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當(dāng)虛擬逐漸接入現(xiàn)實，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行……

在工程學(xué)領(lǐng)域，除了理論知識學(xué)習(xí)，實踐經(jīng)驗也非常重要。學(xué)習(xí)者必須從實踐經(jīng)驗中學(xué)習(xí)，以補充理論基礎(chǔ)。因此，常常需要使用設(shè)備，如協(xié)作機器人（CoBots），它的特點是與人一起工作，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（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教授和他的研究團隊對此進行了探究（Gr??ler et al.，2023）。

在虛擬環(huán)境中完成教學(xué)
虛擬現(xiàn)實（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)點包括：
· 更易拓展

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的環(huán)境中模擬使用復(fù)雜和昂貴的工業(yè)設(shè)備，體驗工業(yè)設(shè)備的功能和觸覺，實現(xiàn)體驗協(xié)作與沉浸式學(xué)習(xí)，以在現(xiàn)實情況下實踐理論知識。

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)成效和認知負荷，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
研究團隊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)作機器人（CoBots）的動作和基本功能。

為了能夠驗證研究假設(shè)，研究團隊將虛擬學(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)成效方面進行了比較。

兩種環(huán)境均配備觀察攝像機，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。

通過實踐的經(jīng)驗學(xué)習(xí)
共有10名計算機科學(xué)學(xué)院學(xué)生參與實驗，他們均須完成一項訓(xùn)練任務(wù)：協(xié)作CoBot進行拾放任務(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：

圖1 協(xié)作CoBots進行拾放任務(wù)

依據(jù)研究假設(shè)，為了比較自動化實驗室中的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)環(huán)境與虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，被試被分為實驗組&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)智能自動化實驗室（SAL)中完成任務(wù)。

圖2 訓(xùn)練過程

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

圖3 實驗流程

虛擬超越現(xiàn)實的可能
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)生負面影響，即通過使用虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境，新手能夠在較低的認知負荷下取得與傳統(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)實驗室環(huán)境的理想替代。
研究者以此得出結(jié)論，虛擬現(xiàn)實或許可以幫助學(xué)生通過實踐經(jīng)驗學(xué)習(xí)，以解決教學(xué)資源有限的問題，彌補大學(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
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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