Abstract (An overview of virtual realityapplications for learning molecular properties)This paper presents a conceptual basis for the edu -cational use of virtual reality and its applicationto learning the physicochemical properties of mole-cules. The paper also shows related research, and theexperience of the Virtual Reality Laboratory ofthe University of Colima, Mexico, about learningand teaching molecular structure and its propertiesusing virtual reality technology.

IntroducciónEn la actualidad, es necesario concebir la escuela, laeducación y el aprendizaje de forma diferente. Hayque despertar el interés y el deseo de aprender de losestudiantes. En este sentido, la computadora puedeapoyar tres procesos fundamentales en la forma-ción del estudiante y de los profesores: el procesa-miento de la información, la interacción y la comu-nicación (Chacón, 1997):• El procesamiento de información: involucra las capa-

cidades intelectuales tales como: recordar, calcu-lar, leer, escribir y establecer relaciones entre lascosas. En este sentido, la computadora facilita larealización de estas tareas en forma más eficiente.

• La interacción: La interacción humana se realizamediante la comunicación o el intercambio designificados mediante mensajes. La interaccióntiene como base el diálogo, la alterabilidad y lariqueza de estímulos. El uso de la realidad virtual(RV) puede enriquecer los estímulos en la interac-ción. Combinar estos elementos permite al estu -

diante establecer un diálogo con la computadora,ejercer control sobre ella y recibir estímulos devarios sentidos sensoriales.

• La comunicación: puede ampliarse con el uso de lacomputadora como mediadora de la comunica-ción entre muchas personas con gran interactivi-dad, el correo electrónico y las videoconferenciasson un ejemplo de ello.

Las nuevas tecnologías no deben ser consideradascomo la panacea que resolverá todos los problemasde enseñanza, pues aunque pueden ser útiles en uncontexto determinado pueden no serlo en otro. Enapoyo a estas ideas, Valcárcel (1996) menciona quees necesario integrar las nuevas tecnologías en unprograma educativo bien fundamentado para haceruso pedagógico de las mismas, ya que son las metas,objetivos, contenidos y metodología lo que les per -mite adquirir un sentido educativo.

Apoyando lo anterior, la RV se ha aplicado concierto éxito en la educación, donde los estudiantesestán inmersos en forma dinámica en actividades deaprendizaje, utilizando más de un sentido sensorial.El enfoque de la RV educativa se ha basado en elparadigma constructivista (los estudiantes “apren-den haciendo”, en forma activa, construyendo supropio conocimiento a partir de lo ya aprendido).Las aplicaciones son variadas, desde el aprendizajede la arqueología, pasando por ecología, hasta llegara la química (Youngblut, 1998).

La RV es definida como un espacio o ambientetridimensional gráfico, táctil, visual o auditivo (tam-bién llamado “mundo virtual”) generado por compu-tadora, donde los usuarios pueden manipular sucontenido y navegar en ese espacio utilizando apa-ratos especiales (Sherman y Craig, 2003; Whitelock,2000). Ésta presenta una característica principal:produce el efecto de inmersión; esto es, cuando elusuario siente que está “adentro” del ambientevirtual.

Dependiendo de la inmersión, los equipos de RVse clasifican en semi-inmersivos y de inmersión com-

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Panorama de la realidad virtualaplicada a la enseñanza depropiedades molecularesMiguel Ángel García-Ruiz, César Bustos-Mendoza, María Andrade-Aréchiga,Ricardo Acosta-Díaz*

*Universidad de Colima, Laboratorio de Realidad Virtual (CEU-

PROMED) y Facultad de Telemática. Avenida Universidad 333,28040 Colima, México.mgarcia@ucol.mx, cbustos@ucol.mx, mandrad@ucol.mxacosta@ucol.mxRecibido: 22 de noviembre de 2004; aceptado: 24 de marzode 2005.

Desarrollos de “software”educativo

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pleta. La realidad virtual semi-inmersiva (llamadatambién como RV “de escritorio”) utiliza una com-putadora personal para desplegar un ambiente vir-tual, conteniendo una simulación o modelos en 3D.Generalmente, los usuarios observan el ambientevirtual por medio de lentes (gafas) estéreo, y el efectode inmersión es moderado. La realidad virtual deinmersión completa utiliza un casco de realidadvirtual (figura 1), donde el ambiente virtual se pro -yecta en el interior de éste, y los objetos virtuales semanipulan con guantes de datos y otros dispositivosespeciales, dando una sensación de inmersión muycompleta.

