Formarea deprinderilor şi competenŃelor profesionale prin tehnici de realitate virtuală

Dudulean Cristian – ing. drd. Grup Şc. Industrial Râşnov,

duduleanc@yahoo.com StareŃu Ionel – prof. univ. dr. ing. Universitatea „Transilvania” din Braşov,

staretu@unitbv.ro

Abstract Modernizarea formării profesionale iniŃiale şi continue este o necesitate a restructurării şi dezvoltării sistemului de educaŃie, a adaptării acestuia la nevoile de pe piaŃa muncii. Axa Prioritară 1 din Programul OperaŃional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-201 (POSDRU) - „EducaŃia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăŃii bazate pe cunoaştere” urmăreşte coerenŃa sistemului de educaŃie cu formarea profesională iniŃială şi continuă, precizându-se principiile şi acŃiunile de urmat în vederea creării condiŃiilor pentru furnizarea de competenŃe pe tot parcursul vieŃii. O modalitate modernă de desfăşurare a instruirii este aplicarea tehnicilor de realitate virtuală, tehnici care permit interacŃiunea cu obiectele cunoaşterii şi abordarea unor metode de instruire centrate pe elev/student.

1. Introducere Modernizarea formării profesionale iniŃiale şi a formării profesionale continue este o necesitate

a restructurării şi dezvoltării sistemului de educaŃie, a adaptării acestuia la nevoile pieŃei muncii. Axa Prioritară 1 din Programul OperaŃional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013 (POSDRU) - „EducaŃia şi formarea profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăŃii bazate pe cunoaştere” urmăreşte coerenŃa sistemului de educaŃie cu formarea profesională iniŃială şi continuă, precizându-se principiile şi acŃiunile de urmat în vederea creării condiŃiilor pentru furnizarea competenŃelor pe tot parcursul vieŃii. Axa precizează acŃiunile care vizează sistemul educaŃional, respectiv standardele, metodologia, instrumentele, furnizorii de educaŃie şi formare, precum şi modul de asigurare a calităŃii, dezvoltarea de curriculum, relevanŃa ofertelor educaŃionale, resursa umană implicată [1]. La ora actuală funcŃionează un curriculum modular căruia îi este asociat un sistem de credite în ideea sprijinirii procesului de învăŃare continuă [2]. Profesorul are la dispoziŃie standarde de pregătire profesională pentru majoritatea meseriilor din nomenclatorul calificărilor existente, pe niveluri de calificare, programe care precizează conŃinutul formării şi foarte important corelarea rezultatelor învăŃării cu criteriile de evaluare[3]. Corelarea între cunoştinŃe – deprinderi – criterii de evaluare are drept scop formularea clară şi logică a rezultatelor învăŃării, nivelul de pregătire fiind realizat corespunzător dacă rezultatele învăŃării pot fi demonstrate. 2. Contextul introducerii realităŃii virtuale în studierea disciplinelor tehnice

Academia NaŃională de Inginerie din USA a desemnat un comitet de specialişti din domeniul

ingineriei, medicinii şi a altor domenii conexe solicitându-le să definească problemele cele mai importante care vor trebui rezolvate în următoarele decenii, scopul fiind de a determina progresul condiŃiei umane. Comisia a propus 14 mari proiecte [4], două dintre acestea fiind strâns legate de problema abordată în prezentul articol şi anume:

Universitatea din Bucureşti şi Universitatea de Medicină şi Farmacie Târgu-Mureş 106

- dezvoltarea tehnicilor de realitate virtuală - promovarea învăŃării personalizate

În Ńările occidentale, Statele Unite şi China se estimează o creştere a absolvenŃilor din domeniul ingineriei. De ex. China formează aproximativ 250.000 de ingineri la nivel de licenŃă pe an, în timp ce SUA, aproximativ 60.000 de absolvenŃi. Cifrele sunt relative, existând mari diferenŃe calitative, firmele de specialitate fiind în continuă căutare de ingineri şi specialişti calificaŃi. Aceste cifre nu sunt îngrijorătoare, cel puŃin în Statele Unite, ci faptul că aproximativ 15% din absolvenŃii de liceu nu au suficiente cunoştinŃe de matematică şi ştiinŃe fundamentale pentru a avea posibilitatea de a încheia cu succes o facultate de inginerie.

Actuala abordare curriculară din învăŃământul tehnic centrează demersul didactic pe competenŃe tehnice de specialitate complexe, recomandându-se luarea în considerare a stilurilor de învăŃare individuale ale fiecărui elev/student, combinarea activităŃilor individuale cu cele de lucru în echipă, folosirea unor metode care favorizează relaŃia nemijlocită a elevului cu obiectele cunoaşterii, prin recurgere la modele concrete.

