2010-12-10 (uc3m) eMadrid jcvidal usc integracion de ims ld en mundos virtuales

Integración de IMS LD en

mundos virtualesJuan Carlos Vidal Aguiar

Universidad de Santiago de Compostela

Red eMadrid, www.emadridnet.org

Universidad Carlos III de Madrid (Madrid), 10 de Diciembre de 2010

http://i.creativecommons.org/l/by-sa/3.0/88x31.png

Mundos virtuales 3D

Metaversos o mundos virtuales 3D son entornos gráficos

tridimensionales, multiusuarios, inmersivos e interactivos

generados por computadoras en tiempo real


Principales características

Las principales características de los mundos virtuales 3D

son la corporeidad, la interactividad, y la persistencia

Corporeidad

• El mundo virtual se compone

de elementos físicos 3D cuya

dinámica está gobernada por

leyes físicas del mundo real

• Los usuarios se identifican con

un avatar que es su alter ego

en el mundo virtual 3D

• Cualquier acción que toma el usuario como siempre tiene lugar a través del

avatar con el que se identifica el usuario





Interactividad

• Los avatares interaccionan con el mundo

virtual para obtener/generar información o para

modificar los elementos de los que se compone

• Los avatares interaccionan con los otros

avatares del mundo virtual para socializar

(como sucede en el mundo real)

• Uso de herramientas de comunicación

para facilitar la interacción entre los usuarios

(chat, audioconferencia, …)





Persistencia

• El mundo virtual 3D sigue

evolucionando independientemente de

que el usuario esté o no esté conectado

• El estado del avatar se mantiene

entre sesiones consecutivas; es decir,

se recuerda el resultado de las

acciones realizadas por el avatar

• Esta característica es un reflejo de lo que sucede en el mundo real:

el entorno del avatar puede evolucionar aún cuando no esté presente


Entornos docentes virtuales 3D

Las características de los mundos virtuales 3D son muy

deseables cuando se aplican a la Educación en los

llamados entornos docentes virtuales 3D

Favorecen la inmersión de los estudiantes en el entorno docente

3D virtual, lo que aumenta su nivel de implicación en la

realización de las actividades docentes

Favorecen la interacción y comunicación entre todos los que

participan en las actividades de aprendizaje

(estudiante estudiante, estudiantes profesor)

Permiten una gran variedad de estilos de aprendizaje, y en

especial favorecen el aprendizaje colaborativo



Pizarra Virtual Mundo virtual 3D

Interacción Los usuarios expresan sus ideas

de modo colaborativo en la

pizarra virtual de forma

colaborativa

Los usuarios expresan sus ideas

de forma colaborativa en un

elemento físico del entorno

docente

Persistencia El contenido de la pizarra

virtual cambia entre

conexiones consecutivas del

usuario

El contenido de la pizarra

cambia entre conexiones

consecutivas del usuario

Corporeidad Los usuarios de una pizarra

virtual no son corpóreos

Los avatares y el entorno

docente dan la sensación de

corporeidad y de inmersión en

el entorno virtual


En los últimos años empresas y universidades han

desarrollado un buen número de entornos docentes

virtuales 3D

Se crean sofisticados y muy elaborados campus de docencia para

aumentar la sensación de inmersión en el mundo virtual por parte

de los estudiantes

Campus virtual en 3D en el que

se incluyen elementos físicos

paisajísticos



Aulas docentes con proyectores y pizarras

virtuales

Salas de socialización

Edificios administrativos y bibliotecas

La mera réplica de campus reales a campus virtuales 3D no es

suficiente para mejorar el aprendizaje: es necesario aplicar técnicas

docentes basadas en las interacciones y la colaboración entre

estudiantes



Existe muy poca investigación y experimentación en este punto:

La mayoría de propuestas centradas en el ámbito de los juegos

(ejemplo: <e-Adventure>)

Arquitectura software no es lo suficientemente flexible como para

generalizar la solución a otras plataformas

Las soluciones son fuertemente dependientes del entorno docente

virtual 3D que se ha definido

¿Cómo aplicar las técnicas

docentes en los mundos virtuales?


