مقدمه
امروزه محبوبیت فناوری واقعیت مجازی در پلتفرم‌های بازی بسیار تثبیت شده است. با این حال، در زمینه‌های تحصیلی، آموزش، و مراقبت‌های بهداشتی نیز مورد توجه قرار گرفته است. در نتیجه‌ی تجربه همه‌جانبه و حس حضور، احساس انتقال به محیط مجازی و از دستدادن ارتباط با دنیای فیزیکی توجه زیادی به این فناوری جلب شده است. واقعیت مجازی به دلیل مزایای یادگیری و شناختی آن، یک ابزار عالی برای آموزش مهندسی در قالب یک رویکرد یادگیری ترکیبی در مقایسه با رویکرد یادگیری سنتی است. نظریه‌ها و رویکردهای یادگیری را می‌توان در طراحی برنامه کاربردی واقعیت مجازی پیاده‌سازی کرد و رویکردهای یادگیری سازنده و متغیر را با شواهد موفقیت آنها از مقالات تحقیقاتی متعدد توصیه کرد. علاوه بر این، کاهش هزینه‌های واقعیت مجازی از یک فناوری گران‌قیمت در دسترس برای گروهی از محققین، به در دسترسبودن برای مصرف‌کنندگان با قیمتی مقرون‌به‌صرفه، آن را به عنوان یک جایگزین اقتصادی یا راهحل مکمل برای آزمایشگاه‌های گران‌تر و پیچیده‌تر مورد استفاده در آموزش جذاب می‌کند.
واقعیت مجازی (Virtual Reality)، به زبان ساده، یک محیط شبیه‌سازی شده توسط کامپیوتر است که کاربر را قادر می‌سازد تا در نتیجه ترکیبی از اطلاعات حسی ارسالشده به مغز انسان، با آن تعامل داشته باشد و ادراک خود را تغییر دهد. غوطهورشدن (Immersion) یک ویژگی مهم از یک تجربه واقعیت مجازی است و معمولاً به عنوان قطع ارتباط کاربر با دنیای واقعی و دادن حس حضور در دنیای مجازی تعریف می‌شود و اغلب به عنوان غوطه‌وری فضایی از آن یاد می شود. حضور به میزان درگیری با روش‌های حسی مربوط می‌شود که با ویژگی‌های فیزیکی و شباهت نزدیک محیط مجازی به محیط واقعی، که به عنوان غوطه‌وری شناخته می‌شود، فعال می‌شوند. از سوی دیگر، غوطه‌وری به ابعاد فیزیکی یا ویژگی‌های سیستم محدود نمی‌شود، بلکه به پاسخ کاربر مربوط می‌شود.
برنامه واقعیت مجازی باید از ویژگی‌هایی مانند صدای استریو، دید استریوسکوپی، واقع‌گرایی، میدان دید بزرگ، نرخ تازه‌سازی فریم بالا (high frames refresh rate) و ردیابی سر استفاده کند تا بتواند مدالیته‌های حسی را درگیر کند تا کاربر را هم غوطهور کند و هم از واقعیت دور کند. محیط خیالی همچنین باید شامل عناصر روایتی باشد که انتظارات کاربران را تعیین کرده و آن را با اقدامات آنها و قراردادهای دنیای مجازی هماهنگ کند تا تجربه همه‌جانبه آنها را به حداکثر برساند.
رویکردهای یادگیری
رویکرد سنتی برای آموزش دانشجویان مهندسی از طریق سخنرانی‌ها و سمینارها معمولاً در یک کلاس درس یا تالار برگزار می‌شود، جایی که استاد مطالب موردنیاز را برای تعدادی از دانشجویان توضیح می‌دهد. توضیح کلامی و آموزش اغلب با سایر ابزارهای آموزشی مانند تخته (سفید/سیاه/دیجیتال)، پروژکتور (دیجیتال) و کامپیوتر/لپ تاپ ترکیب می‌شود. در یک حالت ایده‌آل، مربی از لپ‌تاپ/کامپیوتر خود برای دسترسی به مواد دیجیتالی مانند اسلایدهای پاورپوینت یا چند رسانه‌ای استفاده می‌کند و آن را از طریق پروژکتور دیجیتال روی تخته سفید پخش می‌کند. چنین رویکرد یادگیری از سمت مربی فعال اما از سمت گیرنده (دانشجو) منفعل است.
