SISTEMA DE EJERCICIOS INTERACTIVOS PARA EL DESARROLLO DE LA CAPACIDAD ESPACIAL Y VISUALIZACIÓN EN LA INGENIERÍA

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1 SISTEMA DE EJERCICIOS INTERACTIVOS PARA EL DESARROLLO DE LA CAPACIDAD ESPACIAL Y VISUALIZACIÓN EN LA INGENIERÍA José Pablo Suárez 1, Carlos Javier Toledo, Melchor García, Gerardo Martín, Alejandra Sanjuán, Ildefonso Jiménez, Francisco Suárez y Pedro M. González Universidad de LAS PALMAS DE GRAN CANARIA Departamento de CARTOGRAFÍA Y EXPRESIÓN GRÁFICA EN LA INGENIERÍA Correo electrónico (1): jsuarez@dcegi.ulpgc.es RESUMEN La enseñanza de la Expresión Gráfica en las carreras técnicas ha evolucionado en los últimos años. La llegada de las nuevas tecnologías ha sido fundamental en esta evolución y está condicionando el proceso de enseñanza y aprendizaje de esta materia. Dentro de la Expresión Gráfica en las titulaciones de ingenierías, el desarrollo de la capacidad espacial y visualización es un tema fundamental, tanto desde el punto de vista docente como profesional En esta comunicación se presenta una nueva herramienta basada en web diseñada para servir de apoyo a la enseñanza del Dibujo Técnico. Esta herramienta hace especial hincapié en el desarrollo de la capacidad de visualización espacial en el Dibujo Técnico. En esta comunicación se hace hincapié en un sistema de ejercicios desarrollado que permite entrenar al alumno en la visualización mediante vistas auxiliares de un objeto o pieza. Algunas características destacables de dicha herramienta son: sencillez, porque el usuario puede seguir de forma intuitiva las distintas opciones desarrolladas; flexibilidad, porque el usuario puede configurar el nivel de complejidad de los ejercicios y prácticas planteadas; auto-contenida, porque la herramienta proporciona apoyo teórico, permite la realización de ejercicios y prácticas interactivas y facilita la auto evaluación de los contenidos aprendidos mediante distintos modelos de autocorrección avanzados; y finalmente uso distribuido, porque la implementación en web permite el libre acceso por parte del alumnado, la constante actualización del material disponible y la interacción con el alumno gracias a la incorporación de tutorías vía chat, y grupos de trabajo. La comunicación además da algunos datos de su puesta en práctica en las titulaciones técnicas de la Escuela Universitaria Politécnica de la ULPGC y señala las ventajas e inconvenientes del uso en el aula. Palabras clave: Expresión Gráfica; Visualización; VRML 1 Introducción La combinación de diversas tecnologías e interfaces que permiten a uno o más usuarios interactuar en tiempo real con un entorno o mundo dinámico tridimensional generado por ordenador, lo que se ha venido a denominar realidad virtual, está teniendo cada vez mas auge y aplicaciones en los distintos campos de la Ingeniería. En los últimos años, las herramientas que facilitan el desarrollo de aplicaciones de realidad virtual han experimentado un gran avance. Además, el equipo tecnológico necesario para ejecutar estas aplicaciones es simple y estándar debido a la nueva situación basada en la web. Actualmente ya se dispone de sofisticados entornos de desarrollo de mundos virtuales como SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, Internet Scene Assembler, V-Realm Builder, VR- Creator [10], etc. Estos entornos permiten la construcción y el ensamblaje de mundos virtuales en 3D bajo un entorno de desarrollo visual amigable para el usuario. Todos ellos utilizan el lenguaje por excelencia de la realidad virtual: VRML. Por otro lado, se afianzan los lenguajes de visualización y de programación como HTML, PHP, Java, JavaScript o ActionScript, que facilitan la integración de texto, imágenes, vídeos, sonidos y aspectos interactivos y, que suponen una mejora notable en las clásicas aplicaciones informáticas. Mediante estas herramientas, se crean entornos multimedia que permiten interactuar de forma amigable, intuitiva, pedir información, mostrar resultados, ver aplicaciones, etc.

