CREACIÓN DE HERRAMIENTAS PARA EL APRENDIZAJE MEDIANTE GLSCENE

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1 CREACIÓN DE HERRAMIENTAS PARA EL APRENDIZAJE MEDIANTE GLSCENE José Alberto Márquez Domínguez Universidad de la Cañada Teotitlán de Flores Magón, Oaxaca-68540, México Beatriz Adriana Sabino Moxo Telemedicina, Facultad de Medicina - BUAP Puebla, Puebla-72410, México RESUMEN: El presente trabajo describe algunas herramientas que facilitan el aprendizaje a alumnos en la materia de geografía las cuales fueron implementadas con GLScene, mismo que proporciona una serie de componentes para desarrollar aplicaciones 3D. Las aplicaciones que se presentan en este trabajo son: las capas de la tierra, las fases de la luna y el sistema solar. También se describen los elementos que integran dichas escenas 3D, tales como: textura, iluminación, efectos de zoom, rotaciones, entre otros. Hasta la fecha se ha presentado el trabajo a cierto número de alumnos y profesores, con la finalidad de adecuarlas a sus necesidades de enseñanzaaprendizaje usando las tecnologías de la información. PALABRAS CLAVE: Animación, Escena 3D, Geografía, Aprendizaje, Enseñanza, Herramienta computacional. 1. INTRODUCCIÓN El rendimiento del sistema educativo en la última década y los vertiginosos adelantos que se registran en el campo de la ciencia y la tecnología descartan las posibilidades de seguir empleando con exclusividad los métodos tradicionales de enseñanza, por el contrario, se hace evidente la urgente necesidad de introducir innovaciones metodológicas, técnicas, empleo de medios y recursos que permitan llegar con mayor eficiencia y eficacia a toda la población estudiantil. Estamos ante un mundo cambiante, al que hay que adaptarse rápidamente. Estos cambios permanentes y las rápidas adaptaciones exigidas se favorecen por la introducción de las computadoras en todos los ámbitos, desde la realización de una simple operación matemática hasta extensos y complicados procesos educativos. Entre las aplicaciones que actualmente se han desarrollado como herramienta para facilitar el aprendizaje están las animaciones en 2D o 3D, estas animaciones se han enfocado a diversas áreas y representado varios temas educativos. Este trabajo se encamina a temas de la asignatura de Geografía, incorporando temas como el sistema solar, fases de la luna, capas de la tierra, entre otras. En la actualidad se han implementado diversas animaciones 2D o 3D, sin embargo la representación de los temas se muestra de manera estática y no proporcionan herramientas para interactuar con ellas. La tecnología informática que se presentan actualmente proporciona nuevas alternativas y novedades en sistematización que involucran tanto a adultos como a adolescentes y niños, en el rol de protagonistas en el uso y aprovechamiento de programas y equipos amigables, diseñados especialmente para ellos. Se observa también que la juventud promedio está en contacto directo con la tecnología. El objetivo de las animaciones presentadas en este documento es proporcionar una herramienta tanto a los alumnos como a los profesores, que facilite enseñar y aprender respectivamente algunos temas de Geografía en educación primaria y secundaria. 2. APRENDIZAJE CON ANIMACIÓN 3D La animación 3D se realiza modelando objetos en un ambiente tridimensional, la computadora recibe instrucciones sobre los objetos en escena tales como: forma, posición, color, textura, grado de brillantez, reflexión, transparencia, refracción, rugosidad de las superficies, intensidad, dirección, tipo de cada luz que afecta a la escena, lugar y dirección de cámara, distancia focal, entre otros, para después animarlo (darle movimiento). La animación 3D se utiliza en la creación de películas, video juegos, efectos visuales, recorridos virtuales para proyectos arquitectónicos. Para el aprendizaje se han desarrollado aplicaciones 3D que sirven de apoyo a estudiantes de varios niveles educativos (desde primaria hasta universidades) con la finalidad de reforzar sus conocimientos en diversos temas. La animación 3D puede servir para varios propósitos: Como soporte de la percepción en tres dimensiones de un objeto. Para dirigir la atención de los aprendices hacia los aspectos importantes del contenido. En la adquisición de conocimiento procedimental, por ejemplo, en el área del aprendizaje de software, cuando los pasos de la interacción son modelados por medio de la animación. Ayudan a los aprendices a llevar a cabo los procesos cognitivos que todavía no se podrían llevar a cabo sin este apoyo. Existen varios hallazgos que muestran que el aprendizaje con animación puede ser más efectivo para el aprendizaje que las imágenes estáticas. Esto se ha visto en el caso del aprendizaje de software y se ha comprobado también en el ámbito de la adquisición de conocimiento sobre procesos naturales (simulados por animación) en la educación de ciencias [1].

