加速厄瓜多尔技术学院的学习：使用混合现实教学汽车力学的影响

政策研究工作论文教育全球部2025年6月使用混合现实教授汽车机械的影响厄瓜多尔技术学院加速学习 迭戈·F·安吉尔-乌丁诺拉 玛丽乔·钦伦 摘要政策研究工作论文11146政策研究工作论文系列发布研究进展成果，以鼓励关于发展问题的思想交流。该系列的目的是尽快公布研究成果，即使展示内容尚未完全完善。论文署有作者姓名，应相应引用。本文中表达的观点、阐释和结论完全是作者的个人观点。它们不一定代表国际复兴开发银行/世界银行的看法及其附属机构，或世界银行执行董事或其代表的政府的主张。本文是教育全球部门的产品。它是世界银行为向公众开放其研究成果并促进全球发展政策讨论而做出的更大努力的一部分。政策研究工作论文也发布在 http://www.worldbank.org/prwp 上。作者可通过 dangelurdinola@worldbank.org联系。本研究评估了将混合现实——包括增强现实和虚拟现实——融入厄瓜多尔部分公立技术学院汽车机械培训对学生的影响。干预旨在通过在一个学术学期内教授九个基于能力的模块来增强学生对汽车机械的理解，这些模块涵盖了内燃机操作的基本原理。该研究采用了按班级层次的分层随机对照试验，将每所学院内的汽车机械课程分配到混合现实增强培训实验室（治疗组）或标准课程（对照组）。为了衡量学习成果，学生完成了干预前后的认知测试，并通过学生调查评估了他们对技术的掌握程度。 由研究支持团队制作 可用性、动机和参与度。这种全面的方法使研究能够量化培训对学生学习的影响，并确定学习发生的机制。结果表明，接受混合现实基础教学的学生的平均后测分数比对照组高出0.37个标准差——这是一个在1%水平上具有统计学意义的效应。这些发现与在发达国家针对大学生的培训项目中所观察到的效应量一致。证据还表明，参与度和动机是混合现实增强学习的关键渠道，强调了沉浸式技术在低收入和中等收入环境中改进职业培训成果的潜力。 L 分类：JEI20，I21，I23，J24关键词：作者们谨向参与研究各个阶段的所有教师以及技术院校的校长们表达诚挚的谢意，感谢他们宝贵的合作。特别感谢罗伯特·迪恩、吉米·万斯坦、哈维尔·泰佩、亚伯拉罕·莫兰、卡塔林娜·卡斯蒂略在项目设计和实施方面的支持，以及确保项目成功的贡献。团队还认可了Namseoul大学学生和教师在课程和软件开发过程中的贡献，以及世界银行全球企业解决方案（GCS）在实验室设计、采购和部署方面的支持。本研究由韩国-世界银行合作基金提供资金支持。厄瓜多尔技术学院加速学习：使用混合现实教授汽车机械的影响迪亚戈·F·安赫尔-乌尔迪诺拉和玛乔丽·钦恩1混合现实，虚拟现实，增强现实，教育，教育科技，学习，技能发展，虚拟实验室 1 一、引言教育技术在改变全球技术教育的交付方式方面具有潜力（世界银行，2021）。许多发展中国家正积极寻求扩大和现代化其技术教育和培训体系，这对于培养熟练劳动力、增强就业机会和推动经济增长至关重要（迪尔和范弗ught，2010；利文等，2023）。本研究介绍了在厄瓜多尔的公立职业技术教育体系内部分技术学院进行的一项实验评估结果。该评估评估了使用混合现实（虚拟现实和增强现实）的虚拟实验室对提升汽车机械学生学习的贡献程度。研究结果旨在为虚拟实验室在增强该领域学生学习技术技能和知识方面的有效性提供有价值的见解。这个汽车机械虚拟实验室是厄瓜多尔国立技术与理工学院（TTI）网络中的首例。该虚拟实验室旨在提高初次接触内燃机基本工作原理的汽车机械学生学习效果。该虚拟实验室的课程和软件由厄瓜多尔的科托帕克西TTI、世界银行以及韩国虚拟现实开发、研究和教育的领导者——南山大学的多学科教授、教育和多媒体专家及程序员团队开发。此项评估的结果旨在扩展有关教育技术（EdTech）应用的有限证据，特别是虚拟实验室方面的证据。在发展中国家有效开展技术教育的一个常见挑战是，缺乏发展实践技能所需的实际教学经验——尤其是在需要使用实验室的课程中。