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

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.