TFM de Investigación – Máster Universitario de software libre

Let's K-Map Play: Juego de aprendizaje de Karnagh Maps para móvil

Autor: Alma Mallo Casdeloe-mail: amalloca@uoc.edu

Director: David Bañeres Besorae-mail: dbaneres @ uoc.edu

TFM de Investigación – Máster Universitario de Software LibreUniversitat Oberta de Catalunya

Resumen

En este informe se describe el trabajo de fin demáster, centrado en el estudio de la gamificacióncomo herramienta de aprendizaje aplicada adispositivos móviles. Se ha realizado una revisiónde los artículos científicos que tratan sobre el temade la gamificación como herramienta educativa,para terminar el trabajo desarrollando un prototipode juego para el aprendizaje de mapas deKarnaugh. Se ha optado por un desarrollomultiplataforma y se han revisado los frameworksde desarrollo más populares para desarrollo móvilmultiplataforma así como los motores de juegosaplicables a este caso. Tras la implementación, seha probado el prototipo en dos sistemas operativosmóviles libres: Android y Firefox OS.

PALABRAS CLAVE: aprendizaje móvil, gamificación,mapas de Karnaugh, juego educativo.

1 Introducción

La gamificación es el uso de las técnicas y principiosutilizados en los juegos para un contexto ajeno a ellos.Con el uso de estas técnicas, se pretende añadir a estoscontextos el poder de motivación que tienen los juegos.Una estrategia de gamificación bien desarrolladaaprovechará los principios de recompensa, interacción ocompetición para fomentar ciertas acciones del usuario,incentivando de esta forma un comportamientodeterminado.

Estas características presentan la gamificación comouna opción muy apropiada para entornos educativos,donde es muy importante incentivar y mantener lamotivación de los alumnos durante el aprendizaje.

Por otro lado, respecto a los dispositivos móviles, laUNESCO ha publicado en el año 2012, una serie deartículos sobre el aprendizaje con tecnologíasmóviles[28], en los que se describen las oportunidadeseducativas que ofrecen estos dispositivos. Destaca que,es un terreno todavía poco explotado y aconsejaaprovechar esta oportunidad de acercar el conocimientoa los sectores más desfavorecidos ya que, los precios

de estos dispositivos descienden rápidamente y cadavez son más asequibles para la población más pobre.

Por tanto, si la gamificación es una forma deincentivar a los alumnos durante su educación, y lastecnologías móviles, una forma de dar acceso a losrecursos de aprendizaje a una mayoría de la población,parece lógico pensar que la conjunción de ambastécnicas puede ser una buena opción de futuro paracrear recursos educativos accesibles a todos y que, almismo tiempo, incentiven a los alumnos a continuaraprendiendo.

La finalidad de este trabajo de investigación es elestudio de la gamificación orientada al aprendizaje,combinada con tecnologías móviles libres y la creaciónde un prototipo de juego educativo para el aprendizajede mapas de Karnaugh.

Se ha organizado el informe de la siguiente forma: Elapartado 2 presenta una revisión del estado del arte dela gamificación como herramienta educativa. En elapartado 3 se realiza un análisis de las solucionestecnológicas utilizadas para el desarrollo del prototipo.En el apartado 4, veremos el funcionamiento de “Let'sK-Map Play”, mostraremos el diseño conceptual deljuego, su equivalencia con los mapas de Karnaugh yseguiremos con su implementación. Finalmente, en elapartado 5 se sacan conclusiones sobre el trabajo y seestablecen pautas para continuarlo en el futuro.

2 Revisión del estado del arte

La gamificación como herramienta educativa, es untema relativamente nuevo en el campo de lainvestigación, sin embargo, pueden encontrarsebastantes artículos que estudian el tema.

En esta revisión, veremos una selección de losartículos que se han considerado más relevantes,centrándonos principalmente en el aprendizajegamificado a través de tecnologías móviles, que es eltema principal de esta investigación aunque hablaremostambién de algunos artículos que se centran únicamenteen el tema de la gamificación ya que ayudan a situar elestado en que se encuentra este tema actualmente en elcampo de la investigación.

Aunque, como decíamos, el tema de la gamificaciónes relativamente reciente, hemos encontrado artículossobre juegos móviles para el aprendizaje con fechasanteriores a lo que se podría esperar.

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Comenzamos esta revisión, a finales del año 2004,momento en el que los autores en [4], publican unartículo sobre su estudio realizado sobre los juegosmóviles y el aprendizaje. Para llevar a cabo este estudio,desarrollaron un juego móvil para el aprendizaje delcomportamiento de los animales. Para probar sufuncionamiento, realizan un experimento con 10 niñoscon edades entre 10 y 12 años. Los niños, cuentan conPDAs con GPSs integrados con los que puedenmoverse libremente. Así, en una primera parte delexperimento, los niños juegan en el exterior, tomandolos roles de los animales, interactuando con una sabanavirtual, mientras exploran los riesgos y las oportunidadesde los animales en este espacio. En una segunda partedel experimento, los niños, ya en un espacio interior,reflexionan sobre la primera parte del juego y puedenacceder a otros recursos para mejorar su comprensiónsobre el tema. Tras realizar el experimento, los niñosquedaron entusiasmados con el juego y los autores deeste artículo concluyen que este formato podría ser unbuen apoyo para el aprendizaje y animan a continuarcon esta línea de investigación. Este estudio estárealizado con un grupo de prueba muy reducido pero esun comienzo en los estudios sobre la gamificación paraanimar a la comunidad académica a realizar estudiosmás profundos sobre este tema.

Unos meses después, en Junio del 2005, los autoresen [15], con una línea de investigación similar, escribenun artículo sobre el estudio que realizaron sobre losjuegos en entornos móviles orientados al aprendizaje.En este caso el estudio se basa en el ámbitouniversitario, en el que realizan dos pruebas, en dosuniversidades distintas, con un prototipo de juego deorientación universitaria llamada MobileGame. Sepretendía estudiar, por una parte, los problemas dediseño de un juego móvil educativo y, por otro lado, verlos efectos que este tipo de juego tienen sobre lamotivación de los estudiantes. Tras las pruebas, losautores concluyen que la tecnología móvil activa lainmersión de los participantes en el entorno y motiva elaprendizaje. Respecto a los problemas de diseño, seconcluye que, aunque ya se puede ver el potencial deljuego para mejorar el aprendizaje, la tecnología actualtodavía tiene limitaciones. Aunque en sus conclusiones,los autores comentan que los grupos que han elegidopara las pruebas no han sido los adecuados, esteestudio ha sido realizado sobre un grupo de pruebamayor que el comentado anteriormente.

