Σχεδίαση και Προσομοίωση του Πρωτοκόλλου TCP/IP - Εκπαιδευτικό Εικονικό Περιβάλλον για τη Β Τάξη Γυμνασίου Κωνσταντίνα Τάτση 1, Ελένη Σεραλίδου 2 1 Καθηγήτρια Πληροφορικής, αποσπασμένη στο ΕΕΕΕΚ Αγ.Δημητρίου Αττικής msc_tatsikona@yahoo.gr 2 Καθηγήτρια Πληροφορικής, διάθεση στο Γραφείο της Δ/νσης Β/θμιας Εκπ/σης Πειραιά eseralid@gmail.com Περίληψη Η πρόσπάθεια που γίνεται τα τελευταία χρόνια για την βελτιστοποίηση της ποιότητας της εκπαιδευτικής διαδικασίας στοχεύει και στην ένταξη νέων εφαρμογών της Πληροφορικής στην διδακτική και μαθησιακή διαδικασία. H Εικονική Πραγματικότητα (E.Π.) αποτελεί το νέο μαθησιακό μέσο που εξυπηρετεί τις βασικές αρχές των σύγχρονων θεωριών μάθησης και διδασκαλίας, αφού δίνει στον μαθητή τη δυνατότητα της ενεργού οικοδόμησης της γνώσης. Στη παρούσα εργασία αναλύεται το θεωρητικό πλαίσιο της εκπαιδευτικής αξιοποίησης των εφαρμογών Ε.Π., εξετάζονται οι θεωρίες μάθησης και η αξιοποίησή τους στο χώρο της Ε.Π.. Παρουσιάζεται σε εικονική αναπαράσταση η εφαρμογή του πρωτοκόλλου TCP/IP ως μια πρόταση για τη διδασκαλία του μαθήματος της Πληροφορικής στη Β Τάξη του Γυμνασίου. Περιγράφεται η σχεδίαση των σκηνών με τη χρήση του 3D Studio Max, η μετατροπή τους σε εικονικά περιβάλλοντα μέσω VRML και η εκτέλεση της εφαρμογής μέσω του Cortona. Λέξεις κλειδιά: Εικονική Πραγματικότητα (Ε.Π.), εικονικό περιβάλλον, αλληλεπίδραση. Abstract The effort made during the last few years for the optimisation of quality in the educational process aims to integrate new applications of Informatics technology in the instructive and training process. Virtual reality constitutes the new training means that serves the basic principles of modern learning and teaching theories, by giving the student the ability to construct his knowledge actively. In the present thesis the theoretical frame of educational exploitation of applications in virtual reality is analysed and the theories of modern learning and their exploitation is examined. A virtual representation of an application that that simulates the function of the TCP/IP protocol, is presented as a teaching proposal for the course of Informatics technology in the second grade of Gymnasiums. The designing process of the scenes with the use of 3D Studio Max is described and also their transformation in virtual environments via the VRML programming language and the use of the Cortona browser in order for the user to gain access in the existing virtual world. Key Words: Virtual Reality (V.R.), Virtual Environment, Interaction.
