LA REALIDAD VIRTUAL COMO HERRAMIENTA

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1 1 LA REALIDAD VIRTUAL COMO HERRAMIENTA PARA EL APRENDIZAJE DE LA DOMÓTICA A.I.Molina, M.Ortega, J.Bravo, C.Bravo y M.Redondo Resumen Los entornos educativos asistidos por computadora suponen un buen complemento al proceso de aprendizaje. No obstante, cuando se trata de dominios de estudio complejos, puede que no se lleguen a alcanzar los objetivos de apoyo al aprendizaje esperados. En este trabajo se expone el camino seguido por el grupo CHICO (Computer-Human Interaction and Collaboration) en el desarrollo de entornos de aprendizaje, tanto individual como en grupo, así como la incorporación de capacidades de simulación tridimensionales al modelo de una vivienda domotizada. I. INTRODUCCIÓN La Domótica es el resultado de la introducción de la tecnología en la vivienda, entendida ésta no cómo la mera inclusión de aparatos aislados sino englobando al conjunto de la casa. En los edificios inteligentes o automatizados se trata de automatizar la actividad y el entorno de trabajo para que este sea más agradable y seguro. Hoy en día, a pesar de que existen varios fabricantes de elementos domóticos, no es una realidad en las nuevas construcciones de viviendas, aún a pesar de que actualmente se cuenta con la tecnología adecuada y de que su inclusión no suponga un gasto excesivo. Por estas razones algunos centros de Educación Secundaria (Formación Profesional) han incluido en sus estudios la Automatización Integral de Viviendas y Edificios (Domótica), para formar a sus alumnos y conseguir en el futuro próximo que existan expertos instaladores domóticos. Es evidente que se está ante las puertas de un avance tecnológico de gran magnitud en el que se aúnan una serie de técnicas entre las que se pueden citar la construcción, sistemas de regulación, informática, transmisión de datos, electrónica y electrotecnia y, sobre todo, comunicaciones a través de las redes Internet, Intranet o Extranet, de tal manera que en un futuro próximo se demandará a nivel de vivienda convencional la instalación de mecanismos que hagan la vida más fácil y cómoda en aspectos como el control de la seguridad, el confort, las comunicaciones y el consumo energético. El avance, en los últimos tiempos, de la informática ha propiciado la creación y extensión de un nuevo término: Realidad Virtual. Iniciada en los programas de entrenamiento militares, simuladores de vuelo y centros de investigación, ha pasado a formar parte de ámbitos muy variados. Se han descubierto distintas e importantes posibilidades educativas de la Realidad Virtual. Estas aplicaciones se asientan en el viejo proverbio oriental que afirma que un conocimiento se retiene mucho mejor cuando se experimenta directamente, que cuando simplemente se ve o se escucha. Por otro lado, la arquitectura se ha considerado siempre como una de las aplicaciones naturales de la Realidad Virtual. Esta situación crea un marco ideal para el aprendizaje de una disciplina incipiente como es la Domótica, permitiendo una mejor comprensión de los aspectos espaciales y visuales de un proyecto de vivienda domotizada. En este artículo se expone el camino seguido por nuestro en la elaboración de entornos de apoyo al aprendizaje de la Domótica. Dicho camino parte de la Manipulación Directa como paradigma a emplear en entornos educativos. A esta aproximación inicial se añadieron capacidades colaborativas, cuyas ventajas en este ámbito han sido ampliamente defendidas y demostradas. Ambos tipos de herramientas se benefician del apoyo de asistentes, que guían al alumno en el proceso de aprendizaje. En este trabajo se resalta cómo se han incorporado capacidades de simulación tridimensional a las herramientas desarrolladas hasta el momento. II. EL DOMINIO DE ESTUDIO: LA DOMÓTICA Existen muchas definiciones elaboradas por los diversos expertos en el tema. Como ocurre en la práctica totalidad de estas áreas no existe una única definición y prácticamente cada autor aporta la suya. Se puede decir que la Domótica es el resultado de la introducción de la tecnología en la vivienda, entendida esta no cómo la mera inclusión de aparatos aislados sino englobando al conjunto de la casa. En los edificios inteligentes o automatizados se pretende el control automático de todos los servicios del hogar, liberando a sus habitantes de tareas rutinarias como son el control de la luminosidad, la seguridad, el control energético o térmico. Los operadores domóticos son todos los elementos que podrán ser manipulados (insertados, relacionados y parametrizados), y que realizarán la función que se les asigne dentro de la automatización integral de la vivienda. Se pueden agrupar los operadores domóticos en tres grandes grupos: sensores (o receptores), actuadores y sistemas o controladores.