在这种情况下，一个关键问题是：哪些政策替代方案能够提供一种经济实惠且有效的机制，以使学生获得实践培训？随着教育技术的兴起，并针对技术教育实验室设置的固有挑战（成本、维护、更新），全球教育工作者正在探索加速开发虚拟实验室作为教学支持的可能性，用于在特定的技术课程中传授内容。虚拟实验室是一个实验室的交互式计算机模拟。虚拟实验室的目的是为学生提供体验式互动，以促进学习。虽然虚拟实验室具有许多优势，但有必要系统地评估其有效性，以确保它们能够充分促进学生学习技能的发展。 2 3II. 文献综述在一些教育领域，学生技能的发展仍然对学员及其导师构成挑战，部分原因是实践培训的可用性有限或无法获得适当的内容和学习情境。作为回应，教育者开始依赖虚拟实验室，其中许多实验室使用混合现实（增强现实和虚拟现实），以开发学生不易获取的学习体验（Johnson等人，2016）。2虚拟实验室为学生提供了在安全无压力的环境中参与实践培训的机会，并具有可以重复练习的优势。培训模拟器在功能和特性上有所不同，一些先进的虚拟实验室为用户提供完全沉浸式的体验。随着新技术的出现，现代虚拟实验室现在提供高保真成像和传感功能，这有助于对物理工具进行逼真的操作，并提供实时反馈（McLaurin & Stone，2012）。本文分为六个部分。第二节回顾了现有文献，探讨了虚拟实验室和沉浸式培训如何有助于学生的技能发展。第三节描述了干预措施。第四节概述了评估框架，详细说明了所采用的方法和工具。第五节呈现了评估结果，重点阐述了主要发现。最后，第六节总结了研究的主要见解和启示。2虚拟现实（VR）一词适用于计算机模拟的环境，这些环境可以模仿真实世界中特定地点的物理存在，以及在想象的世界中，并模拟在综合环境中参与的感觉，同时外部观察这样的环境。VR模拟可以通过桌面计算机（非沉浸式）使用3D图形构建，或者使用头戴式显示器（沉浸式）。在非沉浸式VR中，模拟环境在传统计算机上显示，声音和图形通过计算机的扬声器和显示器输出，交互通过常规的计算机鼠标控制。增强现实（AR）是一种结合了真实世界和计算机生成内容的交互式体验。此外，虚拟实验室可以让学生获得场景和学习的环境，否则可能难以或不可能体验。这些机会可以通过模拟现实条件和情境，不受时间或空间的限制，并大大降低风险，从而显著提高学生的学习曲线。而且，在虚拟环境中培养某些技能，可以减少传统培训方法通常所需的材料、时间和专家可用性相关的成本（Angel-Urdinola 等人，2019）。虚拟实验室已经被在发展中国家，他们还寻求评估在能力仍在发展的系统中实施EdTech所吸取的教训，以告知厄瓜多尔的持续高等教育政策。 4已广泛应用于航空、设计、汽车机械、工业风险预防、机器人等专业技术教育领域 (Angel-Urdinola 等人, 2019; Buiu & Gansari, 2014; Wei 等人, 2013)。主动学习建构主义常被认为是增强使用模拟环境教育效益的关键机制。建构主义认为学生通过构建自己的理解并将它与已有的知识库相结合来获取知识。这种方法增强了学生的参与度、动机和个性化学习体验（Madathil等人，2017年）。虚拟实验室的倡导者认为沉浸式模拟可以显著提高动机和参与度，这两者是影响学生学习的关键因素（Dafli等人，2017年；Klopfer & Squire，2008年；Mikropoulos & Natsis，2011年）。根据Krokos等人（2019年）的研究，学生在参与沉浸式学习体验后倾向于保留更多信息，并能更好地应用知识。在一项最新研究中，Makransky和Peterson（2021年）引入了沉浸式学习认知情感模型（CAMIL）来描述沉浸式3D环境中的学习过程。作者们得出结论，沉浸式技术对知识获取有积极影响。Hamilton等人（2020年）表明，通过混合现实技术获得技能能更好地使受训者为应对现实世界的挑战和场景做准备。现有文献中的一些研究表明，虚拟实验室能有效提升学生的教育技术技能。