1. Εισαγωγή Διανύουμε μία περίοδο σημαντικών αλλαγών τόσο σε τεχνολογικό όσο και σε κοινωνικό επίπεδο και εκπαίδευση δύσκολα θα μπορούσε να μείνει ανεπηρέαστη από τις αλλαγές αυτές. Οι μορφές διδασκαλίας που στηρίζονται σε παραδοσιακές μεθόδους και τεχνικές, τίθενται υπό σοβαρή αμφισβήτηση. Η σύγχρονη παιδαγωγική αντίληψη εστιάζει στους τρόπους με τους οποίους οι μαθητές θα μπορούσαν να γίνουν ικανοί να εντοπίζουν, να ερμηνεύουν και να συνδυάζουν δημιουργικά τις πληροφορίες που προσλαμβάνουν από ετερόκλητες πηγές ώστε να απομονώνουν, να ορίζουν και να λύνουν προβλήματα. (Τσολάκης & Φωκίδης, 2007) Το βασικό λοιπόν ζητούμενο των εκπαιδευτικών συστημάτων σήμερα είναι η αναβάθμιση της εκπαιδευτικής και διδακτικής διαδικασίας μέσω προηγμένων τεχνολογικά μαθησιακών περιβαλλόντων σε συνεργασία με με τις βασικές θεωρίες μάθησης. H Εικονική Πραγματικότητα (Virtual Reality, Ε.Π.) και γενικότερα τα τρισδιάστατα γραφικά (3D Graphics) αποτελούν το νέο αυτό μαθησιακό μέσο που εξυπηρετεί τις βασικές αρχές των σύγχρονων θεωριών μάθησης και διδασκαλίας, αφού δίνει στον μαθητή τη δυνατότητα της ενεργού οικοδόμησης της γνώσης μέσω της ανακάλυψης και της διερεύνησης, της αλληλεπίδρασης του μαθητή με το κοινωνικό, πολιτιστικό, ιστορικό, επιστημονικό πλαίσιο στο οποίο δραστηροποιείται (Vygotsky, 1978). Ένα σύστημα ΕΠ εκμεταλλεύεται και αναδεικνύει τα χαρακτηριστικά των παιδαγωγικών αρχών και της διδακτικής. Ο παθητικός ρόλος του μαθητή στις διαλέξεις και στη μελέτη εγχειριδίων μετατρέπεται σε ενεργό αφού αλληλεπιδρά με άλλους χρήστες μέσα σε ένα ευχάριστο περιβάλλον (Kalawsky, 1996). Η σπουδαιότητα της Ε.Π. στην εφαρμογή της στην εκπαιδευτική θεωρία και πράξη διαφαίνεται από το διαχωρισμό του τεχνολογικού από τον εννοιολογικό (conceptual) προσανατολισμό της.κατά την εννοιολογική θεώρηση η σχεδίαση και ανάπτυξη ενός συστήματος εικονικής πραγματικότητας για εκπαιδευτικές εφαρμογές εστιάζει στις γνωστικές, πνευματικές, κοινωνικές και συναισθηματικές διεργασίες του μαθητή. Η μεγάλη διαφορά ενός συστήματος Ε.Π. από έναν υπολογιστή και τα παραδοσιακά συστήματα CAI (Computer Assisted Instruction, διδασκαλία υποστηριζόμενη από υπολογιστή) είναι ότι ο υπολογιστής επεκτείνει το ανθρώπινο νευρικό σύστημα, το οποίο όμως δεν είναι ένας επεξεργαστής συμβόλων αλλά μια γεννήτρια πραγματικότητας (Chalkidis, Mikropoulos & Katsikis, 1997). Στη εφαρμογή αυτή μελετάται ο τρόπος με τον οποίον η Ε.Π. ως μαθησιακό και διδακτικό μέσο συμβάλλει στην υλοποίησή των βασικότερων θεωριών μάθησης (δομητισμός συμπεριφορισμός). Μέσα στο θεωρητικό αυτό πλαίσιο οριοθετήθηκε η δημιουργία μιας εκπαιδευτικής εφαρμογής για τη Β Τάξη του Γυμνασίου που περιγράφει το πρωτόκολλο μετάδοσης δεδομένων μέσω δικτύου TCP/IP. Αποτελεί μια διδακτική πρόταση μέσω της οποίας επιχειρήσαμε την ενσωμάτωση και την αξιοποίηση της τεχνολογίας της Ε.Π. στη δημιουργία ενός εκπαιδευτικού εικονικού περιβάλλοντος για την υποστήριξη της διδασκαλίας του μαθήματος των Δικτύων στο 199
