Mixed Reality for Education (MRE) implementering og resultater i online klasser for teknik

Summary

I dette arbejde blev et mixed reality-system kaldet MRE udviklet for at hjælpe eleverne med at udvikle laboratoriepraksis, der supplerer online klasser. Et eksperiment blev udført med 30 studerende; 10 studerende brugte ikke MRE, 10 brugte MRE, og 10 mere brugte MRE med lærerfeedback.

Abstract

Covid-19-pandemien har ændret mange brancher, styrket nogle sektorer og fået mange andre til at forsvinde. Uddannelsessektoren er ikke fritaget for større ændringer. I nogle lande eller byer blev klasser undervist 100% online i mindst 1 år. Nogle universitetskarrierer har dog brug for laboratoriepraksis for at supplere læring, især inden for ingeniørområder, og kun at have teoretiske lektioner online kan påvirke deres viden. Af denne grund blev der i dette arbejde udviklet et mixed reality-system kaldet mixed reality for education (MRE) for at hjælpe eleverne med at udvikle laboratoriepraksis som supplement til online klasser. Et eksperiment blev udført med 30 studerende; 10 studerende brugte ikke MRE, 10 brugte MRE, og 10 mere brugte MRE med lærerfeedback. Med dette kan man se fordelene ved mixed reality i uddannelsessektoren. Resultaterne viser, at brug af MRE hjælper med at forbedre viden inden for ingeniørfag; De studerende opnåede kvalifikationer med karakterer 10% til 20% bedre end dem, der ikke brugte det. Frem for alt viser resultaterne vigtigheden af feedback, når man bruger virtual reality-systemer.

Introduction

Teknologi har altid været til stede i uddannelsessektoren; Der er sket dybtgående ændringer i de enheder, der bruges til at undervise klasser. Ansigt til ansigt klasser forbliver dog den foretrukne mulighed for studerende og lærere. Da pandemien kom, ændrede den alle sektorer, og uddannelse var ingen undtagelse. I 2018, før pandemien, rapporterede kun 35% af de studerende, der studerede en grad, at have taget mindst en klasse online; Det vil sige, at 65% af eleverne afsluttede deres studier personligt¹. Fra april 2020 var alle offentlige og private skoler ved regeringsordre (mexicansk) forbudt at undervise ansigt til ansigt-klasser; Af denne grund måtte 100% af eleverne tage fjernundervisning. Universiteterne var de første til at handle ved hjælp af værktøjer til videoopkald, forberedelse af klasser, lektiestyring mv. Dette giver mening, da folk i universitetsalderen (mellem 18 og 25 år) er mennesker, der har været i kontakt med teknologi siden fødslen.

Nogle klasser kan tilpasses fuldt ud virtuelt; Laboratoriepraksis er imidlertid kompleks at udføre eksternt, og eleverne har ikke det nødvendige materiale, hvilket ofte er dyrt. Den indvirkning, som onlineklasser har på kvaliteten af viden, er uklar, og nogle undersøgelser viser, at onlinekurser generelt giver dårligere studerendes præstationer end personlige kurser². Men en ting er sikkert, ikke at udføre laboratoriepraksis, der bringer eleverne tættere på, hvad de vil opleve i branchen, vil påvirke deres faglige præstationer negativt. Derfor bliver betydningen af virkelige oplevelser nødvendig i den nuværende undervisning i ingeniørvidenskab ^3,4,5. Af disse grunde anvendes nye teknologier til at afbøde disse problemer. Blandt dem er virtual reality (VR), augmented reality (AR) og mixed reality (MR). Det er vigtigt at nævne, at VR er en teknologi, der tillader oprettelse af et helt fordybende digitalt miljø, mens AR overlejrer virtuelle objekter i det virkelige miljø. På den anden side bruger MR ikke kun virtuelle objekter, men forankrer også disse objekter til den virkelige verden, hvilket gør det muligt at interagere med dem. MR er således en kombination af VR og AR⁶. På den anden side har nogle organisationer også gjort en indsats for at udvikle fjerntliggende laboratorier, hvor der findes reelt udstyr, men som kan fjernstyres⁷.

