K-IMAGEN CONCEPTOS: APLICACIÓN EDUCATIVA PARA COLOCAR CONCEPTOS SOBRE UNA IMAGEN UTILIZANDO EL DISPOSITIVO KINECT

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1 K-IMAGEN CONCEPTOS: APLICACIÓN EDUCATIVA PARA COLOCAR CONCEPTOS SOBRE UNA IMAGEN UTILIZANDO EL DISPOSITIVO KINECT Georgina Morales Chavira, Germán Josué Villalobos González, Edgar Omar Bañuelos Lozoya, Omar Fernando Alvarado Yáñez Instituto Tecnológico de Parral Ave. Tecnológico #57, Hidalgo del Parral, Chihuahua, C.P Resumen: En este artículo se describe la aplicación educativa K-Imagen Conceptos. Desarrollada en el marco de una investigación en el Instituto Tecnológico de Parral, esta aplicación emplea el dispositivo Kinect para permitir al usuario acomodar etiquetas en una imagen a través del movimiento de los brazos con la finalidad de identificar partes o elementos significativos. K-Imagen Conceptos representa un esfuerzo por aprovechar de mejor forma las nuevas tecnologías en pro del aprendizaje de los alumnos y es configurable para trabajar con imágenes de diversos tópicos y niveles educativos. En la parte final del artículo también se detalla el proceso realizado para evaluar la aplicación así como los resultados más significativos. Palabras clave: Kinect, Educación, Tecnologías para el Aprendizaje. 1. INTRODUCCIÓN El quehacer del docente ha ido evolucionando y recientemente se retoman esquemas como el modelo por competencias para enriquecerlo. Esto genera cuestionamientos relacionados con el uso efectivo de las tecnologías de la información en la búsqueda del aprendizaje significativo en los alumnos pues los modelos educativos actuales requieren y exigen un uso efectivo de las tecnologías. El problema se fundamenta en la necesidad y oportunidad de aprovechar nuevos dispositivos de interacción hombre-máquina; como el Kinect, en el desarrollo de aplicaciones que contribuyan de mejor manera al aprendizaje significativo de los alumnos en las aulas de clase. Es por ello que K-Imagen Conceptos está diseñada como un juego que crea una dinámica que involucra el acomodo de los nombres de las partes de una imagen. Permite al usuario; a partir de un archivo de configuración del juego, colocar el nombre de una parte sobre una imagen u objeto y verificar si la posición es la correcta. De este modo esta aplicación complementará y ayudará a mejorar la formación de los estudiantes del Instituto Tecnológico de Parral. 2. MARCO TEÓRICO Los principales conceptos relacionados son:

2 Sensor KINECT, es un dispositivo físico que contiene cámaras, un arreglo de micrófonos y un acelerómetro así como software para procesar color, profundidad y datos de esqueleto (MSDN, 2013a). Fue diseñado originalmente para la consola de videojuegos Xbox 360 permitiendo suprimir los controles físicos y convirtiendo al usuario en el control reflejando los diferentes movimientos y reacciones para ejecutar acciones en los juegos. KINECT SDK, conocido también como Kinect para Windows SDK, proporciona las APIs nativas y administradas y las herramientas necesarias para desarrollar aplicaciones de Kinect para el sistema operativo Windows (Microsoft, 2012). Plataforma.NET, es una plataforma de desarrollo para construir aplicaciones para Windows, Windows Phone, Windows Server y Windows Azure. Consiste en un lenguaje común de ejecución (CLR) y las librerías de clases.net; proporciona un ambiente de desarrollo y ejecución de aplicaciones para una variedad de lenguajes incluyendo Visual Basic y Visual C# (MSDN, 2013b). Microsoft Visual Studio, es una suite de herramientas de desarrollo de software basado en componentes y otras tecnologías para construir aplicaciones para entornos Windows (MSDN, 2013c). Lenguaje Visual C#, es un lenguaje de programación diseñado para crear aplicaciones que se ejecutan en la plataforma.net. Supone una evolución de Microsoft C y Microsoft C++ (MSDN, 2013d). XML, acrónimo de Extensible Markup Language (lenguaje extensible de marcas), es un lenguaje usado para transportar o almacenar datos estructurándolos en un documento utilizando etiquetas auto-descriptivas (W3Schools, 2013). 3. ANTECEDENTES Se han desarrollado diversas aplicaciones que interactúan con el dispositivo Kinect y que están dirigidas a varios ámbitos, en el caso del ámbito educativo algunas son: Investigate the Digestive System, enseña a los estudiantes las diferentes partes del sistema digestivo usando Kinect. El usuario arrastra y coloca las partes del sistema digestivo en los recuadros obscuros y la aplicación verifica que sean correctos, siendo correctos el recuadro obscuro desaparece y el nombre de la parte resalta (Chambers, Digestive System Kinect and Science, 2011). Kinect Mix and Match, permite relacionar palabras entre dos columnas. El usuario selecciona una palabra de la primera columna y la relaciona con otra de la segunda columna. Originalmente está diseñada para el aprendizaje de lenguajes pero puede utilizarse para otros ámbitos como el de relacionar palabra con su significado (Chambers, 2012). KinectMath, aplicación enfocada a la enseñanza de temas de matemáticas utilizando una interfaz basada en Kinect; a través de movimientos de los brazos y manos introduce al alumno en conceptos de manipulación de funciones, teoría de grafos y manipulación de figuras geométricas (Angotti, 2013). WordFiller, es un proyecto de software educativo que utiliza un pizarrón interactivo y Kinect para presentar fragmentos de texto y permitir que el usuario arrastre palabras hacia huecos visibles, contando con niveles de dificultad configurables (Moffitt, 2013).

