Mundos Virtuales para la Enseñanza a través de Internet

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1 1 Mundos Virtuales para la Enseñanza a través de Internet Inmaculada Remolar, Miguel Chover, Óscar Belmonte, Cristina Rebollo, Celso Campos 1 Resumen La aplicación de los mundos virtuales para la docencia a través de Internet hacen que el alumno pueda sumergirse en ambientes amigables que hacen más ameno el aprendizaje. Este artículo presenta tres aplicaciones docentes desarrolladas en estos entornos. La primera de ellas, para la enseñanza del vocabulario, muestra un conjunto de mundos virtuales diseñados en VRML en los que el alumno interacciona con distintos objetos, de forma que pueda ver escrito su nombre y escuchar su pronunciación. En la siguiente aplicación, un aula virtual, el mundo creado puede ser compartido al mismo tiempo por varios usuarios. Estos disponen de diverso material existente en las aulas tradicionales, como una pizarra, un puntero láser, proyector de diapositivas. Finalmente, en la tercera aplicación se han incorporado los últimos avances en la creación de entornos virtuales mediante el uso de un motor de juegos, que también ofrece la posibilidad de conectarse por red. Esto ha hecho posible el diseño de un mundo más realista en el que el estudiante puede interaccionar con los demás usuarios. Palabras clave Aplicaciones docentes, mundos virtuales, VRML, entornos multiusuario, motor de juegos aplicado a la docencia. L I. INTRODUCCIÓN os orígenes de los mundos virtuales en Internet se remontan al principio de la década de los 90 con el desarrollo de VRML [1]. Ya actualmente, VRML97 tiene como principales características la definición de objetos 3D en localizaciones remotas, la definición de animaciones, la inclusión de enlaces a otros mundos o páginas web, la 1 Artículo recibido 14 Junio Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el proyecto de investigación Mundos virtuales multiusuario en Internet de la Fundación Caixa-Castelló Bancaixa, (P1.1B ) y por el proyecto Modelado Multirresolución en juegos por ordenador del Ministerio Español de Ciencia y Tecnología TIC C I. Remolar, M. Chover, Ó. Belmonte, C. Rebollo son profesores del Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos, Universidad Jaume I, Campus Riu Sec, Castellón, Spain ( C. Campos es profesor en el Departamento de Informática, Universidad de Vigo, Campus Universitario Ourense, Ourense, Spain ( modificación de las escenas mediante eventos, etc [2,3,4]. No se han realizado grandes aportaciones en la especificación de mundos virtuales multiusuario desde el desarrollo de VRML 97 hasta la aparición de X3D [5]. Esto ha potenciado que determinadas compañías que comercializan esta clase de sistemas desarrollen su propio software algunas veces fuera del estándar VRML. Entre ellas destacan entre otras Active Worlds (http://www.activeworlds.com) y DeepMatrix (http://www.geometrek.com). Fig. 1. Modelado VRML de la Universidad Jaume I La deficiencia común de estos sistemas es su falta de realismo visual. En la actualidad los motores de juegos ofrecen los nuevos avances en informática gráfica en tiempo real por lo que pueden ser una buena alternativa a los sistemas actuales [6,7,8,9]. Utilizar un motor de juegos de código abierto permite disponer de un software modular y multiplataforma abierto a la incorporación de las nuevas tecnologías desarrolladas en el campo del modelado en tiempo real, los algoritmos de determinación de visibilidad y los métodos de iluminación. Este articulo presenta tres aplicaciones relacionadas con mundos virtuales utilizando diferentes tecnologías. 1) Aprendizaje de vocabulario. Aplicación desarrollada en VRML. Los usuarios pueden introducirse en un mundo virtual con diversos objetos, que al ser seleccionados, muestran su nombre escrito y su pronunciación. Este proyecto ha sido realizado en el marco de un Convenio de Colaboración con el colegio público Jaume I de Castellón de la Plana. 2) Aula virtual. Esta aplicación define un mundo multiusuario en VRML que representa un aula docente. Está provista de diverso material como un proyector, una pizarra donde los usuarios pueden escribir o un puntero láser. Realizado dentro del proyecto de investigación Mundos virtuales multiusuario en Internet financiado por la Fundación Caixa-Castelló Bancaixa. 3) Chat 3D. Aplicación desarrollada utilizando el motor de juegos Crystal Space [10]. Cada usuario del mundo está

