Sistema tutorial inteligente a nivel primaria para aprender a multiplicar

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(1)INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY. SISTEMA TUTORIAL INTELIGENTE A NIVEL PRIMARIA PARA APRENDER A MULTIPLICAR. TESIS QUE PARA OPTAR EL GR.A.DO DE MAESTRO EN CIENCIAS COMPUTACIONALES MCCI PRESENTA. REY OLGUIN PEÑA. Asesor:. Comité de tesis:. Jurado:. Dr. JORGE ADOLFO RAMÍREZ URESTJ. Dr. MARIA DE LOS ÁNGELES JUNCO REY Dr. ISAAC RUDOMIN GOLDBERG. Dr. Dr. Dr. Dr.. MARIA DE LOS ÁNGELES JUNCO REY ISAAC RUDOMIN GOLDBERG VICTOR HUGO ZÁRATE SILVA JORGE ADOLFO RAMÍREZ URESTI. Atizapán de Zaragoza, Edo. Méx., Junio de 2003.. Presidente Secretario Vocal Vocal.

(2) 4. RESUMEN.. En las tres ultimas décadas hemos sido testigos de la evolución que han tenido los sistemas de cómputo. Esta evolución de la tecnología computacional ha afectado diversos ámbitos como son la industria, el comercio, la investigación y la medicina entre otros. La educación no ha sido la excepción, tanto en el área administrativa como en la docente, el desarrollo de la tecnología computacional ha generado en gran parte el actual ambiente educativo. Esta tesis toca uno de los temas generados a partir de este dernrrollo computacional, dentro del contexto docente. En esta tesis se presentan a los sistemas tutotiales inteligentes (STI), como una herramienta didáctica que puede apoyar al profesor en actividades extra clase ya sea introductorias o de refuerzo. El análisis y los objetivos planteados en esta tesis pretenden ai:acar la problemática, descrita en los siguientes capítulos, que vive el profesor de matemáticas a nivel primaria y cómo los STI pueden apoyarlo. De ahí el titulo de la presente tesis "sistema tutorial inteligente a nivel primaria para aprender a multiplicar". Para cubrir los objetivos arriba mencionados se implemento el STI, MYSTI. MYSTI es una implementación del modelo de STI presentado por Joseph Beck, Mia Stem y Erick Haugsjaa [l]. Adicionalmente se analizará y describirá la implementación del STI MICROWORLD [2]. Las gráficas presentadas como resultado de las pruebas realizadas con MYSTI, son para describir el comportamiento del alumno y la herramienta, mas que servir como un análisis de la efectividad de MYSTI..

(3) 6. CONTENIDO. 1.- Introducción .................................................................................................. 1O 2.- Planteamiento del problema ........................................................................ 12 2.1.- Antecedentes ..................................................................................... 12 2.2.- Problemática ...................................................................................... 12 2.3.- Objetivo general. ................................................................................ 12 2.4.- Objetivos específicos ........................................................................ 13 3 .- Estado del arte ............................................................................................. 14 3.1.- Proceso enseñanza-aprendizaje ........................................................ 14 3 .1.1.- Elementos del proceso enseñanza-aprendizaje...................... 14 3.1.2.- El Instructor en el proceso enseñanza-aprendizaje ................ 15 3.1.3.- Enseñanza vs. entrenamiento .................................................. 15 3.2.- Sistemas tutoriales........................................................................... 18 3.2.1.- La computadora como herramienta didáctica ......................... 18 3.2.2.- Instrucción asistida por computadora CBT's ........................... 20 3.3.- Los sistemas expertos y la educación ................................................ 22 3 .3 .1.- Reglas didácticas para la instrucción ....................................... 22 3.3.2,- Sistemas expertos basados en reglas ........................................ 24 3.3.3.- SHELL's para sistemas expertos basados en reglas ................ 26 3.4.- Sistemas tutoriales inteligentes ........................................................ 27 3.4.1.- Estructura general.. .................................................................. 27 3.4.2.- Elementos de un sistema tutorial inteligente ........................... 28 3.4.2.1.- Modelado del estudiante .............................................. 28 3.4.2.2.- Módulo pedagógico ..................................................... 30 3.4.2.3.- Dominio de conocimiento ............................................ 31 3.4.2.4.- Módulo de comunicación ............................................. 31 3.4.2.5.- Modelo del experto ...................................................... 32 3.4.3.- Ejemplos de sistemas tutoriales inteligentes .......................... 32.

(4) 7. 3 .5. - El sistema tutorial inteligente MicroWorld............................... 3 3 3.5.1.- Elementos del STI MicroWorld ............................................... 34 3.5.1.1.- Modelado del estudiante .............................................. 34 3.5.1.2.- Módulo pedagógico ..................................................... 34 3.5.1.3.- Dominio de conocimiento ............................................ 35 3.5.1.3.1.- Un STI para álgebra básica ............................. 35 3.5.1.3.2.- MicroWorld matemático ................................... 37 3.5.1.3.3.- Los polígonos Micro World ............................... 38 3.5.1.3.4.-Teoría de grafos MicroVlorld ........................... 41 3.5.1.4.- Módulo de comunicación ............................................ .43 3.5.1.5.- Modelo del experto ...................................................... 43 4.- Implementación de MYSTI.. ....................................................................... 44 4.1.- Estructura general de MYSTI.. ......................................................... 44 4.2.- Elementos de MYSTI.. ....................................................................... 45 4.2.1.- Dominio de conocimiento ....................................................... .45 4.2.2.- l\1odelado del estudiante .......................................................... 47 4.2.3.- l\1ódulo pedagógico ................................................................. 48 4.2.4.- I\1ódulo de comunicación ......................................................... 57 4.2.5.- I\1odelo del experto .................................................................. 64 4.3.- Una sesión de trabajo con MYSTI.. .................................................. 69 4.3.1.- l\,1ódulo 1 (Evaluación de conocimientos previos) .................. 73 4.3.2.- l\,1ódulo 2 (Nociones de la multiplicación) .............................. 79 4.3.3.- l\,fódulo 3 (Algoritmo de la multiplicación) ............................. 84 4.3.4.- I\,fódulo 4 (Ejercicios) .............................................................. 87 4.3.5.- I\,fódulo 5 (Problemas) ............................................................. 89 4.3.6.- l\tlódulo 6 (Co1Tección "Tutor Erróneo'') ................................. 93 5 .- Pruebas de M'VSTI. ...................................................................................... 96 5.1.- Selección de grupos muestra ............................................................. 96 5.2.- Entrenamiento .................................................................................... 96 5.2.1.- Evaluación de conocimientos .................................................. 96 5.2.2.- Capacitación para el uso de MYSTI.. ...................................... 97 5.2.3.- Entrenamiento con MYSTI.. .................................................... 99 5.2.4.- Evaluación de conocimientos ................................................ 101 5.3.- Presentación y análisis de resultados ............................................... ! 06.