După cum s-a precizat şi în [5], o modalitate eficientă de realizare a cerinŃelor solicitate prin curriculm, mai ales când dotarea laboratorului tehnologic este precară sau depăşită, este studierea disciplinelor tehnice atât prin mijloace clasice, cât şi prin aplicarea unor tehnici de realitate virtuală, implicaŃiile acestui demers făcând, de altfel, obiectul unui proiect mult mai amplu [6].

3. ParticularităŃile sistemelor de instruire bazate pe tehnologiile realităŃii virtuale

La nivelul Uniunii Europene şi al Statelor Unite, s-au efectuat numeroase cercetări privind

utilizarea realităŃii virtuale în scop didactic reflectate de o bogată bibliografie din care menŃionăm lucrările [7] [8] [9]. Se consideră că folosirea tehnologiilor realităŃii virtuale contribuie la creşterea valorii metodelor tradiŃionale de învăŃare, în primul rând prin faptul că participanŃii sunt puşi în situaŃii de învăŃare /instruire specifice cerute de realizatorul aplicaŃiei, scopul final fiind îmbunătăŃirea metodelor de învăŃare, instruire şi educare. ÎnvăŃarea în mediul virtual este un proces complex, activităŃile desfăşurate trebuind să garanteze însuşirea conceptelor, abilităŃilor, deprinderilor şi competenŃelor transmise. Aceste activităŃi complexe depind de cum este reprezentat mediul virtual, de gradul de imersie în mediul virtual, de conŃinutul aplicaŃiei, precum şi de răspunsul mediului virtual la diversele acŃiuni ale celor instruiŃi. Instruirea/învăŃarea într-un mediu virtual are loc pe baza informaŃiilor senzoriale provenite pe diverse canale: văz, auz, atingere, retur de forŃă, rezultatul fiind oferit celui instruit sub forma unei noi experienŃe, experienŃă care poate sta la baza construirii unor hărŃi mentale, care vor putea fi folosite ulterior, atunci când activitatea sau situaŃia se repetă. Introducerea acestor tehnologii are capacitatea de a crea un context care să favorizeze învăŃarea/instruirea şi să asigure aplicabilitatea cunoştinŃelor dobândite. Foarte importantă este realizarea unei corespondenŃe între activităŃi/probleme/abilităŃi şi tipul de aplicaŃie de realitate virtuală căreia îi este destinată. Impactul folosirii realităŃii virtuale în activitatea didactică va fi evaluat prin metode corespunzătoare care au în vedere eficienŃa utilizării acestor tehnologii. Evaluarea va reflecta:

- Care sunt deprinderile şi competenŃele ce vor fi transferate în mediul real ? - Ce efort suplimentar este necesar pentru însuşirea deprinderilor în mediul virtual faŃă de cel

real? - Care sunt schimbările de comportament ale utilizatorilor în urma instruirii într-un mediu

virtual ? - Care sunt costurile folosirii realităŃii virtuale în instruire ?

AchiziŃionarea unor cunoştinŃe, abilităŃi, deprinderi şi transformarea acestora în competenŃe profesionale tehnice nu implică doar o simplă învăŃare, ci şi posibilitatea interacŃiunii cu obiectele cunoaşterii, posibilitatea exersării anumitor deprinderi sau posibilitatea reluării anumitor secvenŃe

ConferinŃa NaŃională de ÎnvăŃământ Virtual, ediŃia a VIII-a, 2010 107

în funcŃie de ritmul propriu sau stilul de învăŃare al celui instruit. Se va avea în vedere faptul că dezvoltarea competenŃelor este un proces mental şi personal complex care implică asimilarea mai multor niveluri de cunoştinŃe [10]. O competenŃă este rezultanta compunerii de cunoştinŃe, abilităŃi şi atitudini, cele trei elemente fiind interdependente. Predarea competenŃelor profesionale tehnice trebuie să acopere cele trei elemente pe tot parcursul instruirii atât sub aspect teoretic, cât şi practic, obiectivele şi rezultatele învăŃării fiind explicate clar şi logic.

Dificultatea transformării abilităŃilor şi cunoştinŃelor în competenŃe vine şi din faptul că majoritatea materialelor didactice (manuale, planşe, hărŃi, soft-uri) clasice sunt elaborate pentru 2D, în timp ce deprinderile, competenŃele şi rezultatele învăŃării vor trebui probate în lumea reală, adică în 3D. Evident că, introducerea realităŃii virtuale în instruire, prin posibilitatea de interacŃiune în timp real cu obiecte 3D, favorizează atingerea obiectivelor menŃionate.