2 Los aprendices con bajos conocimientos pueden utilizar las animaciones como suplemento para la comprensión. Sin embargo, los alumnos con amplios conocimientos llevan a cabo una simulación mental independientemente de la animación. Los aprendices utilizarán la animación de un modo pasivo, en lugar de alcanzar una simulación mental por ellos mismos de manera activa. Utilizando la Animación 3D se han creado herramientas para el aprendizaje en áreas como Matemáticas [2], los cuales se han sugerido como apoyo para el profesor. En otros casos se han propuesto cursos para capacitar a los docentes en el uso del software de animación 3D [3]. 3. IMPLEMENTACIÓN La implementación de estas animaciones se realizó en Delphi, por la sencillez en el manejo de componentes visuales y su integración con opengl (GLScene). GLScene es una librería para Delphi basada en OpenGL que proporciona componentes visuales que permiten realizar el renderizado 1 de objetos y escenas 3D (Fig. 1). Animación de las capas de la tierra Para la implementación de esta escena se utilizaron diversos elementos, los principales se muestran a continuación: Objetos 3D Textura Texto en 3D Rotación de la escena Movimientos de la cámara (Zoom) Objetos 3D: esferas (TGLSphere) para las diferentes capas: Núcleo Interno, Núcleo Externo, Manto, Manto Superior y Corteza. Textura: además de cambiar los colores de los objetos, al trabajar en 3D es posible añadir texturas, es decir imágenes que representan materiales y que se utilizan para recubrir los objetos y así darles una apariencia más realista: piedra, madera, tela, entre otros. Para este caso se utilizaron texturas para las diferentes capas de la tierra (Fig. 2). Cabe mencionar que esta librería contiene un amplio conjunto de clases definidas para objetos [4]. En la figura 2 se describe la librería de GLScene. Cualquier escena que se cree con GLScene necesita al menos utilizar dos controles fundamentales: el control GLScene, que es el que a su vez contendrá todo el universo 3D (objetos, luces, cámaras, entre otros) y el control GLSceneViewer, que permite visualizar lo que está viendo una cámara dentro del universo 3D [5]. d a Fig. 2: Texturizado para las diferentes capas de la Tierra. Texto en 3D: objetos TGLSpaceText, para etiquetar con los nombres de las capas de la tierra (Fig.3). c b e El evento OnMouseWheel indica si el usuario ha girado la rueda del ratón hacia arriba (valor positivo) o hacia abajo (valor negativo), de esta manera se puede aumentar o disminuir la distancia focal de la cámara y por tanto tomar una imagen más pequeña o más grande [6]. Figura 1: Imagen de una ventana de Delphi usando la librería de GLScene, (Fig. 1. (a)), editor de objetos (Fig. 1. (b)), la escena donde se almacenan los objetos 3D (Fig. 1. (c)) y algunos elementos que servirán para la edición del objeto como el TGLCadencer, GLFireFXMannager, entre otros (Fig. 1. (d)) y por último el editor de GLScene donde se agregan las cámaras, la iluminación, los objetos, entre otros (Fig. 1. (e)). Se crearon animaciones 3D que muestran la construcción de diversas escenas con temas de geografía, en este documento se presenta la descripción de la implementación de los temas: capas de la tierra, el sistema solar y fases de la luna. 1 Renderizado es el proceso de generar una imagen (imagen o una animación en 3D) a partir de un modelo, usando una aplicación de computadora. Fig. 3: Etiquetado de las capas de la Tierra, usando texto gráfico, donde el alumno puede girar libremente y realizar un zoom.