(5) 8. 6.- Conclusiones y trabajo a futuro ................................................................... 108 6.1.- MYSTI como tutor de alumnos de nivel primaria ........................... 108 6.2.- MYSTI como herramienta didáctica para profesores de nivel primaria ............................................................................................ 108 6.3.- Necesidad de un sistema experto en pedagogía ............................... 109 6.4.- Trabajo a futuro ................................................................................ 11 O 6.4.1.- Generación de datos estadísticos ............................................. 11 O 6.4.2.- Introducción de audio .............................................................. 11 O 6.4.3 .- Incluir exámenes para detectar problemas de aprendizaje ....... 11 O 6.4.4.- Módulo tutor erróneo............................................................. 111 7 .- Bibliografía .................................................................................................. 112 Apéndices .......................................................................................................... 116 1.- Herramientas utilizadas en el desarrollo de MYSTI.. .................................. 116 l. 1.- HTrv1L ....... ............................ ............ .. ................ ..... ...... .................. 116 1.2.- Páginas activas de un servidor con ASP ................................. 117 1.3.- MS--ACCESS ..................................................................................... 118 1.4.- CLIPS ........................................................................... 120 1.5.- WebCLIPS ......................................................................................... 121 11.- Dominio de conocimiento ........................................................................... 122 11. 1.- Módulos que integran el dominio de conocimiento ......................... 122 11.2.- Temas que integran el dominio de conocimiento ............................. 123 II.3.- Láminas de conceptos que integran el dominio de conocimiento .... 124 II.4.- Ejercicios que integran el dominio de conocimiento ........................ 125 II.5.- Código ASP para procesar las láminas de conceptos del dominio ... 126 III.- Modelado del estudiante ............................................................................ 127 III.1.- Tabla histórica de desempeño del alumno ...................................... 127 IV.- Módulo pedagógico ................................................................................... 128 IV.1.- Código WebCLIPS módulo pedagógico ........................................ 128 V.- Material utilizado en la evaluación del conoómiento ................................ 133 V.1.- Evaluación de conocimientos .......................................................... 133 TEMA l. FUNDArv1ENTOS DE LA MULTIPLICACIÓN ..................... 134 TEMA 2. ALGORITMO DE LA MULTIPLICACIÓN ........................... 137 TEMA 3. EJERCICIOS DE MULTIPLICACIÓN .................................. 141.

(6) 9. VI.- Pantallas de MYSTI.. ................................................................................. 143 VI.1.- Letrero verde ................................................................................... 143 VI.2.- Letrero amarillo............................................................................. 144 VI.3.- Letrero rojo ..................................................................................... 145 VI.4.- Pantalla de conocimientos .............................................................. 146 VI.5.- Pantalla de ejercicios ...................................................................... 147.

(7) 10. 1.- Introducción. La educación a nivel primaria en México requiere transfonnar su metodología de impartición 1 de conocimiento por una que garantice un mayor aprovechamiento del mismo • La dinámica del proceso enseñanza-aprendizaje hace dificil que el profesor proporcione una atención personalizada a cada alumno de un grupo escolar, haciéndose necesario contar con una herramienta que apoye al profesor a homologar el nivel de aprovechamiento de todos los alumnos en cada tema. Un Sistema Tutorial Inteligente (STI)[ 1], es un sistema integrado por un conjunto de módulos: pedagógico, comunicación, experto, modelado del estudiante, entre otros y que es gobernado por una estrategia de enseñanza, con el propósito de transmitir un conocimiento sobre un dominio específico. Un STI es una metodología de enseñanza auxiliada por computadora, cuyo diseño y objetivos son garantizar la transmisión de un dominio de conocimiento, a un nivel de aprovechamiento definido por su modelado del estudiante y su nivel experto[ 1]. La tesis "sistema tutorial inteligente a nivel primaria para aprender a multiplicar" dio cómo resultado el Sistema MYSTI, el cual pretende ser un primer acercamiento al desarrollo de sistemas tutoriales inteligentes que sirvan cómo herramienta de apoyo a los profesores de nivel primaria de cualquier grado y de cualquier materia, para homologar el nivel de aprovechamiento entre los alumnos. El material recopilado en el desarrollo de esta tesis se dividió en capítulos, los cuales se describen a continuación. El primer capítulo "Introducción", que es esta breve introducción. En el segundo capítulo "Planteamiento del problema", se presentan los antecedentes de la problemática que se pretende resolver, esto es, desarrollar un STI que sirva cómo herramienta didáctica a los profesores de nivel primaria. Así mismo, se listan los objetivos generales y específicos de este desarrollo. En el capítulo tres "Estado del arte" se narra la evolución de los STI's desde la instrucción programada, pasando por los CBT'S, hasta los exámenes adaptivos. En este capítulo también se definen algunos conceptos de sistemas expertos aplicados a la enseñanza, así mismo se listan algunos SHELL's para sistemas expertos basados en reglas y se da una breve justificación de por qué se seleccionó CLIPS cómo el shell para el desarrollo de este trabajo. Ya al final de este capítulo se presenta la estructura general de un STI, así cómo la impresión de una sesión de trabajo con el STI "MicroWorld"[2].. http://busquedas.gruporeforma.com/utileriasr/imdservicios3W.DLL?JSearchfonnatS&file=MEX\REFORMOJ\O 0262\00262318.htm&palabra=metodo educacion&sitereforma.

(8) 11 En el capítulo cuatro "Implementación de MYSTI" se describe cómo se implementó la estructura general del STI propuesto por Joseph Beck, Mia Stem y Erick Haugsjaa[l]. En este capítulo se describe cómo se implementó cada módulo de MYSTI así cómo sus alcances y las herramientas computacionales utilizadas para su creación. En el capítulo cinco "Pruebas de MYSTI" se presentan los resultados obtenidos al trabajar con dos grupos de alumnos. Se describe cómo se seleccionó y dividió a estos alumnos, cómo se les enseñó y cómo se les evaluó. Así mismo se presentan las tablas con los resultados obtenidos y las gráficas correspondientes para su análisis. En el capítulo seis "Conclusiones y trabajo a futuro" se presentan las conclusiones a las que se llegaron al estar consultando a los profesores durante la ejecución de este trabajo. Por otra parte se presentan las mejoras que se recomiendan hacer a la primer versión de MYSTI..

(9) 12. 2.- Planteamiento del problema. 2.1.- Antecedentes Los sistemas tutoriales inteligentes surgen como una alternativa para aquellos instructores o profesores que buscan herramientas de apoyo que les permitan programar actividades extra-clase introductorias o complementarias a temas que son vistos en el salón de clases[2]. Definitivamente los STI tienen cómo objetivo elevar la calidad del proceso enseñanzaaprendizaje. Por un lado permiten al profesor elaborar un curso prototipo y nutrirlo con información relevante sobre ese tema, utilizando como material didáctico toda la tecnología disponible en la computación para cubrir los programas de estudio más exigentes, desarrollando toda la asesoría necesaria como si este curso fuera a ser impartido a un solo alumno. Por otro lado permite al alumno que integre su propio ambiente de aprendizaje sin preocuparse por sus demás compañeros de clase, viendo los temas al ritmo que él necesita, las repeticiones que necesita, el tiempo que necesita, con la asesoría dedicada del STI[2].. 2.2.- Problemática. La dinámica del proceso enseñanza-aprendizaje, a nivel primaria, genera diversos problemas tanto para el alumno como para el profesor, que demeritan la calidad de la instrucción[3]. Algunos de estos problemas son: No todos los alumnos aprenden a la misma velocidad. No siempre se puede cubrir un programa de estudio en su totalidad. No se tiene un perfil de cada alumno que tomará la instrucción. Los ejemplos vistos en clase son muy generales.. 2.2.1.- Hipótesis. Dadas las características del modelo de sistema tutorial inteligente de Joseph Beck, Mia Stem y Erick Haugsjaa[l], se puede implementar una herramienta didáctica que ayude a los profesores de nivel primaria, a desarrollar actividades de refuerzo, para alumnos que presentan problemas en la solución de operaciones de multiplicar.. 2.3.- Objetivo general. Crear un sistema tutorial inteligente basado en el modelo de Joseph Beck, Mía Stem y Erick Haugsjaa[ 1], que sirva como herramienta de apoyo al profesor de nivel primaria en tareas de refuerzo de tópicos de matemáticas..