Se han desarrollado una serie de plataformas de mundos virtuales de

propósito general:

De las cuales Opensim y Second Life han sido de largo las más usadas

en el ámbito educativo.

Plataformas de mundos virtuales

Opensim

Second Life

Open Wonderland

Open Cobalt


http://openwonderland.org/

Plataformas de mundos virtuales

Second Life Opensim

Lenguaje de

scripts

LSL (Linden Script Language) LSL + extensiones

Código

abierto

No

(propiedad de Linden Labs)

Sí

Lenguaje de

desarrollo

C# C#

(permite añadir nuevos módulos

en C# y en Php)

Second Life y Opensim utilizan LSL como el lenguaje de scripts con el

que se da tratamiento a los eventos que los avatares generan en el

mundo virtual.


¿Por qué no aprovechar los

cursos ya creados?

Un Lenguaje de Modelado Educativo (EML) describe el flujo de

actividades de aprendizaje a realizar por los estudiantes y profesores,

con el fin de alcanzar unos objetivos educativos, y utilizando el material

educativo proporcionado.


IMS Learning Design (IMS LD)

ha surgido como el estándar de

facto dentro de los EML debido

a su alto nivel de consenso y su

soporte tecnológico

Aprendizaje adaptativo

Define un esquema de control complejo.

Utiliza el formato XML Schema para especificar las unidades de aprendizaje.

Es necesario un intérprete para automatizar la ejecución de los flujos de trabajo

de IMS LD.

En nuestro desarrollo utilizamos OPENET4LD, un motor de flujos de trabajo que

implementa las unidades de aprendizaje IMS LD.

NUESTRA

ELECCIÓN


E-learningColaboración + aprendizaje

Educación + entorno social

Digital media that enable socialization + aprendizaje

EDUCACIÓN +

MUNDOS 3D

EML / IMS-LD

+ INTERNET

EML / IMS-LD +

MUNDOS 3D

Por ejemplo:

Moodle + Second Life,

enfocados a los contenidos

y no en la ejecución

No existe un motor de

ejecución para desarrollar

y soportar el curso

Herramientas de

comunicación

Síncrona: chat

Asíncrona: correo,

foros, etc.


El control de definido en IMS LD se diseña/replica

directamente en la plataforma de metaversos

Primera opción de integración

El control está distribuido entre los elementos físicos del escenario

y programado con el lenguaje de scripting, específico de cada

plataforma de metaversos.

Problemas:

El lenguaje de scripting debe soportar la definición de

estructuras de datos complejas.

El motor tiene una fuerte dependencia con el escenario virtual

educativo.


El motor IMS LD se implementa como un

módulo software de la plataforma de metaversos

Segunda opción de integración

Problemas:

El motor depende de la implementación de la plataforma de

metaversos, sus interfaces y sus componentes software.

Esta solución es válida sólo para Opensim, ya que esta

plataforma tiene una arquitectura abierta y extensible a través

de pluggins.


Integración basada en las comunicaciones:

El motor IMS LD está fuera de la plataforma de metaversos

Tercera opción de integración

Beneficios:

Se simplifica el diseño de los scripts que quedan reducidos a

llamadas al motor IMS LD.

La solución es más portable a otras plataformas. El flujo de trabajo

definido en el motor IMS LD no cambia, de forma que únicamente se

necesitaría (re)implementar los scripts.

Se utiliza el protocolo HTTP y RPC para comunicarse con el motor,

el cual devuelve los resultados como cadenas de texto (URL,

identificadores de actividades, etc.).

