Внедрение смешанной реальности для образования (MRE) и результаты в онлайн-классах по инженерным специальностям

Summary

В этой работе была разработана система смешанной реальности под названием MRE, которая помогает студентам разрабатывать лабораторные практики, дополняющие онлайн-занятия. Был проведен эксперимент с участием 30 студентов; 10 учащихся не использовали MRE, 10 использовали MRE и еще 10 использовали MRE с учетом отзывов учителей.

Abstract

Пандемия COVID-19 изменила многие отрасли, расширив возможности некоторых секторов и вызвав исчезновение многих других. Сектор образования не свободен от серьезных изменений; В некоторых странах или городах занятия проводились на 100% онлайн в течение как минимум 1 года. Тем не менее, некоторые университеты нуждаются в лабораторных практиках в дополнение к обучению, особенно в инженерных областях, и наличие только теоретических онлайн-уроков может повлиять на их знания. По этой причине в данной работе была разработана система смешанной реальности под названием Mixed reality for Education (MRE), чтобы помочь студентам разработать лабораторные практики в дополнение к онлайн-занятиям. Был проведен эксперимент с участием 30 студентов; 10 учащихся не использовали MRE, 10 использовали MRE и еще 10 использовали MRE с учетом отзывов учителей. Таким образом, можно увидеть преимущества смешанной реальности в сфере образования. Результаты показывают, что использование MRE способствует улучшению знаний по инженерным предметам; Студенты получили квалификацию с оценками на 10-20% лучше, чем те, кто ее не использовал. Прежде всего, результаты показывают важность обратной связи при использовании систем виртуальной реальности.

Introduction

Технологии всегда присутствовали в сфере образования; Глубокие изменения произошли в устройствах, используемых для проведения занятий. Тем не менее, очные занятия остаются предпочтительным вариантом для студентов и преподавателей. Когда пришла пандемия, она изменила все отрасли, и образование не стало исключением. В 2018 году, до пандемии, только 35% студентов, получивших степень, сообщили, что прошли хотя бы одно занятие онлайн; То есть 65% студентов завершили обучение очно¹. По состоянию на апрель 2020 года постановлением правительства (Мексики) всем государственным и частным школам было запрещено проводить очные занятия; По этой причине 100% студентов были вынуждены посещать дистанционные занятия. Первыми начали действовать университеты, использующие инструменты для видеозвонков, подготовки занятий, управления домашними заданиями и т.д. Это логично, так как люди студенческого возраста (от 18 до 25 лет) – это люди, которые контактируют с технологиями с рождения.

Некоторые занятия могут быть полностью адаптированы виртуально; Однако лабораторные практики сложно проводить дистанционно, а у студентов нет необходимого материала, который зачастую стоит дорого. Влияние онлайн-занятий на качество знаний неясно, и некоторые исследования показывают, что онлайн-курсы, как правило, дают худшую успеваемость студентов, чем очные курсовые работы^. Но одно можно сказать наверняка: отсутствие лабораторных практик, которые приближают студентов к тому, что они испытают в отрасли, негативно скажется на их профессиональной деятельности. Таким образом, важность реального опыта становится необходимой в современном преподавании инженерии ^3,4,5. По этим причинам для смягчения этих проблем используются новые технологии. Среди них виртуальная реальность (VR), дополненная реальность (AR) и смешанная реальность (MR). Важно отметить, что VR — это технология, которая позволяет создать полностью иммерсивную цифровую среду, в то время как AR накладывает виртуальные объекты на реальную среду. С другой стороны, MR не просто использует виртуальные объекты, но и привязывает эти объекты к реальному миру, делая возможным взаимодействие с ними. Таким образом, MR представляет собой комбинацию VR и AR⁶. С другой стороны, некоторые организации также предприняли усилия по созданию дистанционных лабораторий, в которых существует реальное оборудование, которым можно управлять дистанционно⁷.

