Diseño e implementación de un juego matemático

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN JUEGO MATEMÁTICO DE DISPAROS EN 3D Y ANÁLISIS DE LOS DISPOSITIVOS INTERACCIÓN DE 2D Y 3D

AUTORES: VANESSA IVONNE ECHEVERRÍA BARZOLA & IVÁN FRANCISCO SILVA FERAUD

Resumen

En el presente trabajo se desarrolló un juego educativo para reforzar el aprendizaje de las fracciones matemáticas. El juego se realizó con el objetivo de medir la interacción de los dispositivos de realidad virtual.

Para desarrollar este juego se revisaron los conceptos de la tecnología en la educación y las ventajas de utilizar herramientas tecnológicas al momento de reforzar el aprendizaje.

También, para el desarrollo del juego se analizaron diferentes tipos de aprendizaje y cual se ajusta al juego presentado. Las características de la realidad virtual fueron usadas y se hace referencia a la forma en que la realidad virtual ayuda en el área educativa.

Luego de revisar la teoría se definió la arquitectura del juego y que herramientas iban a ser utilizadas, se utilizaron herramientas de desarrollo como OpenSceneGraph para crear el ambiente virtual, SimpleDirectLayer para incorporar el sonido al ambiente y 3D Studio Max para crear los objetos en 3D.

Al final de la implementación del proyecto se procedió a realizar las pruebas con el usuario. Las pruebas que se realizaron fueron experimentales, el grupo con el que se trabajó era pequeño para poder sacar pruebas estadísticas. Para realizar las pruebas al juego se realizó un pequeño cuestionario en donde se pedía calificar la experiencia, en una escala del 1 al 5 de acuerdo a factores como la comodidad, la facilidad de uso, la diversión del juego y la exactitud y la mejor forma de interacción en un juego de disparos.

El análisis de resultados demostró que los dispositivos utilizados fueron los correctos, haciendo que la interacción sea natural en este tipo de juegos.

Introducción

Actualmente, los métodos que se utilizan para reforzar el aprendizaje son poco interactivos en el aula de clase.  El tutor transmite los conocimientos hacia los alumnos usando herramientas tradicionales como pizarras, presentaciones y libros. El alumno no participa de una manera directa y los objetivos de la enseñanza no se llegan a cumplir a cabalidad. La metodología tradicional, o también llamada "interacción del tutor – pizarra", hace que los alumnos no se involucren activamente en el proceso de aprendizaje [25].

Por otro lado, el inicio de la metodología moderna ha dado cabida a nuevos métodos de enseñanza. Ahora la interacción no solo se realiza en una sola vía con un solo recurso. La interacción tutor – computador – alumno permite hacer interactiva la manera de aprender involucrando al alumno con recursos multimedia como videos, imágenes y sonidos para cautivar la atención y motivación.

La utilización de esta metodología es un gran paso dado por los docentes, porque en nuestros días el computador forma parte de nuestras tareas cotidianas.

A pesar de que se ha tratado de mejorar esta metodología tradicional con la metodología moderna. Todavía, no se logra cumplir el objetivo del aprendizaje, el cual consiste en la persistencia del conocimiento en los alumnos.

La realidad virtual es un recurso didáctico que ayuda a mejorar la enseñanza de modo interactivo, pudiéndose adaptar a cualquier campo de aprendizaje.

Hay diferentes maneras de ver cómo la realidad virtual puede ayudar en la enseñanza. Uno de los puntos principales es la visualización de conceptos abstractos por parte del estudiante. Antes, el tutor usaba la pizarra para explicar los conceptos, ahora los conceptos no solo son mostrados como una teoría. También, se puede interactuar con objetos del entorno para poder entender con mayor precisión lo que se quiere enseñar.

Otro punto que ayuda la realidad virtual es a observar eventos que han pasado o que se encuentran sucediendo en otro punto geográfico. La creación de ambientes virtuales se utiliza para recordar hechos históricos, el estudio del sistema planetario o incluso el estudio de la interacción de los átomos. Los alumnos son capaces de interactuar realizando diferentes actividades y estando activamente inmersos.

El principal objetivo de la realidad virtual en la enseñanza es ofrecer un medio eficaz para mejorar las habilidades de los estudiantes como la estrategia para resolver un problema, o la rapidez para responder frente a un problema.

CAPÍTULO 1

Antecedentes y justificación

• Antecedentes

Los docentes expresan que las matemáticas suelen ser poco interesantes, si no se las incentiva con el material correcto [2]. Por otro lado, Ricardo Hernández Patiño [1], observó que socialmente se ha estereotipado a las matemáticas como la materia más difícil del currículo escolar.