NUESTRA

ELECCIÓN


Marco conceptual de integración

Identificar los elementos de los que se componen los

entornos docentes virtuales 3D que intervienen en la

ejecución de unidades de aprendizaje IMS LD

Componentes físicos del entorno docente virtual 3D

Avatares que juegan los roles de

estudiantes y de profesores

Scripts que gestionan los eventos generados en el

mundo virtual 3D

Motor IMS LD que gestiona la correcta ejecución de

la unidad de aprendizaje adaptativa


Marco conceptual de integración

Los elementos físicos del

entorno docente tienen

ligados scripts cuya

invocación tiene ante la

ocurrencia de un evento

Los scripts invocan a los

servicios del motor de

ejecución encargados de

realizar la adaptación de

la unidad de aprendizaje

El avatar interacciona

con los elementos físicos

del entorno virtual

generando eventos que

deberán ser tratados por

el sistema

Los avatares no tienen

interacción directa con

el motor IMS LD: debe

establecerse a través de

un elemento físico 3D


¿Cómo se integran los mundos

virtuales con los motores IMS LD?

Nuestra solución implica el diseño de una

arquitectura distribuida de cara a facilitar el acceso

de la plataforma de metaversos a las funcionalidades

del motor IMS LD.

Analizamos dos opciones:

Arquitectura basada en agentes.

Arquitectura orientada a servicios.


¿Arquitectura orientada a

servicios?

Beneficios:

Permite la reutilización de la arquitectura en otras plataformas de

metaverso.

Adición de nuevas funcionalidades sin cambiar los scripts ni los

servicios.

Las funcionalidades del motor están externalizadas

a través de servicios web y proporcionan acceso:

Al estado y ejecución de los flujos de trabajo IMS LD.

A los contenidos y recursos educativos de las unidades de aprendizaje.

NUESTRA

ELECCIÓN


Arquitectura orientada a servicios

HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWSM

MR

(JB

I B

us)

Sun Java System Application Server 9.1

JBI Runtime

Environment OPENET4LD

User

Management

PNDefinition

UoL

Publication

UoLState

Management

PNState

Management

UoL

Execution

PN

ExecutionIMSLD2PN

UoL2FLORAUoL

Validation

Web Services

CAPA SERVIDOR CAPA DE SERVICIOSCAPA CLIENTE

Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e V

iew

er

Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e S

erv

er



HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWSM

MR

(JB

I B

us)


JBI Runtime


User

Management

PNDefinition

UoL

Publication

UoLState

Management

PNState

Management

UoL

Execution

PN

ExecutionIMSLD2PN

UoL2FLORAUoL

Validation

Web Services


Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e V

iew

er

Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e S

erv

er

La capa cliente se

encarga de ejecutar

los scripts invocados

por las acciones de los

clientes



HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWSM

MR

(JB

I B

us)


JBI Runtime


User

Management

PNDefinition

UoL

Publication

UoLState

Management

PNState

Management

UoL

Execution

PN

ExecutionIMSLD2PN

UoL2FLORAUoL

Validation

Web Services


Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e V

iew

er

Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e S

erv

er

La capa servidor dispone

de un módulo para la

invocación de servicios

disparados por los

scripts de la plataforma

de metaversos.



HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWSM

MR

(JB

I B

us)


JBI Runtime


User

Management

PNDefinition

UoL

Publication

UoLState

Management

PNState

Management

UoL

Execution

PN

ExecutionIMSLD2PN

UoL2FLORAUoL

Validation

Web Services


Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e V

iew

er

Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e S

erv

er

La capa de servicios

publica las funcionalidades

del motor y resuelve las

consultas a las unidades

de aprendizaje.


Escenario docente

Pantalla

Facilita la visualización del

contenido educativo (como

vídeos o presentaciones)

asociado a las actividades de

las unidades de aprendizaje

que están ejecutando en ese

momento.

Panel de selección

Facilita la interacción de los avatares con el motor IMS LD, de forma

que pueden buscar información acerca de una determinada unidad

de aprendizaje y obtener la(s) siguiente(s) actividad(es) a realizar.


Pantalla y modos de operación

2. El avatar visualiza el contenido de forma individual.

Los estudiantes usan la pantalla para desplegar los recursos

educativos asociados a la actividad que están realizando.

1. Todos los avatares visualizan

el mismo contenido.

Los profesores aplican esta

estrategia para explicar el

contenido a los alumnos.


Panel de selección

En panel de notas

(notecard) muestra

la información

relativa a la actual

unidad de

aprendizaje.

