當虛擬逐漸接入現實，你是否想過足不出戶便能習(xi) 得專(zhuan) 業(ye) 技能？
對於(yu) 工程學領域的學習(xi) 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(xi) ，實踐經驗也非常重要。學習(xi) 者必須從(cong) 實踐經驗中學習(xi) ，以補充理論基礎。因此，常常需要使用設備，如協作機器人（CoBots），它的特點是與(yu) 人一起工作，並且更便宜、體(ti) 積更小，可以輕鬆安排於(yu) 各種流程中。
然而，教育機構的資源往往有限。近年來，在學習(xi) 型工廠的背景下，各式各樣的虛擬現實（VR）的學習(xi) 環境被開發並應用於(yu) 工程教育中。通過數字教學方法彌補有限資源與(yu) 全麵學生教育之間的差距或許成了目前的破題關(guan) 鍵。
那麽(me) ，新手工程師是否能借助VR的實踐培訓，獲得良好的學習(xi) 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(wei) 工程教育和培訓創建虛擬的學習(xi) 環境。這些學習(xi) 環境的優(you) 點包括：
· 更易拓展
在工程學中使用虛擬學習(xi) 環境的目的是創造一種受控且安全的環境，讓學習(xi) 者都可以在近乎真實的環境中模擬使用複雜和昂貴的工業(ye) 設備，體(ti) 驗工業(ye) 設備的功能和觸覺，實現體(ti) 驗協作與(yu) 沉浸式學習(xi) ，以在現實情況下實踐理論知識。
為(wei) 了探究工程學新生在虛擬學習(xi) 環境下的學習(xi) 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(xi) 環境是否能獲得與(yu) 傳(chuan) 統學習(xi) 環境相同的學習(xi) 成效？
觀察新手的行為(wei)
研究團隊建立了一個(ge) 基於(yu) 遊戲的協作、沉浸式虛擬學習(xi) 環境，其中包括一個(ge) 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(wei) 了能夠驗證研究假設，研究團隊將虛擬學習(xi) 環境與(yu) 傳(chuan) 統學習(xi) 環境在主觀和客觀學習(xi) 成效方麵進行了比較。
兩(liang) 種環境均配備觀察攝像機，捕捉學生的行為(wei) 。使用 Noldus 的行為(wei) 測定快速複盤係統（Viso）係統回放記錄的觀察結果，並使用行為(wei) 觀察記錄分析係統（The Observer XT）分析數據。通過使用行為(wei) 工具配合測評問卷，可以更好地觀察並分析行為(wei) 。
通過實踐的經驗學習(xi)
共有10名計算機科學學院學生參與(yu) 實驗，他們(men) 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(ti) ，學生引導其越過障礙物，並物體(ti) 存放在位置 B。為(wei) 此，必須完成以下六個(ge) 步驟：
圖1 協作CoBots進行拾放任務
依據研究假設，為(wei) 了比較自動化實驗室中的傳(chuan) 統學習(xi) 環境與(yu) 虛擬學習(xi) 環境，被試被分為(wei) 實驗組&對照組（圖2）：
VR組：在交互式虛擬學習(xi) 環境（VR）中完成任務。
SAL組：在傳(chuan) 統智能自動化實驗室（SAL)中完成任務。
圖2 訓練過程
研究進行了前後測，即在訓練任務前後對被試的學習(xi) 水平進行主觀和客觀的量表測評與(yu) 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(xi) 成效的結果顯示（表1），兩(liang) 組被試的學習(xi) 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(guan) 內(nei) 容。
表1 學習(xi) 成效自評量表平均得分
訓練時間的結果顯示，兩(liang) 組被試的訓練時間有所不同（表2）：VR組平均 10 分鍾，訓練時間較短，而傳(chuan) 統組平均 18 分鍾。
這表明使用VR學習(xi) 環境可以節省學習(xi) 操作CoBot的時間，且不會(hui) 對學習(xi) 成效產(chan) 生負麵影響，即通過使用虛擬現實學習(xi) 環境，新手能夠在較低的認知負荷下取得與(yu) 傳(chuan) 統教學環境相似的學習(xi) 成效，且教學時間可以大大減少。
表2 訓練學習(xi) 結果
精神壓力測試的結果顯示，兩(liang) 組之間存在差異。VR組各方麵需求的平均得分均低於(yu) SAL組。
初步研究結果表明，虛擬學習(xi) 環境是傳(chuan) 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(xi) ，以解決(jue) 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(xi) 環境將是有益的。此外，探索如何在不同的學習(xi) 環境中使用虛擬學習(xi) 環境，如操作機器來創建和開發未來產(chan) 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.
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