2 Partiendo de conceptos ya establecidos por diversos autores [4] [8], como Laboratorios Virtuales y Espacios Virtuales de Aprendizaje (EVA), nuestra presentación corrobora cómo este tipo de tecnologías, que emergen día a día, se pueden utilizar como complementos de formación en universidades, escuelas técnicas, etc, sustituyendo a los clásicos laboratorios, costosos de mantener y manipular y facilitando y mejorando el flujo de información entre alumno y profesor. Además, una extensión del trabajo permitirá integrar estas herramientas en un verdadero paradigma de aprendizaje, como ya se ha presentado en [4][8] [11] [12]. En este trabajo se ilustra cómo estas técnicas se pueden aplicar al desarrollo de una herramienta de ayuda o apoyo a la docencia de la expresión gráfica. Una versión preliminar de estos resultados fueron presentados en [15]. 2 VRML y herramientas de desarrollo VRML es un lenguaje textual para describir elementos tridimensionales y entornos interactivos. Ha evolucionado a través de distintas versiones. Sus inicios se remontan a finales de Para construir escenas y mundos mediante VRML, se puede recurrir a la programación a bajo nivel, es decir, usar la sintaxis y semántica del lenguaje, para lo cual existe una especificación ISO del lenguaje y una extensa bibliografía [2][5][6][9]. Una segunda vía consiste en utilizar un entorno de desarrollo para la construcción de mundos, que, de una forma visual y gráfica, posea ya dominio del lenguaje sin necesidad de entrar en aspectos de programación. De entre tales aplicaciones citamos SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, Internet Scene assembler, V-Realm Builder y VR-Creator [10]. Desde otro punto de vista, VRML puede utilizarse junto con un potente lenguaje de desarrollo de software, como el C++ o el Java para crear aplicaciones software integradas. Algunos trabajos ya se han desarrollado en esta línea [1]. Utilizando un lenguaje nativo como C++ o Java, es posible asignar comportamientos diversos a elementos de un mundo VRML, con lo cual se crean mundos virtuales dotados de capacidades propias del lenguaje de programación nativo o, más propiamente dicho, software, que integra mundos virtuales con comportamientos complejos. 3 El Espacio Virtual de la herramienta desarrollada Se presenta a continuación la interfaz principal de la herramienta basada en web desarrollada. La serie de opciones permite al alumno la elección del nivel de dificultad deseado en los ejercicios de visualización. A continuación se muestra el contenido de cada una de las interfaces a las que se accede: Figura 2: Nivel básico Figura 3: Nivel 1 2

3 Como puede apreciase, cada una de estas pantallas está a su vez compuesta por una serie de piezas de entre las que el usuario puede seleccionar aquella en la que vaya a trabajar dando paso a la navegación virtual mediante un navegador VRML como Cosmo Player. El sistema aporta unas vistas predefinidas en perspectiva cónica (que es el sistema utilizado por VRML): frontal, izquierda, derecha, superior y perspectiva. Con ellas el usuario obtiene, además de lo que se vería desde cada uno de estos puntos de vista, una perspectiva de la pieza, y, mediante navegación, puede verla desde cualquier otro punto de vista o situación. El sistema también ofrece la posibilidad de utilizar objetos 3D más complejos: se trata de los conjuntos. Se puede acceder en primer lugar a una simulación animada del mecanismo (que no puede mostrarse en este texto) para ver cómo funciona. A continuación, se accede a otra animación del desmontaje, donde puede apreciarse el orden de desmontaje de las distintas piezas que lo componen y cuál es la situación y misión de cada una de ellas. Una vez comprendido el funcionamiento y el desmontaje, puede pasarse a navegar a través de cada una de las piezas para obtener la información necesaria acerca de su forma y, de este modo, disponer de los instrumentos adecuados para croquizar y, posteriormente dibujar. Las siguientes figuran ofrecen dos ejemplos de conjuntos implementados en el sistema: Figura 4: Conjunto Figura 5: Conjunto 4 Los ejercicios de visualización y Vistas Auxiliares. Presentamos en esta sección una explicación de los distintos tipos de ejercicios de visualización proporcionados en el sistema. Cabe resaltar que se ha usado lenguaje Java y PHP para implementar los ejercicios y la interfaz con los mismos. Asimismo, se ha usado lenguaje XML para la especificación formal del tipo de ejercicio, que se detallará en la sección 4.1. De forma general, el usuario puede señalar, arrastrar, mover etc. las distintas imágenes -vistas de visualización- que se ofrece para la resolución. Además, se dispone de la geometría en VRML para que el usuario capte interactivamente la forma y perspectiva de la pieza. Se muestra a continuación las distintas variantes de ejercicios que el usuario podrá determinar desde el principio: Puzle de vistas (El más flexible, disponibles todas las vistas simultáneamente) Puzle de vistas (Solo se puede ver y colocar una de las vistas) Puzle de vistas (Imagen fija inicial aleatoria) Puzle de vistas (Las vistas no se arrastran, se intercambian mediante clicks) Pieza: b_16 Aceptar Figura 6: Menú de elección de ejercicios 3

