124 - jorge diaz, adán ancamil, mirta llancaman ... · generar ambientes virtuales de aprendizaje,...

124 - Jorge Diaz, Adán Ancamil, Mirta Llancaman

Laboratorio Virtual InteractivEnseñanza de la Físi

Jorge Diaz, Adán A

Univers

ocanca

idad de La {jdiaz, aancamil}@iie.ufro.cl, [email protected]

torno de realidad virtual no

in duda que últimamente muchas de las nuevas tecnologías

solo en el último tiempo se está reconocimiento ialidades que esta tecnología puede ofrecer a los

realizar acciones dentro de un modelo virtual, desplazarse,

ofesionales de enfermería, permite a los

éctricas, los impactos geológicos de un volcán

a su definición, un sistema de RV se puede

que pueda convencer al usuario

que es la habilidad del usuario para moverse independientemente alrededor del mundo. El otro punto importante es el posicionamiento del punto de vista del usuario. El usuario se puede mirar a sí mismo (a través de los ojos de alguien más), o puede moverse a través de cualquier aplicación observando desde varios puntos de vista.

en Internet para apoyar la de Ondas y Óptica

mil, Mirta Llancaman Frontera, Chile

procesos de enseñanza - aprendizaje. La RV permite interactuar con mundos tridimensionales de una manera más natural, por ejemplo, un usuario puede

ABSTRACT This paper presents an Educative Software in Internet, which implements an interactive virtual reality environment representing a laboratory, that support the learning process in the area of the Physics of Waves and Optics, specifically the phenomena of Interference and Diffraction. The Software helps professors to work in the classroom experiences that traditionally are made in physics laboratories, which are not always available or have a high implementation cost. The software was developed in JAVA 3D platforms and it only requires the installation of an extension in order to be used from the navigator at http://www.iie.ufro.cl/~jdiaz/applet/.

RESUMEN En este artículo se presenta un Software Educativo en

ternet, el cual implementa un enIninmersivo que representando un laboratorio, que potencia el proceso de enseñanza - aprendizaje en el área de la Física de Ondas y Óptica, específicamente los fenómenos de Interferencia y Difracción. El software permite apoyar a profesores, permitiendo presentar en la sala de clases experiencias que tradicionalmente se realizan en laboratorios de física, los que no siempre están disponibles o son de un alto costo de implementación. El software esta construido en plataformas de código abierto (JAVA 3D) y sólo requiere instalar la extensión necesaria en el navegador para ser utilizado desde http://www.iie.ufro.cl/~jdiaz/applet/.

INTRODUCCIÓN Sde la información y comunicación (TIC), utilizadas para generar ambientes virtuales de aprendizaje, han potenciado las cualidades inherentes que poseen en el desarrollo e implementación de nuevas prácticas educativas. La Realidad Virtual (RV) es una simulación tridimensional generada o asistida comúnmente por computadora de algún aspecto del mundo real o ficticio, en el cual el usuario tiene la sensación de pertenecer a ese ambiente sintético e interactuar con él. La RV se entiende muchas veces como la tecnología en la que el usuario participa en primera persona, es decir en un medio totalmente inmersivo. Aunque las ventajas de la RV son inherentes,

s potencla

moverse, caminar a través de él o levantar cosas, y de esta forma experimentar situaciones que se asemejan al mundo real. (Corrado et al, 2000). Hoy en día la RV se plasma en una multiplicidad de sistemas y en aplicaciones de las más diversas áreas como Tele presencia, Telerrobótica, Industria, Medicina, Ingeniería, Arquitectura, Educación, Robótica, Juegos Electrónicos, Televisión, etc. ayudando a disminuir la brecha entre el conocimiento y la aplicación. Por ejemplo, la aplicación de la RV en los futuros prestudiantes simular situaciones y tomar riesgos al ejecutar decisiones, ganando habilidades en el pensamiento crítico que permiten conseguir la seguridad que se requiere al enfrentar la situación real de atender a un paciente. (Simpson, 2002). Otras aplicaciones científicas de la RV consisten en el estudio de tormentas elen erupción, el diseño de compuestos químicos, el análisis molecular, la investigación en ingeniería genética (Hilera et al, 1999). La RV aprovecha todas las técnicas de reproducción de imágenes y las extiende, usándolas dentro del entorno en el que el usuario puede examinar, manipular e interactuar con los objetos del mundo virtual.(Hilera et al, 1999). De acuerdo identificar como aquel que cumple las siguientes características (Vera et al, 2001): Simulación: Capacidad de replicar aspectos suficientes de un objeto o ambiente de forma de su casi realidad. Interacción: Rasgos que hacen posible al usuario manipular el curso de la acción dentro de una aplicación de RV, permitiendo que el sistema responda a los estímulos de la persona que lo utiliza; creando de dicha forma una interdependencia entre ellos. Existen dos aspectos únicos de la interacción en un mundo virtual. El primero de ellos es la navegación,