Unos años más tarde, en el año 2008, los autores en[14], llevan a cabo otro estudio, esta vez en una clase deciencias de 8º curso. Para llevar a cabo el estudio, elequipo de investigación diseñó dos juegos móviles,Museum y Evolution, y una serie de actividades. Elestudio consistía en dos partes. En la primera, consistíaen llevar a los estudiantes a un museo de ciencias,donde, a través de dispositivos móviles, el juegoMuseum los guiaba y les presentaba enigmas que losalumnos debían resolver durante la visita. En la segundaparte del estudio, los alumnos, mediante el juegoEvolution, tuvieron que llevar a cabo tareas para eldesarrollo y evolución de especies. La evaluación delestudio se centró en la capacidad de los alumnos pararesolver problemas. Tras evaluar los vídeos grabadosdurante las sesiones, el equipo de investigación

encontró grandes diferencias entre los grupos queparticiparon en el estudio y los que no participaron. Losgrupos que participaron en el estudio fueron capaces deresolver mejor los problemas, con lo que concluyen quelos juegos móviles educativos ayudan a mejorar elaprendizaje de los alumnos.

Ese mismo año, dos investigadores [1], realizan unarevisión sobre la relación de los juegos con otras formasmultimedia y su potencial para el aprendizaje, revisandola literatura existente. En este artículo se habla de larelación de los juegos con el cine, Internet y lasemergentes tecnologías móviles. Llegan a la conclusiónde que las posibles formas de los juegos son múltiples yque supone un gran potencial para la educación, ya que,proporciona distintos modos de enseñanza. En el casode las tecnologías móviles, destacan que, permite a loseducadores generar contenido educativo de formainteractiva y que sus alumnos podrían utilizarlo desdecualquier lugar. Concluyen que, la revisión realizadarevela grandes posibilidades en contextos educativos,considerándolo un área que vale la pena investigar yaque el trabajo sobre las aplicaciones de aprendizajebasadas en juegos, acaba de empezar.

Un año más tarde, en 2009, los autores en [8],analizan los efectos de un juego móvil para elaprendizaje de historia, Frecuency 1550, en un grupo de458 estudiantes de 20 clases en 5 escuelas, con elobjetivo de investigar los efectos del juego sobre elconocimiento de historia que adquieren los alumnos ysobre su motivación para el aprendizaje de historia. En10 de las clases, los alumnos recibieron las leccionescon esta aplicación móvil y en las otras 10, recibieronlecciones de historia de la forma tradicional. Tras elexperimento, para evaluar el conocimiento adquiridodurante las lecciones, se realizó un test. Los alumnosque recibieron las clases con el juego, obtuvieronmejores resultados que los alumnos que recibieron lasclases tradicionales. Sin embargo, en el caso de lamotivación para el aprendizaje de historia, losinvestigadores no encontraron grandes mejorías con eluso del juego, aunque se preguntan si es debido, enparte, a los diversos problemas técnicos surgidosdurante el experimento. Esta conclusión sobre lamotivación, difiere de las obtenidas en los estudiosanteriores y veremos que también difiere con las de losestudios que se realizarán posteriormente, ya que lamayoría concluye que las soluciones gamificadasincrementan la motivación de los alumnos.

Este mismo año, otro estudio, aunque en este caso,centrado únicamente en los juegos utilizados para laeducación sin tener en cuenta el aspecto de lamovilidad, analiza los efectos positivos que estos juegostienen sobre el aprendizaje y la motivación de losalumnos. Se realiza un estudio [13] con una aplicaciónweb, sobre dos grupos, uno utilizando la aplicación sinlos aspectos de juego y otro, utilizando la mismaaplicación pero con componentes gamificados. Para laevaluación de los resultados, se utiliza un test deconocimientos como pretest y postest y se observó a losalumnos durante las pruebas y se tuvieron en cuentalas opiniones de los estudiantes tras la prueba. En elestudio se concluye que los juegos educativos puedenmejorar tanto el conocimiento de la materia como elinterés en el proceso de aprendizaje.

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Un año más tarde, en 2010, los autores en [11],estudian la influencia de los juegos ubicuos en elaprendizaje, en este caso en el estudio del idiomainglés, a través de la plataforma HELLO (HandheldEnglish Language Learning Organization). Aunque losjuegos ubicuos van más allá de la tecnología móvil,muchas de las características de la plataforma HELLOse pueden aplicar a entornos móviles y, es un tema muycercano al tratado en esta investigación. El experimentose llevó a cabo con dos grupos de estudiantes, uno deellos utilizó para el aprendizaje la plataforma HELLO y elotro no. Algunas de las características de la plataformarelacionadas con la tecnología móvil son:

• Accesibilidad: los alumnos, desde undispositivos móviles (en el experimento cadaalumno dispone de un dispositivo móvil)pueden comunicarse con el servidor HELLO ydescargar artículos, juegos de aprendizaje,comics, …

• Inmediatez: Los estudiantes pueden utilizar laherramienta para realizar tests y evaluar losresultados inmediatamente.

• Adaptabilidad: los estudiantes pueden utilizardistintos dispositivos para aprender inglés(pdas, smart phones, ...).

El resultado del experimento dio como resultado queel uso de juegos ubicuos en la educación puedenproducir mejores resultados de aprendizaje que losmétodos que no están basados en estos juegos.

Ese mismo año, se presenta [16] un juego para elaprendizaje de mapas de Karnaugh y realiza unexperimento para verificar la eficacia de dicho juegocomo herramienta para el aprendizaje. El juegopresentado, consiste en una cuadrícula de peces,donde el jugador tiene que pescarlos, agrupando celdascon un red. El objetivo del juego consiste en coger elmayor número de peces utilizando un número limitadode redes, con la condición de que han de cogerse todoslos peces. La cuadrícula de peces, representa el mapade Karnaugh, los peces representan los unos en lacuadrícula y las casillas donde no hay peces,representan los ceros. El número limitado de redesrepresenta el número de mintérminos generados alsimplificar la función booleana en el mapa de Karnaugh.El juego incluye un elemento de tutoría a través del cualel alumnos puede recibir instrucciones del tutor,representado por una avatar en el juego.