Γυμνάσιο. Περιγράφεται ο τρόπος σχεδίασης του χώρου του εργαστηρίου και του εξοπλισμού του καθώς και των σκηνών που αναπαριστούν την πληροφορία και τη μεταφορά της μέσω του TCP/IP με τη χρήση του σχεδιαστικού προγράμματος τρισδιάστατων γραφικών 3D Studio Max. Στη συνέχεια οι σκηνές μετατρέπονται σε εικονικούς κόσμους VRML, εισάγονται ενεργά σημεία (hot spots) για την πλοήγηση και η εφαρμογή εκτελείται μέσω του φυλλομετρητή (browser) Cortona. Τέλος η εφαρμογή εγκαθίσταται σε εργαστηριακή τάξη Γυμνασίου, όπου οι μαθητές αφού περιηγηθούν στο εικονικό εργαστήριο απαντούν σε ερωτηματολόγιο σχετικό με την εφαρμογή. 2. Εικονική Πραγματικότητα και εκπαίδευση σήμερα Ένα αξιόλογο παράδειγμα εφαρμογής της τεχνολογίας των εικονικών κόσμων σε εκπαιδευτικά πλαίσια αποτέλεσε και το πειραματικό σχέδιο δημιουργίας ενός εικονικού πανεπιστημίου με την ονομασία the U Virtual University. Η ιδέα αυτή ξεκίνησε από ένα πανεπιστήμιο του Τορόντο και ένας από τους στόχους του είναι να αποτελέσει μελλοντικά το πρώτο ίδρυμα εικονικής εκπαίδευσης. To Whyville δημιουργήθηκε το 1999 από την Numedeon Inc και είναι μια προσομοίωση μαθήματος για παιδιά που βασίζεται σε έναν απλό εικονικό κόσμο. Το Electronic Visualization Laboratoty (EVL) του Πανεπιστημίου του Illinois στο Σικάγο υλοποίησε το πρόγραµµα Round the Earth (γύρο από την γη) με σκοπό να διδάξει στα παιδιά ότι η γη είναι στρογγυλή. Στην Ελλάδα τέτοιες προσπάθειες έχουν γίνει αρκετες. Ενδεικτικά αναφέρουμε «Tο Μουσείο του Οδυσσέα», έναν εικονικό μουσείο για τη διδασκαλία της μυθολογίας στο δημοτικό. Τέλος πολλοί εικονικοί κόσμοι όπως το Second Life χρησιμοποιούνται σήμερα ως εικονικές τάξεις για τη διδασκαλία μαθημάτων τόσο σε μαθητές όσο και σε φοιτητές. Κάτι ανάλογο σχεδίασε και η εταιρία Learning Sites για τις ανάγκες του προγράµµατος σπουδών των Ηνωµένων Πολιτειών της Αµερικής.Το πρόγραµµα αναπαράγει σε εικονική µορφή την αρχαιολογική ανασκαφή ενός σπιτιού της Βάρης το 300π.Χ. 3.Ανάπτυξη της εκπαιδευτικής εφαρμογής «Πρωτόκολλο TCP/IP» 3.1. Σχεδίαση των σκηνών στο 3D Studio Max Για την υλοποίηση της εφαρμογής, αρχικά σχεδιάστηκαν 4 σκηνές στο 3d studio max όπως περιγράφονται παρακάτω. Το εργαστήριο (αρχείο lab.max, Σχήματα 1 και 2): To εργαστήριο σχεδιάστηκε σε πραγματικές διαστάσεις 6mx4mx2.98m και τοποθετήθηκαν στο εσωτερικό του 7 γραφεία με υπολογιστές, 1 γραφείο του καθηγητή, μια ραφιέρα για την στήριξη ενός εκτυπωτή και ενός σαρωτή, ένας 200