Laboratorio Virtual Interactivo en Internet para apoyar la Enseñanza de la Física de Ondas y Óptica - 125

Percepción: Permite la interacción con los sentidos del usuario (vista, oído y tacto), principalmente la visión. De ésta

ensional al espacio

iferentes ángulos, además de poder asignar conductas y

AD VIRTUAL

, se pueden identificar los siguientes tipos de RV: Sistemas inmersivos, semi-inmersivos y no inmersivos (Corrado et al, 2000).

Sistemas Inmersivos Los sistemas inmersivos son aquellos donde el usuario se siente literalmente dentro del mundo virtual que esta explorando. Este tipo de sistemas utiliza diferentes dispositivos denominados accesorios, como pueden ser guantes, trajes especiales, visores o cascos, estos últimos le permiten al usuario visualizar los mundos a través de ellos y a la vez aislarse, en cierto grado, del mundo exterior. La idea esencial de estos sistemas es que el usuario vea el mundo virtu de sistem o apacitación. Algunos ejemplos de Sistemas Inmersivos de V son:

de estar físicamente en tro lugar por medio de una escena creada por computadora.

Ventanas Ac a se basa en olocar las muestras directamente en frente del usuario, y

de posición y rientación que informan a la máquina la posición del usuario

Sas semi-inm os de proyección se

un dispositivo de seguimiento de movimientos de la cabeza.

ciones donde se requiere que el usuario se mantenga en contacto con ele al. Un ejemplo de

istemas Semi-Inmersivos de RV es:

más común de este tipo e simuladores es la cabina para el entrenamiento de

aviad del ispositivo o máquina que se desea simular. Las ventanas de

cas que rindan el sonido ambiental y puede estar colocada fija o

sobre ejes móviles. ado para responder n tiempo real a los estímulos que el usuario le envía por

nes científicas, también son usadas omo medio de entretenimiento y aunque no ofrecen una total

lgunos ejemplos de Sistemas No Inmersivos de RV son: Sistemas Desktop: Engloban aquellas aplicaciones que muestran una imagen 2D o 3D en una pantalla de computadora en lugar de proyectarla a un casco o visor. Puesto que representan mundos de 3 dimensiones los exploradores pueden viajar en cualquiera dirección dentro de estos mundos, los ejemplos característicos de estos ambientes son los simuladores de vuelo para computadora, y la mayoría de los juegos de alto nivel de realismo para computadora. Realidad Virtual en Segunda Persona: En este tipo de RVuna imagen tada junto

otras imágenes en una extensa pantalla donde el usuario

lucran ones de los

nis entes u otros medios inmersivos ara aumentar la real poniendo esquemas,

diagramas, textos, refer tipo de sistemas se ha enido utilizando trad en los aviones de ombate, en l rmación de

o directam sco.

manera se busca dar una forma tridimvirtual. Sin embargo el audio y el tacto están tomando cada vez más importancia. Así el usuario pude creer que realmente está viviendo situaciones artificiales generadas computacionalmente, alcanzando una sensación de inmersión en un ambiente digital. Dentro de las ventajas que se le pueden atribuir a la RV sobre otras tecnologías de interacción humano-computadora es que el ambiente puede ser visualizado en tiempo real desde datributos a objetos del medio que funcionan como simulaciones del mundo real, además este tipo de interfase es que el conocimiento intuitivo del usuario puede ser explotado para manipular el mundo virtual (Kubo et al, 2002).