Una aplicación importante de la RV es en laenseñanza de las estructuras y otras propiedades delas moléculas. A los estudiantes de química general-mente se les dificulta aprender y entender conceptoscientíficos de la biología, bioquímica y materias afi-nes, debido a lo abstracto de los mismos. La dificul-tad en el aprendizaje se debe principalmente a que

suceden los procesos a una escala muy diferente ypequeña, con una estructura tridimensional intrinca-da, por lo que su comprensión resulta difícil, comolos enlaces moleculares. Las herramientas didácticastradicionales (por ej. los modelos moleculares deplástico) presentan muchas limitaciones para expli-car, analizar y entender los conceptos estructuralesy abstractos de moléculas. La RV pudiera resolveresos problemas, siguiendo diseños y aplicacionesadecuados (Youngblut, 1998).

Desde mediados de los noventa, los estudiantesde química pueden obtener de internet y analizar connotable efectividad infinidad de modelos molecu-lares en 3D, almacenados en formatos tales comoVRML (Virtual Reality Modeling Language), un len-guaje de programación estándar para RV (Casher et al.,1998), y en formato PDB (Protein Databank) (Bermanet al., 2000), entre otros. Las estructuras molecularesque representan los archivos en PDB pueden servistas con programas especiales, como el Rasmol oChime. La tabla 1 muestra algunos sitios web dondese pueden descargar archivos PDB, VRML y progra-mas para su visualización.

Ventajas y retos de la realidad virtual en la educaciónUn ambiente virtual educativo tiene ventajas quedifícilmente se podrían encontrar en otras tecnolo-gías. A continuación se explican algunas:

• Información multisensorial. El usuario de un am-biente virtual puede percibir información a travésde sus sentidos de la vista, oído, tacto, y quiza delolfato, pudiendo suceder todo al mismo tiempo.Esto permitiría que la información se presenta-ría de manera individualizada, de acuerdo con elestilo de aprendizaje del estudiante.

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Tabla 1. Sitios web con moléculas virtuales y programas para su visualización.

URL Descripción

http://www.karmanaut.com/cosmo/player/ Plug-in para visualizar archivos VRML.

http://www.nyu.edu/pages/mathmol/library/ Portal donde se enlistan páginas web con modelosmoleculares en VRML y otros formatos.

http://www.rcsb.org/pdb/http://www.umass.edu/microbio/rasmol/whereget.htmhttp://www.umass.edu/microbio/chime/getchesp.htm

Sitios web que contienen modelos molecularesalmacenados en formato PDB. Para ver la estructuramolecular de este formato, se necesita instalar en lacomputadora programas tales como Rasmol, o un plug-inpara navegadores de internet llamado Chime.

http://www.molecularmodels.ca/ Página que enlista modelos moleculares, con fineseducativos.

Figura 1. Casco de RV (HMD). Imagen cortesía del Laboratorio deRealidad Virtual, Universidad de Colima.

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• Reificación. Algunos conceptos se pueden hacermás explícitos y concretos con RV.

• Manipulación de escalas. Un ambiente virtual puedecontener diversos modelos moleculares con ta-maños diferentes y con escalas modificables. Ade-más, la escala permitiría observar la simulaciónde un fenómeno científico.

• Experiencia en primera persona. Los estudiantes pue-den presenciar en forma directa el análisis delmodelado o simulación del fenómeno científico,e interactuar con el mismo en forma más naturaly en tercera dimensión.

Sin embargo, la RV puede tener algunos efectossecundarios, que aparecen sólo si los ambientes vir-tuales inmersivos están mal diseñados o aplicados:

• Mareos y confusión visual: El despliegue amplio deambientes virtuales (en una pantalla de proyec-ción que abarque todo o buena parte del campovisual del estudiante) puede causar confusión vi -sual y mareos si la navegación dentro del ambien-te se realiza de manera rápida, y en el cambiobrusco del punto de vista del espectador. Además,el mareo aparece sobre todo en los cascos de RV

que no están bien sincronizados con el sensor demovimiento de la cabeza.

• Fatiga visual: Algunos sistemas de despliegue deRV pueden producir fatiga visual (vista cansada) alinicio en algunos usuarios, pero una vez que ellosse acostumbran a usarlo, el efecto se minimiza odesaparece.

