Laboratorio Virtual: una alternativa a la educación teórica. Virtual Laboratory: an alternative to theoretical education

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1 Virtual Laboratory: an alternative to theoretical education Eje temático: Escenarios de aprendizaje para la inclusión y cohesión social Verónica Merino, Gabriela Narváez Universidad Nacional de Loja vvmerino.89@gmail.com, gnarvaez256@gmail.com Luis Chamba-Eras Universidad Técnica Particular de Loja, Universidad Internacional del Ecuador lachamba6@utpl.edu.ec, luchambaer@internacional.edu.ec Resumen Este artículo describe la implementación de un Laboratorio Virtual (LV) sobre el LMS MOODLE utilizando técnicas de Realidad Virtual (RV). Se propone una metodología para desarrollar LVs 3D que se integran en Objetos Virtuales de Aprendizaje. Se trabajó con un grupo experimental conformado por estudiantes del primer ciclo de la Carrera de Ingeniería en Sistemas de la Universidad Nacional de Loja para evaluar el funcionamiento del LV. El LV se constituye como herramienta de apoyo al proceso de aprendizaje de las unidades académicas teóricas ya que permite entrenar, reforzar, ampliar y adquirir habilidades prácticas necesarias en la formación técnica. Abstract This paper describes the implementation of a Virtual Laboratory (VL) on the LMS MOODLE using Virtual Reality (VR) techniques. A methodology for developing VLs 3D is proposed and integrated into Virtual Learning Objects. We worked with a pilot group made up of students of the first cycle of the School of Computer Engineering of the National University of Loja to assess VL function. The VL was established as a tool to support the learning process of theoretical academic units; because it allows training, strengthening, expanding and acquiring practical skills needed in technical training. 1

2 Merino, Narváez, Chamba-Eras Palabras clave: diseño, experimentación, material pedagógico, formación en ingeniería, herramienta de autoformación Keywords: design, testing, teaching materials, engineering training, selftraining tool 2

3 1.- Introducción Actualmente, el uso de las Tecnologías de Información y Comunicación (TIC), concretamente al utilizar la Realidad Virtual (RV) como recurso educativo, los profesores pueden motivar visualmente a sus estudiantes a través de gráficos tridimensionales (3D) o con los denominados ambientes virtuales, espacios generados por computador que simulan escenarios reales, cuya interactividad se da a través del teclado y mouse del computador; aunque, dependiendo su complejidad y características se puede utilizar guantes de datos, gafas electrónicas o pequeños monitores de vídeo para la interacción produciéndose de esta manera el efecto inmersión. Integrar estos ambientes basados en RV con recursos e-learning crea entornos virtuales con orientación pedagógica que apoyan las actividades de experimentación y fortalecimiento del conocimiento. De ahí que, su uso se ha generalizado como una alternativa a los laboratorios físicos, donde existe un constante consumo de recursos económicos, humanos, tiempo, materiales, infraestructura para mantenerlos funcionales (Monge y Méndez, 2007). En la formación en ingeniería como: Informática, Sistemas, o afines; dentro de la etapa de instrucción se encuentra la asignatura de Fundamentos Informáticos, necesaria para introducir los contenidos teóricos sobre el computador, como por ejemplo, su estructura e historia. La mayoría de las veces no se realizan actividades prácticas que le permitan al estudiante familiarizarse con las partes teóricas de la asignatura, para luego aplicar estos conocimientos en un entorno real de su profesión, como por ejemplo en el ensamblaje de un computador. La propuesta de este trabajo es presentar un Laboratorio Virtual (LV) para reforzar actividades teóricas de la asignatura de Fundamentos Básicos del Computador mediante actividades prácticas, orientado a estudiantes de ingeniería, tecnología o a usuarios autodidactas con conocimientos básicos referentes a computación y uso de las nuevas tecnologías (herramienta de autoformación). El artículo se encuentra organizado de la siguiente forma: en la sección 2, se 3

