Augmented Collaborative Plataform for content distribution and advanced training |
| Last Updated: 9 July 2004 |
Context (Spanish)INTRODUCCIÓN 1 Finalidad del proyecto
Las continuas mejoras en potencia computacional e interfaces gráficas han permitido la creación de contenidos educativos más ricos e interactivos para el usuario final. Todo esto, unido a la ubicuidad de las redes de ordenadores está posibilitando el aprendizaje a distancia y el acceso a materiales de alta calidad producidos por centros de excelencia académica. En un futuro, los centros de enseñanza superior se distinguirán por la calidad de sus materiales educativos y por su aceptación en general como materiales de referencia.
Debido a la creciente importancia de los contenidos educativos han surgido diferentes iniciativas para establecer estándares que permitan su interoperabilidad entre diferentes organizaciones. En esta línea se han creado estándares de etiquetado de contenidos (LOM), de empaquetado y navegación de contenidos (SCORM) e incluso de búsqueda y obtención de los mismos en repositorios remotos (IMS Digital Repositories) entre otras.
Sin embargo, aun existen grandes problemas que afectan a la accesibilidad de estos materiales educativos. En primer lugar, cada vez es más necesaria la existencia de una plataforma abierta de acceso a contenidos que cree un repositorio universal de materiales educativos a través de Internet. Aunque varios paises han creado proyectos para conseguir redes nacionales de acceso a contenidos (POOL, EDUTELLA), ninguno de ellos incluye sistemas de jerarquización o de directorio sobre los contenidos que permitan un acceso estructurado en lugar de las búsquedas abiertas sobre los mismos.
Así entre los objetivos del proyecto relacionados con la distribución de contenidos planteamos:
Otro problema importante consiste en la interacción y aprendizaje de contenidos educativos con requerimientos avanzados de visualización en disciplinas como la arquitectura, la medicina o la arqueología. En estos casos, las interfaces tridimensionales de colaboración y simulación, pero también los dispositivos inmersivos de realidad virtual constituyen herramientas extremadamente útiles para el aprendizaje y mejor comprensión de los contenidos educativos.
Sin embargo, el elevado coste de los entornos inmersivos de colaboración y aprendizaje y de los dispositivos de realidad virtual han limitado considerablemente su implantación en centros universitarios de enseñanza superior, así como su experimentación en entornos educativos.
En base a proyectos financiados anteriormente disponemos de un entorno estable de colaboración tridimensional multiusuario (MOVE) que puede constituir un punto de partida para el desarrollo de un entorno inmersivo de aprendizaje y colaboración remota (CAVE).
Entre los objetivos que planteamos respecto a la colaboración aumentada en contenidos avanzados destacamos:
Como podemos observar, el proyecto gira en torno a dos ejes principales: el acceso y localización de contenidos en una red distribuida y la colaboración aumentada remota para contenidos con requisitos de visualización avanzados. Ambos objetivos tienen un denominador común claro, la creación de redes inter-universitarias de generación y compartición de conocimientos a través de infraestructuras de colaboración avanzadas.
En primer lugar, la existencia de un repositorio distribuido de contenidos, accesible desde una jerarquía única de conocimiento entre diferentes universidades, permitirá una mayor interacción entre docentes y alumnos de diferentes centros. Por otro lado, las herramientas de colaboración aumentada permitirán la colaboración y docencia inter.-universitaria de contenidos educativos que requieren interfaces avanzadas de visualización. En ambos casos, se está promoviendo la generación y acceso al conocimiento entre diferentes centros mediante la utilización de plataformas distribuidas de colaboración e interacción remota.
2 Antecedentes y revisión de conceptos claves
En general, podemos destacar dos líneas principales de trabajo: los proyectos de ámbito americano y de ámbito europeo. En el ámbito americano el Departamento de Defensa Americano así como otros representantes de la industria están liderando el desarrollo de estándares a través de iniciativas tales como ADL (Advanced Distributed Learning), AICC (AICC -Aviation Industry Computer-based Training Committee), IEEE-LTSC (Institute of Electrical and Electronic Engineers - Learning Technology Standards Committee), y IMS (Global Learning Consortium's Instruction Management Project).