Para probar la efectividad del juego se realizó unexperimento con dos grupos de 35 estudiantes cada uno(un grupo experimental y un grupo de control). El grupoexperimental aprendió los conocimientos con lautilización del juego y el grupo de control los aprendiócon un libro de texto tradicional. Tras el experimento serealizó un test para evaluar los conocimientos adquiridospor los alumnos. Los resultados del test mostraron queel aprendizaje a través del juego fue significativamentemás efectivo que a través del método tradicional.Destacamos este artículo no solo porque trata el temade la gamificación sino también porque desarrolla unprototipo de juego para el aprendizaje de mapas deKarnaugh, que es el tema sobre el tratará el prototipoque será desarrollado en esta investigación.

A finales de este mismo año, en Diciembre de 2010,otro grupo de investigadores [2] desarrolla un prototipode juego educativo sobre plataformas móviles, para elaprendizaje de matemáticas en alumnos de primaria. Setrata de un juego para el aprendizaje de matemáticasque comienza con una ecuación generadaaleatoriamente basada en operaciones matemáticasestándar. El número aleatorio generado para la ecuaciónestá limitado a las operaciones matemáticas básicascomo la suma, resta, división y multiplicación. Larespuesta para esta ecuación está oculta en una cajacolocada en panel del juego. La situación de larespuesta es aleatoria, la respuesta correcta está endistinta posición cada vez que se comienza el nivel.Cuando el jugador encuentra la caja que contiene larespuesta correcta para la ecuación, el reloj se para y seavisa al jugador de que ha encontrado la respuestacorrecta y se piden el nombre del jugador para incluirloen la pantalla de resultados. El juego necesita el keypaddireccional de los móviles, no están soportados losdispositivos móviles que sólo son táctiles y no disponende este keypad. Aún con esta limitación, el prototipodesarrollado muestra que es posible aprendermatemáticas a través de una solución gamificada y queeste método puede convertirse en una alternativa deaprendizaje.

En el año 2011, los autores en [10] escriben unartículo sobre el qué es el fenómeno de la gamificación,cómo debe diseñarse y si merece la pena llevarlo acabo. Piensan que la gamificación puede motivar a losestudiantes a participar en la clases, puede dar a losprofesores herramientas para orientarlos yrecompensarlos y conseguir que los alumnos mejoren suaprendizaje. Pero no todo son ventajas, supone asumirunos restos importantes y que deben tenerse en cuenta.Puede absorber recursos de los profesores o enseñar alos alumnos que aprender sólo merece la pena cuandose reciben recompensas.

Para hacer frente a estos retos y conseguir que losproyectos de gamificación tengan éxito se debe tenerespecial cuidado en su diseño para que abordar losdesafíos reales de las escuelas y así poder asíaprovechar el gran potencial de los juegos en laeducación.

En la actualidad, en el año 2013, encontramos eldesarrollo de una herramienta gamificada desarrolladapara una asignatura universitaria sobre desarrollo dejuegos de ordenador para analizar su efectividad. Elestudio fue llevado a cabo por Siobhan O'Donovan,James Gain y Patrick Marais [12] y su objetivo esconseguir, por medio de la utilización de estaherramienta, mejorar la asistencia a clase de losalumnos, así como su comprensión de los contenidos ysus habilidades en la resolución de tareas. Laherramienta desarrollada es una herramienta gamificadaon-line, que consiste en un juego que introduce a losalumnos en una historia. Los jugadores deben encontrarun dispositivo desaparecido y para conseguir pistas paraencontrarlo han de realizar tareas. Para resolver elmisterio, los alumnos deben encontrar todas las pistas.Los autores, tras el estudio, concluyen que laherramienta gamificada es efectiva en el entornouniversitario ayudando a los alumnos a comprendermejor los conceptos. La herramienta tuvo un impacto

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significativa en las notas del curso y en la asistencia aclase. Esta herramienta se desarrolló pensando en quepudiese ser generalizada para otras asignaturas, lo quepresenta una ventaja respecto a los estudios que hemosvisto hasta ahora, donde la herramienta estudiadaestaba desarrollada para un ámbito muy concreto sinposibilidad de extender su uso a otros entornos.

Este mismo año, en Abril de 2013, encontramos otrogrupo de investigadores [3] que llevan a cabo un estudiosobre gamificación también en un entorno universitario.En este caso, se trata de un plugin gamificado añadido auna plataforma e-learning con el objetivo de aumentar lamotivación de los estudiantes para la realización de losejercicios opcionales que se proponen en la plataforma.Tras realizar el experimento, concluyen que incluir lagamificación en plataformas e-learning parece que tienepotencial para aumentar la motivación de los estudiantesaunque no es fácil lograr este efecto, hay que dedicaresfuerzo en el diseño e implementación de lagamificación para obtenerlo.Con el análisis cualitativollegan a la conclusión que la gamificación, con lossistemas de recompensa y la competitividad tiene unimpacto emocional en los estudiantes y puede sermotivador para ellos. Sin embargo, con el análisiscuantitativo, no encuentran mejoras significativas en lautilización de la gamificación pero aún teniendo encuenta el impacto limitado, los autores piensan que elcambio en la estructura de los contenidos para hacerlosmás divertidos puede tener un gran impacto sobre lamotivación.

Unos meses más tarde, en Octubre de 2013, el autoren [5], escribe un artículo sobre el fenómeno de lagamificación analizando factores de entretenimiento delos jugadores para incrementar el rendimiento en elaprendizaje. Para llevar a cabo este estudio, se utiliza unjuego de matemáticas llamado Gem-Game, cuyoprincipal objetivo es es mejorar las habilidadesmatemáticas de los jugadores. El juego consta de unpersonaje principal que se mueve arriba o abajodependiendo de la operación matemática ejecutada porel jugador. Al jugador se le asigna una misión, que seutiliza para estimular el interés y motivación durante eljuego. Tras el experimento, se concluye que el hecho deque los alumnos se diviertan con el juego educativo,hace que mejore su aprendizaje y que, no tener encuenta este componentes divertido de los juegos, puedeser contraproducente. Los profesores destacarontambién este aspecto y los alumnos, tras terminar elexperimento preguntaron si podrían usar el juegotambién en sus ordenadores de clase o incluso en sucasa. La investigación revela que el entretenimiento delos alumnos se refleja en un mayor conocimientoadquirido con el juego, por tanto se debería tener encuenta este aspecto cuando se desarrollen juegosdestinados al aprendizaje.