2 2 representado por un objeto 3D llamado avatar. Estos avatares pueden interactuar entre sí. En los siguientes apartados se detallan cada una de estas aplicaciones. El articulo finaliza con las conclusiones obtenidas y las propuestas de trabajo futuro. II. APRENDIZAJE DE VOCABULARIO La primera de las aplicaciones desarrolladas ha sido dirigida hacia la enseñanza del vocabulario. Uno de los desafíos más importantes con los que se encuentran los profesores de primaria es la afluencia de un gran número de niños extranjeros que no hablan el idioma del país. Por ello se ha desarrollado un mundo virtual con VRML en el que el alumno puede navegar y moverse dentro de él. En este mundo, hay distribuidos diversos objetos (Fig. 2) que al ser seleccionados por el alumno, muestran su nombre escrito y puede oírse su pronunciación. De esta manera obtienen un aprendizaje progresivo basado en la comprensión y expresión oral. Fig. 2. Algunos objetos disponibles en el mundo virtual. La aplicación ha sido desarrollada utilizando una base de datos de palabras que identifican objetos (mesa, casa,...) y acciones básicas (correr, leer,...). Los campos de esta base de datos son los siguientes: 1) Nombre del objeto/acción. 2) Pronunciación asociada. 3) Url del objeto en 3D (estático o animado). El sistema puede extenderse fácilmente para la enseñanza de otras lenguas simplemente añadiendo la escritura y pronunciación de las palabras en el idioma que se desee. Dado que el mundo real que se encuentra el estudiante es tan amplio, una vez definida la base de datos se han creado tres mundos diferentes y tres niveles de dificultad para cada uno de ellos. Los mundos van desde el yo próximo al entorno más lejano y son: mi casa, mi ciudad y mi mundo, con lo que se consigue abarcar un gran número de objetos. Esta aplicación ha sido probada en centros de primaria, encontrándose con una reacción muy positiva por parte de los alumnos. La idea de estar jugando con el ordenador en lugar de estudiando, hace que los niños apliquen más su capacidad de retención sobre los conceptos con los que se enfrentan en los mundos. III. AULA VIRTUAL MULTIUSUARIO La segunda de las aplicaciones desarrolladas se ideó para poder solucionar los problemas de los alumnos que no pudieran acudir personalmente a las tutorías del profesor. La idea era poder ayudar con las dudas a más de un alumno a la vez si fuera necesario, y que todos ellos pudieran inteaccionar con el profesor. Por ello se ha desarrollado una aplicación que permite a múltiples usuarios compartir un mundo que representa un aula docente en la que dar clase ( Fig. 3) e interaccionar unos con otros mediante un servicio de chat. Cada usuario dispone de su propio avatar con el que se da a conocer a los demás. Los elementos principales con los que cada usuario puede interactuar son una pizarra, un proyector de diapositivas y un puntero láser. 1) En la pizarra es posible escribir y dibujar con unas primitivas básicas como son: líneas, círculos, rectángulos y elipses. El color de estas primitivas también puede ser elegido por el usuario. 2) El proyector de diapositivas funciona sobre una lista de imágenes predefinidas que el usuario puede ir visualizando de forma secuencial. 3) El puntero láser permitiría apuntar tanto en las diapositivas como en la pizarra. De esta forma sería posible captar sobre este punto la atención del resto de usuarios del aula. Esta aplicación ha sido puesta en marcha como experiencia piloto para la docencia de alumnos de informática. Su respuesta ha sido muy buena, ya que mediante las diapositivas mostradas han podido seguir las explicaciones del profesor y llegar a una completa comprensión de la materia. En este entorno los estudiantes pueden compartir experiencias, consultar dudas, e incluso contactar con el profesor usando el servicio de chat. La aplicación se ha desarrollado utilizando VRML 2.0 y las extensiones de nodos y funcionalidad multiusuario que proporciona el sistema desarrollado por Geometrek, DeepMatrix A. Sistema DeepMatrix Fig. 3. Imagen del aula virtual diseñada. DeepMatrix es una aplicación VRML multiusuario de