Cuando el avatar toca

esta parte del panel,

se invoca el servicio

web encargado de

obtener la información

y objetivos de la

actividad que está

realizando.

Cuando el avatar

toca esta parte del

panel, se invoca el

servicio web

encargado de

obtener los

recursos asociados

con la unidad de

aprendizaje.

Cuando el avatar

toca esta parte del

panel, se invoca el

servicio web que

finaliza la actividad

actual. Como

resultado, se

muestra al avatar la

siguiente actividad a

realizar.


Capa cliente: scripts

1. Vídeos

2. Imágenes

3. Presentaciones



HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWSM

MR

(JB

I B

us)


JBI Runtime


User

Management

PNDefinition

UoL

Publication

UoLState

Management

PNState

Management

UoL

Execution

PN

ExecutionIMSLD2PN

UoL2FLORAUoL

Validation

Web Services


Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e V

iew

er

Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e S

erv

er


HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWS

MM

R (

JB

I B

us)


JBI Runtime

Environment

BC: Binding Component

SE: Service Engine

Gestión de peticiones del servidor

Módulo de gestión de peticiones de

los metaversos (Metaverse Requests

Management - MRM):

Se compone de un conjunto de servlets

Los servlets recogen directamente las

peticiones de los scripts (a través de la

función HTTPRequest, y ejecutan el

método GET como consecuencia de

esas peticiones) y redirige las

peticiones al correspondiente servicio

web del motor IMS LD

Un Servidor de Aplicaciones da

soporte al despliegue e invocación

de los servicios Web.


HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWS

MM

R (

JB

I B

us)


JBI Runtime

Environment

BC: Binding Component

SE: Service Engine

Gestión de peticiones del servidor

Módulo de gestión de peticiones de

los metaversos (Metaverse Requests

Management - MRM):

Se compone de un conjunto de servlets

Los servlets recogen directamente las

peticiones de los scripts (a través de la

función HTTPRequest, y ejecutan el

método GET como consecuencia de

esas peticiones) y redirige las

peticiones al correspondiente servicio

web del motor IMS LD

Un Servidor de Aplicaciones da

soporte al despliegue e invocación

de los servicios Web.

La necesidad de este módulo está impuesta por las limitaciones del lenguaje

de scripts.



HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWSM

MR

(JB

I B

us)


JBI Runtime


User

Management

PNDefinition

UoL

Publication

UoLState

Management

PNState

Management

UoL

Execution

PN

ExecutionIMSLD2PN

UoL2FLORAUoL

Validation

Web Services


Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e V

iew

er

Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e S

erv

er


Arquitectura del motor IMS LD

FLORA-2 Reasoner

Inference Engine

Base de conocimiento

Schema

HLPN

Ontology

Data

HLPN

Instances

Rules

HLPN

Reasoning

IMS LD Engine

Reasoner Interface

HLPN engine interface HHLPN engine interface

OPENET Engine

IMS LD engine interfaceOPENET engine interface

Schema

HHLPN

Ontology

Data

HHLPN

Instances

Rules

HHLPN

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS

Schema

OPENET

Ontology

Data

OPENET

Instances

Rules

OPENET

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS

Schema

IMS LD

Ontology

Data

IMS LD

Instances

Rules

IMS LD

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS



FLORA-2 Reasoner

Inference Engine


Schema

HLPN

Ontology

Data

HLPN

Instances

Rules

HLPN

Reasoning

IMS LD Engine

Reasoner Interface


OPENET Engine


Schema

HHLPN

Ontology

Data

HHLPN

Instances

Rules

HHLPN

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS

Schema

OPENET

Ontology

Data

OPENET

Instances

Rules

OPENET

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS

Schema

IMS LD

Ontology

Data

IMS LD

Instances

Rules

IMS LD

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS

Estas tres capas

definen la semántica

de ejecución de los

flujos de trabajo. Esta

ejecución se basa en

el formalismo de las

redes de Petri.



