ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΜΑΘ/ΚΩΝ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΜΑΘ/ΚΩΝ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ (MSc) Ειδίκευση: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΣΤΗΝ ΕΚΠΑΙ ΕΥΣΗ & ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ Θέµα: Τυπικές Προδιαγραφές για τη Σχεδίαση της Αλληλεπιδραστικότητας Εκπαιδευτικού Λογισµικού Εικονικής Πραγµατικότητας ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Π. ΠΙΝΤΕΛΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Ν. ΙΠΛΑΣ ΙΟΥΛΙΟΣ 2002

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή Τεχνολογικό Υπόβαθρο Εικονική Πραγµατικότητα (ΕΠ) / Virtual Reality (VR) Εισαγωγή Ο όρος "Εικονική Πραγµατικότητα" Λόγοι για τους οποίους αναπτύχθηκε η Virtual Reality Στάδια της έρευνας στον χώρο της Virtual Reality Η κατάσταση σήµερα Ορολογία Συσκευές Υλικού (Hardware) Εικονικής Πραγµατικότητας Tracking systems Haptic systems Image Generators Visual Display Devices Audio Systems Speech Input Λογισµικό Ανάπτυξης Εφαρµογών Εικονικής Πραγµατικότητας Κατηγοριοποίηση Τεχνικών ΕΠ Πεδία Εφαρµογών της Εικονικής Πραγµατικότητας Οπτικοποίηση δεδοµένων και µοντέλων Σχεδιασµός Περιήγηση Αρχιτεκτονικής (Architectural Walkthrough) - Χειρουργική Ψυχαγωγία και Τέχνη Teleoperation Decision Support systems Επικοινωνία και συνεργασία Εκπαίδευση ΑναφορÜ στιò δυνατüτητεò προϊüντων ΕκπαιδευτικÞò VR και παραδεßγìατα Ποιότητα Γραφικών Head Mounted Displays Custom application (VRroom & VRtheater) (τύπων 2-4) VR application & DVD (τύπων 2-3-4) VR theater (τύπων 2-3) Internet & VR (τύπων 2-3-4) Interactive TV (τύπων 2-3) Custom applications για εξoµείωση µεταφορικού µέσου (τύπων 1-3) Εκπαιδευτικό Λογισµικό Εκπαίδευση µε την βοήθεια και χρήση Η/Υ Ευφυή Συστήµατα Εκπαιδευτικού Λογισµικού Γεννήτορες Ευφυών Συστηµάτων Εκπαιδευτικού Λογισµικού MELLON: Ενας Γεννήτορας ITSs οµή του συστήµατος Παιδαγωγικά Θέµατα Μοντέλα, Αρχιτεκτονικές, Εργαλεία και Γλώσσες Τυπικές Προδιαγραφές: Το Μοντέλο Petri Nets

3 Τυπικός Ορισµός του PN µοντέλου Petri Nets Χαµηλού επιπέδου Μηχανές Καταστάσεων (State Machines) Σηµειωµένα Γραφήµατα (Marked Graphs) ίκτυα Ελεύθερης Επιλογής (Free-Choice Nets) Εκτεταµένα ίκτυα Ελεύθερης Επιλογής (Extended Free-Choice Nets) ίκτυα Ασυµµετρικής Επιλογής Περίληψη Ιδιότητες Συµπεριφορικές ιδιότητες Reachability Boundedness Liveness Αντιστρεψιµότητα και Βασική Κατάσταση Coverability Εµµονή ικαιοσύνη Περίληψη οµικές ιδιότητες οµικό Liveness Controlability οµικό Boundedness Repetitiveness Συνέπεια οµική Β-δικαιοσύνη Petri Nets Υψηλού Επιπέδου Εκπαιδευτική ιάσταση της Εικονικής Πραγµατικότητας Εικονική Πραγµατικότητα και Εκπαίδευση Προσεγγίσεις σε Συστήµατα ΕΠ για Εκπαιδευτικές Εφαρµογές Παραδείγµατα εισαγωγής ΕΠ στα σχολεία Εκπαιδευτικές Εφαρµογές Εικονικής Πραγµατικότητας Εκπαιδευτικό Λογισµικό ΕΠ στο ESDLab Το εκπαιδευτικό λογισµικό ΕΠ DrIVE οµή του συστήµατος και λειτουργική περιγραφή Το εκπαιδευτικό λογισµικό ΕΠ VRTutor Αρχιτεκτονική σχεδίαση του VRTutor ουλεύοντας µε τον VRTutor Προς ένα Πλαίσιο Προδιαγραφών & Σχεδίασης της Αλληλεπίδρασης σε Εκπαιδευτικό Λογισµικό ΕΠ Το Πλαίσιο Προδιαγραφών, Σχεδίασης & Πρωτοτυποποίησης Το γραφικό τυπικό µοντέλο Γ.Ε.Π.Ρ ή Virtual-MFG ρώντα Στοιχεία (Actors) ρώντα στοιχεία ενέργειας (Action actors) ρώντα στοιχεία συνάφειας (Context actors) ρώντα στοιχεία καθοδήγησης (Guide actors) Εικονικά δρώντα στοιχεία (Virtual actors) Σύνδεσµοι (Links) Σύνδεσµοι γεγονότος (Event links) Σύνδεσµοι συνθήκης (Condition links) Σύνδεσµοι δεδοµένων (Data links) Σύνδεσµοι συνάφειας (Context links) Σύνδεσµοι επικοινωνίας (Communication links) Σύνδεσµοι µάθησης (Learning Links) Σύνδεσµοι µαθησιακής συνάφειας (Learning Context Links)

4 Σύνδεσµοι ενίσχυσης εµπειρίας (Experience Amplification Learning Links) Σύνδεσµοι εκτίµησης-αξιολόγησης (Assessment and Evaluation Learning Links) Σύνδεσµοι προσοµοίωσης (Simulation Learning Links) Η Αρχιτεκτονική Χ.Ε.Π.Α Επικύρωση του µοντέλου Γ.Ε.Π.Ρ και της αρχιτεκτονικής Χ.Ε.Π.Α Το εκπαιδευτικό λογισµικό ΕΙΚΩΝ Προδιαγραφές ενός σεναρίου µάθησης µε χρήση Γ.Ε.Π.Ρ Συνοπτικά Συµπεράσµατα Βιβλιογραφικές αναφορές

5 Τυπικές Προδιαγραφές για τη Σχεδίαση της Αλληλεπιδραστικότητας Εκπαιδευτικού Λογισµικού Εικονικής Πραγµατικότητας 1. Εισαγωγή Η εικονική πραγµατικότητα (ΕΠ) - virtual reality (VR) σχετίζεται µε µια γκάµα εφαρµογών που εστιάζουν στην απεικόνιση φυσικών συστηµάτων, χρησιµοποιώντας διαδραστικά ή αλληλεπιδραστικά τρισδιάστατα γραφικά (interactive three dimensional (3D) graphics). Η προσπάθεια εστιάζει κυρίως στην κατασκευή εικονικών αντικειµένων και εικονικών "σκηνών" µε γραφικά υψηλής ποιότητας καθώς και στην κατασκευή προηγµένων συσκευών εισόδου-εξόδου, παρά στην διερεύνηση και στην καθιέρωση αρχών σχεδίασης του λογισµικού της εικονικής πραγµατικότητας. Έχει ήδη παρουσιαστεί µια γκάµα συστηµάτων όπως οι εµπορικές πλατφόρµες ανάπτυξης VR Superscape VRT και Sense8 WorldUp, για την κατασκευή των εικονικών µικρόκοσµων και τη µοντελοποίηση των εικονικών αντικειµένων για διάφορα πεδία εφαρµογών, και οι προσπάθεις αυτές έχουν οδηγήσει σε συστήµατα που συνδυάζουν την εύκολη µοντελοποίηση και κατασκευή των εικονικών αντικειµένων, µε συµπεριφορικές ιδιότητες (behavioral properties) που προσαρτώνται στα αντικείµενα αυτά [52, 47]. Επίσης, κάποιες προσεγγίσεις εστιάζουν στην γραφική αναπαράσταση της διαδικασίας ανάκτησης πληροφοριών (information retrieval process) µε την χρήση εικονικής πραγµατικότητας, όπως έχουν παρουσιαστεί στο [9]. Αυτά τα συστήµατα παρέχουν εργαλεία επεξεργασίας (editors) για την περιγραφή της γεωµετρίας των αντικειµένων ένα σύνολο από βιβλιοθήκες υπορουτινών, οδηγούς συσκευών (device drivers) και προγράµµατα υποστήριξης, και συνήθως µια υψηλού επιπέδου γλώσσα προγραµµατισµού για την περιγραφή των δυναµικών ιδιοτήτων και της συµπεριφοράς των εικονικών αντικειµένων. Οι ευρύτερα γνωστές πλατφόρµες ανάπτυξης εικονικής πραγµατικότητας θεωρούν την αλληλεπίδραση µεταξύ του τελικού χρήστη και του εικονικού µικρόσκοσµου σαν ένα τµήµα της λειτουργικότητας της εφαρµογής (application functionality), αλλά δεν περιλαµβάνουν εργαλεία αποκλειστικά για την προδιαγραφή αυτής της αλληλεπίδρασης. Οι σχεδιαστές του λογισµικού (software designers) συνήθως εξάγουν τις προδιαγραφές και παράγουν τα έγγραφα προδιαγραφών (specification documents) σε άτυπη µορφή κειµένου ή χρησιµοποιούν γενικού σκοπού λογισµικό για τον καθορισµό αυτών των προδιαγραφών. Αυτό οδηγεί σε προδιαγραφές οι οποίες είναι δύσκολο να αναθεωρηθούν και συνεπώς οδηγούν σε τελικά συστήµατα που µπορεί να µην ανταποκρίνονται στις αρχικές απαιτήσεις και ανάγκες των χρηστών. Η δηµιουργία πρωτοτύπων (ή αλλιώς, πρωτοτυποποίηση) είναι σηµαντική για το σχεδιασµό και την ανάπτυξη συµβατικών εφαρµογών λογισµικού, αλλά είναι περισσότερο σηµαντική και κρίσιµη για το σχεδιασµό και την ανάπτυξη εκπαιδευτικού λογισµικού Εικονικής Πραγµατικότητας ή Εκπαιδευτικής Εικονικής Πραγµατικότητας (Educational Virtual 4

6 Reality - EVR), διότι η δόµηση του περιεχοµένου της εφαρµογής και των µικρόκοσµων µπορεί να αποδειχθεί πάρα πολύ σύνθετη, ανάλογα µε το σενάριο µάθησης και την εκπαιδευτική στρατηγική που θα ακολουθηθεί. Οι λειτουργικές ιδιότητες των εικονικών αντικειµένων του παραχθέντος EVR είναι ευκολότερο να προσδιοριστούν(specified), να αναθεωρηθούν (revised) και να εποπτευθούν(supervised) από ότι οι συµπεριφορικές (behavioural) ιδιότητες. Έτσι, τόσο οι σχεδιαστές όσο και εκείνοι που αναπτύσουν µια τόσο σύνθετη και µεγάλη EVR εφαρµογή, έχουν ανάγκη ένα µεγάλο βαθµό επίβλεψης επί των συµπεριφορικών ιδιοτήτων των εικονικών αντικειµένων. Αυτές οι συµπεριφορικές ιδιότητες θα καθορίσουν την επιτυχία του τελικού EVR ως εργαλείο κατάρτισης. Αυτό το γεγονός κάνει υποχρεωτική την ύπαρξη ενός ισχυρού µηχανισµού δηµιουργίας πρωτοτύπου (prototyping mechanism) κατά τη διάρκεια του χρόνου σχεδίασης. Οι σχεδιαστές και οι υπεύθυνοι για την ανάπτυξη χρησιµοποιούν εργαλεία µε συµβατικό σύστηµα διεπικοινωνίας χρήστη (user interface) το οποίο είναι είτε µορφής κειµένου είτε παραθυρικό και παράγουν εφαρµογές το οποίο είναι είτε τρισδιάστατο (3D) είτε εµβύθισης (immersive), ανάλογα µε το είδος της εικονικής πραγµατικότητας που θα χρησιµοποιηθεί. Όµως ο χρήστης της τελικής EVR εφαρµογής αλληλεπιδρά περισσότερο µε τρισδιάστατα γραφικά (εµβύθισης ή όχι) παρά µε χειριστήρια-εργαλεία (widgets) συµβατικού παραθυρικού user inteface. Aυτή η ανοµοιότητα θέτει ένα σηµασιολογικό χάσµα(semantic gap) ανάµεσα στο είδος της αλληλεπίδρασης που χρησιµοποιούν οι σχεδιαστές του τελικού EVR λογισµικού και στο είδος της αλληλεπίδρασης που χρησιµοποιεί ο τελικός χρήστηςεκπαιδευόµενος µέσα στον εικονικό µικρόσκοσµο. Το πρόβληµα το οποίο απορρέει από αυτό το γεγονός είναι ότι οι σχεδιαστές δεν µπορούν εύκολα να καθορίσουν τα πιθανά προβλήµατα αλληλεπίδρασης ( όπως π.χ κιναισθητικά) που αντιµετωπίζει ο τελικός χρήστης µέσα στον εικονικό µικρόκοσµο. Από τα τυπικά µοντέλα προδιαγραφών που έχουν προταθεί και καθιερωθεί για το σχεδιασµό εφαρµογών συµβατικού λογισµικού, τα ίκτυα petri [39] είναι από τις πλέον προεξέχουσες προσεγγίσεις. Πρόκειται για ένα ισχυρό γραφικό εργαλείο µοντελοποίησης που ενσωµατώνει ισχυρές µαθηµατικές θεµελιώσεις. Τα petrinets αναπαριστούν ένα σύστηµα σαν σύνολο από αλληλεπιδρώντα ενεργητικά και παθητικά στοιχεία και στην γραφική του αναπαράσταση ένα PN είναι ένα διµερές κατευθυνόµενο γράφηµα µε βάρη και µε δύο τύπους κόµβων, µεταβάσεις και θέσεις, και βέλη από ένα κόµβο του ενός τύπου σε έναν κόµβο του άλλου τύπου. Επίσης, έχουν προταθεί γνωστικά µοντέλα για τη µοντελοποίηση της γνωστικής συµπεριφοράς των χρηστών Η/Υ στο πεδίο των αλληλεπιδραστικών εφαρµογών. Όσον αφορά τη VR, δεν έχει παρουσιαστεί µέχρι τώρα κανένα τυπικό µοντέλο προδιαγραφών της αλληλεπίδρασης, και η κυριώτερη προσέγγιση στην µοντελοποίηση εικονικών µικρόκοσµων είναι η Virtual Reality Modeling Language (VRML) [56]. Η παρούσα εργασία προσπαθεί να παρέχει στους συγγραφείς-σχεδιαστές ένα πλαίσιο για τις προδιαγραφές, τη σχεδίαση και την πρωτοτυποποίηση των εφαρµογών εκπαιδευτικού λογισµικού εικονικής πραγµατικότητας, το οποίο περιλαµβάνει µια γενικευµένη αρχιτεκτονική για τη σχεδίαση τέτοιων εφαρµογών και ένα τυπικό µοντέλο προδιαγραφών της αλληλεπίδρασης. Η εγγυροποίηση του προτεινόµενου πλαισίου έγινε πάνω στο εκπαιδευτικό λογισµικό εικονικής πραγµατικότητας ΕΙΚΩΝ, όπου εξάγονται οι προδιαγραφές και σχεδιάζεται η εκπαιδευτική αλληλεπίδραση του µαθητή µε το σύστηµα, σε ένα συγκεκριµένο µαθησιακό σενάριο. 5

7 Η εργασία οργανώνεται ως εξής: Στη δεύτερη ενότητα παρουσιάζεται το τεχνολογικό πλαίσιο στο οποίο εντάσεται η εργασία αυτή και καταγράφεται το τεχνολογικό υπόβαθρο στην περιοχή της εικονικής πραγµατικότητας, στο εκπαιδευτικό λογισµικό, στα µοντέλα προδιαγραφών µε έµφαση στο τυπικό µοντέλο Petri Nets, και στις αρχιτεκτονικές λογισµικού ΕΠ. Στην τρίτη ενότητα παρουσιάζεται η εκπαιδευτική διάσταση της εικονικής πραγµατικότητας µε αναφορές και παραδείγµατα τέτοιων προσεγγίσεων. Στην επόµενη ενότητα παρουσιάζονται εκπαιδευτικές εφαρµογές εικονικής πραγµατικότητας µε αναφορές σε ερευνητικά προγράµµατα διεθνώς και µε παρουσίαση τέτοιων συστηµάτων που αναπτύχθηκαν στο Εργαστήριο Ανάπτυξης Εκπαιδευτικού Λογισµικού του Τµήµατος Μαθητικών, Παναπιστηµίου Πατρών. Στην πέµπτη ενότητα παρουσιάζεται το προτεινόµενο Πλαίσιο Προδιαγραφών, Σχεδίασης & Πρωτοτυποποίησης (Π.Π.Σ.Π) ή Specification, Design and Prototyping Framework (SpeDeProF) µαζί µε τις σχεδιαστικές αρχές του εκπαιδευτικού λογισµικού εικονικής πραγµατικότητας µε το όνοµα ΕΙΚΩΝ και την επικύρωση του Γ.Ε.Π.Ρ µοντέλου και της αρχιτεκτονικής Χ.Ε.Π.Α στο ΕΙΚΩΝ. Η εργασία ολοκληρώνεται µε τα σύντοµα συµπεράσµατα στην έκτη ενότητα και τις βιβλιογραφικές αναφορές στην έβδοµη. 6

8 2. Τεχνολογικό Υπόβαθρο 2.1. Εικονική Πραγµατικότητα (ΕΠ) / Virtual Reality (VR) Εισαγωγή Μέσα από το κείµενο που ακολουθεί έγινε µια προσπάθεια να καταγραφούν και να παρουσιαστούν πολλές από τις νέες έννοιες και τεχνολογίες που έρχονται στο προσκήνιο τα τελευταία χρόνια και συντελούν στην διαµόρφωση µιας νέας φιλοσοφίας και αντίληψης των πραγµάτων τόσο στον χώρο της επιστήµης των υπολογιστών όσο και στην ευρύτερη δραστηριότητα των ανθρώπων. Θα ήταν αδύνατο να καλυφθεί διεξοδικά και πλήρως ένας τόσο νέος και δυναµικά εξελισσόµενος χώρος όπως αυτός της Εικονικής Πραγµατικότητας όπου συνδυάζονται όλες οι προηγµένες υπάρχουσες τεχνολογίες σε λογισµικό και µηχανικό, κάτω από µια οµπρέλα που καλύπτει µεταξύ των άλλων έννοιες από την τεχνητή νοηµοσύνη µέχρι τεχνικές από τα αναλογικά και ψηφιακά ηλεκτρονικά, µέσα σε µια και µοναδική παρουσίαση. Η προσπάθεια που έγινε έχει σαν στόχο µια πρώτη προσέγγιση του χώρου και φιλοδοξεί να "εµβαπτίσει" τον ενδιαφερόµενο χρήστη στον χώρο αυτό, και να τον εξοικειώσει µε τους καινούριους όρους και τις νέες έννοιες που εισάγονται Ο όρος "Εικονική Πραγµατικότητα" Tεχνητοί ή ιδεατοί κόσµοι, εικονικές και ιδεατές πραγµατικότητες είναι όροι που χρησιµοποιούνται για συστήµατα τα οποία δηµιουργούν εικονικά περιβάλλοντα µε την χρήση τρισδιάστατων οθονών και συσκευών αλληλεπίδρασης και δίνουν στο χρήστη τη δυνατότητα να εισχωρεί σε ένα "µοντελοποιηµένο" κόσµο και να τον χειρίζεται απ' ευθείας. ιάφοροι όροι χρησιµοποιούνται για την περιγραφή του ίδιου χώρου, όπως virtual environments, synthetic experience, κ.λπ. Ετσι, Virtual Reality είναι η παρουσίαση µιας τρισδιάστατης σκηνής µε επαρκή ποιότητα ώστε να υπάρχει µια αντίληψη και µια ανταπόκριση εφάµιλλη µε την πραγµατική σκηνή. Η τρισδιάστατη αναπαράσταση των γεγονότων που διαδραµατίζονται συχνά λέγεται εικονικός κόσµος, και η πρώτη χρήση του όρου Virtual Reality (VR για συντοµία) καταλογίζεται στον Ivan Sutherland. Το βαθύτερο κίνητρο της VR είναι να παρουσιάσει ρεαλιστικά στο χρήστη τρισδιάστατους κόσµους, έτσι ώστε να τους αντιλαµβάνεται και να αλληλεπιδρά µε αυτούς φυσικά, και γι αυτό δανείζεται εκείνες τις ανθρώπινες δυνατότητες που σχετίζονται µε την συνδιαλλαγή του ανθρώπου µε τον τρισδιάστατο πραγµατικό κόσµο που µας περιβάλλει [2] Λόγοι για τους οποίους αναπτύχθηκε η Virtual Reality Οι λόγοι που οδήγησαν στην ανάπτυξη τέτοιων τεχνολογιών, εκτός από καθαρή έρευνα και αναζήτηση στην επιστήµη της πληροφορικής και των υπολογιστών, σχετίζονται µε την κάλυψη αναγκών και άλλων τοµέων της επιστήµης. Επίσης, η ανάπτυξη τέτοιων τεχνολογιών µπορεί να είναι κατευθυνόµενη από ανάγκες του πραγµατικού κόσµου και τα επιτεύγµατα µπορούν να εφαρµοστούν για να βοηθήσουν στην επίλυση πολύπλοκων προβληµάτων και στην κατανόηση περίπλοκων διαδικασιών και καταστάσεων. Ετσι ή αλλιώς, η τεχνολογία αυτού του είδους είναι ένα ισχυρό εργαλείο που υπόσχεται νέες 7

9 προοπτικές στην επιστηµονική πρόοδο και στην εξελικτική πορεία του ανθρώπου, και συµβάλλει στην επίτευξη του απώτερου στόχου - την κατανόηση του φυσικού σύµπαντος Στάδια της έρευνας στον χώρο της Virtual Reality Στα 1965, ο Ivan Sutherland, παρουσιάζοντας στο International Federation of Information Processing Societies Conference µια εργασία του µε τίτλο "The Ultimate Display", πρότεινε ένα πρόγραµµα έρευνας σχετικό µε computer graphics, το οποίο αµφισβητούσε µεγάλο κοµµάτι της σχετικής έρευνας που είχε γίνει έως τότε, αλλά παράλληλα καθοδήγησε την µετέπειτα έρευνα στον ευρύτερο χώρο της επιστήµης των υπολογιστών, και διατηρεί αυτή του την ιδιότητα µέχρι τις µέρες µας. Το βασικό σηµείο της εργασίας αυτής στηριζόταν στην πρόταση ότι η οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή πρέπει να θεωρηθεί σαν ένα παράθυρο µέσα από το οποίο κάποιος παρατηρεί έναν εικονικό κόσµο [54]. Η πρόκληση που τίθεται είναι, η εικόνα στο παράθυρο να φαίνεται αληθινή, να ηχεί αληθινά και τα αντικείµενα να δρούν πραγµατικά. Πράγµατι, στο ultimate screen, κάποιος δεν θα παρατηρεί µόνο έναν εικονικό κόσµο µέσα από την οθόνη, αλλά θα "εµβαπτίζεται" (immersion) σε αυτόν, θα αλλάζει την οπτική γωνία του µε φυσικές κινήσεις του κεφαλιού και του σώµατος του, και θα αλληλεπιδρά απ' ευθείας µε τα αντικείµενα του κόσµου αυτού, ακούγοντας τα και νιώθοντας τα. Από το 1965 µέχρι τα µέσα της δεκαετίας του '80, η ισχύς των υπολογιστικών συστηµάτων και των οθονών είχε µια κλιµακωτή αύξηση αλλά και πάλι δεν µπορούσε να εγγυηθεί για την πραγµατοποίηση του οράµατος του Sutherland. Αυτό που µπορούσε να πραγµατοποιηθεί ήταν µια ακατέργαστη απεικόνιση των αντικειµένων και ένα είδος κοπιαστικής αλληλεπίδρασης. Η έρευνα στο χώρο των γραφικών περιοριζόταν στο rasterscanning των εικόνων και στην απεικόνιση της προοπτικής και των φωτοσκιάσεων των αντικειµένων, και στο χώρο της αλληλεπίδρασης αναπτύχθηκαν τεχνικές για real-time motions σε εφαρµογές που προορίζονταν για παιχνίδι [7]. Πολύ πριν όµως οι ερευνητές επικεντρωθούν στην κατανόηση, στην αποκρυπτογράφηση και την µοντελοποίηση των πληροφοριών που έπαιρναν από την ίδια την ανθρώπινη συµπεριφορά για να µπορέσουν να την µεταφέρουν, µε την έννοια της προσοµοίωσης της αντίληψης και των αισθήσεων, στην αλληλεπίδραση ανθρώπου-µηχανής, είχαν ήδη γίνει ορισµένα σηµαντικά βήµατα στην εξέλιξη των µέσων εικόνας και ήχου. Oι οθόνες υψηλές ανάλυσης, οι ψηφιοποιητές εικόνας και ήχου, καί άλλα παρόµοια προιόντα που αργότερα βγήκαν σε µαζική παραγωγή, αποτέλεσαν την βασική πλατφόρµα πάνω στην οποία στηρίχθηκαν όλες οι τεχνικές της VR Η κατάσταση σήµερα Στις µέρες µας, η εξέλιξη της τεχνολογίας τόσο των υπολογιστικών µηχανών όσο και των οθονών αλλά και η κατασκευή νέων, πρωτότυπων συσκευών για αλληλεπίδραση ανθρώπου- µηχανής, έδωσαν την απαιτούµενη ώθηση για την πραγµατοποίηση διαδικασιών που κάποτε απαιτούσαν ανυπολόγιστο υπολογιστικό χρόνο, αν βέβαια δεν ανήκαν στη σφαίρα της φαντασίας. Η έρευνα στον χώρο της VR έχει επωφεληθεί από την ανάπτυξη προηγµένων και εξελιγµένων αλγορίθµων για επεξεργασία ψηφιακού σήµατος, αλλά και από την ραγδαία εξέλιξη του hardware. Όλα αυτά οδήγησαν στην κατασκευή συγκροτηµένων και υψηλής 8

10 απόδοσης ηλεκτρονικών-µηχανικών αισθητήρων και ενεργοποιητών, επιτρέποντας ρεαλιστικές εξοµοιώσεις αλληλεπιδράσεων µε αντικείµενα [26]. Σήµερα, υπάρχει µια γκάµα προιόντων VR, που ξεκινά από υπεραπλουστευµένη εφαρµογή τέτοιων τεχνικών σε παιχνίδια, φτάνει σε εξελιγµένους εκπαιδευτικούς εξοµοιωτές πτήσεις στρατιωτικού σκοπού, και αγγίζει σχετικά υψηλά όρια µε ανάπτυξη οθονών τρισδιάστατης απεικόνισης, µε αλληλεπιδραστικές συσκευές που δίνουν ερεθίσµατα αντίληψης στην επαφή του χρήστη µε αντικείµενα, και µε συµπαγή συστήµατα εφαρµογών για τεχνικές επικοινωνίας από απόσταση, αλλά και για εκπαίδευση Ορολογία Στο σηµείο αυτό θα γίνει µια προσπάθεια να παρουσιαστεί µια ορολογία που είναι κοινώς αποδεκτή και που έχει σκοπό να βοηθήσει στην διαµόρφωση µιας κοινής γλώσσας επικοινωνίας ώστε να ελαχιστοποιούνται οι περιπτώσεις όπου µπορεί να επέλθει σύγχυση. Για τους όρους που παρατίθενται εδώ υπάρχουν όλες οι απαραίτητες βιβλιογραφικές αναφορές, και έχει γίνει µια προσπάθεια να αποφευχθεί η κατάχρηση τεχνικών λεπτοµερειών που αφορούν στο απαραίτητο τεχνολογικό υπόβαθρο και το οποίο θα παρουσιαστεί στην επόµενη παράγραφο. Ενα monocular display παρουσιάζει µια εικόνα ή µια σκηνή µόνο στο ένα µάτι. Ενα binocular display παρουσιάζει την εικόνα ή τη σκηνή και στα δύο µάτια. Αν η παρουσίαση περιέχει διαφορετικές εικόνες για καθένα µάτι τότε γίνεται λόγος για stereoscopic display [2]. Το head-mounted display (HMD) [53] παρουσιάζει εικόνες στο ένα ή και στα δύο µάτια χρησιµοποιώντας µικρές οθόνες µε τους κατάλληλους φακούς που µπορεί να βρίσκονται πάνω ή πολύ κοντά στο κεφάλι, έτσι που τα αντικείµενα και οι εικόνες φαίνονται σαν να κοιτάζει κάποιος τον κόσµο µέσα από γυαλιά. Το head-coupled display είναι ανάλογο µε το προηγούµενο, στο οποίο όµως ο υπολογισµός της µεταβολής της οπτικής γωνίας και της προοπτικής, βασίζεται στην θέση του κεφαλιού του χρήστη. Αλλοι όροι που χρησιµοποιούνται για την περιγραφή αυτού του είδους των οθονών είναι head-tracked display και viewpoint-depented imaging [25]. Η head-coupling τεχνική εφαρµόζεται µε διάφορες παραλλαγές από τις αρχές της δεκαετίας του '80, και στηρίζεται στην σχέση που υπάρχει ανάµεσα στην θέση και τον προσανατολισµό του κεφαλιού κα στην θέση και τον προσανατολισµό των µατιών. Μια ακριβέστερη προσέγγιση εµπλέκει καταγραφή των κινήσεων του µατιού, γιατί η µεταβολή της προοπτικής στην πραγµατικότητα καθορίζεται από την θέση του οπτικού κέντρου του µατιού και όχι από την θέση του κεφαλιού. Για την απλούστευση της διαδικασίας γίνεται η υπόθεση ότι τα µάτια κοιτάζουν στην ευρύτερη διεύθυνση του κέντρου της οθόνης. Χωρίς αυτήν την υπόθεση, εξ' αιτίας της διαφοράς ανάµεσα στο οπτικό κέντρο του µατιού καί στο κέντρο της περιστροφής των µατιών, η διαδικασία γίνεται ασύγκριτα πολυπλοκότερη. Αρκετά πρακτικά συστήµατα καταγράφουν τις κινήσεις των µατιών, και µόνο πειραµατικά συστήµατα καταγράφουν την εστίαση των µατιών που απαιτείται για τον σωστό υπολογισµό του βάθους της θέας και της προοπτικής [2]. Η ανάπτυξη τεχνολογιών για την κατασκευή και τον χειρισµό εικονικών πραγµατικοτήτων, πήρε δύο βασικές κατευθύνσεις οι οποίες διακρίνονται µε βάση το µέσο το οποίο χρησιµοποιεί ο χρήστης για να έρχεται σε οπτική επαφή µε τον εικονικό κόσµο που έχει 9