TIPOS DE REALIDTomando en cuenta el grado de Simulación, Interacción y Percepción del que el sistema haga uso

al como si estuviera viendo el mundo real. Este tipoas son ideales para aplicaciones de entrenamiento

cR Telepresencia: Término creado por Marvin Minsky en los años ‘70 que significa presencia remota, es un medio que proporciona a la persona la sensacióno

opladas Visualmente: Este sistemcconectando los movimientos de la cabeza con la imagen mostrada. Para lograr mayor acople la inmersión se logra con un casco estereoscópico, que posee sensores oen todo momento, además de indicarle hacia donde está mirando.

istemas Semi-Inmersivos ersivos o inmersivLos sistem

caracterizan por poseer generalmente 4 pantallas ubicadas en forma de cubo (tres pantallas forman las paredes y una el piso), las cuales rodean al observador, el usuario usa lentes y

Este tipo de sistemas son usados principalmente para visualiza

mentos del mundo reS Cabina de Simulación: La muestra d

ores. Generalmente la cabina recrea el interiordla misma se reemplazan por pantallas de computadoras de alta resolución, además existen bocinas estereofónib

El programa está diseñemedio de los controles dentro de las cabinas.

Sistemas No Inmersivos Los sistemas no inmersivos o de escritorio, son aquellos donde el monitor de la computadora es la ventana hacia el mundo virtual y la interacción es por medio del teclado, micrófono, mouse o joystick. Este tipo de sistemas son idóneos para visualizaciocinmersión son una buena alternativa de bajo costo. A

en movimiento del usuario es proyec

conpuede verse así mismo como si estuviese en escena. En esencia los usuarios se miran ellos mismos como proyectados hacia el mundo virtual. Los usuarios pueden pintar diseños de colores en el aire, o hacer cualquier movimiento que el sistema reacciona en tiempo real. A diferencia de los sistemas de inmersión los sistemas en segunda persona invo

ercepciones y respuestas en tiempo real a las acciphumanos involucrados, quienes están liberados o mejor dicho, no están sometidos al uso de cascos, guantes, alambres, etc. Realidad Aumentada: Esta se logra cuando una persona se co fía del mundo real como línea de referencia, pero utiliza

ores de cristal transparvp idad, super

en tecias, etc. Esicionalmentev

c os que al piloto se le proyecta infoente sobre la propia visera de su cavuel


Realidad Virtual de Escritorio: Es una subinstalación del dicional sistema de RV.tra En lugar de utilizar cascos para

ostrar la información visual utiliza un monitor grande de computadora o un Algunos sistemas de este tipo permiten r una imagen de tres dimensiones en sus monitores, pero utilizando lentes crystal eyes y pantalla ido.

EDUCACIÓN

vidades apoyadas por esta capacidad mejora y cilita el proceso de enseñanza-aprendizaje actual, tomando

a coordinar el so de los sentidos, para de esta forma ganar conocimiento de

no on los conceptos que son comunicados por medio de dichos

símbolos. Winn (1993) que la interacción no simbólica, donde un indiv xperimenta el mundo directamente, es una herramienta de gran alcance dentro de las aplicaciones de RV para la educación, aquí los estudiantes pueden atacar directamente los conceptos, sin necesidad de símbolos. Lo anteriormente mencionado es apoyado por un estudio conducido por Winn y Bricken (1992). Ellos describen un interesante mundo virtual en el cual las relaciones entre los objetos siguen un sistema de reglas algebraicas y aritméticas.

Winn y Bricken (1992) sostienen que es perfectamente posible que los estudiantes aprendan la base conceptual del álgebra sin aprender ni utilizar los símbolos convencionales siempre que la experiencia de aprendizaje sea directa, personal e implícita. Ellos creen que el propuesto mundo virtual del álgebra quita los impedimentos impuestos por el sistema tradicional de símbolo basado en text .