(10) 13. 2.4.- Objetivos específicos. En esta tesis se desarrollará un Sistema Tutorial Inteligente (MYSTI) que apoye al profesor, de nivel primaria, a resolver los problemas arriba mencionados. MYSTI tiene como objetivo cubrir los siguientes puntos: Que sirva como herramienta de apoyo a profesores de 2 ° y 3er grado de nivel primaria 1• Su dominio de conocimiento será tópicos de la materia de matemáticas de 2 ° y 3er grado de nivel primaria 2. Que sea lo suficientemente inteligente para asignarle actividades extraclase e interactuar con los niños de esos grados con la mínima intervención del tutor humano[ 4]. Tenga un módulo de diagnóstico, que evaluará los conocimientos previos y detecte algunos problemas de aprendizaje. Al igual que los demás Sistemas Tutoriales Inteligentes, éste, atacará todos los factores del proceso enseñanza-aprendizaje, poniendo especial interés en el cuarto factor que es, reforzar el significado de lo aprendido. En el módulo tutor erróneo se presentarán ejercicios con errores y se motivará al alumno a que los encuentre y corrija. El módulo tutor erróneo utilizará los errores más comunes al aprender a multiplicar para lograr que el niño multiplique con el mayor número de aciertos hasta alcanzar la totalidad de aciertos.. 1. http://nonnalista.ilce.edu.mx/norma1ista/. 2. http://www.sep.gob.mx/wb2/.

(11) 14. 3.- Estado del arte. 3.1.- El Proceso enseñanza-aprendizaje. La enseñanza es un proceso mediante el cual el instructor selecciona los tópicos que deben ser aprendidos y realiza una serie de actividades cuyo propósito consiste en lograr el aprendizaje en el alurnno[5]. La enseñanza se 1mcia con las actividades de planificación mediante las cuales el instructor determina los objetivos educacionales, el motivo del adiestramiento, la capacitación, así cómo los medios con que se apoyará. Adicionalmente planeará la conducción de tareas o actividades durante las sesiones de instrucción. 3.1.1.- Elementos del proceso enseñanza-aprendizaje. 3.1.1.1.- Motivación.. Motivar desde un punto de vista didáctico, es estimular el interés personal del que aprende para que se empeñe en hacerlo. Consiste en un intento de proporcionar a los estudiantes situaciones que lo lleven a una actividad constante y orientada hacia resultados interesantes y válidos para la satisfacción de sus necesidades. 3.1.1.2.- Información.. La información o contenido de lo que el participante va a aprender reviste una importancia tan significativa cómo la de los otros cuatro factores. La información debe presentarse dándole un sentido lógico a las partes y al todo, de una manera clara y ordenada para facilitar su comprensión, refiriéndola a la realidad circundante del que aprende, apoyándola y comparándola con contenidos previamente aprendidos. 3.1.1.3.- Ejercitación.. Cuando únicamente se ha presentado la teoría no puede considerarse que el participante haya aprendido, ya que para aceptar tal consideración es necesario que maneje el contenido en situaciones prácticas, ya sean intelectuales, manuales o de relación social. De esta manera el que aprende podrá verificar conceptos, estructurar esquemas, valorar el conocimiento manejado al relacionarlo con sus propias actividades y establecer conclusiones partiendo de bases más consistentes proporcionadas por la ejercitación..

(12) 15. 3.1.1.4.- Síntesis. El factor de síntesis, en el proceso enseñanza-aprendizaje, resulta de un análisis global de la presentación de la información y de su ejercitación. Es el momento de organizar lo que se está aprendiendo, en el que se consolidan los conceptos, los criterios, se establecen conclusiones, se estructuran los procedimientos y sé relaciona este todo con las expectativas y necesidades del que aprende de tal forma que se refuerza el significado y relevancia de lo que se aprende. 3.1.1.5.- Evaluación. El comprobar en qué medida se logran los objetivos previstos, es un factor importante en tanto que al evaluar se reconocen los esfuerzos, se aprecian los logros y se refuerza el interés por aprender. La evaluación es considerada cómo un indicador del avance de la instrucción y del aprendizaje, es esencial e inherente en el proceso de adiestramiento. La evaluación es pues, el elemento que permite comprobar, tanto al instructor cómo al que aprende, hasta qué grado y de qué manera se están alcanzando sus objetivos. 3.1.2.- El instructor en el proceso de enseñanza-aprendizaje. Cómo conclusión de lo expuesto anteriormente, se podrían establecer una serie de observaciones acerca del papel del instructor dentro del proceso enseñanza-aprendizaje[6]. - El instructor es un gu{a de las actividades, es el asesor que orienta a los participantes a lo largo de todo el proceso hasta alcanzar el logro de sus objetivos. - La condición, para que el asesoramiento resulte productivo, está relacionada totalmente con las actitudes o posiciones que manifieste el instructor. Su actitud deberá ser abierta y respetuosa ante las diversas posiciones de los participantes, tratando siempre de encauzarlas hacia el logro de los objetivos. - Deberá fungir cómo un recurso de apoyo al que los part1c1pantes puedan recurrir en el momento necesario, estimulando el análisis crítico del que aprende, y comprendiendo la responsabilidad que implica el facilitar el proceso de enseñanza-aprendizaje. 3.1.3.- Enseñanza vs. entrenamiento. En esta sección se listan los elementos que diferencian la enseñanza del entrenamiento, dado que para los profesores de educación primaria es muy importante esta diferenciación. Esta diferenciación, se basa en el hecho de que en el proceso de enseñanza se parte de la presentación o exposición de conceptos nuevos para el alumno, mientras que en el entrenamiento por lo general el alumno realiza tareas sobre algo que acaba de ver o vio con anticipación y su objetivo principal es que el alumno mecanice un procedimiento hasta su comprobación y comprensión[?]. Definitivamente las metodologías para entrenamiento son la herramienta pedagógica más utilizada en la enseñanza..

(13) 16. Cómo se pudo constatar en el desarrollo de la presente tesis, evidentemente las necesidades del aprendizaje no son las mismas a medida que éste progresa[6]. En particular, la organización en el tiempo de las diversas tareas debe favorecer la integración y la generalización de los conocimientos así cómo la adquisición de habilidades cada vez más complejas. Para lograrlo, la organización del aprendizaje puede llevarse a cabo según una complejidad creciente o bien, según una diversidad creciente. La organización de las tareas, según una complejidad cada vez mayor, se refiere a una secuencia de las tareas y de sus entornos, de suerte que sea necesario apelar a un número cada vez mayor de actitudes y habilidades de los expertos para resolver esas tareas. El primer mecanismo para aprender a afrontar la complejidad es el control de la complejidad de la tarea que en realidad puede producirse en varias direcciones. El segundo mecanismo consiste en utilizar el procedimiento de sostén que permite al alumno, sostenido por el profesor u otras personas, realizar actividades complejas con miras a llevar acabo luego una tarea más elaborada que no podría cumplir por sí sólo[6]. La organización de las tareas según una diversidad cada vez mayor tiene que ver con las secuencias de las tareas que exigen recurrir a una diversidad creciente de estrategias o habilidades. La organización según una complejidad creciente se adapta bien al aprendizaje de nuevas estrategias, pero cuando esas estrategias, comienzan a ser dominadas individualmente es importante acometer otras tareas que apelen a varias de esas estrategias, de suerte que el alumno reconozca las condiciones en que se las aplica y pueda construirse un contexto de asociaciones más rico que su empleo. Esto facilitará el tratamiento de problemas menos familiares. Una representación gráfica del proceso de entrenamiento podría ser la que nos muestra la figura 2.1: APLICAR CONCEPTOS. PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA. RESULTADO. CORRECCIÓN. CONOCIMIENTO. Figura 2.1: Proceso de entrenamiento..

