Methods of assessing the students’ perfomance upon utilization of a virtual reality educational tool for laboratory biology courses

Abstract

In Natural Sciences, knowledge is based on two strongly-related but different components: Content and Skills. Educators in Institutions are well qualified in content development and well trained to choose the appropriate learning method to transfer it to their students through their teaching. But skills development is another matter and it is much more linked to specific instruction approaches and technologies. Virtual Reality (VR) technology, as a tool to communicate to students the understanding of content and at the same time to offer practice on hands-on skills, has been very eminent during the last decade and is poised to significantly transform the landscape of science education. Big investments, by leading technology companies like Apple, Google, Facebook, Microsoft and Samsung, indicate that VR will be used in the future for many applications, including learning. In the field of Natural Sciences, the innovative VR-enhanced laboratories are the new educational trend as they are aligned with the modern idea that learning is an active and iterative process. The overall aim of this thesis was to use a variety of assessment methods to explore the potential predominant effectiveness of acquiring knowledge in the domain of microscopy, by the use of a 3D, VR educational tool of high level of realism, versus more traditional didactic practices. The research was focused on the microscopy experiment, a common entry-level experiment in the field of Biology. The need to investigate the contribution of a VR educational tool in the learning procedure of a laboratory course is nowadays more imperative than ever. The field of education faces new challenges, posed by the COVID-19 pandemic crisis, with 1.53 billion students out of school during compulsory home confinement. The educational community is called upon to deal with the new data created by the recent pandemic: (a) the educational institutions closure and (b) the need for reviving online teaching and learning. Although through the pandemic, there has been a distinctive rise of e-learning through digital platforms, the distance learning arrangements in universities didn’t cover the need of communicating laboratory skills to students. Science experiments, traditionally performed in biology labs, were cancelled. Our research is a start towards giving an answer to the critical question: Does a VR educational tool help students acquire basic experimental skills and content knowledge in Biology? For the scope of this research, we have collaborated with four different target groups, who took part in four empirical studies: one group of 4th year, undergraduate students of the Department of Primary Education of the University of Patras in Greece, two groups of 3rd year undergraduate, distance learning students, enrolled in a Biology laboratory course in a Natural Science module at the Hellenic Open University, and one group of 2nd year postgraduate students of the Department of Primary Education of the National and Kapodistrian University of Athens also in Greece. In each of these studies, the participants were equally separated into cognitively balanced groups to be educated on the microscopy experiment by different educational scenarios. In the context of these scenarios, students’ conceptual understanding in the domain of microscopy, as well as their ability to handle and operate successfully a real photonic microscope in the physical biology lab, were evaluated through specially designed assessment material that included written tests and worksheets. The educational material was developed based on the objective outcomes of the experimental course of microscopy and other parameters derived from the profile of the different target groups. The VR software playing a central role in this thesis, was Onlabs, a 3D educational application that simulates the environment of the physical biology lab of the Hellenic Open University. Onlabs was embedded, in all the educational scenarios applied in the current research. The results of this thesis provided evidence in favor of the use of a VR educational software, as a supplementary tool to the traditional learning methods in laboratory biology courses. Students who were trained on microscopy by following a scenario that involved the use of a VR educational application, obtained statistically significant higher scores in written tests, were more confident of the acquired knowledge and exhibited a greater ability in performing the microscopy experiment in the physical lab, compared to their fellow students who were only exposed to more traditional learning methods. In other words, when comparing VR instruction scenarios with traditional educational procedures, simulation environments provided students with benefits in terms of both conceptual understanding and practical skills. Basically, simulation helped students understand the principals of microscopy and prepared them in a more efficient way for their microscopy experiment. It seemed to connect theory and practice and help students, even the weaker ones with zero or minimum science background, to obtain higher scores and demonstrate a better experimental performance. According to this thesis, and having in mind that preparation is the most important factor for success in lab exercises, a VR educational software proved to be a technologically modern and promising tool that could serve the efforts of the institutions to improve the engagement of their students in the learning process of laboratory-based courses while, at the same time, saving time and money by exploiting cutting-edge technologies.