از طریق استفاده از واقعیت مجازی در آموزش، دانشجویان بیشتر درگیر یادگیری از طریق سناریوهای همه جانبه می‌شوند و باعث تغییر وضعیت یادگیری دانشجویان از غیرفعال به فعال می شود. از این رو، چنین رویکرد دانشجو محوری مهارت‌های عملی حل مسئله را به ویژه برای دانشجویان مهندسی افزایش می‌دهد. استفاده از واقعیت مجازی در مقایسه با تماشای آن در یک پروژکتور در کلاس درس، حافظه بیوگرفیکال مشابهی با انجام آزمایش در زندگی واقعی دارد. این مساله به آزمایشگاه‌ها و اهمیت کار عملی در آموزش مهندسی اشاره می‌کند.
آزمایشگاه‌های مهندسی و قابلیت‌های آزمایشگاهی واقعیت مجازی
با توجه به مزایای یادگیری در نتیجه فعالیت‌های آزمایشگاهی، تاکید زیادی بر اهمیت آزمایشگاه‌ها به عنوان نقش محوری و متمایز در آموزش علوم وجود دارد. وقتی صحبت از فعالیت‌های فیزیکی مانند تجربه‌های آزمایشگاهی می‌شود، اشکالات متعددی برای هر مؤسسه‌ای مانند ایمنی (مسئولیت)، زیرساخت و سرمایه وجود دارد. فعالیت‌های آزمایشگاهی باید به شیوه‌ای ایمن ارائه شوند، زیرا ایمنی دانشجویان اولویت اصلی هر موسسه است. علاوه بر این، فعالیت‌های آزمایشگاهی به زیرساخت‌های موجود در دانشگاه محدود می‌شود، یعنی دانشگاه‌هایی با تجهیزات، فضا و بودجه ناکافی، زمان آزمایشگاهی کمتری را برای دانشجویان فراهم می‌کنند. یادگیری دانشجویان در دانشگاه‌ها به دلیل «عوامل ایمنی، فقدان زیرساخت و تجهیزات مناسب، محدودیت از نظر زمان و مکان در دسترس» تضعیف می‌شود. اشتباهات خطرناک در “فعل و انفعالات شیمیایی و آزمایش‌های الکتریکی” می‌تواند آسیب جدی ایجاد کند، و مواد گران‌قیمت مانعی برای برخی موسسات هستند. برای غلبه بر این موانع، پیشنهاد شده است که از واقعیت مجازی در ایجاد آزمایشگاه‌های مجازی برای بهبود تجربه یادگیری و دانش دانشجویان استفاده شود. علاوه بر این، گزارش شده است که افزایش تعداد دانشجویان در بریتانیا “فرصت را برای مربیان برای ارائه یک تجربه یادگیری فعال برای همه محدود می‌کند” و اینکه برای ارائه دهندگان آموزش ضروری است که روش‌های نوین تدریس برای ارائه تجربه یادگیری رضایت‌بخش‌تر در شرایط فضا و منابع محدود را بررسی کنند.