πίνακας και ένα Rack. Επιπλέον συνδέσαμε έναν υπολογιστή με το Rack μέσω καλωδίου (wire), ώστε να μπορέσουμε να αναπτύξουμε την εφαρμογή του TCP-IP. Ο χώρος φωτίζεται εικονικά από το φυσικό φως που εισέρχεται από δύο παράθυρα στο δεξιό τοίχο που διακοσμούνται με περσίδες. Για πιο αληθοφανές αποτέλεσμα, έξω από τα παράθυρα διακρίνονται δέντρα. Η περιήγηση στο εσωτερικό του εργαστηρίου πραγματοποιείται με την είσοδο μιας κάμερας από την πόρτα και ενός πλοηγού Examine της VRML. Σχήμα 1: Απόδοση του εργαστηρίου με τον εξοπλισμό Σχήμα 2: Απόδοση του εργαστηρίου με τον εξοπλισμό από άλλη θέση της κάμερας Την αποστολή και λήψη των πακέτων στο δίκτυο μέσω του Rack (αρχεία send.max και receive.max, Σχήμα 3): Για την προσομοίωση του πρωτοκόλου TCP-IP σχεδιάστηκε μια σκάλα με τέσσερα πλατύσκαλα. Το κάθε πλατύσκαλο αντιστοιχεί και σε ένα από τα τέσσερα επίπεδα του πρωτοκόλου (Φυσικό, Δικτύου, Μεταφοράς και Εφαρμογής). Το πακέτο κάθε 201
φορά που φτάνει σε ένα πλατύσκαλο εμπλουτίζεται από μία επικεφαλίδα (Header) και μία ουρά (Tile). Το πακέτο που στέλνεται από τον υπολογιστή στο Rack εισέρχεται στο ανώτερο πλατύσκαλο (Application level) και κατεβαίνει τη σκάλα μέχρι το κατώτερο πλατύσκαλο (Physical level). Κατά την λήψη πληροφορίας από τον υπολογιστή η διαδικασία αντιστρέφεται. Σχήμα 3: Απόδοση κίνησης πακέτων μέσα από το φακό της κάμερα Την διαδρομή των πακέτων στο καλώδιο του δικτύου. (αρχείο wire_path.max, Σχήμα 4): Για τη σχεδίαση του καλωδίου το οποίο θα χρησιμοποιηθεί για την αναπαράσταση της διέλευσης των πακέτων, χρησιμοποιήθηκαν αντικείμενα Spline και οι ιδιότητές τους καθώς και μια κάμερα που ακολουθεί τη διαδρομή του καλωδίου. Σχήμα 4.: Το εσωτερικό του αγωγού καθώς «ταξιδεύει» η κάμερα 3.2 Υλοποιήση της εφαρμογής σε VRML. Μετατροπή των σκηνών σε εικονικούς κόσμους Συγκεκριμένα με τη χρήση της VRML δημιουργήθηκαν οι εξής χώροι: αρχικά το δωμάτιο του εργαστηρίου, το οποίο περιλαμβάνει τους υπολογιστές (οθόνη, κεντρική 202
μονάδα, περιφερειακά) τοποθετημένους πάνω σε γραφεία με το κάθε ένα να έχει την καρέκλα του. Από έναν υπολογιστή, που έχει οριστεί ως κεντρικός διακομιστής, ξεκινά καλώδιο προς το Rack που είναι τοποθετημένο στο επάνω μέρος του δωματίου. Επίσης στο χώρο υπάρχουν και άλλες περιφερειακές συσκευές (Σχήμα 5). Σχήμα 5: Το εργαστήριο ως εικονικό περιβάλλον Ένας εκ των υπολογιστών, που είναι τοποθετημένοι στο χώρο λειτουργεί ως κόμβος πρόσβασης στο επόμενο δωμάτιο. Περνώντας το δείκτη του ποντικιού πάνω από την κεντρική του μονάδα, εμφανίζεται