Hardware y software de realidad virtual conaplicaciones en el análisis de moléculasEl considerable aumento de la velocidad de losmicroprocesadores, la capacidad de memoria, laconectividad, y el poder gráfico de las computadorasactuales, comparado con el de hace unos años, hapermitido el desarrollo y la aplicación de tecnologíade RV en campos como el de la bioquímica.

Actualmente, varias empresas de productos deRV en todo el mundo han desarrollado sistemasde visualización de alta resolución y con efecto este-reoscópico. Este efecto consiste en generar por com-putadora dos imágenes o gráficas superpuestas delmismo objeto, una para cada ojo, pero ligeramentedesfasadas. La visualización en estéreo se realiza pormedio de dos técnicas comunes: los anaglifos (lentescon filtros rojo-azul), o lentes inalámbricos de LCD(Liquid Crystal Display, por sus siglas en inglés). Al

visualizar las imágenes con estos lentes, el cerebroreconstruye la imagen o gráfica como una sola, conuna mejor percepción del volumen y perspectiva delmodelo observado.

La tecnología de lentes LCD es más efectiva quela técnica de filtrado rojo-azul. Algo importante deesta tecnología es que mejora notablemente la in-mersión dentro del ambiente virtual, permitiendo asíuna visualización más “natural”, ofreciendo una me-jor apreciación de la conformación molecular, pers-pectivas y escalas, entre otras características. Cabehacer la aclaración que la inmersión se puede lograraun sin realizar la visualización en estéreo, solamen-te que ésta será de menor grado. Además, la visuali-zación del ambiente virtual puede hacerse con uncasco de RV (Head-Mounted Display, o HMD por sussiglas en inglés). Dentro del casco existen dos peque -ños monitores LCD donde se despliega el ambientevirtual, puede contener audífonos y un sensor pararegistrar el movimiento de la cabeza del usuario.Con éste, el usuario puede observar el ambientevirtual en cualquier dirección. Esta técnica de visua-lización con el casco permite una alta inmersión yaislamiento del mundo exterior, siendo muy efectivapara visualizar modelos moleculares (figura 1).

La visualización de un ambiente virtual en esté-reo puede hacerse en una computadora de escritorio.Este tipo de visualización ha sido ampliamente utili-zada en las áreas de cristalografía y bioquímica, talcomo se muestra en la figura 2, donde la personaobserva un modelo molecular en estéreo, y rota elmodelo utilizando un ratón para 3D.

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Figura 2. Estudiante de química utilizando un ambiente virtual deescritorio para el análisis de estructuras moleculares. Imagen delprimer autor, Facultad de Informática, Universidad de Sussex,Reino Unido.

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Los modelos moleculares virtuales también pue-den ser observados en un sistema de proyección deltipo auditorio. Los hay cóncavos y planos, estosúltimos llamados de pared. La proyección del am-biente virtual puede hacerse por atrás de la pantalla(retro proyección), o por adelante, siendo la primeramás efectiva, ya que los observadores pueden estarparados (o sentados) muy cerca de la pantalla sinobstruir la proyección. En la figura 3 se observa unsistema de retro proyección de pared. Este tipo deproyección es más efectiva que el sistema de RV deescritorio para realizar el efecto de inmersión, y unmismo ambiente virtual puede ser analizado pormuchos estudiantes a la vez.

Además de utilizar el sentido de la vista, esposible percibir información de las estructuras mo-

leculares utilizando el sentido del tacto. El Labora-torio de Realidad Virtual cuenta con un dispositivoháptico (relacionado con el sentido del tacto) Phan-tom, donde los estudiantes “sienten” la estructuramolecular con la mano y visualizan la estructura enla pantalla (figura 4). El estudiante sostiene con lamano una especie de bolígrafo con el que puedepercibir la estructura molecular virtual al pasar elapuntador del bolígrafo sobre ésta. La sensacióntáctil de la molécula permitirá su aplicación paraestudiantes con discapacidad visual.

Algunas aplicaciones de realidad virtual en laenseñanza de información molecularLa RV ha sido estudiada con éxito como apoyo parala comprensión de información molecular. Byrne(1996) realizó uno de los primeros estudios sobre laaplicación de la RV para la enseñanza de la química.Ella diseñó y llevó a cabo un experimento, donde 40alumnos de bachillerato pudieron formar átomos ymoléculas virtuales en un ambiente virtual. Los es-tudiantes visualizaron el ambiente virtual utilizandoun casco de RV (HMD), y manipularon átomos ypartículas subatómicas virtuales utilizando una pa -lanca de juegos para 3D ( joystick), teniendo así unsistema de RV altamente inmersivo. Pruebas realiza-das antes y después del experimento indicaron quela construcción de átomos y moléculas virtualesayudó a los estudiantes a entender la estructuramolecular y atómica en general.