واقعیت مجازی مزایای دیگری برای دانشگاه، دانشجویان آموزش از راه دور و دانشجویان با نیازهای ویژه (معلولیت) دارد. با استفاده از برنامه‌های کاربردی واقعیت مجازی، نیاز به کار آزمایشگاهی از مکان‌گرایی به تجهیزات محور بودن تغییر می‌کند. اگر دانش‌آموزان از راه دور امکان خرید نمایشگر سربند واقعیت مجازی (Virtual reality head mounted display) خود را داشته باشند، می‌توانند همان سطح تحصیلی را با دانشجویان تماموقت در محوطه دانشگاه تجربه کنند. در یک مطالعه، یک آزمایشگاه مجازی شیمی آلی ایجاد شد و حافظه کوتاه مدت و بلندمدت دانشجویان با دانشجویان یک آزمایشگاه سنتی مقایسه شد. نتایج تفاوت معنیداری بین نتایج یادگیری در هر دو روش را حاصل نشد، که نشان می‌دهد دانشجویان آموزش از راه دور می‌توانند از توانایی انجام آزمایشات آزمایشگاهی بهره ببرند و تجربه یادگیری مشابهی با دانشجویان تمام وقت در محوطه دانشگاه دریافت کنند. مطالعات دیگری نیز به نتیجه مشابهی رسیدند که تفاوتی بین یادگیری واقعیت مجازی و یادگیری ویدیویی وجود ندارد. این استدلال تأیید می‌کند که واقعیت مجازی می‌تواند برای دانشجویان آموزش از راه دور استفاده شود تا سطح تحصیلی و تجربه یادگیری مشابهی با دانشجویان تمام وقت در دانشگاه دریافت کنند. به علاوه، این می‌تواند یک عامل متمایزکننده باشد که به دانشگاه پذیرنده آزمایشگاه واقعیت مجازی برتری نسبت به سایر دانشگاه‌ها می‌دهد و دانشجویان بیشتری را که از راه دور آموزش می‌بینند به دوره‌های خود جذب می‌کند. با این حال، هزینه تجهیزات واقعیت مجازی پیشرفته و راهاندازی می‌تواند بار مالی اضافی باشد و مانعی برای دانشجویان آموزش از راه دور باشد. رویکردی مشابه به یکی از مطالعات که از واقعیت مجازی پایین تا متوسط مبتنی بر موبایل استفاده کرد، باید توسعه داده شود تا به دانشجویان از راه دور توانایی انجام آزمایش‌ها را به روشی ارزان و راحت بدهند،. از سوی دیگر، استفاده از این برنامه نیازی به حضور دانش‌آموز یا کاربر در حالت ایستاده ندارد. از این رو، دانش آموزان با نیازهای ویژه می‌توانند از امکان تجربه یک آزمایش مجازی صنعتی همه‌جانبه و استفاده از کنترل‌گرهای لمسی برای حرکت در محیط بهره‌مند شوند. آنها قادر خواهند بود بدون نیاز به بلند کردن یا انجام کارهای فیزیکی سخت با مدل‌ها به صورت مجازی تعامل کنند. برای دانشجویان کم‌شنوا، ویدیو را می‌توان طوری تغییر داد که زیرنویس داشته باشد. اگرچه این برنامه برای دانشجویان با نیازهای ویژه بسیار جذاب است، اما برای دانشجویان کمبینا مناسب نخواهد بود، زیرا تجربه نیاز به استفاده از نمایشگر سربند دارد که در درجه اول بصری است.