Todos los artículos coinciden en que la gamificacióntiene un gran potencial para la educación, y, en lacomparativa mostrada en la Tabla 1, se puede ver que,en la mayoría de los casos, los autores están deacuerdo en que ayuda a mejorar el aprendizaje de losalumnos y aumenta su motivación, aunque para ellodebemos diseñar la aplicación gamificada de formaadecuada pensando en el contexto en el que se vaya autilizar.

Esta es la conclusión a la que llegan, el grupo deinvestigadores de [6], que presentarán en el próximoEnero de 2014 un artículo en el que se preguntan si lagamificación funciona. Su respuesta a la pregunta tras larevisión de la literatura existente sobre el tema es que sífunciona pero para que sea así, hay que tener en cuentael contexto y los usuarios que vayan a utilizarla. Tambiénconsideran que hay que mejorar los futuros estudiossobre el tema, unificando los métodos de análisis parapoder realizar comparaciones más rigurosas.

Actualmente, existen varios portales web [21][21][23]con información sobre el tema de la gamificación, dondese pueden encontrar, proyectos realizados, congresossobre el tema, con posibilidad de descarga de losartículos presentados en los mismos.

En esta revisión, se ha encontrado un único juegoeducativo relacionado con el aprendizaje de mapas deKarnaugh. Este juego estaba desarrollado para PC y noincluía soporte para las nuevas tecnologías móviles nilas pantallas táctiles, elementos que se han incluido enel prototipo de juego desarrollado en este trabajo. Estasconclusiones se sacan de la lectura del artículo ya queno ha sido posible probarlo por no encontrar instalador oejecutable disponible para descargar.

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Tabla1: Comparativa de artículos sobre gamificación

Artículo Tipo ContextoDispositivo

MóvilMejora enmotivación

Mejora enaprendizaje

[4] Ex Pri Sí

[14] Ex Uni Sí Sí

[13] Ex Sec Sí Sí

[1] Re --- -- --

[8] Ex Sec Sí Leve, puede que debido en parte a problemas técnicos

Sí

[12] Ex Sec No Sí Sí

[10] Ex Sec Sí Sí Sí

[15] Ex Uni No Sí Sí

[2] De Pri Sí -- --

[9] Es – No Sí, pero cuidando el diseño

Sí, pero cuidando el diseño

[11] Ex Uni No Sí Sí

[3] Ex Uni No Sí Sí

[5] Ex Sí Sí, si el diseño hace el juego divertido para los alumnos

Contexto: Pri (primaria), Sec (secundaria), Uni(Universidad)Tipo: Ex (experimento), Re (revisión), Es (estudio).

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3 Análisis de las soluciones tecnológicasEn este apartado analizaremos las tecnologías

utilzadas para el desarrollo de prototipo y en el apartadosiguiente veremos el funcionamiento del juego y laanalogía de los distintos niveles con los conceptos delos mapas de Karnaugh.

3.1 Desarrollo multiplataforma.La creciente popularidad de los dispositivos móviles

ha provocado también un gran número de sistemasoperativos utilizados por estos dispositivos (Android,FirefoxOS, Tizen, iOS, BlackberryOS, …), lo quesupone, tener que desarrollar múltiples versiones de unaaplicación, cada una de ellas en un lenguaje deprogramación diferente, si queremos abarcar todos ellos.

Para ayudar a solucionar este problema, se handesarrollado frameworks de desarrollo que permitenque, realizando una única implementación de unaaplicación, esta pueda ser ejecutada en varios de estossistemas operativos móviles, pudiendo ser necesariospequeños cambios para tareas específicas.

En los siguientes apartados se explicarán lascaracterísticas de Phonegap, el framework elegido parael desarrollo del prototipo. Se hará también una revisiónde otro de los frameworks de desarrollo multiplataforma.

3.1.1 Phonegap: características y justificaciónEn este apartado veremos las características de esta

herramienta de desarrollo y el motivo de su elecciónpara el desarrollo del prototipo resultado de este trabajo.

PhoneGap[25], es un framework de código abierto,que permite crear aplicaciones para Android, AmazonFire OS, iOS, BlackberryOS, Windows Phone y Tizen.

Phonegap fue donado en Octubre del 2011 a laApache Software Foundation (ASF), donde se continuóel desarrollo bajo el nombre de Apache Cordova[17].Actualmente, la relación entre PhoneGap y ApacheCórdoba es similar a la relación entre Webkit's yChrome.

Phonegap, utiliza las librerías de Apache Cordova,que integradas en la aplicación permiten el desarrollo deaplicaciones utilizando estándares web (HTML5, CSS3 yJavascript) y el acceso desde Javascript a funcionesnativas del dispositivo, como las cámara o elacelerómetro. Adicionalmente proporciona una serie decomandos para la creación del esqueleto del proyecto,compilación, …

Aunque el desarrollo se realiza fundamentalmentecon tecnologías web, se puede añadir código nativo, enforma de extensiones, para tareas más específicas,creando de esta forma aplicaciones híbridas, donde elnúcleo de la aplicación sería multiplataforma pero estasextensiones sería implementadas para cada uno de lossistemas operativos móviles para los que queramosempaquetar la aplicación. Un ejemplo de uso de unaextensión, podría ser la comunicación de la aplicacióncon un servicio externo.