3 Rotación de la escena: Con la opción de rotación se puede observar la escena desde diferentes puntos de vista (Fig. 4), esta opción se activa con el evento GLSceneViewer1MouseMove del control TGLSceneViewer, como a continuación se muestra el siguiente código: procedure TForm1.GLSceneViewer1MouseMove(Sender: TObject; Shift: TShiftState; X, Y: Integer); begin if Shift<>[] then begin if ssleft in Shift then GLCamera1.MoveAroundTarget(my-y, mx-x) else GLCamera1.RotateTarget(my-y, mx-x); mx:=x; my:=y; Textura Objetos 3D Texto en 3D Movimientos de la cámara (zoom) Rotación de la escena Animación de fuego para el Sol Objeto para creación del fondo Componente para movimiento Iluminación: Para conseguir una escena realista, es imprescindible aprender a manejar la iluminación, los colores de los objetos y su reacción a la luz. Al trabajar en 3D, lo primero que hay que saber respecto a la luz es que hay cuatro tipos de luz: 1. Iluminación ambiental. Ilumina toda la escena por igual, independientemente de la situación y distancia de los objetos a la fuente de luz. 2. Iluminación difusa. Es la más común; los objetos reflejan una parte de la luz que incide en ellos, lo que depende de la situación de la luz e ilumina cada punto de una forma distinta, dando sensación de volumen. 3. Iluminación especular. Tiene un comportamiento similar a la difusa, pero con la diferencia de que la luz se refleja en forma de brillos, como pueden ser los de los metales o los cristales. 4. Iluminación de emisión. Los objetos pueden tener una cierta cantidad de luz de emisión, como su nombre indica es emitida por ellos sin necesidad de ninguna fuente de luz. Esta luz emitida no ilumina a los objetos circundantes [7]. En esta escena se utilizó el tipo de iluminación difusa, dando como resultado que el sol iluminara al planeta tierra y a su vez a la luna. Fig. 4: Rotación de la escena 3D, la escena no gira, es la cámara la que se mueve a su alrededor. Movimientos de la cámara (Zoom): Además de poder visualizar la escena 3D, se pueden hacer movimientos de la cámara para acercarse o alejarse de dicha escena. Para lo cual se utilizó el evento que controla la rueda del mouse: Textura: Las texturas utilizadas en este ejemplo fueron para el sol, la luna y la tierra, dicha textura hace ver al objeto más realista dentro de la escena. Objetos 3D: objetos TGLSphere para el sol, la tierra y la luna (Fig. 5), con la librería se manipulan diferentes objetos, los cuales se les asigna textura, color, tamaño, entre otras propiedades. OnMouseWheel, como se muestra en el siguiente código: procedure TForm1.FormMouseWheel(Sender: TObject; Shift: TShiftState; WheelDelta: Integer; MousePos: TPoint; var Handled: Boolean); begin GLCamera1.AdjustDistanceToTarget(power(1.1, Wheel- Delta/120)); La operación GLCamera1.MoveAroundTarget permite moverse alrededor de la escena (la escena no gira, es la cámara la que se mueve a su alrededor) a partir de las coordenadas X, Y del mouse. Animación de las fases de la Luna Los principales elementos de esta escena se muestran a continuación: Iluminación Fig. 5: Representación de las fases de la Luna con objetos 3D, la luna se mueve alrededor de la Tierra, en el fondo se muestran algunas estrellas.