SIMULACIÓN DE UN LABOR TORIO VIRTUAL DE ONDAS

proliferación de boratorios virtuales ar alguna temática

científica, la que hac el potencial que se

xperiencias no tan fác el mundo real, como

por ejemplo, obtener érminos científicos se

entación te para este Artefacto está orientada hacia la Óptica. Esta área de

entre todas la cias existentes dentro de esta rama física se opt r en la simulación de xperimentaciones que d e la Luz no es tan sólo

le dicha demostración son los e Int zarán s ex n de

ulación. La indicada virtud es sin duda la oportunidad que proporciona el hecho de contar con un laboratorio virtual, que posibilite la realización de experimentos con materiales poco accesibles tanto desde el punto de vista técnico como económico. Algunos ejemplos de estos materiales pueden ser un Prisma, una Fuente de Luz, Lentes, etc.

m sistema de proyección.

al usuario ve

de LCD o pantallas de cristal líqu

REALIDAD VIRTUAL EN LALa RV y su potencial han sido extensamente reconocidos como el mayor avance científico orientado a la educación del último tiempo, pues la mencionada tecnología puede ofrecer una significativa ayuda para el desarrollo del proceso de enseñanza-aprendizaje. Existen numerosas vías por medio de las cuales la tecnología de RV espera facilitar este proceso. Una de estas capacidades únicas con las que cuenta la RV es la habilidad de permitir a los estudiantes visualizar conceptos abstractos, observar eventos a escala atómica o planetaria, visitar ambientes e interactuar con eventos a distancia, etc. El tipo de actifaen cuenta que de esta forma los estudiantes pueden dominar, retener y asimilar de mejor manera los nuevos conocimientos que adquieren cuando ellos están activamente envueltos en la construcción de dicho conocimiento, es decir, viviendo la situación de “aprender haciendo”. Hay indicios de que, en áreas de aplicación convenientes, la RV puede ofrecer un medio eficaz para desarrollar ciertas destrezas. Por ejemplo, habilidades que ayudan ualguna situación virtual lograda mediante el uso de simulaciones. Muchos investigadores y profesores, motivados por el indicio anteriormente señalado, creen que la tecnología de RV ofrece fuertes ventajas que pueden apoyar el proceso educacional. Varios estudios han investigado el impacto de la inmersión en la eficacia del uso de la RV. Pero sobretodo, la mayoría de las investigaciones se basa en la búsqueda argumentos sólidos, para determinar si la RV es una tecnología educativa eficaz. Winn (1993) argumentó que la educación tradicional requiere que los estudiantes aprendan símbolos complejos antes de concentrarse en los conceptos impartidos por los educadores. Así muchos estudiantes pueden fallar porque tienen problemas con la naturaleza simbólica de la educación, y c

sugirióiduo e

o

AY ÓPTICAS La capacidad de representación de situaciones especiales que ofrece la creación de ambientes virtuales abre una gran gama de ramas educativas en las cuales podría ser útil implementar alguna aplicación utilizando la tecnología de RV. Sin mbargo, debido al creciente interés y e

la , se decide busciendo us de todoo

pudo apreciar durante el desarrollo del Prototipo previo, pueda lograr ser representada en un ambiente tridimensional disponible vía Web. Dicho ambiente debe, además de representar situaciones eales, entregar la posibilidad de realizar experimentos or

e iles de lograr enlo tque en

denomina “condiciones ideales” de realización de experimentos. La fundam órica seleccionada

Fís de Ondas yica la física estudia fenómenos interesantes, de gran atractivo visual, lo que permite una representación gráfica muy potente. De s experien

a por trabajaemuestren que

de naturaleza Corpuscular, si no que también se comporta como Onda.

os fenómenos que hacen factibLd erferencia y Difracción. Para su desarrollo se utili

perimentos de Interferencia de Young y DifraccióloFraunhofer respectivamente. Con la elección de estos experimentos nace una nueva ventaja de llevar a cabo su sim


Los Fenómenos seleccionados se describen a continuación:

Interferencia: Interferencia de Young El término Interferencia se refiere a cualquier situación en la que dos o más ondas se superponen en el espacio. El principio mas importante de toda la óptica física es el de Superposición Lineal, éste dice lo siguiente: “Cuando dos as ondas se superpon nto y os desplazamientos inst ucirían en el punto