2 2 Los primeros son los encargados de recibir información del entorno, generalmente de variables atmosféricas (temperatura, luminosidad, etc.) o por acciones humanas. Los elementos actuadores son aquellos operadores domóticos que reciben la información, digital o analógica, de los sistemas y actúan en consecuencia activándose o desactivándose dependiendo de cierta parametrización de sus variables. Un sistema es un operador domótico que actúa de enlace entre un receptor y un actuador, de manera que recibe una señal del receptor y mediante la programación del propio sistema envía un mensaje (de activación o inhibición) al actuador dependiendo de lo programado y de la parametrización de sus variables internas. El estudio de la implantación de los diferentes operadores domóticos, sensores, actuadores y sistemas en una vivienda indica la conveniencia de realizarlo mediante la agrupación de los mismos, según la función que realizan, en diferentes áreas de gestión. Cada área de gestión encerrará distintos grupos de operadores que atenderán por tanto a ciertas reglas de compatibilidad. Se pueden mencionar cuatro áreas principales: Control de la Luminosidad, Seguridad, Confort Térmico y Control Energético. III. HERRAMIENTAS PARA LA ENSEÑANZA DE LA DOMÓTICA A continuación se exponen los pasos seguidos en la creación de las herramientas de apoyo al aprendizaje de la Domótica llevados a cabo desde nuestro grupo. A. La Manipulación Directa A la hora de crear las primeras herramientas de apoyo al aprendizaje de la Domótica, optamos por defender la Manipulación Directa [10, 12] como paradigma de interacción con el alumno. Entre las ventajas de un entorno con capacidades de manipulación directa cabe destacar la rapidez de aprendizaje de las funcionalidades básicas observables en los alumnos. Igualmente, los usuarios más experimentados pueden trabajar más rápidamente con un entorno de este tipo que con cualquier otro. El usuario puede ver, de forma inmediata, si sus acciones responden a los objetivos buscados con las mismas y adquieren una mayor confianza, ya que controlan mejor lo que hacen y pueden predecir sus consecuencias. Es decir, existe una manipulación directa de los conceptos que se estudian. Existen opiniones a favor y en contra de esta técnica en el ámbito de las herramientas educativas. Svedensen [13] y Holst [7] sostienen que este tipo de interfaces distrae al usuario de los conceptos que debe aprender, apoyando las interfaces basadas en comandos para este tipo de entornos. Hay otros autores como Golightly [6] que defienden la manipulación indirecta de los conceptos, ya que acerca más al alumno a los aspectos propios del dominio. Aún así, un híbrido de ambas (la llamada Manipulación Directa de Conceptos, DCM, propuesta por Sedighian [9, 10] ) se presenta como una solución compromiso entre ambas. B. La planificación La elaboración de los primeros entornos de enseñanza desarrollados (primero en Visual Basic, y más tarde en Java, lo cual favorece la utilización a través de web) dejó ver que la gran cantidad de elementos involucrados en el diseño de un modelo de vivienda domotizada complica el aprendizaje de forma considerable y puede producir frustración en el alumno, que puede dejar sin completar el modelo de instalación. De cara a solucionar este inconveniente se pensó en dotar a la herramienta de un editor de planes, que permite al usuario la obtención de una solución intermedia (abstracta) del diseño de la instalación domótica [1, 2]. El sistema cuenta con varias soluciones, dadas por un experto, para dicho problema, de modo que va guiando al alumno durante la elaboración del plan contrastándolo con estas soluciones. Durante el diseño del mismo el alumno debe detenerse a analizar el problema a solucionar, centrándose más en los elementos del dominio. De esta forma se asegura que el alumno se está implicando en el problema, sin que su atención se desvíe hacia otros aspectos que no sean la solución del mismo. Una vez concluida la construcción de esta solución abstracta intermedia, el sistema informa sobre los errores cometidos en el mismo, si los hubiere. A continuación el alumno puede dedicarse a diseñar el modelo de la vivienda (mediante manipulación directa). Una vez acabado, la aplicación compara la solución intermedia