Bajo estas conclusiones demostradas, las matemáticas se categorizan desde la primaria como una materia difícil, obligando a los estudiantes a memorizar fórmulas, teorías, etc.

Las tecnologías de la información y la comunicación están siendo utilizadas, desde hace varios años en el ámbito educacional. La introducción de nuevas alternativas para reforzar los conocimientos aprendidos en clase ha tomado mucho auge en nuestro entorno. Las animaciones interactivas, videos, actividades con un programa educativo son algunos ejemplos de lo que se utiliza para el refuerzo de la enseñanza.

Los juegos educativos han creado nuevas expectativas para completar el ciclo de aprendizaje en los alumnos, auxiliando en la enseñanza y también en el aprendizaje [2]. Existe un sin número de juegos educativos en el internet que han sido creados con el fin de mejorar el aprendizaje en las aulas, aunque muchas veces estos recursos no son bien utilizados porque no saben de su existencia o carecen de información para adaptarlos al material de ayuda pedagógica.

La versatilidad que ofrece la informática ayuda a la enseñanza de cualquier disciplina científica, especialmente en aquellas en las que en condiciones normales se dificulta la visualización de los procesos estudiados. Gracias a los programas de simulación, los alumnos pueden no sólo ver sino también interactuar con estos modelos abstractos [3].

La realidad virtual es una tecnología que en las últimas décadas ha sido utilizada por centros y empresas para mejorar las capacidades cognitivas de los usuarios. La atención de las personas es capturada por su característica multisensorial, esto significa que se usan varios sentidos como el tacto, la vista y la audición.

Al utilizar varios sentidos podemos aseverar que esta tecnología es inmersiva, permitiendo que la persona se enfoque completamente en las actividades que se muestran en el mundo virtual captando totalmente su atención, lo que facilitaría la enseñanza de cualquier tema [4].

Uniendo las ideas explicadas, el resultado del proyecto es crear un juego educativo que permita a los alumnos de educación básica ayudar a reforzar su aprendizaje. De esta manera, el estudiante estará dentro de un escenario virtual, en el cual él usará los dispositivos para la manipulación de objetos en 3D.

• Objetivos

• Objetivo General

Desarrollar la base de un juego educativo basado en realidad virtual que permita a los estudiantes del noveno año de educación básica suplementar el aprendizaje del estudio de las fracciones simples y analizar la interacción con los dispositivos normales y dispositivos de realidad virtual.

• Objetivos Específicos

• Mostrar y explicar de la tecnología de la realidad virtual y su uso para fines educativos.

• Demostrar la eficiencia de interacción entre un juego educativo de disparos en 2D y 3D.

• Analizar y evaluar la interacción de los dispositivos de realidad virtual con los dispositivos normales para verificar la usabilidad de los juegos de disparos en 3D.

• Contribuir al desarrollo de nuevas aplicaciones en realidad virtual para extender su difusión en el medio educativo.

• Justificación

Para los estudiantes resulta más entretenido y divertido aprender con videos, sonidos, imágenes que simplemente escuchar la materia en un aula [6]. Se necesita incentivar al estudiante, buscando reforzar su aprendizaje, utilizando herramientas tales como los juegos educativos que resultan atractivos para todo tipo de estudiantes, puesto que se incentiva al estudiante a resolver tareas con algún tipo de estrategia [5].

En la actualidad hay un crecimiento en el interés para desarrollar juegos que involucren el uso de la realidad virtual con propósitos educativos. La realidad virtual en la educación es un campo que le falta mucho por explorar, pero los beneficios que aporta esta nueva tecnología dan paso a querer investigar y desarrollar aplicaciones que puedan aportar a la mejora de la educación básica.

La realidad virtual cuenta con una ventaja muy importante a la hora de desarrollar aplicaciones, la interactividad hace que la manera en que se ejecuten las acciones sea de forma natural y transparente. Al unir la realidad virtual con la educación se está abriendo nuevas posibilidades a los alumnos de poder tener una nueva herramienta de aprendizaje que les ayude a que su conocimiento perdure por más tiempo [3] [4].

• Alcances y Restricciones

En este proyecto se implementará un juego educativo para el aprendizaje de fracciones simples basado en realidad virtual, en donde el modo de interacción del usuario con el mundo virtual se realizará mediante el reconocimiento de gestos de la mano y la posición de la misma utilizando un guante con sensores.

El juego consiste en pinchar globos ordenándolos de la mayor a la menor fracción. Cada globo tendrá en su interior grabado la fracción con su gráfico representativo. Los ejercicios de las fracciones irán aumentando en dificultad del primer nivel al último nivel.