, si cada una de ellas estuviera sola”

o men, el desplazamiento resultante en cualquier pu

en cualquier instante puede hallarse sumando lantáneos que se prod

por ondas individuales(Sears et al, 1982). De esta forma, se puede distinguir la interferencia positiva o constructiva, resultante de la suma de las amplitudes de las ondas involucradas. Así como también la interferencia negativa o destructiva, obtenida como la diferencia de las amplitudes de las ondas en cuestión. Para una explicación más cuantitativa de cómo se lleva a cabo este fenómeno, se presenta la figura 1:

Figura 1. Sistema detallado de Interferencia de Young

Si los recorridos de las dos ondas generadas en las rendijas S1 y S2 para llegar sobre el punto P son respectivamente r1 y r2 entonces, en el punto P las dos ondas podrán escribirse d ac

y1 (P) = a * sen 1 - ω* t + φ) y (P) = a * sen (k * r - ω* t + φ)

armónica de

al cuadrado de la amplitud, se obtiene:

) = 4 * i * cos2 δ/2

o que en promedio la iluminación es 2i. La figura variación de la Irradiancia con los valores de δ.

euerdo a las siguientes ecuaciones:

(k * r2 2

Donde se ha supuesto que las dos ondas tienen la misma fase inicial j y la misma amplitud a, esto es cierto solamente si las dos rendijas S1 y S2 tienen el mismo ancho. Entonces la perturbación resultante en el punto P corresponde a la suma de las dos ondas. y (P) = y1 (P) + y2 (P)= a * sen (k * r1 - ω* t + φ) + a * sen

(k * r2 - ω* t + φ) La superposición de dos ondas armónicas de la misma frecuencia da como resultado otra onda

frecuencia idéntica a las ondas precursoras y de amplitud igual a:

A2 = 4 * a2 *cos2 δ/2 Siendo d la diferencia entre las fases de las dos ondas que se superponen en el punto P, es decir:

δ = (k*r2 – ω*t + φ) - (k*r1 – ω*t + φ) = k (r2 - r1) Teniendo en cuenta que la Intensidad Luminosa es proporcional

I(P Esta relación demuestra lo que se señalo con anterioridad, estableciendo que la Irradiancia o Intensidad Luminosa en cualquier punto P de la pantalla es cuatro veces la iluminación producida por una sola de las rendijas, multiplicada por cos2 δ/2 . Este último término implica que la iluminación de la pantalla no es uniforme sino que varía de punto a punto de acuerdo con el valor del desfase δ entre las dos ondas componentes. Por supuest2 ilustra la

Figura 2. Iluminación según valores de δ

videntemente habrá máxima iluminación, es dE ecir

s2 δ/2 = 0 o sea

er que:

| r2 – r1| = n* λ

interferencia constructiva, en los puntos en los que resulte cos2 δ/2 = 1, o sea δ = 2 * n * π, mientras que habrá mínima irradiancia o interferencia destructiva, en los puntos para los uales cocδ = (2 * n + 1) * π, en ambos casos n=0, 1, 2,3…. Tomando en cuenta la ecuación (5) y recordando que λ=

ongitud de onda, se puede vL En los puntos en los cuales las dos ondas llegan con una

diferencia de recorrido

n = 0, 1,2…

Habrá Interferencia Constructiva.


En los puntos en los cuales las dos ondas llegan con una diferencia de recorrido

| r2 – r1| = (2*n + 1)* λ/2

n = 0, 1,2…

Difracción de Fraunhofer De acuerdo a la óptica geométrica, si se coloca un objeto opaco entre una fuente luminosa puntual y una pantalla, los bordes del objeto proyectarán una sombra nítida en la pantalla. No llegará nada de luz a la pantalla en los puntos situados dentro de la sombra geométrica, mientras que fuera de ella, la pantalla estará iluminada uniformemente. Sin embargo, la óptica geométrica es un modelo idealizado del comportamiento de la Luz. Hay situaciones en las que la representación de la propagación de la luz en forma rectilínea resulta inadecuada, como por ejemplo en el fenómeno de Difracción. Este fe a por un ob a la

ngitud de onda. El termino difracción se aplica a los problemas relacionados con el efecto resultante producido por

l frente de onda. Como en la mayor

la difracción se define a veces como la esviación de la luz alrededor de un obstáculo.