con la solución diseñada por el usuario, mostrando las posibles discrepancias, pudiéndose modificar el plan, si así fuese necesario. C. La colaboración Cuando se experimentó con la herramienta anterior se observó que los alumnos tenían la necesidad de discutir sobre las decisiones de diseño que tomaban. Así, el siguiente paso en la elaboración de las herramientas de aprendizaje consistió en añadir capacidades colaborativas a las anteriores. En 1981 se realizaron estudios que parecían evidenciar las ventajas y la efectividad del aprendizaje en grupo frente a un aprendizaje competitivo e individualizado [4]. Hoy por hoy, la importancia del grupo en la construcción de conocimiento dentro del proceso de aprendizaje está totalmente aceptada. Si a estas ventajas se añaden los avances que se han dado en redes de computadores, se crea un marco que ofrece grandes posibilidades para la educación a distancia. Teniendo en cuenta estas ideas, se añadieron módulos de comunicación y coordinación, tanto síncrona como asíncrona a las herramientas previas[8]. Así, la fase de construcción del plan, se aborda con un editor (Fig. 1) que permite la creación individual del modelo, haciendo uso de la manipulación directa. Este proceso de elaboración es eminentemente reflexivo, y cuenta con la asistencia del sistema. Una vez construido el diseño se presenta al grupo, y comienza el proceso de aprendizaje colaborativo propiamente dicho. Se hacen argumentaciones y críticas y se proponen mejoras del modelo. Se trata de un proceso asíncrono, que permite que el alumno pueda reflexionar sobre su solución y las propuestas dadas por el

3 3 resto de miembros de grupo. El proceso de aprendizaje se ve beneficiado de manera evidente mediante el uso de esta técnica, ya que la solución final es fruto de la colaboración del grupo y se ve enriquecida por los puntos de vista que cada miembro añade. Además el alumno tiene que saber explicar su trabajo al resto. Una vez creado el plan habrá que proceder al diseño detallado de la instalación (Fig. 2). Este proceso, dotado de características de colaboración síncrona, se hace mediante manipulación directa y en grupo. Esta fase propone un reparto de tareas para organizar el trabajo de los usuarios. Durante el diseño se plantean hipótesis que pueden ser contrastadas mediante la simulación del modelo. Esta simulación también es síncrona, y los integrantes del grupo pueden observar el funcionamiento del sistema y reflexionar sobre los errores del mismo, así como plantear soluciones que impliquen rediseño (idea de refinamiento). Fig. 1. Editor de planes de diseño. D. La Realidad Virtual El uso de la Realidad Virtual (RV) para mejorar el proceso de enseñanza define una nueva línea de investigación. Sus técnicas ofrecen un marco en el cual el usuario tiene grandes posibilidades de interacción. La aparición del Lenguaje de Modelado de Realidad Virtual (VRML: Virtual Reality Modeling Language), Java 3D y de plug-ins para estos lenguajes ha hecho posible la construcción de mundos virtuales accesibles a través de Internet. El aporte que ha realizado la computación gráfica a una gran diversidad de actividades ha sido de una magnitud insospechada, y es por ello que actualmente sirven de apoyo a una gran cantidad de tareas relacionadas con la ingeniería, la arquitectura y muchas otras áreas. A su vez, importantes avances en la computación han sido debidos a los requerimientos que las tareas gráficas les han exigido. Uno de los aspectos más interesantes de la RV es su incorporación a Internet. Cada vez es mayor la cantidad de archivos multimedia y la integración de mundos 3D en la red. El Fig. 2. Ventana de simulación estándar para modelos 3D en la red es actualmente VRML (Virtual Reality Modeling Language). Este lenguaje cumple el mismo rol que HTML para las páginas Web, pero en este caso para escenarios tridimensionales. Se han descubierto distintas posibilidades educativas de la RV. Estas aplicaciones se asientan en la idea de que el conocimiento se retiene mucho mejor cuando se experimenta directamente, que cuando simplemente se ve o escucha. También se ha comentado extensamente la potencialidad de los medios virtuales para representar conceptos abstractos o aspectos difícilmente visibles en condiciones normales. Con el objetivo de