Sciencespace (Salzman et al., 1996) es un proyec -to de investigación que evalúa ambientes virtualeseducativos altamente inmersivos. Este proyecto es-tudia aspectos tales como aplicación del constructi-

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Figura 3. Despliegue de pared. Imagen Cortesía del Laboratorio de Realidad Virtual, U. de C., México.

Figura 4. Estudiante utilizando el dispositivo háptico Phantom.Imagen cortesía del Laboratorio de Realidad Virtual, U. de C.

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vismo, remediación de conceptos erróneos, motiva-ción, atención, inmersión, multisensorialidad y múl -tiples planos de referencia. El proyecto está divididoen tres módulos, uno de ellos llamado PaulingWorld(Su y Loftin, 2001) y se dedica a estudiar la aplicaciónde la RV inmersiva para apoyar la comprensión deestructuras moleculares. En éste, los estudiantes pue-den visualizar modelos moleculares de aminoácidosa través de un casco de RV. Los investigadores deeste proyecto han encontrado que los estudiantesque han utilizado el sistema de RV se han sentidomotivados al analizar los modelos moleculares y queel sistema es fácil de usar. El proyecto todavía notiene resultados conclusivos en cuanto al aprendizajeganado (o perdido) de los alumnos participantes.

Lu et al. (2004) desarrolló y aplicó un ambientevirtual donde estudiantes de secundaria de Singapuraprenden biología molecular de diversas moléculas,por medio de actividades lúdicas. Los alumnos apren -den jugando, tal como lo hicieran con una máquinade video juegos, utilizando un volante y una palan -ca de juegos para navegar entre la estructura mo-lecular virtual. Lu y otros reportaron muy buenaaceptación y motivación por parte de los alumnoscuando utilizan el ambiente virtual.

Gervasi et al. (2004) desarrollaron un ambientevirtual donde se simula equipo e instrumentaciónde un laboratorio de química, donde estudiantes dequímica pueden operarlo, observando reacci -nes químicas virtuales a nivel macro y micro (des-pliegue de estructuras moleculares virtuales y susinteracciones).

El Instituto Politécnico de Guarda, Portugal (Tri -nidade et al., 1999), ha creado el proyecto “aguavirtual”, el cual tiene como objetivo desarrollar yaplicar ambientes virtuales con moléculas virtualesde agua, como una herramienta educativa, donde semuestra la geometría molecular del agua, orbitales,densidad de electrones y otras clases de simulacionesde dinámica molecular

Sankaranarayanan et al. (2003) han estudiado lamanera en que estudiantes de bachillerato puedanpercibir con el tacto la estructura molecular de cier-tas moléculas, además de observarlas en un monitorde computadora. Los investigadores utilizaron undispositivo háptico (todo lo relacionado con el sen-tido del tacto) que permite “sentir” con los dedos dela mano los contornos de moléculas en formato CPKy en estructura secundaria. De esta manera, se lograuna comprensión y manipulación de moléculas vir-tuales más natural e intuitiva.

Experiencia de la Universidad de Colima en la enseñanza de estructuras molecularescon realidad virtualEl Laboratorio de Realidad Virtual (García Ruiz, 2003es una rama del Centro Universitario de Producciónde Medios Didácticos (CEUPROMED). Éste cuenta consimuladores médicos, computadoras con alta capa-cidad de despliegue gráfico y un área de visualizacióntipo auditorio donde hasta 25 estudiantes puedenobservar proyecciones de ambientes virtuales en unapantalla de 5 × 2 metros. El sistema de proyecciónpermite ver los ambientes virtuales en visión-estéreo,por lo que el laboratorio cuenta con 25 pares delentes LCD. Los ambientes virtuales son desplegadospor una supercomputadora Onyx 3200. La figura 3muestra una vista parcial del interior del laboratorio.

Un profesor de la Facultad de Telemática de laUniversidad de Colima conduce un proyecto deinvestigación que tiene como objetivo analizar y apli -car la tecnología de RV en el proceso enseñanza-aprendizaje de propiedades fisicoquímicas de mo-léculas en la bioquímica. Bajo el marco de esteproyecto, se han desarrollado diversas actividades,entre las cuales destacan la capacitación con uncurso-taller a profesores de química para aplicar latecnología de RV en sus clases, y estudios experimen-tales que analicen la aplicación tecnológica y demedición del aprendizaje utilizando la RV.