3 Aunque no representa un proyecto en específico, KinectEducation constituye una comunidad en línea donde se exponen consejos e ideas para el desarrollo de aplicaciones educativas con Kinect, además de contar con enlaces para algunas aplicaciones de ejemplo ya terminadas (Kissko, 2013). 4. ANÁLISIS DEL PROBLEMA Y METODOLOGÍA DE SOLUCIÓN El dispositivo Kinect abre un abanico extenso de posibilidades que se pueden aprovechar en el desarrollo de aplicaciones educativas para distintos niveles académicos. Debido a que en la institución no se cuentan con estrategias de aprendizaje basadas en este tipo de tecnología se decidió investigar sobre esta tecnología para su implementación. La metodología de solución fue la siguiente: 1. Se revisó y analizó la documentación de las características del Kinect, el entorno de programación y las primitivas básicas de funcionamiento. 2. Se identificaron materias, temas y actividades que pudieran beneficiarse del uso de software educativo interactivo de la carrera de I.S.C del plan 2010 utilizando el Kinect para elegir y determinar la aplicación a desarrollar. 3. Una vez definida la aplicación se realizó el documento de especificación de requerimientos con base en el estándar IEEE Tomando como base los requerimientos de la aplicación se realizó el diseño y modelado de los casos de uso, diagrama de componentes, diagrama de clases, entre otros. 5. Al tener diseñada la arquitectura de la aplicación se realizó la redacción de plan de pruebas con base en el estándar IEEE 829. Después se prosiguió a la codificación de la aplicación según los requerimientos definidos. Una vez terminada la codificación se ejecutó el plan de pruebas con el fin de verificar que se cumplieran los requerimientos establecidos. 6. Por último, la evaluación de la aplicación se realizó con una muestra de alumnos del área de sistemas. Aunado a esto se analizaron las condiciones de factibilidad para implementar este tipo de aplicaciones en la institución. 5. DESCRIPCIÓN DE KINECT IMAGEN CONCEPTOS K-Imagen Conceptos es una aplicación que utiliza el Kinect como medio de control para interactuar con la aplicación remplazando el mouse manual. Esta aplicación es un juego que se puede implementar para crear dinámicas en las aulas de clases en las materias donde se genere la necesidad de aprender los nombres y ubicaciones de las partes de un objeto o imagen. Permite al usuario cargar el archivo del juego y con esta información asignar los nombres de las partes de una imagen en una posición y verificar si se asignaron en la posición correcta. 5.1 Entorno de Desarrollo El entorno de desarrollo fue el siguiente: Kinect SDK v1.5..net Framework 4.5

4 Microsoft Visual Studio 2010 Lenguaje C#. Sistema Operativo Windows 7 Profesional. 5.2 Funcionalidades de la aplicación K-Imagen Conceptos tiene las siguientes funcionalidades: 1. Cargar el archivo de configuración del juego, permite abrir el buscador de archivos para seleccionar y abrir el archivo de configuración del juego (Figura 1). Figura 1. Localización, selección y carga del archivo del juego. 2. Visualizar el escenario, en esta ventana se cargan los conceptos en las listas de partes, se carga la imagen y las áreas de asignación donde se colocaran los conceptos (Figura 3). 3. Selección y colocación de un concepto, permite seleccionar un concepto de la lista de partes y colocarlo sobre un área de asignación sobre la imagen (Figuras 2 y 3). 4. Verificación de los conceptos y reinicio del juego, si todos los conceptos son colocados correctamente muestra un mensaje de ganador, en caso contrario muestra el número de equivocaciones. El usuario puede reiniciar el juego en cualquier momento que lo desee. 5.3 Interfaz Kinect-Jugador La interacción entre el Kinect y el usuario se genera desde que inicia la aplicación. Kinect detectará y seguirá la mano derecha del jugador. Para mover el cursor el jugador solo tendrá que mover su mano derecha, para la selección de un concepto el jugador deber colocar la mano derecha sobre el concepto y sin moverla levantar la mano izquierda, para arrastrar el concepto el jugador deberá seleccionar el concepto y una vez seleccionado sin bajar la mano izquierda mover la mano derecha hacia donde desea mover el concepto, para soltar el concepto el jugador después de arrastrar el concepto solo deberá bajar la mano izquierda.