La Unión europea ha impulsado diversos proyectos para la estandarización y difusión de los entornos tecnológicos de E-A. El primero de ellos fue ARIADNE (Alliance of Remote Instructionnal Authoring and Distribution Networks for Europe) cuyo objetivo básico ha sido la definición de una estructura (aceptada como estándar e incorporada en las especificaciones IMS) para los metadatos a usar en la descripción de contenidos educativos: LOM Learning Objects Metadata. Actualmente, se realizan esfuerzos en el Centro de Normalización Europeo (CEN/ISSS) tanto de internacionalización del esquema de metadatos LOM mediante su traducción a todos los idiomas de la UE, así como esfuerzos de estandarización de diversos Lenguajes de Modelización Educativa, entre los que destaca EML desarrollado por la Open University of the Netherlands (OUNL).
Dicho lenguaje ha supuesto un punto de inflexión en lo que respecta a estándares educativos, ya que no tiene por finalidad la descripción de los recursos educativos, sino de los escenarios educativos como tales. El lenguaje se proclama a sí mismo como “neutral desde el punto de vista pedagógico”, lo cual implica su total versatilidad en lo que respecta a la implementación de cualquier modelo pedagógico planteable. Por último destacar el nuevo estatus de EML como nuevo estándar mundial, tras evolucionar para convertirse en lo que hoy se conoce como IMS-LearningDesign. Ambas especificaciones constituyen verdaderas ontologías educativas que permiten la conceptualización, diseño y distribución no sólo de contenidos educativos, sino también de unidades didácticas, comúnmente conocidas como “cursos”.A nivel europeo, es necesario hacer mención de la iniciativa PROMETEUS (Promoting Multimedia Access to Education and Training in European Society) que es un consorcio formado por 400 miembros y cuya misión es también elaborar un estándar para los entornos de E-A, los contenidos así como los mecanismos de distribución de estos contenidos. Entre todas las instituciones nombradas hasta el momento, IMS destaca por sus esfuerzos tanto de internacionalización (IMS-Europe es buena prueba de ello), como de integración de la mayor parte de los estándares desarrollados en distintas instituciones, garantizando de este modo la interoperabilidad de los mismos. De esta forma, se encuentran disponibles las especificaciones de IMS-Metadata (cuyos antecedentes son Dublín Core y IEEE-LOM), IMS-Simple Sequencing y IMS-Content Packaging (herederdos de ADL-SCORM), y más recientemente IMS-Learning Desing (siendo su predecesor OUNL-EML, como ya se explicó anteriormente), así como de otras especificaciones tales como IMS-Question & Test Interoperability, y IMS-Learner Information Package. Por tanto, conceptualmente por una parte es necesario distinguir entre especificaciones para la descripción de contenidos educativos, y especificaciones para la descripción de escenarios pedagógicos (secuenciación de actividades, seguimiento del alumno, personalización en cuanto a presentación de los contenidos, etc., -los escenarios pedagógicos serán referenciados en el resto del presente documento mediante el término “contenidos pedagógicos”). Por otra parte es necesario tener presente el enfoque de separación entre descripción de contenidos e instanciación de los mismos en el entorno de enseñanza/ aprendizaje, que se ejecuta en tiempo real. De esta manera una vez descritos tanto los contenidos educativos como los pedagógicos, cada usuario se conecta a dicho entorno individualmente, de forma que el entorno lo trata de forma personalizada, siendo dicho entorno el que soporta también la interacción y coordinación entre múltiples usuarios utilizando recursos compartidos, y haciendo el seguimiento tanto del usuario individual como de los grupos. Por tanto, es el entorno de enseñanza /aprendizaje el que permite la instanciación de los contenidos educativos y pedagógicos descritos utilizando especificaciones estándares del tipo de las citadas anteriormente.