11 δηµιουργηθεί. Μπορεί δηλαδή να χρησιµοποιηθεί µια οθόνη ενός κανονικού σταθµού εργασίας ή ένα HMD. Η immersion VR χρησιµοποιεί ένα head-mounted display για να δώσει την αίσθηση της βύθισης του χρήστη σε έναν εικονικό κόσµο, και είναι µια πολύ εντυπωσιακή τεχνική, ενώ ο όρος presence χρησιµοποιείται για να περιγράψει αυτή την εντύπωση (effect) που παράγεται. Fish tank VR είναι η τεχνική που χρησιµοποιεί µια κανονική οθόνη ενός σταθµού εργασίας και παρέχει έναν λιγότερο φιλόδοξο εικονικό κόσµο όπου η εντύπωση (effect) που δίνεται περιορίζεται από τον χώρο της οθόνης που χρησιµοποιείται. Η Fish tank VR µερικές φορές αναφέρεται και σαν head-coupled stereo display, από τον συνδυασµό των τεχνικών που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή της, ενώ ένας άλλος όρος είναι virtual holographic display [2]. Head Up display είναι ένα είδος head mounted display όπου ο χρήστης αρκεί να κοιτάξει σε µια περιοχή της VR που του παρουσιάζεται στις οθόνες ώστε το σύστηµα να µεταφράσει αυτό το σηµάδι σαν περιοχή ενδιαφέροντος (target) [14]. Ενα Data Glove (Γάντι εδοµένων) ή Wired Glove είναι µια συσκευή στο σχήµα του χεριού, που φοριέται όπως ένα κανονικό γάντι. Ο πιο διαδεµένος είναι ο τύπος του VPL DataGlove. Σε αυτό το είδος υπάρχει ένας ηλεκτροµαγνητικός αισθητήρας στο πάνω µέρος του γαντιού, που χρησιµοποιείται για να ανιχνεύει την θέση και τον προσανατολισµό [61]. Επίσης, για τον υπολογισµό της κατεύθυνσης των αρθρώσεων των δακτύλων, χρησιµοποιούνται αισθητήρες οπτικών ινών οι οποίοι βρίσκονται κι αυτοί στο πάνω µέρος. Τα δεδοµένα που συλλέγονται από το γάντι χρησιµοποιούνται για να οδηγούν ένα, κωδικοποιηµένο στον υπολογιστή, µοντέλο του ανθρώπινου χεριού. Μέσω του µοντέλου του ανθρώπινου χεριού παρέχεται οπτική ανάδραση που δείχνει την σχέση του χεριού και του εικονικού περιβάλλοντος. Η ακρίβεια που δίνεται µε την χρήση του γαντιού δεν είναι πάντα η ιδανική, και για την κάλυψη αυτής της αδυναµίας χρησιµοποιείται ειδικό software που µπορεί να περιλαµβάνει διαδικασίες αναβάθµισης της πληροφορίας και γεωµετρικών µηχανισµών. Ενα άλλο είδος συσκευής είναι το Dextrous Hand Master (DHM) το οποίο χρησιµοποιεί αισθητήρες οι οποίοι µοντάρονται στα δάχτυλα πάνω από κάθε σύνδεση των αρθρώσεων, για να υπολογίζουν τις γωνίες που σχηµατίζονται κατά την κίνηση, απ' ευθείας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ανάδραση αξιόπιστα, αφού οι αισθητήρες µεταδίδουν την πληροφορία για την θέση του δαχτύλου στο περιβάλλον, ενά παράλληλα, χάρη στα µηχανικά τµήµατα που συνοδεύουν τους αισθητήρες το ερέθισµα µεταβιβάζεται έτσι ώστε οι αισθητήρες µπορούν να κινηθούν. Σαν tactile display αναφέρεται ένα configuration αναλογικών ηλεκτρονικών συσκευών και συσκευής DHM, όπου ορίζεται ένα εικονικό ταµπλώ (virtual plate) και δηµιουργείται µε την µορφή ερεθισµών η αντίληψη ότι το χέρι του χρήστη κινείται µέσα στα εικονικά όρια ή έξω από αυτά [42]. Η VR απαιτεί µια νέα φιλοσοφία ανάπτυξης τόσο σε hardware όσο και σε software. Οι συσκευές εισόδου θα πρέπει να παρακολουθούνται σε σταθερή βάση, οι διεργασίες µέσα στον εικονικό κόσµο πρέπει να προσοµοιώνονται και η ίδια η VR πρέπει να εµφανίζεται στον χρήστη [24]. Ολες αυτές οι δουλειές απαιτούν προσεκτικό συγχρονισµό και αληθοφάνεια ώστε να συντηρείται µια ψευδαίσθηση της πραγµατικότητας. Για τον σκοπό 10

12 αυτό έχουν ήδη αναπτυχθεί µια σειρά από προηγµένες hardware συσκευές αλληλεπίδρασης εισόδου-εξόδου, και ένα σύνολο software για την ανάπτυξη εικονικών περιβαλλόντων Συσκευές Υλικού (Hardware) Εικονικής Πραγµατικότητας Το hardware για εικονικά περιβάλλοντα είναι µια περιοχή ραγδαίας ανάπτυξης. Ενα µεγάλο µέρος της τεχνολογίας έχει εφαρµογή σε πολλά πεδία έξω από την VR, όπως στην ροµποτική και στον χώρο τoυ entertainment. Επίσης, περιοχές όπως η κατασκευή οθονών υψηλής ευκρίνειας ευνοούνται από τον σχεδιασµό και την βιοµηχανική παραγωγή VLSI κυκλωµάτων. Το hardware µπορεί να διαχωριστεί σε δύο κατηγορίες που η κάθε µια αναπτύσεται ξεχωριστά, ενώ θεωρώντας συνολικά τα επιτεύγµατα κάποιος µπορεί να έχει µια καλή εικόνα για την κατάσταση που επικρατεί και για τις ανάγκες που προκύπτουν στον καθένα από αυτούς τους δύο χώρους και συνεχώς καλύπτονται, από την πρόοδο που σηµειώνεται στον άλλο. Σαν πρώτη κατηγορία θα µπορούσε να αναφερθεί η βασική πλατφόρµα πάνω στην οποία συνδέονται όλες οι απαραίτητες συσκευές για την παραγωγή VR και όπου επίσης τρέχει το λογισµικό που είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο του hardware κατ' αρχήν και για την υποστήριξη της εκτέλεσης σε πραγµατικό χρόνο της εφαρµογής. ηλαδή η κεντρική µονάδα επεξεργασίας (host computer) που µπορεί να είναι, ανάλογα µε την εφαρµογή, ένα supercomputer ή ένας personal ΙΒΜ-clone ή Αpple. Στην δεύτερη κατηγορία ανήκει µια ευρεία γκάµα συσκευών που αφορούν στον τρόπο µε τον οποίο επιτυγχάνεται η αλληλεπίδραση χρήστη-vr και µπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: tracking systems, haptic systems, image generators, visual display devices, audio systems, speech input systems. Πολλά από αυτά τα συστήµατα ενσωµατώνουν ειδικές µηχανικές κατασκευές για την µεταφορά των ερεθισµάτων από τον χρήστη στο εικονικό περιβάλλον και αντίστροφα, αλλά και χρήση τεχνικών από τον χώρο των αναλογικών ηλεκτρονικών κυρίως για την ενίσχυση ασθενών σηµάτων που παράγονται είτε από τον χρήστη είτε είναι αποτελέσµατα της ανάδρασης του εικονικού περιβάλλοντος Tracking systems Τα συστήµατα αυτού του είδους χρησιµοποιούνται σε τεχνικές καθορισµού της θέσης και του προσανατολισµού του κεφαλιού και των χεριών του χρήστη, αλλά και οποιουδήποτε πραγµατικού αντικειµένου στον χώρο το οποίο χρησιµοποιείται από τον χρήστη της VR. - Μαγνητικά συστήµατα, τα οποία χρησιµοποιούν µαγνητικά πεδία που εκπέµπονται και λαµβάνονται από µικρές κατάλληλες κεραίες. Η επίδοση τέτοιων συστηµάτων παρ' ότι επηρεάζεται από την ύπαρξη µεταλλικών αντικειµένων, είναι υψηλή και αυτό δείχνουν οι µετρήσεις που γίνονται στον χρόνο (latency) που απαιτείται για να καταγραφεί µια νέα κίνηση (δηλαδή ο χρόνος που παρέρχεται µεταξύ της στιγµής που ξεκινά µια κίνηση µέχρι να φτάσουν τα νέα δεδοµένα στο host computer µέσω µιας παράλληλης σύνδεσης), και ο οποίος είναι της τάξης των 5-10 msec. Επίσης, υποστηρίζουν µια ανάλυση της τάξης του 1mm και 0.03 degrees και ακρίβεια περίπου 3mm και 0.1 degrees. 11

13 - Aκουστικά συστήµατα, που χρησιµοποιούν υπερηχητικούς παλµούς και που έχουν παρόµοιες επιδόσεις σε ακρίβεια και καθυστερήσεις µε τα µαγνητικά πεδία που προαναφέρθηκαν. Επηρεάζονται όµως από την πυκνότητα του αέρα και η ακρίβειά τους περιορίζεται από την ταχύτητα του ήχου, ενώ είναι εφικτή η κατασκευή τέτοιων συστηµάτων χωρίς την χρήση καλωδίων (wireless). - Μηχανικά συστήµατα, µε πιο αντιπροσωπευτικό το BOOM viewer των Fake Space Labs που χρησιµοποιεί ένα άκαµπτο πλαίσιο τόσο για την υποστήριξη της συσκευής εµφάνισης όσο και για την µέτρηση της θέσης και του προσανατολισµού µε ακρίβεια ανάλυσης 4mm και 0.1 degree για κάθε άρθρωση. Η χρονική καθυστέρηση (latency) είναι πολύ µικρή, κάτω από 1 msec και µηχανικά συστήµατα τέτοιου είδους είναι διαθέσιµα µε µικρό κόστος. - Οπτικά συστήµατα, όπως το Optotrack 3000 και το Selspot II καθορίζουν την θέση του στόχου (πραγµατικών αντικειµένων στον χώρο) εφαρµόζοντας τεχνικές τριγωνοποίησης υποβοηθώντας την όλη διαδικασία µε κάµερες που βρίσκονται σε γνωστές εκ' των προτέρων θέσεις. Οταν οι αποστάσεις ανάµεσα στους στόχους που πρέπει να ανιχνευτούν είναι µικρές, οι µετρήσεις δεν είναι πολύ ακριβείς. Σε ένα τέτοιο πειραµατικό σύστηµα οι κάµερες τοποθετούνται (mounted) στο κεφάλι του χρήστη και παρατηρούν αντικείµενα-στόχους στο ταβάνι. Αυτό το σύστηµα µπορεί να αποφανθεί για την ακριβή θέση των αντικειµένων σε µια αυθαίρετη περιοχή, αλλά δεν είναι κατάλληλα για την ανίχνευση της θέσης των χεριών του χρήστη Haptic systems Τα συστήµατα αυτής της κατηγορίας (απτικά) χρησιµοποιούνται για να παρέχουν στον χρήστη την ψευδαίσθηση της διαχείρiσης και της εξερεύνησης των αντικειµένων της VR[51]. Οι βασικές λειτουργίες που πρέπει να γίνονται είναι η µέτρηση των θέσεων και των δυνάµεων που εφαρµόζονται στο χέρι ή σε άλλα µέρη του σώµατος του χρήστη που χρησιµοποιούνται σαν είσοδες για τον έλεγχο του εικονικού περιβάλλοντος, και η επίδειξη στον χρήστη των δυνάµεων και των θέσεων όπως αυτές κατανέµονται στον χώρο και τον χρόνο [13]. - Συστήµατα µέτρησης της θέσης του χεριού και των γωνιών που σχηµατίζουν οι αρθρώσεις µε πιο αντιπροσωπευτικά τα joysticks, τα exoskeletons και τα gloves. Τα πιο σηµαντικά προβλήµατα είναι η δυσφορία για παράδειγµα που νοιώθει ο χρήστης φορώντας ένα exoskeletons ή ένα DΗΜ και η συνεχής ανάγκη για βελτίωση της ανάλυσης και της ακρίβειας. - Συστήµατα εφαρµογής των δυνάµεων και των ροπών στρέψεως. Τα exoskeletons είναι ικανά για την κάλυψη τέτοιων αναγκών αλλά τα συστήµατα που προκύπτουν εφαρµόζοντας τέτοιες τεχνικές είνα βαριά, ακριβά και µάλλον αναξιόπιστα. - Tactile displays, τα οποία είναι διδιάστατα πεδία δυνάµεων που εφαρµόζονται στο δέρµα των χεριών του χρήστη, προσοµοιώνοντας την αίσθηση της αφής. Ηδη έχουν κατασκευαστεί και έχουν βρεί εφαρµογή αρκετά δείγµατα tactile displays. - Συστήµατα που δηµιουργούν θερµικά, ηλεκτρικά αλλά και ερεθίσµατα πόνου, τα οποία εφαρµόζονται και αυτά σαν διδιάστατα πεδία επάνω στο δέρµα. Με τον τρόπο αυτό µπορούν να αναπαρασταθούν καταστάσεις όπως το να φτάσει το χέρι του χρήστη στα 12

14 όρια του εικονικού περιβάλλοντος, ή να αναφερθούν θερµικές ή/και ηλεκτρικές εστίες µέσα σε αυτό Image Generators Η βιοµηχανία των graphics βρίσκεται σε σπουδαία άνθηση και δίνονται πολλές δυνατότητες για κατασκευή γραφικών υψηλής ποιότητας, ενώ το κόστος τέτοιων συστηµάτων πέφτει χαµηλά µε γρήγορους ρυθµούς. Η κυρίαρχη απαίτηση στον χώρο των VR εφαρµογών είναι η µείωση της χρονικής καθυστέρησης (latency) ανάµεσα σε µια αλλαγή που συµβαίνει στην βάση δεδοµένων των παραµέτρων της εικόνας και στην αλλαγή που θα συµβεί στην οθόνη. Για µεγάλα και εξελιγµένα συστήµατα που µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε VR εφαρµογές προσφέροντας πολλά πλεονεκτήµατα στην δηµιουργία και διαχείριση γραφικών, όπως προιόντα της Silicon Graphics, οι χρόνοι αυτοί είναι χαµηλοί αφού απαιτείται χρονικό διάστηµα ενός frame εικόνας για τον υπολογισµό της εικόνας και ενός frame για το refresh της οθόνης Visual Display Devices υο είναι οι βασικές τεχνολογίες για να παρουσιαστούν εικόνες στο ανθρώπινο µάτι: Cathod Ray Tubes (CRTs) όπως οι κοινές οθόνες των τηλεοράσεων και των συνηθισµένων προσωπικών υπολογιστών, και Liquid Crystal Displays (LCDs) όπως οι οθόνες των φορητών υπολογιστών και οι µικρού µεγέθους οθόνες των αριθµοµηχανών των ηλεκτρονικών παιχνιδιών και των ηλεκτρονικών ρολογιών. Οι απαιτήσεις για την κατασκευή Head Mounted Displays (HMD) όταν γίνεται λόγος για imerssion VR, είναι πιο κοντά στην χρήση LCD οθονών λόγω του µικρού µεγέθους που µπορούν να έχουν χωρίς να χάνουν σε ποιότητα κατασκευής και ευκρίνεια και του µικρού τους βάρους σε σχέση µε τα CRTs. Head Mounted Displays υπάρχουν διαθέσιµα στο εµπόριο µε ποικιλία αναλύσεων από 300x200 µέχρι 1280x1024 pixels, color ή monochrome. Το κόστος κυµαίνεται από $300 µέχρι $500,000 ανάλογα µε την ποιότητα κατασκευής και τις δυνατότητες που παρέχονται από την κατασκευάστρια εταιρία [17]. Kάποιοι κατασκευαστές προσανατολίζονται στην εφαρµογή τεχνικών laser στην κατασκευή µιας ιδιαίτερης κατηγορίας οθόνης στην οποία µια δέσµη laser πολύ χαµηλής ισχύος και ακτινοβολίας βέβαια, χρησιµοποιείται για την παραγωγή οπτικού αποτελέσµατος πάνω στον αµφιβληστροειδή του µατιού. Αυτή η φιλόδοξη τεχνολογία βρίσκεται ακόµη πολύ µακριά από την παράδοση στο εµπόριο οθονών αυτού του είδους. Επίσης, µια άλλη νέα τεχνολογία που βρίσκεται σε ορισµένα ΗΜDs είναι η λεγόµενη "light pipe". To σύστηµα αυτό χρησιµοποιεί µια δέσµη οπτικών ινών για την µεταφορά µιας εικόνας σε έναν µεγάλο αριθµό µικρών σε µέγεθος καθρεφτών. Μπορεί να παρέχει χρώµα και υψηλή ανάλυση, και δίνει το πλεονέκτηµα του µικρού βάρους του ΗΜD Audio Systems Στα συστήµατα του ήχου που χρησιµοποιούνται, η προσέγγιση είναι να συντίθενται ήχοι χρησιµοποιώντας ταχύτατες συσκευές επεξεργασίας σήµατος και να παρέχονται µέσα από ακουστικά στον χρήστη [26]. Είναι επίσης απαραίτητο, για να δοθεί η αίσθηση της κατανοµής του ήχου στον χώρο, να χρησιµοποιούνται Head-Related Transfer Functions (HRTFs) για την ψηφιακή δηµιουργία ηχητικών σηµάτων. Αλλα είδη συσκευών είναι το 13

15 γνωστό MIDI (Musical Instrument Digital Interface) και όλες οι υπόλοιπες που υπάρχουν πέφτουν στις κατηγορίες των samplers και των synthesizers Speech Input Υπάρχουν διαθέσιµες συσκευές οι οποίες φτηνά και αξιόπιστα µπορούν να αναγνωρίζουν ξεχωριστές λέξεις από κάποιον εκφωνητή ο οποίος "εκπαίδευσε" το σύστηµα. Η σηµερινή έρευνα στον χώρο αυτό προσανατολίζεται στην ανάπτυξη τεχνικών που θα επιτρέπουν αναγνώριση φωνής ανεξάρτητα από τον εκφωνητή Λογισµικό Ανάπτυξης Εφαρµογών Εικονικής Πραγµατικότητας Για την ανάπτυξη και εφαρµογή τεχνικών VR έχει αναπτυχθεί και µια νέα γενιά software εργαλείων, έτσι ώστε να χρησιµοποιούνται απο τα εικονικά περιβάλλοντα αλλά και να χρησιµοποιούνται για τον ίδιο το σχεδιασµό τους. Το κλειδί στην υπόθεση της κατασκευής software αρχιτεκτονικών είναι η µοντελοποίηση (modeling). Ο χρήστης πρέπει να µπορεί να κινείται µέσα στο µοντέλο του εικονικού κόσµου, να αλληλεπιδρά µε τα αντικείµενα αυτού του µοντέλου, και να το αλλάζει διαλογικά. Εκτός αυτών είναι απαραίτητη η µοντελοποίηση των µερών του σώµατος του χρήστη που παίρνουν µέρος στην αλληλεπίδραση µε την VR που παράγεται [26]. Οι δοµές των δεδοµένων που χρησιµοποιούνται σχετίζονται µε τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά των αντικειµένων (objects) της VR, µε την κίνηση τους στον χώρο, και µε την συµπεριφορά τους όταν αυτά έρχονται σε επαφή µε άλλα αντικείµενα ή µε τον ίδιο το χρήστη. Επίσης, µια software αρχιτεκτονική θα πρέπει να ενσωµατώνει όλες εκείνες τις φυσικές έννοιες που υπάρχουν στον πραγµατικό κόσµο, ώστε να παράγονται όλα τα ερεθίσµατα που πρέπει να δέχεται ο χρήστης κατά την διάρκεια της αλληλεπίδρασης µε ένα εικονικό περιβάλλον. Το σύνολο του software που έχει αναπτυχθεί µέχρι σήµερα για την υποστήριξη της VR, µπορεί να χωριστεί σε δύο µεγάλες κατηγορίες µε κριτήριο το αν είναι εµπορικό προιόν ή είναι αποτέλεσµα κάποιου ερευνητικού project. Τα περισσότερα εµπορικά sofware προιόντα του είδους παρέχονται από τους κατασκευαστές του αντίστοιχου hardware και υποστηρίζουν βασικά τις απαιτήσεις του hardware, ενώ παρέχουν περιορισµένες δυνατότητες για την ανάπτυξη των ίδιων των εικονικών περιβαλλόντων. Τα software εργαλεία που είναι αποτελέσµατα ερευνητικών projects, είναι γενικότερα στην φύση και στην χρήση τους, αφού δεν υπάρχει περιορισµός για την υποστήριξη κάποιας συγκεκριµένης hardware πλατφόρµας. Εχουν αναπτυχθεί ανεξάρτητα από συγκεκριµένο hardware και µπορούν να υποστηρίξουν µια ευρεία κλίµακα συσκευών. Ηδη έχει αρχίσει και η ανάπτυξη software τέτοιου είδους για την υποστήριξη κατασκευής εικονικών περιβαλλόντων από την αρχή, εξυπηρετώντας επίσης και το hardware που απαιτείται. Το πιο µεγάλο πλεονέκτηµα αυτής της δεύτερης κατηγορίας είναι το ότι διανέµεται ελεύθερα και µπορεί να υποστηρίξει µια σχετικά µεγάλη γκάµα hardware που είναι διαθέσιµο. Ηδη έχουν γίνει πολλές προσπάθειες σε ερευνητικά κέντρα, µε σηµαντικά αποτελέσµατα, που αφορούν στην διαµόρφωση κάποιου γενικού τρόπου ανάπτυξης software εργαλείων ώστε να υπάρχει κάποιου είδους συµβατότητα µεταξύ των κατασκευαστών συσκευών 14

16 αλληλεπίδρασης και των οµάδων ανάπτυξης software προσανατολισµένο για VR εφαρµογές. Η κοινή αυτή προσπάθεια έδωσε, κατά κάποιο τρόπο, ένα πρότυπο-µοντέλο µε όνοµα Decoupled Simulation Model για VR εφαρµογές. Ενα από τα software tools το οποίο ενσωµατώνει το παραπάνω µοντέλο είναι το MRToolkit [48]. Το MRToolkit βοηθάει στην ανάπτυξη VR εφαρµογών παρέχοντας standard facilities τα οποία απαιτούνται από µια µεγάλη γκάµα VR user interfaces. Μεταξύ των άλλων παρέχει υποστήριξη για distibuted computing, room geometry management, performance modeling, και περιέχει ενσωµατωµένους drivers για τα περισσότερα διαθέσιµα στην αγορά head mounted displays και hand input devices, ενώ δίνει την δυνατότητα και για ακουστική ανάδραση των συστηµάτων (audio feedback) µε τους κατάλληλους sound drivers που επίσης παρέχει. Για την κατασκευή του MRToolkit υιοθετήθηκαν έννοιες και τεχνικές από τα κλασικά WIMP user interfaces και User Interface Management Systems οι οποίες συνδέθηκαν µε τα µηπαραδοσιακά χαρακτηριστικά των VR εφαρµογών. Με τον τρόπο αυτό το MRToolkit επιτρέπει την εύκολη ενσωµάτωση και ολοκλήρωση στην εφαρµογή πολλών από τις νέες συσκευές. Ενα άλλο παρόµοιο προιόν είναι ήδη διαθέσιµο από την Sense8 Corp. µε όνοµα WorldToolkit. Πρόκειται για ένα σύνολο software εργαλείων για κατασκευή γραφικών προσοµοιώσεων και VR εφαρµογών πραγµατικού χρόνου. Επιτρέπει στους χρήστες να κατασκευάζουν εικονικούς κόσµους σε ετερόκλητες περιοχές εφαρµογών όπως εκπαίδευση, οικονοµικά, αρχιτεκτονική, αεροναυπηγική, τηλεπικοινωνίες κ.α. Περιέχει έναν µεγάλο αριθµό έτοιµων ρουτινών γραµµένων σε C, και επιτρέπει στον µηχανικό του λογισµικού να κατασκευάζει τρισδιάστατα γραφικά και να χτίζει εύκολα και γρήγορα real time VR εφαρµογές χωρίς να τον περιορίζει στην κατασκευή ακόµα και πολύπλοκων εφαρµογών, σε ένα συνηθισµένο PC. Επίσης, περιέχει εργαλεία για την παραγωγή custom sensor drivers για άµεση πρωτοτυποποίηση των real time προσοµοιώσεων που χρησιµοποιούν υψηλές αναλύσεις, και παλέττες χρωµάτων των 24 bits. Μεταξύ άλλων οι ρουτίνες που περιέχονται αφορούν στην υποστήριξη νέων συσκευών εισόδου εξόδου, στην δηµιουργία µιας γεωµετρίας του εικονικού κόσµου, και αναπαράστασης της συµπεριφοράς των αντικειµένων που περιέχονται σε αυτόν. Ας σηµειωθεί ότι το WorldToolkit είναι ανεξάρτητο από hardware και διατίθεται, εκτός από την έκδοση του για PC, και για δίκτυο κατασκευάζοντας shared VRs, αλλά και µε master-slave φιλοσοφία για παράλληλες συνθετικές εµπειρίες και επικοινωνία µέσα στην VR [59]. Επίσης, από την VREAM Inc., διατίθεται µια σειρά προιόντων για PC. Το πρώτο και βασικό εργαλείο της σειράς, µε όνοµα VR Development System, είναι ένα ολοκληρωµένο περιβάλλον κατασκευής VR εφαρµογών που επιτρέπει στον χρήστη να κατασκευάζει τρισδιάστατους εικονικούς κόσµους και να αλληλεπιδρά µε αυτούς, µέσα από ένα point and click (mouse) user interface, ή ακόµα χρησιµοποιώντας head mounted displays και datagloves. Το δεύτερο, µε όνοµα VREAM Runtime System, επιτρέπει την αλληλεπίδραση µε τον εικονικό κόσµο ο οποίος έχει ήδη κατασκευαστεί µε το προηγούµενο, χρησιµοποιώντας joysticks, mouse ή keyboard, και το τρίτο της σειράς µε όνοµα Advanced Runtime System, επιτρέπει την αλληλεπίδραση µέσω προηγµένων συσκευών εισόδου εξόδου (HMDs, DataGloves κ.α), µε κάποιο εικονικό περιβάλλον που είναι ήδη κατασκευασµένο µε την βοήθεια του βασικού εργαλείου της σειράς. Το σκεπτικό της κατασκευάστριας εταιρίας ήταν προφανώς να παρέχει την δυνατότητα στους χρήστες να επιλέξουν αν θέλουν να αποκτήσουν ένα ολοκληρωµένο περιβάλλον ανάπτυξης ή να αρκεστούν στα εργαλεία που δίνουν µόνο δυνατότητες αλληλεπίδρασης, µε ήδη έτοιµες VRs, που πιθανόν να παρέχονται ξεχωριστά χωρίς όµως να µπορεί κάποιος να τις διαµορφώσει εκ' νέου [59]. 15

17 Και από άλλους κατασκευαστές στην παγκόσµια αγορά, διατίθενται διαφόρων ειδών σχετικά προιόντα, που πολλά από αυτά χρησιµοποιούν χώρους και τρισδιάστατα γραφικά κατασκευασµένα µε AutoCad και 3d-Studio, δίνοντας την απαραίτητη υποστήριξη για µοντελοποίηση και διαχείριση των αντικειµένων, όπως το Cyberspace Developer Kit της Autodesk Inc. και το PhotoVR της StrayLight Corp., και άλλα προορίζονται για απλούστερες και πιο ειδικευµένες χρήσεις όπως για κατασκευή παιχνιδιών VR ή για διαχείριση γεωγραφικών εικόνων και τοπίων πλανητών [59]. Το Σχήµα 1 δείχνει ένα γενικευµένο σύστηµα δηµιουργίας/χρήσης εικονικών περιβαλλόντων. ΧΡΗΣΤΗΣ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΑ ΕΙΣΟ ΟΥ Θέσης Απτικά Ηχητικά ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΑ ΕΞΟ ΟΥ Οπτικά Απτικά ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΕΙΣΟ ΟΥ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΕΞΟ ΟΥ ηµιουργία αντικειµένων Ηχοι Σχήµατα Αντικείµενα ΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΙΚΟΝΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΥ - ιδιότητες - δυναµική Σύστηµα Η/Υ ΕΙΚΟΝΙΚΟΣ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ Σχήµα 1: Γενικευµένο σύστηµα δηµιουργίας/χρήσης εικονικών περιβαλλόντων Ένα τέτοιο σύστηµα περιέχει τις παρακάτω βασικές λειτουργίες. - ηµιουργία σχηµάτων, δοµών, αντικειµένων. - ηµιουργία εικονικών κόσµων για την τοποθέτηση και χειρισµό των αντικειµένων. - ηµιουργία δυναµικών και έξυπνων χαρακτηριστικών και φυσικών ιδιοτήτων για την απόδοση ιδιοτήτων στα αντικείµενα. - ηµιουργία ήχων. - Επικοινωνία µε διασυνδέσεις Κατηγοριοποίηση Τεχνικών ΕΠ Η υλοποίηση ενός συστήµατος ΕΠ συνδέεται άµεσα τόσο µε την τεχνολογική όσο και µε την εννοιολογική της διάσταση. Είναι εφικτά διάφορα επίπεδα συστηµάτων ανάλογα µε την τεχνολογία και τους στόχους της εφαρµογής, από διδιάστατες γραφικές απεικονίσεις µε 16