La evaluación se verá representada por un puntaje y un tiempo para realizar la tarea. Por cada acierto se sumarán 10 puntos, y por cada desacierto se restarán 10 puntos. Cada vez que se pase del nivel, cuando se hayan pinchado los tres globos que se muestran en la pantalla, se darán puntos de bonificación. La rapidez con la que se resuelven las fracciones será medida con el tiempo.

Para interactuar con el juego el usuario tendrá puestas las gafas estereoscópicas, el guante virtual y el tracker ubicado en la cara interna de la palma de la mano. Los datos que envíe al momento de mover la mano y realizar los gestos con el guante serán leídos por una computadora que cuenta con programas especializados para interpretar estos datos como OpenSceneGraph, SimpleDirectPlayer. Luego de haber procesado los datos de entrada, la salida se verá por proyector 3D, y en conjunto a las gafas se verá la proyección en 3D. (Figura 1.1).

Figura 1.1 Representación de los herramientas a utilizar.

Las pruebas que se realizarán en este trabajo se enfocarán en la interacción del usuario con el juego. Se evaluarán características como la precisión, la dificultad de uso, la comodidad usando el mouse y el guante con el sensor.

• Limitaciones

En el juego, solo se presentarán 3 niveles de dificultad para el juego: fácil, intermedio y difícil. La duración del juego tendrá un límite de 60 segundos, de esta manera evaluaremos la rapidez mental. Y al final del juego se indicará cual fue el puntaje obtenido por el participante.

Para comenzar a jugar se necesitarán todos los dispositivos de realidad virtual proporcionados por el laboratorio, en caso contrario no se podrá hacer uso del juego. Para el desarrollo del juego se cuenta con un solo dispositivo de cada tipo, por lo que limita a las personas para realizar la evaluación del mismo.

CAPÍTULO 2

Fundamentación teórica

En este capítulo se revisan los fundamentos teóricos indispensables para el desarrollo del presente trabajo.

• Tecnología en la educación

La tecnología provee otro método de aprendizaje, en donde el computador resulta como un medio de innovación en la brecha tecnológica.

La tecnología en la educación puede cambiar la manera de cómo los niños piensan, aprenden, interactúan con los demás. El uso del computador en la educación hace que los niños se sientan más seguros de sí mismos al realizar una actividad sin tener el temor de estar equivocados [7].

A continuación nombraremos algunos factores positivos en el uso del computador dentro del salón de clases [8]:

• Los estudiantes aprenden más en el menor tiempo posible cuando reciben una instrucción de un computador.

• A los estudiantes les gusta más la clase en donde se incluyan computadoras y desarrollan aptitudes positivas dentro del salón de clases.

• La aptitud del estudiante para aprender nuevos conceptos mejora cuando se incluye una computadora dentro del salón de clases.

Hay muchas ventajas al incorporar el computador en una estrategia de enseñanza-aprendizaje. Entre ellas tenemos:

• Atraen la atención de los niños.

• Las instrucciones pueden ser adaptadas a la necesidad de cada niño.

• Facilita el acceso a nuevas experiencias de aprendizaje.

• Los estudiantes controlan lo que desean aprender siguiendo un esquema de tareas.

• Enseñanza y Aprendizaje con las computadoras

La importancia de la enseñanza y aprendizaje asistido por la computadora ha venido creciendo desde hace más de tres décadas. Esto ha permitido que el aprendizaje sea apoyado en diferentes materias, con alumnos de todos los niveles, empezando con los más pequeños [9].

Las tecnologías de la información en la educación se encuentran todavía en desarrollo en las aulas de las escuelas y universidades debido a muchos factores socioeconómicos. Esto no ha sido impedimento para saber que existe un gran potencial en esta área para recrear ambientes de aprendizaje con la última tecnología y así generar contenido que pueda ser aprovechado por los estudiantes.

A continuación se detalla los factores que se deben aplicar en el proceso de enseñanza – aprendizaje asistido por la computadora.

• Teorías de Aprendizaje

Las teorías de aprendizaje ayudan a ver la forma en que los estudiantes aprenden frente a un computador.

Estas teorías han sido investigadas por muchos psicólogos y afines por lo que a continuación se dará una descripción de los principios y teorías de aprendizaje comúnmente usados para explicar como ocurre el aprendizaje en los niños.

De acuerdo a Furness-Winn, los principios generales del aprendizaje son [10]:

• La atención es un prerrequisito para el aprendizaje.

• Lo que se aprende, persiste si se practica.

• Las personas olvidan las cosas que no usan.

Las investigaciones que se han realizado en el tema de las teorías de aprendizaje y sus conceptos han provisto a los desarrolladores de una base para mejorar las prácticas en el uso de tecnologías de la información en las aulas, es por eso que mencionaremos los componentes principales que envuelve esta teoría. Entre ellos tenemos: la teoría del paradigma constructivista, el aprendizaje experimental, la retroalimentación y refuerzo del aprendizaje y el aprendizaje incidental.

