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

Résumé

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.