Στις Φυσικές Επιστήμες η γνώση δομείται από δύο πολύ στενά συνδεδεμένα αλλά διαφορετικά στοιχεία: τη γνώση του περιεχομένου (content) και την απόκτηση δεξιοτήτων (skills). Οι εκπαιδευτικοί λαμβάνοντας υπόψη τις διάφορες παραμέτρους, επιλέγουν την κατάλληλη μέθοδο διδασκαλίας προκειμένου να βοηθήσουν τους μαθητές τους να κατανοήσουν το περιεχόμενο ενός νέου γνωστικού αντικειμένου. Όμως το να αναπτύξουν οι εκπαιδευόμενοι συγκεκριμένες χειραπτικές δεξιότητες (hands-on skills) είναι μια διεργασία η οποία συνδέεται πολύ περισσότερο με συγκεκριμένες διδακτικές προσεγγίσεις και αρκετές φορές τη χρήση της τεχνολογίας. Η τεχνολογία εικονικής πραγματικότητας (ΕΠ) είναι μία τεχνολογία αιχμής η οποία εφαρμόζεται την τελευταία δεκαετία στον τομέα της εκπαίδευσης, ως ένα εργαλείο κατανόησης του περιεχομένου αλλά και απόκτησης πρακτικών δεξιοτήτων. Οι μεγάλες επενδύσεις στην τεχνολογία της ΕΠ από κορυφαίες εταιρίες όπως οι Apple, Google, Facebook, Microsoft, Samsung κλπ, δείχνουν ότι η ΕΠ θα χρησιμοποιηθεί όλο και περισσότερο σε πολλούς τομείς της καθημερινότητάς μας, συμπεριλαμβανομένης και της μάθησης. Στον τομέα των Φυσικών Επιστημών καινοτόμα εικονικά εργαστήρια τείνουν να γίνουν η νέα εκπαιδευτική τάση η οποία συντάσσεται με τη σύγχρονη άποψη ότι η μάθηση είναι μια διερευνητική βιωματική διαδικασία. Ο βασικός στόχος αυτής της διατριβής είναι να διερευνήσει την πιθανή εκπαιδευτική υπεροχή ενός λογισμικού με τεχνολογία εικονικής πραγματικότητας στη διδασκαλία ενός εργαστηριακού αντικειμένου, έναντι πιο παραδοσιακών διδακτικών πρακτικών. Η έρευνα επικεντρώνεται στο πείραμα της μικροσκόπησης, ένα πείραμα που θεωρείται ως το πιο βασικό στον τομέα της Βιολογίας και χρησιμοποιούνται διάφορα μοντέλα και μέθοδοι αξιολόγησης.Η ανάγκη διερεύνησης της συμβολής ενός εκπαιδευτικού λογισμικού εικονικής πραγματικότητας στην εκπαιδευτική διαδικασία ενός εργαστηριακού μαθήματος είναι σήμερα πιο επιτακτική από ποτέ. Η εκπαίδευση πλήγηκε ιδιαίτερα από την πανδημία COVID-19, με 1.53 δισεκατομμύρια μαθητές να μένουν εκτός του σχολικού χώρου κατά τη διάρκεια του υποχρεωτικού εγκλεισμού. Η εκπαιδευτική κοινότητα, με τα νέα δεδομένα που δημιούργησε η πρόσφατη πανδημία, κλήθηκε να αντιμετωπίσει: (α) το κλείσιμο των εκπαιδευτικών ιδρυμάτων και (β) την ανάγκη για γενίκευση της διαδικτυακής και εξ αποστάσεως διδασκαλίας και μάθησης. Η τηλε-εκπαίδευση που με αρκετή επιτυχία υλοποιήθηκε στην Ελλάδα για τα μαθήματα εκείνα όπου η χρήση μιας πλατφόρμας τηλεδιάσκεψης ήταν αρκετή, δεν ανταποκρίθηκε στις ανάγκες των εργαστηριακών μαθημάτων στις Φυσικές Επιστήμες. Αν και μέσω της πανδημίας, υπήρξε μια ξεχωριστή αύξηση της ηλεκτρονικής μάθησης μέσω ψηφιακών πλατφορμών, η χρήση της εξ αποστάσεως εκπαίδευσης ως μεθόδου διδασκαλίας από τα πανεπιστήμια, δεν κάλυψε την ανάγκη μετάδοσης των εργαστηριακών δεξιοτήτων στους φοιτητές. Τα επιστημονικά πειράματα που παραδοσιακά εκτελούνταν σε σχολικά και πανεπιστημιακά εργαστήρια ακυρώθηκαν. Η συγκεκριμένη έρευνα αποτελεί μια αρχή στο να δοθεί απάντηση στο κρίσιμο ερώτημα: Βοηθά ένα εκπαιδευτικό λογισμικό που βασίζεται στην τεχνολογία της εικονικής πραγματικότητας, τους εκπαιδευόμενους να κατανοήσουν τις βασικές αρχές ενός επιστημονικού αντικειμένου στην βιολογία αποκτώντας ταυτόχρονα και τις ανάλογες βασικές εργαστηριακές δεξιότητες; Προκειμένου να απαντηθεί το παραπάνω αλλά και επιπλέον ερευνητικά ερωτήματα συνεργαστήκαμε με τέσσερις διαφορετικές ομάδες-στόχους, οι οποίες συμμετείχαν σε αντίστοιχα τέσσερις εμπειρικές μελέτες: μια ομάδα από τεταρτοετείς προπτυχιακούς φοιτητές του Παιδαγωγικού Τμήματος Δημοτικής Εκπαίδευσης του