3 3 dominio público para uso docente y no comercial. Este sistema permite a varios usuarios compartir un mismo mundo virtual e interactuar con él como lo harían en un mundo monousuario. El sistema se divide en dos partes claramente diferenciadas: 1) Un programa servidor que se ejecuta sobre la máquina que actúa como servidor web donde residen los mundos VRML y los archivos HTML necesarios. Incluye también un servidor de chat. 2) Un programa cliente que es un applet de JAVA el cual usa el EAI (External Authoring Interface) para comunicarse con el plugin VRML del visualizador que estemos usando (Explorer, Netscape,...). La Fig. 4 muestra como interactúan todos estos componentes. DeepMatrix INTERNET EAI SERVIDOR AVATARES VRML Plugin Fig. 4. Arquitectura del sistema. finalidad similar a la aplicación anterior. En esta aplicación el objetivo ha sido conseguir un modelado del mundo mucho más realista que el aula virtual. Para crear este mundo, se ha utilizado la tecnología que ofrecen los juegos por ordenador en el desarrollo de cualquier tipo de aplicación interactiva. Actualmente los motores gráficos de muchos juegos superan en realismo a las aplicaciones tradicionales de visualización de escenas 3D en tiempo real. Entre todos los motores de juegos disponibles en la actualidad, se ha elegido Crystal Space [7] por las siguientes razones: 1) Es de dominio público ( GNU Library general Public License). 2) Es de código abierto. 3) Multiplataforma: Mac, OS Classic, Mac OS X, UNIX, Windows, Linux, Irix, FreeBSD, NetBSD, and Solaris entre otras. 4) Una buena calidad de imágenes tanto en modo software como en modo hardware. 5) Soporte para OpengGL y Direct X. 6) Está en continuo desarrollo y mantenimiento. 7) Posee herramientas auxiliares ( convertidores de mapas, avatares, etc.) El mundo utilizado en nuestra aplicación es un mundo ejemplo disponible en Crystal Space. Los avatares han sido importados del juego Quake. El entorno tendría el aspecto mostrado en la Fig. 6. El aula virtual multiusuario se ejecuta dentro del applet cliente de DeepMatrix como se indica en la Fig. 5. PROYECTOR PIZARRA AVATAR 3D EVENTOS USUARIO 2D Fig 6. Imagen del mundo virtual. Fig. 5. Esquema del applet cliente. El usuario al interactuar con la pizarra o con el proyector de diapositivas genera dos tipos de eventos: locales, solo atañen a nuestro mundo local y remotos, que son transmitidos a través de la red al servidor DeepMatrix que los distribuye por todos los clientes. Éstos últimos ofrecen información de las acciones que otros usuarios están realizando en la clase. IV. 3D La tercera de las aplicaciones desarrolladas tiene una No sería necesario disponer de un acelerador gráfico en la computadora para ejecutar esta aplicación, aunque sería recomendable. A. Arquitectura de la aplicación. El sistema tiene una arquitectura cliente-servidor que básicamente estaría compuesto por dos servidores y un cliente, aplicación que ejecuta el usuario. La arquitectura del sistema se muestra en la Fig. 7. Los funciones de estos componentes son básicamente:

4 4 1) Servidor de Chat: maneja el servicio de chat. 2) Servidor de Avatares: mantiene la posición de todos los avatares El servidor monitoriza el estado de cada cliente ( nickname, posición, orientación, tiempo...) y lo comunica a los otros clientes. 