Aunque Phonegap no dispone de entorno dedesarrollo propio, está disponible como plugin y puedeutilizarse con los habituales entornos de desarrollo,como por ejemplo, Eclipse, en el caso de Android. Lacompilación se realiza a través de Phonegap (con el

comando ”build”) pero utilizando el sdk propio de cadaplataforma, que, con las librerías de Phonegap incluidasen la aplicación, la empaquetará para cada de lossistemas para el que lo compilemos (se muestra undiagrama del proceso en la Ilustración 1)

La elección de Phonegap como framework dedesarrollo para este trabajo se debe a que, es la opciónde código abierto más completa respecto al número desistemas operativos móviles soportados y utiliza libreríasde Apache Cordoba, uno de los proyectos de la ApacheSoftware Foundation, lo que ofrece bastante seguridadsobre la continuación del proyecto en el futuro.Adicionalmente, el hecho de que las aplicaciones seancreadas con estándares web permite también utilizar lasaplicaciones con pequeños retoques en otros sistemasoperativos que, aunque no estén soportados por elframework, están basados en estándares web, comoFirefox OS, caso que veremos de forma más detalladaen el apartado 4.4.2.

En este apartado hemos visto las características dePhonegap y la justificación de su elección en estetrabajo. En los siguientes apartados veremos lascaracterísticas de otro frameworks de código abiertopara desarrollo móvil y finalmente veremos una pequeñatabla comparativa (Tabla 2) de las principalescaracterísticas de ambos.

3.1.2 La alternativa: Appceletaror TitaniumEn este apartado veremos las principales

características de Titanium[18], el principal competidorde Phonegap como herramienta de desarrollo deaplicaciones móviles multiplataforma.

Appceletaror Titanium, permite crear aplicacionesmóviles para Android, iOS y BlackberryOS utilizandoJavascript. Para la creación de aplicaciones dispone deun entorno de desarrollo basado en Eclipse, llamadoTitanium Studio, donde se crean los proyectos y seeditan los archivos Javascript. Finalmente se ejecutanlos scripts de creación de las aplicaciones para lasdistintas plataformas.

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Ilustración 1: Phonegap, creación de una aplicación(Imagen creada por Adobe/Yohei Shimomae, bajo la licenciaCreative Commons Attribution-Non-Commercial 3.0)

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Las aplicaciones se crean utilizando exclusivamenteJavascript, la interfaz está compuesta de controlesJavascript que posteriormente serán convertidos acontroles nativos durante la generación de la aplicaciónfinal. Por tanto, ya que la interfaz no incluye HTML5 oCSS3, no se pueden utilizar liberías como jQuery paracrearla, ya que, cuando la aplicación se ejecuta en elmóvil lo hace en un motor Javascript (JavaScriptCore enIOS y Mozilla Rhino en Android/Blackberry).

En la Tabla 2, podemos podemos ver de formacomparativa las características de los dos frameworksestudiados.

Tabla 2: Comparativa de frameworks

Phonegap Titanium

Lenguaje Javascript Javascript

Layout HTML5/CSS3 –

IDE paradesarrollo

No, es un plugin Sí

Sistemasoperativo móvilessoportados

AndroidiOSBlackberryOSAmazon Fire OSWindows Phone Tizen

AndroidiOSBlackberryOS

OpenSource

SíSí pero también tieneversión propietaria

3.2 El motor de juegos: Quintus.Un motor de juegos es sistema de software diseñado

para la creación de videojuegos. Su función consiste enproporcionar un motor de renderizado de los gráficos, unmotor físico o detector de colisiones, animaciones,sonidos, escenario gráfico, etc.

Quintus [26] es un motor de juegos Open Sourcepara desarrollo de juegos HTML5-javascript. Consiste enun conjunto de librerías Javascript que proporcionan lasfunciones comentandas en el párrafo anterior. Es ligeroy modular y proporciona un modelo de componentesflexible. El modelo puede extenderse de forma sencillamediante herencia de objetos, lo que permite reutilizarobjetos y funcionalidades.

Es un motor de juegos bastante simple, ideal parajuegos estilo “puzzle” o similares, como el desarrolladoen este trabajo. A continuación se muestran algunas desus principales características:

• Sprites básicos predefinidos, que pueden serextendidos para crear otros más complejos.

• Control de escenas.• Detección de colisiones entre elementos del

juego.• Controles de interfaz de usuario predefinidos:

botones, etiquetas... (También pueden serextendidos).

• Animaciones de los distintos componentes.• Soporte de audio HTML5.• Soporte para dispositivos táctiles.

Los motivos de la elección de Quintus como motorde juegos para el prototipo fueron:

• La sencillez y la claridad en el desarrollo delcódigo.

• No es necesario instalar ningún softwareadicional, las librerías que proporciona estántotalmente escritas en javascript y el desarrollose realiza utilizando el mismo lenguaje.

• El soporte para dispositivos táctiles, que lo haceapropiado para dispositivos móviles.

3.2.1 Alternativas a QuintusEn este apartado veremos una pequeña revisión de

dos motores de juegos HTML5 que se revisaron juntocon Quintus para evaluar si eran los adecuados paraeste desarrollo, son LimeJS y Turbulenz.

3.2.1.1 LimeJS

LimesJS[24] es un framework para desarrollar juegosHTML5, que incluye soporte para dispositivos táctiles.Para utizarlo es necesario instalar Python y para algunasfuncionalidades también se necesita Java.

Los juegos se desarrollan mediante una composiciónde escenas, que se intercambian bajo el control de undirector. Dentro de estas escenas estarán dispuestos loscomponentes que vayamos creando, todos basados ensprites que pueden ser labels (renderizado de texto),círculos, rectángulos, botones o polígonos.

No se eligió este motor de juegos para el desarrollodel prototipo por las dependencias requeridas, ya que sebuscaban un motor que utilizase únicamente libreríasjavascript.

3.2.1.2 Turbulenz

Turbulenz[27] es un motor de juegos basado enHTML5, creado en el año 2009 y liberado como códigoabierto bajo la licencia MIT estándar en Mayo de 2013.

Se trata de un motor de juegos muy completo contodos los componentes necesarios para la creación dejuegos complejos en 2D y 3D, de alta calidad y con unhardware acelerado, compatibles con dispositivosmóviles.Dispone de bibliotecas con soluciones para todos losservicios de los juegos, como:

• Gráficos y efectos físicos en 2D y 3D.• Gráficos de escena.• Animación jerárquica.• Perfiles de usuario.• Multijugador y numerosas utilidades.

Es uno de los motores de juegos HTML5 de códigolibre más completos. El motivo de la elección deQuintus en lugar de Turbulenz es la sencillez delprimero, más adecuada para el prototipo desarrollado,pero se ha querido hacer mención de esta herramientaporque es un gran motor de juegos y es una buenanoticia poder disponer de él con código abierto.