El paradigma constructivista

Un paradigma es un modo particular de ver el mundo, de interpretar la realidad, a partir de una determinada concepción filosófica. Guba y Lincoln lo asumen como un conjunto de creencias para guiar nuestras actividades y que no pueden ser probados o refutados, pero que de todas maneras representan las posiciones que estamos dispuestos a defender [11].

El paradigma constructivista asume que la manera de aprender es una construcción mental resultado de la actividad cognitiva del sujeto que aprende. Es aprender cómo hacer alguna actividad realizándola por uno mismo. Este concepto es llamado "aprender-haciendo". Si se desea aprender alguna habilidad se debe realizarla eventualmente para que pueda ser adquirida totalmente.

En una visión constructivista del aprendizaje, la idea es que los estudiantes son más capaces de dominar, retener generalizar nuevos conocimientos cuando ellos están activamente involucrados en una actividad y construyen su conocimiento a través de "aprender-haciendo" [12].

Aprendizaje por experiencia

Los estudiantes aprenden mejor cuando disfrutan una experiencia diferente en el aula o en algún tema educativo [10]. El motivo de esto, es que los estudiantes ven la necesidad de experimentar con conceptos y contenidos tan directamente como sea posible para que el conocimiento pueda permanecer en nuestra base del conocimiento. La manera como esto puede ser logrado es:

• Incrementando una motivación interna por medio de una experiencia significativa en donde el estudiante tiene el control.

• Logrando un enganche mental y físico con un apropiado numero de desafíos y narraciones encaminados a una experiencia diferente de aprendizaje.

• Aprendiendo experiencias dentro de un contexto social comprometiendo a la interacción grupal.

Retroalimentación y Refuerzo del Aprendizaje

Estos son los conceptos más importantes en el aprendizaje. La retroalimentación involucra la respuesta del aprendizaje con la información que se tiene del estudiante.

La retroalimentación es importante para poder corregir los errores de los estudiantes y desarrollar nuevos planes de estudio y reforzar el aprendizaje.

El refuerzo del aprendizaje permite tomar decisiones en el futuro a través de la percepción que se tiene del entorno en el que se evalúan a los estudiantes.

Siempre se debe de tener en cuenta el tiempo de respuesta entre la retroalimentación y el refuerzo del aprendizaje, mientras más rápido sea el tiempo de respuesta, la retroalimentación se es más fácil al igual que el refuerzo del aprendizaje. Estas teorías son utilizadas en programas de ejercicios y prácticas.

• Aprendizaje con el computador

El computador puede servir como un medio de aprendizaje siempre que se quiera proyectar lo que se desea. Los investigadores ven al computador como un medio simbólico en donde se presentan ideas concretas para que los niños puedan explorar, descubrir y aprender situaciones que se les presenten en algún tema específico.

En la universidad de Australia, se han propuesto temas generales que han surgido en torno al tema del aprendizaje con el computador [13]:

Aprendizaje activo: Los estudiantes aprenden mejor cuando se encuentran construyendo el conocimiento, manipulando, creando, experimentando, etc.

Aprendizaje personal: Los estudiantes aprenden mejor en un contexto basado en su propia identidad.

Aprendizaje contextual: este aprendizaje es más efectivo si se desarrolla en un contexto del mundo real. Por ejemplo, si queremos aprender operaciones básicas en matemáticas, lo ideal sería practicarlos dentro de un ambiente donde se pueda comprar en tiendas o supermercados.

• Juegos

El juego es una actividad que se utiliza para la diversión y la recreación de los participantes, en muchas ocasiones, incluso como herramienta educativa [14].

Como podemos ver en esta definición, el juego es la interacción entre dos o más personas con el fin de recreación y muchas veces el aprendizaje de ciertos temas.

Para tener una definición más clara de lo que es un juego, se detallan las características principales de un juego [5]:

• Un juego se dedica libremente.

• Un juego es un desafío contra una tarea o un oponente.

• Un juego se controla por un conjunto definido de reglas.

• Un juego representa una situación arbitraria claramente delimitada en el tiempo y en el espacio desde la actividad de la vida real.

• Las situaciones de los juegos son consideradas como de mínima importancia.

• El juego tiene una clara delimitación en el espacio y en el tiempo.

• Un juego termina después de un número finito de movimientos en el espacio-tiempo.

Esta definición que se ha dado de los juegos, es una definición formal tanto desde la psicología como desde la sociología.

• Tipos de juegos

Existen muchas clasificaciones de los tipos de juegos, es por eso que en este documento no se pretende dar una clasificación extensa de los tipos de juegos, sino solo referenciar el tipo de juego que se utiliza en el desarrollo.