4 Merino, Narváez, Chamba-Eras presenta a DVILAB-3D, una metodología que establece la guía para el desarrollo de aplicaciones basada en RV; la sección 3, explica la construcción de Objetos Virtuales de Aprendizaje (OVA) aplicando la metodología explicada en la sección anterior; la sección 4, describe como se integró los OVA's en el LMS-MOODLE; la sección 5, muestra los resultados obtenidos de la experiencia educativa real piloto realizada para evaluar el apoyo del LV en el aprendizaje. Finalmente, se establecen las conclusiones y trabajos futuros. 2. Metodología de Desarrollo DVILAB-3D Se trata de una propuesta metodológica compuesta de cuatro fases, que nace de la necesidad de contar con una guía para el desarrollo de aplicaciones Web con enfoque pedagógico que incorporen elementos o escenarios tridimensionales. DVILAB-3D, aprovecha lo más significativo de otras metodologías utilizadas para el desarrollo de software (Programing Extreme), material pedagógico (Vallejo, 2010) y modelado 3D (Muñoz, 2000), áreas multidisciplinarias integradas en el presente trabajo. 2.1 Fase 1: Exploración y planificación Permite establecer el enfoque del LV, aquí se realiza las siguientes actividades: Identificación del LV. Diseño Instruccional. Guía de Aprendizaje. Planificación de Contenidos. 2.2 Fase 2: Iteraciones Especializada en el diseño de los escenarios tridimensionales, estableciendo niveles de complejidad, todo en base a la planificación de contenidos: Elección de las herramientas de SW y HW para el diseño de los instrumentos virtuales. Elaboración de diagrama de diseño del LV que esquematiza el funcionamiento global del sistema y un glosario de términos para establecer un lenguaje común. Si se implementan escenarios con funcionalidades más complejas (por ejemplo un simulador) es necesario diseñar la estructura de ensamblaje de los objetos que lo componen (descomposición de los componentes 3D), elaborar los diagramas de comunicación de los objetos 3D, diagrama de interacción con la interfaz de usuario y las Tarjetas CRC 4

5 (Clase- Responsabilidad-Colaboración); diseños que son la base para su posterior implementación. 2.3 Fase 3: producción Permite la implementación de todos los diseños establecidos en la fase 2 y la integración en un ambiente cliente-servidor: Crear páginas Web con los contenidos teóricos y de evaluación. Crear la interfaz Web para el acceso hacia los escenarios 3D que forman el LV. Empaquetar en formato SCORM de los OVA's para luego ser cargados en la plataforma e-learning. Definir los estándares de implementación que son las pruebas al laboratorio para validar las historias de usuario. 2.4 Fase 4: fin del proyecto Se realiza una validación al sistema desde el punto de vista del usuario, con el fin de verificar si la aplicación desarrollada satisface las necesidades del cliente en aspectos como rendimiento y confiabilidad. 3. Construcción de OVA s del LV Son necesarias las siguientes definiciones, considerando los conceptos establecidos por Andújar y Mateo (2010) y la propia experiencia de los autores en relación a la terminología utilizada en esta sección: Objeto tridimensional (OT): modelo tridimensional de un objeto real (ej. puerta, mesa, computador, entre otros), generado por computador. Instrumento Virtual (InV): sistema modelado en 3D, dotado de sensores y controles que permiten su interacción con el usuario a través de dispositivos conectados al computador (teclado y mouse). En el entorno de aprendizaje, se constituye en el recurso que propicia en entrenamiento y experimentación. Recursos e-learning (RE): herramientas para la creación de contenidos educativos en línea y que además facilitan la incorporación de otros servicios como videollamadas y redes sociales. Aquí también se incluyen a los CMS (Sistema de Gestión de Contenidos), LMS (Sistema de Gestión de Aprendizaje) y LCMS (Sistema de Gestión de Contenidos de Aprendizaje). Laboratorio Virtual (LV): sistema simulado accesible desde Internet con capacidades de gestión y/o aprendizaje de contenido. El LV se ha diseñado en un curso virtual en línea, que integra instrumentos virtuales a una plataforma e-learning para el seguimiento de las actividades 5

6 Merino, Narváez, Chamba-Eras realizadas por estudiantes/usuarios. Los contenidos están estructurados OVA's (SCORM) con la finalidad de que pueden ser reutilizados como unidades académicas independientes en otros entornos de aprendizaje o repositorios de objetos. El acceso al LV, es través de un navegador Web que soporte WebGL para gráficos tridimensionales. En la Figura 1, observamos la arquitectura del LV propuesta: Figura [1]- Diseño del Laboratorio Virtual Fuente [Autores del proyecto] En la sección 3.1 y 3.2, se describe la implementación del LV para la asignatura de Fundamentos Básicos del Computador, aplicando la metodología propuesta en la sección 2 y utilizando los OVA s Objetos Virtuales de Aprendizaje (OVA s) El LV, permite abordar, tres temas relacionados con Fundamentos Informáticos, por lo tanto, se estableció tres OVA's: OVA1: Historia y Generación del Computador. OVA2: Partes del Computador. OVA3: Ensamblaje del Computador. Cada OVA tiene asociado objetos tridimensionales o instrumentos virtuales con la finalidad de apoyar el fortalecimiento de los conocimientos teóricos y motivar al estudiante hacia una nueva forma de aprendizaje. Los contenidos de cada OVA, están descritos en la TABLA I, en la TABLA II se describe la estructura del metadato cuyo fin es permitir la identificación, búsqueda y clasificación de cada OVA. 6

