Diseño e implementación de espacios distribuidos de aprendizaje colaborativo mediante la utilización de grandes superficies interactivas y elementos tangibles

Abstract

[EN] The development of technology has undoubtedly impacted positively in the educational process, mainly by offering new forms of access, organization and understanding of information, and new ways of communication between students and teachers to facilitate the implementation of educational paradigms based on constructivism and collaborative learning. However, at the same time technology can result in a barrier in the teaching / learning process, since it can create interferences in it. In response to this problem, this thesis aims to provide new solutions based on the use of Natural User Interfaces, which allows exploiting the potential of technology in the educational process, maximum avoiding any interference in it. In the search for a solution, it was decided to explore solutions based on the use of interactive digital surfaces, also known as "tabletop" systems. This type of devices provides a natural interface through which users can interact with the system via gestures with his hands. This type of system is suitable for collaborative learning tasks, by allowing simultaneous work of several students around the device, providing a "face to face" communication way between them. Although this type of devices have previously been used in educational environments, their integration in the classroom has not been transparent enough, which still generates interferences in the educational process. In this sense, one of the main objectives of the thesis has been to integrate this type of technology in the classroom ubiquitously. For this task, systems that allow to implement mixed reality space, a subset of the broader concept of ubiquitous computing, which allows integration of technology in the classroom, but making it go unnoticed. Additionally, it has been developed and evaluated an architecture that allows the extension of the collaborative workspaces, that are established between students locally around an interactive digital surface, in a distributed model that allows the interconnection of different devices, which can be found in remote locations. Unlike other solutions, this technology allows designing complex schemes of classroom orchestration in a natural and simply way, hiding the complexity of the system both to students and teachers. Regarding to this, in order to simplify the processes of handling and exchange of information between the different working groups, the system was provided with interaction capacity meanwhile the use of tangible information handlers. In parallel, we developed a novel method and technology that allows the use of passive elements on tangible handlers over digital interactive surfaces implemented with optical frames technology. Furthermore, in order to achieve the maximum simplification in the information management processes, the system has been provided with multiple pathways for the addition of new contents, contributing to the generation of Blended Spaces. In this way, following a BYOD ("Bring Your Own Device") strategy, the system allows the use of any smartphone or similar device, to add new information to the digital space. Finally, a remarkable aspect of the thesis is that previous systems have been rigorously evaluated on numerous real educational contexts, from the point of view of three parameters: efficiency, motivation and usability.

[ES] El desarrollo de la tecnología ha repercutido indudablemente de forma positiva en los procesos educativos, ofreciendo principalmente nuevas formas de acceso, organización y entendimiento de la información, y nuevas vías de comunicación entre alumnos y profesores que facilitan la implementación de paradigmas educativos basados en ideas constructivistas y aprendizaje colaborativo. Sin embargo, la tecnología puede suponer al mismo tiempo una barrera en el proceso de enseñanza/aprendizaje, en cuanto a que puede crear interferencias en el mismo. En respuesta a esta problemática, en esta tesis se pretende aportar soluciones basadas en la utilización de Interfaces Naturales de Usuario, que permitan un aprovechamiento de las posibilidades de la tecnología en el proceso educativo, evitando al máximo cualquier tipo de interferencia en el mismo. En la búsqueda de una solución, se ha optado por la exploración de sistemas basados en superficies digitales interactivas, también conocidas como "tabletops". Este tipo de dispositivos ofrece una interfaz natural mediante la cual los usuarios pueden interaccionar con el sistema realizando gestos con sus propias manos, de manera similar a como se trabajaría sobre una mesa o superficie de trabajo real. Adicionalmente, este tipo de sistemas resulta idóneo en tareas de aprendizaje colaborativo, gracias a que permiten el trabajo simultáneo de varios estudiantes facilitando una comunicación en la forma "cara a cara", de igual modo a como se establecería sobre una mesa de trabajo convencional. Aunque este tipo de dispositivos ha sido previamente utilizado en entornos educativos, su integración en las aulas no ha sido transparente, lo cual sigue generando interferencias. En este sentido, uno de los principales objetivos de la tesis ha sido integrar este tipo de tecnología en las propias aulas de forma ubicua. Para ello se han diseñado y desarrollado sistemas que permiten implementar Espacios de Realidad Mezclada, un subconjunto del concepto más amplio de computación ubicua, los cuales permiten integrar la tecnología en las aulas consiguiendo al mismo tiempo que pase desapercibida. Adicionalmente, se ha desarrollado una arquitectura que permite la extensión de estos espacios de trabajo colaborativo en un modelo distribuido, que permite la interconexión simultanea de distintos dispositivos, los cuales se pueden encontrar en ubicaciones remotas. A diferencia de otras soluciones, el modelo propuesto permite diseñar complejas orquestaciones de aula de forma sencilla y natural, ocultando la complejidad del sistema tanto a alumnos como a profesores. A este respecto, con el objetivo de simplificar los procesos de manejo e intercambio de información entre los distintos grupos de trabajo, se ha dotado al sistema de la capacidad de interacción mediante la utilización de manipuladores tangibles de información. De forma paralela, se ha desarrollado un novedoso método y tecnología que permite definir y utilizar elementos tangibles pasivos sobre superficies digitales interactivas implementadas mediante marcos ópticos. Por otra parte, con el objetivo de lograr la máxima simplificación en los procesos de manejo de la información, el sistema ofrece múltiples vías de introducción de nuevos contenidos, ofreciendo formas y métodos que permiten la digitalización de la información de una forma sencilla y natural, estableciendo una relación sencilla y transparente entre el mundo real y el virtual, contribuyendo de este modo a la generación de los Espacios de Realidad Mezclada. En la misma línea, siguiendo una estrategia BYOD ("Bring Your Own Device"), el sistema permite la utilización de cualquier dispositivo smartphone, o similar, para la adición de nueva información. Finalmente, un aspecto destacable de la tesis ha consistido en la evaluación de forma rigurosa de los anteriores sistemas sobre numerosos contextos educativos reales, desde el punto de vista de tres parám