18 το ποντίκι για την αλληλεπίδραση του χρήστη, µέχρι τα τρισδιάστατα περιβάλλοντα πλήρους εµβύθισης µε ηλεκτρονικά κοστούµια που εισάγουν το χρήστη στο εικονικό περιβάλλον. Σε όλα τα συστήµατα το γνωστικό περιεχόµενο από τεχνολογικής πλευράς βρίσκεται στον τρόπο διασύνδεσης του χρήστη που εκµεταλλεύεται τις αισθήσεις και τις κινήσεις του. Ένα σύστηµα εικονικής πραγµατικότητας αποτελείται από πολλά τµήµατα που βασίζονται σε ανεξάρτητα συστήµατα υλικού, ηλεκτρονικών και λογισµικού που συνδέονται µεταξύ τους και το καθένα από αυτά ενισχύει την ψευδαίσθηση του χρήστη για τον εικονικό κόσµο. Τέσσερις βασικοί τύποι συστηµάτων παρουσιάζονται στο Σχήµα 2. Επιτραπέζια ΕΠ ΕΙΣΟ ΟΙ: ποντίκι, 3D χειριστήρια ΕΞΟ ΟΙ : οθόνη ΕΠ Προβολής ΕΙΣΟ ΟΙ: αισθητήρες θέσης, 3D χειριστήρια ΕΞΟ ΟΙ: βιντεοτοίχοι ΕΠ Εξοµοίωσης ΕΙΣΟ ΟΣ-ΕΞΟ ΟΣ µε χρήση προηγµένων ηλεκτρονικών- µηχανικών κατασκευών ΕΠ Εµβύθισης ΕΙΣΟ ΟΙ: γάντια δεδοµένων, έλεγχος θέσης ΕΞΟ ΟΙ: κράνος Σχήµα 2: Βασικοί τύποι συστηµάτων ΕΠ. 17

19 Τα συστατικά ενός συστήµατος ΕΠ απεικονίζονται στο Σχήµα 3: αισθητήρες TV/Ευρεία οθόνη Μηχανή πραγµατικότητας VGA Monitor Κράνος/µικρές οθόνες Αισθητήρας ποµπός Γάντι δεδοµένων οθόνη ακουστικό RGB-PAL/ SECAM Μετατροπείς σήµατος RGB-PAL/ SECAM Ανιχνευτής θέσης, προσανατολισµού VGA board graphics board graphics board Επεξ/στής 3D ήχου Πηγή ήχου I N T E R F A C E εφαρµογή Εφαρµογή χρήστη Η/Υ Ελεγκτής εξοµοίωσης 3D χειριστήρια Ελεγχος εισόδου γαντιού I/O port I/O port I/O port Βάση 3D µοντέλων Σχήµα 3: Τα συστατικά ενός συστήµατος ΕΠ Πεδία Εφαρµογών της Εικονικής Πραγµατικότητας Η ανάπτυξη προηγµένων τεχνικών για την κατασκευή και διαχείριση εικονικών περιβαλλόντων φαίνεται να υπόσχεται λύσεις σε πολλά προβλήµατα του πραγµατικού κόσµου. Είναι πολλές έτσι οι εφαρµογές που βρίσκει η νέα αυτή τεχνολογία, και µια πιο προσεκτική µατιά δείχνει ότι οι χώροι που καλύπτονται ανήκουν σε διαφορετικά επίπεδα και µπορεί να διαφέρουν µεταξύ τους και ως προς τις απαιτήσεις που βάζουν αλλά και ως προς την προσέγγιση που πρέπει να έχουν. Τα πεδία των εφαρµογών που ακολουθούν, είναι τα σηµαντικότερα που σήµερα επωφελούνται από την ανάπτυξη τεχνικών στην VR [46] Οπτικοποίηση δεδοµένων και µοντέλων Οι τεχνικές της οπτικοποίησης δεδοµένων και µοντέλων είναι ευρύτατα διαδεδοµένες και προσφέρουν την δυνατότητα για κατανόηση περίπλοκων διαδικασιών που αλλιώς θα απαιτούσαν πολλή θεωρητική δουλειά και επεξήγηση. Ο χρήστης µπορεί να πειραµατιστεί 18

20 απ' ευθείας µε το γνωστικό του αντικείµενο, και να κατανοήσει τα δεδοµένα που του προσφέρονται. Επεξεργαζόµενος πολύπλοκα µοντέλα, έχει την δυνατότητα να αλληλεπιδρά µε τον εικονικό αυτό κόσµο και να επικεντρώνει την προσοχή του στο ίδιο το µοντέλοαντικείµενο παρά στο user interface του συστήµατος που χρησιµοποιεί. Η ενσωµάτωση και άλλων αισθήσεων πλην της όρασης στην αλληλεπίδραση, προσφέρει έναν ανεπτυγµένο µηχανισµό για να εξάγονται περισσότερο αξιόπιστα συµπεράσµατα, ενώ µε την προσθήκη και της δυνατότητας ώστε η εικόνα που δίνεται στον χρήστη να είναι ένας συνδυασµός του εικονικού µοντέλου µέσα στο εικονικό περιβάλλον µαζί µε τον πραγµατικό κόσµο που περιβάλλει τον χρήστη, τα αποτελέσµατα είναι καλύτερα. Πλήθος εφαρµογών έχουν κατασκευαστεί στον τοµέα αυτό, και πολλά επιστηµονικά projects είχαν σαν αντικείµενο αυτήν ακριβώς την προσέγγιση. Τα περισσότερα από αυτά αφορούν στην οπτικοποίηση διαδικασιών και µοντέλων της χηµείας, της πυρηνικής φυσικής, της βιολογίας-βιογενετικής, της ιατρικής κ.α Σχεδιασµός Περιήγηση Αρχιτεκτονικής (Architectural Walkthrough) - Χειρουργική Λόγω του ότι η δύναµη των τεχνικών VR είναι η ικανότητα να παρέχουν στον χρήστη απ' ευθείας διαχείριση των αντικειµένων µέσα στο εικονικό περιβάλλον, οι ενέργειες που απαιτούνται για τον σχεδιασµό γενικά συστηµάτων, κτιρίων, εγκαταστάσεων και συγκροτηµάτων, επωφελούνται από την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας. Επίσης, ο χρήστης µπορεί να πραγµατοποιεί µια περιήγηση στην αρχιτεκτονική του χώρου που σχεδιάζεται. Ο αρχιτεκτονικός σχεδιασµός - περιήγηση και η χειρουργική είναι δύο από τους χώρους της κατηγορίας αυτής όπου εφαρµόζεται µε επιτυχία η τεχνολογία της VR Ψυχαγωγία και Τέχνη Η αγορά της ψυχαγωγίας και της διασκέδασης, απωφελήθηκε από την ανάπτυξη των νέων τεχνολογιών, και τα οικονοµικά ωφέλη φαίνεται να µεγαλώνουν όσο η τεχνολογία της VR γίνεται πιο προσιτή στον κόσµο, αφού υπάρχει πλήθος σχετικών εφαρµογών που ξεκινούν από αθώα ηλεκτρονικά παιχνίδια και φτάνουν σε εξελιγµένες µορφές ηλεκτρονικών ναρκωτικών και συνθετικών-εικονικών εµπειριών, εµβυθίζοντας τον ενδιαφερόµενο χρήστη σε υποκατάστατα πραγµατικών κόσµων και αφήνοντας πολλά ερωτηµατικά για την εξέλιξη παρόµοιων εφαρµογών στο µέλλον, µε πολλαπλές επιπτώσεις καλές ή κακές, στις καθηµερινές δραστηριότητες του κοινού. Η τέχνη από την άλλη, πολλές φορές είναι αυτή που δίνει το έναυσµα για νέες θεωρήσεις του κόσµου και δανείζει ευφάνταστους όσο και αντιπροσωπευτικούς όρους στην επιστήµη για την περιγραφή άγνωστων εως τότε εννοιών, π.χ. "Cyberspace" [29]. Η σχέση βέβαια είναι αµφίδροµη, αφού οι ίδιοι οι καλλιτέχνες είναι οι πρώτοι που εξερευνούν τα νέα µέσα και τις νέες τεχνολογίες στην προσπάθεια τους να δηµιουργήσουν και να εκφραστούν, και είναι λογικό οι ίδιοι πρώτοι να χρησιµοποιούν τις µοναδικές δυνατότητες που προσφέρει η VR Teleoperation Η VR είναι χρήσιµη και εφαρµόζεται σε καταστάσεις όπου είναι δύσκολο ή αδύνατο για κάποιον άνθρωπο να εκτελέσει ένα έργο, λόγω των συνθηκών που µπορεί να επικρατούν στο περιβάλλον, ενώ αυτό είναι εφικτό µε την χρήση αισθητήρων /εξαρτηµάτων που µπορούν να εισχωρήσουν στο περιβάλλον. Μια προσωµοίωση της όλης κατάστασης δίνει 19

21 την δυνατότητα για αξιολόγηση του βαθµού δυσκολίας του έργου, αλλά και της διεκπεραίωσής του [7] Decision Support systems Με την δυνατότητα για οπτική παρουσίαση των δεδοµένων σε διεργασίες όπου η ροή της πληροφορίας είναι κρίσιµη, η τεχνολογία της VR µπορεί να φανεί πολύ χρήσιµη. Υπάρχουν εφαρµογές στον οικονοµικό τοµέα όπου µε χρήση heads up displays, voice commands και κατασκευή intelligent agents, σε συνδυασµό µε δίκτυα και τράπεζες πληροφοριών, σε όλο τον κόσµο, δίνεται η δυνατότητα για εµβύθιση του χρήστη-χρηµατιστή σε έναν εικονικό κόσµο που περιλαµβάνει όλες τις παγκόσµιες αγορές χρήµατος όπου µπορεί να περιπλανηθεί και να ψάξει για δραστηριότητες, ενώ µε τα κατάλληλα ηχητικά συνθήµατα και τις γραφικές αναπαραστάσεις διαθέσιµων κεφαλαίων µε διακριτά σχήµατα και χρώµατα, η προσοχή του επικεντρώνεται σε περιοχές αυξηµένης πιθανότητας ενδιαφέροντος [14]. Εξάλλου µε την παροχή των απαραίτητων πληροφοριών µε µορφή λόγου ή εικόνας για κάποιον από τους στόχους που έχουν επιλεγεί, ο χρήστης µπορεί να δράσει και να εκτελέσει µέσω του δικτύου κάποια αγοραστική κίνηση υποβοηθούµενος από το σύστηµα. Με την εφαρµογή τεχνικών της VR στο πεδίο των decision support systems δηµιουργείται µια νέα γενιά εφαρµογών που προσφέρει καινούριους και ισχυρούς τρόπους για παρουσίαση και διαχείριση κρίσιµων πληροφοριών σε παρόµοιους χώρους [46] Επικοινωνία και συνεργασία Αν η τεχνολογία της VR συνδυαστεί µε δίκτυα υψηλών ταχυτήτων και δυνατότητα για κατανεµηµένη επεξεργασία (distributed computing), τότε µπορεί να παρέχεται σε αποµακρυσµένους µεταξύ τους χρήστες µια κοινή, ουδέτερη πλατφόρµα ανάπτυξης, όπου µπορεί να λάβει χώρα τόσο επικοινωνία µεταξύ τους όσο και συνεργασία και διαπραγµάτευση [55]. Αυτή ακριβώς η δυνατότητα για δύο ή περισσότερα πρόσωπα να µπορούν να συναντώνται µέσα σε ένα εικονικό χώρο και να δουλεύουν για την επίτευξη ενός κοινού στόχου, µπορεί να φέρει µια νέα αντίληψη στον τρόπο που γίνεται µια δουλειά συνεργασίας. Αυτό το πεδίο είναι από τα πλέον πρόσφορα για ανάπτυξη, ενώ ήδη έχουν δηµιουργηθεί αρκετές εφαρµογές που κάνουν χρήση τέτοιων τεχνικών, όλες στηρίζονται στην ίδια περίπου φιλοσοφία ενώ διαφοροποιούνται ως προς τα µέσα που χρησιµοποιούν για να πετύχουν τον σκοπό τους [36]. Ετσι, υπάρχουν παραδείγµατα όπου έχει δοθεί ιδιαίτερη βαρύτητα σε χρήση εξελιγµένων τεχνικών γραφικής αναπαράστασης των εικονικών χώρων χρησιµοποιώντας µεγάλα υπολογιστικά συστήµατα και προηγµένες συσκευές εισόδου εξόδου, ή άλλα όπου το βάρος έπεσε στην προσαρµογή των τεχνικών σε µικρότερα και πιο προσιτά συστήµατα µε ανάλογα βέβαια αποτελέσµατα [41] Εκπαίδευση Είναι προφανής η εµπλοκή εκπαιδευτικών διαδικασιών µε την ανάπτυξη των VR τεχνολογιών. Τα πλεονεκτήµατα που δίνονται από την χρήση της VR είναι πάρα πολλά αφού µέσα από τον αντικατοπτρισµό ενός πραγµατικού κόσµου σε ένα υπολογιστικό σύστηµα, κάποιος µπορεί να τον εξερευνήσει και να µάθει γι' αυτόν µε µεγαλύτερη ευκολία, εξασφαλίζοντας φυσικά ένα υψηλό επίπεδο πιστότητας. Οι κανόνες που διέπουν έναν κόσµο εικονικό, εικόνα αυτού τον οποίο ο χρήστης διδάσκεται, µπορούν να καθορίζονται και να αλλάζουν, δίνοντας έτσι την δυνατότητα στον εκπαιδευόµενο να πειραµατίζεται µε εναλλακτικές πραγµατικότητες. Με τον τρόπο αυτό µπορεί να µελετηθεί η σπουδαιότητα και τα αποτελέσµατα διαφόρων φυσικών παραµέτρων, και η εκπαιδευτική διαδικασία να εστιάζει στην ίδια την γνώση παρά στα χαρακτηριστικά ενός ιδιαίτερου περιβάλλοντος. 20

22 ΑναφορÜ στιò δυνατüτητεò προϊüντων ΕκπαιδευτικÞò VR και παραδεßγìατα Ποιότητα Γραφικών Μερικοß χρþστεò σþìερα, εìφανßζονται δυσαρεστηìýνοι απü την ποιüτητα των γραφικþν στιò εφαρìογýò VR, üìωò για εφαρìογýò που στοχεýουν σε εκπαιδευτικü ρüλο και üχι διασκεδαστικü αυτü το επιχεßρηìα δεν ευσταθεß. Αντßθετα, υπüρχει επιχειρηìατολογßα που προτεßνει την ìεßωση τηò ποιüτηταò εικαστικþò και διασκεδαστικþò παρουσßασηò, þστε να επικεντρωθεß ο χρþστηò στον κυρßαρχο σκοπü τηò διδακτικþò, üταν πρüκειται για εκπαιδευτικýò εφαρìογýò. Παρüλα αυτü η ανüγκη που οδηγεß στην περιορισìýνη ποιüτητα γραφικþν σιγü - σιγü απαλεßφεται, αφοý η επεξεργασßα refresh δýο εικüνων - þστε να δηìιουργηθεß η τρισδιüστατη αντßληψη - ìýχρι την ελüχιστη συχνüτητα των 30 refresh το δευτερüλεπτο, σαν αντßδραση στην κßνηση του χρþστη στον χþρο, υπερκαλýπτεται ìε την καινοýργια γενιü επεξεργαστþν και καρτþν γραφικþν (π.χ. επεξεργασßεò σε 300 MHz και Üνω) Head Mounted Displays Χωρßò να αποτελεß απαραßτητο εξüρτηìα για τιò εφαρìογýò εκπαßδευσηò, ìπορεß να προσθýσει ρεαλισìü και να αυξþσει την αντιληψιìüτητα. Χρονικüò Ορßζονταò ευρεßαò διüδοσηò Virtual Reality Tεχνολογικü Υπüβαθρο Ετοò ΕφαρìογÞ ΜικρÜ high-quality HMDS. ΦθηνÜ ισχυρü PC High Resolution stereoscopic graphics from desktop Pcs 1995 Immersive Enterteinment Desktop Education and Training 1997 Desktop Vertical Applications, Collaborative work 1998 Immersive Vertical Applications High Speed Network Deployment 2000 Interactive RealTime TeleTraining Στη συνýχεια παρατßθενται ìερικü παραδεßγìατα εφαρìογþν ΕΠ. Οι εφαρìογýò που καταγρüφονται ανþκουν στα ακüλουθα τýσσερα εßδη ΕΠ και στουò ακüλουθουò τýπουò εφαρìογþν: 1. Simulation 2. Education 3. Entertainment 4. Walk Through 21

23 Custom application (VRroom & VRtheater) (τύπων 2-4) Με την κατασκευþ ενüò χþρου διαστüσεων δωìατßου 3x3x3 ìε κατüλληλεò οθüνεò τοποθετηìýνεò Ýτσι þστε να παρουσιüζεται πλþρηò οπτικþ θýα στουò Üξονεò συντεταγìýνων x, y, z, ìπορεß ο χρþστηò να περιηγηθεß σε Ýνα χþρο. ΠαρÜλληλα ìε την τεχνικþ των ολογραììüτων ìπορεß και να επικοινωνεß ìε διüφορεò ανθρþπινεò ìορφýò (δεν εßναι απαραßτητη να χρησιìοποιηθεß αυτþ η τεχνικþ για να υλοποιηθεß αυτþ η λειτουργßα τηò εφαρìογþò). Εκτüò απü τιò επιφüνειεò παρουσßασηò στον κατüλληλα διαìορφωìýνο χþρο που ελýγχεται απü ìßα ìεγüλη υπολογιστικþ δýναìη χρησιìοποιοýνται και ειδικü tracer για την ανßχνευση τηò κßνησηò του χρþστη καθþò και για την επιθυìßα τηò κατεýθυνσþò του. ΑνÜλογα τýτοια προϊüντα που Ýχουν Þδη κατασκευαστεß βρßσκονται κυρßωò στην αγορü των Η.Π.Α. και Ιαπωνßαò. ΜερικÜ που ìποροýν να αναφερθοýν εßναι το C2 του Iowa Center for Emerging Manufacturing Technology (ICEMT). Επßσηò πρýπει να αναφερθεß και το προϊüν Boom3D τηò Fakespace που χρησιìοποιεßται απü την NASA και την Coryphaeus Software. ΠαρÜδειγìα τýτοιαò εφαρìογþò εßναι η αναπαρüσταση του ιεροý βρüχου τηò Ακρüποληò των Αθηνþν την περßοδο του 5ου π.χ. αιþνα üπου ο χρþστηò θα Ýχει την δυνατüτητα να περιηγηθεß σε üλον αυτüν τον χþρο βλýπονταò για πρþτη φορü ìετü απü χρüνια χωρßò φθορýò και αλοιþσειò τον Παρθενþνα, το ΕρÝχθειο, την ΧαλκοθÞκη, τον ναü τηò Βραüναò ΑρτÝìιδοò, τα Προπýλαια, την ΠινακοθÞκη, τον ναü τηò ΑπτÝρου Νßκηò, το ωδεßο του ΠερικλÝουò και το θýατρο του Äιονýσου. ΚατÜ την διüρκεια τηò περιþγησþò του σε ορισìýνα σηìεßα θα ìπορεß να συναντþσει ιστορικü πρüσωπα üπωò ο ΠερικλÞò και η γυναßκα του Ασπασßα, ο Φειδßαò και ο ΚαλλικρÜτηò κ.α. αντλþνταò απü αυτοýò σηìαντικýò πληροφορßεò και γεγονüτα που συσχετßζονται ìε το θýìα. Η ανüπτυξη τýτοιου προϊüντοò Ýχει ìεγüλεò δυνατüτητεò εìπορικþò εκìετüλλευσηò κυρßωò σε ìουσεßα και φορεßò üπωò ιδρýìατα. Ακüìη εκπαιδευτικþ χρþση ìπορεß να Ýχει και σε πανεπιστþìια που ασχολοýνται ìε την αρχαιολογßα VR application & DVD (τύπων 2-3-4) Με την χρþση HMDs (head mounted displays) υψηλþò ανüλυσηò, Gloves, Sticks, κατüλληλων επιταχυντþν γραφικþν και χρησιìοποßηση αποθηκευτικοý ìýσου DVD, ìπορεß να διοχετευθεß στην παγκüσìια αγορü ανüλογο προϊüν ìε την αναφορü που Ýγινε παραπüνω VR theater (τύπων 2-3) Με την κατασκευþ σε Ýνα αìφιθεατρικü χþρο ìßαò οθüνηò τοποθετηìýνηò ανüλογα για 200 ìοιρþν οριζüντια και ìοιρþν κüθετη οπτικþ γωνßα, και την προβολþ στην οθüνη απü τρειò κατüλληλα σχεδιασìýνουò και τοποθετηìýνουò projectors, οι θεατýò θα ìποροýν να παρακολουθþσουν την προβολþ ενüò εκπαιδευτικοý, 22

24 ψυχαγωγικοý και επιìορφωτικοý VR προϊüντοò. ΠαρÜλληλα ìε την χρþση ενüò σýνσορα που βρßσκεται στο κüθισìα του κüθε χρþστη υπüρχει η δυνατüτητα να ακολουθεßται η πλειοψηφßα τηò επιλογþò κατεýθυνσηò των χρηστþν. ΑνÜλογα τýτοια προϊüντα που Ýχουν Þδη κατασκευαστεß βρßσκονται κυρßωò στην αγορü των Η.Π.Α. και Ιαπωνßαò. ΜερικÜ που ìποροýν να αναφερθοýν εßναι το ElectricHorizon VR theater απü την εταιρßα Spitz. ΘÝìα τýτοιου προϊüντοò εßναι το υλικü ενüò πλανηταρßου και η παρουσßασþ του στουò επισκýπτεò του. ¹δη τουλüχιστον 6 ανüλογοι φορεßò εßτε χρησιìοποιοýν Þ βρßσκονται στην κατασκευþ τýτοιου προϊüντοò στην Η.Π.Α. και Ευρþπη. Η ανüπτυξη τýτοιου προϊüντοò Ýχει ìεγüλεò δυνατüτητεò εìπορικþò εκìετüλλευσηò σε ìουσεßα και φορεßò üπωò ιδρýìατα. Ακüìη εκπαιδευτικþ χρþση ìπορεß να Ýχει και σε πανεπιστþìια και γενικüτερα εκπαιδευτικοýò φορεßò. Χρησιìοποßηση τýτοιου προϊοντοò γßνεται και απü τα πλανητüρια, και για επιστηìονικýò απεικονßσειò Internet & VR (τύπων 2-3-4) Η περιþγηση σε Ýνα χþρο (VR) και η δυνατüτητα interactivity Üντλησηò πληροφοριþν κüτω απü Ýνα κατüλληλα διαìορφωìýνο κüìβο þστε να εßναι προσιτþ σε οποιονδþποτε χρþστη παγκοσìßωò ìε την χρþση Internet εßναι Ýναò τοìýαò που αναπτýσσεται ταχýτατα και Þδη βρßσκει εφαρìογþ σε διüφορα αρχαιολογικü κυρßωò κýντρα παγκοσìßωò. Χαρακτηριστικü παρüδειγìα εßναι η χρþση τýτοιου προϊüντοò για την παρουσßαση των βρüχων των δρυϊδων στην Αγγλßα ( ìε χρþση του προϊüντοò Superscape Viscape Interactive TV (τύπων 2-3) Ηδη πραγìατοποιοýνται Ýρευνεò και πιλοτικþ ανüπτυξη προϊüντων ειδικþν για την χρησιìοποßηση στον τοìýα των media ìε τεχνολογßα interactive TV Custom applications για εξoµείωση µεταφορικού µέσου (τύπων 1-3) Πραγìατοποιεßται Þδη η κατασκευþ και εφαρìογþ εξoìειωτþν διαφüρων ìεταφορικþν ìýσων (π.χ. Üρìατα, ελικüπτερα) που θα χρησιìοποιηθοýν για την εκπαßδευση του προσωπικοý. 23

25 2.2. Εκπαιδευτικό Λογισµικό Εκπαίδευση µε την βοήθεια και χρήση Η/Υ Στη σýγχρονη εποχþ η εκπαιδευτικþ διαδικασßα αποτελεß ìια απü τιò σηìαντικüτερεò περιοχýò εφαρìογþò τηò τεχνολογßαò τηò πληροφορικþò. H αλìατþδηò ανüπτυξη των δυνατοτþτων των υπολογιστικþν συστηìüτων σε συνδυασìü ìε τη ìεßωση τηò τιìþò τουò εßχε ωò συνýπεια την εισαγωγþ και τη χρησιìοποßηση τουò στο χþρο τηò εκπαßδευσηò, ìε σκοπü την υποστþριξη του Ýργου των εκπαιδευτικþν. Θα πρýπει να παραδεχτοýìε üτι η συγκεντρωτικþ εκπαßδευση υπü την εποπτεßα ανθρþπων ειδικþν σε Ýνα αντικεßìενο (domain experts) παρουσιüζει αρκετü ìειονεκτþìατα. ΣυγκεκριìÝνα ìπορεß να αναφερθεß: το υψηλü κüστοò σε χρüνο και χρþìα η αδυναìßα προσαρìογþò στιò ανüγκεò και τουò στüχουò του κüθε ìαθητþ (üλοι οι ìαθητýò αναγκüζονται πολλýò φορýò να διδüσκονται τιò ßδιεò γνþσειò χωρßò να λαìβüνονται υπüψη τα ιδιαßτερα χαρακτηριστικü και το επßπεδο του καθενüò) η Üìεση εξüρτηση τηò επιτυχßαò τηò διδασκαλßαò απü τιò ικανüτητεò του ειδικοý [43]. EπιπλÝον, το πιο κλασσικü διδακτικü ìýσο, το βιβλßο, χρησιìοποιεßται ωò ìονüδροìο κανüλι επικοινωνßαò απü το διδüσκοντα προò το ìαθητþ. O συγγραφýαò Þ ο εκπαιδευτικüò συγγρüφει το βιβλßο το οποßο διαβüζεται απü το ìαθητþ χωρßò καììιü αλληλεπßδραση. H ανüγκη αντιìετþπισηò αυτþν των προβληìüτων οδþγησε στην εισαγωγþ των υπολογιστþν στην εκπαιδευτικþ διαδικασßα και στην ανüπτυξη τηò Eκπαßδευσηò ìε τη BοÞθεια YπολογιστÞ και την δηìιουργßα ìιαò περιοχþò Ýρευναò και ανüπτυξηò η οποßα διεθνþò αναγνωρßζεται ìε ονüìατα üπωò Computer Assisted Learning, Computer Assisted Instruction, Computer Based Training (CAL/CAI/CBT) και χρησιìοποιεß ìια ειδικþ κατηγορßα λογισìικοý εκπαιδευτικþν εφαρìογþν (courseware). ΣυγκεκριìÝνα οι στüχοι που θýτει η CAL/CAI/CBT εßναι να προσφýρει: εξατοìικευìýνη εκπαßδευση, παρýχονταò περιβüλλοντα που ìποροýν να προσαρìüζονται στιò ιδιοìορφßεò και στιò ανüγκεò του κüθε ìαθητþ [11] υψηλþ δυνατüτητα αλληλεπßδρασηò ìε το ìαθητþ, παρýχονταò διαλογικüτητα και ενεργητικþ εìπειρßα ìüθησηò δυνατüτητα ανüδρασηò στον εκπαιδευτικü Þ και στο συγγραφýα του courseware. H εφαρìογþ τηò EπιστÞìηò των Yπολογιστþν στην εκπαιδευτικþ διαδικασßα δεν εßναι πολý πρüσφατη üσο ìπορεß κανεßò να φανταστεß. TουλÜχιστον τιò τελευταßεò 24

26 τρειò δεκαετßεò Ýχουν αναπτυχθεß δεκüδεò CAI συστþìατα. Tο κýριο ìειονýκτηìα αυτþν των συστηìüτων εßναι η στατικüτητα τηò γνþσηò που περιλαìβüνουν üσον αφορü την περιοχþ (domain) που διδüσκουν και τιò εκπαιδευτικýò στρατηγικýò (instructional strategies) που ακολουθοýν. O σχεδιαστþò ενüò CAI συστþìατοò προσπαθεß να λüβει υπüψη του üλεò τιò δυνατýò περιπτþσειò συìπεριφορüò του ìαθητþ, πρüγìα που εßναι λογικü αδýνατο. Tο αποτýλεσìα αυτþò τηò προσπüθειαò εßναι κατü πρþτο λüγο να ìειþνεται η δυναìικþ του συστþìατοò και κατü δεýτερο να ìη ìπορεß η εφαρìογþ να προσαρìüζεται στιò ιδιαιτερüτητεò του κüθε χρþστηìαθητþ. Tα πρþτα CAI συστþìατα εìφανßστηκαν στη δεκαετßα του 1950 και Þταν απλü "γραììικü προγρüììατα" (linear programs), ìε την Ýννοια üτι η εκτýλεση τουò εßναι ìια σειρü διαδοχικþν επαναλþψεων των παρακüτω βηìüτων: α) εìφüνιση ενüò πλαισßου κειìýνου που η ανüγνωση του απü το χρþστη-ìαθητþ θεωρεßται üτι θα συντελýσει στην ικανοποßηση ενüò τελικοý εκπαιδευτικοý στüχου (teaching goal) β) αντßδραση-απüκριση απü το ìαθητþ ìε βüση τιò γνþσειò του γ) το πρüγραììα πληροφορεß το ìαθητþ αν η αντßδραση του Þταν σωστþ Þ λανθασìýνη [64]. Tα πρþτα CAI συστþìατα υλοποιþθηκαν σε γλþσσεò προγραììατισìοý γενικοý σκοποý (BASIC, FORTRAN, PL/I κ.λ.π.). Tο γεγονüò αυτü εßχε ωò αποτýλεσìα: α) τα ìαθþìατα να συγγρüφονται απü ειδικοýò σε θýìατα προγραììατισìοý και üχι εκπαιδευτικοýò, και β) την ανüπτυξη πολý ìεγüλων CAI συστηìüτων þστε να εßναι üσο το δυνατü πιο αξιüπιστα. ΘεωρητικÞ βüση των πρþτων εκπαιδευτικþν προγραììüτων αποτýλεσε η εκπαιδευτικþ τεχνικþ Programmable Instruction που εισþγαγε ο Skinner. H τεχνικþ αυτþ αναφýρεται στην οργüνωση του εκπαιδευτικοý Ýργου σε υποýργα, στην εκτýλεση των υποýργων απü το ìαθητþ διαδοχικü, στην παρακολοýθηση και εκτßìηση του ìαθητþ και στην αξιολüγηση τελικü του ßδιου του Ýργου [8]. Στη δεκαετßα του 1960, η σκýψη üτι θα Þταν σκüπιìο να ìπορεß κανεßò να χρησιìοποιþσει την απüντηση του ìαθητþ για να επιλýξει το υλικü που θα του παρουσιαστεß στη συνýχεια, οδþγησε στην ανüπτυξη courseware που βασßζεται σε "προγρüììατα διακλüδωσηò" (branching programs). Tα προγρüììατα αυτü κατü κüποιο τρüπο προσαρìüζουν τη διδασκαλßα ανüλογα ìε τιò αντιδρüσειò των ìαθητþν. Tη λýση στο πρüβληìα του ìεγüλου ìεγýθουò αυτþν των CAI συστηìüτων και στη δυσκολßα ανüπτυξηò τουò απü συγγραφεßò Þ εκπαιδευτικοýò, προσπüθησαν να δþσουν οι Γλþσσεò ΣυγγραφÞò (Authoring Languages) [68]. Oι γλþσσεò αυτýò εκτüò απü τιò εντολýò γενικþò χρþσηò διαθýτουν και εντολýò προσανατολισìýνεò στιò λειτουργßεò ενüò συγγραφýα. MερικÜ παραδεßγìατα τýτοιων γλωσσþν εßναι: CPSS, DYNAMO, PLANNER, TIP, CATO, TUTOR, PLANIT, NATAL και PILOT. 25

