The impact of haptic feedback vibration in single-user and collaborative VR learning environment

Abstract

This research investigates the impact of haptic feedback vibration in Virtual Reality Environments (VREs) within higher education. Specifically, the study focuses on the role of haptic feedback vibration by examining its overall effect during interactions in VREs, as well as the specific impact of adaptable vibration settings that are activated by user errors in both single-user and Collaborative Virtual Environments (CVEs). The investigation is conducted from both educators’ and learners’ perspectives. From the educators’ perspective, the research aims to identify: (1) effective configurations of haptic feedback vibration in single-user and collaborative VREs, including “asymmetric” collaboration scenarios (one learner immersed in VR and another providing guidance) and “symmetric” collaboration scenarios (both learners immersed in VR); and (2) the cognitive levels of learning tasks for which haptic feedback vibration can enhance the efficiency of the learning experience. From the learners’ perspective, the study seeks to understand their experiences, perceptions, and preferences. This research follows a two-part quantitative methodology based on the Design Science Research (DSR) approach. The first part consists of a controlled, quantitative quasi-experiment conducted using developed VREs and CVEs for the single-user and multi-user settings, respectively. Its objective is to capture participant interactions in both environments and to examine their performance in comparison with a traditional physical laboratory assessment. The second part comprises a quantitative survey administered after the experimental phase, aiming to investigate participants’ reflections and feedback. Two courses with extensive use of three-dimensional models—Computer Science and Aviation Engineering—were selected for the development of the VREs and CVEs in order to enhance the generalisability of the findings. Each course included tasks targeting different cognitive levels, such as identifying components and assembling three-dimensional models, including a personal computer or an aircraft. Performance was evaluated based on the number of correct interactions recorded on a virtual whiteboard, after which participants completed a survey. A non-probability convenience sample of 264 students from a major higher education institution in the United Arab Emirates participated in the study. Of these, 102 Computer Science students and 82 Aviation Engineering students took part in the VRE and CVE experiments, while 80 students completed equivalent assessments in a physical laboratory under the same conditions. Adaptable haptic feedback was randomly applied in the VREs and uniformly applied in the CVEs. The experimental study examined two dependent variables: task completion time and number of successful interactions. As the data approximated a normal distribution, a parametric paired-samples t-test was employed to compare the results obtained in the VREs and CVEs with those of the traditional physical laboratory. The significance level (α) was set at 0.05, and the estimated statistical power was 0.8 for an effect size of 0.8. The survey component of the study addressed two additional research constructs: participants’ preference for VREs and CVEs compared to physical laboratories, and their reflections on the overall learning experience. The reliability of the responses was considered acceptable when Cronbach’s alpha exceeded 0.6. Overall, participants favoured the VRE experience, reporting satisfaction, enjoyment, and a sense of competence. Adaptable haptic feedback, in particular, was identified as a factor that enhanced immersion. Collaborative CVEs further enriched the VR experience, especially in the “asymmetric” collaboration mode, but also in the “symmetric” mode, suggesting improvements in teamwork skills through CVEs. Notably, participants expressed a preference for a blended approach, advocating the integration of both virtual and physical laboratories in content delivery and assessment. These findings have significant implications for decision-making regarding the deployment of VREs and CVEs in higher education and are presented in the form of recommendations in the concluding section of the thesis.