4 Texto en 3D: Para etiquetar las fases de la Luna, es una herramienta útil, ya que se puede ingresar en la escena donde se presentan las figuras. Movimientos de la cámara (Zoom): Se utilizó el mismo código en el evento OnMouseWheel del mouse de la escena anterior para el efecto del zoom (Fig.6). Componente para movimiento: Esta escena presenta el movimiento de la Luna girando alrededor de la Tierra, mientras que la Tierra gira alrededor del Sol. Para esto se utilizó el componente TGLCadencer, el cual proporciona eventos que permiten realizar los movimientos antes mencionados. En seguida se muestra una parte de este código que realiza esta animación. Animación del Sistema Solar Para la implementación de esta escena se utilizaron diversos elementos que se listan a continuación: Objetos 3D Texto en 3D Textura Movimientos de la cámara (zoom) Objeto para creación del fondo Componente para movimiento Objetos 3D: TGLSphere para los diferentes planetas, objetos TGLTorus para visualizar la rotación elíptica de los planetas alrededor del sol (Fig. 8). Fig. 6: Aplicación de Zoom en la escena 3D, donde se puede acercar al sol o incluso a la Tierra. Rotación de la escena: La rotación de la escena de las fases de la luna se activa con el evento GLSceneViewer1MouseMove del Mouse con el código del ejemplo anterior (Fig. 7). Animación de fuego para el Sol: Para ello se añadió el componente GLFireFXMannager a la aplicación, modificando las propiedades del componente y asignándoselos al Sol para dar un efecto de fuego. Objeto para creación del fondo: Para colocarlo en la escena se uso un objeto llamado Skydome que permite conformar el espacio, éste tiene bandas que pueden definir el cielo, sin embargo, se tomo el color negro para todas las bandas y también se les asignó un número específico de estrellas (propiedad del Skydome). Texto en 3D: Para etiquetar con los nombres de los planetas así como la distancias de ellos hasta Sol (Fig. 9). Textura: Las texturas aplicadas para este ejemplo se llevaron a cabo sobre el sol, la luna y todos los demás planetas. Movimientos de la cámara (Zoom): Se utilizó el mismo código en el evento OnMouseWheel del mouse de la escena anterior para el efecto del zoom. Rotación de la escena: La rotación de la escena de las fases de la luna se activa con el evento GLSceneViewer1MouseMove del Mouse con el código del ejemplo anterior. Objeto para creación del fondo: Para colocar el cielo en esta escena se uso un objeto llamado Skydome que permite conformar el espacio y asignarle estrellas (Fig. 9). Fig. 8: Objetos 3D para representar el Sistema Solar, incluso los planetas tienen movimiento de rotación y traslación. Fig. 7: Rotación de la escena 3D, pude desplazarse los 360, alrededor de la Tierra o del Sol. Componente para movimiento: Esta escena muestra varios movimientos, entre ellos la manera en como los planetas giran

5 alrededor del Sol. Para ello se utilizó el componente TGLCadencer. Posteriormente esta posición se irá incrementando de tal manera que se visualiza el planeta en movimiento: t1:=(t1+1)mod 360; Se utiliza las ecuaciones paramétricas de la elipse para hacer que el planeta gire de manera elíptica alrededor del sol: with glsphere2.position do begin X:=2*cos(DegToRad(t1)); y:=1.5*sin(degtorad(t1)); Esto se aplica para el movimiento de todos los demás planetas y luna. 4. RESULTADOS Las aplicaciones presentadas fueron mostradas a algunos alumnos y profesores durante su implementación, con el objetivo de mejorarla y adecuarla a las necesidades educativas. Fig. 9: Etiquetado de planetas y sus distancias, se usa texto gráfico para poner dichos datos, el fondo contiene estrellas para darle más realismo. TGLCadencer genera un evento OnProgress cada cierto tiempo, esto lo realiza cuando el fotograma anterior ha terminado y por tanto