e su plano se onvierten en fuentes secundarias de ondas, emitiendo nuevas

cia. Una vez que hemos estudiado la interferencia de un número limitado de fuentes, la difracción se explica a partir de la interferencia de un número infinito de fuentes. Se considera, para la explicación cuantitativa, la Difracción de Fraunhofer con una rendija única de anchura a. Suponiendo que ésta se divide en N intervalos y que existe un foco puntual de ondas en el punto medio de cada intervalo. Si la distancia entre dos fuentes adyacentes es l, se tiene que:

L = a N

Habrá Interferencia Destructiva.

nómeno se observa cuando se distorsiona una ondstáculo cuyas dimensiones son comparables

lo

una porción reducida departe de los problemas de difracción se encuentra algo de luz al interior de la región que corresponde a la sombra geométrica, d De acuerdo con el principio de Huygens, cuando la onda incide sobre una rendija todos los puntos dcondas, denominadas ondas difractadas, por lo que la explicación del fenómeno de la difracción no es cualitativamente distinta de la interferen

Figura 3. Esquema Difracción de Fraunhofer

omo la pantalla está muy alejada, los C rayos procedentes de

las fuentes puntuales y que llegan a un punto P de dicha pantalla son aproximadamente paralelos. La diferencia de los trayectos entre dos fuentes cualesquiera adyacentes es entonces l * senθ y la diferencia de fases es:

δ = 2*π l * senΘ λ

sumando las

Si A es la amplitud de una sola fuente, la amplitud en el punto máximo central en donde Θ = 0 y todas las ondas están en fase, es Amax= N*A. El valor de la Intensidad en otro punto ualquiera en un cierto ángulo Θ se obtiene c

ondas armónicas, lo que entrega como resultado lo siguiente:

I =I0* (senφ)2

φ Donde I0 es la intensidad del punto central que es máxima y φ es la semidiferencia de fase entre la primera y última onda, dada por:

Φ = π *a * senΘ λ

La función de difracción presenta mínimos en cuando senΘ = 0 es decir:

Φ = n*π Para n � Z

Mientras que los máximos de esta función aparecen a valores de f donde se vuelve cero la expresión ΦcosΦ - senΦ, o lo que es igual tanΦ = Φ es decir

Φ = (± 1.4030...*π, ± 2.4590...*π, ± 3.4707...*π) El espectro de Difracción de Fraunhofer resultante, para una ranura rectangular pequeña tendrá una apariencia similar a la que muestra la figura


Figura 4. Espectro de Difracción de Fraunhofer para una

ranura rectangular.

Aspectos del diseño

Funcionalidad

La funcionalidad del software permite que el estudiante

isualización de los fenómenos anteriormente mencionados,

experimento.

de Young, el caso de uso es el siguiente:

interactúe de forma dinámica y expedita, pudiendo modificar os aspectos de la interfaz que hacen posible una mejor vari

vlo que permite que la permanente interacción provoque una suerte de feedback positivo que genere conocimiento en el usuario. Esta funcionalidad dependerá del experimento que el usuario quiera realizar y de la manera que dichas experiencias están estructuradas. A continuación se presentan los diagramas de caso de uso para una mayor comprensión de los posibles usos de los escenarios de cada

Para la interferencia

Figura 5. Funcionalidad para la Interferencia de Young y de

Difracción.

En la figura anterior se puede observar en detalle las diferentes funcionalidades que se deben manejar. Éstas se dividen en cuatro grupos de gestión comunes para los dos experimentos. El primero de los segmentos define la posibilidad de cambiar la experiencia con la que se está interactuando, existen lógicamente dos opciones. Otro grupo de gestión es el que manipula la Luz ambiental, que concede la capacidad de activar o desactivar la iluminación. También se puede nombrar la gestión de las Vistas, que incluye las facultades de moverse por el escenario, cambiar las vistas y

rientación generando así una cualidad que marca cierta

la ongitud de Onda del Haz emitido por la fuente y la

un ambiente que represente una sala n paredes, piso y una cúpula de vidrio como

mepan Eleque sto se describe a continuación:

t

Par Fu lemento es el responsable de emitir el

z

MeEstVir

Plainidis Len dispositivo tiene como función

unaen

sepdos rirán entre si y generarán el espectro. La separación de sus ranuras debe ser manipulable.

odiferencia al comparar el artefacto que se quiere desarrollar con algún otro material didáctico multimedial.