7 TABLA I PLANTILLA DE LA GUÍA DE APRENDIZAJE Título del OVA Propósito Pedagógico Objetivo general del OVA, es el eje principal sobre el cual se desarrolla todo el proceso de aprendizaje del estudiante. Objetivos de Aprendizaje Objetivos secundarios que describen lo que se pretende alcanzar con el OVA. Contenidos Se definen en base a los objetivos e incluye: Introducción: para motivar al estudiante en el estudio de los temas. Recursos: actividades que facilitan la asimilación de contenidos (simulaciones, diagramas, gráficos). Estos se diseñan e implementan utilizando RV. Cierre Actividades auto-evaluativas y enlaces a recursos para ampliar los contenidos vistos en el OVA. Metadatos Ficha que describe al OVA y permite su rápida localización. TABLA II FICHA METADATO Categoría General Uso educativo Elementos Título, idioma, descripción, palabras clave, autores. Tipo de recurso educativo, nivel de interactividad, densidad semántica, destinatario, contexto, dificultad, tiempo típico. Se utilizó la herramienta de autor exelearning para desarrollar los OVA, este es un software que facilita la creación de contenidos educativos y empaquetado en formato SCORM. 3.2 Implementación de los instrumentos virtuales De acuerdo a los recursos de aprendizaje planificados por cada OVA, se necesita el diseño e implementación de los instrumentos virtuales. Para el LV se definieron los siguientes: OVA1: Recorridos Virtuales Los contenidos teóricos se acceden a través de un recorrido virtual por una galería 3D. Utilizando la herramienta de modelado SketchUp Pro, se diseñaron los planos de la galería como base para realizar el modelado 3D de este escenario; posteriormente se obtuvieron fotografías 7

8 Merino, Narváez, Chamba-Eras panorámicas de estos espacios las mismas que se utilizaron como el tapiz del tour virtual, así, con la ayuda de Tourweaver se doto de dinamismo tridimensional a las fotografías permitiendo a los usuarios navegar por el sitio. OVA 2: Gráficos Tridimensionales Permiten al estudiante/usuario una visión tridimensional de cada uno de componentes los componentes internos del computador; la navegación por este ambiente es inmersivo y los objetos 3D guardan similitud en detalles y apariencia con los objetos reales. Tomando como base las fotografías realizadas a los componentes reales y utilizando SketchUp Pro, se obtuvieron sus similares de forma tridimensional y en formato.wrl para luego de ser depurados, traducidos y validados contar con los archivos.x3d. Éstos pueden ser vistos en el navegador Web por medio del visor BSContact. OVA 3: Simulador de Ensamblaje Permite ensamblar un computador de escritorio o portátil, seleccionando entre las tecnologías Pentium, Core-I y los modelos P4, i3, i5 respectivamente. Para obtener los componentes internos de los tres computadores en 3D, se realizó el mismo procedimiento del OVA 2. La interfaz de este recurso consta de tres pantallas: una para el acceso, otra para simulador de escritorio y la última para la portátil, diseñadas en HTML5 y CSS3. La integración de los archivos X3D en el escenario 3D y su visualización través del navegador Web se realizó utilizando la tecnología X3DOM. Se implementaron los scripts para la manipulación (insertar, mover, ubicar, borrar, fijar) de cada uno de los archivos X3D utilizando el lenguaje JavaScript. Finalmente cada uno de los objetos tridimensionales e instrumentos virtuales fueron vinculados a cada uno de los OVA's y posteriormente empaquetados en formato SCORM. 4. Publicación y estructura del Laboratorio Para la implementación del LV, primeramente se realizó la instalación y configuración del LMS, se utilizó MOODLE en su versión 2.3. Posteriormente, 8

9 se creó un aula virtual denominada Laboratorio Virtual para Fundamentos Básicos del Computador, en la misma se registraron y asignaron los roles a los participantes (docentes-estudiantes). Además, se realizaron las configuraciones propias del curso como la disponibilidad, calificaciones, estilo del sitio, temas, foros, anuncios, entre otras; se cargaron al LMS los paquetes SCORM creados en la sección 3. Se trabajó con un Diseño Instruccional para la gestión de recursos y actividades de aprendizaje en MOODLE. A través del dominio se puede acceder al Laboratorio Virtual de esta forma los participantes del curso haciendo uso de computador con acceso a Internet pueden acceder sin restricciones de tiempo y espacio. 5. Resultados de evaluación La evaluación del LV fue llevada a cabo con un grupo experimental, integrado por 33 estudiantes del primer ciclo de la Carrera de Ingeniería en Sistemas de la Universidad Nacional de Loja. Los estudiantes durante el plazo definido en la planificación, abordaron los contenidos e interactuaron con los escenarios tridimensionales y dieron a conocer su opinión acerca del funcionamiento del laboratorio. Para la experimentación se utilizó una encuesta, que se la aplicó a través de MOODLE, con ello se permitió medir el grado de aceptación del Laboratorio Virtual, se utilizaron los criterios en cuanto al acceso, usabilidad e importancia del laboratorio como un medio práctico para fortalecer conocimientos dentro la asignatura de Fundamentos Informáticos. Para la elaboración de este instrumento, se consideró los criterios establecidos por Dormido, S., Vargas, H., Sánchez, J., Duro, N., Dormido, R., Dormido-Canto, S. y Morilla (2008); como guía para evaluar un laboratorio basado en la Web. TABLA III RESULTADOS LUEGO DE APLICAR INSTRUMENTO DE EVALUACIÓN. Criterio Excelente Muy Bueno Bueno Regular Aprendizaje 31.61% 44.89% 18.37% 6.12% Aporte 55.00% 42.00% 3.00% 0.00% Facilidad y claridad de navegación 39.30% 35.70% 21.40% 3.60% Funcionamiento de la Tecnología 10.50% 68.40% 21.10% 0.00% 9