explotar algunas de las características de la RV nos planteamos el desarrollo de una herramienta que mejore los aspectos de visualización durante la simulación. Esta herramienta la denominamos DOMO3D y a continuación se describe. IV. DOMO3D: SISTEMA DE DISEÑO DE ENTORNOS VIRTUALES DE EDIFICIOS DOMOTIZADOS CON JAVA 3D Lo que se pretende con la simulación es intentar reproducir una situación que por cuestiones como la accesibilidad, la complejidad o el coste, no resultan abordables mediante la experimentación directa en un laboratorio. Este es el caso del proceso de formación de capacidades técnicas en el ámbito de la Domótica. Este recurso didáctico se considera de gran utilidad en el ámbito educativo en general, ya que mejora la comprensión de los mecanismos que rigen el proceso o realidad que simula [5] y el aprendizaje resulta más intuitivo y profundo. Una simulación consta básicamente de tres grandes apartados: Modelo (describe y abstrae el fenómeno), Vista o Interfaz Gráfica (que permite visualizar el fenómeno y es especialmente útil para la enseñanza) y Control. Pretendemos hacer un especial hincapié en el segundo de estos puntos. Desde el punto de vista particular del tipo de interfaz propuesto, éste aporta una serie de ventajas al sistema de aprendizaje de las cuales se beneficiará el simulador domótico desarrollado: Nuevas posibilidades de interacción.

4 4 Proporciona una percepción más realista. En concreto se utiliza este nuevo tipo de interfaces gráficas con el propósito de conseguir sistemas de inmersión que emulen de forma más fiel el entorno real, lográndose una enseñanza más efectiva. Entornos de aprendizaje agradables. Los usuarios, inmersos en simulaciones 3D, mejoran sus habilidades mediante la práctica de tareas reales. Para el usuario actuar en un entorno de este tipo resultará más sencillo y natural. También es posible acceder a un tipo nuevo de información, que permitirá caracterizar al usuario, como pueden ser su atención visual y sus movimientos físicos (ej. posición y orientación). Se eliminan riesgos y se reducen costes. Existen ciertos factores que añaden un grado de interés al usuario que se enfrenta a una aplicación de realidad virtual, como son: los eventos, el realismo, la animación y la capacidad de respuesta. DOMO3D consiste en una herramienta de simulación, aplicada al caso concreto de las instalaciones domóticas, que se sirve de técnicas de modelado de Realidad Virtual. Dicha herramienta permite la edición de planos de edificios en dos dimensiones, así como el posicionamiento en el mismo de elementos domóticos, cuyas características de comportamiento también sean introducidas a través del interfaz. Una vez diseñado el entorno, la aplicación permite su visualización en 3D, así como la navegación por el mismo. Al pasear por las estancias del edificio los elementos domóticos irán actuando (teniendo en cuenta ciertos parámetros ambientales, y de otra naturaleza, que afecten a su modo de operar), simulando el comportamiento de la vivienda. En cuanto al desarrollo del interfaz se ha procurado que sea de aspecto amigable y atractiva para el usuario. Según la teoría de la Ingeniería de la Usabilidad, el aspecto y facilidad de uso de una herramienta será determinante a la hora de que el usuario al que va encaminada acepte o rechace su uso. En el análisis de la herramienta y, más concretamente, el aspecto estético de la misma (el interfaz), se ha tenido muy en cuenta la perspectiva del usuario. En desarrollo de la aplicación se ha hecho en el lenguaje Java, haciendo uso del API Java3D, para la creación del modelo tridimensional de la vivienda. Se han abordado cuatro unidades principales, que han sido objeto de estudio, para la elaboración del mismo; tres de ellas de carácter más teórico y otra más práctica. En cuanto a las de carácter teórico se encuentran la domótica (como dominio de aplicación del problema), la simulación (como importante paradigma en el aprendizaje a través de la computadora) y la Realidad Virtual (dentro de cuyas aplicaciones se puede considerar esta aplicación encuadrada, y que sirve de ayuda a la simulación en su labor de enseñanza). En cuanto al cuarto tema a tratar, de naturaleza más práctica, ha sido necesario un conocimiento del API Java 3D. Aunamos todos estos conceptos