4 La siguiente figura presenta el ejercicio en forma de puzzle. En esta variante se fija la vista principal (alzado) y secuencialmente se van ofreciendo otras vistas que el usuario tiene que arrastrar y mover a su ubicación correcta. Figura 7: Ejercicio interactivo en Java En la siguiente figura ilustramos un ejercicio de vistas auxiliares. Se trata de vistas auxiilares de tipo simple ya que son necesarias como máximo una vista auxiliar para representar la verdadera magnitud de una de las partes de la pieza. El usuario tiene que averiguar una primera vista auxiliar (la A) y acto seguido averiguar la vista auxiliar B. La elección de ambas vistas las selecciona el usuario de entre algunas variantes ofrecidas, y sólo una de ellas es válida. Finalmente el usuario tiene la posibilidad de corregir su elección y seguir intentando soluciones caso de que no acierte. Cabe notar como se acompaña a la representación de las vistas, la vista en perspectiva de la pieza, que el usuario podra mover interactivamente antes de la elección de las vistas correctas. Figura 8: Interfaz general para ejercicios que intercambian vistas. Caso de dos intercambiadores de vistas 4

5 Figura 9: Instante después de la resolución del ejercicio 4.1 Detalles de la implementación de los ejercicios Uno de los objetivos de la implementación es diseñar una especificación lo más general posible de los ejercicios, de forma que se pueda dejar abierta la creación de otros tipos nuevos en el futuro. Para este propósito, una estructuración conveniente de los datos de entrada es fundamental. Hemos desarrollado en XML (Extensible Markup Language) una sintaxis que permite especificar los datos necesarios para una amplia gama de tipos de ejercicios. A continuación se presenta mediante un ejemplo tomado segun el ejercicio de las Figuras 8 y 9 este objetivo: - <exercise width="75%" height="400"> <vrmodel width="25%" height="200">1_01.wrl</vrmodel> <image x="0" y="0">fondo.gif</image> - <list name="a"> <sight>a0.gif</sight> <sight>a1.gif</sight> <sight>a2.gif</sight> </list> - <list name="b"> <sight>b0.gif</sight> <sight>b1.gif</sight> <sight>b2.gif</sight> </list> - <switch x="82" y="162" width="267" height="226"> <list>a</list> <true>a0.gif</true> Lista de las imágenes que compondrán una vista del ejercicio. Se numera éstas listas con un identificador en literal, que más tarde es utilizado. Idem para otra lista nombrada con "name" Cabecera, tamaño en pantalla del ejercicio. Especificación del fichero VRML de la pieza Imagen de fondo del ejercicio Sección que hace relacionar una lista de vistas con un intercambiador de vistas. Además se proporciona la vista correcta de entre todas las posibles. 5

6 </switch> - <switch x="553" y="166" width="235" height="119"> <list>b</list> <true>b0.gif</true> </switch> </exercise> Idem para otro intercambiador de vistas. Se detalla para cada intercambiador su posición en el ejercicio y su tamaño. Un script en PHP que hemos diseñado, se encarga de parsear el fichero XML, enlazar los datos y generar la siguiente página HTML, correspondiente al código XML anterior, que se explica con detalle más adelante: <html> <head> <title></title> </head> <body> <applet code="ejercicio.class" name="ejercicio" id="applet" height="400" width="75%" viewastext> <param name="dir" value="nivel_1/1_01/"> <param name="i" value="0 0 fondo.gif"> <param name="l" value="a a0.gif a1.gif a2.gif#b b0.gif b1.gif b2.gif"> <param name="s" value=" # "> </applet> <embed src="nivel_1/1_01/1_01.wrl" width="25%" height="200"></embed> </body> </html> A grandes rasgos, ésta página describe un ejercicio en el que se muestran por pantalla un applet Java con el ejercicio en sí, y una vista VRML de la figura del ejercicio. Los parámetros del applet son los que le confieren éste grado de flexibilidad, dado que se pueden cargar ilimitados objetos de imagen, listas o intercambiadores. El parámetro dir define el directorio de trabajo del applet, donde encontrará las imágenes y los ficheros del ejercicio. Los parámetros i, l y s, que definen las imágenes, las listas y los intercambiadores en ese orden, son parámetros compuestos por varios de ellos separados por caracteres delimitadores. Cada objeto individual se separa de los demás mediante el caracter # y las diferentes propiedades de un objeto por caracteres. En tiempo de ejecución, el applet es capaz de extraer de estos parámetros los diferentes objetos y cargarlos en su interior. Una vez terminado el proceso de carga, la interfaz queda dibujada en pantalla esperando el movimiento del usuario. El applet se encarga de controlar los eventos de ratón para ir cambiando las vistas. Finalmente al pulsar el botón de corrección, se calculan los aciertos comprobando uno a uno los intercambiadores de imágenes y contrastando la imagen que se muestra en ese momento con la que se definió como acierto. El usuario siempre tiene la posibilidad de resetear el ejercicio para intentar realizarlo de nuevo. Con cada vez que se reinicia el ejercicio, incluyendo al inicio, el applet reordena las vistas aleatoriamente para impedir posibles resoluciones por descarte. 5 Evaluación de la Herramienta A continuación presentamos una evaluación realizada al final del curso académico 2001/2002 a los alumnos, en relación con la herramienta y su uso en el aula. La evaluación tiene forma de encuesta y corresponde a un protocolo de evaluación de herramientas multimedia en el aula, ver [14]. En las siguientes gráficas, fig. 10 y fig. 11 se presentan el valor medio de las 44 encuestas realizadas. Se sitúan en Características, cada una de las preguntas que componen la encuesta. 6