Hay juegos que exigen al jugador utilizar los conceptos o fórmulas aprendidas. Cuando un jugador empieza a jugar, tendrá que utilizar algún conocimiento como por ejemplo: una multiplicación, una suma, calculando el orden, etc. Este tipo de juego se lo denomina como juego de conocimiento.

Este tipo de juego se puede efectuar en tres niveles de aprendizaje [5]:

Al inicio del aprendizaje: A través de un juego, el alumno puede llegar a descubrir un concepto o establecer una justificación de un tema. De este modo, el juego es la única opción del aprendizaje.

Como recurso del aprendizaje: El juego puede ser una más de las actividades que el profesor utiliza para la enseñanza de un tema específico. En este caso, el juego es un recurso más de aprendizaje.

Como refuerzo del aprendizaje: Luego que los alumnos han recibido la enseñanza sobre un tema específico, el juego sirve como refuerzo en lo que han aprendido. Por lo tanto, el juego sirve para consolidar el aprendizaje.

El juego que se implementará servirá como refuerzo de aprendizaje por lo que el estudiante debe de saber el concepto de lo que es una fracción y ordenar los números de mayor a menor.

• Juegos en primera persona

El juego en primera persona (FPS) pertenece a la clase de los videojuegos que se centran en la acción vista desde los ojos del jugador [15]. Este tipo de juegos utiliza uno más dispositivos de entrada como por ejemplo: el teclado, joystick, mouse, TrackBall, etc. Las características de este tipo de videojuegos son: la perspectiva, el realismo, la temática y los niveles. La perspectiva se centra en la visión del jugador. El jugador ve la escena desde una cámara que sigue el personaje.

Los juegos que utilizan simulaciones físicas suelen ser más reales que los juegos que no lo hacen. Las gráficas que usan dentro del escenario también ayudan a mejorar el mundo virtual. La temática es una manera opcional de clasificar este tipo de juegos [16]. Es necesario darle una temática para poder clasificar el tipo de juego. Los niveles hacen que el jugador cada vez que juega, sea una experiencia distinta pero a la vez tiene la percepción general del juego (figura 2.1).

Figura 2.1 Juego de FPS

• Realidad virtual

La realidad virtual ha sido definida como: "La presencia de humanos en un espacio generado por ordenador", o más concretamente, "un ambiente multimedia altamente interactivo, basado en computadoras, en el que el usuario se convierte en participante con la computadora virtualmente en el mundo real" [17].

La realidad virtual es la interacción en tiempo real de la computadora con un usuario real en un mundo virtual combinando gráficos en tercera dimensión. El usuario puede interactuar con objetos, personas, ambientes y eventos diferentes tan parecidos al mundo real.

Eventualmente, el objetivo principal de la realidad virtual es el de entregar una experiencia diferente entre el computador y el humano de modo que le permita a la persona sentir el mundo generado artificialmente como si fuera real [18].

• Características de la realidad virtual

Una aplicación de realidad virtual debe tener las características de interactividad e inmersión.

La interacción con un ambiente generado por computadora se da cuando las acciones del usuario son correspondidas con acciones de la computadora. La persona, dentro del mundo virtual, puede realizar diferentes tipos de actividades como en la vida real. Por ejemplo, si el usuario decide mover con su mano un objeto en el mundo virtual de un lugar a otro, la computadora responde a esta acción mostrando en la pantalla que el objeto ha cambiado de lugar [20].

La interactividad con el mundo virtual comprende la manipulación, navegación y comunicación entre objetos mediante los dispositivos de realidad virtual.

Cuando hablamos de inmersión nos referimos a dos tipos de inmersión: mental y física.

La inmersión mental significa "una sensación de presencia" [19]. La inmersión mental se puede obtener de la imaginación de la persona en conjunto con medios de visualización como por ejemplo una película, un texto narrado, una secuencia de imágenes. Las animaciones por computador mejora este tipo de inmersión dando la sensación de tiempo y movimiento.

La realidad virtual mejora la inmersión física permitiendo que mediante los dispositivos de realidad virtual, la navegación sea tan natural como en el mundo real, en un espacio de tres dimensiones, además, de permitir que el usuario pueda caminar, mirar y actuar en el ambiente real. El sonido y otros dispositivos de respuesta también pueden mejorar la experiencia virtual.

Mundo Virtual

Los gráficos y animaciones en 3D que se proyectan en el mundo virtual utilizan los principios básicos de gráficos y animaciones por computadora: modelamiento, mapeado e iluminación.

En una aplicación de realidad virtual se trata de minimizar las geometrías utilizadas en los modelos para hacer que el tiempo de respuesta sea aproximadamente igual al tiempo real.