Udtrykket MR dateres til 1994; men i de sidste 5 år har det fået særlig betydning takket være store virksomheder, der har fokuseret deres indsats på at udvikle miljøer, såsom Metaverse⁶. MR kan anvendes på forskellige områder; To af de mest almindelige er træning og uddannelse. Uddannelse har været en af de store drivkræfter for MR; Det er meget dyrt for en virksomhed at stoppe en produktionslinje for at uddanne nye medarbejdere eller i farlige miljøer, og det er ikke let at gennemføre træning i marken. Uddannelse er ikke langt bagefter; Selvom ansigt til ansigt klasser har ændret sig meget lidt, er der store bestræbelser på at indarbejde MR i klasse ^8,9. Til uddannelse er der professionelle karriere, hvor det er nødvendigt at udføre laboratoriepraksis for at have fuldstændig træning. Mange eksisterende undersøgelser og forskning er inden for medicin, hvor VR, AR og MR spiller en nøglerolle. Flere artikler viser, hvordan MR overgår traditionelle undervisningsmetoder i kirurgiske og medicinske, hvor praksis er en klar fordel for at udvikle studerende 10,11,12,13,14.

Der er dog ikke den samme mængde forskning i tekniske spørgsmål. Normalt i ingeniørkarriere har en studerende teoriklasser suppleret med praksis. På denne måde er der undersøgelser af MR og VR, der viser fordelene ved ingeniørpædagogik¹². Nogle af disse undersøgelser fokuserer imidlertid på at analysere kompleksiteten af miljøet og de anvendte værktøjer ^8,15. Tang et al. udtænkte en undersøgelse, hvor studerende fra forskellige områder og med forskellig viden brugte MR til at forbedre deres forståelse af geometrisk analyse og kreativitet¹⁶. I en efterfølgende test afsluttede folk, der tog deres klasser ved hjælp af MR, hurtigere, hvilket gjorde det klart, at MR positivt påvirker læring¹⁶. Desuden viste Halabi brugen af VR-værktøjer i ingeniøruddannelsen. Selvom det ikke er MR, viser det værktøjer, der kan bruges til undervisning. Det er et reelt casestudie for at vise, at det er muligt at introducere VR i ingeniørklasse¹⁷.

På den anden side er fjernlaboratorier (RL’er) teknologiske værktøjer sammensat af software og hardware, der giver eleverne mulighed for eksternt at udføre deres praksis, som om de var i et traditionelt laboratorium. RL’er er generelt tilgængelige via internettet og bruges normalt, når eleverne skal autonomt omsætte det, de har lært, så mange gange som de har brug for¹⁸. Men med ankomsten af COVID-19 har dens anvendelse været at erstatte traditionelle laboratorier og være i stand til at udføre praksis under online klasser¹⁸. Som nævnt ovenfor har en RL brug for et fysisk rum (traditionelt laboratorium) og elementer, der gør det muligt at fjernstyre det. Med ankomsten af VR er laboratorier blevet modelleret virtuelt, og gennem fysiske mekanismer kan laboratoriets elementer styres¹⁹. Det er dog meget dyrt at have en RL, hvilket hæmmer mange skoler, især i udviklingslande. Nogle undersøgelser nævner, at omkostningerne kan variere mellem $ 50,000 og $ 100,000^20,21.

Siden pandemien begyndte, har det desuden været nødvendigt at foretage ændringer hurtigt; i tilfælde af RL’er blev der forsøgt at sende kits til hver elevs hjem for at erstatte de traditionelle laboratorier. Der var dog et omkostningsproblem, da undersøgelser viste, at hvert sæt kostede omkring $ 700 ^18,22. Ikke desto mindre anvendte undersøgelserne dyre og vanskelige at skaffe komponenter. Pandemien påvirkede uddannelse over hele verden, og ikke mange mennesker kunne bruge tusindvis af dollars på at automatisere et laboratorium eller købe et sæt. De fleste undersøgelser overvejer ansigt til ansigt klasser og supplerer dem med MR. I de senere år har klasser imidlertid været online på grund af COVID-19, og kun nogle værker viser forbedringen af virtuelle klasser ved hjælp af MR og overkommelige enheder^23,24.

Den forskning, der eksisterer indtil videre, er hovedsageligt fokuseret på medicin, med lidt information om teknik. Men uden tvivl mener vi, at det største bidrag og forskel er, at vores eksperiment blev udført i 6 måneder og blev sammenlignet med emner med de samme egenskaber, der ikke brugte virtuelle modeller, mens de fleste tidligere værker udførte korte eksperimenter for at sammenligne enkeltteknologier eller procedurer; De anvendte dem ikke over flere måneder. Derfor viser dette papir forskellen i læring, der kan gøres ved hjælp af MR i et universitetsfag.