Finalmente se encuentra el segmento de gestión del Experimento, el cual no es totalmente común a las experiencias a realizar, pues depende de las características que conforman a cada una de ellas. Dentro de esta sección se encuentran las capacidades de gestionar la Fuente de Luz,Lubicación y estructura de las Placas Ranuradas. Estas últimas opciones son vitales para la confección del espectro resultante de cada experimento, pues sus valores son variables manejadas dentro de las ecuaciones que definen cada fenómeno.

Manejo del Software El laboratorio virtual que se presenta ha sido diseñado para tratar de dar la mayor flexibilidad al usuario en cuanto a las variables que manejan, ya que en el diseño se ha incluido un panel de control que permite al usuario modificar variables relacionadas con los elementos que intervienen en el experimento y además otras variables , como la intensidad de la luz, que permite una mejor apreciación de los fenómenos, A continuación se detallan los elementos que componen los escenarios de cada experimento y también el panel de control diseñado.

Escenario

El escenario consiste en de laboratorio, cotecho. Además el laboratorio contiene muebles, como una

sa para ubicar herramientas o artefactos a utilizar y un el para proyectar los espectros.

mentos y Artefactos a utilizar depende del experimento se desea realizar. E

In erferencia de Young

a esta experiencia se necesitan los siguientes materiales:

ente de Luz: Este eha de luz monocromática que será modificado por los demás elementos con el fin de crear el espectro de Interferencia.

sa: Objeto cuya utilidad es la de soportar la fuente de luz. ará posiblemente ubicada en el centro del laboratorio tual.

ca con una Ranura: Elemento en el cual incide

cialmente el haz de luz. Ubicado adelante y no muy tante de la fuente de luz.

te Convergente: Este tomar el haz que se expande luego de pasar por la placa con

rendija y dejarlo uniforme y diseccionado para que incida elemento siguiente.

Placa con dos Ranuras: Este objeto es el encargado de

arar en dos el haz proveniente de la lente convergente, los haces resultantes luego interfe


Pantalla: Elemento en el cual se proyectará el espectro ultante del experimento.

taformas: Objetos sobre los cuales se ubicarán las placas yente convergente.

res Pla la l

cada uno de sus

La siguiente figura muestra el diseño del laboratorio con

componentes.

Figura 6. Vista Lateral del Experimento de Young

Difracción de Fraunhofer

La confección de esta experiencia es más simple que la anterior. En este caso solamente se necesitan los siguientes materiales: La Fuente de Luz, Mesa, Pantalla y Plataformas son elementos necesarios que cuentan con las mismas características que en el experimento anterior. La utilidad de la Placa con una Ranura es diferente. En este caso la función de este elemento es la de difractar el haz que luego proyectará el espectro a la pantalla.

Figura 7. Vista Lateral Experimento de Difracción de

Fraunhofer

Interfaz y Panel de Control

La interfaz está conformada por dos módulos íntimamente relacionados, el Panel de Control con el cual el usuario puede interactuar y el Mundo Virtual, en donde se ven reflejadas las

conusu

selsel

ndiendo si la selección indica Interferencia o ifracción. Además, desde otra opción del Panel de control se

permitirá la administración del haz de luz posibilitando la especificación de su longitud de onda. Desde este bloque también se pueden manejar las vistas, es decir, el usuario puede elegir el ángulo desde el cual mirará el experimento. Del mismo modo, podrá manipular la luminosidad del laboratorio virtual, pues con menos luz ambiental el efecto visual de las experiencias se aprecia con mayor calidad. Además, desde el panel de control se podrán activar algunos botones que permitirán que el usuario navegue por todo el Laboratorio Virtual ubicándose donde el desee. El otro modulo que se muestra en la Interfaz es el Mundo Virtual, que como ya se ha dicho, presenta los diferentes escenarios que conforman los experimentos realizados. Para una ejemplificar gráficamente su constitución se enseña a continuación imágenes que representan los cambios de estados del escenario ante los estímulos realizados por el usuario. Los cambios aludidos son propios de la interacción requerida y son específicamente la gestión de la iluminación, de la fuente de luz, vistas y navegación. Esto se hace para cada experimento por separado.

secuencias o efectos provocados por las acciones del ario.