(14) 17. En la figura 2.1 se puede observar el ciclo que debe seguir el alumno con objeto de lograr un conocimiento de los conceptos que se le presentaron con anterioridad. En esta gráfica se muestra _ el método tradicional de entrenamiento en el cual, después de haberse impartido una serie de conceptos, se le proporcionan al alumno una serie de problemas o ejercicios para que los resuelva hasta lograr su comprensión. En esta metodología de entrenamiento el alumno no tendrá ninguna asesoría o soporte en caso de duda, teniendo que consumir tiempo y atención al tratar de autocapacitarse. Uno de los puntos mas complejos en el entrenamiento es la asesoría al alumno, ya que en ningún lado se documenta cuanta es necesaria ni cómo deberá proporcionarse, siendo la práctica mas común "asesorar al alumno cuando él lo solicite". Una de las técnicas para lograr la comprensión de un concepto complejo es plantear problemas básicos e ir subiendo el nivel de complejidad hasta la generación de dudas para su posterior aclaración[8]. La integración de las dos ideas previas provocan una incongruencia ya que un alumno que se le presenta un tema nuevo y que tiene que resolver un problema complejo sobre dicho tema, no sabrá de qué dudar, por lo tanto no podrá solicitar una asesoría apropiada dificultándosele la comprensión de ese tópico. Una modificación a la gráfica de la figura 2.1. y ahora incluyendo la presentación de ejercicios por niveles y la asesoria en línea, sería la que nos presenta la figura 2.2:. APLICAR CONCEPTOS. ..-------,·---. PRESENT ACIUN DEL PROBLEMA ~-----f=;,i. ..------,--ASESORIA, COMPRENSION. ¿DUDA?. RESULTADO. NIVEL SUPERIOR. CONOCIMIENTO. Figura 2.2: Proceso de entrenamiento por niveles de complejidad con asesoría..

(15) 18. 3.2.- Sistemas Tutoriales. 3.2.1.- La computadora como herramienta didáctica. ¿Por qué la computadora interesa en la educación?. A lo largo de nuestra experiencia en las aulas, ya sea como alumnos o profesores, nos hemos percatado que muchos de nuestros hábitos de enseñanza o aprendizaje son perfectibles y por lo general concluimos que el tratar de corregirlos nos llevaría mas tiempo del que tenemos programado para estas actividades. Seria ideal tener un compañero que no se preocupe de nada mas que de la actividad que se le asigna, que esté siempre disponible, que siempre tenga deseos de aprender mas, que tenga una estrategia para resolver los problemas siempre exacta, que esté a nuestro nivel intelectual, que no olvide, que no se canse. Si bien estas tareas no son imposibles de lograr, sería muy dificil llevarlas acabo sin la ayuda de una computadora. A continuación se listan algunas de las estrategias didácticas más aplicadas en la computación, si se desea utilizar a la computadora como herramienta didáctica[8].. 3.2.1.1.- El Compañerismo Cognitivo. La noción de camaradería cognitiva se inspira en la antigua práctica de la relación de compañerismo entre el maestro y el aprendiz, una práctica destinada a transferir el saber y la destreza del experto en dominios tales como la escultura, carpintería, medicina, etc. Estos métodos de transferencia no implican una enseñanza didáctica, aquí el compañero de trabajo observa el modo de proceder del experto y se entrena tratando de imitarlo. Se trata de un aprendizaje por aproximaciones sucesivas logrado en el curso de la realización de una multiplicidad de tareas. Se ve que existen pocas similitudes entre este compañerismo cognitivo y la actividad escolar habitual. Las habilidades y los conocimientos aquí adquiridos están naturalmente dentro del contexto social y funcional de su utilización: el aprendiz ve para qué sirve lo que aprende. Y esto no es lo que ocurre en la escuela. Sin embargo, en el caso de un aprendizaje conceptual, el saber conceptual podría construirse explicando su uso en una diversidad de contextos para asegurar una comprensión más profunda del concepto y la comprensión de una compleja variedad de asociaciones entre los conceptos importantes y los contextos de resolución de problemas. En la clásica relación de compañeros de oficios, el procedimiento empleado por el maestro es visible y observable: guarda estrecha relación con el producto obtenido. En la escuela, las prácticas pedagógicas clásicas no hacen visible a los alumnos los aspectos claves del proceder de los expertos. El maestro transmite el saber, pero no se conduce explícitamente como un experto que el alumno pueda observar como tal. Por otra parte, el enfoque del compañerismo cognitivo implica la "exteriorización de un proceso mental" que en general se desarrolla implícitamente, a diferencia del compañerismo común. Una de las características del compañerismo cognitivo es, pues, la realización de una serie de actividades destinadas a hacer explícitos esos modos de conducta que son implícitos en los expertos, de tal manera que el alumno pueda observarlos, compararlos con sus propios modos de pensar y luego, poco a poco, ponerlos en práctica con ayuda del maestro y de los demás alumnos. Algunos autores[8, 6, 3] pugnan por este tipo de actividad, pero sólo entre alumnos, pues piensan que los primeros pasos iniciados por unos pueden ayudar a los demás..

(16) 19. Evidentemente ésta es una ventaja en relación con el companensmo clásico de maestro y aprendiz en el que la sucesión está determinada por el objetivo de producción. Esta concepción ya ha sido practicada con éxito en la enseñanza elemental de la lectura, de la escritura y de la matemática. 3.2.1.2.- Enseñanza recíproca. Una buena ilustración de algunos de los rasgos característicos del compañerismo cognitivo es la realización de una práctica de enseñanza recíproca, llamada así porque el profesor y cada alumno pueden por tumo desempeñar el papel de maestro [8, 9, 10]. El fin de la enseñanza recíproca aplicada a una práctica de lectura inteligente es ofrecer un modelo a los alumnos de las cuatro estrategias del lector inteligente: la aptitud para formular preguntas sobre el texto, la capacidad de resumir el texto, la capacidad de precisar y superar las dificultades, se procura así que los alumnos asimilen progresivamente estas estrategias. El procedimiento de la enseñanza recíproca es el siguiente para el caso de la lectura. El maestro y los alumnos leen en silencio un párrafo. Quien hace las veces de maestro formula una pregunta sobre el contenido del párrafo, hace un breve resumen de él, propone una predicción de lo que va a seguir y clarifica un punto que pueda parecerle oscuro. Al principio, es el profesor el que ofrece el modelo del proceso, luego el profesor ayuda considerablemente a cada uno mediante sugerencias y también críticas. El profesor sostiene así la actividad inicial y luego va dejando que su acción progresivamente se desvanezca para intervenir sólo de manera ocasional. El profesor encama el modelo del experto en un contexto inmediatamente utilizable por el alumno, lo cual lleva a éste a reflexionar en su propia actuación que puede comparar con la del maestro. En efecto, el alumno presta atención a la actividad del profesor sabiendo que muy rápidamente deberá hacer otro tanto. El apoyo aportado por el profesor permite al alumno descomponer la tarea en sus diferentes elementos e impide que el alumno se obstine en permanecer en un callejón sin salida, pues el maestro le sugiere otros caminos. La retirada paulatina del profesor da progresivamente al alumno una nueva confianza en su capacidad de realizar la tarea por sí mismo. Lo hace autónomo. 3.2.1.3.- Tutorías por computadora. Aunque los estudiantes pasan la mayor parte de su tiempo en los medios educativos tradicionales, los programas docentes pueden incorporar computadoras con objeto de incrementar la calidad de la enseñanza y el aprendizaje. Los maestros podrían servirse de un programa de tutoría para enseñar y reforzar cualquier concepto. Para que dé resultados, tal programa debe comprender las siguientes características, se tomará como base un tutor de matemáticas por computadora..

