Desarrollo y evaluación de entornos virtuales aplicados a la ciencia e ingeniería de materiales

Abstract

[ES] El desarrollo y mejoras exponenciales que han experimentado las tecnologías de la información y la comunicación (ICT, del término inglés Information and Communication Technologies) en las últimas décadas ha traído aparejada la aparición de dispositivos que ofrecen funcionalidades difícilmente imaginables a finales del siglo pasado. Estas innovaciones tecnológicas han penetrado, en mayor o en menor media, en prácticamente todas las capas de la sociedad transformando la mayoría de los ámbitos profesionales, científicos, educativos, culturales, etc. Al amparo de esta transformación tecnológica, las tecnologías de realidad-virtualidad (RVT, del término inglés Reality-Virtuality Technologies) con mayor presencia en el mercado (es decir, realidad virtual (VR, del término inglés Virtual Reality), realidad aumentada (AR, del término inglés Augmented Reality) y realidad mixta (MR, del término inglés Mixed Reality)) han experimentado una notable mejora y abaratamiento, factores que han propiciado su expansión en numerosos ámbitos. La Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE, del término inglés Materials Science and Engineering) no es ajena a esta expansión de las RVT, siendo actualmente posible encontrar numerosos ejemplos de uso de estas tecnologías circunscritas a la MSE. Esta tesis doctoral aborda la investigación de diferentes aspectos del desarrollo y uso de herramientas basadas en RVT empleadas dentro del ámbito de la MSE. La primera parte de esta investigación persigue conocer el estado del arte en el uso de las RVT en el ámbito de la MSE para, de este modo, facilitar la apertura de nuevas líneas de investigación y la adquisición de ideas de desarrollo. Para ello, en primer lugar, se han analizado las aplicaciones basadas en RVT circunscritas a la MSE desarrolladas entre 2010 y 2021, con independencia de su propósito. Este análisis ha permitido conocer en qué áreas de la MSE se enmarcan las aplicaciones basadas en RVT, a qué sectores se dirigen, qué RVT emplean y qué propiedades de las mismas explotan. En segundo lugar, se analizaron las aplicaciones basadas en VR o AR que se han desarrollado hasta el año 2020 destinadas a dar soporte a la enseñanza de cristalografía. Además, se ha desarrollado una aplicación basada en VR orientada a facilitar la enseñanza de las redes de Bravais y se ha propuesto un procedimiento de uso y evaluación en el aula. La segunda parte de esta investigación analiza el proceso de creación de laboratorios virtuales destinados a facilitar la enseñanza de MSE en los grados de ingeniería. En particular, esta parte de la investigación analiza qué factores deben ser tenidos en cuenta por los docentes cuando crean laboratorios virtuales para que logren maximizar el aprendizaje significativo de los estudiantes, es decir, que sean capaces de comprender mejor y por más tiempo aquello que se les enseña. Para alcanzar este objetivo, por una parte, se analizó el proceso de desarrollo de diferentes laboratorios virtuales destinados a dar soporte a la enseñanza de ensayos de materiales. Por otra parte, se analizaron los resultados de los cuestionarios respondidos por diferentes grupos de alumnos un año después de usar los laboratorios virtuales analizados. De este modo ha sido posible establecer una serie de aspectos que deben ser tenidos en cuenta durante el proceso de desarrollo de las aplicaciones basadas en VR destinadas a facilitar el proceso de enseñanza-aprendizaje de MSE, de manera que se maximice el aprendizaje significativo del alumno. La tercera parte de esta investigación ahonda en el modo en que afecta el paso del tiempo a la eficacia formativa de los laboratorios virtuales destinados a dar soporte a la enseñanza de MSE. En este sentido, se han analizado las opiniones vertidas por diferentes grupos de estudiantes que utilizaron laboratorios virtuales y se comprobó cómo su motivación por utilizar dichos laboratorios disminuía (y, por tanto, la eficacia formativa de estas herramientas educativas también disminuía) con el transcurso de los años. En esta parte de la investigación se analizó este fenómeno circunscrito a aplicaciones basadas en VR orientadas a facilitar la enseñanza de MSE, constatándose su relación directa con las leyes de evolución del software establecidas por Lehman. El estudio llevado a cabo reveló que, si estas aplicaciones educativas son actualizadas periódicamente empleando herramientas de desarrollo actuales, es posible mantener su atractivo para los estudiantes y con él su eficacia formativa. [EN] The exponential development and improvements that information and communication technologies (ICT) have undergone in recent decades have brought with them the appearance of devices that offer functionalities that would have been difficult to imagine at the end of the last century. These technological innovations have permeated, to a greater or lesser extent, practically all layers of society, transforming most professional, scientific, educational, cultural, etc. fields. As a result of this technological transformation, the reality-virtuality technologies (RVT) with the greatest presence in the market (i.e., virtual reality (VR), augmented reality (AR) and mixed reality (MR)) have experienced a significant improvement and reduction in price, factors that have led to their expansion in many fields. Materials Science and Engineering (MSE) is no exception to this expansion of VRT, and it is currently possible to find numerous examples of the use of these technologies in MSE. This doctoral thesis investigates different aspects of the development and use of RVT-based tools used in the field of MSE. The first part of this research aims to know the state of the art in the use of VRT in the field of MSE in order to facilitate the opening of new lines of research and the acquisition of development ideas. To this end, first of all, it has been analysed the applications based on RVT in the field of MSE developed between 2010 and 2021, regardless of their purpose. This analysis has provided insight into which areas of the MSE the RVT-based applications fall into, which sectors they target, which RVT they use and which properties they exploit. Secondly, the VR or AR-based applications that have been developed up to 2020 to support the teaching of crystallography were analysed. In addition, a VR-based application has been developed to facilitate the teaching of Bravais lattices and a procedure for its use and evaluation in the classroom has been proposed. The second part of this research analyses the process of creating virtual laboratories aimed at facilitating the teaching of MSE in engineering degrees. In particular, this part of the research analyses which factors should be taken into account by teachers when creating virtual laboratories in order to maximise students' meaningful learning, i.e., that they are able to understand better and for longer what they are taught. To achieve this objective, on the one hand, the development process of different virtual laboratories designed to support the teaching of materials testing was analysed. On the other hand, the results of the questionnaires answered by different groups of students one year after using the virtual laboratories analysed were examined. In this way, it has been possible to establish a series of aspects that should be taken into account during the development process of VR-based applications aimed at facilitating the MSE teaching-learning process, so as to maximise meaningful learning of students. The third part of this research explores how the passage of time affects the learning effectiveness of virtual laboratories designed to support MSE teaching. In this regard, the opinions expressed by different groups of students who used virtual laboratories were analysed and it was found that their motivation to use these laboratories decreased (and, therefore, the learning effectiveness of these educational tools also decreased) over the years. This part of the research analysed this phenomenon limited to VR-based applications aimed at facilitating the teaching of MSE and found a direct relationship with the laws of software evolution established by Lehman. The study revealed that, if these educational applications are regularly updated using current development tools, it is possible to maintain their desirability for students and thus their educational effectiveness.