Distribuirea cunoştinŃelor prin Intenet a devenit standard pentru multe instituŃii de învăŃământ, iar învăŃarea on-line este o realitate, ca şi învăŃământul la distanŃă, învăŃarea mobilă, sau învăŃarea în medii virtuale [11]. Acest fapt impune respectarea principiilor şi standardelor privind proiectarea materialelor destinate instruirii asistate de calculator, astfel încât obiectele şi secvenŃele să poată fi distribuite şi reutilizate.

Nu în ultimul rând utilizarea unui astfel de sistem de instruire trebuie să fie accesibilă, deci este necesară elaborarea unui ghid de utilizare pentru profesor, ca şi pentru elev, precum şi a unei fişe care să precizeze exact obiectivele fiecărei lucrări, etapele de desfăşurare, echipamentele necesare, materialele auxiliare necesare, modalitatea de evaluare a obiectivelor propuse. Evaluarea va include atât instrumente de evaluare continuă, de tip fişe de evaluare, teste de verificare a cunoştinŃelor, conform celor precizate în standardul de evaluare, precum şi instrumente de evaluare finală, de tip studiu de caz sau proiect. Rezultatul activităŃilor va compune portofoliul elevului/studentului. 4. Metode de proiectare a aplicaŃiilor

Etapele proiectării unei astfel de aplicaŃii presupun [12]: • stabilirea obiectivelor laboratorului în concordanŃă cu rezultatele învăŃării precizate

prin curriculum • gruparea activităŃilor de învăŃare în lucrări de laborator şi stabilirea obiectivelor pentru

fiecare lucrare • elaborarea scenei virtuale şi popularea acesteia cu obiecte specifice pentru realizarea

obiectivelor propuse • stabilirea interacŃiunilor, detectarea coliziunilor şi integrarea acestora în mediul virtual • testarea şi evaluarea lucrărilor • elaborarea ghidului de desfăşurare a lucrării şi a ghidului de studiu

Crearea şi editarea fişierelor de realitate virtuală se face folosind limbajul VRML, standardul ISO actual numindu-se X3D (www.web3d.org/x3d/). AplicaŃiile grafice complexe, cum sunt cele destinate instruirii , necesită dezvoltarea unor scene virtuale, în care să existe posibilitatea inserării de obiecte, interacŃiunea cu acestea fiind determinată de activităŃile de învăŃare impuse. Aceste cerinŃe implică posibilitatea programării aplicaŃiilor (Visual C++ de ex.), utilizarea de biblioteci grafice(OpenGL de ex.) sau posibilitatea utilizării script-urilor. Vizualizarea fişierelor se face cu un browser ( BS Contact, Instant Reality, Cosmo Player, blaxxun Contact.

Actuala structură a curriculum-ului disciplinelor tehnice cuprinde o serie de module, fiecare modul fiind format din mai multe unităŃi de învăŃare. O unitate de învăŃare conŃine mai multe obiective care vizează la rândul lor competenŃele ce vor fi dobândite prin parcurgerea respectivei unităŃi. La rândul ei o unitate de învăŃare poate fi descompusă în activităŃi de învăŃare.

Universitatea din Bucureşti şi Universitatea de Medicină şi Farmacie Târgu-Mureş 108

Acolo unde este cazul ghidul de utilizare va fi însoŃit de un ghid de studiu corespunzător activităŃii de învăŃare vizată. Feedback-ul va fi asigurat atât la nivel de profesor, cât şi de elev, prin chestionare. ActivităŃile de învăŃare pot fi de vizualizare a diverselor componente, de simulare a funcŃionării acestora, de măsurare a unor diverşi parametri utilizând instrumentaŃie virtuală, de formare a anumitor deprinderi şi abilităŃi practice, consultându-se permanent standardele de pregătire profesională.

De exemplu, în cazul mecanismului cu 5 bare articulate din figura 1 studiul poate demara cu elaborarea unui model CAD al mecanismului folosindu-se drept soft produsul Catia. Pentru simularea cinematicii componentelor ansamblului se foloseşte modulul CATIA DMU Kinematics. Simularea se face fie prin acŃionarea cuplelor cinematice, fie prin definirea unei legi de comandă. Simularea poate fi înregistrată ulterior în fomat .avi. Studierea încărcărilor, deformaŃiilor, comportamentul materialului, poate fi făcută prin modulul Generative Structural Analysis (metoda elementului finit).