27 H πρüξη üìωò Ýδειξε üτι η χρησιìοποßηση των Γλωσσþν ΣυγγραφÞò δεν προσýφερε τον αναìενüìενο βαθìü συγκýντρωσηò στο συγγραφýα üσον αφορü τιò εκπαιδευτικýò του ανüγκεò. O συγγραφýαò δεν απαλλüχτηκε üσο θα Þθελε απü το Ýργο του προγραììατισìοý. Aπü την Üλλη πλευρü, οι Γλþσσεò ΣυγγραφÞò επýβαλλαν οìοιοìορφßα στα CAI συστþìατα ειδικü στην περßπτωση του User Interface, πρüγìα που αποτελεß περιορισìü για τουò συγγραφεßò των εκπαιδευτικþν εφαρìογþν. Iκανοποßηση στιò παραπüνω απαιτþσειò των συγγραφýων προσπüθησαν να δþσουν τα ΣυστÞìατα ΣυγγραφÞò (Authoring Systems) που Üρχισαν να αναπτýσσονται στη δεκαετßα του Tα ΣυστÞìατα ΣυγγραφÞò ξεφεýγουν απü τα στενü πλαßσια ìιαò γλþσσαò προγραììατισìοý και προσφýρουν Ýνα περιβüλλον ανüπτυξηò εκπαιδευτικþν εφαρìογþν. Oι ειδικοß σε κüθε αντικεßìενο, χωρßò απαραßτητα να γνωρßζουν προγραììατισìü, ìποροýν να κωδικοποιþσουν τη γνþση τουò χρησιìοποιþνταò τα ìýσα που παρýχει Ýνα Σýστηìα ΣυγγραφÞò. Συνεπþò, εßναι σε θýση να αφιερþνουν περισσüτερο χρüνο στην ανüπτυξη και στη δüìηση του γνωστικοý τουò αντικειìýνου. Tα συστþìατα αυτü περιýχουν ìηχανισìοýò γα την παρουσßαση των πληροφοριþν και τον Ýλεγχο των γνþσεων. Για παρüδειγìα ο εκπαιδευτικüòσυγγραφýαò τηò εφαρìογþò ìπορεß να καθορßζει τιò ερωτþσειò που θýλει να θýσει στον ìαθητþ και να προβλýπει τιò πιθανýò απαντþσειò του. Aκüìα, πολλü ΣυστÞìατα ΣυγγραφÞò ìποροýν να χαρακτηριστοýν ωò συστþìατα "γεννþτορεò" (generative systems), ìε την Ýννοια üτι ο συγγραφýαò επιλýγει ìια εκπαιδευτικþ στρατηγικþ και στη συνýχεια παρüγεται Ýνα δýντρο πιθανþν αλληλεπιδρüσεων συστþìατοò-ìαθητþ (π.χ. πιθανýò ακολουθßεò ερωτþσεων-απαντþσεων) [64]. ΓενικÜ, η διεργασßα συγγραφþò ìιαò εκπαιδευτικþò εφαρìογþò ìýσω ενüò εξελιγìýνου ΣυστÞìατοò ΣυγγραφÞò δεν εßναι τßποτε Üλλο παρü η ικανοποßηση ìιαò σειρüò απü επιìýρουò ìακρο-στüχουò (macro-goals), οι οποßοι συνολικü αποτελοýν τον τελικü στüχο, την ανüπτυξη τηò εφαρìογþò. Eπßσηò, θα πρýπει να σηìειωθεß üτι τα ΣυστÞìατα ΣυγγραφÞò βασßζονται σε περιβüλλοντα που παρýχουν στον συγγραφýα υψηλýò δυνατüτητεò συνδιαλλαγþò (π.χ. Windows Icons Menus Pointing_device-like User Interface, Graphical User Interface) [57]. Tα τελευταßα χρüνια τα ΣυστÞìατα ΣυγγραφÞò Ýχουν εξελιχθεß σε εργαλεßα πολυìýσων (multimedia) που επιτρýπουν την ανüκληση και την επεξεργασßα διαφορετικþν ìορφþν πληροφοριþν (κεßìενο, Þχοò, στατικü και κινοýìενα γραφικü, εικüνεò video), για την αναπαρüσταση τηò διδακτικþò περιοχþò (domain). O ìαθητþò τþρα Ýχει τη δυνατüτητα να Ýχει ìια πολυδιüστατη θεþρηση τηò πληροφορßαò, πρüγìα που συντελεß στην ταχýτερη και βαθýτερη εìπýδωση τηò γνþσηò. Tα ΣυστÞìατα ΣυγγραφÞò προσφýρουν Ýνα περιβüλλον ανüπτυξηò εκπαιδευτικþν εφαρìογþν βασισìýνων πüνω σε θεωρητικü αξιüπιστα ìοντýλα. Tα ìοντýλα αυτü παρουσιüζουν σηìαντικü προβλþìατα, τα οποßα απορρýουν απü την στατικüτητα τηò γνþσηò που περιλαìβüνεται σε ìια τυπικþ εκπαιδευτικþ εφαρìογþ. Στην πρüξη üìωò, Ýνα εκπαιδευτικü πρüγραììα θα πρýπει να [64]: υποστηρßζει ìια πλοýσια και ποικßλη αλληλεπßδραση γνωρßζει πþò να διδüσκει γνωρßζει την περιοχþ που θα διδüξει 26

28 γνωρßζει το ìαθητþ. ΠαρÜ την πρüοδο απü τιò πρþτεò εκπαιδευτικýò εφαρìογýò (π.χ. ακολουθßεò απü multiple choice questions) στιò εκπαιδευτικýò εφαρìογýò που παρüγονται απü multimedia ΣυστÞìατα ΣυγγραφÞò, εßναι γεγονüò üτι η αναπαρüσταση τηò γνþσηò ενüò ειδικοý σε Ýνα αντικεßìενο και τηò εκπαιδευτικþò στρατηγικþò, αποτελεß Ýνα θýìα ανοικτü προò Ýρευνα. MετρÞσειò Ýδειξαν üτι το 80% των διαθýσιìων εκπαιδευτικþν εφαρìογþν εßναι εκπαιδευτικü βιβλßα που παρουσιüζονται απλþò ìýσω του υπολογιστþ [45]. Στη συνýχεια περιγρüφονται τα ìειονεκτþìατα που παρουσιüζει Ýνα συìβατικü CAI σýστηìα. 1. Tα βþìατα τηò εκπαιδευτικþò στρατηγικþò που υποστηρßζει εßναι εκ των προτýρων πλþρωò καθορισìýνα. Oι κανüνεò που αναπαριστοýν ìια τýτοια στρατηγικþ Ýχουν ìια ειδικþ δοìþ (π.χ. "Aν ο ìαθητþò απüντησε στην ερþτηση σωστü, τüτε παρουσßασε το παρüδειγìα #32") [63]. Eπßσηò δεν Ýχει ικανοποιηθεß η απαßτηση για υποστþριξη διαφüρων εκπαιδευτικþν στρατηγικþν, ìε αποτýλεσìα να ìη λαìβüνεται υπüψη το διαφορετικü επßπεδο γνþσεων και οι ανüγκεò του κüθε ìαθητþ. 2. H γνþση για τη διδακτικþ περιοχþ (Domain Knowledge) που περιλαìβüνεται σε ìια εκπαιδευτικþ εφαρìογþ ìπορεß να χαρακτηριστεß ωò στατικþ και απüλυτη. Äεν υπüρχουν κανüνεò που να αναπαριστοýν τιò αποφüσειò ìε τιò οποßεò Ýναò ειδικüò θα αντιìετþπιζε τη λýση ενüò προβλþìατοò. Συνεπþò το σýστηìα δεν ìπορεß να λýνει τα προβλþìατα που παρýχει (δεν Ýχει problem solving δυνατüτητεò). 3. Äεν παρýχεται υψηλþ δυνατüτητα αλληλεπßδρασηò ìε το ìαθητþ. Mια "απüντηση" (response) του ìαθητþ σε Ýνα "ερþτηìα-ερýθισìα" (stimulus) του συστþìατοò αναλýεται ìε βüση την πιθανþ απüντηση που Ýχει δοθεß απü το συγγραφýα. Oι αιτþσειò (requests) που ìπορεß να θýσει ο ìαθþτηò στο σýστηìα εßναι καθορισìýνεò (üπωò help, calculator, dictionary, backward), ìε αποτýλεσìα να ìην του παρýχεται ενεργητικþ εìπειρßα ìüθησηò (δυνατüτητεò ανακüλυψηòεξερεýνησηò των γνþσεων). 4. Eχουν αυξηθεß οι δυνατüτητεò ανüδρασηò στον εκπαιδευτικü-συγγραφýα τηò εκπαιδευτικþò εφαρìογþò, ειδικü ìε τη βοþθεια των ΣυστηìÜτων ΣυγγραφÞò. ΠροβλÞìατα üìωò παρουσιüζονται üσον αφορü τιò δυνατüτητεò ελýγχου (control) και παρακολοýθησηò (monitor) των ìαθητþν απü τον εκπαιδευτικü. Eπßσηò, ìποροýìε να ισχυριστοýìε, üτι δεν Ýχει ικανοποιηθεß η απαßτηση για υποστþριξη υψηλοý εýρουò επικοινωνßαò (multimodal communication) τüσο ìεταξý συστþìατοòìαθητþ, üσο και ìεταξý συστþìατοò-εκπαιδευτικοý [64] Ευφυή Συστήµατα Εκπαιδευτικού Λογισµικού Το τελευταίο βήµα στη συνεχή εξέλιξη των εκπαιδευτικών συστηµάτων είναι η χρησιµοποίηση των αρχών της Τεχνητής Νοηµοσύνης (Artificial Intelligence) µε στόχο να λυθούν τα προβλήµατα της προσαρµοστικότητας ενός συστήµατος CAI στις ανάγκες µιας διδακτικής περιοχής και τις ιδιαιτερότητες κάθε χρήστη. Ενα τέτοιο σύστηµα ονοµάζεται Ευφυές Σύστηµα Εκπαίδευσης (Intelligent Tutoring System - ITS) και το κυριότερο χαρακτηριστικό του είναι η ενσωµάτωση διαφόρων κατηγοριών γνώσης όπως η γνώση για την περιοχή που θα διδαχθεί (Domain Knowledge), η γνώση για το µαθητή (Student-User Model) και η γνώση για τις εκπαιδευτικές στρατηγικές (Instructional Strategies Knowledge) [67]. Η έρευνα τα τελευταία χρόνια προσανατολίζεται στην ανάπτυξη Συστηµάτων 27

29 Συγγραφής για ITS (γεννήτορες ITS) που παρέχουν δυνατότητες συγγραφής στους ίδιους τους εκπαιδευτικούς και εργαλεία για την εισαγωγή και αναπαράσταση των γνώσεων µε µεθόδους που να διευκολύνουν την επικοινωνία του ανθρώπου µε το σύστηµα. Ο στόχος αυτός δεν έχει ακόµη ικανοποιηθεί πλήρως, αφού προβλήµατα που σχετίζονται µε την αναπαράσταση της γνώσης για τη διδακτική περιοχή, µε τη διδασκαλία αυτής της γνώσης, µε το πώς οι µαθητές µαθαίνουν τη γνώση, είναι θέµατα ανοικτά σε έρευνα. Αρκετά ITS έχουν αναπτυχθεί στα πλαίσια ερευνητικών προγραµµάτων (Guidon, SEDAF, Sophie, Proust, FGA, Methodman I, Quest, PRODIGY κλπ) και αναφέρονται σε µια ευρεία περιοχή εκπαιδευτικών εφαρµογών, ενώ επίσης έχουν αναπτυχθεί και ITS Γεννήτορες (ΒOOK, TOSKA, GEPRIAM κλπ) Γεννήτορες Ευφυών Συστηµάτων Εκπαιδευτικού Λογισµικού Το σηµερινό στάδιο εξέλιξης των Συστηµάτων Συγγραφής έχει αγγίξει την χρήση πολυµέσων (multimedia) για την αναπαράσταση του εκπαιδευτικού περιεχοµένου. Παρ'όλα αυτά, υπάρχουν ακόµα απαιτήσεις (όπως η υποστήριξη διάφορων εκπαιδευτικών στρατηγικών, η υποστήριξη υψηλού εύρους επικοινωνίας µεταξύ εκπαιδευτικής εφαρµογής- -διδασκόµενου (multimodal communication) κα) που δεν έχουν ακόµα καλυφθεί ικανοποιητικά [18,62]. Ετσι, η τρέχουσα τάση ανάπτυξης Συστηµάτων Συγγραφής προσανατολίζεται προς την χρήση τεχνικών Τεχνητής Νοηµοσύνης για την κατασκευή Ευφυών Συστηµάτων Εκπαιδευτικού Λογισµικού (Intelligent Tutoring Systems) [12]. Αυτά τα συστήµατα συγγραφής είναι οι Γεννήτορες Ευφυών Εκπαιδευτικών Συστηµάτων (ΓΕΕΣ) ή Generators of Intelligent Tutoring Systems (ITSs) MELLON: Ενας Γεννήτορας ITSs Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζεται το MELLON [28]. Ενας Γεννήτορες Ευφυών Εκπαιδευτικών Συστηµάτων που παράγει εφαρµογές ITSs που διδάσκουν µεθοδολογίες, το οποίο αναπτύχθηκε για τα Microsoft Windows, ως η εξέλιξη του GEPRIAM [37]. Όπως αναφέρεται στο [66], µια µεθοδολογία, είναι οποιαδήποτε διαδικασία αποτελείται από ευδιάκριτες, διατεταγµένες στοιχειώδεις εργασίες. Σχεδιάστηκε µε στόχο την κάλυψη των αναγκών των µη-ειδικών στα computers δασκάλων που πρέπει να αναπτύξουν ένα αποδοτικό εκπαιδευτικό µάθηµα όσο το δυνατόν γρηγορότερα. To MELLON παρέχει στους συγγραφείς της εκπαιδευτικής εφαρµογής τα απαραίτητα εργαλεία για την κατασκευή µιας εφαρµογής κατάρτισης, και χρησιµοποεί σε συνδυασµό τη δηλωτική και τη διαδικαστική γνώση. ηλωτική (declarative) λέγεται η απαραίτητη γνώση που πρέπει να αποκτηθεί από τους εκπαιδευόµενους, ενώ ιαδικαστική (procedural) γνώση θεωρείται ο τρόπος µε τον οποίο θα εφαρµοστεί η δηλωτική γνώση [65]. Μια εφαρµογή που κατασκευάζεται µε το MELLON είναι ισοδύναµη µε τη διαδοχική εκτέλεση ενός συνόλου παιδαγωγικών ακέραιων µονάδων που καλούνται stages (στάδια). Κάθε stage αποτελείται από διάφορα παιδαγωγικά αυτόνοµα αντικείµενα αποκαλούµενα µονάδες εκµάθησης (learning units- LUs) και ενσωµατώνει µια εκπαιδευτική στρατηγική έχοντας µια εσωτερική δοµή που απεικονίζει τις αρχές αυτής της εκπαιδευτικής στρατηγικής. Κατά συνέπεια, οι stages χρησιµοποιούνται για να αναπαραστήσουν την εκπαιδευτική σηµασιολογία της εφαρµογής, ενώ οι LUs αντιστοιχούν στις ακέραιες οµάδες δεδοµένων της γνώσης που πρέπει να παρουσιαστεί στους εκπαιδευόµενους. 28

30 οµή του συστήµατος Το MELLON αποτελείται από δύο υποσυστήµατα, το υποσύστηµα συγγραφής και το υποσύστηµα εκτέλεσης. Το υποσύστηµα συγγραφής υποστηρίζει την ανάπτυξη των ευφυών εφαρµογών κατάρτισης µε την παροχή ενός συνόλου ιδιαίτερα διαλογικών εργαλείων, κάθε ένα από τα οποία υποστηρίζει µια φάση ανάπτυξης-συγγραφής. Το υποσύστηµα εκτέλεσης, υποστηρίζει την εκτέλεση της εφαρµογής, η οποία έχει δηµιουργηθεί από το υποσύστηµα συγγραφής και συµπεριλαµβάνεται µε κάθε παραγόµενη εφαρµογή. Το υποσύστηµα εκτέλεσης µπορεί επίσης να κληθεί από µέσα από το υποσύστηµα συγγραφής, προσφέροντας κατά συνέπεια µια δυνατότητα πρωτοτυποποίησης στους συγγραφείς. Επιπλέον, το MELLON ενσωµατώνει ένα έµπειρο σύστηµα, το Έµπειρο Σύστηµα Μεθοδολογίας, το οποίο επιτρέπει στους συγγραφείς να προσδιορίσουν όλα τα στοιχεία της µεθοδολογίας (δραστηριότητες, οµάδες δραστηριοτήτων) καθώς επίσης και τις σχέσεις µεταξύ τους. Το MELLON έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να µπορεί να χρησιµοποιηθεί ακόµη και από αρχάριους χρήστες. Για αυτόν τον λόγο, µεγάλη προσοχή έχει δοθεί στο σχέδιασµό του user interface που χρησιµοποιεί αποτελεσµατικά το διαθέσιµο χώρο στην οθόνη προκειµένου να επιτευχθεί η καλύτερη αλληλεπίδραση µεταξύ του χρήστη και του συστήµατος. ύο χαρακτηριστικά γνωρίσµατα που επιτρέπουν την αποτελεσµατική αλληλεπίδραση είναι ο διαχωρισµός της διαδικασίας συγγραφής σε διακριτές φάσεις (που είναι η εισαγωγή δεδοµένων, ο καθορισµός των εκπαιδευτικών στρατηγικών, ο καθορισµός της µεθοδολογίας κ.λπ..) και επίσης η υποστήριξη ενός στέρεου και δοµηµένου µοντέλου αλληλεπίδρασης. Η διαδικασία συγγραφής θεωρείται ως επίτευγµα διάφορων υπο-στόχων που αποτελούν τον τελικό στόχο που είναι η κατασκευή της εφαρµογής. Κάθε εργαλείο υποστηρίζει το επίτευγµα ενός υπο-στόχου, ενώ κάθε παράθυρο οθόνης αντιστοιχεί σε ένα εργαλείο. Κατ' αυτό τον τρόπο, ο χρήστης ξέρει ποιοι ακριβώς υπο-στόχοι πρέπει να επιτευχθούν διαδοχικά προκειµένου να χτίσει την εφαρµογή. Αυτοί οι υπο-στόχοι ικανοποιούνται µε τις ενέργειες του χρήστη και το πλαίσιο κάθε ενέργειας καθορίζεται αυτόµατα από το στόχο µε τον οποίο συνδέεται. Ένα παράδειγµα του παραθύρου ενός εργαλείου του MELLON φαίνεται στο Σχήµα 5. 29

31 Σχήµα 5: Το εργαλείο του Domain Manager Παιδαγωγικά Θέµατα Η επιλογή του µαθησιακού σεναρίου (ή σεναρίου εκµάθησης) µπορεί να θεωρηθεί ως µέρος του γενικού προβλήµατος του discourse management, το οποίο αναφέρεται στη συµµετοχή του υπολογιστή σε ένα διάλογο µε τους εκπαιδευόµενους, µε ίσους όρους. Το σενάριο εκµάθησης που ενσωµατώνεται σε µια εφαρµογή που αναπτύσσεται µε το MELLON καλείται κύκλος εκµάθησης και αποτελείται από stages. Η εκπαιδευτική βάση της εφαρµογής αποτελείται από stages. Οι stages είναι διαφορετικού τύπου, ανάλογα µε την εκπαιδευτική στρατηγική που η καθεµία υποστηρίζει. Για κάθε stage, εκτελείται το κατάλληλο πρόγραµµα που έχει καθοριστεί στην διαδικασία συγγραφής. Το MELLON υποστηρίζει τέσσερις τύπους stages: 1. Coach, η οποία στοχεύει στη βοήθεια των εκπαιδευόµενων ώστε να ανακαλύψουν τη σωστή εξέλιξη της µεθοδολογίας, 2. Exploration, η οποία υποστηρίζει τους εκπαιδευόµενους να εξερευνήσουν τη δηλωτική γνώση του αντικειµένου που διδάσκεται, 3. Judge, που παρέχει ένα µηχανισµό αξιολόγησης της δηλωτικής και της διαδικαστικής γνώσης που αποκτήθηκε από τους εκπαιδευόµενους, και 4. Consultation, που παρέχει πρόσβαση στη σωστή εξέλιξη της µεθοδολογίας και στις απαντήσεις των τεστ. Οι συγγραφείς µπορούν να καθορίσουν τις προϋποθέσεις εκτέλεσης και τα κριτήρια λήξης για κάθε stage. Οι προϋποθέσεις αποτελούνται από όλες τις προηγούµενες stages του 30

32 κύκλου εκµάθησης που οι εκπαιδευόµενοι πρέπει να ολοκληρώσουν επιτυχώς για να τους διατεθεί η επόµενη stage, ενώ τα κριτήρια λήξης βασίζονται σε δύο εσωτερικές παραµέτρους αξιολόγησης: το αποτέλεσµα (score) έως ένα δεδοµένο σηµείο και το ποσοστό των τεστ στα οποία εχουν δοκιµαστεί οι εκπαιδευόµενοι. 31

33 2.3. Μοντέλα, Αρχιτεκτονικές, Εργαλεία και Γλώσσες. Τυπικά µοντέλα προδιαγραφών και γνωστικά µοντέλα έχουν προταθεί και καθιερωθεί για το σχεδιασµό εφαρµογών συµβατικού λογισµικού. Τα ίκτυα petri [39] είναι ένα ισχυρό γραφικό εργαλείο µοντελοποίησης που ενσωµατώνει ισχυρές µαθηµατικές θεµελιώσεις. Ta petrinets αναπαριστούν ένα σύστηµα σαν σύνολο από αλληλεπιδρώντα ενεργητικά και παθητικά στοιχεία. Στην γραφική του αναπαράσταση ένα PN είναι ένα διµερές κατευθυνόµενο γράφηµα µε βάρη µε δύο τύπους κόµβων, µεταβάσεις και θέσεις, (trantitions and places), και βέλη από ένα κόµβο του ενός τύπου σε έναν κόµβο του άλλου τύπου. Το αντικείµενο της γνωστικής εργονοµίας είναι η µοντελοποίηση της γνωστικής συµπεριφοράς των χρηστών Η/Υ και αποτελεί µια εφαρµογή της γνωστικής επιστήµης στο πεδίο των αλληλεπιδραστικών εφαρµογών υπολογιστών [40]. Πάνω στο αντικείµενο της µοντελοποίησης γνωστικών διαδικασιών, πρέπει να αναφερθεί το µοντέλο GOMS [10]. Όσον αφορά τη VR, κανένα µοντέλο προδιαγραφών αλληλεπίδρασης δεν έχει παρουσιαστεί µέχρι τώρα, ούτε ακόµη και τώρα που η σχεδίαση της αλληλεπίδρασης αναγνωρίστηκε ως σηµαντικό ζήτηµα για την ανάπτυξη ισχυρά αλληλεπιδραστικών συστηµάτων VR που υπερβαίνουν ένα απλό τρισδιάστατο inteface. Oι περισσότερες αρχιτεκτονικές και συστήµατα που έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία είναι συστήµατα γενικού σκοπού και δεν έχουν σχεδιαστεί ειδικά για την ανάπτυξη EVRs. Σ αυτόν το τοµέα εφαρµογής έχουν παρουσιαστεί θεωρητικά πλαίσια και λειτουργικά πρωτότυπα [5]. Μεταξύ των πιο προεξεχουσών προσεγγίσεων και προσπαθειών που έχουν παρουσιαστεί στον τοµέα των αρχιτεκτονικών είναι η VB2 και οι AVIARY αρχιτεκτονικές [49]. Στην περιοχή των τρισδιάστατων εργαλείων, πρέπει να αναφερθούν το Conceptual Design Space [4], το MR (Minimal Reality) Toolkit [48] και το Virtual Reality Interface Toolkit project [3] τα οποία εστιάζουν στη σχεδίαση εργαλείων λογισµικού για την παραγωγή συστηµάτων VR. Στον τοµέα τηςτεχνολογίας διαµεσολαβητών για συστήµατα εικονικής πραγµατικότητας, η Agent-Based Architecture to Developing Intelligent VR-based Training Systems [38] διαµορφώνει µια προσέγγιση για µία αρχιτεκτονική επικοινωνίας των εκπαιδευτικών διαµεσολαβητών λογισµικού (instructional software agents) oi οποίοι υπάρχουν µέσα σε µία EVRεφαρµογή. Η Virtual Reality Modeling Language (VRML) [56] είναι µία ανταλλάξιµη µορφή αρχείου και ένα διεθνές πρότυπο για την περιγραφή εικονικών µικρόκοσµων (VR microworlds) και πολλοί VRML πλοηγοί φυλλοµετρητές διαδικτύου (Internet Browsers) έχουν ήδη παρουσιαστεί. Πολλές από τις σχεδιαστικές αρχές και προσεγγίσεις που υπάρχουν στις αρχιτεκτονικές λογισµικού και στα εργαλεία µοντελοποίησης για VR τα οποία παρουσιάστηκαν στην παράγραφο αυτή, έχουν υιοθετηθεί από διάφορους εµπορικούς κατασκευαστές λογισµοκού και ήδη έχει παρουσιαστεί µία γκάµα από συστήµατα ανάπτυξης VR, όπως το VRT της Superscape, τα WorldUP και World2World της Sense8, το VR Development System της VREAM, το Cyberspace Developer Kit της Autodesk, το PhotoVR της StrayLight, το 32

34 QuickTime VR της Apple κ.ά. Τα περισσότερα από αυτά τα συστήµατα έχουν επιπλέον την δυνατότητα της εισαγωγής και της εξαγωγής αρχείων µορφής VRML Τυπικές Προδιαγραφές: Το Μοντέλο Petri Nets Τα ίκτυα Petri (Petri Nets-PNs) είναι ένα ισχυρό γραφικό εργαλείο προδιαγραφών το οποίο ενσωµατώνει ισχυρά µαθηµατικά θεµέλια και αναναπαριστούν ένα σύστηµα ως σύνολο αλληλεπιδρώντων ενεργών και παθητικών συστατικών [27, 32, 58]. Τα ενεργά συστατικά καλούνται µεταβάσεις (transitions) και τα παθητικά συστατικά καλούνται θέσεις (places). Ένα PN είναι ένα διµερές, κατευθυνόµενο γράφηµα µε βάρη, µε δύο τύπους κόµβων που αντιπροσωπεύουν τις µεταβάσεις και τις θέσεις, και τόξα από έναν κόµβο ενός τύπου σε έναν κόµβο του άλλου τύπου. Ένα τόξο δεν αντιπροσωπεύει ένα συστατικό του συστήµατος, αλλά συµβολίζει µια σχέση µεταξύ των συστατικών του συστήµατος, π.χ. λογικές συνδέσεις, δικαιώµατα πρόσβασης και προτεραιότητες, φυσική γειτνίαση ή άµεσες συνδέσεις. Τα αντικείµενα που χρησιµοποιούνται για να αναπαραστήσουν είτε ένα τµήµα των πληροφοριών είτε για να ελέγξουν τις ροές πληροφορίας µεταξύ των θέσεων και µέσω των µεταβάσεων, καλούνται κουπόνια ή σηµεία (tokens). Στη γραφική αντιπροσώπευση ενός µοντέλου PN, οι µεταβάσεις και οι θέσεις αναπαρίστανται από τα ορθογώνια (ή τις ράβδους) και τους κύκλους, αντίστοιχα. Τα κουπόνια απεικονίζονται ως µαύρα σηµεία µέσα στις θέσεις. Το µοντέλο PN είναι ένα χρήσιµο και δηµοφιλές εργαλείο για τα συστήµατα επεξεργασίας πληροφοριών που χαρακτηρίζονται σαν ασύγχρονα, κατανεµηµένα, παράλληλα, µηντετερµινιστικά και στοχαστικά. Τα PNs είναι κατάλληλα για τέτοια συστήµατα στα οποία υπάρχει ταυτόχρονη επεξεργασία και δυναµικές αλληλο-εξαρτήσεις. Κοινά παραδείγµατα µοντελοποίησης είναι για µηχανές πεπερασµένων καταστάσεων, παράλληλους υπολογισµούς, υπολογισµούς ροής πληροφοριών, πρωτόκολλα επικοινωνίας, ελέγχους συγχρονισµού, παραγωγούςκαταναλωτικών συστηµάτων µε τις προτεραιότητες (ή όχι), τυπικές γλώσσες, συστήµατα πολυεπεξεργαστών κ.λπ. Τα PNs είναι κατάλληλα για την σχεδίαση δυναµικών συστηµάτων γεγονότος (Discrete Event Dynamic Systems-DEDS) τα οποία αντιδρούν στα εξωτερικά µη-συνεχή γεγονότα σύµφωνα µε την εσωτερική τους κατάσταση, παράγουν γεγονότα και ελέγχουν φυσικές δραστηριότητες. Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά των PNs που τα καθιστούν κατάλληλα για την αναπαράσταση αυτών των περιπτώσεων είναι: 1. Υποστηρίζουν τη ρητή αναπαράσταση των εξαρτήσεων και των µη-εξαρτήσεων. 2. Επιτρέπουν την περιγραφή ενός συστήµατος µε διαφορετικούς βαθµούς αφαίρεσης, χωρίς αλλαγή της γλώσσας που χρησιµοποιείται για την µοντελοποίηση. 3. Υποστηρίζουν την αναπαράσταση των ιδιοτήτων του συστήµατος µε µέσα παρόµοια µε το ίδιο το σύστηµα. Τα PNs επιτρέπουν την µοντελοποίηση των αποφάσεων 33