το σύμβολο της άγκυρας (εξαιτίας της εντολής anchor που έχει χρησιμοποιηθεί για τη συνένωση των δύο δωματίων) και μια σύντομη περιγραφή της λειτουργίας του. Κάνοντας κλικ πάνω στην προεπιλεγμένη περιοχή μεταφερόμαστε στο νέο δωμάτιο. Στο επόμενο δωμάτιο παρουσιάζεται η μετάδοση ενός πακέτου στο δίκτυο μέσω του πρωτοκόλλου TCP/IP (Σχήμα 6). Συγκεκριμένα το πακέτο ξεκινά από το πρώτο σκαλοπάτι της σκάλας, που αντιστοιχεί στο επίπεδο εφαρμογής, και κατεβαίνοντας εμπλουτίζεται με επιπλέον πληροφορίες που είναι απαραίτητες για τη μεταφορά του στο δίκτυο. Οι πληροφορίες αυτές έχουν τη μορφή πακέτων και τοποθετούνται στο τέλος και στην αρχή του μηνύματος, ως headers και tails. Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται μέχρι το πακέτο να φτάσει στο φυσικό επίπεδο, όπου πραγματοποιείται και η μετάδοση του στο φυσικό μέσο (καλώδιο). Το τελευταίο κεφαλόσκαλο (φυσικό επίπεδο) έχει οριστεί ως σύνδεσμος στο επόμενο δωμάτιο, μέσω της εντολής anchor της VRML. 203
Σχήμα 6: Μετάδοση πακέτων στο TCP/IP Διαδικασία αποστολής Το επόμενο δωμάτιο απλά παρουσιάζει την μετακίνηση των πακέτων μέσα σε ένα καλώδιο και η μόνη λειτουργία του είναι να παρέχει ένα σύνδεσμο με το κεντρικό δωμάτιο του εργαστηρίου.(σχημα 4) Όσον αφορά τη μετάδοση των πακέτων, παρουσιάζεται και η αντίστροφη διαδικασία (Σχήμα 7).Το rack στο χώρο του εργαστηρίου αποτελεί έναν ακόμα κόμβο, που οδηγεί σε ένα νέο δωμάτιο παρουσίασης της λήψης ενός μηνύματος. Το σκαλοπάτι που αντιστοιχεί στο επίπεδο εφαρμογής του πρωτοκόλλου, αποτελεί και σύνδεσμο προς το κεντρικό δωμάτιο του εργαστηρίου πληροφορικής. Σχήμα 7: Μετάδοση δεδομένων στο TCP/IP Διαδικασία λήψης 4. Αξιολόγηση της εφαρμογής από μαθητές Η εφαρμογή του εικονικού εργαστηρίου αξιολογήθηκε από τους μαθητές της Α, Β και Γ τάξης του ΕΠΑΛ Κορυδαλλού. Συγκεκριμένα στην αξιολόγηση συμμετείχαν τρία τμήματα, ένα της Α τάξης με δυναμικό 25 άτομα, ένα της Β τάξης οικονομίας με δυναμικό 20 άτομα και ένα της Γ τάξης πληροφορικής με δυναμικό 20 άτομα. Ο κάθε ένας μαθητής χρησιμοποίησε την εφαρμογή και έπειτα κλήθηκε να απαντήσει σε ένα ερωτηματολόγιο οκτώ ερωτήσεων. Παρατηρώντας το σύνολο των αποτελεσμάτων, όπως αναγράφονται στον Πίνακα 1, διαπιστώθηκε ότι σε πολύ μεγάλο ποσοστό οι 204