(17) 20 1.- Presentar multiplicaciones que los estudiantes resuelvan, progresando de la tabla del 1 aladel9. 2.- Personalizar la enseñanza, emplear el nombre del estudiante cuando se da retroalimentación sobre la exactitud de las respuestas. 3.- Seguir el progreso del estudiante para ofrecer repasos cuando sea necesario y avanzar. al siguiente nivel cuando domine el actual. 4.- Revisar y dar retroalimentación sobre los problemas mal contestados al final de cada eJerc1c10. 5.- Brindar retroalimentación sobre el número de respuestas correctas e incorrectas de cada ejercicio, así como sobre el progreso general en todas las tablas de multiplicar. 3.2.2.- Instrucción asistida por computadora CBT's.. En los años 20, Skinner recibió la influencia del trabajo de Sydney Pressey[8], que diseñaba máquinas para fines principalmente de evaluación. Se presentaban a los estudiantes preguntas de opción múltiple y ellos oprimían el botón de la respuesta elegida. Si era correcta, la máquina mostraba la siguiente pregunta; si no, registraba error y los niños volvían a responder. Skinner revivió en los cincuentas las máquinas de Pressey y las modificó para incorporar la enseñanza, dando paso así a la Instrucción Programada[8]. Sus máquinas de enseñanza presentan el material en pequeños pasos (cuadros), de los que cada uno pide que los estudiantes den una respuesta abierta. El material sigue una secuencia cuidadosa y se divide en pequeñas unidades para reducir al mínimo la tasa de errores de los alumnos, lo que también hace sugiriendo las respuestas correctas. Si la contestación del alumno es la adecuada, éste podrá pasar al siguiente cuadro; en caso contrario, otro cuadro brindará material complementario. La Instrucción Programada sirve de varios principios de aprendizaje[8]. Primero, los objetivos conductuales especifican lo que los alumnos deberán realizar al terminar la enseñanza. Segundo la unidad se subdivide en cuadros secuenciales; cada uno presenta pequeños fragmentos de información y reactivos de evaluación para que los respondan los alumnos. Aunque se incluya material extenso en el programa, los incrementos de un cuadro a otro son pequeños. Tercero, los estudiantes aprenden a su propio ritmo. Cuarto, los alumnos contestan las preguntas conforme avanzan en el programa. Las preguntas pueden consistir en anotar la palabra que falta, dar resultados numéricos o elegir de varios enunciados el que mejor describa la idea presentada. Quinto, la retroalimentación depende de la respuesta del estudiante, si es correcta, podrá pasar al siguiente reactivo; en caso contrario, recibirá información adicional correctiva y la idea será probada en una forma ligeramente distinta. Como la Instrucción Programada refleja el proceso de modelamiento, los adelantos en el desempeño son reducidos y los alumnos casi siempre contestan bien. Los programas lineales y los ramificados se distinguen por la forma en que tratan los errores. Mientras los programas lineales se enfocan en presentar conceptos y hacer preguntas sobre la información que se está presentando sin dar importancia a los ejercicios con errores. Los programas ramificados, por el. \¾ºctY7.

(18) 21 contrario, se preocupan mas por interactuar con el alumno con objeto de detectar fallas para descifrar sus dudas y poder aclararlas. Un ejemplo seria la ponencia de un expositor en un seminario, comparada con el trabajo realizado por un profesor en una sesión de asesoría. Las computadoras han sido utilizadas en la educación por más de 30 años[8]. Los CBT (por sus siglas en inglés Computer Based Training) fueron los primeros sistemas desarrollados, para atender o impartir la enseñanza utilizando las computadoras. En esta clase de sistemas la instrucción no era individualizada a las necesidades de cada estudiante. En lugar de eso, la decisión acerca de cómo promover al estudiante de un material a otro, era a través de interrogaciones, por ejemplo: "Si la pregunta 21 es respondida correctamente, entonces proceda a 1a pregunta 54, de otra manera, vaya a la pregunta 32". Las habilidades de los estudiantes eran ignoradas o no se tomaban en cuenta. Mientras los CBT podían ser, de alguna forma, efectivos para ayudar al estudiante a aprender, ellos no proveían la misma clase de atención individualizada que un estudiante hubiera necesitado o recibido de un Tutor Humano. Para un sistema educacional basado en computadoras, el poder dar atención es mas o igual de importante que el dominio que se está aprendiendo. Esto ha sido cuestionado por los investigadores en el campo de los Sistemas Tutoriales Inteligentes. Los Sistemas Tutoriales Inteligentes (STI), ofrecen una flexibilidad considerable en la presentación del material y una gran capacidad para responder a las habilidades y las necesidades de cada estudiante. Estos sistemas prevén la inteligencia de cada estudiante al ser representada en decisiones pedagógicas acerca de cómo enseñarán de la mejor manera la información al estudiante. Esto permite una gran versatilidad al adaptar la integración del sistema con el estudiante. En el capítulo 2 se describen de manera más detallada los STI..

