混合现实教育 （MRE） 在工程在线课程中的实施和结果

技术一直存在于教育领域;用于教学课程的设备发生了深刻的变化。然而，面对面的课程仍然是学生和教师的首选。当大流行来临时，它改变了所有部门，教育也不例外。2018 年，在大流行之前，只有 35% 的攻读学位的学生报告至少在线上过一门课;也就是说，65% 的学生亲自完成了学业¹.截至 2020 年 4 月，根据政府命令（墨西哥），所有公立和私立学校都被禁止教授面对面课程;出于这个原因，100%的学生不得不参加远程课程。大学率先采取行动，使用视频通话、备课、家庭作业管理等工具。这是有道理的，因为大学年龄的人（18 到 25 岁之间）是从出生起就接触技术的人。

有些课程可以完全虚拟地适应;然而，远程执行的实验室实践很复杂，学生没有必要的材料，这通常很昂贵。在线课程对知识质量的影响尚不清楚，一些研究表明，在线课程的学生表现通常比面对面课程更差².但有一点是肯定的，不进行实验室实践，使学生更接近他们在行业中的体验，将对他们的专业表现产生负面影响。因此，在当前的工程教学中，真实规模经验的重要性变得必要 ^3,4,5。由于这些原因，人们正在使用新技术来缓解这些问题。其中包括虚拟现实 （VR）、增强现实 （AR） 和混合现实 （MR）。值得一提的是，VR是一种允许创建完全身临其境的数字环境的技术，而AR则将虚拟对象叠加在现实世界环境中。另一方面，MR不仅使用虚拟对象，还将这些对象锚定到现实世界中，从而可以与它们进行交互。因此，MR 是 VR 和 AR⁶ 的结合。另一方面，一些组织也努力发展远程实验室，其中存在真实设备，但可以远程控制⁷.

MR 一词可以追溯到 1994 年;然而，在过去的 5 年里，由于大公司将精力集中在开发环境上，例如 Metaverse⁶，它变得特别重要。MR可以应用于不同的领域;最常见的两种是培训和教育。培训一直是MR的重要驱动力之一;对于一家公司来说，停止生产线培训新员工的成本非常高，或者在危险的环境中，而且在现场进行培训并不容易。教育也不甘落后;尽管面授课程变化不大，但正在努力将 MR 纳入^8、9 级。对于教育，在一些职业生涯中，有必要进行实验室实践以接受完整的培训。许多现有的研究和研究都是在医学领域，VR、AR和MR发挥着关键作用。多篇论文展示了MR如何超越外科和医学科目的传统教学方法，其中这种做法对于培养学生具有明显的优势10,11,12,13,14。

然而，关于工程问题的研究数量并不相同。通常在工程职业中，学生有理论课和实践课。通过这种方式，有关于 MR 和 VR 的研究显示了工程教学法的好处¹².然而，其中一些研究侧重于分析环境的复杂性和所使用的工具 ^8,15。Tang 等人设计了一项研究，让来自不同领域和不同知识的学生使用 MR 来提高他们对几何分析和创造力的理解¹⁶。在随后的测试中，使用 MR 上课的人完成得更快，这清楚地表明 MR 对学习有积极影响¹⁶。此外，Halabi还展示了VR工具在工程教育中的应用。虽然它不是MR，但它显示了可用于教学的工具。它做了一个真实的案例研究，表明在工程类¹⁷ 中引入 VR 是可能的。

另一方面，远程实验室 （RL） 是由软件和硬件组成的技术工具，允许学生像在传统实验室中一样远程进行实践。RL 通常通过互联网访问，通常用于要求学生自主实践他们所学知识的次数，就像他们需要的次数一样多¹⁸.然而，随着 COVID-19 的到来，它的用途是取代传统实验室并能够在在线课程¹⁸ 期间进行实践。如上所述，RL需要一个物理空间（传统实验室）和允许远程控制的元素。随着VR的到来，实验室已经进行了虚拟建模，通过物理机制，可以控制实验室的元素¹⁹。然而，拥有RL非常昂贵，阻碍了许多学校，特别是在发展中国家。一些研究提到，成本可能在 50,000 美元到 100,000 美元之间变化^20,21.

此外，自大流行开始以来，必须迅速做出改变;就RL而言，尝试将工具包发送到每个学生的家中，以取代传统的实验室。然而，存在成本问题，因为研究表明，每个套件的成本约为 700^18,22 美元。然而，这些研究使用了昂贵且难以获得的成分。大流行影响了全球的教育，没有多少人能花数千美元来自动化实验室或购买套件。大多数研究考虑了面对面的课程，并用MR进行补充。然而，近年来，由于 COVID-19，课程已经在线，只有一些作品显示了使用 MR 和负担得起的设备^23,24 的虚拟课程的改进。

目前存在的研究主要集中在医学上，几乎没有关于工程学的信息。然而，毫无疑问，我们认为最大的贡献和区别在于，我们的实验进行了6个月，并与不使用虚拟模型的具有相同特征的受试者进行了比较，而以前的大多数工作都进行了简短的实验来比较单个技术或程序;他们没有在几个月内应用它们。因此，本文展示了在大学科目中使用 MR 可以进行的学习差异。

出于这个原因，这项工作展示了MR系统的开发和结果，以帮助在专注于电子工程的大学中开展实验室实践。值得一提的是，特别强调的是保持设备的低成本，使其可供普通人群使用。三个小组使用不同的教学方法，并针对班级主题进行考试。通过这种方式，可以获得使用MR理解远程教育主题的结果。

这项工作中解释的项目被称为混合现实教育（MRE），并被提议作为一个平台，学生在智能手机上使用VR眼镜（即，不使用特殊的VR眼镜）。由于使用了虚拟和真实对象，因此创建了一个工作区，学生只需使用自己的双手即可与虚拟环境和真实对象进行交互，这是一个混合现实系统。该工作区由一个带有图像的底座组成，所有虚拟对象都在其中显示并与之交互。所创造的环境侧重于进行实验室实践，以展示工程职业的电子元件和物理学。重要的是要强调向学生提供反馈的必要性。出于这个原因，MRE包含了一个反馈系统，管理员（通常是教师）可以看到正在做什么来评价活动。通过这种方式，可以对学生所做的工作进行反馈。最后，这项工作的范围是检查在在线课程中使用MR是否有优势。

为了实现这一目标，该实验由三组学生进行。每组由10名学生组成（共30名学生）。第一组没有使用MRE，只学习动量守恒原理和电子元件的理论（在线课程）。第二组在没有反馈的情况下使用MRE，第三组在老师的反馈下使用MRE。值得一提的是，所有学生都有相同的学校水平;他们是同一学期、从事同一职业的大学生，学习机电一体化工程。该实验在学位的第二学期应用于一门名为“物理和电子学导论”的课程;也就是说，这些学生在大学里的时间不到 1 年。因此，从工程的角度来看，课程中涵盖的主题可以被认为是基本的。该实验是在 30 名学生身上进行的，因为这是在授权实验的班级注册的学生人数。选定的课程（物理和电子学导论）有理论和实验室实践，但由于大流行，只教授理论课程。学生们被分成三组，看看这些练习对一般学习的影响，以及MR课程是否可以替代面对面的练习。