Diseño e implementación de un juego matemático de disparos en 3d y análisis de los dispositivos interacción de 2d y 3D



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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
  1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA


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



    1. 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.



    1. 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.

  1. 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.


  1. 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.
    1. 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.

  1. 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.



  1. 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

    1. 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].

  1. 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.



  1. 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



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