Metadatos y empaquetado de contenidos
Compartir contenidos implica utilizar un vocabulario común para describirlos, un conjunto de metadatos, que no es más que información descriptiva acerca del recurso que tiene como objetivo de encontrar, utilizar, o administrar ese recurso, de modo que un desarrollador pueda buscar de forma selectiva utilizando este vocabulario. La forma en que estos metadatos estarán especificados será utilizando XML. Este lenguaje, además de ser aplicable a la definición de los metadatos asociados a los recursos, se utilizará para describir el recurso en sí y puede aplicarse al intercambio de información entre los componentes del sistema y entre distintos sistemas. Este planteamiento puede solucionar, en parte, el problema de la producción de contenidos y también el de su rentabilización. Si bien los formadores no tienen por qué diseñar y desarrollar todos los contenidos que quieran utilizar, sí pueden generar materiales formativos que sean una secuencia ordenada y coherente a partir de la información disponible en la red. Para ello es necesario contar con un buen método de indexación de la información que permita garantizar la coherencia del contenido de estos hiperdocumentos. Distintas herramientas Open Source para etiquetación de contenidos según los estándares IMS-Metadata (IEEE-LOM y Dublín Core), y para empaquetado de contenidos conforme a la especificación IMS-Content Packaging serán utilizadas en el marco de este proyecto, sirviendo el repositorio final como plataforma de prueba tanto en lo referente a la flexibilidad de dichas herramientas como en el balance de la mejor relación nivel de etiquetación vs. costes de etiquetación y mantenimiento del repositorio que permitan la creación de heurísticas eficientes. Ontologías pedagógicas Los Knowledge Repositories (Servidores de Contenidos) Una vez garantizada una indexación estándar de los contenidos mediante el uso de metadatos, es necesario establecer esquemas de publicación distribuidos adecuados. Mediante un sistema de publicación de índices, es posible crear herramientas de búsqueda y recuperación que permitan acceder a los contenidos de una manera selectiva. Los Servidores de contenidos son repositorios distribuidos de meta-datos –compatibles con el estándar LOM – que garantizan una eficiente publicación, búsqueda y recuperación de información sobre contenidos educativos. Otra característica esencial de estos servidores es su posibilidad de federación con otros repositorios de datos para formar almacenes de datos distribuidos. Un buen ejemplo de este punto a nivel europeo sería la red Ariadne. En esta red hay una serie de servidores de contenidos (Knowledge Pools), conectados formando una federación. Mediante mecanismos de replicación, se consigue que la información de un servidor sea accesible por el resto. Así, el publicar los metadatos LOM de un curso en la red ARIADNE implica su accesibilidad para el resto de miembros de la federación. Los servidores de contenidos y sus posibilidades de federación crean un marco potente para la compartición y acceso a materiales educativos. En un futuro cercano, veremos la proliferación de repositorios de contenidos conectados que facilitaran de forma considerable el acceso a materiales de manera selectiva tanto para los educadores como para los estudiantes.
El repositorio universal de contenidos
Una de las metas de los diferentes proyectos nacionales e internacionales es conseguir crear una red universal de servidores de contenidos que permitan un acceso y búsqueda de contenidos sobre los metadatos estándar que los etiquetan. Dicha red de repositorios debería comunicarse con protocolos abiertos y ser lo suficientemente flexible para incorporar sistemas heterogéneos a través de Internet.
El problema de muchos de los proyectos desarrollados hasta la fecha es su tradicional aproximación cliente/servidor y el carácter monolítico y poco flexible de su arquitectura distribuida. ARIADNE es un ejemplo de una red de repositorios siguiendo un enfoque tradicional y monolítico que dificulta la incorporación de repositorios heterogéneos.