35 (αποκαλούµενων και "συγκρούσεις"), και έτσι µπορούν να χαρακτηριστούν ως µηντετερµινιστικά µοντέλα. Ένα PN, όπως το σύστηµα που διαµορφώνει, θεωρείται ως ακολουθία διακριτών γεγονότων, όπου η εµφάνιση της καθεµιάς ακολουθίας είναι µια από τις πολλές πιθανές που επιτρέπονται από τη βασική δοµή. Η µη-ντετερµινιστική φύση των PNs είναι συµφέρουσα από την άποψη της µοντελοποίησης, αλλά µπορεί να εισαγάγει ιδιαίτερη πολυπλοκότητα στην ανάλυση και στην επαλήθευση του PN. Επιπλέον, η δυνατότητα των PNs να µοντελοποιήσουν ένα σύστηµα ιεραρχικά προέρχεται από το γεγονός ότι ένα ολόκληρο ίκτυο-petri µπορεί να αντικατασταθεί από µία θέση ή µία µετάβαση, ή οι θέσεις και οι µεταβάσεις µπορούν να αντικατασταθούν από υποδίκτυα. Με αυτούς τους τρόπους, ο σχεδιαστής έχει τις δυνατότητες για µοντελοποίηση σε περισσότερα αφηρηµένα επίπεδα (η ιδιότητα της αφαίρεσης-abstraction) ή να παρέχει πιό λεπτοµερή µοντελοποίηση (η ιδιότητα του καθαρισµού-refinement). Άλλα πλεονεκτήµατα της χρήσης ικτύων-petri περιλαµβάνουν τη δυνατότητά τους να µοντελοποιύν ένα σύστηµα χρησιµοποιώντας γραφικά και να παρέχουν την ανάλυση των ποιοτικών και των ποσοτικών ιδιοτήτων των συστηµάτων. Συµπερασµατικά, η σηµαντικότερη διαφορά µεταξύ PNs και των άλλων µεθόδων µοντελοποίησης και ανάλυσης είναι το γεγονός ότι χειρίζονται µε παρόµοιο τρόπο τα ενεργά (tansitions) και τα παθητικά (places) υστατικά συστηµάτων και, προ πάντων, παρέχουν τη δυνατότητα προοδευτικής µοντελοποίησης, από την περιγραφή των στατικών τµηµάτων των συστηµάτων στην αναπαράσταση της δυναµικής συµπεριφοράς, σε υψηλό επίπεδο και µε οποιοδήποτε βαθµό αφαίρεσης. Το σηµαντικότερο µειονέκτηµα PNs είναι ότι οδηγούν συνήθως σε µεγάλα µοντέλα. Έτσι τα PNs χαρακτηρίζονται από δυσκολία στην διαχείριση και στην εύκολη ανάγνωση, ακόµη και για την περιγραφή συστηµάτων µέσης πολυπλοκότητας. Επίσης, περιορισµοί προκύπτουν επειδή το µοντέλο PN µοντελοποιεί µόνο τη ροή του ελέγχου ή τη ροή της πληροφορίας του συστήµατος και δεν µπορεί να µοντελοποιήσει άµεσα τη ροή των πόρων, των µερών και των δεδοµένων του συστήµατος. Τελικά, οι αδυναµίες των PNs µπορούν να συνοψιστούν ως εξής: Ένας τύπος θέσεων χρησιµοποιείται για να αντιπροσωπεύσει τις καταστάσεις του συστήµατος και έτσι οι πραγµατικές διαδικασίες συστηµάτων δεν µοντελοποιούνται επαρκώς. Ένας τύπος κουπονιών χρησιµοποιείται για να αντιπροσωπεύσει είτε ένα κοµµάτι των πληροφοριών είτε τη ροή του ελέγχου. Για τον λόγο αυτό, δεν υπάρχει ταυτόχρονη αναπαράσταση της ροής των µερών, των συµπεριφορικών στοιχείων, των πληροφοριών και του ελέγχου του συστήµατος. εν υπάρχει ακριβές πρότυπο της ροής των κουπονιών-σηµείων, µέσω των µεταβάσεων, από τις θέσεις εισόδου στις θέσεις εξόδου. Αυτό οδηγεί σε µια ασάφεια για τη δοµή και τη λειτουργία του συστήµατος που µοντελοποιείται. 34

36 Τυπικός Ορισµός του PN µοντέλου Τυπικά, ένα µοντέλο PN είναι µια 5-άδα N=(P, T, F, W, M 0 ) όπου: P = {p1,...,pm} είναι ένα πεπερασµένο σύνολο θέσεων, T = {t1,...,tn} είναι ένα πεπερασµένο σύνολο µεταβάσεων, F (P T) (T P) είναι η σχέση ροής, ένα σύνολο που αντιπροσωπεύει τα τόξα µεταξύ των θέσεων και των µεταβάσεων, W : F {1,2,3,...} είναι µια συνάρτηση βάρους (weight function) M0 : P {1,2,3,...} είναι ο αρχικός χαρακτηρισµός (initial marking), και P T and P T =. Τα τόξα αντιπροσωπεύουν τη σχέση ροής F και καθορίζουν τα pre-conditions και τα postconditions για τις θέσεις και τις µεταβάσεις. Για µια θέση p P and t T, το p καλείται θέση εισόδου του t αν-και-µόνο-αν (p,t) F (δηλ. υπάρχει ένα τόξο από το p στο t), και το p καλείται θέση εξόδου του t (t,p) F (δηλ. υπάρχει ένα τόξο από το t στο p). Το σύνολο θέσεων εισόδου µιας µετάβασης t ονοµάζεται preset του t, και δείχνεται από το: t = {p (p,t) F }. Το σύνολο θέσεων εξόδου µιας µετάβασης τ ονοµάζεται postset του t, και δείχνεται από το: t = {p (t,p) F }. Οι µεταβάσεις εισόδου και εξόδου κάθε θέσης p (δηλαδή τα preset ( p) and postset (p )) καθορίζονται παρόµοια. Στην γραφική αναπαράσταση, τα τόξα µπορούν να ονοµαστούν µε τα βάρη (θετικοί ακέραιοι αριθµοί), όπου ένα k-weighted arc µπορεί να ερµηνευθεί ως σύνολο k παράλληλων τόξων. Το βάρος τόξων "1" µπορεί να παραλειφθεί. Ένα PN καλείται κοινό ή συνηθισµένο (ordinary) όταν όλα τα βάρη των τόξων του είναι "1". Η τιµή της συνάρτησης βάρους (αποκαλούµενης και συνάρτηση επίδρασης) W [ Ρ Τ Ζ είναι το βάρος των τόξων. Συγκεκριµένα, εάν µια θέση p ανήκει στο pre-set (post-set) µιας µετάβασης t, τότε W(p,t) < 0 (W(t,p) > 0). Ένα marking M ενός PN µοντέλου PN = (P, T, F, W, M0) είναι µια συνάρτηση M0 : P {0,1,...} {ω} έτσι ώστε κάθε θέση pi P απεικονίζεται είτε σε έναν µη αρνητικό ακέραιο αριθµό είτε στο σύµβολο ω. Ένας χαρακτηρισµός γράφεται ως m-vector (m1,m2,...,mm) στο οποίο mi = M(pi). Συγκεκριµένα, ένα marking M ενός µοντέλου PN είναι µια κατανοµή των κουπονιών (που αναπαρίστανται ως µαύρα σηµεία) πάνω στις θέσεις. Κάθε ακέραιος αριθµός σε ένα marking δείχνει τον αριθµό κουπονιών που ενυπάρχουν στην αντίστοιχη θέση. Το σύµβολο ω αντιπροσωπεύει έναν αυθαίρετα µεγάλο αριθµό κουπονιών και µπορεί να εµφανίζεται σε µοντέλα που αναπαριστούν άπειρο αριθµό καταστάσεων. Μια PN δοµή N=(P,T,F,W) χωρίς οποιοδήποτε συγκεκριµένο αρχικό marking συµβολίζεται µε το N, ενώ ένα PN µε ένα δεδοµένο αρχικό marking συµβολίζεται ως (N, M0). Η έννοια του marking χρησιµοποιείται για να αναπαραστήσει τη δυναµική κατάσταση ενός συστήµατος. Ένα µοντέλο PN γίνεται δυναµικό, αφούτα κουπόνια "ταξιδεύουν" µεταξύ των θέσεων και µέσω των µεταβάσεων. Το ταξίδι πραγµατοποιείται µέσω µιας "εκπυρσοκρότησης" (firing) που είναι ο µετασχηµατισµός που αλλάζει το marking του δικτύου. 35

37 Μια µετάβαση τ λέγεται ότι είναι firable (δηλ. επιτρέπεται να "εκππυρσοκροτήσει") σε ένα marking M αν-και-µόνο-αν κάθε θέση p στο t (preset της t) είναι µαρκαρισµένη µε τουλάχιστον τα σηµεία W(p,t), όπου το W(p,t) είναι το βάρος του τόξου από το p στο t, δηλ.: p t : M(p) W(p,t) rule (1). Εάν το t είναι firable στο marking M, τότε µπορεί να πυροδοτήσει και να παραγάγει ένα άλλο marking M' που λαµβάνεται µε την αφαίρεση των σηµείων W(p,t) από κάθε θέση στο t και την προσθήκη των σηµείων W(p,t) σε κάθε θέση στο t. Το νέο marking M' είναι το m-διανυσµατικό των ακέραιων αριθµών που εµφανίζουν τους αριθµούς των κουπονιών σε κάθε θέση µετά την πυροδότηση. Η ανωτέρω σχέση επεκτείνεται από το: Ï t M M και M M' αν-και-µόνο-αν υπάρχει M'' έτσι ώστε t M M'' και M'' M', Για όλα τα M, M'', a T*, t T και λ = a (α) (β) Σχήµα 6: Μια απεικόνιση του κανόνα πυροδότησης της µετάβασης (α): Το marking πριν την πυροδότηση της µετάβασης. (β) Το marking µετά την πυροδότηση της µετάβασης, η οποία τώρα είναι disabled. Το παράδειγµα στο Σχήµα 6 επεξηγεί τον ανωτέρω κανόνα πυροδότησης. Μια µετάβαση (θέση) χωρίς καµµία θέση (µετάβαση) εισόδου καλείται µετάβαση-source (θέση-source), ενώ µία χωρίς καµµία θέση (µετάβαση) εξόδου καλείται µετάβαση-sink (θέση-sink). Μια µετάβαση-source είναι πάντα enabled και µια µετάβαση-sink πάντα καταναλώνει, αλλά δεν παράγει, κουπόνια. 36

38 Συνήθως, σε ένα µοντέλο PN περιλαµβάνονται ανασταλτικά τόξα (inhibitor arcs). Τα ανασταλτικά τόξα ορίζονται µόνο από τις θέσεις στις µεταβάσεις. Ένα ανασταλτικό τόξο από µια θέση p σε µια µετάβαση t τροποποιεί τον κανόνα πυροδότησης ως εξής: η µετάβαση t είναι disabled εάν η θέση p έχει w ή περισσότερα κουπόνια, όπου w είναι το βάρος του inhibitor arc. Τα ανασταλτικά τόξα δεν αλλάζουν το marking µιας θέσης όταν πυροδοτείται η σχετική µετάβαση. Επιπλέον, η κλάση των PNs µε ανασταλτικά τόξα αναφέρεται ως Εκτεταµένα-PNs. Τα ανασταλτικά τόξα προσθέτουν τη δυνατότητα "zero testing" (δηλ., απουσία κουπονιών σε µια θέση) και αυξάνουν την ισχύ των PNs ως µοντέλο προδιαγραφών, στο επίπεδο των µηχανών Turing. Για όλα τα προαναφερθέντα, έχει γίνει η υπόθεση ότι κάθε θέση µπορεί να προσαρµόσει έναν απεριόριστο αριθµό κουπονιών. Ένα τέτοιο PN καλείται ίκτυο-άπειρης- Χωρητικότητας (infinite capacity net). Στα δίκτυα-πεπερασµένος-χωρητικότητας, για µια µετάβαση τ που είναι enabled, υπάρχει ένας πρόσθετος όρος ότι ο αριθµός κουπονιών σε κάθε θέση p στο t δεν µπορεί να υπερβεί την χωρητικότηά του K(p), δηλ. τον µέγιστο αριθµό σηµείων που το p µπορεί να κρατήσει οποιαδήποτε στιγµή, µετά την πυροδότηση του t, δηλ.: p P : W(p,t) M(p) K(p) - W(t,p) ---Κανόνας(2). Σε ένα ίκτυο πεπερασµένης χωρητικότητας (finite-capacity-pn) µπορεί να εµφανιστεί µια κατάσταση επαφών. Μια επαφή υπάρχει, κάτω από ένα marking M, σε µια µετάβαση t εάν οι θέσεις του pre-set της t περιέχουν τουλάχιστον τόσα κουπόνια όσα και βάρος του τόξου τους, αλλά υπάρχει µια θέση p στο post-set της t για την οποία ο αριθµός κουπονιών στην p, επαυξηµένος κατά το βάρος του τόξου που συνδέει την t µε την p, είναι µεγαλύτερος από την χωρητικότητα της p. Με άλλα λόγια, µια επαφή υπάρχει εάν η t δεν µπορεί να πυροδοτηθεί λόγω της ανεπαρκούς χωρητικότητας µιας θέσης εξόδου της. Ας υποθέσουµε ότι (N, M 0 είναι ένα δίκτυο πεπερασµένης χωρητικότητας. Τότε, οι επαφές µπορούν να αποφευχθούν µέσω του ακόλουθου αλγορίθµου µετασχηµατισµού συµπληρωµατικώνθέσεων: Βήµα 1: Πρόσθεσε µια θέση p' για κάθε θέση p, όπου το αρχικό marking της p' δίνεται από το M 0 '(p') = K(p) - M 0 (p). Βήµα 2: Μεταξύ κάθε µετάβασης t και της θέσης p', σύρε νέα τόξα (t,p') or (p',t) όπου W(t,p') = W(p,t) and W(p',t)=W(t,p). Το δίκτυο (N', M 0 ') που λαµβάνεται από το (N, M 0 ) µε βάση τον παραπάνω µετασχηµατισµό καλείται συµπληρωµατικό δίκτυο. Επιπλέον, υποτίθεται ότι το (N, M 0 ) είναι καθαρό: δεν έχει κανέναν self loop. Ένας self loop είναι ζευγάρι της θέσης p και της µετάβασης t, όπου η p είναι και θέση εισόδου και θέση εξόδου της t, δηλ. p t and p t. Αυτό δεν είναι πραγµατικός περιορισµός, επειδή ένας self-loop µπορεί να "καθαριστεί" σε έναν βρόχο µε την εισαγωγή ενός πλαστού ζευγαριού µετάβασης και θέσης. Η κατασκευή του συµπληρωµατικού δικτύου εµφανίζεται στο Σχήµα 7. 37

39 2 K=5 p 1 3 (α) 2 K=5 p K=5 p (β) Σχήµα 7: Κατασκευή του συµπληρωµατικού δικτύου Ο κανόνας (1) χωρίς τον περιορισµό χωρητικότητας καλείται αδύνατος κανόνας µετάβασης, ενώ ο κανόνας (2) µε τον περιορισµό χωρητικότητας καλείται ακριβής κανόνας µετάβασης. Μπορεί να αποδειχθεί ότι είναι δυνατόν να εφαρµόσω είτε τον ακριβή κανόνα µετάβασης σε ένα PN πεπερασµένης χωρητικότητας (N, M 0 ) είτε, ισοδύναµα, τον αδύνατο κανόνα µετάβασης στο συµπληρωµατικό δίκτυο (N', M 0 '), κατά συνέπεια και τα δύο δίκτυα είναι ισοδύναµα (έχουν το ίδιο σύνολο από πιθανές ακολουθίες πυροδότησης). Εν περιλήψει, η πυροδότηση ενός PN έχει τρία σηµαντικά χαρακτηριστικά γνωρίσµατα: 1. Είναι εθελοντική: Μια µετάβαση που είναι firable (enabled) δεν θα "εκπυρσοκροτήσει" υποχρεωτικά, όµως µπορεί να "εκπυρσοκροτήσει" µόνο εάν είναι firable. 2. Είναι στιγµιαία: Μια πυροδότηση ή εκπυρσοκρότηση παίρνει µηδενικό χρόνο. 3. Είναι πλήρης: Εάν µια µετάβαση "εκπυρσοκροτεί", δεν εµφανίζεται περίπτωση µερικής εκπυρσοκρότησης κατά την οποία ούτε αφαιρείται ούτε προστίθεται κανένα κουπόνι. Μια εκτέλεση ενός PN αποτελείται από µια ακολουθία markings, αρχίζοντας από το αρχικό marking M 0 και τελειώνοντας σε κάποιο τελικό marking M f. Κατόπιν, το M f λέγεται ότι είναι εφικτό από το M 0. Γενικά, ένα marking M' λέγεται ότι είναι εφικτό από ένα marking M, από µια πεπερασµένη ακολουθία a T*, αν M M'. Το σύνολο όλων των πιθανών markings εφικτών από M 0 σε ένα δίκτυο N, M 0 ) δείχνεται από R(N, M 0 ) ή απλά το ρ R(M 0 ). 38

40 Το σύνολο όλων των πιθανών ακολουθιών πυροδότησης από M 0 σε ένα δίκτυο (N, M 0 ) δείχνεται από L(N, M 0 ) ή απλά L(M 0 ). Ένα PN λέγεται ότι είναι k-οριακό ή απλά οριακό εάν ο αριθµός κουπονιών σε κάθε θέση δεν υπερβαίνει έναν πεπερασµένο αριθµό k για οποιοδήποτε marking εφικτό από το αρχικό marking M 0, δηλ. M(p) k για κάθε θέση p και κάθε marking M R(M 0 ) Petri Nets Χαµηλού επιπέδου Το µοντέλο που έχει περιγραφεί µέχρι τώρα είναι γνωστό στην βιβλιογραφία ως δίκτυο θέσης/µετάβασης (Place/Ttransition net ή PT-net). Μια ειδική υποκατηγορία των PT-nets είναι τα δίκτυα συνθήκης/γεγονός (Condition/Event Nets ή CE-nets), οι θέσεις των οποίων δεν µπορούν να φέρουν περισσότερα από ένα κουπόνια (χωρητικότητα "1" για κάθε θέση) και έχουν βάρος ίσο µε "1" σε κάθε βέλος. Στα CE-Nets οι θέσεις και οι µεταβάσεις αντιπροσωπεύουν τις συνθήκες και τα γεγονότα αντίστοιχα. Ένα γεγονός σε ένα CE-Net µπορεί να εµφανιστεί εάν οι όλες oi προϋποθέσεις (preconditions) εκπληρώνονται και όλες οι post-conditions του είναι ανεκπλήρωτες. Τέτοια γεγονότα θεωρούνται ενεργοποιηµένα (επιτρεπτά). Εάν ένα γεγονός είναι ενεργοποιηµένο και εµφανίζεται, οι pre-conditions του γίνονται ανεκπλήρωτες και οι post-conditions του γίνονται εκπληρωµένες. Τα PT-nets παρέχουν συµπαγέστερα και ευκολότερα να κατανοηθούν µοντέλα. Αντίθετα, τα CE-nets παρέχουν τεράστια µοντέλα, αλλά αντιπροσωπεύουν αποτελεσµατικά τα επιµέρους, διακριτά τµήµατα των συστηµάτων (ενεργητικά ή παθητικά). Με άλλα λόγια τα δύο µοντέλα έχουν την ίδια ισχύ µοντελοποίησης και η µόνη διαφορά βρίσκεται στην αποδοτικότητα και στην ευκολία της µοντελοποίησης. Οι υποκατηγορίες των PNs καθορίζονται µε την εισαγωγή των περιορισµών στο γενικό µοντέλο. Η διάκριση του εάν ένα δίκτυο ανήκει σε µια ιδιαίτερη υποκατηγορία είναι χρήσιµη επειδή µερικές ιδιότητες, συγκεκριµένες για κάθε υποκατηγορία, µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να βοηθήσουν στην ανάλυση του δικτύου. Σε αυτό το τµήµα θα δοθεί ο καθορισµός πέντε υποκατηγοριών του συνηθισµένου PN. Αυτές οι υποκατηγορίες λέγονται και µοντέλα PNs χαµηλού επιπέδου (low level) Μηχανές Καταστάσεων (State Machines) Μια µηχανή καταστάσεων (SM) είναι ένα συνηθισµένο PN όπου κάθε µετάβαση t έχει ακριβώς µια θέση εισόδου και ακριβώς µια θέση εξόδου, δηλ. t = t = 1 for all t T. Σε περίπτωση που µια θέση ενός SM έχει δύο (ή περισσότεροι) µεταβάσεις εξόδου, αναφέρεται ως σύγκρουση, απόφαση ή επιλογή (conflict, decision, choice) ανάλογα µε την εφαρµογή. Τα SMs επιτρέπουν την αναπαράσταση των αποφάσεων, αλλά όχι και το συγχρονισµό παράλληλων δραστηριοτήτων. 39

41 Σηµειωµένα Γραφήµατα (Marked Graphs) Ένα σηµειωµένο γράφηµα (MG) είναι ένα συνηθισµένο PN όπου κάθε θέση π έχει ακριβώς µια µετάβαση εισόδου και ακριβώς µια µετάβαση εξόδου, δηλ.. p = p = 1 για όλα τα p P. Τα MGs επιτρέπουν την ανταράσταση του συναγωνισµού αλλά δεν αναπαριστούν τις αποφάσεις. Κατά συνέπεια είναι κατάλληλοι για τη µοντελοποίηση decision-free (ή ντετερµινιστικών) ταυτόχρονων συστηµάτων ίκτυα Ελεύθερης Επιλογής (Free-Choice Nets) Ένα ίκτυο ελεύθερης επιλογής FC είναι ένα συνηθισµένο PN όπου κάθε τόξο από µια θέση είναι είτε ένα µοναδικό εξερχόµενο είτε µοναδικό εισερχόµενο τόξο σε µια µετάβαση, δηλ., για όλες τις p P, p 1 ή ( p ) = p, ισοδύναµα, για όλες τις p 1,p 2 P, p 1 p 2 υπονοεί ότι p 1 = p 2 = 1. Όπως αναφέρεται ανωτέρω, δύο µεταβάσεις t1 και t2 είναι σε σύγκρουση εάν καθεµία µπορεί να πυροδοτήσει αλλά όχι και οι δύο, και είναι ταυτόχρονες εάν και οι δύο µπορούν να πυροδοτήσουν µε οποιαδήποτε σειρά χωρίς συγκρούσεις. Μια περίπτωση όπου και η σύγκρουση και ο ταυτοχρονισµός πραγµατοποιούνται καλείται σύγχυση (confusion). Τα FCs δεν επιτρέπουν να εµφανιστούν καταστάσεις σύγχυσης Εκτεταµένα ίκτυα Ελεύθερης Επιλογής (Extended Free-Choice Nets) Ένα εκτεταµένο δίκτυο ελεύθερης επιλογής (EFC) είναι ένα συνηθισµένο PN έτσι ώστε p 1 p 2 imply that p 1 = p 2 for all p 1,p 2 P. Τα FCs και τα EFCs έχουν τις κοινές συµπεριφορικές ιδιότητες και ένα EFC µπορεί να µετασχηµατιστεί σε ισοδύναµο FC ίκτυα Ασυµµετρικής Επιλογής Ένα ίκτυο Ασυµµετρικής Επιλογής Μια (AC) (επίσης γνωστό ως απλό δίκτυο) είναι ένα συνηθισµένο PN όπου p 1 p 2 ή p 2 p 1 για όλα τα p 1,p 2 P Περίληψη Για να συνοψίσουµε, τα SMs δεν επιτρέπουν κανέναν συγχρονισµό, τα MGs δεν αναγνωρίζουν καµία σύγκρουση, τα FCs απαγορεύουν τη σύγχυση, και τα ACs επιτρέπουν την ασσυµετρική αλλά απαγορεύουν τη συµµετρική σύγχυση. Το διάγραµµα Venn για τις ανωτέρω υποκατηγορίες εµφανίζεται στο Σχήµα 8. Κατά τη µοντελοποίηση ενός συστήµατος µε τη χρησιµοποίηση σνθηκών και γεγονότων, οι θέσεις αντιπροσωπεύουν τις συνθήκες, και οι µεταβάσεις αντιπροσωπεύουν τα γεγονότα. Το pre-set και το postset µιας µετάβασης αναπαριστούν τις pre-conditions και τις postconditions του γεγονότος, αντίστοιχα. Η παρουσία (απουσία) ενός κουπονιού σε µια θέση ερµηνεύεται ως επαλήθευση (διάψευση) της συνθήκης που σχετίζεται µε τη θέση. Κατά µια άλλη ερµηνεία, τα k- κουπόνια σε µια θέση δείχνουν ότι τα k αντικείµενα πόρων, δεδοµένων ή στοιχείων συµπεριφοράς είναι διαθέσιµα. 40

42 FCs PNs ACs EFCs SMs MGs Σχήµα 8: Υποκατηγορίες PNs και του διαγράµµατος Venn τους Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται µερικές χαρακτηριστικές ερµηνείες των µεταβάσεων και των θέσεων. Θέσεις εισόδου Μεταβάσεις Θέσεις εξόδου προϋποθέσεις γεγονότα αποτελέσµατα εδοµένα Βήµα υπολογισµού εδοµένα εξόδου εισόδου Σήµατα εισόδου Επεξεργαστής Σήµατα εξόδου σηµάτων Πόροι που απαιτούνται Στοιχειώδης ενέργειαεργασία Πόροι που απελευθερώνονται συνθήκες Πρόταση λογικής συµπέρασµα(τα) Προσωρινή µνήµη Επεξεργαστής Προσωρινή µνήµη Πίνακας 1: Ερµηνεία µεταβάσεων-θέσεων Η δυναµική συµπεριφορά των PNs και εποµένως η συµπεριφορά των διαµορφωµένων συστηµάτων µπορεί να αναλυθεί χρησιµοποιώντας τρεις µεθόδους που καλούνται και τεχνικές ανάλυσης: η µέθοδος κάλυψης δέντρων (coverability ή reachability tree) η προσέγγιση µήτρας-εξίσωσης (matrix-equation), και οι τεχνικές µείωσης ή αποσύνθεσης και µέθοδοι σύνθεσης. 41

43 Ιδιότητες ύο τύποι ιδιοτήτων µπορούν να µελετηθούν µε ένα µοντέλο PN: εκείνες που εξαρτώνται από το αρχικό marking, και εκείνες που είναι ανεξάρτητες από το αρχικό marking. Οι πρώτες αναφέρονται ως marking-depented ή συµπεριφορικές ιδιότητες, ενώ οι τελευταίες καλούνται marking-indepented ή δοµικές ιδιότητες Συµπεριφορικές ιδιότητες Κάθε µια από τις ακόλουθες ιδιότητες µπορεί να αποφασιστεί µε την εφαρµογή της µεθόδου δέντρων ή µε την εξέταση της δοµής του δικτύου Reachability Το reachability πρόβληµα για PNs είναι το πρόβληµα "άν ένα δεδοµένο marking Mf ανήκει στο σύνολο όλων των πιθανών εφικτών markings, από το αρχικό marking M0" σε ένα δίκτυο (Ν, Μ0) Boundedness Αυτή η ιδιότητα αφορά την απόφαση "εάν ένα PN είναι Κ- οριακό. Ειδικά, ένα PN λέγεται ότι είναι ασφαλές εάν είναι 1-οριακό Liveness Η ιδιότητα Liveness συσχετίζεται µε την έννοια της αποφυγής των αδιεξόδων η οποία συναντιέται συνήθως σε πολλές εφαρµογές της πληροφορικής (π.χ. λειτουργικά συστήµατα). Ένα PN λέγεται ότι είναι ζωντανό άν, ανεξαρτήτως του ποιο marking έχει επιτευχθεί από το αρχικό marking, είναι δυνατό να πυροδοτήσει τελικά οποιαδήποτε µετάβαση του δικτύου προοδευτικά µέσω κάποιας περαιτέρω ακολουθίας πυροδοτήσεων Αντιστρεψιµότητα και Βασική Κατάσταση Ένα PN (Ν, Μ0) λέγεται ότι είναι αντιστρέψιµο εάν, για κάθε marking Μ στο R(M0), το M0 είναι εφικτό από το M. Με άλλα λόγια σε ένα αντιστρέψιµο δίκτυο υπάρχει πάντα τρόπος να επιστρέψει στο αρχικό marking. Ένα marking M είναι βασική κατάσταση εάν, για κάθε χαρακτηρισµό Μ R(Μ0), το M' είναι εφικτό από το M Coverability Ένα marking Μ λέγεται ότι είναι coverable εάν υπάρχει ένα marking Μ' R(Μ0) έτσι ώστε M'(p) M(p). Το πρόβληµα coverability προκύπτει στην περίπτωση όπου πρέπει να ελεγχθεί η παραβίαση του αµοιβαίου αποκλεισµού των διαδικασιών, κατά τη διάρκεια της µοντελοποίησης των δικτυωµένων λειτουργικών συστηµάτων Εµµονή Ένα PN (Ν, Μ0) λέγεται ότι είναι επίµονο εάν, για οποιεσδήποτε δύο µεταβάσεις, η πυροδότηση της µιας δεν θα θέσει εκτός λειτουργίας την άλλη. Η ιδιότητα αυτή είναι χρήσιµη στον τοµέα των parallel program schemata και συσχετίζεται µε τα χωρίς συγκρούσεις δίχτυα. 42