a través de la creación de una herramienta de simulación, DOMO3D, aplicada al ámbito de la domótica, sirviéndose de la RV como herramienta de comunicación con el usuario, que se sirve de un lenguaje de modelado de entornos tridimensionales interactivos en tiempo real, como es el API Java 3D. A continuación describimos los componentes de esta herramienta. A. El editor para el modelado 2D El editor de planos permite definir la estructura de la vivienda, posicionar los operadores domóticos, enlazarlos a los sistemas de control adecuados, así como la definición de los valores de los parámetros que definen los distintos elementos que forman la instalación domótica. Igualmente, esta parte del interfaz permite definir las condiciones del entorno durante la simulación. Esta parte está formada por el área de edición 2D, que presenta el aspecto de un cuadro de dibujo convencional y mediante el cual se puede definir la estructura de la vivienda (de un sola planta y formada por habitaciones rectangulares). Las habitaciones pueden redimensionarse, moverse, borrarse,. El sistema se encarga de controlar que la estructura de la vivienda sea coherente, impidiendo solapamientos entre las habitaciones, o situar elementos (puertas y ventanas) en otro sitio que no sean las paredes de las habitaciones. Una vez creada la vivienda, se podrán situar los operadores domóticos (relacionados con la gestión de la intrusión y la luminosidad). La aplicación se encarga de controlar que estos elementos se sitúen dentro de las habitaciones o estén asociados a las puertas/ventanas del modelo. A medida que se van añadiendo habitaciones, o cualquier otro tipo de elementos (puertas, ventanas, bombillas, etc.) aparece en la ventana de propiedades una serie de etiquetas, botones y entradas de texto que permiten definir las características de cada uno de los objetos. Así, la modificación de las dimensiones o posicionamiento de los distintos elementos se puede hacer, no solo usando el ratón, sino a través de entradas de texto. Además, en aquellos elementos que sea necesario, se pueden definir características adicionales (por ejemplo, definir la cantidad de luz que aporta una bombilla, o si el control de una persiana es manual o automático). El aspecto del interfaz se puede observar en la Fig. 3.

5 5 Además de las dos ventanas anteriores se puede observar, en forma de árbol, la estructura de la vivienda que está siendo modelada. Fig. 3. Aspecto del editor de planos 2D de la aplicación DOMO 3D. B. Visualización 3D y Simulación En esta parte se puede ver la simulación tridimensional del modelo de vivienda domotizada creado en la fase anterior (Fig. 4). La navegación por el universo virtual propicia una interacción entre el usuario y el modelo que creó. Se puede pasear por las habitaciones de la vivienda, rotar y ver en planta su aspecto. Además se puede interaccionar en tiempo real con sus elementos (se podrán abrir puertas, ventanas, encender bombillas, romper cristales, etc), haciendo clic con el ratón. Al interaccionar con la vivienda se produce la simulación de las áreas de gestión cuyo comportamiento se desee observar. Los operadores domóticos entran en acción y producen cambios en ciertos elementos de la vivienda (los actuadores). Así, por ejemplo, si se asegura la vivienda (lo cual indica que su propietario ha salido de ella), se produce las salidas que en el modelado 2D se hayan definido para los casos en los que se Fig. 4. Vista 3D del modelo de vivienda domotizada detecta una intrusión (una señal luminosa, acústica o un mensaje indicando que se está llamando a la policía). En el caso de la simulación de la gestión de iluminación la detección de la presencia de una persona dentro de la vivienda hace (en el caso de que exista un sistema de iluminación en la habitación) que, para conseguir la luminosidad deseada en esa estancia, se tengan que subir/bajar las persianas o encender/apagar las bombillas. Este tipo de salidas de la aplicación (sonidos, cambio en la luminosidad de la escena virtual, movimiento de las persianas) no se da en un entorno de simulación bidimensional. Este modo de interacción se acerca más a la respuesta que se daría en un sistema real. Las respuestas de los actuadores son directamente observables por el alumno. Esta parte del interfaz