Una de las iniciativas más interesantes es el proyecto UNIVERSAL que precisamente propone la creación de un repositorio o broker de contenidos universal accesible a través de protocolos estándar como http y con metadatos representados en XML RDF (Resource Description Framework). UNIVERSAL se construye sobre un servidor de aplicaciones e incorpora mecanismos de seguridad en el acceso a los contenidos. Siendo UNIVERSAL un proyecto interesante, sigue basándose en una arquitectura tradicional cliente/servidor que va contra la flexibilidad de interconexión de repositorios heterogéneos.
Sin embargo en los últimos años hemos sido testigos de la aparición de arquitecturas punto a punto de distribución de contenidos como Napster que consiguen un alto grado de flexibilidad y grandes posibilidades de interconexión de sistemas heterogéneos. En esta línea, encontramos dos proyectos muy interesantes: Edutella y POOL (Portal for Online Objects in Learning). Ambos son repositorios de contenidos distribuidos construidos sobre una red punto a punto (Sun JXTA) y crean redes nacionales de contenidos educativos. POOL es una red canadiense de contenidos financiada por el proyecto CANARIE de redes avanzadas y Edutella es una red de contenidos entre universidades suecas y alemanas fundamentalmente.
Aunque tanto POOL como Edutella son aproximaciones muy interesantes, consideramos que aún tienen ciertas limitaciones que han de ser subsanadas. En primer lugar creemos que los repositorios de contenidos distribuidos deben seguir una arquitectura híbrida y abierta de comunicación que combine centralización/replicación/federación con sistemas punto a punto. Por otro lado creemos necesario la existencia de mediadores o brokers que hablen un idioma común estandarizado para acceder al repositorio. Un ejemplo de este idioma podría ser la propuesta IMS Digital Repositories. Por último, ninguno de los repositorios existentes incluyen un directorio jerarquizado de contenidos que permitan un mejor acceso y navegación de los contenidos. Por todo ello, en este proyecto desarrollaremos una arquitectura de distribución de contenidos que supla las carencias anteriormente comentadas y cree una red nacional española Inter.-universitaria de contenidos educativos.
Redes Locales Inteligentes para el acceso heterogéneo
Proporcionar una infraestructura de comunicaciones que pueda dar servicio a un conjunto heterogéneo de dispositivos de acceso es un problema tecnológico todavía no solucionado. Existen diversas líneas de actuación en este sentido, desde las más simples, basadas en la integración de unos pocos elementos, y que se apoyan casi exclusivamente en estándares propietarios; hasta otras más ambiciosas que buscan la integración de cualquier dispositivo en una red global de servicios. El planteamiento que se pretende utilizar en este caso consiste en una filosofía diferente, que retoma el concepto de las redes inteligentes. En un modelo de este tipo la infraestructura tecnológica de la red proporciona los mecanismos de gestión y transmisión necesarios para que cualquier dispositivo utilice los servicios que se proporcionan independientemente del medio físico y lógico utilizado. Para conseguir dicho objetivo, en vez de plantear un sistema cerrado con un número limitado de elementos participantes, o un sistema totalmente abierto, se pretende definir un sistema basado en la traducción de servicios. De este modo la inteligencia de la red se diseña a nivel de los servicios lógicos y se virtualizan el medio físico y los protocolos de transporte. En base a lo anterior, en este proyecto se pretenden integrar todos los servicios disponibles en un modelo de red distribuida, utilizando una tecnología subyacente que permite acceder a ellos siempre que se disponga de un dispositivo de acceso compatible con el servicio. Dicha tecnología seguirá el enfoque de una red inteligente, y se implementará utilizando un centro de coordinación local que integre todos medios físicos y lógicos presentes en una zona concreta en una única red (inteligente) de acceso. A través de este centro de control se dará servicio a cualquier dispositivo presente en la red lógica local controlada por éste, haciendo totalmente transparente la comunicación entre redes diferentes.
2.2 Colaboración aumentada
Las continuas mejoras en gráficos por computadora y potencia computacional han propiciado la evolución constante de los contenidos educativos para hacerlos más ricos e interactivos. Todo esto, unido la ubicuidad de las redes de ordenadores ha derivado en sistemas de aprendizaje remoto o tele-enseñanza en el que profesores y alumnos no tienen que coincidir en el espacio e incluso a veces en el tiempo.