44 ικαιοσύνη ύο µεταβάσεις θεωρούνται ότι έχουν µια σχέση δικαιοσύνης (ή είναι B-fair) εάν ο µέγιστος αριθµός των περιπτώσεων ποου η µία µπορεί να πυροδοτηθεί ενώ άλλη δεν πυροδοτείται είναι οριακός. Ένα PN (Ν, Μ0) λέγεται ότι είναι ένα B-fair δίκτυο εάν κάθε ζευγάρι των µεταβάσεων στο δίκτυo είναι σε µια B-fair σχέση Περίληψη Γενικά, εάν ένα PN (Ν, Μ0) είναι ζωντανό και ασφαλές δεν υπάρχοουν source-θέσεις ή sink-θέσεις ούτε source-µεταβάσεις και sink-µεταβάσεις. Όσον αφορά το liveness και safeness στα FC και AC δίκτυα, έχουν εισαχθεί οι όροι σιφώνιο (siphon) και παγίδα (trap). Ένα µη-κενό υποσύνολο S των θέσεων σε ένα PN καλείται σιφώνιο (επίσης γνωστό ως αδιέξοδο) εάν κάθε µετάβαση που έχει µια θέση εξόδου στο S, έχει επίσης µια θέση εισόδου στο S. Ένα σιφώνιο έχει την ιδιότητα ότι εάν είναι token-free σε κάποιο marking, παραµένει token-free και στα διαδοχικά markings. Ένα µη-κενό υποσύνολο των θέσεων Q καλείται παγίδα εάν κάθε µετάβαση που έχει µια θέση εισόδου στο Q, έχει επίσης µια θέση εξόδου στο Q. Μια παγίδα έχει την ιδιότητα ότι εάν έχει τουλάχιστον ένα κουπόνι (δηλ. είναι marked) παραµένει marked σε κάθε διαδοχικό marking. Ένα FC δίκτυο είναι ζωντανό αν-και-µόνο-αν κάθε σιφώνιο περιέχει µια marked παγίδα. Ένα AC δίκττυο είναι ζωντανό εάν (αλλά όχι µόνο εάν) κάθε σιφώνιο περιέχει ένα marked γράφηµα οµικές ιδιότητες οµικό Liveness Ένα PN καλείται δοµικά ζωντανό εάν υπάρχει ένα ζωντανό αρχικό marking. Κάθε MG είναι δοµικά ζωντανό. Ένα FC net είναι δοµικά ζωντανό αν-και-µόνο-αν κάθε σιφώνιο έχει µια παγίδα. Εντούτοις, δεν υπάρχει κανένας πλήρης χαρακτηρισµός του δοµικού liveness για ένα γενικό PN Controlability Ένα PN καλείται απολύτως ελέγξιµο εάν οποιοδήποτε marking είναι εφικτό από οποιοδήποτε άλλο marking. Εάν ένα PN µε m θέσεις είναι απολύτως ελέγξιµο, ισχύει: Rank A = m. Η ανωτέρω σχέση είναι απαραίτητος όρος για την ελεγξιµότητα PN. Στην περίπτωση MGs αυτή η σχέση είναι επίσης και ικανοποιητικός όρος. Συγκεκριµένα, ένα συνδεδεµένο MG είναι απολύτως ελέγξιµο αν-και-µόνο-αν Rank A = m ή το Ν είναι δέντρο οµικό Boundedness Ένα PN λέγεται ότι είναι δοµικά οριακό εάν είναι οριακό για οποιοδήποτε πεπερασµένο αρχικό marking Μ 0. Ένα PN Ν είναι δοµικά bounded αν-και-µόνο-αν υπάρχει ένα m-vector y των θετικών ακέραιων αριθµών έτσι ώστε Ay 0. Αφ' ετέρου, µια θέση p σε ένα PN λέγεται ότι είναι δοµικά απεριόριστη εάν υπάρχει ένα marking Μ 0 και µια ακολουθία s 43

45 πυροδοτήσεων από το Μ 0, έτσι ώστε το p είναι απεριόριστο. Επιπλέον, ένα PN που είναι δοµικά ζωντανό και δοµικά οριακό, είναι απαραιτήτως ισχυρά συνδεδεµένο Repetitiveness Ένα PN λέγεται ότι είναι (µερικώς) επαναλαµβανόµενο εάν υπάρχει ένα marking Μ 0 και µια ακολουθία πυροδοτήσεων s από το Μ 0 έτσι ώστε κάθε µετάβαση συµβαίνει απείρως συχνά στο s. Ένα PN Ν είναι (µερικώς) επαναλαµβανόµενο αν-και-µόνο-αν υπάρχει ένα n-vector y των θετικών (µη αρνητικών) ακέραιων αριθµών έτσι ώστε A T y 0, Συνέπεια Ένα PN λέγεται ότι είναι (µερικώς) συνεπές εάν υπάρχει ένα marking Μ 0 και µια ακολουθία πυροδοτήσεων s από το Μ 0 πίσω στο Μ 0 έτσι ώστε κάθε (µερικές) µετάβαση εµφανίζεται τουλάχιστον µιά φορά στο s. Ένα PN Ν είναι (µερικώς) συνεπές αν-και-µόνο-αν υπάρχει ένα n-vector y των θετικών (µη αρνητικών) ακέραιων αριθµών έτσι ώστε A T y = οµική Β-δικαιοσύνη Η συµπεριφορική ιδιότητα B-fairness που παρουσιάστηκε πιο πάνω µπορεί να επεκταθεί στη δοµική Β-δικαισύνη. ύο µεταβάσεις θεωρούνται ότι είναι σε σχέση δοµικής Β- δικαιοσύνης εάν είναι σε µια σχέση Β-δικαιοσύνης για οποιοδήποτε αρχικό marking. Ένα PN λέγεται ότι είναι δοµικά B- ίκαιο εάν είναι B- ίκαιο για οποιοδήποτε αρχικό marking. Κάθε ισχυρά-συνδεµένο marked γράφηµα είναι δοµικά B- ίκαιο Petri Nets Υψηλού Επιπέδου Ο σηµαντικότερος περιορισµός των κλασσικών µοντέλων PN που περιγράφηκαν πιο πάνω είναι ότι συνήθως απαιτούνται µεγάλες γραφικές παραστάσεις για να περιγράψουν τα συστήµατα µιας µέσης πολυπλοκότητας. Επίσης, έχει αποδειχθεί ότι PNs µε µηδενικές δυνατότητες για testing έχουν την ισχύ προδιαγραφών των µηχανών Turing, αλλά δυστυχώς έχουν χαµηλή ισχύ ως προς την ανάλυση. Ενώ η εκφραστική δύναµη είναι χαµηλού θεωρητικού ενδιαφέροντος, είναι πολύ σηµαντική στις πρακτικές εφαρµογές. Η πρόσφατη έρευνα στη θεωρία PNs και την τεχνολογία λογισµικού προτείνει ολοκληρωµένες προσεγγίσεις για να αυξήσει την ισχύ της µοντελοποίησης µε PNs. Εποµένως, προκειµένου να µειωθεί το µέγεθος και για να αυξηθεί η εκφραστική δύναµη ενός καθαρού µοντέλου, γενικότερα µοντέλα έχουν προταθεί. Αυτά είναι γνωστά ως υψηλού επιπέδου petri δίκτυα. Πρίν επιλεγεί ένα µοντέλο υψηλού επιπέδου PN, πρέπει να γίνει µια απλή αλλά σηµαντική εκτίµηση: όσο ισχυρότερο το µοντέλο, τόσο δυσκολότερο υπολογιστικά γίνεται. Εποµένως, εάν ο βασικός σκοπός είναι η ανάλυση, τότε το κλασικό PT-net είναι το καταλληλότερο. Αντίθετα, για εφαρµογές βασισµένες στην προσοµοίωση, όπου ο βασικός στόχος είναι "ανάλυση από σύνθεση", προκειµένου να µειωθεί η πολυπλοκότητα του συστήµατος, η επιλογή ενός υψηλού επιπέδου PN µπορεί να είναι συµφέρουσα. Επιπλέον, αυτά τα µοντέλα είναι εξαιρετικά κατάλληλα στην µοντελοποίηση και την ανάλυση των προγραµµάτων λογικής (π.χ. στη µετάβαση από την προτασιακή λογική στην first-order predicate λογική). Τα σηµαντικότερα PNs υψηλού επιπέδου παρουσιάζονται στη συνέχεια. 44

46 Στα Predicate/Transition-nets (PrT-nets) επιτρέπονται µεµονωµένα (διακριτά) κουπόνιασηµεία (οι θέσεις µπορούν να αποθηκεύουν πολλαπλούς τύπους κουπονιών) και τα κατηγορήµατα µπορούν να συνδεθούν µε µερικές ή µε όλες τις µεταβάσεις. Επιπλέον, τα PrT- δίχτυα επιτρέπουν επιγραφές σε κάθε τόξο. PNs µε Transition Enabling Functions (PN e ) επιτρέπουν την συσχέτιση ενός κατηγορήµατος µε κάθε µετάβαση κατά τρόπο παρόµοιο µε τα PrT- δίκτυα. Εντούτοις, τα PrT-δίκτυα µπορούν να προσδιορίσουν ένα διαφορετικό κατηγόρηµα για κάθε τύπο κουπονιού. Σε PrT-δίκτυα οι επιγραφές συνδέονται µε κάθε τόξο, τα κουπόνια έχουν τύπους και κατά τη διάρκεια µιας πυροδότησης µετάβασης τα κουπόνια µετασχηµατίζονται σύµφωνα µε τις επιγραφές των τόξων. Επιπλέον, πολλαπλοί τύποι κουπονιών µπορούν να αποθηκευτούν στις θέσεις. Αυτές οι επεκτάσεις παρέχουν απλουστευµένα µοντέλα για τα σχετικά σύνθετα δίκτυα. Αντιθέτως, επειδή τα κουπόνια έχουν τύπους, διάφορες συνθήκες µπορούν να αντιπροσωπεύονται µέσα σε µια θέση, και αυτό οδηγεί σε δίκτυα που µπορεί να µην αντιστοιχούν οπτικά στο αρχικό µοντέλο. Ολόκληρη η δοµή του συστήµατος ενσωµατώνεται στα κατηγορήµατα των µεταβάσεων και στις επιγραφές. Το PN ε προδιαγράφει τη δοµή συστηµάτων µε τη χρήση κλασσικού PN και τη "στρατηγική ελέγχου" (control strategy) του συστήµατος χρησιµοποιώντας τις Transition Enabling Functions (TEFs). Τα Αριθµητικά PNs (Numerical PNs-NPNs) προσπαθούν να µεγιστοποιήσουν την ευκολία της µοντελοποίησης και να παρέχουν συµπαγείς προδιαγραφές µε τη γενίκευση των κουπονιών σε οµάδες (tuples) µεταβλητών, µε την προσθήκη συνόλων µεταβλητών δεδοµένων και µε τις επιγραφές, ώστε να εκφράσουν πιό σύνθετους κανόνες πυροδότησης. Τα NPNs περιλαµβάνουν τα PrT-δίκτυα ως υποκατηγορία και έχουν την ισχύ των µηχανών Turing στην µοντελοποίηση. Τα Χρωµατισµένα-PNs (Coloured PNs-CPNs) και τα PrT-δίκτυα είναι παρόµοια: είναι ισοδύναµα υπό την έννοια ότι οποιαδήποτε έννοια, αλγόριθµος ή θεώρηµα που εφαρµόζεται στο ένα µοντέλο, εφαρµόζεται και στο άλλο επίσης. Τα πρώτα φαίνονται καταλληλότερα για την περιγραφή συστηµάτων και είναι εφοδιασµένα µε µια πιο διαφανή µέθοδο ανάλυσης. Τα CPNs επεκτείνουν το κλασσικό µοντέλο συσχετίζοντας χρώµατα µε κουπόνια, θέσεις, ή µεταβάσεις ενός δικτύου. Το χρώµα είναι απλά µια µέθοδος διαχωρισµού των κλάσεων των στοιχείων που ανήκουν στην ίδια δοµική κατηγορία. Το r-net µοντέλο αποτελεί µια επέκταση του CPN µε τη συµπερίληψη των χρονικών- µεταβάσεων και της ιεραρχίας των κουπονιών και των µεταβάσεων. Η ανάπτυξη των Individual Token Nets (ITNs) επηρεάστηκε από τις ίδιες έννοιες που χαρακτηρίζουν τα CPNs, αλλά είναι περισσότερο καταληπτά, δεδοµένου ότι ο φορµαλισµός τους είναι απλούστερος. Τα δίκτυα FIFO έχουν εισαχθεί για τη µοντελοποίηση των συγχρονισµένων παράλληλων συστηµάτων όπου οι διεργασίες επικοινωνούν µε την αποστολή µηνυµάτων και χρησιµοποιούν την κατάταξη της εκποµπής. Τα FIFO-Nets είναι µια γενίκευση των PNs, όπου οι θέσεις αντικαθίστανται από τις σειρές αναµονής που τρέχουν στο fifo (first-in-firstout) και τα κουπόνια από γράµµατα. 45

47 Τα Fuzzy PNs (FPNs) παρέχουν µια αποδοτική µέθοδο για την αναπαράσταση της γνώσης, που χρησιµοποιείται για τη λήψη αποφάσεων. Τα PT-δίκτυα µε χρεωστικά-τόξα (debit arcs) χρησιµοποιούνται για να προδιαγράψουν γεγονότα που µπορούν να συµβούν ακόµα και όταν δεν συναντιούνται όλες οι preconditions πυροδότησης. Από µια θεωρητική προοπτική τα PT- δίκτυα µε χρεωστικά-τόξα αυξάνουν την ισχύ των PT-δικτύων για αναγνώριση γλωσσών. Η επέκταση των χρεωστικών-τόξων µπορεί να θεωρηθεί ως πιο φυσική από την επέκταση των ανασταλτικών τόξων δεδοµένου ότι δεν κωδικοποιεί τον "µηδενικό έλεγχο" άµεσα (το κάνει έµµεσα), ενώ είναι µια εξίσου άµεση συντακτική επέκταση των PN-δικτύων. Τα PROcess-Translatable PNs (PROT-nets) συνδυάζουν PNs και εκτεταµένα Data Flow Diagrams σε έναν φορµαλισµό προσανατολισµένο στα αντικείµενα. Είναι εκτεταµένα PNs που µπορούν να θεωρηθούν ως εκτελέσιµα εκτεταµένα data flows επειδή τα dataflows, τα control flows και τα state transition diagrams είναι ενσωµατωµένα σε µια οµοιόµορφη αναπαράσταση. Με άλλα λόγια, µε την επέκταση των state transition diagrams υπάρχει πρόβλεψη για multiple threads of control. Ο φορµαλισµός που χρησιµοποιείται είναι παρόµοιος µε άλλα υψηλού επιπέδου µοντέλα PN όπου τα κουπόνια είναι δεδοµένα που διακινούνται. Επιπλέον, τα PROT-nets µπορούν να θεωρηθούν ως υψηλού επιπέδου PNs που µπορούν να µεταφραστούν σε πραγµατικά προγράµµατα. Τα Εκτεταµένα PNs (Extended PNs-EPNs) χρησιµοποιούνται για την µοντελοποίηση Flexible Manufacturing Systems. Έχουν εισαχθεί προκειµένου να ενισχυθεί η περιορισµένη περιγραφική ισχύς των PNs. Ένα EPN µπορεί να έχει έξι διαφορετικούς τύπους θέσεων για να αντιπροσωπεύει όλες τις κλάσεις των συνθηκών που µπορούν να υπάρξουν σε ένα σύστηµα. Είναι κατάλληλα για την ρητή µοντελοποίηση της ροής του ελέγχου, των πόρων και των πληροφοριών του συστήµατος που µοντελοποιούν επειδή έχουν προταθεί τα πολλαπλά είδη των κουπονιών και των τόξων. Τα Petri Net Objects (PNO) χρησιµοποιούνται για τη σχεδίαση User Interfaces οδηγούµενα-από-γεγονότα (event-driven). Αρχικά, ένα interface εµφανίζεται ως αντικείµενο του οποίου οι µέθοδοι µπορούν να προκληθούν από το χρήστη αµφίδροµα. Κατόπιν, η συµπεριφορά κάθε αντικειµένου (δηλ. η αυθόρµητη δραστηριότητα του αντικειµένου, η επίδραση στη διαθεσιµότητα των διεργασιών του αντικειµένου και η επίδραση των διεργασιών στην εσωτερική κατάσταση του αντικειµένου) µπορεί να περιγραφεί από ένα PNO. Το Γράφηµα Αλληλεπίδρασης Πολλαπλής Ροής (Interaction Multi Flow Graph-IMFG) προσφέρει στους σχεδιαστές τη δυνατότητα να αναπαραστήσουν διάφορες "πλευρές" µιας διαλογικής-αλληλεπιδραστικής εφαρµογής και να δηµιουργήσουν µια γραφική αναπαράσταση της δοµής και της δυναµικής συµπεριφοράς της. Το IMFG ενσωµατώνει, χρησιµοποιώντας το θεωρητικό υπόβαθρο της φαινοµενολογίας, τα πιό χρήσιµα χαρακτηριστικά των υπαρχόντων µοντέλων περιγραφής διαλόγου και συγχρόνως ενσωµατώνει τα χαρακτηριστικά γνωρίσµατα των γνωστικών µοντέλων της συµπεριφοράς χρηστών στον τυπικό φορµαλισµό των PNs. Η βασική ιδέα πίσω από το IMFG είναι ότι οποιοδήποτε διαλογικό σύστηµα αποτελείται από ενεργητικά και παθητικά συστατικά. Τα παθητικά συστατικά στο IMFG καλούνται links και τα ενεργά συστατικά καλούνται actors οι οποίοι αντιπροσωπεύουν είτε τις διεργασίες του interface είτε τις πραγµατικές διεργασίες που εκτελούνται από την εφαρµογή. Ένας actor µπορεί να ενεργοποιηθεί από τα γεγονότα και η πυροδότηση του τροποποιεί την κατάσταση του συστήµατος σύµφωνα µε ένα σύνολο κανόνων συµπεριφοράς των actors [33]. 46

48 3. Εκπαιδευτική ιάσταση της Εικονικής Πραγµατικότητας H εισαγωγþ τηò πληροφορικþò στην εκπαßδευση και στην κατüρτιση ìýσω υπολογιστικþν συστηìüτων (Computer Assisted Learning-CAL / Computer Assisted Instruction-CAI, ITSs) ìεταφýρει τον τρüπο ìüθησηò απü την παραδοσιακþ ìελýτη εγχειριδßων στην εìπειρικþ ìüθηση ìýσα απü φυσικü σýìβολα. Η VR επεκτεßνει τιò δυνατüτητεò τηò διδασκαλßαò ìε τη βοþθεια υπολογιστþ. Αυτü το πετυχαßνει τουλüχιστον στο επßπεδο διασýνδεσηò και επικοινωνßαò του ανθρþπου ìε τη ìηχανþ, ìε τη δηìιουργßα και τον χειρισìü αφηρηìýνων αναπαραστüσεων και εικονικþν αντικειìýνων (information visualisation), και την αλληλεπßδραση ìε πραγìατικοýò ανθρþπουò σε ìακρινýò φυσικýò θýσειò Þ φανταστικοýò τüπουò, üπου ο υπολογιστþò επεκτεßνει το ανθρþπινο κεντρικü νευρικü σýστηìα, δρþνταò σαν ìια γεννþτρια πραγìατικüτηταò και üχι σαν Ýναò επεξεργαστþò συìβüλων. Ηδη υπüρχει ìια γκüìα προιüντων VR (εξοìοιωτýò πτþσειò, επικοινωνßα και συνεργασßα απü απüσταση, παιχνßδια, κ.α) ìε πιο πρüσφατεò τιò τüσειò ανüπτυξηò εκπαιδευτικþν εφαρìογþν. Στον διεθνþ χþρο η Ýρευνα ìüλιò πρßν λßγο καιρü Üρχισε να στρýφεται προò αυτþν την κατεýθυνση. Στο ΠανεπιστÞìιο τηò ΟυÜσιγκτον, το Human Interface Technology Laboratory οργüνωσε ìια σειρü δραστηριοτþτων ìε την συììετοχþ ìαθητþν, ìε στüχο να αξιολογηθεß η VR σαν εκπαιδευτικü εργαλεßο. ìýσα απü την κατασκευþ Εικονικþν Κüσìων για την κατανüηση του φυσικοý περιβüλλοντοò. Στην Αγγλßα, στο Meadowside School του Liverpool και στο Shepherd School του Nottingham, αναπτýχθηκε απü την ερευνητικþ οìüδα VIRART του Nottingham University Ýνα πρüγραììα για Üτοìα ìε ειδικýò ανüγκεò, ìε κατευθýνσειò την κατανüηση ìιαò συìβολικþò γλþσσαò (sign language) και την κατανüηση του περιβüλλοντοò (του τρισδιüστατου χþρου που ìαò περιβüλλει). Στην Αγγλßα επßσηò, ερευνητικýò επιστηìονικýò οìüδεò, συììετýχουν στην ανüπτυξη προγραììüτων εφαρìογþò VR τεχνικþν στην διαδικασßα εκìüθησηò ξýνων γλωσσþν, και στην κατüρτιση για τον βιοìηχανικü σχεδιασìü ενδυìüτων. Στον Ελληνικü χþρο παρüìοιεò προσπüθειεò ìε εκπαιδευτικýò κατευθýνσειò, βρßσκονται ακüìα σε πρþϊìο στüδιο. 47

49 3.1. Εικονική Πραγµατικότητα και Εκπαίδευση Με την εισαγωγή της πληροφορικής στην εκπαίδευση, η µάθηση µεταφέρεται από τη µελέτη εγχειριδίων στη µάθηση µέσα από προσοµοιώσεις, και σε εµπειρική µέσα από φυσικά σύµβολα. Η κατανόηση µε τη χρήση συµβόλων είναι ταχύτερη από αυτήν του κειµένου. Ο άνθρωπος αντιλαµβάνεται ένα δισεκατοµύριο bits πληροφορίας το δευτερόλεπτο, δηλαδή περίπου το αντίστοιχο χιλίων σελίδων κειµένου, ενώ διαβάζει µόνο εκατό bytes ή χαρακτήρες το δευτερόλεπτο. Η αναγνώριση των συµβόλων δεν είναι πρόβληµα, αφού ο άνθρωπος µεταφράζει αυτόµατα τσ σύµβολα µε τα οποία ζει, όπως για παράδειγµα τον κώδικα οδικής κυκλοφορίας. Συχνά το εικονικό περιβάλλον αποτελείται από προσοµοιώσεις που υπερβαίνουν τους συνήθεις τρόπους αλληλεπδρασης του χρήστη µε τη µηχανή και περιλαµβάνει την αίσθηση του χρήστη ότι γίνεται ένα µε το προσοµοιούµενο περιβάλλον. Ο χρήστης χειρίζεται τα αντικείµενα και τα γεγονότα του εικονικού κόσµου µε τρόπο που δεν προσφέρουν οι τυπικές προσοµοιώσεις σε περιβάλλοντα CAI. Η µεγάλη διαφορά ενός συστήµατος ΕΠ από έναν υπολογιστή και εποµένως συστήµατα CAI είναι ότι ο υπολογιστής επεκτείνει το ανθρώπινο κεντρικό νευρικό σύστηµα, το οποίο όµως δεν είναι ένας επεξεργαστής συµβόλων αλλά µια γεννήτρια πραγµατικότητας. Αυτο το πετυχαίνει η ΕΠ τουλάχιστον στο επίπεδο διασύνδεσης και επικοινωνίας του ανθρώπου µε τη µηχανή. Ο χρήστης εισέρχεται και συµµετέχει στον εικονικό κόσµο ο οποίος έχει ιδιότητες και λειτουργεί ως πραγµατικός. Η τεχνολογία και η µεθοδολογία που παρέχει η ΕΠ φαίνεται από τα χαρακτηριστικά της που τη διαφοροποιούν από τα συµβατικά υπολογιστικά συστήµατα και την κάνουν ένα ισχυρό εργαλείο για τη µετάδοση της πληροφορίας και το µετασχηµατισµό της σε γνώση (Πίνακας 2). ΤΥΠΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Η/Υ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΣΥΜΒΟΛΙΚΟ ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΟ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΙΑΣΥΝ ΕΣΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ ΟΘΟΝΗΣ ΟΠΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΠ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΕΜΠΕΙΡΙΚΟ ΕΙΚΟΝΙΚΟ ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΕΓΚΛΕΙΣΗ ΕΝ ΥΣΗ ΤΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΠΟΛΥΑΙΣΘΗΣΙΑΚΟ Πίνακας 2. Μεταφορά από συµβατικό σε σύστηµα εικονικής πραγµατικότητας 48

50 Η προσφορά της ΕΠ στην εκπαιδευτική διαδικασία φαίνεται και από τα παρακάτω βασικά σηµεία [69], [50]: Εξερεύνηση υπαρκτών αντικειµένων και χώρων στους οποίους δεν υπάρχει προσπέλαση από τους µαθητές. Μελέτη πραγµατικών αντικειµένων αδύνατο να κατανοηθούν διαφορετικά εξαιτίας του µεγέθους της θέσης ή των ιδιοτήτων τους. ηµιουργία περιβαλλόντων και αντικειµένων µε διαφορετικές από τις γνωστές ιδιότητες. ηµιουργία και χειρισµός αφηρηµένων αναπαραστάσεων. Αλληλεπίδραση µε εικονικά αντικείµενα. Αλληλεπίδραση µε πραγµατικούς ανθρώπους σε µακρινές φυσικές θέσεις ή φανταστικούς τόπους µε πραγµατικούς ή µη τρόπους. Ένα σύστηµα ΕΠ αναδεικνύει και εκµεταλλεύεται τα χαρακτηριστικά των παιδαγωγικών αρχών και της διδακτικής [6]. Ο παθητικός τρόπος εκπαίδευσης µε τη χρήση κειµένου και εικόνων µεταφέρεται σε ενεργό µε την εµπειρία στα εικονικά περιβάλλοντα. Αυτό είναι σηµαντικό στοιχείο αφού µια από τις σπουδαιότερες αρχές της λειτουργίας της αίθουσας διδασκαλίας είναι οι δραστηριότητες των µαθητών οι οποίες είναι αυτές που καθορίζουν το αντικείµενο και τον τρόπο µάθησης. Σε ένα εικονικό περιβάλλον µπορεί να καθορίζεται και να µεταβάλλεται η θέση, η κλίµακα, η πυκνότητα της πληροφορίας, η αλληλεπίδραση και η απόκριση, ο χρόνος και ο βαθµός της συµµετοχής του χρήστη. Η ΕΠ παρέχει ένα ελεγχόµενο σε πολλά επίπεδα, επειρικό πλαίσιο. Κάθε εικονικό αντικείµενο αποθηκεύει και θυµάται το ιστορικό του και τις ενέργειες του µαθητή. Έχει επίσης πρόσβαση σε αλγόριθµους ταξινόµησης και στατιστικής. Έτσι προωθείται η εξατοµίκευση και ο τύπος µάθησης κάθε µαθητή. Παράλληλα ενθαρρύνεται η κοινωνικοποίηση και η συνεργασία µεταξύ των µαθητών µε τη συµµετοχή πολλών χρηστών στο ίδιο εικονικό περιβάλλον [50]. Η ΕΠ συνδέεται µε τη φυσική συµπεριφορά. Ο προγραµµατισµός, το πληκτρολόγιο και το ποντίκι αντικαθίστανται από φυσικότερες λειτουργίες του µαθητή όπως οι χειρονοµίες, η κίνηση και η οµιλία. Μ' αυτόν τον τρόπο ο µαθητής και το σύστηµα αλληλεπιδρούν µε φυσικά αντικείµενα που δεν απαιτούν επιπλέον εξήγηση από καµία πλευρά. Ενώ οι επιστήµες έχουν φυσική σηµασιολογία, ο τρόπος διδασκαλίας τους που µέχρι τώρα είναι συµβολικός δεν έχει. Η µελέτη ενός γνωστικού αντικειµένου προσανατολίζεται στην κατανόηση συµβολικών αναπαραστάσεων που συνήθως οδηγούν σε σύγχυση και παρανοήσεις. Η φυσική σηµασιολογία είναι αυτή που µαθαίνει ένα παιδί πριν από τη συµβολική και αυτή πετυχαίνεται µε την ΕΠ. Ο υπολογιστής είναι ένα ιδανικό εργαλείο για το χειρισµό συµβόλων και αφαίρεσης. Η ΕΠ παρέχει τον τρόπο διασύνδεσης µ' αυτά και διδάσκει τις έννοιες µέσα από την εµπειρία. Η µεταφορά στην αφαίρεση και τους συµβολισµούς ακολουθεί, όταν κρίνεται απαραίτητη. Η ΕΠ προσφέρει έναν δρόµο για τα αισθήµατα. Ο χρήστης έχει ισχυρή συναισθηµατική επίδραση, γεγονός που αποτελεί και ένα σηµείο προσοχής από τον εκπαιδευτικό και το σχεδιαστή του συστήµατος. 49

51 Εννοιολογικά και µεθοδολογικά η ΕΠ παίζει σηµαντικό ρόλο σε έναν από τους κύριους στόχους της εκπαιδευτικής διαδικασίας, την επίλυση προβληµάτων. Η συµµετοχή του χρήστη στον εικονικό κόσµο εκµεταλλεύεται το γνωστικό περιεχόµενο των συστηµάτων διασύνδεσης, που περιέχεται σ' αυτά µέσα από τα φυσικά χαρακτηριστικά των εικονικών αντικειµένων και της κατάλληλης αναλογικής γλώσσας [16]. Η τελευταία είναι αυτή που βοηθά το χρήστη να κατανοήσει εικονικά αντικείµενα που λειτουργούν σε εικονικούς κόσµους απλοποιώντας τον τρόπο αλληλεπίδρασης του χρήστη µε τη µηχανή της οποίας η ύπαρξη γίνεται όλο και περισσότερο αόρατη και µη αντιληπτή. Στις επιστήµες όπου η κατανόηση αρχών γίνεται µε τη µετάφρασή τους σε φυσικές εικόνες δηλαδή µε µεταφορές που παρουσιάζουν αντικείµενα που αναπαριστάνουν αρχές σε ένα χώρο, η ΕΠ είναι η εύρεση ενοιολογικών πραγµατικών ή εικονικών χώρων όπου ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να κινηθεί και να λύσει προβλήµατα. Οι προσοµοιώσεις αποτελούν ένα παράδειγµα της εφαρµογής της ΕΠ για την επίλυση προβληµάτων. Σκοπός είναι η δηµιουργία ενός περιβάλλοντος όπου ο χρήστης χειρίζεται απευθείας κατανοητά µοντέλα προβληµάτων. Ο µαθητής παρατηρεί απευθείας τη συµπεριφορά του συστήµατος χρησιµοποιώντας εννοιολογικά εργαλεία χωρίς την αναφορά σε τεχνικές αναπαράστασης των δεδοµένων και το αντιλαµβάνεται έχοντας ορισµένο βαθµό ελέγχου στη συµπεριφορά και τη δοµή του [52]. Ο χρήστης κατασκευάζει και χρησιµοποιεί εικονικά εργαλεία για παρατήρηση και υπολογισµούς σύµφωνα µε το βαθµό αντίληψης και προσέγγισης του θέµατος. Οι λύσεις του προβλήµατος παρουσιάζονται µε µια επιλογή από παραµέτρους και δοµές που επαληθεύουν τις απαιτήσεις του. Τέτοιου είδους προσεγγίσεις ακολουθούνται σε πολλές εφαρµογές στον πραγµατικό κόσµο, αλλά είναι ανεπαρκείς όταν προσπαθείται η επίλυση των προβληµάτων απευθείας από τη µηχανή µε τις κλασικές µεθόδους και τεχνικές Προσεγγίσεις σε Συστήµατα ΕΠ για Εκπαιδευτικές Εφαρµογές Αναφερόµενοι στα συστήµατα ΕΠ, το περισσότερο πρόσφορο για την εισαγωγή του στην εκπαιδευτική διαδικασία θεωρείται για τα σηµερινά δεδοµένα το επιτραπέζιο σύστηµα. Βασίζεται σε έναν ισχυρό προσωπικό υπολογιστή, το κατάλληλο λογισµικό και τα περιφερειακά διασύνδεσης µε πλέον προσιτή µια συσκευή πλοήγησης και χειρισµού στον τρισδιάστατο χώρο (spaceball). Στόχος του εργαλείου της ΕΠ είναι η κατανόηση εννοιών, φυσικών φαινοµένων, η αντιµετώπιση καταστάσεων και η επίλυση προβληµάτων. Αυτό που απαιτείται δηλαδή είναι η κατανόηση των λειτουργιών και των ιδιοτήτων των εικονικών αντικειµένων και περιβαλλόντων µε τον απευθείας χειρισµό φυσικών αντικειµένων για την απόκτηση και εµπέδωση της γνώσης. Ο χρήστης δεν εµβυθίζεται στο εικονικό περιβάλλον, αλλά του παρέχεται ένα "παράθυρο" στον εικονικό κόσµο. Οι λόγοι για την επιλογή ενός επιτραπέζιου συστήµατος είναι κυρίως τρεις: Η εµβύθιση ενός µαθητή παρουσιάζει δυσκολίες και δυσλειτουργίες που σχετίζονται µε τους τρόπους διασύνδεσής του και επιφέρουν την ασθένεια του κυβερνοχώρου που οφείλεται σε ψυχοσωµατικά αίτια. Η εκπαιδευτική διαδικασία περιλαµβάνει την επικοινωνία του µαθητή µε τον εκπαιδευτικό και άλλους µαθητές στον πραγµατικό κόσµο. Το προσιτό κόστος του συστήµατος για την εισαγωγή του στην αίθουσα διδασκαλίας. 50