Af denne grund viser dette arbejde udviklingen og resultaterne af et MR-system, der skal hjælpe med at udføre laboratoriepraksis på universiteter med fokus på elektronisk teknik. Det er vigtigt at nævne, at der lægges særlig vægt på at holde omkostningerne ved enheden lave, hvilket gør den tilgængelig for den almindelige befolkning. Tre grupper bruger forskellige undervisningsmetoder, og der gennemføres en eksamen om klassens emner. På denne måde er det muligt at opnå resultater med at forstå emnerne i fjernundervisning ved hjælp af MR.

Projektet forklaret i dette arbejde kaldes mixed reality for education (MRE) og foreslås som en platform, hvor eleverne bruger VR-briller med en smartphone (dvs. der bruges ingen specielle VR-briller). Der oprettes et arbejdsområde, hvor eleverne kan interagere med virtuelle miljøer og virkelige objekter ved blot at bruge deres egne hænder på grund af brugen af virtuelle og virkelige objekter, et mixed reality-system. Dette arbejdsområde består af en base med et billede, hvor alle de virtuelle objekter vises og interageres med. Det skabte miljø fokuserer på at udføre laboratoriepraksis for at vise elektroniske komponenter og fysik til ingeniørkarriere. Det er vigtigt at fremhæve behovet for at give feedback til studerende. Af denne grund inkorporerer MRE et feedbacksystem, hvor en administrator (normalt læreren) kan se, hvad der gøres for at bedømme aktiviteten. På denne måde kan der gives feedback på det arbejde, som den studerende udfører. Endelig er omfanget af dette arbejde at kontrollere, om der er fordele ved at bruge MR i online klasser.

For at opnå dette blev eksperimentet udført med tre grupper af studerende. Hver gruppe bestod af 10 studerende (30 studerende i alt). Den første gruppe brugte ikke MRE, men tog kun teori (online klasser) om momentumbevaringsprincippet og elektroniske komponenter. Den anden gruppe brugte MRE uden feedback, og den tredje gruppe brugte MRE med feedback fra en lærer. Det er vigtigt at nævne, at alle elever har samme skoleniveau; De er universitetsstuderende i samme semester og med samme karriere, studerer mekatronik teknik. Eksperimentet blev anvendt i et enkelt kursus kaldet Introduktion til fysik og elektronik i andet semester af graden; Det vil sige, at de studerende havde været på universitetet i mindre end 1 år. Derfor kan de emner, der er omfattet af klassen, betragtes som grundlæggende ud fra et teknisk synspunkt. Eksperimentet blev udført på 30 studerende, da dette var antallet af studerende, der tilmeldte sig den klasse, hvor eksperimentet blev godkendt. Den valgte klasse (introduktion til fysik og elektronik) havde teori og laboratoriepraksis, men på grund af pandemien blev der kun undervist i teoriklasser. De studerende blev opdelt i tre grupper for at se den indflydelse, som praksis har på generel læring, og om MR-klasser kunne erstatte ansigt til ansigt-praksis.

Protocol

Protokollen følger retningslinjerne fra Panamerican University etiske komité. Eksperimentet blev udført med i alt 30 studerende mellem 18 og 20 år; otte studerende var kvinder og 22 var mænd, og de gik alle på Panamerican University i Guadalajara, Mexico (den næststørste by i Mexico). Alle deltagere gennemførte processen med informeret samtykke og gav skriftlig tilladelse til, at fotos blev taget og offentliggjort under dataindsamlingen. Det eneste krav var, at eleverne skulle have en smartphone, hvilket ikke va…

Representative Results

Dette afsnit viser resultaterne fra eksperimentet. For det første forklares nogle detaljer om, hvordan eksperimentet blev udført, derefter vises testene udført på eksperimentets studerende, og desuden præsenteres resultaterne af testene. Endelig beskrives en analyse ved hjælp af en elev i hver gruppe. Et af de største problemer, som pandemien bragte til ingeniøruddannelsen, var, at det ikke var muligt at udføre ansigt til ansigt laboratoriepraksis, hvilket har en direkte indvirkning p…

Discussion

MRE-systemet giver eleverne mulighed for at lære om elektroniske komponenter eller fysikemner. Et vigtigt punkt er muligheden for, at læreren giver feedback. På denne måde kan eleverne vide, hvad de gjorde forkert og hvorfor. Med MRE-systemet udviklet blev der udført et eksperiment med 30 studerende, hvor 10 studerende ikke brugte MRE, 10 brugte MRE, og endelig brugte yderligere 10 MRE og modtog feedback fra læreren. I slutningen af klasserne blev der givet en generel videntest til alle eleverne. Testen blev ikke ?…

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)