10 Merino, Narváez, Chamba-Eras Los resultados (TABLA III) indican que los contenidos y actividades del LV, fueron de apoyo al aprendizaje en un %, tomando en cuenta las calificaciones de Excelente y Muy Buena ; sin embargo los porcentajes de Bueno y Regular indican que es necesaria una revisión a la planificación de los mismos. En el segundo criterio donde se trata de definir el aporte del LV se nota claramente que más del % de los estudiantes reconocen las ventajas de su utilización así como los beneficios que se pueden obtener de este tipo de herramientas. En relación a la facilidad para navegar por el LV, la claridad de sus contenidos, también existe un promedio del % que califica estos aspectos como excelente y muy buenos, pero también hay que considerar que estos aspectos deben mejorar. Finalmente en cuanto al funcionamiento de la tecnología, en otras palabras, si se puede acceder a los instrumentos virtuales sin ningún inconveniente; el % afirmó no tener mayor problemas, aunque se presentaron casos en donde el computador cliente y las características del ancho de banda no cumplían con los requerimientos mínimos para el normal funcionamiento del LV. Se destaca que dentro del LV, el simulador para ensamblar computadores, fue el instrumento virtual que causo mayor atención, ya que permitió emular el proceso de armado de un computador, dándole al estudiante/usuario una idea aproximada de cómo realizar este proceso en un escenario real. 6. Conclusiones y trabajos futuros El Laboratorio Virtual se constituye en una herramienta de apoyo al proceso de aprendizaje práctico de los contenidos teóricos relacionados con la asignatura de Fundamentos Informáticos, ya que permite reforzar y ampliar conocimientos acerca del computador y su funcionamiento, así como adquirir habilidades para su proceso de ensamblaje. Al estar compuesto por OVAs permite que estos contenidos puedan reutilizarse en otros entornos de aprendizaje o repositorios de objetos virtuales. La metodología para Laboratorios Virtuales 3D (DVILAB-3D), desarrollada para este trabajo puede ser reutilizada para la creación de soluciones informáticas orientadas a mejorar los procesos educativos combinando técnicas de realidad virtual. 10

11 El desarrollo de los recursos para los Objetos Virtuales de Aprendizaje, implicó la integración de diferentes tecnologías computacionales (X3D, X3Dom, Java Script), las mismas que son de filosofía Software Libre. Estas tecnologías para generar realidad virtual, pueden ser utilizadas en diversos proyectos enfocados a todos los ámbitos profesionales donde se puedan simular escenarios reales para el entrenamiento a través de la Web a los usuarios. Los Laboratorios Virtuales en educación favorecen la repetitividad y reproducibilidad de los experimentos, logrando con ello difundir el aprendizaje constructivista, fomentando la capacidad de análisis y el pensamiento crítico. Como trabajos futuros se considera integrar el Laboratorio Virtual en conjunto con la Inteligencia Ambiental y Realidad Aumentada, con el fin de tener un escenario de entrenamiento lo más cercano a la realidad y necesidades del estudiante/usuario. Referencias bibliográficas Andújar, J. M. y Mateo, T.J. (2010) Diseño de Laboratorios Virtuales y/o remotos Un Caso Práctico. RIAI, 7(1), Dormido, S., Vargas, H., Sánchez, J., Duro, N., Dormido, R., Dormido-Canto, S. y Morilla, F. (2008). Developing and Implementing Virtual and Remote Labs for Control Education: The UNED pilot experience. IFAC 08. Monge Nájera, J. y Méndez Estrada, V. H. (2007). Ventajas y desventajas de usar laboratorios virtuales en educación a distancia: la opinión del estudiantado en un proyecto de seis años de duración. Educación, 31(1) Muñoz Labra, J. Metodología de Desarrollo VRML (2000). Recuperado de Vallejo Acebal, N. (2010). Metodología de Elaboración de Materiales Didácticos Multimedia Accesibles. Congreso Alfabetización mediática y culturas digitales, Sevilla. 11