Para simular los efectos de iluminación en un mundo virtual generalmente se utiliza un mapeado de texturas, debido que los algoritmos para calcular la luminosidad en el ambiente pueden hacer que la aplicación aumente su tiempo de procesamiento.

Retroalimentación sensorial

La realidad virtual ofrece una retroalimentación visual en el caso de la interacción con los objetos inmersos. También se puede ofrecer una retroalimentación auditiva, al incorporar sonidos simulados dentro del ambiente.

Existen otros tipos de retroalimentación como lo son para el gusto y el olfato, pero en la actualidad utilizar este tipo de dispositivos representa un costo alto en el desarrollo del sistema de realidad virtual debido a que se necesita de una interfaz más compleja y de computadoras con alta velocidad de procesamiento.

• Sistemas de Realidad virtual

Para poder entender la tecnología que abarca los sistemas de realidad virtual, describiremos brevemente el hardware que se utiliza para desarrollar las diferentes aplicaciones de realidad virtual.

Los sistemas de realidad virtual comparten ciertas características importantes como: la capacidad, el costo, rendimiento y la disponibilidad [9].

Es importante tener presente estas características en el momento de seleccionar el hardware que se va a utilizar debido al alto costo de los mismos por ser una nueva tecnología.

El hardware que se utilice va a determinar el tipo de inmersión que se desea proporcionar. Por esta razón se han clasificado tres tipos de sistemas de realidad virtual.

Realidad virtual de Escritorio

La realidad virtual de escritorio generalmente es proyectada en una computadora personal con un monitor normal; se crea un ambiente menos elaborado en consecuencia al procesamiento que tiene que realizar el computador (figura 2.2).

La interacción con el ambiente virtual se realiza con la ayuda del mouse, el teclado o en algunos casos con el guante virtual o un mouse 3D que permite la navegación en los 3 ejes sin apoyar el dispositivo en alguna superficie [24].

Esta forma de realidad virtual no refleja totalmente la inmersión al usuario pero se puede habilitar el modo estéreo en la pantalla, permitiéndole al usuario utilizar unas gafas de tercera dimensión y así incrementar la percepción en 3D [13].

La realidad virtual de escritorio es considerada una de las más comunes y más baratas para desarrollar un sistema de realidad virtual.

Con el avance tecnológico, el bajo costo de los procesadores y la accesibilidad a una computadora, estos sistemas han crecido en popularidad dentro del ámbito educacional [12].

Figura 2.2 Realidad virtual de escritorio

Realidad virtual Inmersiva

La realidad virtual inmersiva ofrece una visión estereoscópica, que consiste en crear dos diferentes imágenes del ambiente, una para cada ojo con una distancia de separación equivalente a la distancia de separación de los ojos.

Hay varias formas de presentar este tipo de realidad virtual: las gafas LCD con un disparador infrarrojo incorporado y el HMD. Para navegar dentro del mundo virtual se utiliza los dispositivos de entrada como vimos en el apartado anterior.

Uno de los grandes problemas que tienen los dispositivos de entrada es el retardo que produce al sensar el movimiento, el tiempo requerido para tomar los puntos en el espacio real y procesarlos, antes que esta información llegue al ambiente virtual. Además, existen trajes especiales con sensores incluidos pero que también resultan incómodos y restrictivos a la hora de la interacción [25].

Todas estas vías de interacción están siendo reemplazadas por nuevas tecnologías de interacción para tratar de eliminar estos medios restrictivos y comunicarse por medio de mecanismos naturales de interacción humana como lo son los gestos y la voz, incluyendo interfaces naturales para el usuario.

• Realidad virtual en la educación

La realidad virtual en el área educativa representa un gran desafío para las personas especializadas en desarrollar aplicaciones de este tipo. Los estudiantes y los profesores son los actores involucrados en este nuevo recurso de aprendizaje.

Muchas veces los profesores que tienen mayor experiencia en la enseñanza se les dificultan aprender a usar nuevas herramientas informáticas, contrario a los estudiantes, que nacen en la era de la tecnología e informática, capaces de adaptarse a cualquier cambio tecnológico.

• Aplicaciones Educativas de Realidad virtual

Existen una variedad de aplicaciones de realidad virtual de diferentes tipos, a continuación presentamos algunos ejemplos de aplicaciones relacionadas por temas educativos, además, de presentar el soporte pedagógico de cada una de ellas [9].

Educación Especial y habilidades adquiridas

Con el uso de ambientes virtuales, los niños con problemas de aprendizaje podrán acceder a aéreas del mundo real que nunca han experimentado [40].

Las personas que tengan alguna discapacidad física pueden hacer el uso de simuladores que les permita recrear las actividades como si fuera el mundo real, teniendo la sensación de movimiento dentro del ambiente virtual. Por ejemplo, una persona en sillas de ruedas puede ser entrenada dentro de un mundo virtual antes de ser puesta en el mundo real.