مزایای آزمایشگاه واقعیت مجازی به دانشگاه یا موسسه محدود نمی‌شود، بلکه امکان تجربه یادگیری، شناخت و آموزش دانشجویان را نیز فراهم می‌کند. شواهد از چندین مقاله تحقیقاتی که برنامه‌ها یا آزمایشگاه‌های واقعیت مجازی را توسعه داده و استفاده می‌کنند، پتانسیل و برتری این فناوری را در آموزش نشان می‌دهد. در یک تحقیق، یک برنامه واقعیت مجازی را توسعه داده‌اند و یک سایت ساخت و ساز را تقلید کرده‌اند، که به دانشجویان اجازه می‌دهد تا از راه دور در آن محیط غوطهور شوند (در یک کلاس درس امن) تا تجربه عملی و ایمنی خود را بهبود بخشند. همچنین ثابت شده است که واقعیت مجازی یک ابزار آموزشی قدرتمند برای افزایش یادگیری دانشجویان است. در مطالعه‌ای دیگر یک برنامه واقعیت افزوده (Augmented Reality) توسعه داده شده است که دانشجویان را قادر می‌سازد تا هندسه‌های پیچیده سهبعدی را بهتر تجسم و درک کنند. اگرچه این برنامه مبتنی بر واقعیت افزوده است، اما یک ابزار تجسم شبیه به واقعیت مجازی است و مزایای بالقوه و برنامه‌هایی را که می‌توان از این ابزارها استفاده کرد، برجسته می‌کند. یک برنامه واقعیت مجازی دیگر برای روش‌های ساخت و ساز باستانی دیوار بزرگ چین توسعه داده شده و ادعا شده است که واقعیت مجازی هنوز در چنین زمینه‌هایی که در آموزش مهندسی ارزشمند هستند، پیشرفت نکرده است. توانایی تجسم چنین سازه‌های باستانی یک ارزش اساسی برای آموزش است و به وضوح پتانسیل فناوری واقعیت مجازی در آموزش را به نمایش میگذارد.
محققان یک آزمایشگاه مجازی برای دانشجویان مهندسی برق طراحی کرده‌اند که مشابه یک آزمایشگاه واقعی است و در آن دانشجویان می‌توانند با تجهیزات یک محیط مجازی تعامل داشته باشند و آزمایشات عملی را به روشی ایمن انجام دهند. نمونه اولیه این آزمایشگاه کتابچه راهنمای برق مجازی (Virtual Electric Manual, VEMA) نام گرفت و به عنوان مکمل آموزش سنتی کلاس درس استفاده شد. کتابچه راهنمای برق مجازی به دانشجویان این امکان را می‌دهد که تئوری مدار الکتریکی را به شیوه‌ای ایمن تمرین کنند و اشتباهات باعث آسیب به دانشجویان یا دارایی‌ها نمی‌شود. در مطالعه‌ای دیگر، محققان در طراحی خود از تئوری‌های یادگیری مختلف از جمله یادگیری مبتنی بر پرس و جو، فعال و غیرفعال، همزمان و ناهمزمان و یادگیری با رویکرد ترکیبی استفاده کردند و گزارش شده است که کتابچه راهنمای برق مجازی می‌تواند برای آموزش از راه دور استفاده شود و شکاف در کیفیت آموزش برای دانشجویان آموزش از راه دور را به روشی بسیار مقرون به صرفه کاهش دهد. به همین ترتیب، محققان نتایج آزمون دانشجویان را در آزمایشگاه‌های مجازی و سنتی برای یک دوره مقدماتی فیزیک مقایسه کردند و دریافتند که دانشجویانی که از آزمایشگاه مجازی استفاده می‌کنند، مدل‌های مفهومی مناسبی از مدارهای پیچیده را در مقایسه با گروه آزمایشگاه سنتی بهتر درک کرده و توسعه داده‌اند. محققان دریافتند که درک دانشجویان در هر دو تنظیمات آزمایشگاهی مشابه است. به طور مشابه، در مطالعه‌ای دیگر دانشجویانی که آزمایش‌های شیمی را در دنیای مجازی انجام می‌دادند، در یک دانشگاه دولتی مورد مطالعه قرار گرفتند. با استفاده از نمرات، نظرسنجی‌ها و بازخورد دانشجویان، پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که دانشجویان عملکرد خوبی داشتند و دیدگاه‌های مطلوبی نسبت به تجربیات خود داشتند. علاوه بر این، در بررسی دیگری نتیجه گیری شد که تنظیم واقعیت مجازی حواس پرتی را به حداقل رسانده و جنبه‌های خاصی از آزمایش‌ها را برای انجام آسان‌تر کرد و هیچ تفاوت قابلتوجهی بین جنسیت‌ها از نظر عملکرد و نگرش‌های مشابه اضافه نکرد. محققان آزمایشگاه مجازی مهندسی زلزله را با هدف تقویت مهارت‌های پژوهشی و علمی دانشجویان طراحی کردند. این آزمایشگاه با نام SUSMULAB بازخورد مثبت قابلتوجهی را برای اثربخشی آن در تجسم و انتقال مفاهیم مهندسی زلزله و همچنین تفسیر نتایج نشان داد. از این رو، دانشجویان قادر به درک و کاربرد مفاهیم اساسی مختلف در مهندسی زلزله بودند.
