאמציהן בסביבות מתפתחות, כמו המטאברס6. MR יכול להיות מיושם בתחומים שונים; שניים מהנפוצים ביותר הם הכשרה וחינוך. הכשרה הייתה אחד הנהגים הגדולים של MR; יקר מאוד לחברה לעצור פס ייצור כדי להכשיר עובדים חדשים, או בסביבות מסוכנות, ולא קל לבצע הדרכות בתחום. החינוך לא הרחק מאחור; למרות ששיעורים פנים אל פנים השתנו מעט מאוד, ישנם מאמצים גדולים לשלב MR בכיתות 8,9. עבור חינוך, יש קריירות מקצועיות שבהן יש צורך לבצע שיטות מעבדה כדי לקבל הכשרה מלאה. מחקרים ומחקרים קיימים רבים הם ברפואה, כאשר VR, AR ו- MR משחקים תפקיד מפתח. מאמרים רבים מראים כיצד MR עולה על שיטות הוראה מסורתיות בנושאים כירורגיים ורפואיים, שם בפועל הוא יתרון ברור לפיתוח תלמידים 10,11,12,13,14.
עם זאת, אין את אותה כמות של מחקר בנושאים הנדסיים. בדרך כלל בקריירה הנדסית, סטודנט יש שיעורי תיאוריה להשלים על ידי פרקטיקות. בדרך זו, ישנם מחקרים על MR ו- VR המראים את היתרונות בפדגוגיה הנדסית12. עם זאת, חלק מהמחקרים הללו מתמקדים בניתוח מורכבות הסביבה והכלים המשמשים 8,15. טאנג ועמיתיו המציאו מחקר שבו סטודנטים מתחומים שונים ובעלי ידע שונה השתמשו ב- MR כדי לשפר את הבנתם בניתוח גיאומטרי ויצירתיות16. במבחן שנערך לאחר מכן, אנשים שלקחו את השיעורים שלהם באמצעות MR סיימו מהר יותר, מה שהבהיר כי MR משפיע באופן חיובי על למידה16. יתר על כן, חלבי הראה את השימוש בכלי VR בחינוך הנדסי. למרות שזה לא MR, זה מראה כלים שניתן להשתמש בהם להוראה. זה עושה מקרה בוחן אמיתי כדי להראות שאפשר להציג VR בשיעורי הנדסה17.
מצד שני, מעבדות מרוחקות (RLs) הן כלים טכנולוגיים המורכבים מתוכנה וחומרה המאפשרים לתלמידים לבצע מרחוק את התרגולים שלהם כאילו היו במעבדה מסורתית. RLs נגישים בדרך כלל דרך האינטרנט, והם משמשים בדרך כלל כאשר התלמידים נדרשים ליישם באופן אוטונומי את מה שהם למדו פעמים רבות ככל שהם דורשים18. עם זאת, עם הגעתו של COVID-19, השימוש בו היה להחליף מעבדות מסורתיות ולהיות מסוגל לבצע תרגולים במהלך שיעורים מקוונים18. כאמור, RL זקוק למרחב פיזי (מעבדה מסורתית) ולאלמנטים המאפשרים לשלוט בו מרחוק. עם הגעתו של VR, מעבדות כבר מודלים וירטואליים, ובאמצעות מנגנונים פיזיים, אלמנטים של המעבדה ניתן לשלוט19. עם זאת, בעל RL הוא יקר מאוד, מעכב בתי ספר רבים במיוחד במדינות מתפתחות. כמה מחקרים מציינים כי עלויות יכול לנוע בין $ 50,000 ל $ 100,00020,21.
יתר על כן, מאז פרוץ המגפה היה צורך לבצע שינויים במהירות; במקרה של RLs, נעשו ניסיונות לשלוח ערכות לביתו של כל תלמיד כדי להחליף את המעבדות המסורתיות. עם זאת, הייתה בעיית עלות, שכן מחקרים הראו כי כל ערכה עלתה בסביבות $70018,22. עם זאת, המחקרים השתמשו ברכיבים יקרים וקשים להשגה. המגפה השפיעה על החינוך ברחבי העולם, ולא הרבה אנשים יכלו להוציא אלפי דולרים כדי להפוך מעבדה לאוטומטית או לקנות ערכה. רוב המחקרים מתייחסים לשיעורים פנים אל פנים ומשלימים אותם עם MR. עם זאת, בשנים האחרונות, שיעורים היו מקוונים בשל COVID-19, ורק כמה עבודות מראות את השיפור של שיעורים וירטואליים באמצעות MR ומכשירים סבירים23,24.