Además, no solo sirve para las personas con discapacidades, sino también para las personas que deseen alguna clase de entrenamiento. La universidad de Carnegie Mellon ha desarrollado la Bicicleta Virtual, en donde la persona puede encontrar varios escenarios reales y así adquirir la habilidad necesaria para poder superar todas las pruebas que el ambiente le muestre [12].

Historia y Cultura

Para explorar eventos pasados y otras culturas se han desarrollado ambientes virtuales colaborativos, el cual permite que los estudiantes desarrollen sus facultades de colaboración entre compañeros  motivando la participación activa de los alumnos, lo que ayuda a la formación de su carácter.

La Universidad de Sheffield Hallam en Inglaterra ha desarrollado una aplicación de escritorio en realidad virtual para aprender Grecia Antigua [12].

En la actualidad también se están construyendo museos interactivos que incluyen realidad virtual como los paseos guiados dentro de un ambiente virtual.

La realidad virtual permite a los invitados del museo viajar años atrás donde las grandes civilizaciones no existían, además, de "vivir" eventos que ocurrieron miles de años atrás [28].

Ciencia y matemáticas

La realidad virtual es utilizada en la química, especialmente en la visualización de las cadenas de ADN. Los modelos tridimensionales ayudan al entendimiento las formas y propiedades de moléculas complejas.

También, se ha abierto al campo de la física, en donde se puede experimentar con leyes físicas, como por ejemplo el efecto de aplicar la ley de la gravedad en un objeto, las leyes de Newton, las leyes de movimiento y la conservación de la energía, etc.

La Universidad George Mason en conjunto con la Universidad de Houston y el Centro Espacial Johnson de la Nasa han desarrollado el proyecto ScienceSpace, que crea mundos virtuales para el aprendizaje de conceptos complejos y abstractos. NewtonWorld, MaxwellWorld y PaulingWorld (figura 2.3) son tres mundos virtuales que ayudan a la enseñanza de este tipo de conceptos [29].

Otra área en la que se puede utilizar la realidad virtual es en la enseñanza de ecuaciones algebraicas, en donde el estudiante se convierte parte de una ecuación, poniendo piezas de la ecuación para resolver problemas matemáticos [10].

Figura 2.3 Ejemplos de aplicaciones de realidad virtual

Biología y Ciencias de la Naturaleza

El Instituto de Tecnología de Georgia y el Centro de Visualización Gráfica han desarrollado una Exhibición virtual Gorilla que permite al visitante explorar a un gorila dentro de su hábitat, su comportamiento y su interacción social [12].

En esta categoría también se han desarrollado proyectos que enseñan los ecosistemas naturales, en el cual los estudiantes interactúan con el ambiente virtual formando ecosistemas con sus respectivos procesos biológicos, físicos y químicos [10].

Temas como el ciclo de vida de las plantas y animales en biología, el agua y su ciclo, los volcanes y el movimiento de las placas tectónicas se enseñan con aplicaciones de realidad virtual.

• Aprendizaje con la Realidad virtual

La realidad virtual posee diversas características dentro del campo de tecnologías emergentes, lo que hace que tenga mucho potencial para mejorar el proceso de enseñanza – aprendizaje dentro de la educación.

La realidad virtual estimula nuevas formas de aprendizaje para los estudiantes, haciendo que la experiencia sea totalmente natural facilitando la interactividad dentro de los ambientes virtuales con capacidades visuales, auditivas y de movimiento al mismo tiempo. Esta tecnología tiene el potencial de cambiar la manera como aprendemos [18].

Investigadores de la Universidad del Este de Carolina del Norte, aseveran que la realidad virtual ofrece una gama de posibilidades educacionales. Los mundos virtuales atraen la atención de los estudiantes cognitiva y afectivamente además, de ser muy intuitivos.

La realidad virtual es considerada como una tecnología prometedora para los años futuros, puesto que con toda la diversidad de ventajas, sirve como medio de comunicación, medio artístico y medio entre el humano y la computadora.[10].

Además, los investigadores se encuentran actualmente trabajando y explorando nuevas ideas sobre la naturaleza del aprendizaje basado en las características que la realidad virtual provee [18].

• Teorías pedagógicas que apoyan la realidad virtual

Existen diferentes teorías pedagógicas que ayudan a desarrollar un sistema de realidad virtual aplicado a la educación.

Como se revisó al inicio del presente trabajo, la teoría de aprendizaje constructivista y el aprendizaje por experiencia, son aplicados al desarrollo de aplicaciones que utilizan la realidad virtual. Por otra parte, los estudiantes utilizan ambientes virtuales en primera persona; y manipulan directa y activamente los objetos virtuales para atraer su atención.