از سوی دیگر، در تحقیقات استفاده از دنیای مجازی برای انجام آزمایشی برای دانشجویان کارشناسی ارشد بیوتکنولوژی در دانشگاه شرق لندن نتیجه‌گیری شد که دانش‌آموزان پس از تکمیل آزمایش در آزمایشگاه مجازی به کمک کمتری برای انجام آزمایش در آزمایشگاه سنتی نیاز دارند و دانش‌آموزان بازخورد مثبتی از خود نشان دادند و آزمایش‌های آزمایشگاه مجازی بیشتری را درخواست کردند. با این حال، آنها به این نتیجه رسیدند که “هیچ تفاوتی در دستاوردهای بین دو گروه وجود ندارد” و “هر دو گروه افزایش قابلتوجهی در میزان یادگیری نشان دادند.”
نتیجه‌گیری
استفاده از واقعیت مجازی به طور یکسان برای دانشجویان و دانشگاه مفید است. دستاوردهای شناختی و آموزشی دانشجویان منجر به افزایش عملکرد و نمرات آنها می‌شود. این به طور مستقیم در نتیجه طراحی برنامه کاربردی واقعیت مجازی است که بر روی اهداف یادگیری، در کنار ادغام تئوری‌های یادگیری متمرکز شده است. علاوه بر این، تعامل فعال دانشجویان با استفاده از واقعیت مجازی یک رویکرد دانشجومحور و بخشی از رویکرد یادگیری ترکیبی است که بهتر از رویکرد یادگیری غیرفعال و سنتی است. دانشگاه یا موسسه از کاهش هزینه‌ها با جایگزینی آزمایشگاه‌های گران‌قیمت موجود با واقعیت مجازی، کاهش نیاز به زیرساخت برای فضاهای آزمایشگاهی، محیط کار آزمایشگاهی امن‌تر برای دانشجویان، و برتری بازار از نظر پشتیبانی از آموزش از راه دور واقعیت مجازی و دانشجویان با نیازهای ویژه، سود می‌برد. اگرچه این فناوری اشکالاتی را گزارش کرده است، اما همه آنها را می‌توان با در نظر گرفتن طراحی مناسب روشن کرد.
در نمایی بزرگتر، واقعیت مجازی یک فناوری پیشرفته در آموزش است که می‌تواند سیستم آموزشی را متحول کند. با همه‌گیری کنونی کووید-19، و نیاز به فاصله‌گذاری اجتماعی و یادگیری از راه دور، استفاده از واقعیت مجازی یک ابزار اضافه شده و نه یک چیز جدید آموزشی است که ارزش آن احتمالاً در سال‌های آینده آشکارتر می‌شود. شتاب به سوی تداوم بهینه یک آموزش عالی برای دانشجویان دانشگاه به شدت به استفاده از فناوری‌هایی مانند واقعیت مجازی وابسته است و دانشگاه ها یا موسساتی که اولین پذیرندگان آن هستند برتری خواهند داشت و برتری آموزشی و تضمین کیفیت را برای دانشجویان خود فراهم می‌کنند.
- Maged Soliman, Apostolos Pesyridis, Damon Dalaymani-Zad, Mohammed Gronfula and Miltiadis Kourmpetis, “The Application of Virtual Reality in Engineering Education”, Appl. Sci. 2021, 11, 2879. https://doi.org/10.3390/app11062879