7 Para el caso del módulo técnico se trata de 31 preguntas y para el caso del módulo didáctico de 21 preguntas. Por su parte como resultado que ofrece las gráficas, se presenta el valor medio puntuado por los alumnos, de entre 1 (Muy deficiente) y 5 (Muy aceptable). Figura 10. Evaluación de la parte técnica de la aplicación Figura 11. Evaluación de la parte didáctica de la aplicación 6 Conclusiones y consideraciones finales Este trabajo es una aplicación de las nuevas tecnologías de la información al campo de aprendizaje y enseñanza de la Expresión Gráfica En concreto, el sistema aquí presentado posee ciertas características que permiten considerarlo un excelente complemento para la enseñanza de esta materia en las titulaciones técnicas. Entre estas características destacamos las siguientes: sencillez, porque el usuario puede seguir de forma intuitiva las distintas opciones desarrolladas; flexibilidad, porque el usuario puede configurar el nivel de complejidad de los ejercicios y prácticas planteadas; auto-contenida, porque la herramienta proporciona apoyo teórico, permite la realización de ejercicios y prácticas interactivas y facilita la autoevaluación de los contenidos aprendidos mediante distintos modelos de autocorrección avanzados; y, por último, uso distribuido, porque la implementación en web permite el libre acceso por parte del alumnado, la constante actualización del material disponible y la interacción con el alumnado gracias a la incorporación de tutorías vía chat, y grupos de trabajo. 7

8 Agradecimientos Este trabajo ha sido financiado por el proyecto de investigación financiado por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria denominado DESARROLLO DE ENTORNOS VIRTUALES AVANZADOS EN EL ÁREA DE LA EXPRESIÓN GRÁFICA, Referencias [1] Armentara Alcántara; Andrés A.; Asignación de comportamiento complejo a mundos virtuales vrml utilizando Java, Tesis de Maestria. Instituto Politécnico Nacional. México. Julio [2] Ames Andrea L.; Nadeau David R., Moreland John L.; The VRML 2.0 Sourcebook. John Wiley & Sons. [3] Gómez Skarmeta, A. F.; Ibáñez Martínez, J.; Un Entorno para la Edición y Simulación de Plantas de Producción Virtuales. XI Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica. Logroño. Pamplona. 2-4 junio [4] Guzmán, A; Nuñez, G.; Virtual Learning Spaces in Distance Education: Tools for the Eva Project. International Journal Expert Systems with Applications (Special Issue), Pergamon Press, [5] Joint Technical Committee ISO/IEC JTC 1 and The VRML Consortium, Inc. The Virtual Reality Modeling Language. International Standard ISO/IEC :1997, The ISO VRML 97 specification: [6] Lemay, L.; Murdock, K; Couch, J.; 3D Graphics and VRML 2. Sams.net [7] Morer, P.; Fernández, A.; Insua, M.; Fernández, M.I. Desarrollo de una Herramienta en el Entorno Virtual de la Expresión Gráfica. XI Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica. Logroño. Pamplona. 2-4 junio [8] Nuñez, G. Tecnologías avanzadas de información para soportar el aprendizaje: el proyecto EVA. Proc. off the Int. Simposium on Information Technologies for Learning, D. F., Mexico, [9] The VRML Repository. [10] VR_Creator. [11] G. Martín, J.P. Suárez y M. García, Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulación de Mecanismos en la Ingeniería,CIIG Actas del XII Congreso Internacional de Ingeniería gráfica, Valladolid. (2000). [12] G. Martín, J.P. Suárez y M. García, Laboratorio Virtual para el Estudio y Aprendizaje de Mecanismos en la Ingeniería. Actas del VIII Congreso de Innovación Educativa en Enseñanzas Técnicas, SAN SEBASTIÁN. (2000) [13] [14] J.I. Rojas Sola, "Protocolo para la evaluación de software multimedia en el área de expresión grafica en la ingeniería", Anales de Ingeniería Grafica, nº 14, pp-14-22, (2001) [15] J.P. Suárez, C.J. Toledo, M. García, A. Sanjuán, Ildefonso Jiménez, J.I Díaz, " Sistema de ejercicios interactivos en la expresión gráfica en la ingeniería. Visualización y vistas auxiliares ", I Conferencia Científica Universidad y Sociedad, Holguín, Cuba, de Octubre de