4 Let's K-Map PlayEn este apartado se mostrará el funcionamiento del

juego, primero presentando el diseño conceptual y a

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continuación, explicando detalles más concretos de laimplementación.

Para mostrar la correspondencia del funcionamientodel juego con los mapas de Karnaugh, explicaremosantes en qué consiste que consiste la minimización deuna función booleana y la forma de realizarlo utilizandoel método de Karnaugh.

4.1 Mapas de KarnaughUn mapa de Karnaugh es un método para la

minimización de funciones booleanas que fue creado porMaurice Karnaugh en 1953 [9].

La minimización de una función booleana consisteen encontrar su expresión mínima de forma que, alimplementar el circuito de forma física sea lo máspequeño posible, es decir, que contenga el menornúmero posible de puertas lógicas.

Puede ocurrir que, para una determinada función, nonos importe el valor de salida para una combinacióndeterminada de las entradas, es decir, que lacombinación de entradas no debería darse bajo ningunacircunstancia. En estos casos, se denomina el valor dela función como don't care y se representa mediante unaX en la tabla de verdad (ver ejemplo1).

El método de Karnaugh consiste en representar enuna matriz los valores de la tabla de verdad de unafunción booleana.

Una vez que se ha creado el mapa (la matriz), setrata de hacer agrupaciones de rectángulos con los unosdel mapa , siguiendo una serie de reglas:

• Dos casillas donde únicamente cambia el valorde una variable son adyacentes.

• Los agrupaciones deben ser potencias de dos(1, 2, 4, 8, …)

• Las agrupaciones deben incluir el mayornúmero de unos posible.

• Se debe crear el menor número de gruposposible.

• Todos los unos del mapa deben pertenecer porlo menos a una agrupación.

• Los don't cares no tienen que formar parte deun grupo obligatoriamente, sólo cuando seannecesarios para formar un grupo mayor con losunos.

• En los mapas de 4 variables, las celdas de lafila del extremo izquierdo son adyacentes conlas de las fila del extremo derecho (se muestraun ejemplo de este tipo de agrupación en laIlustración 2). De igual forma, las celdas de lafila superior son adyacentes con las de la finalinferior.

Ejemplo1: En la Ilustración 2 se muestra el mapa deKarnaugh resultante de la función cuya tabla de verdadse representa en la Tabla 3.

Tabla3: Tabla de verdad de la función f.a b c d f

0 0 0 0 1

0 0 0 1 1

0 0 1 0 1

0 0 1 1 0

0 1 0 0 X

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

0 1 1 1 0

1 0 0 0 1

1 0 0 1 1

1 0 1 0 1

1 0 1 1 0

1 1 0 0 0

1 1 0 1 0

1 1 1 0 X

1 1 1 1 X

4.2 Diseño conceptual del juegoEn este apartado, explicaremos los principales

elementos del juego y su analogía con los mapas deKarnaugh.

Explicado brevemente, el juego consiste en un panelde arena movediza que debe cruzar un aventurero parallegar a la puerta de salida del nivel. Para poder cruzardispondrá de unas plataformas de madera que jugadortendrá que fijar para que no se hundan cuando elaventurero las pise.

En la Ilustración 3 se muestra uno de los niveles deljuego donde se puede ver, una zona interior, formadapor plataformas marrones y verdes y rectángulosredondeados que representan la arena movediza, secorresponde con la cuadrícula de un mapa de Karnaugh.En concreto, el mapa representado en esta pantalla es

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Ilustración 2: Mapa de Karnaugh conceptual

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equivalente al representado en el mapa de Karnaughconceptual de la Ilustración 2.

La equivalencia de los elementos visuales del juegocon el método de Karnaugh, es la siguiente:

• Plataformas marrones: representan los unos.• Plataformas verdes: representan los don't

cares.• Arena movediza: representa los ceros.• Boyas: representan las agrupaciones. Las

boyas de un mismo color forman unaagrupación. En este ejemplo se pueden ver lasmismas agrupaciones que en el mapa deKarnaugh conceptual mostrado antes.

De igual forma que en el método de Karnaugh, sólose permite la creación de agrupaciones que contenganun número de plataformas que sea potencia de dos.

Las plataformas fijadas con boyas, forman un caminoque permite llegar a la puerta y así pasar de nivel. Paraañadir mayor jugabilidad, además de estos elementosrelacionados directamente con el método de Karnaugh,se han añadido otros, como:

• Zona de hierba que rodea al mapa: Se utilizapara situar la puerta de salida y al aventurero alinicio de cada nivel.

• La puerta: Es la “meta” del aventurero en cadanivel, debe llegar a ella para que el jugadorpueda pasar al siguiente nivel.

• Platas carnívoras: evitan que el aventureropueda llegar a la puerta pasando por la hierbasin utilizar las plataformas.

• El aventurero: representado por el muñeco,debe llegar a la puerta a través de lasplataformas.

• Dragón: Estará en la puerta hasta que eljugador haya fijado las boyas correctamente, yse comerá al aventurero si consigue llegar a lapuerta. Cuando se crean las agrupacionescorrectas, el dragón desaparece y se puedepasar de nivel.

• Botones de añadir y borrar agrupaciones: sonnecesarios para creación y borrado deagrupaciones en caso de error.

• Botón saltar: Permite que el aventurero puedasaltar, ya que puede ocurrir que el camino de

las plataformas hasta la puerta tenga huecos yel aventurero tenga que saltar para podercontinuar.

En este apartado hemos visto los principaleselementos del juego y su analogía con los mapas deKarnaugh.

4.3 ImplementaciónEn este trabajo se ha realizado el desarrollo de un

prototipo de juego educativo que ayude a los alumnos aaprender el método de Karnaugh de forma incremental.

El juego, inicialmente, pedirá identificación delusuario, permitiendo el acceso sólo a los usuariosautorizados. Así, para acceder al juego, el alumno debeidentificarse como un usuario válido, el la Ilustración 4 semuestra el formulario de entrada.

Si la identificación es correcta, el alumno accede aljuego. Al inicio del mismo, se explica la mecánica deljuego en una ventana superpuesta sobre el panel deljuego y al principio de cada nivel, un “técnico”, explica aljugador las dificultades que encontrará en ese niveldando alguna pista para afrontarlas. En la Ilustración 5se muestra el mensaje de ayuda al principio del primernivel.