Термин MR появился в 1994 году; однако в последние 5 лет он приобрел особое значение благодаря крупным компаниям, которые сосредоточили свои усилия на разработке сред, таких как Метавселенная⁶. МРТ может применяться в различных областях; Два наиболее распространенных – это обучение и образование. Обучение является одним из главных факторов развития МРТ; Для компании очень дорого останавливать производственную линию для обучения новых сотрудников или в опасных условиях, а проводить обучение в полевых условиях непросто. Образование не отстает; Несмотря на то, что очные занятия изменились очень мало, прилагаются большие усилия для включения МРТ в классы ^8,9. Для получения образования существуют профессиональные карьеры, где необходимо проводить лабораторные практики, чтобы иметь полную подготовку. Многие существующие исследования и исследования относятся к медицине, в которой ключевую роль играют VR, AR и MR. Многочисленные работы показывают, как МРТ превосходит традиционные методы преподавания хирургических и медицинских дисциплин, где практика является явным преимуществом для развития студентов 10,11,12,13,14.

Тем не менее, нет такого количества исследований по инженерным вопросам. Как правило, в инженерной карьере у студента есть теоретические занятия, дополненные практикой. Таким образом, существуют исследования по МРТ и виртуальной реальности, показывающие преимущества инженерной педагогики¹². Тем не менее, некоторые из этих исследований сосредоточены на анализе сложности среды и используемых инструментов ^8,15. Tang et al. разработали исследование, в котором студенты из разных областей и с разными знаниями использовали МРТ для улучшения своего понимания геометрического анализа и творчества¹⁶. В последующем тесте люди, которые проходили занятия с использованием MR, закончили быстрее, что дало понять, что MR положительно влияет на обучение¹⁶. Кроме того, Халаби показал применение VR-инструментов в инженерном образовании. Несмотря на то, что это не MR, он показывает инструменты, которые можно использовать для обучения. Это реальный кейс, показывающий, что VR можно внедрить в^{инженерных классах 17}.

С другой стороны, дистанционные лаборатории (ЛЛ) — это технологические инструменты, состоящие из программного и аппаратного обеспечения, которые позволяют студентам удаленно проводить свою практику, как если бы они находились в традиционной лаборатории. Доступ к РЛ, как правило, осуществляется через Интернет и обычно используется, когда от студентов требуется автономное применение на практике того, что они узнали, столько раз, сколько им требуется¹⁸. Однако с приходом COVID-19 он стал использоваться для замены традиционных лабораторий и для того, чтобы иметь возможность проводить практику во время онлайн-занятий¹⁸. Как упоминалось выше, РЛ нуждается в физическом пространстве (традиционной лаборатории) и элементах, позволяющих управлять им удаленно. С появлением виртуальной реальности лаборатории стали моделироваться виртуально, и с помощью физических механизмов элементами лаборатории можно управлять¹⁹. Тем не менее, наличие RL обходится очень дорого, что затрудняет работу многих школ, особенно в развивающихся странах. В некоторых исследованиях упоминается, что затраты могут варьироваться от 50 000 до 100 000 долларов ^США.

Более того, с начала пандемии изменения пришлось вносить быстро; В случае с РЛ были предприняты попытки разослать комплекты на дом каждому учащемуся для замены традиционных лабораторий. Тем не менее, существовала проблема стоимости, так как исследования показали, что каждый комплект стоил около 700 долларов^18,22. Тем не менее, в исследованиях использовались дорогостоящие и труднодоступные компоненты. Пандемия повлияла на образование во всем мире, и не многие люди могли потратить тысячи долларов на автоматизацию лаборатории или покупку набора. Большинство исследований рассматривают очные занятия и дополняют их МРТ. Однако в последние годы из-за COVID-19 занятия проходят онлайн, и только некоторые работы показывают улучшение виртуальных классов с использованием МРТ и доступных устройств^23,24.