例如，Román-Ibáñez等人（2018）评估了虚拟实验室对技术技能习得的影响程度。他们的研究表明，工业机械臂沉浸式模拟器可以为工程学生提供更真实的体验，有效减少机器人设计和性能问题，如卡顿（抖动）和延迟（响应延迟）。类似地，Lampi（2013）发现，与传统的培训方法相比，使用虚拟实验室进行计算机网络支持教学可以提升学生在网络配置方面的准确性和速度。Zhou等人（2018）使用混合现实实现了计算机组装的教育应用。作者发现该应用具有极好的可用性和用户体验。虽然使用该应用的学习者与传统方法使用者的表现没有观察到差异，但使用该应用的学习者在任务完成时间上显著减少。Rupasinghe等人（2011）发现，在虚拟实验室进行训练的学生在使用内窥镜评估飞机腐蚀方面发展了更好的技术技能。由Howard等人（2021）进行的最近一项荟萃分析，评估了跨越185个以上实验的虚拟现实培训项目的影响。 5III. 干预措施描述研究，发现虚拟现实培训项目通常比其对照组更有效。平均而言，VR培训的平均表现比对照组高0.541个标准差。具体来说，对于评估学习成果的项目，治疗组平均比对照组高0.491个标准差。对于专门针对大学生的项目，效应量是0.432个标准差。最后，一些作者建议使用MR进行培训可以具有成本效益。Dela Cruz和Mendoza (2018)检验了使用虚拟实验室教授学生气动系统相关的成本影响，并得出结论说虚拟实验室为传统设置提供了一个具有成本效益的替代方案。模拟减少了与设备维护和维修相关的费用。类似地，Stone、Watts、Zhong和Wei (2011)，以及McLaurin和Stone (2012)发现，虚拟实验室在发展焊接技能方面与传统实验室同样有效，但成本更低。厄瓜多尔的职业技术教育体系包括全国58所公立TTI和三所音乐学院。该体系提供172个不同领域的学术项目，如汽车机械、电子、物流、会计、婴幼儿发展、烹饪、工商管理、花卉种植、酒店贸易与旅游、视觉艺术和市场营销等。在干预期间，公立TTI的入学人数达到45,000名学生，其中80%采用面授模式，8,000名学生（占17.8%）参与双轨项目，2.2%（1,000名学生）采用混合/在线模式。TTI体系雇佣了6,958名教师，其中56%然而，关于虚拟实验室在促进学习和技能发展方面的有效性的现有证据大部分来自高收入国家。此外，许多此类研究依赖于小样本量——通常参与者不足50人——并且集中在狭窄的领域，如医疗保健、车辆操作和焊接（Angel-Urdinola等人，2019年）。本研究通过在发展中国家背景下实施一项大规模随机对照试验——规模大于大多数以往研究——解决了文献中的关键局限性。它通过提供关于沉浸式技术在职业教育中有效性的证据，并为资源有限的环境提供政策相关的见解，做出了重大贡献。 63.1 干预该干预措施采用配备混合现实技术的实验室，为选修两门课程的学生提供专业培训：内燃机和发动机的维护与修理. 该培训计划于2023年5月至2024年2月期间在五个受益TTI实施。第一批学生于2023年5月至8月参与，而第二批学生于2023年10月开始，并于2024年2月完成该计在14所TTI中，12所提交了参与项目的提案。经过严格的评审过程，有五所TTI被选中参与干预项目：科托帕克西、洛哈、通古拉瓦、路易斯·阿尔博莱达·马丁内斯和路易斯·罗杰里奥·冈萨雷斯。每所被选中的TTI都获得实验室设备（硬件和软件，可容纳最多35名学生）、教师培训、实验室安装、家具、五年维护和技术支持，以及技术援助来实施项目的影响评估。在此选择过程之前，实验室在科托帕克西TTI连续两个学年内进行了测试和调整。这一阶段使研究团队能够测试实验室设置，进行必要的调整，并建立实施方案，以确保其按预期使用并正确融入学术课程和教案中。关于实验室试点、校准和调整过程的更详细说明记录在安杰尔-乌尔迪诺拉等人(2023).全职工作。大约60%的所有教师拥有本科学历，32%拥有研究生学历，6.7%