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Ilustración 3: Muestra de uno de los niveles del juego

Ilustración 4: Identificación de usuario

Ilustración 5: Mensaje de ayuda del técnico en el nivel 1

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El juego consta de varios niveles, facilitando unaprendizaje incremental. Al avanzar por los niveles, sevan introduciendo nuevos conceptos sobre los mapas deKarnaugh y se añade más complejidad.

En los primeros niveles, los mensajes de ayudaindicarán al usuario el número de agrupaciones quedebe formar. A partir del nivel 7, no se informa al usuariodel número de agrupaciones al inicio del nivel.

Las posiciones del muñeco y la puerta, sondiferentes en cada nivel, dependiendo del camino que seforme con las plataformas.

En este prototipo se han implementado diez niveles,incrementando la dificultad en cada uno de ellos. Lacorrespondencia de los niveles con conceptos de losmapas de Karnaugh es la siguiente:

• Niveles 1 – 3 : Agrupaciones simples. VerIlustración 6.

• Niveles 4 – 5: Unos que pertenecen a variasagrupaciones.

• Niveles 6 – 7: Introducción de los don't cares.Ver Ilustración 7.

• Niveles 8 – 9: Agrupaciones no adyacentes.Ver Ilustración 8.

• Nivel 10 : Complicación de los niveles. VerIlustración 9.

En el nivel 10 se incluyen barreras entre lasplataformas, a modo de laberinto, para trazar el caminohacia la puerta. Este formato de laberinto, permitecomplicar más los niveles, con lo que podría ser utilizadoen la creación de niveles superiores para introducirdistintos conceptos en un mismo nivel.

4.4 Versiones desarrolladas del prototipoEn este trabajo se ha desarrollado un prototipo de

juego con tecnologías web estándar, se haempaquetado para Android con Phonegap y se haadaptado para convertirlo en una aplicación deFirefoxOS.

En desarrollo de aplicaciones móviles utilizandoestándares web, tiene la ventaja de crear aplicacionesfácilmente adaptables a múltiples plataformas aunquedurante su implementación también se ha encontradoalgún contratiempo, como se explica a continuación.

La identificación de usuario al inicio de la aplicación,necesita realizar una conexión con el servidor paraverificar las credenciales del alumno. Dicha conexiónrequiere lo una petición “cross-domain” (petición desdeun dominio a otro distinto), y este tipo de peticiones,salvo autorización expresa, no están permitidas , así quese han tenido que autorizar, a través de la configuraciónde cada versión de la aplicación.

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Ilustración 9: Barreras entre las plataformasIlustración 6: Nivel 3, agrupaciones simples

Ilustración 7: Nivel 6, introducción de don't cares.

Ilustración 8: Nivel 9, agrupaciones no adyacentes

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4.4.1 AndroidAndroid es un sistema operativo libre, basado en

Linux diseñado principalmente para dispositivos móviles.Es uno de los sistemas operativos móviles más

populares actualmente [19] y por este motivo se haelegido como plataforma principal para el desarrollo delprototipo resultado de este trabajo.

El desarrollo de aplicaciones nativas para Android serealiza con el lenguaje Java, pero en este caso, comohemos explicado en el apartado 3.1.1, se ha optado porun desarrollo multiplataforma para facilitar la migración aotros sistemas operativos móviles libres.

El soporte de PhoneGap para Android es muycompleto y permite acceso desde Javascript a grancantidad de funciones nativas: acelerómetro, cámara,compás, contactos, archivos, geolocalización, red,multimedia, notificaciones y almacenamiento.

Se ha probado el juego en un emulador Android y endos dispositivos físicos: Nexus 7 e i-Joy Halley. Losdispositivos tienes prestaciones muy distintas, y elresultado de la ejecución en todos ellos fue satisfactorio.En la Ilustración 10, se muestra una captura de pantallade la ejecución del juego en Android.

4.4.2 Firefox OSFirefoxOS[20] es uno de los más recientes sistemas

operativos diseñados para entornos móviles. Estábasado en Linux y las aplicaciones que ejecuta son“Open Web Apps”, que son aplicaciones HTML5instaladas en el sistema operativo.

Para convertir una aplicación HTML5 en unaaplicación Open Web, es necesario añadir un archivo“manifest” que proporciona al sistema, información sobrela forma de interactuar con la aplicación. Este archivoinforma del nombre y la descripción de la aplicación, asícomo de los permisos que necesita para ser ejecutada.

En el caso del prototipo desarrollado, para convertirloen una aplicación compatible con Firefox OS, ha sidonecesario crear e incorporar en el directorio raíz de laaplicación un archivo de este tipo para que pudiese serejecutada por el sistema.

Aunque, actualmente, los frameworks para desarrollode aplicaciones móviles multiplataforma no incluyenlibrerías para FirefoxOS, pero hemos visto que laadaptación de este prototipo ha sido muy sencilla.

La aplicación ha sido probada en el emulador deFirefox OS que se instala como extensión delnavegador Firefox. En las Ilustración 11se muestra unacaptura de la ejecución del juego en el emulador, sepuede ver la misma pantalla mostrada para Android enla Ilustración 10.

5 Conclusiones y trabajo futuroEn este trabajo, se ha presentado una revisión de la

situación de la gamificación orientada a la educación enel mundo científico.

Se ha mostrado también el proceso de desarrollo deLet's Kmap Play, un prototipo de juego educativo para elaprendizaje de los mapas de Karnaugh.

Se han presentado las evaluaciones tecnológicasprevias a la implementación, a través de la cuales sepretendía seleccionar las herramientas adecuadas parallevar a cabo la implementación del prototipo.

Como se pretendía desarrollar un juegomultiplataforma para entornos móviles, fue necesarioevaluar las herramientas disponibles para este tipo dedesarrollo, y se presentaron las características de dos delas herramientas más populares y la decisión adoptada,que fue Phonegap.

Al tratarse del desarrollo de un juego, fue necesarioevaluar también los motores de juegos que resultasenapropiados para esta implementación.

Para comprobar las ventajas de este desarrollomultiplataforma, se ha evaluado el software en dossistemas operativos móviles libres: Android y FirefoxOS.

