在虛擬環(huán)境中實(shí)踐學(xué)習(xí)提高效率的機(jī)制詳解
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，常常需要使用最先進(jìn)的設(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Gräßler教授和他的研究團(tuán)隊(duì)對此進(jìn)行了探究（Gräßler 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）：
- VR組：在交互式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境（VR）中完成任務(wù)。
- 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)
Gräßler, 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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虛擬環(huán)境
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