(19) 22. 3.3.- Los sistemas expertos y la educación. Con objeto de diseñar un Sistema Tutorial Inteligente [ 11, 12], los diseñadores tienen que saber cómo interactúa un experto en un sistema educacional. Se tiene que definir a detalle qué funciones son necesarias para lograr ciertas metas de la educación, qué componentes son necesarios para qué funcionalidad, cómo especificar cada componente, qué arquitectura es apropiada para que tipos de educación, cómo controlar el comportamiento de los componentes, etc., ya que estos componentes reflejarán la comprensión fundamental del Sistema Educacional. La Ingeniería del Conocimiento ha sido considerada como una tecnología para la construcción de los Sistemas Expertos. La ingeniería del conocimiento ha contribuido ha descubrir la esencia del conocimiento del experto y organizarla en una estructura computacional para la construcción de bases de conocimientos. De tal manera que en los sistemas expertos basados en reglas, al conjunto de reglas que definen los criterios de un sistema experto se le conoce como base de conocimientos. De una forma más llana, se podría decir que todo criterio que utiliza un experto en un dominio dado se tendrá que expresar en términos de reglas para poder formar parte de la base de conocimientos de dicho experto. Debido a que esta base de conocimientos debe ser lo suficientemente congruente, no se podrán meter reglas que no puedan ser comprobables o que se contradigan.. 3.3.1.- Reglas didácticas para la instrucción. Existen seis reglas básicas de la didáctica que la mayoría de expertos en pedagogía siguen, estas son[6, 9]:. 3.3.1.1.- Organizar un programa de actividades didácticas. Los maestros organizan un programa de actividades de aprendizaje fundado en la experimentación y el descubrimiento. Para hacerlo: Definen un conjunto de objetivos a corto plazo y de largo plazo para sus alumnos. Seleccionan un contenido particular, conciben un progreso y lo adaptan a ese contenido; aquí los maestros deben tener en cuenta los intereses, los conocimientos, las aptitudes, las experiencias anteriores de sus alumnos. Los maestros determinan estrategias de enseñanza que favorezcan la comprensión individual y el desarrollo de participaciones colectivas de los alumnos en la actividad misma de aprendizaje. Trabajan con otros colegas en los niveles y disciplinas equivalentes o diferentes. 3.3.1.2.- Guiar y facilitar el aprendizaje. Para lograrlo, los maestros: Interactúan con los alumnos para orientar y apoyar las investigaciones experimentales de éstos. Orquestan las discusiones entre los alumnos sobre temas específicos. Animan a los alumnos a asumir la responsabilidad de su propio trabajo y a trabajar en cooperación. Tienen en cuenta la diversidad de los alumnos y los alientan a todos para que participen en el aprendizaje. Favorecen, mostrando con ejemplos, la investigación experimental, alientan la curiosidad, estimulan la apertura a ideas nuevas y enseñan a rechazar dogmas sobre el conocimiento..

(20) 23. 3.3.1.3.- Evaluar a medida que avanzan el aprendizaje y la enseñanza. Para lograrlo, los maestros: Recogen sistemáticamente datos sobre sus alumnos y sus evoluciones. Analizan esos datos para guiar la enseñanza. Incitan a los alumnos a autoevaluar y los guían en esa tarea. Utilizan los datos sobre los alumnos, la observación de su propia enseñanza y las interacciones con los colegas para reflexionar y mejorar sus prácticas. 3.3.1.4.- Concebir y administrar los entornos de aprendizaje de los alumnos y darles tiempo, espacio y recursos para aprender. Para lograrlo, los maestros: Organizan el empleo del tiempo de manera que los alumnos puedan llevar a cabo por completo sus ejercicios. Ofrecen un cuadro de trabajo flexible que favorezca la ejercitación. Ofrecen un ambiente en el que se trabaje sin peligro. Dan a los alumnos acceso a los instrumentos, materiales impresos y tecnologías necesanas. Definen y utilizan los medios ya existentes fuera de la escuela (museos, visitas, excursiones). Alientan a los alumnos para que ellos mismos creen ese entorno de aprendizaje. 3.3.1.5.- Desarrollar un enfoque colectivo que refleje las técnicas y valores que favorecen el aprendizaje. Para hacerlo los profesores: Deben atestiguar su interés y pedir que se respeten y valoricen las ideas, aptitudes y experiencias de todos los alumnos. Asocian a los alumnos con decisiones refentes al contenido y al contexto de sus trabajos y piden a sus alumnos que se sientan efectivamente responsables del aprendizaje de los miembros del grupo. Fomentan la colaboración. Estructuran y facilitan las discusiones formales e informales apoyándose en una comprensión común de las reglas del intercambio de conocimientos. Modelan y subrayan la importancia de las técnicas, actitudes y valores del enfoque experimental, de la interrogación y de la elaboración de los conceptos.. 3.3.1.6.- Adaptarse y elaborar el funcionamiento del establecimiento escolar. Los maestros que deben enseñar contribuyen de una manera activa a organizar las actividades de enseñanza. Para hacerlo, los maestros: Planifican y desarrollan las actividades de la enseñanza. Intervienen en las decisiones referentes a la asignación de tiempo y de medios para realizar esas actividades. Organizan y ponen en práctica estrategias y actividades de desarrollo profesional para sí mismos y para sus colegas..

(21) 24. 3.3.2.- Sistemas expertos basados en reglas.. Antes de entrar en el tema de los sistemas expertos es necesario definir alguna características de los expertos en genera. 3.3.2.1.- ¿Qué hacen los expertos?. Los expertos no sólo tienen un caudal de conocimiento declarativos, hechos e información verbal, también dominan una cantidad considerable de conocimientos procedurales, una comprensión de cómo realizar varias actividades cognoscitivas, además saben cuándo y por qué aplicar su comprensión, tienen conocimientos condicionales, de manera que pueden manipular con facilidad sus conocimientos declarativos y procedurales para la solución de problemas[l3]. 3.3.2.2.- Convertirse en un experto en la solución de problemas.. Conforme la persona que soluciona problemas adquiere más práctica y experiencia en un área, el conocimiento que guía la solución de problemas cambia de declarativo a "procedural", de saber qué a saber cómo. Conforme el conocimiento declarativo se complica en producciones o "reglas de condición-acción", la persona que soluciona problemas pasa de la etapa interpretativa a la etapa "procedural", donde puede identificar y aplicar soluciones con rapidez, en la situación Y se hace X. Cuanto más práctica y experiencia adquiere la persona en un área de problema, más accesibles e inmediatas son las soluciones en esa área. En la etapa procedural, nuestros expertos en la solución de problemas de matemáticas o fisica ya no buscan en el contexto problemas similares que los guíen. En su lugar (casi en forma automática) aplican las reglas correctas para resolver el problema que enfrentan. 3.3.2.3.- Alternativas para representación del conocimiento.. Para el desarrollo de un sistema experto se pueden utilizar cualquiera de las siguientes alternativas de representación del conocimiento[4, 13, 14], sin embargo la representación vía sistemas basados en reglas ha sido elegida como la mas adecuada por los desarrolladores de sistemas expertos educativos, como verán mas adelante[ 13, 15]. 1.- Tripletas, ( Objeto, Atributo, Valor). 2.- Redes semánticas. 3.- Frames. 4.- Representación vía argumentos lógicos. 5.- Redes neuronales. 6.- Representación vía Sistema Basados en Reglas. 7 .- Lógica difusa. 8.- Redes bayesianas..

(22) 25 3.3.2.4.- Ventajas de los sistemas expertos basados en reglas en el desarrollo de sistemas expertos educativos:. 1.- La mayoría de los sistemas expertos existentes han sido desarrollados en paquetes que tienen shells que interpretan sistemas basados en reglas[ 4, 13, 15]. 2.- Los sistemas expertos basados en reglas han sido desarrollados con herramientas de software que son normalmente menos costosas que cualquier otra implementación[ 4, 13, 16]. 3.- La amplia disponibilidad de shells que interpretan sistemas expertos basados en reglas permiten a los ingenieros del conocimiento centrar su atención en las fases más criticas del desarrollo del sistema experto que es la base de conocimientos[ 4, 13]. 4.- La representación de reglas es particularmente un modo natural de la representación del conocimiento, consecuentemente el tiempo requerido para aprender cómo desarrollar un sistema basado en reglas es menor que en el resto de las altemativas[4, 13]. 5.- Las reglas son autodocumentables y son ciertamente mucho más transparentes que los modos de representación de conocimientos mencionados arriba como los frames y las redes neuronales. Además esta transparencia generalmente ayuda a incrementar la interpretación, la administración y aceptar la solución obtenida. El mas importante de estos factores es la comprensión del código del sistema basado en reglas[ 4, 13]. 6.- Los sistemas basados en reglas pueden ser relativamente más fácilmente modificados. En particular la adición de reglas, el borrado y la revisión de éstas es más clara que en los otros modos de representación del conocimiento[ 4, 13]. 7.- La validación del contenido de los sistemas basados en reglas es más simple, ya que la validación de frames y las redes neuronales es normalmente a través de simulaciones y procesos mas costosos[ 4, 13]. 8.- El empleo de sistemas basados en reglas da como resultado una forma natural y transparente de la representación del conocimiento, una fácil modificación de la base de datos y una fácil validación de la base de datos[ 4, 13]. 9.- El entrenamiento es mínimo, debido a que son reglas basadas en experiencias reales[ 13]. 10.- La experiencia en programación de computadoras no es necesaria[ 4, 13]. 11.- Los sistemas expertos basados en reglas permiten a los ingenieros del conocimiento enfocar su atención en las dos fases mas críticas del desarrollo de un sistema experto, la adquisición del conocimiento y la representación de conocimiento[ 13]..