El autor considera que el resultado del trabajo hallenado un hueco existente en actualidad, al no haberseencontrado ningún juego disponible de las mismascaracterísticas. Se considera además que, esinteresante el estudio del desarrollo multiplataforma paradispositivos móviles debido la variedad de sistemasoperativos móviles disponibles actualmente.

Se considera que se han cumplido los objetivosfijados al inicio de este trabajo y se contemplan variasposibilidades de ampliación de este trabajo en el futuro:

• Prueba del prototipo en otros sistemasoperativos móviles.

• Ampliación de funcionalidades del prototipo:◦ Creación de más niveles.

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Ilustración 11: Captura de ejecución en Firefox OS

Ilustración 10: Captura de ejecución en Android

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◦ Comunicación con el servidor durante eljuego, para almacenar los resultadosobtenidos por los usuario. Se podríatambién crear un “ranking” de los mejoresjugadores y mostrar los resultados en lainterfaz del juego para incentivar a losalumnos a superar un mayor número deniveles.

◦ Mejorar los gráficos y añadir música defondo, animaciones y efectos ante ciertoseventos, para hacer el juego más atractivo.

• Estudio de la jugabilidad con un grupo deusuarios de prueba.

6 Referencias[1] de Freitas, S.; Griffiths, M., The convergence of

gaming practices with other media forms: whatpotential for learning? A review of the literature,Learning, Media and Technology, Volume 33,págs: 11-20, 2008

[2] Diah, N.; Ehsan, K.; Ismail, M., DiscoverMathematics on Mobile Devices using GamingApproach, International Conference onMathematics education Research, 2010

[3] Dominguez, A; Saenz-de-Navarrete, J;de-Marcos, L; Fernandez-Sanz, L; Pages, C ;Martinez-Herraiz, JJ, Gamifying learningexperiences: Practical implications andoutcomes, Computers & Education, vol: 63,págs: 380-392, 2013

[4] Facer, K; Joiner, R; Stanton, D; Reid, J; Hull, R;Kirk, D, Savannah: mobile gaming and learning?,Journal of Computer assisted Learning, vol: 20,págs: 399-409, 2004

[5] Giannakos, M., Enjoy and learn with educationalgames: Examining factors affecting learningperformance, Computers & Education, vol: 68,pp: 429-439, 2013

[6] Hamari, J.; Koivisto, J.; Sarsa, H., DoesGamification Work? – A Literature Review ofEmpirical Studies on gamification, Proceedings ofthe 47th Hawaii International Conference onSystem Sciences, 2014

[7] Heitkötter,H.; Hanschke, S; Majchrzak, Tim,Comparing cross-platform developmentapproaches for mobile applications, WEBIST, p200-311, 2012

[8] Huizenga, J.; Admiraal, W; Akkerman, S; Dam,G, Mobile game-based learning in secondaryeducation: engagement, motivation and learningin a mobile city game, Journal of Computerassisted Learning, vol: 25, pp: 332-344, 2009

[9] Karnaugh, M., The Map Method for Synthesis ofCombinational Logic Circuits. American Institute

of Electrical Engineers, Part I: Transactions of theCommunication and Electronics, vol. 72, no. 5,págs: 593-599, 1953

[10] Lee, J.; Hammer, J., Gamification in Education:What, How, Why Bother, Academic ExchangeQuarterly, 15, 2011

[11] Tsung-Yu, L.; Yu-Ling, C., Using ubiquitousgames in an English listening and speakingcourse: Impact on learning outcomes andmotivation, Computers & Education, vol: 55,págs: 630-643, 2010

[12] O'Donovan, S.; Gain, J.; Marais, P., A casestudy in the gamification of a university-levelgames development course, Proceedings of theSouth African Institute for Computer Scientistsand Information Technologists Conference, 2013

[13] Papastergiou, M., Digital Game-Based Learningin high school computer Science education:Impact on educational effectiveness and studentmotivation, Computers & Education, vol: 52,págs: 1–12, 2009

[14] Sánchez, J.; Salinas, Á., Science problem solvinglearning through mobile gaming, Proceedings ofthe 12th international conference onEntertainment and media in the ubiquitous era,2008

[15] Schwabe, G; Goth, C , Mobile learning with amobile game: design and motivational effects,Journal of Computer Assisted Learning, vol: 21,págs: 204-216, 2005

[16] Yong, S.C., A Game Based Learning Content forTutoring in Simplifying Boolean Functions,International Conference on Advanced LearningTechnologies (ICALT) 2010 IEEE 10th, 2010

[17] Apache Cordova, http://cordova.apache.org/

[18] Appcelerator Titanium,http://www.appcelerator.com/titanium/

[19] Comparativa de sistemas operativos móviles,http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_mobile_operating_systems

[20] Firefox OS Development,https://developer.mozilla.org/en-US/Firefox_OS?redirectlocale=en-US&redirectslug=Firefox_OS

[21] Gamification Research Network,http://gamification-research.org/

[22] Gamification Portalhttp://gamification.org

[23] Gamifingeducation.org,http://www.gamifyingeducation.org/

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[24] LimeJS,http://www.limejs.com

[25] Phonegap, http://phonegap.com

[26] Quintus, motor de juegos,http://html5quintus.com/

[27] Turbulenz, https://turbulenz.com/

[28] UNESCO, Publicaciones sobre el aprendizajemóvil, 2012.http://www.unesco.org/new/es/unesco/themes/icts/m4ed/unesco-mobile-learning-publications/

7 Publicación del artículo

El artículo podría enviarse a la revista ComputerApplications in Engineering Education de WileyPeriodicals, aunque antes habría que adaptar el formatoa las normas de publicación y traducir el texto a inglés.Esta revista publica artículos de investigación sobreusos innovadores de los ordenadores, Internet yherramientas de software para la educación en lasingenierías, entre otros.

Otra posible revista a la que podría enviarse esComputers & Education de Elsevier, con las mismascondiciones de adaptación de formato e idioma que lapropuesta anterior. Esta revista publica artículos deinvestigación relacionados con la educación o sistemasde formación que utilicen técnicas de algún dominiotecnológico incluyendo, interfaces de usuario parasistemas de aprendizaje, sistemas de formacióninteligentes, aprendizaje asistido por ordenador, gestiónde cambio tecnológico en un campus o educaciónlocal,etc.

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