Las herramientas colaborativas o de comunicación remota han jugado un papel importante en los entornos de aprendizaje facilitando la interacción profesor/alumno y alumno/alumno. Así por ejemplo, del área de trabajo colaborativo (CSCW) ha surgido recientemente el área de investigación de aprendizaje colaborativo (CSCL) que enfatiza la utilización de herramientas colaborativas para mejorar el proceso de aprendizaje grupal.
Indudablemente las herramientas colaborativas que han sido más ampliamente utilizadas han sido aquellas que utilizan sistemas de visualización bidimensional tradicionales como chats, videoconferencia, espacios de trabajo 2D compartidos, pizarras compartidas y animaciones y simulaciones 2D. Sin embargo, cada vez es más obvio que hay determinadas disciplinas que necesitan de sistemas de visualización más avanzados y de mecanismos de colaboración e interacción más inmersivos.
Los sistemas de colaboración tridimensional denominados tradicionalmente Entornos de Colaboración Virtual (CVE- Collaborative Virtual Environment) suponen un paso adelante en colaboración más inmersiva y con posibilidades de interacción y visualización más ricas. En un entorno CVE los usuarios son representados por avatars tridimensionales con posibilidades de movimiento e incluso gestualización, e interactúan remotamente con otros usuarios u objetos situados en la escena.
Colaboración Inmersiva
Aunque los entornos CVE suponen un paso adelante en interactividad y visualización, la interacción con el entorno 3D se sigue efectuando sobre las pantallas bidimensionales de los monitores tradicionales. Para conseguir crear una experiencia más inmersiva y real, se ha dotado a estos entornos de diversos dispositivos denominados de realidad virtual que mejoran considerablemente la colaboración 3D.
Los entornos llamados CAVE comenzaron proyectando la escena 3D sobre varias paredes para conseguir una solución más inmersiva. A estos sistemas de proyección se les añadieron dispositivos de posicionamiento 3D y de manipulación 3D como guantes. El problema de estos entornos reside en su alto precio solo asequible a grandes centros de investigación.
Los continuos avances en dispositivos inmersivos y su reducción de coste están acercando cada vez más un abanico de posibilidades para extender los CVE y conseguir así experiencias de interacción más reales. Entre estos dispositivos destacamos los cascos de realidad virtual (Head Mounted Displays), los guantes, posicionadores, y sistemas de proyección estereoscópica construidos con filtros y gafas polarizadas.
De hecho, ya existen diversos proyectos de investigación que están empleando soluciones de bajo coste para conseguir entornos realmente interactivos e inmersivos. Las aplicaciones de estos entornos son innumerables y destacan la simulación, diseño asistido por ordenador, tele-medicina, visualización avanzada o la enseñanza a distancia. Este último ámbito de aplicación es el que nos interesa especialmente y sobre el que volcaremos nuestros esfuerzos.
Aunque ha habido esfuerzos por aplicar los entornos inmersivos de colaboración remota a ámbitos educativos, el alto coste de estos entornos unido al alto presupuesto de los dispositivos ha relegado a estos proyectos un carácter marginal. Así, un conjunto de disciplinas como la arquitectura, medicina o arqueología, donde los contenidos educativos necesitan un alto grado de inmersión y visualización avanzada han tenido que renunciar este tipo de entornos.
Como detallaremos más adelante, nuestro objetivo es extender un entorno estable y gratuito de colaboración (MOVE) para dotarle de dispositivos de inmersión de bajo coste que creen una solución asequible al aprendizaje de contenidos con requerimientos avanzados. Además experimentaremos con diversos dispositivos de proyección e interacción para estudiar su adecuación a los procesos educativos.