(23) 26 3.3.3.- Shells para sistemas expertos basados en reglas. Los sistemas expertos se apoyan sobre sistemas conocidos como herramientas de desarrollo de sistemas expertos, o shells. Éstos son de gran ayuda cuando el problema actual corresponde exactamente con el tipo de representación de conocimiento que apoya el shell. Pero si el problema a solucionar requiere, por su naturaleza, construcciones y representaciones inexistentes en el shell que disponemos, harán falta costosas "adaptaciones del problema". La configuración del shell deseado se realiza mediante la selección de los componentes necesarios, de esa caja de herramientas se extraerán sólo aquéllas funciones necesarias para la resolución del problema. Un shell es la parte que queda cuando se le extrae el conocimiento almacenado en la base de conocimientos. Shell significa concha. De esta forma es posible utilizar el shell con varias bases de conocimientos. La esperanza de poder generalizar shells es, desgraciadamente, utópica. Los problemas que pueden solucionarse con sistemas expertos, son demasiado distintos entre sí. Por ello siempre hace falta realizar adaptaciones específicas para cada proyecto. No es el Shell el que marca la forma de procesar el conocimiento basándose en sus posibilidades técnicas, sino el experto, que decide cómo y en qué secuencia se procesa el conocimiento. Pues el sistema experto tiene que adaptarse al comportamiento del experto y no a la inversa. El experto no es sustituido, sino sólo apoyado en parte de su trabajo diario por la experiencia acumulada en la base de conocimientos. 3.3.3.1.- Algunos shells disponibles en el mercado son: • • •. EXSYS[l6]. LEVEL5[13]. CLIPS[l 7].. Basado en la recomendación que hacen Giarratano y Riley[ 4], sobre los shell 's arriba mencionados, el shell que se utilizará para el desarro11o de este proyecto será CLIPS, debido a que cumbre los siguientes requerimientos: • • • •. Vigencia en el mercado. Licenciamiento. Soporte a la investigación. Desarrollos similares.. En los apéndices I y IV se tratan más a detalle las características de CLIPS..

(24) 27. 3.4.- Sistemas Tutoriales Inteligentes. Los STI han sido diseñados para ser altamente efectivos e incrementar el desempeño del estudiante y su motivación. Como se mencionó en la sección 2.3 el principal objetivo de los STI, a diferencia de los CBT, es capturar las habilidades del experto tutor humano. Existe una amplia variedad de tendencias para el desarrollo de un STI[l, 10, 11, 15, 18] sin embargo, este trabajo se apoyará en la estructura general de un STI (Figura 24.1), propuesta por Joseph Beck, Mía Stern y Erik Haugsjaa [ 1] debido a que cubre los requerimientos de los objetivos específicos y general de esta tesis.. 3.4.1.- Estructura General.. ESTRUCTURA GENERAL DE UN STI MODELADO DEL ESTUDIANTE. DOMINIO DE CONOCIMIENTO. MODUL O PEDAGOGICO. MODUL O DE COMUNICACIÓN. MODELO DEL EXPERTO. Figura 24.1: Estmctura general de un sistema tutorial inteligente.

(25) 28. 3.4.2.- Elementos de un Sistema Tutorial Inteligente.. 3.4.2.1.- Modelado del estudiante.. El modelado del estudiante almacena información que es específica y particular de cada estudiante. Como mínimo, un modelo deberá tener la información de qué tan bien se desempeña un estudiante en el desarrollo del material que es prerequisito para tomar los tópicos del STI. Como una posible adición a esto, serán también almacenados los errores del estudiante. Ya que el propósito del modelado del estudiante es proveer información para el módulo pedagógico del STI, toda la información reunida por el modelado del estudiante estará almacenada y podrá ser utilizada por todos los módulos del STI. Existen varias formas de representar el modelado del estudiante[ 1, 19], la más común es las Modelo Overlay como se muestra en la (Figura 24.2). El paradigma estándar para representar el modelado del estudiante es el modelo Overlay, en el cual el conocimiento del estudiante es considerado como un subconjunto del dominio de conocimiento o conocimiento del experto. Con esta representación, el STI presentará el material al estudiante de tal forma que su conocimiento llegue a coincidir con el del experto.. Modelado dej Estudiante. Estudiante. Conocim iento del experto. J:. Figura 24.2: Modelado del estudiante..

(26) 29 Este módulo del STI trata al estudiante como un equipo que debe ser diagnosticado y reparado [ 18, 20]. Generalmente este módulo comienza interactuando con el estudiante para formar el modelado del estudiante y ver a qué nivel comprende los tópicos de los prerrequisitos. Después el módulo compara el modelado del estudiante con el modelo ideal, existente en el dominio de conocimiento, para descubrir las debilidades del estudiante. Ya por último almacena la información remedia}, para dejarla disponible para ser utilizada por el módulo pedagógico, para que corrija los problemas del estudiante[21, 22]. Una ejemplificación del proceso de diagnóstico lo tenemos en las (Figuras 24.3 y 24.4).. Proceso de Reparación •. Figura 24.3: Proceso de diagnóstico de fallas de un equipo de cómputo..

(27) 30. Paso las Pruebas. ~. ~. 1l. Figura 24.4: Proceso de diagnóstico del modelado del estudiante por un STI. 3.4.2.2.- Módulo Pedagógico. Este componente provee un modelo para el proceso de enseñanza. Por ejemplo, información acerca de cuándo repasar, cuándo presentar un mlevo tópico, y cuál tópico está siendo presentado, controlado o evaluado por el módulo pedagógico[!, 23, 24]. Como se mencionó anteriormente, el modelado del estudiante es usado como una entrada a éste componente, de tal forma que una decisión pedagógica es un reflejo de las diferentes necesidades de cada estudiante, como se muestra en la figura 24.5. DISEÑO DE SISTEMAS DE AUTORIA REPRESENTACION DEL CONOCIMIENTO MODULO PEDAGOGICO. EXPERTO HUMANO. Figura 24.5: Módulo pedagógico..

