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技術(shù)文章

在虛擬環(huán)境中實(shí)踐學(xué)習(xí)會更有效嗎?
更新時間:2023-11-24   點(diǎn)擊次數(shù):459次

當(dāng)虛擬逐漸接入現(xiàn)實(shí),你是否想過足不出戶便能習(xí)得專業(yè)技能?
對于工程學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)者來說,這種可能正在悄然進(jìn)行……

在工程學(xué)領(lǐng)域,除了理論知識學(xué)習(xí),實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也非常重要。學(xué)習(xí)者必須從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí),以補(bǔ)充理論基礎(chǔ)。因此,常常需要使用設(shè)備,如協(xié)作機(jī)器人(CoBots),它的特點(diǎn)是與人一起工作,并且更便宜、體積更小,可以輕松安排于各種流程中。

然而,教育機(jī)構(gòu)的資源往往有限。近年來,在學(xué)習(xí)型工廠的背景下,各式各樣的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)的學(xué)習(xí)環(huán)境被開發(fā)并應(yīng)用于工程教育中。通過數(shù)字教學(xué)方法彌補(bǔ)有限資源與全面學(xué)生教育之間的差距或許成了目前的破題關(guān)鍵。

那么,新手工程師是否能借助VR的實(shí)踐培訓(xùn),獲得良好的學(xué)習(xí)成效呢?

來自Heinz Nixdorf研究所的Gr??ler教授和他的研究團(tuán)隊(duì)對此進(jìn)行了探究(Gr??ler et al.,2023)。

在虛擬環(huán)境中完成教學(xué)
虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是一種沉浸式技術(shù),可以為工程教育和培訓(xùn)創(chuàng)建虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境。這些學(xué)習(xí)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)包括:
· 更易拓展

· 不依賴實(shí)物
· 空間位置自由
· 不同學(xué)習(xí)場景全覆蓋


在工程學(xué)中使用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的目的是創(chuàng)造一種受控且安全的環(huán)境,讓學(xué)習(xí)者都可以在近乎真實(shí)的環(huán)境中模擬使用復(fù)雜和昂貴的工業(yè)設(shè)備,體驗(yàn)工業(yè)設(shè)備的功能和觸覺,實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)協(xié)作與沉浸式學(xué)習(xí),以在現(xiàn)實(shí)情況下實(shí)踐理論知識。

為了探究工程學(xué)新生在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下的學(xué)習(xí)成效和認(rèn)知負(fù)荷,研究者提出以下假設(shè):

在相同的自學(xué)教學(xué)方法下,虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是否能獲得與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境相同的學(xué)習(xí)成效?

觀察新手的行為
研究團(tuán)隊(duì)建立了一個基于游戲的協(xié)作、沉浸式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境,其中包括一個集成式VR工具,可以讓學(xué)生熟悉協(xié)作機(jī)器人(CoBots)的動作和基本功能。

為了能夠驗(yàn)證研究假設(shè),研究團(tuán)隊(duì)將虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境在主觀和客觀學(xué)習(xí)成效方面進(jìn)行了比較。

兩種環(huán)境均配備觀察攝像機(jī),捕捉學(xué)生的行為。使用 Noldus 的行為測定快速復(fù)盤系統(tǒng)(Viso系統(tǒng)回放記錄的觀察結(jié)果,并使用行為觀察記錄分析系統(tǒng)(The Observer XT分析數(shù)據(jù)。通過使用行為工具配合測評問卷,可以更好地觀察并分析行為。

通過實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)
共有10名計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院學(xué)生參與實(shí)驗(yàn),他們均須完成一項(xiàng)訓(xùn)練任務(wù):協(xié)作CoBot進(jìn)行拾放任務(wù)的編程(圖1)。

CoBot在位置 A 拾取給定物體,學(xué)生引導(dǎo)其越過障礙物,并物體存放在位置 B。為此,必須完成以下六個步驟:

· 建立機(jī)器人和計(jì)算機(jī)之間的連接
· 執(zhí)行拾放程序
· 編程抓取點(diǎn)(起點(diǎn))
· 在運(yùn)動曲線上編程合適的點(diǎn)
· 編程釋放點(diǎn)(終點(diǎn))
· 自動執(zhí)行拾取和放置過程



圖1 協(xié)作CoBots進(jìn)行拾放任務(wù)

依據(jù)研究假設(shè),為了比較自動化實(shí)驗(yàn)室中的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境與虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境,被試被分為實(shí)驗(yàn)組&對照組(圖2):

  1. VR組:在交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境(VR)中完成任務(wù)。

  2. SAL組:在傳統(tǒng)智能自動化實(shí)驗(yàn)室(SAL)中完成任務(wù)。


圖2 訓(xùn)練過程

研究進(jìn)行了前后測,即在訓(xùn)練任務(wù)前后對被試的學(xué)習(xí)水平進(jìn)行主觀和客觀的量表測評與精神壓力測試(圖3)。

圖3 實(shí)驗(yàn)流程

虛擬超越現(xiàn)實(shí)的可能
學(xué)習(xí)成效的結(jié)果顯示(表1),兩組被試的學(xué)習(xí)成效相似,都非常高,超過了90%。被試在培訓(xùn)前對如何使用CoBots一無所知,但在培訓(xùn)中均能夠良好地掌握相關(guān)內(nèi)容。

表1 學(xué)習(xí)成效自評量表平均得分

訓(xùn)練時間的結(jié)果顯示,兩組被試的訓(xùn)練時間有所不同(表2):VR組平均 10 分鐘,訓(xùn)練時間較短,而傳統(tǒng)組平均 18 分鐘。
這表明使用VR學(xué)習(xí)環(huán)境可以節(jié)省學(xué)習(xí)操作CoBot的時間,且不會對學(xué)習(xí)成效產(chǎn)生負(fù)面影響,即通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境,新手能夠在較低的認(rèn)知負(fù)荷下取得與傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境相似的學(xué)習(xí)成效,且教學(xué)時間可以大大減少。

表2  訓(xùn)練學(xué)習(xí)結(jié)果

精神壓力測試的結(jié)果顯示,兩組之間存在差異。VR組各方面需求的平均得分均低于SAL組。

初步研究結(jié)果表明,虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的理想替代。
研究者以此得出結(jié)論,虛擬現(xiàn)實(shí)或許可以幫助學(xué)生通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí),以解決教學(xué)資源有限的問題,彌補(bǔ)大學(xué)稀缺資源之間的差距。

在未來的研究中,探索特定大學(xué)課程的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境將是有益的。此外,探索如何在不同的學(xué)習(xí)環(huán)境中使用虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境,如操作機(jī)器來創(chuàng)建和開發(fā)未來產(chǎn)品,似乎具有巨大的潛力。


參考文獻(xiàn)
Gr??ler, I.; Hieb, M.; Roesmann, D.; Unverzagt, M. & Pottebaum, J. (2023). Virtual learning environment for teaching the handling of collaborative robots. 13th Conference on Learning Factories.

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