Η παρούσα έρευνα διερευνά την επίδραση της απτικής ανάδρασης μέσω δόνησης σε περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας (Virtual Reality Environments – VREs) στην ανώτατη εκπαίδευση. Ειδικότερα, η μελέτη εστιάζει στον ρόλο της απτικής ανάδρασης δόνησης, εξετάζοντας τόσο τη συνολική της επίδραση κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης στα VREs όσο και τα ειδικότερα αποτελέσματα των προσαρμοζόμενων ρυθμίσεων δόνησης, οι οποίες ενεργοποιούνται σε περιπτώσεις λαθών των χρηστών, τόσο σε περιβάλλοντα μονού χρήστη όσο και σε συνεργατικά εικονικά περιβάλλοντα (Collaborative Virtual Environments – CVEs). Η διερεύνηση πραγματοποιείται από την οπτική γωνία τόσο των εκπαιδευτών όσο και των φοιτητών. Από την πλευρά των εκπαιδευτών, η έρευνα στοχεύει στον εντοπισμό: (1) αποτελεσματικών διαμορφώσεων απτικής ανάδρασης μέσω δόνησης σε περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας μονού χρήστη και συνεργατικής μάθησης, συμπεριλαμβανομένων σεναρίων «ασύμμετρης» συνεργασίας (ένας εκπαιδευόμενος σε εικονικό περιβάλλον και ένας δεύτερος σε ρόλο καθοδήγησης) και «συμμετρικής» συνεργασίας (και οι δύο εκπαιδευόμενοι σε εικονικό περιβάλλον), και (2) των γνωστικών επιπέδων μαθησιακών δραστηριοτήτων στα οποία η απτική ανάδραση μέσω δόνησης μπορεί να ενισχύσει την αποδοτικότητα της μαθησιακής εμπειρίας. Από την πλευρά των εκπαιδευομένων, η έρευνα επιδιώκει την κατανόηση των εμπειριών, των αντιλήψεων και των προτιμήσεών τους. Η μελέτη αποτελείται από δύο ποσοτικά μέρη και ακολουθεί τη μεθοδολογία της Έρευνας Σχεδιαστικής Επιστήμης (Design Science Research – DSR). Το πρώτο μέρος αφορά ένα ελεγχόμενο, ποσοτικό ημι-πείραμα, βασισμένο σε ανεπτυγμένα εικονικά και συνεργατικά εικονικά περιβάλλοντα για τα σενάρια μονού και πολλαπλών χρηστών, αντίστοιχα. Στόχος είναι η καταγραφή της αλληλεπίδρασης των συμμετεχόντων και η εξέταση της απόδοσής τους σε σύγκριση με παραδοσιακή αξιολόγηση σε φυσικό εργαστήριο. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει ποσοτική έρευνα μέσω ερωτηματολογίου, η οποία πραγματοποιήθηκε μετά το πείραμα, με σκοπό τη διερεύνηση των αναστοχασμών και της ανατροφοδότησης των συμμετεχόντων. Για την ανάπτυξη των εικονικών και συνεργατικών εικονικών περιβαλλόντων επιλέχθηκαν δύο μαθήματα με εκτενή χρήση τρισδιάστατων μοντέλων, η Επιστήμη Υπολογιστών και η Αεροναυπηγική Μηχανική, με στόχο την ενίσχυση της γενικευσιμότητας των ευρημάτων. Κάθε μάθημα περιλάμβανε δραστηριότητες που στόχευαν σε διαφορετικά γνωστικά επίπεδα, όπως η αναγνώριση επιμέρους εξαρτημάτων και η συναρμολόγηση τρισδιάστατων μοντέλων, όπως ενός υπολογιστή ή ενός αεροσκάφους. Η απόδοση των συμμετεχόντων αξιολογήθηκε με βάση τον αριθμό των ορθών αλληλεπιδράσεων, οι οποίες καταγράφηκαν σε εικονικό πίνακα, και στη συνέχεια οι συμμετέχοντες συμπλήρωσαν ερωτηματολόγιο. Στην έρευνα συμμετείχε δείγμα ευκολίας μη πιθανοκρατικής δειγματοληψίας αποτελούμενο από 264 φοιτητές μεγάλου ιδρύματος ανώτατης εκπαίδευσης στα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα. Από αυτούς, 102 φοιτητές Επιστήμης Υπολογιστών και 82 φοιτητές Αεροναυπηγικής Μηχανικής συμμετείχαν στα πειράματα σε εικονικά και συνεργατικά εικονικά περιβάλλοντα, ενώ 80 φοιτητές συμμετείχαν σε δοκιμασίες φυσικού εργαστηρίου υπό τις ίδιες συνθήκες. Η προσαρμοζόμενη απτική ανάδραση εφαρμόστηκε τυχαία στα εικονικά περιβάλλοντα και καθολικά στα συνεργατικά εικονικά περιβάλλοντα. Η πειραματική μελέτη περιλάμβανε δύο εξαρτημένες μεταβλητές: τον χρόνο ολοκλήρωσης των δραστηριοτήτων και τον αριθμό των επιτυχιών. Δεδομένου ότι τα δεδομένα ακολουθούσαν κατά προσέγγιση κανονική κατανομή, χρησιμοποιήθηκε ο παραμετρικός στατιστικός έλεγχος t για συζευγμένα δείγματα, προκειμένου να συγκριθούν τα αποτελέσματα των εικονικών και συνεργατικών εικονικών περιβαλλόντων με εκείνα του παραδοσιακού φυσικού εργαστηρίου. Το επίπεδο σημαντικότητας α ορίστηκε στο 0,05 και η εκτιμώμενη ισχύς του ελέγχου ήταν 0,8 για μέγεθος επίδρασης 0,8. Το ποσοτικό σκέλος της έρευνας μέσω ερωτηματολογίου περιλάμβανε δύο επιπλέον ερευνητικές κατασκευές: την προτίμηση των συμμετεχόντων για τα εικονικά και συνεργατικά εικονικά περιβάλλοντα έναντι των φυσικών εργαστηρίων και τις αναστοχαστικές αξιολογήσεις τους σχετικά με τη συνολική εμπειρία. Η αξιοπιστία των απαντήσεων κρίθηκε αποδεκτή σε περιπτώσεις όπου ο δείκτης Cronbach’s Alpha ήταν μεγαλύτερος του 0,6. Συνολικά, οι συμμετέχοντες προτίμησαν την εμπειρία των εικονικών περιβαλλόντων, εκφράζοντας ικανοποίηση, ευχαρίστηση και αίσθηση επάρκειας. Η προσαρμοζόμενη απτική ανάδραση αναγνωρίστηκε ως παράγοντας που ενισχύει την εμβύθιση, ενώ τα συνεργατικά εικονικά περιβάλλοντα εμπλούτισαν περαιτέρω τη μαθησιακή εμπειρία, ιδιαίτερα στο σενάριο της ασύμμετρης συνεργασίας αλλά και στο συμμετρικό σενάριο, υποδηλώνοντας βελτίωση δεξιοτήτων ομαδικής συνεργασίας. Αξιοσημείωτο είναι ότι οι συμμετέχοντες προέκριναν μια μικτή προσέγγιση, υποστηρίζοντας τον συνδυασμό εικονικών και φυσικών εργαστηρίων στη διδασκαλία και την αξιολόγηση. Τα ευρήματα της έρευνας έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη λήψη αποφάσεων για την υιοθέτηση εικονικών και συνεργατικών εικονικών περιβαλλόντων στην ανώτατη εκπαίδευση και παρουσιάζονται με τη μορφή συστάσεων στη συμπερασματική ενότητα της διατριβής.