52 3.3. Παραδείγµατα εισαγωγής ΕΠ στα σχολεία Παρακάτω περιγράφονται µερικές εφαρµογές που υλοποιήθηκαν σε VR και χρησιµοποιήθηκαν από µαθητές σε σχολεία. Το Greek History VR project, το οποίο επιτρέπει σε µαθητές να πλοηγηθούν σε ένα εικονικό αρχαίο Ελληνικό σπίτι δοκιµάστηκε στα πλαίσια ενός case-study διάρκειας δύοεβδοµάδων. Χρησιµοποήθηκε ένα δείγµα απο 30 µαθητές οι οποίοι µπορούσαν να πλοηγηθούν ελεύθερα στο χώρο. Οι µαθητές είχαν τη δυνατότητα για αλληλεπίδραση µε εικονικούς ανθρώπους που είχαν εισαχθεί µέσα στον εικονικό κόσµο, ενώ στο σχεδιασµό είχε προβλεφθεί και η δυνατότητα δείγµατος οµιλίας σε αρχαία Ελληνικά [30]. Σε σχολεία στο Queensland, ένα VR πρόγραµµα για την αναγνώριση γραµµάτων (letter recognition), χρησιµοποιήθηκε από τους µαθητές που είχαν δυσκολία στην αναγνώριση των γραµµάτων. Στα ίδια σχολεία, χρησιµοποιήθηκε επίσης ένα VR πρόγραµµα που παρείχε στους µαθητές δυνατότητα πλοήγησης µέσα σε µια πυραµίδα της αρχαίας Αιγύπτου. Tο περιβάλλον αυτό, περιλάµβανε επίσης ένα εισαγωγικό µάθηµα γύρω από την αρχαία Αίγυπτο µε πλούσιο φωτογραφικό υλικό [1]. Υπάρχουν όµως και αρκετές ερευνητικές προσπάθειες για την κατασκευή VR εφαρµογών για την εκπαίδευση. Μερικές από αυτές έχουν γίνει στο HITL (Human Interface Technology Laboratory). Τα project που αυτή τη στιγµή υλοποιούνται στο HITL δίνουν στους µαθητές τη δυνατότητα να: Εισχωρήσουν σε ένα άτοµο, να µελετήσουν τη τροχιά των ηλεκτρονίων, να αντικαταστήσουν τα ηλεκτρόνια στην τροχιά τους, αλλάζοντας τα σθένη τους και να τα συνδυάσουν για τη δηµιουργία νέων µορίων. Αποκτήσουν µια αίσθηση του µεγέθους και των αποστάσεων µεταξύ των πλανητών του ηλιακού µας συστήµατος πετώντας από τον ένα πλανήτη στον άλλον. Μειώσουν την ταχύτητα ενός ατόµου και, όπως ο Rutherford, να παρατηρήσουν τι συµβαίνει όταν χτυπηθεί ένα κοµµάτι χρυσού. Μάθουν την Ιαπωνική γλώσσα. Οι µαθητές εµβυθίζονται µέσα σε ένα εικονικό παραδοσιακό Γιαπωνέζικο δωµάτιο. Το δωµάτιο περιέχει ένα πίνακα, καρέκλες και έναν αριθµό από κουτιά τα οποία αλλάζουν ως προς το περιεχόµενο, καθώς ο µαθητής προσθέτει και αφαιρεί αντικείµενα που του ζητούνται στην Ιαπωνική γλώσσα. Στην Ελλάδα, στα πλαίσια του προγράµµατος ΣΕΙΡΗΝΕΣ υλοποιήθηκε µεταξύ άλλων και το εκπαιδευτικό λογισµικό ΕΠ µε το όνοµα ΕΙΚΩΝ για το µάθηµα του Γυµνασίου "Τεχνολογία" και συγκεκριµένα καλύπτει έξη διδακτικές ώρες του αντικειµένου "Γεωργική Τεχνολογία" 44. Εχει ήδη εγκατασταθεί πιλοτικά σε επιλεγµένα σχολεία της χώρας και ένα συγκεκριµένο µαθησιακό σενάριο του ΕΙΚΩΝ αποτελεί την πλατφόρµα για την εγκυροποίηση του Πλαισίου Π.Σ.Π που αποτελεί τον πυρήνα της παρούσας εργασίας. Οι σχεδιαστικές αρχές του ΕΙΚΩΝ καθώς και το συγκεκριµένο σενάριο µάθησης περιγράφονται στην πέµπτη ενότητα. 51

53 Τέλος, σηµειώνεται η ερευνητική δραστηριότητα του εργαστηρίου πολυµέσων και εικονικής πραγµατικότητας του Παιδαγωγικού Τµήµατος ηµοτικής Εκπαίδευσης, Παν/µίου Ιωαννίνων. Στο εργαστήριο έχουν σχεδιασθεί, αναπτυχθεί και εφαρµοσθεί στη διδακτική πράξη εφαρµογές για τη διδασκαλία της φυσικής των laser, και οικολογίας. Τα πρώτα αποτελέσµατα από τα παραπάνω εκπαιδευτικά εικονικά περιβάλλοντα έχουν δηµοσιευθεί σε διεθνή επιστηµονικά περιοδικά και παρουσιασθεί σε ελληνικά και διεθνή συνέδρια. Οι µαθητές που χρησιµοποίησαν αυτά τα περιβάλλοντα δήλωσαν ότι είναι αρκετά ενδιαφέρουσα η προσέγγιση και ότι προτιµούν τη µάθηση µέσω της Εκονικής Πραγµατικότητας από τη µάθηση µέσω του βιβλίου. Αντίστοιχα πειράµατα έχουν γίνει και γίνονται στις Ηνωµένες Πολιτείες και αλλού ανα τον κόσµο. 52

54 4. Εκπαιδευτικές Εφαρµογές Εικονικής Πραγµατικότητας Στα πλαίσια των Ευρωπαϊκών Ερευνητικών προγραµµάτων έχουν γίνει σηµαντικές προσπάθειες στο χώρο της ΕΠ στην εκπαίδευση. Ενδεικτικά αναφέρονται µερικές από αυτές. Πρόγραµµα IAEVA - A distributed multimedia database and environment for virtual "walks'' of 3d models of human organs (TELEMATICS 2C). Σκοπός του προγράµµατος αυτού είναι η δηµιουργία τρισδιάστατων εικονικών ανατοµικών µοντέλων του ανθρώπινου σώµατος (ή µερών αυτού) και των ανάλογων εργαλείων µε τα οποία φοιτητές της ιατρικής θα µπορούν να περιπλανώνται στα τρισδιάστατα αυτά µοντέλα και να αλληλεπιδρούν µε αυτά (π.χ. να διχοτοµούν µέρη του ανθρώπινου σώµατος). CL4K - Cyberspace Learning For Kids (TELEMATICS 2C). Σκοπός του προγράµµατος αυτού είναι, µεταξύ άλλων, η ανάπτυξη τηλεµατικών πολυµεσικών εκπαιδευτικών εφαρµογών, η δηµιουργία εργαλείων που θα επιτρέπουν σε µαθητές να συνεργάζονται µέσα σε εικονικούς κόσµους για την από κοινού δηµιουργία σχολικών εργασιών, και η δηµιουργία του "Kidscape", ενός τρισδιάστατου εικονικού πάρκου όπου οι µαθητές θα µπορούν να επικοινωνούν και να αλληλεπιδρούν µε άλλους µαθητές σε άλλες χώρες της Ευρώπης. ARCHATOUR - Multimedia Development In Archaeology And Tourism Using 3 Dimensional Computer Modelling (ESPRIT 3). Στο πρόγραµµα αυτό, σκοπός είναι η δηµιουργία τεχνολογιών για χρήση τρισδιάστατων συνθετικών εικόνων για την αναπαράσταση χώρων αρχαιολογικού κατά βάση περιεχοµένου, µε σκοπό την περιήγηση των τελικών χρηστών στους χώρους αυτούς. SERVIVE - Service For Integrated Virtual Environments - (TELEMATICS 2C). Το πρόγραµµα αυτό έχει ως σκοπό την δηµιουργία εικονικών περιβαλλόντων για την προώθηση της εκπαιδευτικής διαδικασίας, έχοντας υπόψη τον σηµαντικό ρόλο που παίζουν στην διαδικασία η "ανακάλυψη" του εικονικού κόσµου και των χαρακτηριστικών του από τον µαθητή, όπως και ο αυτόνοµος πειραµατισµός του τελευταίου Εκπαιδευτικό Λογισµικό ΕΠ στο ESDLab Το εκπαιδευτικό λογισµικό ΕΠ που περιγράφεται στις επόµενες υπο-ενότητες έχει σχεδιαστεί και αναπτυχθεί στο Εργαστήριο Ανάπτυξης Εκπαιδευτικού Λογισµικού του Τµήµατος Μαθηµατικών του Παν/µίου Πατρών Το εκπαιδευτικό λογισµικό ΕΠ DrIVE Το DrΙVE (Driving an Interactive Virtual Experience) είναι ένα εκπαιδευτικό περιβάλλον Εικονικής Πραγµατικότητας για Οδική Αγωγή και εκµάθηση του Κώδικα Οδικής Κυκλοφορίας (Κ.Ο.Κ) από υποψήφιους οδηγούς [20]. Αποτελείται από τρία µέρη: 53

55 - Μαθήµατα του Κ.Ο.Κ. - Tests για τον έλεγχο της κατανόησης του διδακτικού αντικειµένου από τον εκπαιδευόµενο. - Ελεύθερη οδήγηση στον µικρόκοσµο. To πρώτο µέρος περιλαµβάνει απλά µαθήµατα - περιπτώσεις που συναντά ένας οδηγός όταν οδηγεί. Έτσι, υπάρχουν µαθήµατα µε φωτεινούς σηµατοδότες (φανάρια), σήµατα της τροχαίας, αλλά και περιπτώσεις χωρίς σήµανση. Ο εκπαιδευόµενος µαθαίνει βλέποντας τις σωστές κινήσεις και την συµπεριφορά που πρέπει να έχουν οι οδηγοί των αυτοκινήτων σε κάθε περίπτωση, καθώς και τα αποτελέσµατα των λανθασµένων κινήσεων (επικίνδυνες καταστάσεις, συγκρούσεις). Tο πρόγραµµα παρέχει τη δυνατότητα των πολλαπλών οπτικών γωνιών θέασης. Έτσι ο εκπαιδευόµενος µπορεί να "βλέπει" µέσα από το αυτοκίνητο, να βλέπει µια κάτοψη κάποιου σταυροδροµίου, ή να κοιτάζει τον κόσµο από την οπτική γωνία κάποιου ανθρώπου ή ελικοπτέρου. Το δεύτερο µέρος περιλαµβάνει διάφορα tests πάνω στα µαθήµατα που ήδη έχει διδαχθεί ο εκπαιδευόµενος. Στο τµήµα αυτό παρουσιάζονται διάφορα στιγµιότυπα που µπορεί να συναντήσει κάποιος οδηγός όταν βρίσκεται µέσα στο κινούµενο αυτοκίνητο, όπως είναι η παραχώρηση προτεραιότητας στον ερχόµενο από δεξιά σε σταυροδρόµι χωρίς σήµανση, κλπ. Στα tests ο εκπαιδευόµενος καλείται να απαντήσει σε ερωτήσεις σε "κρίσιµα" σηµεία της διαδροµής που ακολουθεί και βλέπει τα αποτελέσµατα της απόφασής του. Για το σχεδιασµό αυτών των περιπτώσεων έχει δοθεί έµφαση στην απόκριση του συστήµατος σε περίπτωση τόσο σωστής όσο και λάθους κίνησης-απόφασης του εκπαιδευόµενου δίνοντας του θετικούς πόντους ή εµφανίζοντας τα αποτελέσµατα της απόφασής του (αληθοφανή σύγκρουση µε διερχόµενο αυτοκίνητο), αντίστοιχα. Στο τρίτο µέρος, ο εκπαιδευόµενος γίνεται οδηγός σε ένα αυτοκίνητο και οδηγεί µέσα από αυτό. Mε τη δυνατότητα τόσο των πολλαπλών οπτικών γωνιών όσο και µε την σαφή αίσθηση της παρουσίας του στο εικονικό περιβάλλον, αντιλαµβάνεται την κίνηση και την αλληλεπίδραση µε τα υπόλοιπα αντικείµενα γύρω του. Kαι σε αυτό το τµήµα το πρόγραµµα ενηµερώνει τον οδηγό σε κάθε περίπτωση που γίνεται παράβαση του Κ.Ο.Κ. για κάποιο λάθος που πιθανά πραγµατοποίησε οµή του συστήµατος και λειτουργική περιγραφή Το πρόγραµµα DrIVE υλοποιήθηκε µε το πακέτο VRT της SUPERSCAPE Ltd. το οποίο είναι αρκετά δυνατό και εύχρηστο. Η διαδικασία της δηµιουργίας ενός νέου εικονικού κόσµου είναι σχετικά εύκολη και πραγµατοποιείται σύντοµα. Το πακέτο µαζί µε τους διάφορους "editors" που παρέχει για τη δηµιουργία του κόσµου συνοδεύεται και από µια γλώσσα προγραµµατισµού τύπου C, για τον καθορισµό των διαφόρων χαρακτηριστικών και της συµπεριφοράς των αντικειµένων που αποτελούν το εικονικό περιβάλλον. Η γλώσσα δεν παρουσιάζει σηµαντικές ιδιαιτερότητες και είναι σχετικά απλή για κάποιον έµπειρο προγραµµατιστή ενώ παρέχει µεγάλη βιβλιοθήκη ρουτινών για τον λεπτοµερή προσδιορισµό χαρακτηριστικών που ο δηµιουργός θέλει να βάλει στα αντικείµενα του κόσµου του. O σχεδιασµός του συστήµατος έγινε µε τρόπο ώστε τα βασικά αντικείµενα του κόσµου που λαµβάνουν ενεργά µέρος στη διεξαγωγή τόσο των µαθηµάτων όσο και των ασκήσεων (αυτοκίνητα, φωτεινοί σηµατοδότες) και πέρα από τα χαρακτηριστικά τους να διαθέτουν 54

56 αυτόνοµο κώδικα µε τον οποίο ελέγχεται η συµπεριφορά τους όταν έρχονται σε επαφή και αλληλεπιδρούν µεταξύ τους, αλλά και µε το χρήστη - εκπαιδευόµενο. Tα υπόλοιπα αντικείµενα που πλαισιώνουν τα πρώτα και συµπληρώνουν τον εικονικό κόσµο, δε διαθέτουν κώδικα ελέγχου της συµπεριφοράς τους, ενώ ένα εικονικό αντικείµενο ελέγχου χειρίζεται και ελέγχει τη σωστή συµπεριφορά του περιβάλλοντος καθώς και την αλληλεπίδραση µε τον εκπαιδευόµενο. Στο πρώτο µέρος ο εκπαιδευόµενος ενηµερώνεται για την κατάσταση που πρόκειται να αντιµετωπίσει µε την εµφάνιση οθονών - παραθύρων µε πληροφορίες. Παρακολουθεί για λίγο την πορεία του αυτοκινήτου που είναι ο "πρωταγωνιστής" στο σενάριο και το πρόγραµµµα ενηµερώνει το χρήστη για τους κινδύνους που πιθανά υπάρχουν σε µια παρόµοια ρεαλιστική κατάσταση και για το τι είναι σωστό να γίνει, δείχνοντας στον εκπαιδευόµενο τη συµεριφορά που έπρεπε πραγµατικά να έχει το αυτοκίνητο "πρωταγωνιστής". Η διαδικασία κάθε µαθήµατος είναι µικρή ενώ ο εκπαιδευόµενος µπορεί να διαλέξει όποιο µάθηµα επιθυµεί. Η επικοινωνία µεταξύ εκπαιδευόµενου και προγράµµατος γίνεται µε µηνύµατα που ενηµερώνουν τον εκπαιδευόµενο για το τι γίνεται ή πρόκειται να συµβεί. Στο δεύτερο µέρος ο εκπαιδευόµενος βρίσκεται µπροστά σε διάφορα προβλήµατα που πρέπει να αντιµετωπίσει και βλέπει αν η απάντηση του είναι σωστή ή λάθος. Για παράδειγµα, αν δώσει λάθος απάντηση θα δει και τα αποτελέσµατα της ενέργειάς του που είναι πολύ πιθανό να είναι καταστροφικά (άρα ανώδυνα στο εικονικό περιβάλλον). Τα tests αυτά ελέγχουν την επίδοση που έχει ο εκπαιδευόµενος µετά τη µελέτη που έκανε κατά τη διάρκεια του πρώτου τµήµατος της εφαρµογής. Στο τελευταίο µέρος ο ίδιος ο εκπαιδευόµενος µπορεί να κατευθύνει το αυτοκίνητο του µε το ποντίκι, το πληκτρολόγιο, το SpaceBall ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή εισόδου µέσα στον εικονικό κόσµο, ενώ το πρόγραµµα ελέγχει αν ακολουθεί σωστά τον Κ.Ο.Κ. Σε περιπτώσεις που παραβιάζεται, ενηµερώνεται από το πρόγραµµα ότι έκανε κάποιο σφάλµα. O σχεδιασµός αυτού του τµήµατος έγινε έτσι ώστε να επιτρέπει την ενσωµάτωση "έµπειρης" συµπεριφοράς στο αντικείµενο, τόσο κατά την αλληλεπίδραση µε τα άλλα αντικείµενα του κόσµου, όσο και µε τον ίδιο το χρήστη. Για την ανάπτυξη του DrIVE χρησιµοποιήθηκε το πακέτο λογισµικού VRT γιατί δίνει µια προσεγµένη εικόνα της πραγµατικότητας, παρέχει υψηλής ποιότητας τρισδιάστατα γραφικά και µε την σωστή χρήση του από το σχεδιαστή και τον προγραµµατιστή της εφαρµογής δίνει σαφή την αίσθηση της παρουσίας του τελικού χρήστη στον εικονικό κόσµο. Ένα στιγµιότυπο της εκτέλεσης του τρίτου µέρους φαίνεται στην Εικόνα 1 της επόµενης σελίδας. Η καλύτερη εκµάθηση του Κ.Ο.Κ. και ειδικότερα η εκµάθηση οδήγησης ενός αυτοκινήτου είναι η πραγµατική. Είναι αυτή όπου ο εκπαιδευόµενος µπαίνει σε ένα αυτοκίνητο και µαθαίνει να οδηγεί σωστά και ακίνδυνα τόσο γι' αυτόν όσο και για τους άλλους. Τι γίνεται όµως σε περίπτωση που κατά τη διάρκεια της εκµάθησής του κάνει κάποιο λάθος; Τα αποτελέσµατα θα είναι τραγικά. 'Αρα µια τέτοια εκµάθηση είναι µεν η σωστότερη αλλά εµπεριέχει αρκετούς κινδύνους. Η προσέγγιση που προτείνεται µε το DrIVE και τα εικονικά περιβάλλοντα είναι σίγουρα ανώδυνη και κοντά στην πραγµατικότητα. Ο υποψήφιος οδηγός θα µπορεί να µάθει τον Κ.Ο.Κ. µε ασφάλεια χωρίς τον κίνδυνο από τα λάθη στα οποία οδηγεί το άγχος που αποδεδειγµένα τον καταλαµβάνει όταν µπαίνει για πρώτη φορά σε ένα πραγµατικό 55

57 αυτοκίνητο µε σκοπό να µάθει να οδηγεί. Tο DrIVE, ένα ολοκληρωµένο εκπαιδευτικό περιβάλλον για την εκµάθηση και τη σωστή εφαρµογή του K.O.K. φιλοδοξεί να µεταφέρει εµπειρία προς τους εκπαιδευόµενους χρήστες, και αυτό έγινε στηριζόµενοι στην Eικονική Eµπειρία (virtual-synthetic experience) που µόνο η EΠ µπορεί να προσφέρει. Το DrIVE αποτέλεσε την πρώτη πλατφόρµα για το validation του Γ.Ε.Π.Ρ τυπικού µοντέλου προδιαγραφών που αποτελεί τον πυρήνα της παρούσας εργασίας. Το τρίτο µέρος του DrIVE επανασχεδιάστηκε µε χρήση Γ.Ε.Π.Ρ προδιαγραφών [21], ενώ µια προσέγγιση που συνδυάζει την χρήση αρχών VR και Τεχνητής Νοηµοσύνης στο DrIVE υπάρχει στο [34]. Εικόνα 1: Ένα στιγµιότυπο της εκτέλεσης του τρίτου µέρους του DrIVE 56

58 Το εκπαιδευτικό λογισµικό ΕΠ VRTutor Ο VRTutor είναι ένα σύστηµα δηµιουργίας που χρησιµοποιεί την τεχνολογία τρισδιάστατων γραφικών πραγµατικού χρόνου και εικονικής πραγµατικότητας για την κατασκευή EVRs. Αυτά τα EVR πακέτα είναι αυτόνοµες εκπαιδευτικές εφαρµογές εικονικής πραγµατικότητας που µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να παρέχουν τις προσοµοιώσεις των πειραµάτων σε ένα εικονικό εργαστήριο φυσικής για µαθητές γυµνασίου [19] Αρχιτεκτονική σχεδίαση του VRTutor Ο VRTutor σχεδιάστηκε και µε βάση την αρχιτεκτονική ISW που θα περιγραφεί σε επόµενες παραγράφους. Οι προδιαγραφές της αλληλεπίδρασης µεταξύ του µαθητή και της τελικής EVR εφαρµογής εξήχθη χρησιµοποιώντας το Γ.Ε.Π.Ρ µοντέλο το οποίο επίσης θα παρουσιαστεί σε επόµενες παραγράφους. Ο VRTutor αποτελείται από δύο κύρια υποσυστήµατα: το Υποσύστηµα Συγγραφής και το Υποσύστηµα Εκτέλεσης. Η αρχιτεκτονική υψηλού επιπέδου των υποσυστηµάτων του VRTutor απεικονίζεται στα πιο κάτω σχήµατα. Το Σχήµα 9 περιγράφει τα εργαλεία του υποσυστήµατος συγγραφής και του τρόπου που επικοινωνούν µεταξύ τους, προκειµένου να παρασχεθούν οι κατάλληλες δυνανότητες για τη διαδικασία συγγραφής. Το Σχήµα 10 περιγράφει το υποσύστηµα που υποστηρίζει την εκτέλεση της τελικής EVR. ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΗΣ USER INTERFACE ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΥΓΓΡΑΦΗΣ ΕΡΓΑΛΕΙΟ Ι ΙΟΤΗΤΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ VR (third-party) ΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΈΝΩΝ ΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΕΙΚΟΝΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΥ ΒΟΗΘΗΜΑ ΑΡΧΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗΣ ΜΑΘΗΤΩΝ ΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ COURSE ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΜΑΘΗΤΩΝ Σχήµα 9: Υψηλού επιπέδου αρχιτεκτονική υποσυστήµατος συγγραφής 57

59 ΜΑΘΗΤΗΣ USER INTERFACE ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ ΙΑΛΟΓΟΥ & ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ ΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ H/W ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΕΠ Runtime PLAYER VR-ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΥ ΙΑΧΕΙΡΙΣΤΗΣ "ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ" ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΜΑΘΗΤΗ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΜΑΘΗΤΩΝ Σχήµα 10: Υψηλού επιπέδου αρχιτεκτονική υποσυστήµατος εκτέλεσης ουλεύοντας µε τον VRTutor Ο VRTutor µπορεί να χρησιµοποιήσει οποιοδήποτε εργαλείο κατασκευής εικονικής πραγµατικότητας που ενσωµατώνει ODBC δυνατότητες, ως add-ins εργαλείο. Η συγκεκριµένη εφαρµογή που περιγράφεται εδώ περιλαµβάνει τη συµβατότητα µε το εργαλείο ανάπτυξης VR Sense8 WorldUp [47] για τον σκοπό αυτό. Η διαδικασία δηµιουργίας αποτελείται από τις ακόλουθες φάσεις: 1ο: Κατασκευή του περιεχοµένου της εφαρµογής. Αυτή η φάση περιλαµβάνει: Τη δηµιουργία των εικονικών τρισδιάστατων αντικειµένων που αποτελεί το εικονικό εργαστήριο, µαζί µε τις συσκευές και τα αντικείµενα που θα χρησιµοποιηθούν κατά τη διάρκεια του πειράµατος. Τον προσδιορισµό της θέσης των αντικειµένων στο εικονικό περιβάλλον, κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αποτελούν ένα "πραγµατικό" εργαστήριο φυσικής και να προσοµοιώνουν ένα "πραγµατικό" πείραµα. 2ο: ιαµόρφωση του πειράµατος. Αυτή η φάση περιλαµβάνει τη διαµόρφωση των αρχικών όρων και των κατάλληλων παραµέτρων που πρέπει να διέπουν το πείραµα φυσικής. Αυτές οι παράµετροι αφορούν τις διάφορες ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των αντικειµένων που συµµετέχουν στο πείραµα, δηλαδή: Τον καθορισµό φυσικών ιδιοτήτων των αντικειµένων (π.χ. χρώµα, σύσταση, βάρος, κ.λπ.). 58

60 Τον καθορισµό λειτουργικών και ποσοτικών ιδιοτήτων που καθορίζουν τη λειτουργία του περιβάλλοντος (π.χ. πώς εφαρµόζονται η δύναµη, η ώθηση, κλπ. ) Τον καθορισµό των συµπεριφορικών και ποιοτικών χαρακτηριστικών που καθορίζουν την αλληλεπίδραση µέσα στο εικονικό περιβάλλον (π.χ. πώς τα αντικείµενα αντιδρούν στα γεγονότα που προκαλούνται από το χρήστη ή από άλλα αντικείµενα του εικονικού περιβάλλοντος: εκρήξεις, πτώση, ταλάντωση, κ.λπ.) 3ο: ιαµόρφωση της συνολικής εφαρµογής. Αυτή η φάση περιλαµβάνει τη διαµόρφωση των σφαιρικών παραµέτρων της σειράς των µαθηµάτων. Αυτές οι παράµετροι καθορίζουν: Εάν και πότε θα επιτρέψει το σύστηµα στον εκπαιδευόµενο να έχει πρόσβαση στην καθοδήγηση και στις οδηγίες, κατά τη διάρκεια των µαθηµάτων. Την χρήση των πολυµέσων ως επιιπλέον "µαθησιακές µονάδες" στις διαφορετικές φάσεις ενός πειράµατος. Τη διαµόρφωση των παραµέτρων που σχετίζονται µε τους µαθητές που συµµετέχουν στα πειράµατα. Ο καθορισµός αυτών των παραµέτρων οδηγεί στη δηµιουργία µιας βάσης δεδοµένων όπου καταχωρούνται τα ονόµατα και η δραστηριότητα ττων µαθητών. Ο VRTutor χρησιµοποιεί επίσης την υποδοµή του ιαδικτύου προκειµένου να υποστηρίζει δικτυακές σειρές µαθηµάτων βασισµένα στις υπηρεσίες του World Wide Web και στην τεχνολογία της γλώσσας VRML. Η τελική EVR εφαρµογή εκτελείται µε δύο τρόπους: σαν αυτόνοµο (stand alone) εκπαιδευτικό πρόγραµµα για έναν προσωπικό υπολογιστή, και σε έναν web-server, ενώ οι χρήστες-εκπαιδευόµενοι έχουν πρόσβαση µέσω ενός web-browser εξοπλισµένο µε υποστήριξη γλώσσας VRML. Ενα στιγµιότυπο του υποσυστήµατος εκτέλεσης φαίνεται στην Εικόνα 2. Εικόνα 2: Η εκτέλεση ενός πειράµατος στον VRTutor 59