5 Figura 2. Escenario y selección del concepto en la lista de partes. Figura 3. Visualización del concepto seleccionado en el área de asignación. 5.4 Configuración del archivo de juego K-Imagen Conceptos hace uso de un archivo XML de configuración de juego que contiene el título del mapa, descripción, concepto principal y la lista de tripletas o relaciones las cuales son formadas por un concepto fuente, relación y un concepto destino. Este archivo se carga antes de comenzar el juego. La composición general del archivo de configuración del juego tiene la estructura mostrada en la Figura 4.

6 Figura 4. Estructura del archivo XML. 6. EVALUACIÓN DE LA APLICACIÓN En la evaluación cada alumno realizó un listado de movimientos diseñados para probar todas las opciones y terminar un juego completo, contestando al final la encuesta para conocer su experiencia y opiniones. Los objetivos de la evaluación fueron los siguientes: a) Evaluar la usabilidad de la aplicación educativa utilizando el dispositivo Kinect. b) Conocer el interés de los alumnos sobre la implementación del dispositivo Kinect como herramienta didáctica en las aulas de clase en el ITP. c) Determinar el impacto de utilizar el dispositivo en las aulas del ITP. d) Analizar los beneficios de implementar el dispositivo en la impartición de materias en el ITP. La unidad de análisis fueron; 314 alumnos del Instituto Tecnológico de Parral que pertenecen al departamento de Sistemas y Computación. Para definir el tamaño de la muestra se utilizó la Fórmula 1 (Bolaños Rodríguez, 2012). n = Zα! N p q E! N 1 + Zα! p q (1) Dónde: n: Tamaño muestral. = la incógnita a resolver. N: Tamaño de la población = 314. Zα: Nivel de confianza con valor correspondiente a la tabla de distribución normal = p: Prevalencia esperada del parámetro a evaluar p = 0.5. q: 1 p. q = 0.5. E: Error que se prevé comete, si es del 10% E = 0.1. Substituyendo:

7 (1.645)! n = (0.1! ) (1.645)! Dando un total de 56 estudiantes a quienes aplicar la evaluación. El recurso que se utilizó para el registro de información fue una encuesta conformada por preguntas cerradas utilizando la escala de Likert para la medición de los datos, de esta manera se facilita la aplicación de la encuesta y el análisis de los resultados. 7. RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN A continuación se describen los resultados más significativos de la evaluación divididos en las 3 partes que conformaron la encuesta. 7.1 Familiarización con Kinect En esta primer parte de la encuesta el objetivo era el de conocer que tanto estaban familiarizados los alumnos con el dispositivo Kinect antes de conocer la aplicación desarrollada. Como se observa en la gráfica 1 el 85.7% de los alumnos conocen el dispositivo Kinect (P1), el 37.5% lo han utilizado (P2) y sólo el 10.71% cuenta con uno en su casa (P3) SI NO SI NO [NOMBRE DE LA SERIE] P1 P2 P3 NO Gráfica 1. Familiarización con el dispositivo Kinect. 7.2 Usabilidad En la segunda parte de la encuesta el objetivo es el de conocer la usabilidad de la aplicación. Se puede observar que los usuarios tuvieron opiniones favorables en cuanto a la facilidad para colocar los conceptos sobre la imagen (P1), entender la lógica del juego (P2) y manejar el cursor (P3).