[CA] El desenrotllament de la tecnologia ha repercutit indubtablement de forma positiva en els processos educatius, oferint principalment noves formes d'accés, organització i enteniment de la informació, i noves vies de comunicació entre alumnes i professors que faciliten la implementació de paradigmes educatius basats en idees constructivistes i aprenentatge col¿laboratiu. No obstant això, la tecnologia pot suposar al mateix temps una barrera en el procés d'enseñanza/aprendizaje, en el fet que pot crear interferències en el mateix. En resposta a esta problemàtica, en esta tesi es pretén aportar solucions basades en la utilització d'Interfícies Naturals d'Usuari, que permeten un aprofitament de les possibilitats de la tecnologia en el procés educatiu, evitant al màxim qualsevol tipus d'interferència en el mateix. En la busca d'una solució, s'ha optat per l'exploració de sistemes basats en superfícies digitals interactives, també conegudes com "tabletops". Este tipus de dispositius oferix una interfície natural per mitjà de la qual els usuaris poden interaccionar amb el sistema realitzant gestos amb les seues pròpies mans, de manera semblant a com es treballaria sobre una taula o superfície de treball real. Addicionalment, este tipus de sistemes resulta idoni en tasques d'aprenentatge col¿laboratiu, gràcies a què permeten el treball simultani de diversos estudiants facilitant una comunicació en la forma "cara a cara", de la mateixa manera a com s'establiria sobre una taula de treball convencional. Encara que este tipus de dispositius ha sigut prèviament utilitzat en entorns educatius, la seua integració en les aules no ha sigut transparent, la qual cosa continua generant interferències. En este sentit, un dels principals objectius de la tesi ha sigut integrar este tipus de tecnologia en les pròpies aules de forma ubiqua. Per a això s'han dissenyat i desenrotllat sistemes que permeten implementar Espais de Realitat Mesclada, un subconjunt del concepte més ampli de computació ubiqua, els quals permeten integrar la tecnologia en les aules aconseguint alhora que passe desapercebuda. Addicionalment, s'ha desenrotllat una arquitectura que permet l'extensió d'estos espais de treball col¿laboratiu en un model distribuït, que permet la interconnexió simultanieja de distints dispositius, els quals es poden trobar en ubicacions remotes. A diferència d'altres solucions, el model proposat permet dissenyar complexes orquestracions d'aula de forma senzilla i natural, ocultant la complexitat del sistema tant a alumnes com a professors. A este respecte, amb l'objectiu de simplificar els processos de maneig i intercanvi d'informació entre els distints grups de treball, s'ha dotat al sistema de la capacitat d'interacció per mitjà de la utilització de manipuladors tangibles d'informació. De forma paral¿lela, s'ha desenrotllat un nou mètode i tecnologia que permet definir i utilitzar elements tangibles passius sobre superfícies digitals interactives implementades per mitjà de marcs òptics. D'altra banda, amb l'objectiu d'aconseguir la màxima simplificació en els processos de maneig de la informació, el sistema oferix múltiples vies d'introducció de nous continguts, oferint formes i mètodes que permeten la digitalització de la informació d'una forma senzilla i natural, establint una relació senzilla i transparent entre el món real i el virtual, contribuint d'esta manera a la generació dels Espais de Realitat Mesclada. En la mateixa línia, seguint una estratègia BYOD ("Bring Your Own Device") , el sistema permet la utilització de qualsevol dispositiu smartphone, o semblant, per a l'addició de nova informació. Finalment, un aspecte destacable de la tesi ha consistit en l'avaluació de forma rigorosa dels anteriors sistemes sobre nombrosos contextos educatius reals, des del punt de vista de tres paràmetres: eficiència, motivació i usabilidad.