61 5. Προς ένα Πλαίσιο Προδιαγραφών & Σχεδίασης της Αλληλεπίδρασης σε Εκπαιδευτικό Λογισµικό ΕΠ Η εργασία µας έχει σκοπό να παρέχει στους συγγραφείς-σχεδιαστές ένα πλαίσιο για τις προδιαγραφές, τη σχεδίαση και την πρωτοτυποποίηση των EVR εφαρµογών. εν έχει βρεθεί από τον συγγραφέα κάποιο άλλο παρόµοιο πλαίσιο στη διεθνή βιβλιογραφία, εποµένως δεν είναι δυνατή η σύγκρισή του προτεινόµενου πλαισίου µε άλλα πλαίσια αυτού του τύπου. Το προτεινόµενο πλαίσιο περιλαµβάνει την Αρχιτεκτονική Χώρου Εργασίας Προδιαγραφών Αλληλεπίδρασης (Χ.Ε.Π.Α.) ή Interaction Specification Workspace (ISW) [22] για τη σχεδίαση των εφαρµογών EVR και το µοντέλο Γραφηµάτων Εικονικής Πολλαπλής Ροής (Γ.Ε.Π.Ρ.) ή Virtual Multi Flow Graph (Virtual-MFG) ως το τυπικό µοντέλο προδιαγραφών της αλληλεπίδρασης που αποτελεί το υπόστρωµα της παραπάνω αρχιτεκτονικής. Ο σχεδιαστής χρησιµοποιεί έναν τρισδιάστατο γραφικό εργαλείο (3D editor) που συµπεριλαµβάνεται µέσα στην Χ.Ε.Π.Α και κατασκευάζει τρισδιάστατα γραφήµατα τα οποία αποτελούνται από στοιχεία Γ.Ε.Π.Ρ. Αυτά τα γραφήµατα είναι τεκµηριωµένες τυπικές προδιαγραφές και αναπαριστούν τις αλληλεπιδραστικές και τις εκπαιδευτικές αρχές της τελικής EVR εφαρµογής. Η αρχιτεκτονική Χ.Ε.Π.Α ενσωµατώνει εργαλεία για την ανάλυση αυτών των προδιαγραφών και παράγει τις εκτελέσιµες προδιαγραφές µε σκοπό τη δηµιουργία πρωτοτύπου της τελικής εφαρµογής Το Πλαίσιο Προδιαγραφών, Σχεδίασης & Πρωτοτυποποίησης Το προτεινόµενο Πλαίσιο Προδιαγραφών, Σχεδίασης & Πρωτοτυποποίησης (Π.Π.Σ.Π) ή Specification, Design and Prototyping Framework (SpeDeProF) [23] περιλαµβάνει: την Χ.Ε.Π.Α (Interaction Specification Workspace / ISW) γενικευµένη αρχιτεκτονική λογισµικού, το Γ.Ε.Π.Ρ (Virtual Multi Flow Graph ή Virtual-MFG) γραφικό τυπικό µοντέλουπόστρωµα της Χ.Ε.Π.Α., και µια µεθοδολογία που αποτελείται από τις ακόλουθες κύριες φάσεις σχεδίασης και ανάπτυξης EVR εφαρµογών: i) την κατασκευή του εικονικού µικρόκοσµου (microworld construction), ii) iii) iv) την προδιαγραφή και την σχεδίαση της εκπαιδευτικής αλληλεπίδρασης (tutoring interaction specification and design), την επαναληπτική πρωτοτυποποίηση (prototyping in-cycles) της εφαρµογής µε τη βοήθεια των εκτελέσιµων προδιαγραφών που παράγονται, και τον έλεγχο και τις λεπτοµερείς ρυθµίσεις (testing and fine tuning ) της τελικής EVR εφαρµογής. 60

62 Το γραφικό τυπικό µοντέλο Γ.Ε.Π.Ρ ή Virtual-MFG Το Γράφηµα Εικονικής Πολλαπλής Ροής (Γ.Ε.Π.Ρ ή Virtual-MFG) είναι ένα γραφικό τυπικό µοντέλο για τις προδιαγραφές της αλληλεπίδρασης µε δυνατότητες να αναπαριστά τις εκπαιδευτικές αρχές της τελικής EVR εφαρµογής. Είναι βασισµένο στα high-level coloured Petri-Nets, και έχει οριστεί σαν µία επέκταση του IMFG [33], το οποίο αναπτύχθηκε και χρησιµοποιήθηκε για τις προδιαγραφές και το σχεδιασµό συµβατικών αλληλεπιδραστικών εφαρµογών συµβατικού λογισµικού. Το µοντέλο Γ.Ε.Π.Ρ ενσωµατώνει τις ισχυρές τεχνικές ανάλυσης των Petri-Nets και τα πλέον σηµαντικά χαρακτηριστικά των µοντέλων περιγραφής διαλόγου (dialogue description models) και των γνωστικών µοντέλων (cognitive models) της συµπεριφοράς του χρήστη. Η γραφική αναπαράσταση του µοντέλου ΓΕΠΡ κάνει το συγεκριµένο µοντέλο ένα από τα καταλληλότερα, µεταξύ άλλων παρόµοιων προσεγγίσεων [31] για τις προδιαγραφές της αλληλεπίδρασης σε εφαρµογές VR. Τα στοιχεία του µοντέλου ΓΕΠΡ-Virtual-MFG είναι : ρώντα στοιχεία (actors), τα οποία αντιστοιχούν στις ενέργειες, τις διαδικασίες ή τους στόχους των χρηστών ή των συστατικών µιας EVR εφαρµογής. Σύνδεσµοι (Links), οι οποίοι αντιστοιχούν στην οπτικοποίηση των διαφορετικών ροών πληροφορίας που διακινούνται µέσα σε µία αλληλεπιδραστική EVR εφαρµογή. Κουπόνια (Tokens), τα οποία αντιστοιχούν στην πληροφορία δεδοµένων ή/και ελέγχου που υπάρχει µέσα σε µία EVR εφαρµογή. Τα κουπόνια αναπαριστούν αφηρηµένες δοµές δεδοµένων ή ελέγχου οι οποίες παράγονται ή καταναλώνονται από τα δρώντα στοιχεία ή τους συνδέσµους του ΓΕΠΡ Μοντέλου. Τα δρώντα στοιχεία πάντα προηγούνται και έπονται των συνδέσµων και παράγουν ή καταναλώνουν κουπόνια. Οι σύνδεσµοι αποθηκεύουν κουπόνια. Τα στοιχεία του ΓΕΠΡ Μοντέλου έχουν την τρισδιάστατη αναπαράστασησυµβολισµό που φαίνεται στο Σχήµα 11. Σχήµα 11: τρισδιάστατη αναπαράσταση-συµβολισµός του Γ.Ε.Π.Ρ 61

63 ρώντα Στοιχεία (Actors) Ο χρήστης και τα εικονικά αντικείµενα της EVR εφαρµογής θεωρούνται σαν συµµετέχοντες που δρουν µέσα σε ένα κοινό χώρο, όπου µπορούν να προκαλούν γεγονότα. Τα δρώντα στοιχεία µοντελοποιούν τις αλληλεπιδραστικές αποκρίσεις που πρέπει να επιτελούνται από αυτούς τους συµµετέχοντες, σαν συνέπεια της εµφάνισης ενός γεγονότος. Υπάρχουν τεσσάρων ειδών δρώντα στοιχεία : ρώντα στοιχεία ενέργειας (Action actors) Αυτά αναπαριστούν µάι στοιχειώδη απόκριση η οποία πραγµατοποιείται από οποιοδήποτε συµµετέχοντα στην EVR εφαρµογή. Τα δρώντα στοιχεία έχουν µια εσωτερική δοµή η οποία περιέχει ένα τµήµα κανόνων (rules part). Το τµήµα κανόνων κάθε δρώντος στοιχείου ενέργειας καθορίζει τον τρόπο µε τον οποίο υλοποιείται αυτή η στοιχειώδης απόκριση. Το Virtual-MFG µοντέλο δεν δίνει µία ξεκάθαρη περιγραφή της ενέργειας που πρέπει να γίνει, αλλά καθορίζει την αποσύνθεση των στόχων ή την ανάλυση των διεργασιών έτσι ώστε να επιτευχθεί ο στόχος ρώντα στοιχεία συνάφειας (Context actors) Η εσωτερική τους δοµή αναπαριστά την αποσύνθεση των στόχων ή των διεργασιών, σε επιµέρους διεργασίες ή υπο-στόχους, µε τη χρήση ενός αριθµού άλλων δρώντων στοιχείων συνάφειας ή δρώντων στοιχείων ενέργειας ρώντα στοιχεία καθοδήγησης (Guide actors) Χρησιµοποιούνται να για αναπαραστήσουν τον τρόπο µε τον οποίο επιτυγχάνεται µία αποσύνθεση στόχων ή διεργασιών. Παρέχονται οι αποσυνθέσεις τύπου KAI (AND) και τύπου Ή (OR), αφού αυτές οι δύο θεµελιώδεις ενέργειες µπορούν να µοντελοποιήσουν οποιαδήποτε αποσύνθεση διεργασιών ή στόχων. Για αναπαράσταση σύνθετων διεργασιών (π.χ παρεµβολή διεργασιών, διακοπή διεργασιών κλπ), το Γ.Ε.Π.Ρ-Μοντέλο παρέχει την λίστα αναµονής δρώντων στοιχείων, τους συνδέσµους συνθήκης και τις ιδότητες χρήσης των συνδέσµων ( read only, debit, ΟΚ) Εικονικά δρώντα στοιχεία (Virtual actors) Χρησιµοποιούνται για τη γραφική οµαδοποίηση των δρώντων στοιχείων, χωρίς καµία άλλη σηµασία και χρησιµοποιούνται σαν επαναχρησιµοποιούµενα στοιχεία (reusable components) κατά τη διαδικασία σχεδίασης Σύνδεσµοι (Links) Oι σύνδεσµοι, µε την αποθήκευση των κουπονιών περιγράφουν την κατάσταση που προηγείται ή είναι το αποτέλεσµα µιας ενέργειας του χρήστη ή του συστήµατος. Οι σύνδεσµοι επίσης έχουν µια εσωτερική δοµή παρόµοια µε αυτή των δρώντων στοιχείων. Υπάρχουν έξι τύποι συνδέσµων: Σύνδεσµοι γεγονότος (Event links) Αυτοί περιγράφουν τα γεγονότα τα οποία προκαλούνται από τους συµµετέχοντες µιας EVR εφαρµογής. Οι σύνδεσµοι γεγονότος µπορούν να χρησιµοποιηθούν για να περιγράψουν την 62

64 επικοινωνία των γεγονότων είτε κατά τη διάρκεια του διαλόγου αλληλεπίδρασης µεταξύ του χρήστη και των εικονικών αντικειµένων της EVR εφαρµογής (εξωτερικός διάλογοςexternal dialogue), είτε µεταξύ των εικονικών αντικειµένων της EVR εφαρµογής (εσωτερικός διάλογος - internal dialogue). Στις εφαρµογές VR τα γεγονότα µπορεί να είναι περισσότερο σύνθετα σε σύγκριση µε τα αντίστοιχα σε άλλες αλληλεπιδραστικές εφαρµογές. Για παράδειγµα, στις εφαρµογές εικονικής πραγµατικότητας εµβύθισης, ο χρήστης προκαλεί γεγονότα χρησιµοποιώντας προηγµένες υλικές συσκευές διεπικοινωνίας χρήστη (hardware interface devices), όπως γάντια δεδοµένων (data gloves) ή exoskeletons και χρησιµοποιεί πιο πολύπλοκες µεθόδους αλληλεπίδρασης από ότι ένα απλό πάτηµα ενός πλήκτρου ή µία µετακίνηση του ποντικιού. Στο [26] έχει προταθεί ένας αριθµός από ποικίλες µεθόδους αλληλεπίδρασης, όπου η διαδικασία της παραγωγής γεγονότων έχει µία εσωτερική δοµή. Για παράδειγµα, µεταξύ άλλων, τέτοιες µέθοδοι αλληλεπίδρασης είναι αυτές στις οποίες χρησιµοποιούνται χειρονοµίες από το χρήστη (gesture interaction methods). Το µοντέλο ΓΕΠΡ παρέχει αποσύνθεση των συνδέσµων γεγονότος, έτσι ώστε ο σχεδιαστής να έχει τη δυνατότητα να καθορίζει µε ακρίβεια τον τρόπο µε τον οποίο µπορούν τα γεγονότα να παραχθούν Σύνδεσµοι συνθήκης (Condition links) Αναπαριστούν τις καθολικές ή τοπικές συνθήκες οι οποίες είτε προηγούνται είτε είναι αποτέλεσµα µιας ενέργειας που λαµβάνει χώρα από οποιονδήποτε συµµετέχοντα στην EVR εφαρµογή. Συνεπώς αυτοί οι σύνδεσµοι αναπαριστούν την προτεραιότητα της εκτέλεσης και την διαθεσιµότητα των δρώντων στοιχείων. Επιπροσθέτως, οι σύνδεσµοι συνθήκης περιγράφουν κατά πόσον κάποιος συµµετέχον είναι έτοιµος να επεξεργαστεί τηη ενέργεια ενός άλλου συµµετέχοντα, που θα οδηγήσει στην επίτευξη ενός επιµέρους στόχου µέσα στην EVR εφαρµογή Σύνδεσµοι δεδοµένων (Data links) Αυτοί αναπαριστούν τη ροή των δεδοµένων ή του ελέγχου µέσα στην EVR εφαρµογή. Επιπλέον αναπαριστούν και το περιεχόµενο των µηνυµάτων τα οποία διακινούνται µεταξύ των συµµετεχόντων Σύνδεσµοι συνάφειας (Context links) Αυτοί αναπαριστούν το περιβάλλον στο οποίο ένας αριθµός από αλληλεπιδράσεις λαµβάνει χώρα. Συνεπώς, οι σύνδεσµοι περιβάλλοντος περιγράφουν το περιβάλλον στο οποίο ανήκει κάποιος στόχος ή κάποια στοιχειώδης διεργασία και καταδεικνύουν κατά πόσο ένας κύριος στόχος αναλύεται σε υποστόχους, έτσι ώστε να αρχίζει µια καινούργια οµάδα διεργασιών (session) για την ικανοποίηση του καθενός από τους υποστόχους. Επιπροσθέτως, οι σύνδεσµοι περιβάλλοντος συντελούν στην αναπαράσταση της µνήµης και της γνώσης (memory and knowledge issues) του συστήµατος τα οποία είναι εξαιρετικής σηµασίας για τις EVR εφαρµογές. Κάθε δρων στοιχείο το οποίο ανήκει σε ένα συγκεκεριµένο περιβάλλον, γνωρίζει το στόχο των άλλων δρώντων στοιχείων τα οποία ανήκουν στο ίδιο περιβάλλον. Το µοντέλο Γ.Ε.Π.Ρ µπορεί να µοντελοποιήσει την µακροπρόθεσµη µνήµη (long-term memory) µε τη χρήση της λίστας έτοιµων δρώντων στοιχείων και τα περιεχόµενα των συνδέσµων περιβάλλοντος, αφού η βραχυπρόθεσµη µνήµη (short-term memory) αναπαρίσταται κατευθείαν µέσα στο τρέχον περιβάλλον. 63

65 Σύνδεσµοι επικοινωνίας (Communication links) Μοντελοποιούν τις επιδράσεις τις οποίες οι επιµέρους µικρόκοσµοι, που υπάρχουν µέσα στην συνολική EVR εφαρµογή, έχουν ο ένας στον άλλο, αφού υπάρχει ένα ξεχωριστό Virtual-MFG γράφηµα για καθένα επιµέρους εικονικό µικρόκοσµο Σύνδεσµοι µάθησης (Learning Links) Αυτός ο τύπος συνδέσµων δηµιουργήθηκε για να παρέχονται δυνατότητες στους σχεδιαστές των EVR εφαρµογών ώστε να µπορούν να αναπαριστούν τα θέµατα εκπαιδευτικής και διδακτικής φύσεως της τελικής εφαρµογής. Οι σύνδεσµοι µάθησης κατηγοριοποιούνται ως εξής: Σύνδεσµοι µαθησιακής συνάφειας (Learning Context Links) Προδιαγράφουν το περιβάλλον µάθησης ή και το διδακτικό περιβάλλον πλαίσιο µέσα στο οποίο πραγµατοποιούνται οι τρέχουσες αλληλεπιδράσεις µεταξύ του εκπαιδευόµενου και του εικονικού εκπαιδευτικού µικρόκοσµου. Επιπλέον, αναπαριστούν το τρέχον εκπαιδευτικό σενάριο µάθησης το οποίο εφαρµόζεται, όπως θα φανεί στις επόµενες παραγράφους Σύνδεσµοι ενίσχυσης εµπειρίας (Experience Amplification Learning Links) Αυτοί οι σύνδεσµοι χρησιµοποιούνται για την αναπαράσταση των αποκρίσεων του συστήµατος. Οι αποκρίσεις αυτές µπορεί να κατευθύνονται είτε από τις συσκευές εισόδου που χειρίζεται ο χρήστης, προς τον εικονικό µικρόκοσµο, είτε από τον εικονικό µικρόκοσµο προς τον χρήστη, µέσω των συσκευών εξόδου. Ετσι, παρέχουµε στον σχεδιαστή τη δυνατότητα να προδιαγράφει αυτές τις αποκρίσεις του συστήµατος που συµβαίνουν µε σκοπό ο χρήστης-εκπαιδευόµενος να αντιλαµβάνεται µε φυσικό τρόπο κάποιες ειδικές αποκρίσεις του συστήµατος. Μεταξύ άλλων ειδικών αποκρίσεων είναι η ανάδραση αφής (απτική) κατά την οποία παράγονται ερεθίσµατα στα χέρια του χρήστη, και ο επαναπροσανατολισµός του χρήστη µέσα στον εικονικό µικρόκοσµο µε την αλλαγή της οπτικής γωνίας, όταν ο χρήστης µετακινεί το κεφάλι του ενώ φορά ένα head-mounted display. Αυτός ο τύπος συνδέσµων καθιστά το µοντέλο ΓΕΠΡ κατάλληλο να αναπαριστά τεχνικές αλληλεπίδρασης εµβύθισης, όπου γίνεται χρήση προηγµένων συσκευών υλικού για την διεπικοινωνία χρήστη µε αισθητήρες εισόδου-εξόδου Σύνδεσµοι εκτίµησης-αξιολόγησης (Assessment and Evaluation Learning Links) Αυτοί οι σύνδεσµοι µοντελοποιούν την ενεργοποίηση εκείνης της µονάδας λογισµικού που είναι υπεύθυνη για την εφαρµογή ενός µηχανισµού εκτίµησης και αξιολόγησης του εκπαιδευόµενου χρήστη Σύνδεσµοι προσοµοίωσης (Simulation Learning Links) Καθορίζουν την εκτέλεση, µέσα σε µια EVR εφαρµογή, µιας προ-εγγεγραµµένης προσοµοίωσης κάποιας διαδικασίας, µιας επίδειξης ή µιας αυτόµατης πλοήγησης χωρίς την παρέµβαση του χρήστη. 64

66 Η Αρχιτεκτονική Χ.Ε.Π.Α Η αρχιτεκτονική Χώρου Εργασίας Προδιαγραφών Αλληλεπίδρασης (Χ.Ε.Π.Α) είναι µια αρχιτεκτονική λογισµικού για τις προδιαγραφές και την σχεδίαση των EVR εφαρµογών και περιλαµβάνει τρία τµήµατα: Τον Interaction3Design επεξεργαστή, το Υποσύστηµα Κατασκευής Πρωτοτύπου (Prototyping Subsystem) και την EVR εφαρµογή-στόχο (Target EVR Application) που είναι µια εξωτερική οντότητα και ανήκει µερικώς στην Χ.Ε.Π.Α. Η γεωµετρία των εικονικών αντικειµένων, τα γραφικά πραγµατικού χρόνου, το φως της εικονικής σκηνής κ.λπ. παράγονται µε ένα Εργαλείο Ανάπτυξης VR (third-party). Στο Σχήµα 12 παρουσιάζεται η γενική δοµή της αρχιτεκτονικής. Ο σχεδιαστής χρησιµοποιεί τον Interaction3Design Editor και κατασκευάζει τα ΓΕΠΡ γραφήµατα τα οποία αναπαριστούν τις αλληλεπιδραστικές και διδακτικές συνόδους που πραγµατοποιούνται µε συµµετέχοντες τον χρήστη-εκπαιδευόµενο και την τελική EVR εφαρµογή. Ο επεξεργαστής Interaction3Design είναι ένα τρι-διάστατο εργαλείο που προτείνει το virtual programming, ως την µετεξέλιξη του σύγχρονου visual programming. Στο Σχήµα 13 απεικονίζεται ένα στιγµιότυπο του Interaction3Design επεξεργαστή. Ο Μεταφραστής (Translator) εξάγει τα Λεκτικά, Συντακτικά Και Σηµασιολογικά εδοµένα (Lexical, Semantic & Syntactical Data) και ο Αναλυτής (Analyser) χρησιµοποιεί αυτά τα στοιχεία προκειµένου να ελεγχθούν τα ΓΕΠΡ γραφήµατα για την ακρίβεια, να αξιολογηθεί η ακεραιότητα των συνόδων της αλληλεπίδρασης και να παραχθούν οι πίνακες δεδοµένων ΓΕΠΡ (Virtual-MFG Data Tables). Ο ιαχειριστής Παρουσίασης και ο ιαχειριστής ιαλόγου (Presentation Manager και Dialogue Manager) διαβάζουν τους Πίνακες εδοµένων Γ.Ε.Π.Ρ και παράγουν τον αντίστοιχο κώδικα σε γλώσσα VRML. Αυτός ο κώδικας VRML είναι τα εδοµένα Προδιαγραφών Αλληλεπίδρασης (Interaction Specification Data). Το ήδη υπάρχον VRML Αρχείο του Εικονικού Μικρόκοσµου (Virtual Microworld VRML file) ενηµερώνεται µε αυτόν τον κώδικα που παράχθηκε. Αυτές οι προδιαγραφές αλληλεπίδρασης, που περιλαµβάνουν και τις διαλογικές και τις εκπαιδευτικές ιδιότητες των εικονικών αντικειµένων, είναι εκτελέσιµες, αφού το Virtual Microworld VRML file της τελικής EVR εφαρµογής ενηµερώνεται τώρα µε τις προδιαγραφές της αλληλεπίδρασης, και ο σχεδιαστής µπορεί να αξιολογήσει την τελική εφαρµογή όσον αφορά την αλληλεπιδραστικότητα της µε τον τελικό χρήστη και τους εκπαιδευτικούς της στόχους. Αυτό επιτρέπει στο σχεδιαστή να πάρει τη θέση του τελικού χρήστη-εκπαιδευόµενου και να ελέγξει το κατά πόσον η εφαρµογή καλύπτει τις αρχικές απαιτήσεις που είχαν τεθεί. 65

67 Χρήστης-Σχεδιαστής ιεπαφή Χρήστη-Εικονικής Πραγµατικότητας (διάφανο interface) Επεξεργαστής Interaction3Design Τελική EVR εφαρµογή-στόχος Βιβλιοθήκη Στοιχείων Γ.Ε.Π.Ρ Μεταφραστής Λεκτικά-Συντακτικά-Σηµασιολογικά εδοµένα VRML Αρχείο Εικονικού Μικρόκοσµου Εργαλείο Ανάπτυξης VR (third-party) Αναλυτής Φορµαλισµός Γ.Ε.Π.Ρ Πίνακες εδοµένων ΓΕΠΡ ιαχειριστές Παρουσίασης & ιαλόγου εδοµένα Προδιαγραφών Αλληλεπίδρασης (VRML code) Υ Σχήµα 12: Η Αρχιτεκτονική Χ.Ε.Π.Α ύ 66

68 Σχήµα 13: Ενα στιγµιότυπο του Interaction3Design επεξεργαστή 5.2. Επικύρωση του µοντέλου Γ.Ε.Π.Ρ και της αρχιτεκτονικής Χ.Ε.Π.Α Το εκπαιδευτικό λογισµικό ΕΙΚΩΝ Το εκπαιδευτικό λογισµικό εικονικής πραγµατικότητας ΕΙΚΩΝ χρησιµοποιείται ως συµπληρωµατικό υλικό στο µάθηµα της Τεχνολογίας και αυτήν την περίοδο βρίσκεται υπό αξιολόγηση σε επιλεγµένα γυµνάσια στην Ελλάδα. Πρόκειται για ένα πρωτότυπο για την διδασκαλία έξι ωριαίων µαθηµάτων το οποίο αφορά στην "Γεωργική Τεχνολογία" από τους αρχαίους χρόνους έως και την σύγχρονη εποχή. Το ΕΙΚΩΝ περιλαµβάνει τέσσερους εικονικούς µικρόκοσµους (virtual microworlds) και µπορεί να εκτελεστεί µέσω ενός τοπικού δικτύου ή µέσω του διαδικτύου [44]. Για την σχεδίαση και την ανάπτυξη της εφαρµογής ΕΙΚΩΝ η τεχνολογία VR συνδυάστηκε µε την τεχνολογία των υπερµέσων και πολυµέσων (hypermedia, multimedia) και µε λογισµικό βάσεων δεδοµένων (database software), προκειµένου να δίνονται δυνατότητες στον διδάσκοντα καθηγητή να προσαρµόζει το εκπαιδευτικό λογισµικό και να επηρεάζει, να τροποποιεί ή να καθορίζει τις λειτουργικές και συµπεριφορικές ιδιότητες των εικονικών αντικειµένων του ΕΙΚΩΝ. Επιπλέον, το ΕΙΚΩΝ ενσωµατώνει και λογισµικό για τη διαχείριση της τάξης και την αξιολόγηση των µαθητών κατά τη διάρκεια µιας περιόδου αλληλεπίδρασης. Η αρχιτεκτονική υψηλού επιπέδου του ΕΙΚΩΝ δίνεται στο Σχήµα

69 Μαθητής ιεπαφή Χρήσης Μαθητή (Student User Interface) ΕΠΙΠΕ Ο ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ - 1 ιαδίκτυο Τοπικό ίκτυο PC Εκπαιδευτικοί Εικονικοί Μικρόκοσµοι Γεωργικής Τεχνολογίας Εφαρµογές O.L.E ιαδίκτυο Τοπικό ίκτυο PC ΕΠΙΠΕ Ο ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ - 2 Υποσύστηµα Καταγραφής ραστηριότητας Μαθητή Κατάλογος Μαθητών Βάση Πολυµέσων Εικονικά Αντικείµενα ιαχείριση Τάξης Αξιολόγηση Μαθητών Υποσύστηµα Πρωτοτυποποίησης ιαχείριση Πολυµέσων ιαχείριση Εικονικού Μικρόκοσµου ιεπαφή Χρήσης ιδάσκοντα (Tutor User Interface) ιδάσκων Καθηγητής Σχήµα 14: Η αρχιτεκτονική του ΕΙΚΩΝ 68

70 Στην επόµενη ενότητα παρουσιάζονται οι προδιαγραφές της εκπαιδευτικής αλληλεπίδρασης του µαθητή µε το ΕΙΚΩΝ, σε ένα συγκεκριµένο µαθησιακό σενάριο, χρησιµοποιώντας το µοντέλο Γ.Ε.Π.Ρ Προδιαγραφές ενός σεναρίου µάθησης µε χρήση Γ.Ε.Π.Ρ Το σενάριο µάθησης "Συναρµολόγηση των τροχών στο γεωργικό ελκυστήρα" είναι ένα µέρος του γενικότερου σεναρίου του ΕΙΚΩΝ το οποίο ονοµάζεται Κατασκευές Σύγχρονης Εποχής και περιγράφεται στους µαθητές ως εξής: Συναρµολογείστε το γεωργικό ελκυστήρα. Πάρτε screenshots όλων των µερών. Χρησιµοποιήστε λογισµικό παρουσίασης για να παρουσιάσετε τις στοιχειώδεις γεωργικές εργασίες όπου χρησιµοποιείται ο γεωργικός ελκυστήρας. Σε αυτό το σενάριο µάθησης που θα προδιαγραφεί µε τα τρι-διάστατα γραφήµατα του µονέλου Γ.Ε.Π.Ρ, οι µαθητές πρέπει να συγκεντρώσουν τις ρόδες του γεωργικό ελκυστήρα οι οποίες βρίσκονται δίπλα στο γεωργικό ελκυστήρα και ο µαθητής πρέπει να συγκεντρώσει όλους τους τροχούς και να τους τοποθετήσει στον σωστό άξονα του γεωργικού ελκυστήρα. Αυτός είναι και ο κύριος στόχος του χρήστη ο οποίος στο εξής θα αναφέρεται σαν: AssembleAllWheels. Ο κύριος στόχος αποσυντίθεται άµεσα σε δύο υπο-στόχους: πρώτον, την επιλογή κατάλληλης οπτικής γωνίας (στο εξής: View) ώστε ο µαθητής να βλέπει και το γεωργικό ελκυστήρα και τους τροχούς, και δεύτερον την τοποθέτηση καθενός τροχού στο γεωργικό ελκυστήρα (στο εξής: ΣυναρµολόγησεΤονΚαθέναΤροχό ή AssembleEachWheel). Τρία αντιπροσωπευτικά γραφήµατα θα παρουσιαστούν: ένα για την αναπαράσταση του κύριου στόχου "AssembleAllWheels" και δύο για την αναπαράστααση των υποστόχων "View" και "AssembleEachWheel". Στο Σχήµα 15 ο βασικός στόχος αποσυντίθεται στους δύο υπο-στόχους, µε την χρήση του δρώντος στοιχείου καθοδήγησης Τύπου "ΚΑΙ", που συµβολίζεται µε τον όρθιο κύλινδρο ο οποίος περιλαµβάνει τα υπόλοιπα Γ.Ε.Π.Ρ στοιχεία. Προκειµένου να επιτευχθεί αυτός ο κύριος στόχος, ο µαθητής πρέπει να πλοηγηθεί µέσα στο EVR. Αυτή η πλοήγηση προσδιορίζεται µε τον σύνδεσµο γεγονότος "Navigate". Ο σύνδεσµος συνάφειας "AssembleAllWheelsGoal" προσδιορίζει τον στόχο της τρέχουσας αλληλεπίδρασης, και ο σύνδεσµος συνθήκης "AllWheelsOK" υπάρχει για να ελεγχθεί αν οι τροχοί συναρµολογούνται σωστά επάνω στον άξονα του γεωργικού ελκυστήρα. Το Υποσύστηµα Καταγραφής ραστηριότητας Μαθητή παρακολουθεί την εκπαιδευτική αλληλεπίδραση του µαθητή µε το ΕΙΚΩΝ, και την καταγράφει στον κατάλογο µαθητών (βλ. Σχήµα 14), για την περαιτέρω αξιολόγηση τους. Ο σύνδεσµος εκτίµησης-αξιολόγησης TractorAssemblageEvaluation καθορίζει την ενεργοποίηση του προαναφερθέντος υποσυστήµατος, ενώ το τρέχον σενάριο µάθησης περιγράφεται από τον TractorAssemblageScenario σύνδεσµο µαθησιακής συνάφειας. 69

71 Σχήµα 15: Η αποσύνθεση του κύριου στόχου του µαθητή Το Σχήµα 16 παρουσιάζει το "View" δρων στοιχείο συνάφειας Τύπου-"Ή" του σχήµατος 5, που εδώ συµβολίζεται µε τον οριζόντιο κύλινδρο ο οποίος περικλύει τα "FkeyViewpoint" και "FreeViewpoint" δρώντα στοιχεία ενέργειας. Το πρώτο από αυτά τα δύο θα εκτελεστεί όταν ο χρήστης-µαθητής πιέσει στο πληκτρολόγιο του το κατάλληλο function key που του παρέχει τη σωστή οπτική γωνία, ενώ το δεύτερο θα εκτελεστεί όταν ο χρήστης επιλέξει τη σωστή οπτική γωνία µε ελεύθερη πλοήγηση, χρησιµοποιώντας το ποντίκι. Κουπόνια παράγονται στους συνδέσµους ViewOK και ViewGoalOK όταν το ένα ή το άλλο από αυτά τα δύο δρώντα στοιχεία ("FkeyViewpoint" ή "FreeViewpoint") εκτελεστεί. 70

72 Σχήµα 16: Το δρων στοιχείο συνάφειας View Σχήµα 17: Το δρων στοιχείο συνάφειας AssembleEachWheel 71