Πανεπιστημίου Πατρών, εγγεγραμμένους στο μάθημα Υπολογιστές και Εκπαίδευση, δύο ομάδες με τριτοετείς προπτυχιακούς φοιτητές εξ αποστάσεως εκπαίδευσης εγγεγραμμένους στον Α’ κύκλο της εργαστηριακής ενότητας της Βιολογίας του προγράμματος σπουδών Σπουδές στις Φυσικές Επιστήμες, στο Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο, και τέλος μια ομάδα φοιτητών εγγεγραμμένους στο μεταπτυχιακό μάθημα Διδακτική των Φυσικών Επιστημών και Ψηφιακές Τεχνολογίες, μέρος του προγράμματος σπουδών Φυσικές Επιστήμες και Εκπαίδευση από το Παιδαγωγικό Τμήμα Δημοτικής Εκπαίδευσης του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών. Σε καθεμία από αυτές τις μελέτες, οι συμμετέχοντες χωρίστηκαν σε ομάδες προκειμένου να εκπαιδευτούν στο πείραμα μικροσκόπησης μέσω διαφορετικών εκπαιδευτικών σεναρίων. Στο πλαίσιο αυτών των σεναρίων, η εννοιολογική κατανόηση των μαθητών στον τομέα της μικροσκόπησης, καθώς και η ικανότητά τους να χειρίζονται και να λειτουργούν με επιτυχία και ασφάλεια ένα πραγματικό φωτονικό μικροσκόπιο στο εργαστήριο βιολογίας, αξιολογήθηκε μέσω ειδικά σχεδιασμένου υλικού αξιολόγησης που περιλάμβανε γραπτά τεστ και φύλλα εργασίας. Το υλικό αξιολόγησης αναπτύχθηκε με βάση τους μαθησιακούς στόχους των εργαστηριακών μαθημάτων βιολογίας καθώς και με άλλες παραμέτρους που αφορούσαν στο διαφορετικό προφίλ των ομάδων. Το εκπαιδευτικό λογισμικό εικονικής πραγματικότητας το οποίο πρωταγωνίστησε σε αυτήν τη διατριβή, είναι το Onlabs, μια εκπαιδευτική εφαρμογή που προσομοιώνει το περιβάλλον του εργαστηρίου Βιολογίας του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου. Η χρήση του Onlabs ενσωματώθηκε σε διάφορες δραστηριότητες σε όλα τα εκπαιδευτικά σενάρια που εφαρμόστηκαν στις τέσσερις εμπειρικές μελέτες. Τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής αποτελούν ενδείξεις υπέρ της χρήσης ενός εκπαιδευτικού λογισμικού ΕΠ, ως συμπληρωματικού εκπαιδευτικού εργαλείου στις παραδοσιακές μεθόδους διδασκαλίας εργαστηριακών μαθημάτων βιολογίας. Οι μαθητές που εκπαιδεύτηκαν στη μικροσκόπηση μέσω μίας μαθησιακής διεργασίας η οποία περιλάμβανε τη χρήση μιας εκπαιδευτικής εφαρμογής ΕΠ, έλαβαν στατιστικά σημαντικά υψηλότερες βαθμολογίες στα γραπτά τους τεστ, ήταν πιο σίγουροι για τις γνώσεις που απέκτησαν και επέδειξαν μεγαλύτερη ικανότητα εκτέλεσης του πειράματος της μικροσκόπησης στο εργαστήριο βιολογίας, σε σχέση με τους συμφοιτητές τους οι οποίοι ακολούθησαν μόνο παραδοσιακές μεθόδους διδασκαλίας. Η προσομοίωση βοήθησε όλους τους φοιτητές, ανεξαρτήτου εκπαιδευτικού προφίλ, να κατανοήσουν τις βασικές αρχές της μικροσκόπησης και να προετοιμαστούν με πιο αποτελεσματικό τρόπο, για την αντίστοιχη άσκηση στο εργαστήριο βιολογίας. Το εικονικό εργαστήριο πιθανότατα συνέδεσε τη θεωρία με την πρακτική και βοήθησε τους φοιτητές, ακόμη και τους πιο αδύναμους, ή και αυτούς με μηδενικό ή με ελάχιστο γνωστικό υπόβαθρο στη βιολογία, να αποκτήσουν υψηλότερες βαθμολογίες σε γραπτά τεστ εννοιολογικής κατανόησης και να επιδείξουν καλύτερη απόδοση στις πειραματικές ασκήσεις τους. Σύμφωνα με αυτήν τη διατριβή, και έχοντας κατά νου ότι η προετοιμασία είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας για την επιτυχία αναφορικά με εργαστηριακές ασκήσεις, ένα εκπαιδευτικό λογισμικό εικονικής πραγματικότητας φάνηκε να είναι ένα τεχνολογικά σύγχρονο και πολλά υποσχόμενο εκπαιδευτικό εργαλείο που ικανοποιεί τους μαθησιακούς στόχους των εργαστηριακών μαθημάτων βοηθώντας τους φοιτητές να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις εργαστηριακών ασκήσεων μεγάλου εγγενούς γνωστικού φορτίου, όπως είναι η χρήση ενός φωτονικού μικροσκοπίου.