Curso-taller de aplicación de realidad virtual en laenseñanza de información molecularLa propuesta del curso-taller abrió el espacio a queestas nuevas tecnologías de educación puedan llegara los docentes encargados de la enseñanza de labioquímica universitaria. EL curso se llevó a cabo en15 horas. Hubo una aceptable participación de do -centes de química, por lo que también fue un acer-camiento entre diferentes especialistas que compar-ten la actividad de enseñanza de la bioquímica, quecompartieron ideas. Al inicio del taller se realizó unapresentación detallada de los dispositivos de hard-ware y el software disponible en el Laboratorio deRV, lo que permitió un marco de referencia adecua-do. Posteriormente, se plantearon teorías pedagógi -cas y cognoscitivas relacionadas con la RV, donde losparticipantes realizaron dinámicas y obtuvieron con-clusiones, confirmando la utilidad de la RV en laenseñanza de la bioquímica. Además, se trabajó conlos modelos químicos en formatos estándar ( PDB yVRML), y los participantes adquirieron las habilida -des para poder manejar programas visualizadores.

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Clases acerca de estructuras moleculares realizadasen el Laboratorio de Realidad VirtualLas clases en el Laboratorio se planean en conjuntocon los académicos interesados, en donde se estable-cen los objetivos a seguir, así como el material quese va a presentar, los estudios previos que deberáncubrir los estudiantes y su evaluación. Además, serealiza un guión donde se establecen tiempos yactividades detalladas que permita sincronizarlas actividades del grupo con la interacción con elprofesor y los administradores del Laboratorio; enestas reuniones también se precisan datos específi-cos de la clase, como la cantidad de participantes,nivel de estudios, alcances del tema y demás carac-terísticas grupales, que permitan caracterizar al grupoy plantearles un escenario lo más adecuado a susnecesidades de aprendizaje.

Uno de los hallazgos más interesantes, ha sidola posibilidad de que el maestro actúe como “facili -tador” de los temas y permita una mayor interacciónde los estudiantes con el mundo virtual generado.Además, la combinación con multimedia ha demos-trado ser una interesante opción en la dinámica deeste tipo de clases.

Estudio piloto multisensorial con el casco (HMD) ylos guantes de realidad virtual.Se está llevando a cabo la planeación, diseño e

implementación de un ambiente virtual totalmenteinmersivo, donde los estudiantes pueden manipularuna estructura molecular virtual con las manos, uti-lizando guantes de datos y visualizar la estructura através de un casco de RV (figura 5). EL estudio pilotodonde se va a utilizar este equipo comparará el usode un ambiente virtual semiinmersivo y un ambientevirtual completamente inmersivo. Estudiantes deprimer ingreso de la Facultad de Medicina participa-rán en el estudio. Los alumnos manipularán y obser -varán la estructura molecular del DNA y tratarán deidentificar sus bases y puentes de hidrógeno.

ConclusionesLos avances tecnológicos de los últimos años hanpermitido una mejor y mayor aplicación de la RV enla educación, particularmente como una herramien-ta de apoyo en el proceso de enseñanza y aprendizajede la bioquímica. Como se ha visto, aun los ambien-tes virtuales con poca inmersión (utilizando compu-tadoras de escritorio) pueden ser útiles en el estudiode la bioquímica. Estudios informales de clases conRV muestran que la proyección amplia en estéreo deambientes virtuales, sobresale como un agente mo-tivador y facilitador de la comprensión de conceptosabstractos, tales como las estructuras moleculares ysus enlaces. El éxito de la aplicación de la RV en laenseñanza de la bioquímica depende de una buena

Figura 5. Sistema de RV completamente inmersivo. Imagen cortesía del Laboratorio de Realidad Virtual, U. de C.

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planeación de los ambientes virtuales y una adecua-da conducción pedagógica de los mismos.

AgradecimientosSe agradece la participación de la M. en C. AnaPeraza, profesora-investigadora de la Facultad deCiencias Químicas, y la doctora Lourdes Galeanade la O, directora del CEUPROMED, por su asesoría.Este trabajo está siendo financiado por el Programapara el Mejoramiento del Profesorado (PROMEP) dela Secretaría de Educación Pública de México, conregistro no. UCOL-EXB-18. �

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