יישום מציאות משולבת לחינוך (MRE) ותוצאות בשיעורים מקוונים להנדסה

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 $ 100,000^20,21.

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 $700^18,22. 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 סבירים^23,24.

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.