Исследования, которые существуют до сих пор, в основном сосредоточены на медицине, и мало информации об инженерии. Однако, без сомнения, мы считаем, что наибольший вклад и отличие заключается в том, что наш эксперимент проводился в течение 6 месяцев и сравнивался с испытуемыми с теми же характеристиками, которые не использовали виртуальные модели, в то время как большинство предыдущих работ проводили короткие эксперименты для сравнения отдельных технологий или процедур; Они не применяли их в течение нескольких месяцев. Таким образом, в данной статье показана разница в обучении, которую можно сделать с помощью МРТ в вузовском предмете.

По этой причине в данной работе показана разработка и результаты МР-системы для проведения лабораторных практик в университетах, ориентированных на электронную инженерию. Важно отметить, что особый акцент сделан на том, чтобы сохранить низкую стоимость устройства, сделав его доступным для широких слоев населения. В трех группах используются разные методики обучения, проводится экзамен по темам занятий. Таким образом, можно получить результаты по пониманию тем в дистанционном образовании с помощью МР.

Проект, описанный в этой работе, называется «Смешанная реальность для образования» (MRE) и предлагается в качестве платформы, где учащиеся используют VR-очки со смартфоном (т.е. не используются специальные VR-очки). Создается рабочее пространство, где учащиеся могут взаимодействовать с виртуальными средами и реальными объектами просто своими руками, за счет использования виртуальных и реальных объектов, системы смешанной реальности. Это рабочее пространство состоит из базы с изображением, где отображаются все виртуальные объекты и с которыми осуществляется взаимодействие. Созданная среда ориентирована на проведение лабораторных практик для демонстрации электронных компонентов и физики для инженерной карьеры. Важно подчеркнуть необходимость обеспечения обратной связи со студентами. По этой причине MRE включает в себя систему обратной связи, с помощью которой администратор (обычно учитель) может видеть, что делается для оценки деятельности. Таким образом, можно дать обратную связь о работе, проделанной студентом. Наконец, цель этой работы — проверить, есть ли преимущества в использовании MR на онлайн-занятиях.

Для этого эксперимент был проведен с тремя группами студентов. Каждая группа состояла из 10 студентов (всего 30 студентов). Первая группа не использовала MRE, а только теорию (онлайн-занятия) по принципу сохранения импульса и электронные компоненты. Вторая группа использовала MRE без обратной связи, а третья группа использовала MRE с обратной связью от учителя. Важно отметить, что все ученики имеют одинаковый школьный уровень; Они являются студентами университета в одном семестре и с одинаковой профессией, изучающими мехатронную инженерию. Эксперимент был применен в одном курсе под названием «Введение в физику и электронику» во втором семестре обучения; То есть студенты проучились в университете менее 1 года. Поэтому темы, рассматриваемые на занятии, можно считать базовыми с инженерной точки зрения. Эксперимент проводился на 30 студентах, так как именно столько учеников было зачислено в класс, где эксперимент был разрешен. В выбранном классе («Введение в физику и электронику») были теоретические и лабораторные практики, но из-за пандемии преподавались только теоретические занятия. Студенты были разделены на три группы, чтобы увидеть, какое влияние практики оказывают на общее обучение, и могут ли занятия MR заменить очные практики.

Protocol

Протокол соответствует руководящим принципам комитета по этике Панамериканского университета. В эксперименте приняли участие 30 студентов в возрасте от 18 до 20 лет; восемь студентов были женщинами и 22 мужчинами, и все они учились в Панамериканском университете в Гвадалахаре, Мексика (вт…

Representative Results

В этом разделе приведены результаты, полученные в ходе эксперимента. Сначала объясняются некоторые подробности того, как проводился эксперимент, затем показываются тесты, проведенные на учащихся эксперимента, и, кроме того, представляются результаты испытаний. Наконец, описывается ан…

Discussion

Система MRE позволяет студентам изучать электронные компоненты или темы физики в различных сценариях. Важным моментом является возможность предоставления преподавателем обратной связи. Таким образом, учащиеся могут узнать, что они сделали неправильно и почему. С разработкой системы MRE…

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)