3) Aplicación Cliente: es fundamentalmente la encargada de la visualización. También maneja la comunicación con los servidores para mostrar el éxito del chat y dibujar los avatares en sus posiciones correspondientes. CARGA INTERNET CONTROL EVENTOS SERVIDOR AVATARES Fig. 7. Arquitectura del sistema. MOTOR GRÁFICO El cliente siempre mantiene dos estados para cada avatar: el estado en el momento t0 y el nuevo estado en t1. Cuando los avatares se dibujan en el mundo, se sitúan en una posición que interpola ambos estados para obtener una visualización continua y sin saltos. Además de esto, los avatares tienen dos tipos de animaciones, la animación de movimiento y la producida cuando está quieto. La transición desde una a otra depende únicamente de la velocidad del avatar y es únicamente manejada por el cliente. realista. Por ello si se suma a las ventajas de estos mundos la ventaja de conectarse por internet, hace que el proceso de aprendizaje sea más fácil [11]. En los mundos virtuales monousuario, el estudiante realiza un aprendizaje individual interaccionando con el ordenador. Sin embargo, en los mundos multiusuario, estos pueden interaccionar unos con otros. Esto hace que el proceso de aprendizaje sea más completo, al poder compartir experiencias y disponer de un profesor que les guíe. Los mundos creados con VRML tienen todas estas ventajas, pero si se utiliza para el diseño de los mundos un motor de juegos, añadimos a éstas el que este mundo sea más realista, y pueda incorporar con facilidad todas las nuevas tecnologías. También los motores de juegos incorporan las ventajas de modularidad y a poder ejecutarse en un gran número de plataformas. Pero sin embargo, hoy en día estos motores no están bien documentados y presentan todavía dificultades a la hora de generar contenidos para los mundos. Una de las líneas actuales de trabajo en cuanto a las aplicaciones docentes aquí presentadas, sería su mejora y ampliación. Una vez puestas en marcha, se irán chequeando las necesidades de los estudiantes, y adaptándose a éstas. En cuanto al aula virtual diseñada, se está estudiando especializarla en la docencia de la informática gráfica, campo de investigación de los autores de este artículo. Por ello, se incluirán objetos en 3 dimensiones que se podrían utilizar para enseñar conceptos de Informática Gráfica. La aplicación del chat 3D ha sido diseñada con un sistema abierto para la inclusión de una nueva tecnología en el campo de la visualización en tiempo real. Este sistema incorporará en un futuro un sistema similar al aula virtual, en la que podrán incluirse los avances en las técnicas de realismo virtual [12]. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el convenio de colaboración Mundos virtuales para la enseñanza del vocabulario con el Colegio Público Jaume I, por el proyecto de investigación Mundos virtuales multiusuario en Internet de la Fundación Caixa-Castelló Bancaixa (P1.1B ) y por el proyecto Modelado Multirresolución en juegos por ordenador del Ministerio Español de Ciencia y Tecnología (TIC C03-02). Fig 8: Escena del mundo virtual con la consola. La Fig 8 muestra una escena del chat con dos avatares, incluyendo la consola. V. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO El uso de mundos virtuales para la docencia a través de internet permite a los estudiantes sumergirse en entornos amigables que hacen más ameno el aprendizaje. Los estudiantes pueden interactuar con el entorno de una forma REFERENCIAS [1] Rikk Carey, Gavin Bell. The VRML 2.0 Reference Manual, Ed. Addison Wesley Longman, [2] Aaron E. Walsh, Mikael Bourges-Sevenier, Core Web 3D, Ed. Prentice Hall, [3] Rodger Lea, Kouichi Matsuda, Java for 3D and VRML Worlds, Ed. New Riders Publishing, [4] Bernie Roehl, Justin Couch, Cindy Reed-Ballerich, Tim Rohaly, Geoff Brown, Late Night VRML 2.0 with Java, Ed. Ziff Davis Pr, [5] Web3D consortium, (http://www.web3d.org).

5 [6] Dave Eberly, "Game Engine Design: A Practical Approach to Real- Time Computer Graphics", Ed. Morgan Kaufmann Publishers, [7] "Game Programming Gems", Ed. Mark DeLoura, [8] Alan Watt, Fabio Policarpo, "3D Games Volume 1: Real-time Rendering and Software Technology", Ed. Addison-Wesley, [9] Tomas Möller, Eric Haines, "Real-Time Rendering", Ed. A K Peters Limited, [10] Jorrit Tyberghein, Jorrit Tyberghein, Crystal Space site". (http://crystal.sourceforge.net/). [11] Ken Brodlie, Nuha El-Khalili, Ying Li, Using Web-Based Computer Graphics to Teach Surgery, GVE99, Coimbra, Portugal. [12] Mohd. Fairuz Shiratuddin, Walid Thabet, Can Game Engines JUMP-START the Use of VR Technology in Construction?, AVR II&CONVR,

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