permite también seguir la traza (Fig. 5) de acciones que se disparan a medida que el usuario interacciona con los distintos elementos domóticos de la vivienda. De esta forma, no solo se observan los cambios que se producen de forma visual, sino que se puede contar con información de otro tipo (por ejemplo, numérica) que permite un conocimiento más profundo de las consecuencias que sus acciones tienen en la vivienda. V. CONCLUSIONES El camino seguido por nuestro grupo a la hora de elaborar Fig. 5. Aspecto de la ventana que muestra la traza de la simulación. herramientas de apoyo al aprendizaje comenzó con la manipulación directa. Las necesidades de comunicación entre los alumnos hizo ver la necesidad de dotar a dicha herramienta de capacidades colaborativas. Con este trabajo se ha intentado dar un paso más en la comunicación con el usuario, dando la posibilidad de interaccionar con una representación tridimensional del modelo de la vivienda. La inmersión e interacción directa con una representación 3D del problema, permite al alumno un mejor asentamiento de los conocimientos adquiridos. Sin embargo, esta nueva técnica aún está muy lejos de convertirse en algo de uso extendido. Son aún muchas las cosas que quedan por hacer en este campo. Las publicaciones insisten en que faltan experiencias de uso en estos sistemas. Como herramienta de apoyo al aprendizaje de la Domótica, la RV supone ciertas ventajas adicionales a las aportadas por cualquier otro entorno de aprendizaje convencional de esta disciplina: Una mejor percepción de los espacios Se aprecia una mayor carga emotiva y semántica Entre los inconvenientes que se han podido observar en el uso de la aplicación DOMO3D cabe destacar: Cierta sensación de inmaterialidad. Dificultad para

6 6 reconocer apropiadamente los elementos constructivos. Como trabajo futuro pretendemos crear grupos de enseñanza de 2 alumnos que han de diseñar entornos domóticos bajo la tutela de profesores y utilizar las posibilidades que tanto en el modelado D como 3D permite nuestro sistema. Las conclusiones que se extraigan de estas primeras experiencias servirán para refinar DOMO3D y añadir la posibilidad de crear nuevas situaciones de aprendizaje. VI. AGRADECIMIENTOS. Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Educación y Cultura en el proyecto TIC y por la Comunidad Autonoma de Castilla La Mancha en su Proyecto PBI BIBLIOGRAFÍA [1] Bravo Rodríguez J. Planificación del diseño en entornos de simulación para el aprendizaje a distancia. Ph. D. Dissertation, Madrid, [2] Bravo, J., Ortega, M. & Verdejo, M.F. Planning in problem solving: A case study in Domotics. In Proceeding of Frontiers in Education. Kansas City- USA, [3] Bravo, C., Redondo, M.A., Ortega, M., Verdejo, M.F., Collaborative Discovery Learning of Model Design. 6th International Conference on Intelligent Tutoring Systems Conference (ITS 2002).San Sebastián (España). [4] Collis, B. Cooperative Learning and CSCW: Research Perspectives for Internetworked Educational Environments. Paper in IFIP Working Group 3.3. Working Conference, Lessons from Learning, Theme B. Archamps. Francia, [5] de Jong, T. Learning and Instruction with Computer Simulations. [6] Golightly, D. Harnessing the Interface Domain Learning, In CHI 96 Coference Companion. [7] Holst, S.J. Directing Learner Attention With Manipulation Styles In CHI 96 Conference Companion. [8] Redondo, M.A., Bravo, C., Ortega, M., Verdejo, M.F., PlanEdit: An adaptive tool for design learning by problem solving. 2nd International Conference on Adaptative Hypermedia Systems.(AH2002) Málaga (España). Mayo [9] Sedighian, K. & Klawe, M. An Interface Strategy for Promoting Reflective Cognition in Children. In CHI 97, Bristol, UK, [10] Sedighian, K. & Westrom, M. Direct Object Manipulation vs. Direct Concept Manipulation: Effect of Interface Style of Reflection and Domain Learning. In HCI 97, Bristol, UK, [11] Shneiderman, B. Designing the User Interface. Addison Wesley Publishing Company [12] Shneiderman, B. Direct Manipulation. In B. Shneiderman (ED.), Sparks of Innovation in Human-Computer Interaction. Ablex Publ., NJ [13] Svedensen, G.B. Influences of Interface Style on Problem Solving. International Journal of Man-Machine Studies, 1991.

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