המחקר הקיים עד כה מתמקד בעיקר ברפואה, עם מעט מידע על הנדסה. עם זאת, ללא ספק, אנו מאמינים כי התרומה הגדולה ביותר ואת ההבדל הוא כי הניסוי שלנו בוצע במשך 6 חודשים והושווה עם נבדקים עם אותם מאפיינים שלא השתמשו במודלים וירטואליים, בעוד שרוב העבודות הקודמות ביצעו ניסויים קצרים כדי להשוות טכנולוגיות או נהלים בודדים; הם לא יישמו אותם במשך כמה חודשים. לכן, מאמר זה מראה את ההבדל בלמידה שניתן לבצע באמצעות MR בנושא אוניברסיטאי.
מסיבה זו, עבודה זו מראה את הפיתוח והתוצאות של מערכת MR כדי לסייע בביצוע פרקטיקות מעבדה באוניברסיטאות המתמקדות בהנדסת אלקטרוניקה. חשוב לציין כי דגש מיוחד מושם על שמירה על עלות נמוכה של המכשיר, והפיכתו לנגיש לכלל האוכלוסייה. שלוש קבוצות משתמשות בשיטות הוראה שונות, ונערכת בחינה על נושאי הכיתה. בדרך זו, ניתן להשיג תוצאות על הבנת הנושאים בחינוך מרחוק באמצעות MR.
הפרויקט המוסבר בעבודה זו נקרא מציאות משולבת לחינוך (MRE) והוא מוצע כפלטפורמה שבה תלמידים משתמשים במשקפי VR עם סמארטפון (כלומר, לא נעשה שימוש במשקפי VR מיוחדים). נוצר מרחב עבודה שבו התלמידים יכולים לקיים אינטראקציה עם סביבות וירטואליות ואובייקטים אמיתיים פשוט באמצעות הידיים שלהם, בשל השימוש באובייקטים וירטואליים ואמיתיים, מערכת מציאות משולבת. סביבת עבודה זו מורכבת מבסיס עם תמונה שבה כל האובייקטים הווירטואליים מוצגים ומקיימים איתם אינטראקציה. הסביבה שנוצרה מתמקדת בביצוע שיטות מעבדה כדי להראות רכיבים אלקטרוניים ופיזיקה לקריירה הנדסית. חשוב להדגיש את הצורך לספק משוב לתלמידים. מסיבה זו, MRE משלב מערכת משוב שבה מנהל (בדרך כלל המורה) יכול לראות מה נעשה כדי לדרג את הפעילות. בדרך זו, משוב יכול להינתן על העבודה שנעשתה על ידי התלמיד. לבסוף, היקף עבודה זו הוא לבדוק אם יש יתרונות בשימוש ב- MR בשיעורים מקוונים.
כדי להשיג זאת, הניסוי בוצע עם שלוש קבוצות של תלמידים. כל קבוצה כללה 10 תלמידים (30 תלמידים בסך הכל). הקבוצה הראשונה לא השתמשה ב-MRE, אלא רק לקחה תיאוריה (שיעורים מקוונים) על עקרון שימור התנע ורכיבים אלקטרוניים. הקבוצה השנייה השתמשה ב-MRE ללא משוב, והקבוצה השלישית השתמשה ב-MRE עם משוב ממורה. חשוב להזכיר כי לכל התלמידים יש אותה רמת בית ספר; הם סטודנטים באוניברסיטה באותו סמסטר ועם אותה קריירה, לומדים הנדסת מכטרוניקה. הניסוי יושם בקורס יחיד שנקרא מבוא לפיזיקה ואלקטרוניקה, בסמסטר השני של התואר; כלומר, הסטודנטים היו באוניברסיטה פחות משנה. לכן, הנושאים המכוסים בכיתה יכולים להיחשב בסיסיים מנקודת מבט הנדסית. הניסוי בוצע על 30 תלמידים, שכן זה היה מספר התלמידים שנרשמו לכיתה שבה אושר הניסוי. בכיתה שנבחרה (מבוא לפיזיקה ואלקטרוניקה) היו תיאוריה ופרקטיקות מעבדה, אך בשל המגפה נלמדו רק שיעורי תיאוריה. התלמידים חולקו לשלוש קבוצות כדי לראות את ההשפעה שיש לפרקטיקות על למידה כללית ואם שיעורי MR יכולים להוות תחליף לפרקטיקות פנים אל פנים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מערכת MRE מאפשרת לתלמידים תרחישים שונים ללמוד על רכיבים אלקטרוניים או נושאים פיזיקליים. נקודה חשובה היא האפשרות של המורה לספק משוב. בדרך זו, התלמידים יכולים לדעת מה הם עשו לא בסדר ומדוע. עם מערכת MRE שפותחה, בוצע ניסוי עם 30 תלמידים, שבו 10 תלמידים לא השתמשו MRE, 10 השתמשו MRE, ולבסוף עוד 10 השתמשו MRE וק…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נערך בחסות קמפוס אוניברסיטת גוודלחרה הפאן-אמריקאית. אנו מודים לסטודנטים להנדסה מכטרונית על תרומתם לניסוי.
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).