El Panel de control esta compuesto por las opciones para

eccionar el tipo de experimento a realizar. Según la opción eccionada se puede tener acceso a manipular las Placas con

peRanuras, deD

Figura 8. Vista Superior Experimento Interferencia de Young

Funcionando.


Figura 9. Cambio Longitud de Onda Difracción de Fraunhofer.

Estas imágenes determinan la disposición final del Artefacto

iferentes niveles educacionales.

studiantes visualizar conceptos bstractos, observar eventos desde diferentes puntos de vista

ducativo.

de llevar a cabo un desarrollo de Software

nalidades del Software desarrollado. Es conveniente cordar que los estudios efectuados por la doctora Christine

les generados era la gran capacidad de teracción que en ellos se permitió.

pedagógico, sea ésta convencional o sico, poniendo énfasis principalmente

gación de interactividad al proceso de ejecución.

ecnológico se basó en la investigación entes enfoques implicados en el desarrollo de un

software educacional interactivo implementado sobre el

con cierto grado de detalle y

CIAS

. Corrado, E., Delgado, J., & Castañeda, S.

avés de

ucational Virtual Environments

Publishing Company, Massachusetts, EEUU.

de Software Educativo con Tecnologías de RV construido. Queda abierta la posibilidad de agregar nuevos módulos, funcionalidades, efectos y complementos teóricos, que puedan mejorar este artefacto con el fin de crear una herramienta mucho más potente y robusta que sea aplicable a d

CONCLUSIONES Una de las grandes potencialidades de la RV es la habilidad única de permitir a los eay a escalas imposibles de representar en la realidad, también presenciar e interactuar con eventos a distancia. Debido al aspecto descrito en el párrafo anterior y a muchas otras ventajas que trae consigo la utilización de la RV en el ámbito Educacional, se puede establecer que su implementación en aplicaciones pedagógicas, podría ser el paso siguiente para el desarrollo del Software E

A la hora Educacional utilizando la tecnología de RV se debe tener presente las características principales que ofrece un sistema de este tipo, es decir, el grado de Inmersión, Interactividad e Imaginación que se le concede a la aplicación durante el proceso de realización. De esta manera se establece el nivel de influencia de cada una de las cualidades mencionadas en las funcioreM. Bryne en 1996, demostraron empíricamente que la utilización de aplicaciones que implementan ambientes virtuales mejora la comprensión conceptual de los estudiantes, con respecto a otras estrategias educacionales. En dichos estudios se encontró también que la llave al éxito de los ambientes virtuaIn Por esta razón, durante el desarrollo del presente Software Educativo, se utilizaron como premisas los resultados de dichas investigaciones a fin de conseguir la elaboración de un

paradigma de la RV, con el propósito de seleccionar y aplicar las mejores prácticas para satisfacer los objetivos planteados.

producto tecnológico de una potencialidad considerable, quemarque cierta diferencia al ser contrastado con cualquier otraherramienta de apoyo multimedial de nivel báen la agre El mentado Artefacto tde los difer

Referente a la temática Educacional que fundamenta al Artefacto de Software de RV, se puede señalar que los motivos de la elección de la Física de Ondas y Óptica como línea educativa a seguir, se basaron principalmente en las numerosas posibilidades que entrega una representación virtual de algunos experimentos que describen fenómenos pertenecientes a esta rama de la física. Debido a que las experiencias a realizar reproducen las manifestaciones nterferencia y difracción i

complejidad, se puede determinar que el segmento educacional al cual está orientado este producto es el subsector de Ciencias perteneciente a la Enseñanza Media y primeros años de Educación Superior.

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124 - jorge diaz, adán ancamil, mirta llancaman ... · generar ambientes virtuales de aprendizaje,...

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