μαθητές έμειναν ικανοποιημένοι από τη χρήση της εφαρμογής. Κατά την περιήγηση δεν παρατηρήθηκαν ιδιαίτερες δυσκολίες κατανόησης και χρήσης του εργαλείου. Επίσης οι μαθητές φάνηκαν πολύ ενθουσιασμένοι με την ιδέα του εικονικού περιβάλλοντος και έδειξαν μεγάλη προθυμία να χρησιμοποιήσουν και τον εξοπλισμό περιήγησης στο χώρο (γάντια, κράνος κλπ.). Ερώτηση Πόσο ρεαλιστικό σας φαίνεται το εικονικό εργαστήριο στο οποίο περιηγηθήκατε; Πιστεύεται ότι ανταποκρίνεται στις ανάγκες ενός σχολικού εργαστηρίου; Πόσο εύκολη βρήκατε την περιήγηση σας στο χώρο του εργαστηρίου; Αντιληφθήκατε εύκολα τα σημεία συνδέσμους στο χώρο του εργαστηρίου; Σας φάνηκε κατανοητή η διαδικασίας μετάδοσης των πακέτων Μέσα από την παρουσίαση του εικονικού κόσμου κατανοήσατε πως λειτουργεί ένα εργαστήριο πληροφορικης Η χρήση της εφαρμογής σας κίνησε το ενδιαφέρον για να επισκεφθείτε ένα πραγματικό εργαστήριο; Τι ελλείψεις, κατά τη γνώμη σας, έχει ο εικονικός κόσμος στον οποίο περιηγηθήκατε και τι προτείνετε; 5. Συμπέρασματα Πίνακας 1: Αξιολόγηση αποτελεσμάτων Τάξη Πάρα πολύ Πολύ Αρκετά Καθόλου Α 12 9 4 Β 14 3 3 Γ 18 2 Α 23 2 Β 17 3 Γ 20 Α 20 5 Β 17 3 Γ 20 Α 15 7 3 Β 12 8 Γ 16 4 Α 5 12 5 3 Β 17 3 Γ 18 2 Α 20 5 Β 16 4 Γ 19 1 Α 25 Β 20 Γ 20 Α Β Γ Προσθήκη ήχου, περισσότερων χρωμάτων και εφέ, περισσότερες επεξηγήσεις. Οι εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας έχουν εισβάλει δυναμικά στην καθημερινή μας ζωή. Η χρήση εργαλείων εικονικής πραγματικότητας στην εκπαιδευτική διαδικασία έχει αποδεχθεί εξαιρετικά σημαντική. Στη χώρα μας η ανάπτυξη στον 205
συγκεκριμένο τομέα είναι ραγδαία με τη δημιουργία εικονικών πόλεων, μουσείων, πανεπιστήμιων Στη συγκεκριμένη εφαρμογή ο στόχος ήταν η ανάπτυξη ενός σύγχρονου εργαστηρίου πληροφορικής. Η χρήση του στοχεύει να καλύψει τις ανάγκες των μαθητών της δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης, δίνοντάς τους τη δυνατότητα να βρεθούν στο χώρο ενός εργαστηρίου και να ανακαλύψουν τον τρόπο μεταφοράς των πακέτων πληροφορίας μέσα σε αυτό. Για την υλοποίηση όμως τέτοιων εφαρμογών στην εκπαίδευση αποτελεί σημαντικός παραγόντας η ύπαρξη κατάλληλου λογισμικού και υλικού εξοπλισμού που να τις υποστηρίζει επάξια. Κάρτες γραφικών υψηλών δυνατοτήτων, δικτυακή υποστήριξη και οπτικοακουστικά μέσα είναι βασικά στοιχεία ενός τέτοιου εξοπλισμού. Αυτό το πρόβλημα αντιμετωπίσαμε κατά την εγκατάσταση της εφαρμογής στο σχολείο και αναγκαστήκαμε να μεταφέρουμε τους προσωπικούς μας υπολογιστές στο χώρο της αίθουσας. Βιβλιογραφία Chalkidis, A., Mikropoulos, T. A., Katsikis, A. (1997). Virtual Environments in Environmental Education: First Results. International Conference Virtual Reality in Education & Training (p. 49-58), Loughborough, UK. Kalawsky R. S. (1996). Exploiting Virtual Reality Techniques in Education and Training: Technological Issues. AGOCR report. Retrieved 20 March 2011 from www.agocg.ac.uk/reports/virtual Vygotsky L. S. (1978). Mind in Society: The Development of Higher Psychological Processes. Cambridge MA: Harvard University Press. 206