8 DEMASIADO FACIL FACIL NI FACIL NI DIFICIL DIFICIL DEMASIADO DIFICIL 42.86% 41.07% 14.29% 60.71% 35.71% 26.79% 41.07% 26.79% 3.57% P5 P6 P7 Gráfica 2. Usabilidad de la aplicación. 7.3 Interés de los alumnos e impacto En esta tercer parte de la encuesta se conoció el interés y el impacto que los alumnos consideran que obtendrán de utilizar aplicaciones que utilicen el dispositivo Kinect. A continuación se muestran los resultados de las preguntas que conforman la tercer parte de la encuesta, donde podemos observar que los alumnos muestran interés en que los maestros utilicen más tecnología, dinámicas y sobre todo el dispositivo Kinect para la impartición de las clases. Además de que consideran que pondrían más atención y serían más participativos también creen que la idea de ubicar conceptos sobre imágenes es buena y útil y que utilizar aplicaciones educativas con Kinect sería benéfico para ellos. P1.- Además del uso del cañón, te gustaría que los maestros utilizaran más tecnología para la impartición de sus clases? P2.- Consideras que deberían utilizarse dinámicas de juego en las clases? P3.- Te gustaría utilizar el Kinect en las clases para aprender jugando? P4.- Crees que pondrías más atención en una clase donde se utilice el dispositivo Kinect? P5.- Participarías más en las clases si se utilizará el dispositivo Kinect? P6.- Considera que la idea de aprender ubicando conceptos sobre una imagen es buena? P7.- Considera que jugar ubicando conceptos sobre una imagen es útil para tu aprendizaje? P8.- Considera que el utilizar aplicaciones educativas con Kinect seria benéfico para tu aprendizaje?

9 DEFINITIVAMENTE SI PROBABLEMENTE SI INDECISO PROBABLEMENTE NO DEFINITIVAMENTE NO 80.36% 64.29% 62.50% 57.14% 62.50% 19.64% 32.14% 30.36% 35.71% 5.36% 5.36% 25.00% 10.71% 46.43% 46.43% 3.57% 3.57% % 8.93% 3.57% 64.29% 30.36% 5.36% P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 Gráfica 3. Interés e Impacto. 8. FACTIBILIDAD Una vez evaluada la aplicación se consideraron diferentes condiciones para conocer la factibilidad de implementar aplicaciones educativas utilizando el dispositivo Kinect. Condiciones económicas, para el acondicionamiento de un aula donde se implementen aplicaciones utilizando el dispositivo Kinect se requiere aproximadamente $21,000 MXN. Dado que el laboratorio del ITP cuenta con equipo para esta causa el monto anterior se reduce significativamente dando un nuevo total aproximado de $5,000.MXN. Condiciones técnicas, el uso del Kinect está condicionado al cambio del sistema operativo en las máquinas en las que se utilizará, ya que cuentan con Windows XP y el SDK 1.5 con el que se está trabajando requiere sistema operativo Windows 7. Las máquinas con las que cuenta el laboratorio de cómputo cumplen con los requerimientos de hardware del SDK 1.5 para ser instalado. Condiciones administrativas, el apoyo por parte de la administración del Instituto Tecnológico de Parral será favorable para la adquisición de los dispositivos requeridos Condiciones sociales, las encuestas reflejaron que los alumnos consideran que el uso de esta aplicación sería benéfico para su aprendizaje. 9. CONCLUSIONES Es factible la implementación de la aplicación desarrollada para el ámbito educativo puesto que los resultados de la evaluación son positivos, el costo para el acondicionamiento de aulas es accesible, sobre todo porque ya se dispone de la mayoría del equipo, además de que se cuenta con el apoyo de la administración del ITP y las condiciones sociales para la implementación son favorables.

10 Aunque la aplicación cumple con las expectativas inicialmente planteadas se contempla que en futuras versiones se agreguen los módulos necesarios para generar desde la propia aplicación los archivos de configuración del juego así como mejoras a la interfaz y al rendimiento en general. Se contempla adecuar K-Imagen Conceptos a las nuevas versiones de Kinect SDK y del sensor como tal, además de la publicación del código fuente y el manual técnico y de usuario para su descarga libre. 10. REFERENCIAS 1. Angotti, R. (2013). KinectMath. Obtenido de 2. Bolaños Rodríguez, E. (2012). Tema: Muestra y Muestreo. Obtenido de a/muestramuestreo.pdf 3. Chambers, R. (2011). Digestive System Kinect and Science. Obtenido de 4. Chambers, R. (2012). Kinect Mix and Match. Obtenido de 5. Kissko, J. (2013). Kinect Education. Obtenido de 6. Microsoft. (2012). Microsoft Kinect for Windows SDK V1.0 Release Notes. Obtenido de 7. Moffitt, L. (2013). WordFiller. Obtenido de 8. MSDN. (2013a). Kinect for Windows Sensor. Obtenido de 9. MSDN. (2013b)..NET Framework 4.5. Obtenido de MSDN. (2013c). Visual Studio Resources. Obtenido de MSDN. (2013d). Lenguaje Visual C#. Obtenido de W3Schools. (2013). Introduction to XML. Obtenido de