el ordenador está preparado para generar un nuevo fotograma, aprovechando así al máximo la velocidad del ordenador (Fig.10). A continuación se presenta un pequeño fragmento de código para el movimiento de un planeta. t1:=random(360); procedure TForm1.GLCadencer1Progress(Sender: TObject; const deltatime,newtime: Double); begin if CBPlay.Checked and Visible then begin t1:=(t1+1)mod 360; with glsphere2.position do begin X:=2*cos(DegToRad(t1)); y:=1.5*sin(degtorad(t1)); La adecuaciones que se realizaron corresponden al uso de las funciones zoom y rotación, con la finalidad de que estas fueran sencillas de manejar, por tal motivo se implementaron los eventos del mouse. Se elaboró un pequeño manual para la utilización de estas aplicaciones, se capacitó a los profesores y oriento a los alumnos para el manejo de estos sistemas. Finalmente se obtuvo una muy buena disposición y aceptación por parte de los alumnos y profesores para utilizar estas aplicaciones. Las aplicaciones se ejecutan en el sistema operativo Windows debido a que la mayoría de las escuelas utilizan éste, no se han hecho pruebas en otros sistemas operativos, sin embargo, no se descarta la posibilidad de implementarlas. Se pretende realizar animaciones 3D para varios temas de diferentes áreas (ciencias naturales, química, matemáticas, entre otras), con la finalidad de que dichas herramientas ayuden en el aprendizaje dentro de las instituciones educativas, no sólo de nivel primaria y secundaria sino extenderlo al nivel preuniversitario, las utilidades que se prestan con la herramienta de GLScene son variadas y es por ello que se realizarán más trabajos usando dicha herramienta. 5. CONCLUSIONES Actualmente el uso de las computadoras es imprescindible, las herramientas informáticas en un aula proporcionan una estrategia de enseñanza que prepara al estudiante en múltiples dimensiones y lo familiariza con la tecnología actual. Las animaciones presentadas en este documento son herramientas que facilitan la enseñanza a profesores así como el aprendizaje a los alumnos, además se enfocó en la materia de Geografía que son de nivel primaria y secundaria. Fig.10: Aplicación del zoom a la escena 3D, donde se puede observar más claramente y además se puede rotar en dicha posición. Inicialmente se genera un número aleatorio entre 0 y 360 para colocar un planeta en una posición arbitraria: t1:=random(360); Una manera de aprender es mediante la animación ya que es una forma entretenida y divertida, al mismo tiempo es una de las alternativas más efectivas para el aprendizaje a comparación de las imágenes estáticas en un documento. Actualmente con la tecnología se puede acceder a infinidad de recursos de aprendizaje, sin embargo en algunos casos es

6 pobre en cuanto a la información, ya que al alumno se le dificulta razonar e identificar lo que está buscando, por ese motivo se presenta la creación de otras alternativas de aprendizaje, además de que se implementarán nuevas herramientas en otras áreas. El uso de GLScene permite la creación de herramientas 3D donde se implementan escenas dinámicas que se pueden modificar e interactuar con ellas y a la vez divertirse sanamente. 6. REFERENCIAS [1]. Wolfgang Schnotz, Aprendizaje Multimedia Desde una Perspectiva Cognitiva, Revista Docencia Universitaria, Vol. 2, No 2. [2]. Una clase de matemáticas 3D, disponible en: related [3]. TIC en el aula con software de animación 3D, disponible en: [4]. Desenvolupament d Aplicacions Informàtiques a l Enginyeria, EUETIB UPC, Tutorial 1. Instalación de GLScene y ODE, pp. 2. [5]. David Martín de Vidales, Guía de iniciación al GLScene. [6]. Mouse.MouseWheel Event Disponible en: tion/sdgt.mouse.mousewheel.html [7]. Desenvolupament d Aplicacions Informàtiques a l Enginyeria, EUETIB UPC, Tutorial 4. Luces,Materiales, y texturas, pp. 2.