Realidad Aumentada
Por último, nos interesa también investigar acerca de las diferentes posibilidades de realidad mezclada y más en concreto de realidad aumentada. Milgram (Milgram y Kishino 1994; Milgram et al. 1994) propone una taxonomía en la que un entorno de realidad mezclada se sitúa a medio camino entre un entorno real y un entorno virtual, es decir, un entorno donde se perciben tanto elementos reales como artificiales. Se habla de realidad aumentada cuando predomina la componente real, mientras que virtualidad aumentada se refiere a la situación en la que predomina la imagen virtual.
Algunos campos de aplicación de la realidad aumentada pueden ser la medicina, como en el Guided Surgery del MIT (Grimson et al. 1996), la construcción como en ARC, Augmented Reality for Construction, de la Columbia University (http://www.cs.columbia.edu/graphics/projects/arc/arc.html), la arquitectura, la arqueología, la museística o el turismo. Además, la realidad aumentada puede ser un soporte para la “educación de campo”, como en los proyectos VFC, Virtual Field Course (http://oldspice.soi.city.ac.uk/project/vfc/) o ANTS, Augmented eNvironmenTS (http://gasa.dcea.fct.unl.pt/projects/ants/)
Nuestra investigación en este campo se orientará tanto hacia el desarrollo de la arquitectura y aplicaciones educativas que utilicen realidad aumentada, como también al estudio de las diferentes formas de interacción. En este último aspecto pretendemos cubrir dos posibilidades diferentes:
Evidentemente, la primera alternativa ofrece un entorno más inmersivo, lo cual resulta especialmente interesante en el contexto de este proyecto, si bien la segunda ofrece una opción de menor coste. Además, debido a que los dispositivos de visualización han de estar conectados por cable a un PC portátil, aún existen ciertas limitaciones en cuanto a la movilidad real del usuario.
En ese sentido, la mayoría de las aplicaciones existentes de realidad aumentada son dentro de un ambiente real fijo, cerrado. Hay excepciones como el proyecto de investigación MARS de la Columbia University (Höllerer et al. 1999; http://www.cs.columbia.edu/graphics/projects/mars/mars.html), en la que se utiliza un PC portátil en una mochila para permitir el movimiento por todo el campus universitario. Otro ejemplo es el proyecto francés MAGIC (http://iihm.imag.fr/nigay/HABIL/p9.pdf), que utiliza un pen computer de Fujitsu como controlador.
Pero el principal problema de la realidad aumentada móvil no es el peso o los cables, sino el posicionamiento. Los sistemas de tracking del usuario (y en concreto su cabeza) son más difíciles en un entorno abierto. Para ello se utilizan receptores GPS, a menudo diferenciales para aumentar la precisión, para determinar la localización, así como magnetómetros para determinar la orientación.
Además de la movilidad, el otro factor importante en el contexto del proyecto es la colaboración. Algunos proyectos de investigación han abordado esta componente, como en el proyecto francés MARE, Multiuser Augmented Reality Environment (Grasset et al. 2002) o el austriaco Mobile Collaborative Augmented Reality (Reitmayr y Schmalstieg 2001). La colaboración puede permitir que varios usuarios que compartan, o no, un mismo espacio real, construyan juntos la parte virtual.
En cuanto al uso de PDA con conexión inalámbrica (o incluso teléfonos móviles con capacidades gráficas) como interfaz nos interesa plantear dos vías diferenciadas de interacción con el entorno. Una es la clásica mediante la cual el sistema, a partir de la posición del usuario da información del entorno y los objetos que en él se encuentran. La otra, opuesta, es donde son los propios elementos del entorno los que informan al usuario, en una solución más distribuida.
En cierto modo, el uso de PDAs en un entorno de realidad aumentada está muy relacionado con los servicios basados en localización (LBS), campo en el que los ya numerosos proyectos existentes se han enfocado fundamentalmente al ocio o al turismo, y con mínimas o normalmente nulas, prestaciones de colaboración con otros usuarios.
3 Referencias
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Colaboración Aumentada
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