Por otro lado, el aprendizaje activo y contextual se enfoca directamente al aprendizaje por experiencia y se involucra dentro del desarrollo de sistemas de realidad virtual [49].

CAPÍTULO 3

Análisis de requerimientos y diseño

Entre los requerimientos que se cumplirán dentro del alcance del juego educativo se tiene:

• Requerimientos Funcionales

• Requerimientos No Funcionales

• Requerimientos funcionales

Los requerimientos funcionales definen cuales son las funciones que el jugador realizará a medida que se vaya ejecutando el juego. Estos requerimientos son:

• Opción Instrucciones: esta opción del juego permite al usuario conocer las reglas del juego para su mejor desempeño y entendimiento.

• Opción Puntaje: permite al usuario conocer las mejores puntuaciones de los usuarios que anteriormente usaron el juego.

• Opción Salir: le permite al usuario salir del juego.

• Nivel de dificultad: le permite al usuario seleccionar el nivel de dificultad dependiendo de su experiencia con el juego. El juego consta de tres niveles: fácil, intermedio y difícil, siendo el fácil para las usuarios que recién empiezan jugando y el difícil para los usuarios experimentados.

• Seleccionar nombre: le permite al usuario seleccionar el nombre que desee para ser guardado en un registro de jugadores.

• Disparo de objetos: le permite al usuario disparar los objetos usando el guante y el sensor.

• Visualización de puntos y tiempo: le permite al usuario visualizar los puntos y el tiempo. Los puntos dependerán de los disparos correctos o incorrectos que realice el usuario. El tiempo que tiene el usuario para jugar es de 60 segundos en el cual obtendrá la mayor puntuación.

• Guardar puntaje y jugador: permite guardar el nombre y puntaje del jugador en el juego para que después sea mostrado en la opción "puntaje" del juego.

• Movimiento de bolas: esta funcionalidad permitirá que las bolas en el juego se muevan y tengan una colisión dependiendo de la ubicación. La velocidad de las bolas será ajustada a una velocidad media para que los usuarios no tengan que realizar movimientos bruscos y logre confusión al momento de la interacción.

• Calibración: con esta funcionalidad se logrará una mejor obtención de los valores del sensor para su funcionamiento.

• Requerimientos no Funcionales

Los requerimientos no funcionales influyen en la operatividad del sistema. Para el desarrollo del juego consideramos los siguientes:

• Eficiencia: el manejo de la visualización del juego debe ahorrar recursos de hardware para su mejor desempeño.

• Rendimiento: el juego debe ser capaz de dar respuesta a los gestos y posiciones dadas por el usuario minimizando el tiempo de respuesta entre el usuario y la computadora.

• Apariencia: el juego debe tener una interfaz de uso intuitiva, sencilla y gráfica. Debe usar los colores adecuados. Como se trata de un juego para niños, se deben de utilizar colores llamativos pero sin dejar a un lado el contraste de los mismos. No se deben de utilizar colores fuertes y oscuros.

• Diseño del juego educativo

• Arquitectura

El juego educativo que se presenta en este proyecto está dividido en tres capas principales.

La capa de entrada se define como los datos de entrada al juego, los cuales provienen del tracker, del guante y los datos de los archivos almacenados en el disco duro. Luego, los datos son cargados y pasan a la siguiente capa de procesamiento.

La capa de procesamiento carga los objetos en la escena incluyendo los datos del usuario, controla el tiempo de duración del juego, guarda la puntuación que obtuvo en el juego, detecta las colisiones de los objetos, maneja los eventos que ocurren en la escena, calibra los valores del tracker y envía los datos a la última capa.

La capa de salida muestra la escena que está siendo procesada por la capa anterior en el proyector, guarda en el archivo el puntaje obtenido por el usuario. La figura 4.1 muestra el diseño completo de la aplicación.

Figura 3.1 Diseño del proyecto.

La capa de procesamiento ha sido divida en cinco módulos que manejan las acciones en el juego: (figura 3.2).

• Módulo de Entrada

• Módulo del Tracker

• Módulo Manejador de Eventos

• Módulo Detector de Colisión

• Módulo Visualización

Figura 3.2 Diagrama de interacción de los módulos de procesamiento.

A continuación se describe con más detalle el proceso de cada módulo.

Módulo de Entrada

En el módulo de entrada se encuentran los datos que envían los dispositivos de entrada (guante y tracker). Los datos del guante son enviados por señales de 4 bits, cada bit representa un gesto con la mano. Los datos del tracker son enviados por señales de 8 bits para cada eje, y luego son transformados en un vector que contiene la lectura del sensor.