FLORA-2 Reasoner

Inference Engine


Schema

HLPN

Ontology

Data

HLPN

Instances

Rules

HLPN

Reasoning

IMS LD Engine

Reasoner Interface


OPENET Engine


Schema

HHLPN

Ontology

Data

HHLPN

Instances

Rules

HHLPN

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS

Schema

OPENET

Ontology

Data

OPENET

Instances

Rules

OPENET

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS

Schema

IMS LD

Ontology

Data

IMS LD

Instances

Rules

IMS LD

Reasoning

MAPPINGS

MAPPINGS

Esta capa contiene la

ontología de IMS LD y el

conjunto de

transformaciones que

permiten definir un flujo de

trabajo a partir del modelo

IMS LD.



HTTP BC

JMS BC

File BC

FTP BC

JDBC BC

MQ BC

SMTP BC

UDDI BC

BPEL SE

XSLT SE

SQL SE

IEP SE

Metaverse

Requests

Management

(MRM)

JAXWSM

MR

(JB

I B

us)


JBI Runtime


User

Management

PNDefinition

UoL

Publication

UoLState

Management

PNState

Management

UoL

Execution

PN

ExecutionIMSLD2PN

UoL2FLORAUoL

Validation

Web Services


Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e V

iew

er

Op

en

Sim

/Se

co

nd

Lif

e S

erv

er


OPENET4LD

User

Management

PNDefinition

UoL

Publication

UoLState

Management

PNState

Management

UoL

Execution

PN

ExecutionIMSLD2PN

UoL2FLORAUoL

Validation

Web Services

SERVICE LAYER

Esta capa se compone de un

conjunto de servicios que

externalizan las funcionalidades del

motor de IMS LD:

Publicar una UoL en el motor

Validar la estructura de una UoL

Iniciar la ejecución de una UoL

Gestionar los roles

Gestionar los usuarios

Servicios web del motor IMS LD


Más funcionalidades:

Gestionar la ejecución de una

UoL

Parar, suspender o reanudar la

ejecución de un método, play,

acto o actividad

Realizar una actividad

Acceder al estado de una

ejecución


RUNNINGPAUSED

FINISHED

run

SELECTED SELECTABLE

UNSTARTED

run select

enable

selection

finish / stop / halt/timeout /

when-property-value-is-set

selected activity

is finished

hierarchical

suspension

hierarchical

resume

SUSPENDED

suspend

resume

another activity

is selected

show

hide

DISABLED


Otras funcionalidades:

Transformar una UoL

a red de Petri

…


Los servicios están

descritos en WSDL y se

invocan a través de

mensajes SOAP.


Conclusiones

Las características de los mundos virtuales 3D son muy

deseables cuando se aplican a la Educación en los

llamados entornos docentes virtuales 3D:

Favorecen la inmersión de los estudiantes en el entorno docente

3D virtual, lo que aumenta su nivel de implicación en la

realización de las actividades docentes

Favorecen la interacción y comunicación entre todos los que

participan en las actividades de aprendizaje

(estudiante estudiante, estudiantes profesor)

Permiten una gran variedad de estilos de aprendizaje, y en

especial favorecen el aprendizaje colaborativo


Conclusiones

Hemos visto como a través de una arquitectura orientada a servicios

se facilita la ejecución, desde una plataforma de metaversos, de UoLs

basadas en el estándar IMS LD.

En esta arquitectura externaliza las funcionalidades del motor IMS LD

a través de servicios web de forma que terceras aplicaciones puedan

controlar la ejecución de las UoLs y los recursos educativos.

Las principales ventajas de esta aproximación son:

Reutilización de cursos previamente especificados en IMS LD

Reducir la complejidad de los scripts

La solución es “fácilmente” aplicable a otras plataformas de metaversos


Trabajos futuros

Mejorar el marco de integración en dos puntos:

Integrar más elementos físicos al entorno docente.

Reducir la complejidad del módulo usado para la gestión

de las peticiones desde la plataforma de metaversos.

Para ello se planeamos introducir la ejecución de estos

servicios web a través del lenguaje BPEL.


2010-12-10 (uc3m) eMadrid jcvidal usc integracion de ims ld en mundos virtuales

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