在虛擬環境中實踐學習提高效率的機制詳解
當虛擬逐漸接入現實，你是否想過足不出戶便能習得專業技能？
對于工程學領域的學習者來說，這種可能正在悄然進行……
在工程學領域，除了理論知識學習，實踐經驗也非常重要。學習者必須從實踐經驗中學習，以補充理論基礎。因此，常常需要使用最先進的設備，如協作機器人（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，教育機構的資源往往有限。近年來，在學習型工廠的背景下，各式各樣的虛擬現實（VR）的學習環境被開發并應用于工程教育中。通過數字教學方法彌補有限資源與全面學生教育之間的差距或許成了目前的破題關鍵。
那么，新手工程師是否能借助VR的實踐培訓，獲得良好的學習成效呢？
來自Heinz Nixdorf研究所的Gräßler教授和他的研究團隊對此進行了探究（Gräßler et al.，2023）。
在虛擬環境中完成教學
虛擬現實（VR）是一種沉浸式技術，可以為工程教育和培訓創建虛擬的學習環境。這些學習環境的優點包括：
· 更易拓展
· 不依賴實物
· 空間位置自由
· 不同學習場景全覆蓋
在工程學中使用虛擬學習環境的目的是創造一種受控且安全的環境，讓學習者都可以在近乎真實的環境中模擬使用復雜和昂貴的工業設備，體驗工業設備的功能和觸覺，實現體驗協作與沉浸式學習，以在現實情況下實踐理論知識。
為了探究工程學新生在虛擬學習環境下的學習成效和認知負荷，研究者提出以下假設：
在相同的自學教學方法下，虛擬學習環境是否能獲得與傳統學習環境相同的學習成效？
觀察新手的行為
研究團隊建立了一個基于游戲的協作、沉浸式虛擬學習環境，其中包括一個集成式VR工具，可以讓學生熟悉協作機器人（CoBots）的動作和基本功能。
為了能夠驗證研究假設，研究團隊將虛擬學習環境與傳統學習環境在主觀和客觀學習成效方面進行了比較。
兩種環境均配備觀察攝像機，捕捉學生的行為。使用 Noldus 的行為測定快速復盤系統（Viso）系統回放記錄的觀察結果，并使用行為觀察記錄分析系統（The Observer XT）分析數據。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。
通過實踐的經驗學習
共有10名計算機科學學院學生參與實驗，他們均須完成一項訓練任務：協作CoBot進行拾放任務的編程（圖1）。
CoBot在位置 A 拾取給定物體，學生引導其越過障礙物，并物體存放在位置 B。為此，必須完成以下六個步驟：
· 建立機器人和計算機之間的連接
· 執行拾放程序
· 編程抓取點（起點）
· 在運動曲線上編程合適的點
· 編程釋放點（終點）
· 自動執行拾取和放置過程
圖1 協作CoBots進行拾放任務
依據研究假設，為了比較自動化實驗室中的傳統學習環境與虛擬學習環境，被試被分為實驗組&對照組（圖2）：
- VR組：在交互式虛擬學習環境（VR）中完成任務。
- SAL組：在傳統智能自動化實驗室（SAL)中完成任務。
圖2 訓練過程
研究進行了前后測，即在訓練任務前后對被試的學習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
虛擬超越現實的可能
學習成效的結果顯示（表1），兩組被試的學習成效相似，都非常高，超過了90%。被試在培訓前對如何使用CoBots一無所知，但在培訓中均能夠良好地掌握相關內容。
表1 學習成效自評量表平均得分
訓練時間的結果顯示，兩組被試的訓練時間有所不同（表2）：VR組平均 10 分鐘，訓練時間較短，而傳統組平均 18 分鐘。
這表明使用VR學習環境可以節省學習操作CoBot的時間，且不會對學習成效產生負面影響，即通過使用虛擬現實學習環境，新手能夠在較低的認知負荷下取得與傳統教學環境相似的學習成效，且教學時間可以大大減少。
表2 訓練學習結果
精神壓力測試的結果顯示，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。
初步研究結果表明，虛擬學習環境是傳統實驗室環境的理想替代。
研究者以此得出結論，虛擬現實或許可以幫助學生通過實踐經驗學習，以解決教學資源有限的問題，彌補大學稀缺資源之間的差距。
在未來的研究中，探索特定大學課程的虛擬學習環境將是有益的。此外，探索如何在不同的學習環境中使用虛擬學習環境，如操作機器來創建和開發未來產品，似乎具有巨大的潛力。
參考文獻
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.
關注諾達思公眾號，聯系我們獲取更多產品信息及學術文章！
Copyright(C) 1998-2025 生物器材網 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com