Modelarea dinamică a mecanismului s-a făcut în Matlab, folosindu-se modulul SimMechanics. Metoda folosită este metoda sistemelor multicorp (multibody) şi presupune în prima fază introducerea succesivă a corpurilor care formează mecanismul, în cazul nostru cele patru bare cu precizarea coordonatelor punctelor de legătură. Cooronatele acestor puncte se pot introduce în formă abbsolută, adică raportate la sistemul de coordonate World, fie în formă relativă, Adjoining. Simechanics permite conectarea corpurilor prin mai multe tipuri de legături, joints, aflate la dispoziŃia utilizatorului în bilioteca programului. În cazul nostru legăturile sunt de tip Revolute. În final va rezulta structura mecanică din figura 2.

Figura 2. Mecanism cu 5 bare articulate elaborat în SimMechanics

Figura 1. Modelul CAD al unui mecanism cu 5 bare articulate elaborat în CATIA

ConferinŃa NaŃională de ÎnvăŃământ Virtual, ediŃia a VIII-a, 2010 109

Structura mecanică obŃinută se va salva în format vrml, cuplarea fişierului la SimMechanics urmând a se face prin opŃiunea de browser a componentei VR SINK, din modulul Simscape 3D. Manevrarea mecanismului se poate face prin intermediul unui joystick.

5. Concluzii şi obiective viitoare

Modelele pedagogice, potrivite instruirii prin aplicaŃii care folosesc tehnici de realitate virtuală, trebuie astfel concepute încât să transmită utilizatorului:

- nivelul de cunoştinŃe la care se află acesta - deprinderile pe care trebuie să le exerseze - posibilitatea ca prin exersare şi repetare în mediul virtual să dobândească deprinderi,

abilităŃi, atitudini care apoi să devină competenŃe. Mediul virtual va fi proiectat astfel încât să stimuleze însuşirea unor concepte şi a unor abilităŃi

importantă fiind înŃelegerea semnificaŃiei acestora. Evaluarea unei asemenea aplicaŃii va reflecta:deprinderile şi competenŃele ce vor fi transferate

în mediul real , efortul necesar pentru însuşirea deprinderilor de lucru în mediul virtual faŃă de cel real, schimbările de comportament ale utilizatorilor în urma instruirii într-un mediu virtual, costurile folosirii realităŃii virtuale în instruire.

Se vor studia efectele pozitive şi eventual negative asupra elevului, rolul profesorului, modalitatea de implementare în şcoli a unui astfel de laborator.

Bibliografie

[1] http://www.fonduri-structurale-europene.ro/posdru/lista-axelor-prioritare.html [2] „RelaŃia învăŃământ profesional şi tehnic, învăŃământ universitar şi mediul de afaceri - provocări şi

oportunităŃi ”, CONFERINłA NAłIONALĂ ,23-24 Aprilie 2007 [3] Ministerul EducaŃiei, Cercetării, Tineretului şi Sportului, Centrul NaŃional de dezvoltare a învăŃământului

Profesional şi Tehnic, Anexa nr. 2 la OMECTS nr. 4463/12.07.2010, Curriculum pentru clasa a X-a, Filiera tehnologică, Aria curriculară Tehnologii

[4] http://www.engineeringchallenges.org [5] I. StareŃu, C. Dudulean, Câteva consideraŃii privind folosirea realităŃii virtuale în procesul de instruire

specific disciplinelor de mecanică aplicată, Buletinul AGIR nr. 1/2010 [6] I. StareŃu, „Simularea, realizarea si implementarea unui sistem pilot de instruire cu tehnologii de realitate

virtuală şi structuri robotice articulate dedicat disciplinelor tehnice de mecanică aplicată” - SRIPTMA. Proiect CNCSIS : PN-II-ID-PCE-2008-2.

[7] INTUITION-FORTH-D-WP1_11-R1-V1 Existing guidelines and standards [8] INTUITION-USAL-D-WP1_6_1-R5.pdf- State-of-the-art in VR [9] Christine Youngblut, Rob E. Johnson, Sarah H. Nash, Ruth A. Wienclaw. Review of Virtual Environment

Interface Technology. DA Paper P-3186, Institute for Defense Analyses, www.hitl.washington.edu/ scivw/youngblut-edvr/D2128.pdf 1998

[10] Niclas Andersson, Pernille Hammar Andersson, Technical University of Denmark Teaching professional engineering skills - industry participation in realistic role play simulation, Proceedings of the 6th International CDIO Conference, École Polytechnique, Montréal, June 15-18, 2010

[11] Concepts, Applications, and Research of Virtual Reality Learning Environments Yukiko Inoue, University of Guam, International Journal of Social Sciences 2007

[12] L. Grindei, B. Orza, A. Vlaicu, Tehnologii multimedia cu aplicaŃii interactive în elearning, Editura Albastră, 2007