[論文レビュー] Struct-MRT: Immersive Learning and Teaching of Design and Verification in Structural Civil Engineering using Mixed Reality

Michael Kraus, Irfan Čustović+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

BIM and Construction Integration被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、iOSデバイスのARKitを用いて、土木工学における構造設計および検証のインマージング教育を実現するミックスドリアリティ（MR）アプリケーション「Struct-MRT」を提示する。このアプリケーションは、鉄筋コンクリートのコルビングおよび鋼鉄フレームのスケールモデルをインタラクティブに探索可能にし、段階的な検証式を表示することで、使いやすさ、楽しさ、教育的意図の面で著しく肯定的なユーザーの認識をもたらし、特に初心者ユーザーにおいては関与度が向上したと報告している。

ABSTRACT

Our goal is to transform traditional paper-based instruction into an immersive lesson. This paper presents the conception, workflow and deployment of two MR applications for verification of typical yet geometrically complex structural members: a reinforced concrete corbel and a steel frame. The aim of this research is threefold: (i) to develop and implement the technological feasibility of such applications, (ii) to demonstrate possible use cases in the context of structural engineering lectures and (iii) to evaluate the presented MR examples and the future potential of such MR applications in structural engineering lectures through a survey. The workflow and MR teaching applications were developed with Apple's ARKit. The verification process was reproduced in the MR applications based on conventional exercises taught on paper. Users can navigate independently through the applications and review every single step, including a true-to-scale, spatial representation of the specific component as well as associated verification formulas in the respective step. The applications were used to assess the demand and expectations for immersive teaching techniques among students and instructors through a survey. The participants were asked to test the MR applications on their devices or watch pre-recorded video demonstrations, afterwards perception was elicited through a questionnaire. The results of subsequent data analysis show generally positive judgement of the MR application over the six questioned categories (style, usefulness, ease of use, enjoyment, attitude as well as intention towards using). The statistical analysis revealed (positivity) biases for users with prior XR experience w.r.t. to usage and navigation, while inexperienced users underlined increased enjoyment or excitement with this learning format. The outlook covers identified shortcomings and future developments in this field.

研究の動機と目的

• 構造工学教育における技術的に実現可能なミックスドリアリティ教育ツールの開発と検証。
• MRを用いた複雑な構造検証作業の教育的応用事例の提示。
• 89名の参加者を対象としたアンケートを通じて、MRベースの学習における学生および教員の認識を評価すること。

提案手法

• MRアプリケーションは、iPhoneおよびiPadへのネイティブデプロイメントを目的として、AppleのARKitを用いて開発された。
• 実際のスケールに忠実な、鉄筋コンクリートのコルビングおよび鋼鉄フレームの3次元モデルが作成され、インタラクティブに探索可能である。
• 構造検証プロセスの各ステップが、式と物理的挙動を文脈に沿って表示するインタラクティブなデジタルレイヤーとしてエンコードされた。
• アプリケーションは、89名の土木工学の学生および教員を対象に、実地使用または動画デモを通じてテストされた。
• アンケートでは、スタイル、有用性、使いやすさ、楽しさ、態度、使用意図の6つのカテゴリーで認識を評価した。
• 統計的分析を用いて、事前のXR経験に応じた認識の差を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミックスドリアリティを、構造工学教育におけるインマージング学習を支援するために、技術的にどのように実装できるか。
• RQ2 MRアプリケーションを用いた構造設計および検証の教育的応用における、実感される利点と課題は何か。
• RQ3 事前のXR経験の程度が異なる学生は、MRベースの学習ツールの使いやすさ、楽しさ、教育的価値に関する認識でどのように異なるか。

主な発見

• 参加者の大多数が、スタイル、有用性、使いやすさ、楽しさ、態度、使用意図の6つの評価カテゴリーにおいて、MRアプリケーションに対して肯定的な認識を示した。
• 事前のXR経験がある学生は、ナビゲーションや使用に関してより高い自信を示したため、初心者には学習曲線が予想される。
• 初心者ユーザーは、経験者よりも著しく高い楽しさと興奮を報告しており、MRが内発的動機付けを高めている可能性を示唆している。
• アンケート結果から、抽象的な式と空間的・実体的な表現を結びつけることで、概念的理解の向上がMRによって実現可能であると示唆されている。
• 本研究は、MRアプリケーションが、構造工学教育における個別学習および協働学習の両方を効果的に支援できることを確認している。
• 著者らは、今後の研究において、指導的統合、メディア・コンピテンス、XRベース教育における倫理的配慮の必要性を指摘している。