(28) 31 3.4.2.3.- Dominio de conocimiento. Este componente contiene la información que el tutor está enseñando, y es la más importante ya que sin ella no habría nada que enseñar al estudiante[ 1]. Generalmente requiere un esfuerzo especial de la ingeniería del conocimiento para representar el dominio, para que las otras partes del tutor puedan tener acceso a este componente. Algunas investigaciones relacionadas estudian la problemática de cómo representar el conocimiento de tal manera que sea fácilmente escalado hacia dominios más amplios. Otra pregunta abierta es como representar el dominio de conocimiento de otra manera que en lugar de utilizar hechos y procedimientos se utilicen conceptos y modelos mentales. En la figura 24.6 se hace una representación grafica del dominio de conocimiento como el grupo de referencias que van a contener el conocimiento del experto[ 1, 19].. Figura 24.6: Dominio de conocimiento. 3.4.2.4.- Módulo de comunicación. Es la interacción con el estudiante, incluyendo las pantallas de diálogo y las pantallas de trabajo, son controladas por este componente como lo muestra la figura 24.7. En este módulo, el desarrollador debe preguntarse cómo debe ser presentado el material que se va a enseñar al estudiante en la forma más efectiva o representativa. Este componente no ha sido tan investigado como los otros, sin embargo hay algunas técnicas que facilitan esta tarea [25].. USUARIO. INTERFACE GRAFICA. Figura 24. 7: Módulo de comunicación.. SISTEMA TUTORI.I\L INTELIGENTE.

(29) 32 3.4.2.5.- Modelo del experto.. El modelo del experto es similar al dominio del conocimiento. Este debe contener la información que será enseñada al estudiante. No obstante es mas que solo la representación de la información, es el modelo de cómo alguien es hábil en un dominio de conocimiento en particular. Más comúnmente éste toma la forma de un modelo experto ejecutable que debe ser capaz de resolver problemas en el dominio de lo que se esta enseñando como se presenta en la figura 24.8. Al utilizar un modelo experto el tutor podrá comparar las soluciones que el estudiante le presenta, para algún problema determinado, con las soluciones que el experto encuentra.. RESOLUCION DE EJERCICIOS Y PROBLEMAS REPRESENfACION DEL CONOCIMIENTO. MODELO DEL EXPERTO. Figura 24.8: Módelo del experto.. 3.4.3.- Ejemplos de sistemas tutoriales inteligentes.. La tabla 24.1 nos presenta una lista de algunos STI' s que se pueden encontrar en intemet. STI APLUSIX[13] MICROWORLD[2] ANDES 1 PROBITL. DOMINIO DE CONOCIMIENTO Ejercicios de álgebra a nivel preparatoria STI para álgebra básica RAND STI para fisica ARP A/ONR STI para estudiar probabilidad Middlesex. INVESTIGADOR Stem & McNillan David McArthur Kurt VanLehn Serengul Smith. Tabla 24.1: Ejemplos de sistemas tutoriales inteligentes.. A continuación se hará un análisis del STI MICROWORLD por ser el que mas se apega al modelo de STI antes descrito. 1. 2. http://www.pitt.edu/-vanlehn/andes.htm 1. http :/ /www.cs.r.1dx.ac. uk/sta ffpages/serengul/Exp lana ti on. based. learn in g_ methods. htm http://www.cs.mdx.ac. uk/staffoages/serengul/The.appl ication.of. EB L. in. l ntel li gent.Tutori ng. htm.

(30) 33. 3.5.- El sistema tutorial inteligente MicroWorld.. A continuación se describe brevemente como esta integrado y la forma de operar del STI MicroWorld [2]. Este STI fue patrocinado en parte por la National Sciense Foundation y finalmente por el Instituto en Educación y Entrenamiento de RAND. El articulo referenciado es el análisis que hace David McArtur de MicroWorld, los últimos 6 años de investigación en RANO. Cuatro de los principales beneficios de MicroWorld, que David McArtur presentó en la Quinta Conferencia Internacional de Tecnología en Matemáticas Colegiadas[2], son: En prime:r lugar los alumnos llegaron a mejorar su aprendizaje y comprensión en los dominios de polígonos y teoría de grafos, e inclusive pudieron concluir teoremas que no están explícitos en MicroWorld y que rara vez aparecen en un curso en la escuela. Adicionalmente los alumnos aprendieron nuevas ideas, al instante en que crecía su conocimiento en el tema, aunque estas no formaran parte de la agenda. Otro de los beneficios de MicroWorld fue que las habilidades de los alumnos sobre como conducir una duda pareció mejorar. Y por último la motivación por aprender creció fuertemente de tal manera que aun los estudiantes jóvenes a menudo se la pasaban trabajando por periodos de dos horas o hasta más. Las tres principales desventajas que McArtur menciona son: Problemas con los espacios de búsqueda muy largos y el ordenamiento del resultado de esa búsqueda. El principal problema que los estudiantes parecían tener era cuando se veían implicados en ordenar la información que encontraban en un espacio de búsqueda muy largo sobre un tópico de su interés. Necesidad de salones de clases y profesores. McArtur comenta que existen estudios que documentan como esta clase de herramientas están cambiando la cultura en los salones de clases. También comenta que el entender cual será el nuevo rol del profesor, como consecuencia de la integración de estas nuevas herramientas didácticas con las metodologías convencionales de enseñanza, representa un gran reto. Problemas históricos. Por ultimo McArtur comenta que el reto se vuelve mas claro e importante cuando nos damos cuenta que tan nueva es la idea de practicar el aprendizaje basado en preguntas y el constructivismo en el salón de clases. El aprendizaje basado en preguntas ha sido conocido actualmente y en el pasado pero de manera informal y nunca se ha intentado llevar al salón de clases. La preocupación de McArtur es que le punto de vista de "Enseñar es decir y aprender es escuchar" se vuelva históricamente dominante..

(31) 34. 3.5.1.- Elementos del STI MicroWorld. A continuación se presenta un análisis del modelo de STI propuesto por Joseph Beck, Mia Stern y Erik Haugsjaa [A6] y la implementación descrita por David McArtur con objeto de identificar cada uno de los componentes que integran a Micro World. 3.5.1.1.- Modelado del estudiante. Micro World utiliza el paradigma de Overlay como modelado del estudiante ya que almacena un conjunto de reglas ideales para resolver un problema y las compara contra el grupo de reglas generadas por el estudiante al resolver el mencionado problema para poder ajustar el siguiente problema hasta que el alumno llegue a comprender ese problema o tópico. Adicionalmente tiene almacenadas una serie de "buggy rules" o reglas con errores comunes las cuales sirven para ejercitar al alumno en la identificación y corrección de errores en la solución de ejercicios. 3.5.1.2.- Módulo pedagógico. MicroWorld cuenta con una metodología pedagógica integrada por un grupo de herramientas las cuales tiene como objetivo principal amplificar el conocimiento del estudiante. Estas herramientas se dividen en tres grupos: Herramientas para delegar las decisión elementales de enseñanza a la computadora. En general estas herramientas inteligentes sirven para delegar al software algunos conocimientos importantes de soporte o calculo. Herramientas de poder y de amplificación del conoc1m1ento. El objetivo de estas herramientas es hacer que el alumno aprenda un tópico desde su nivel básico hasta su nivel mas avanzado o de mayor complejidad. La principal diferencia entre este grupo de herramientas y el primer grupo de herramientas es que mientras el primer grupo sirve para aprender tópicos nuevos este grupo sirve para aprender mas del mismo tópico o profundizar sobre un mismo tema. Herramientas de soporte activo y guiado amigable. En adiciono a las herramientas anteriores MicroWorld cuenta con un grupo de Herramientas que le ayudan a estructurar las preguntas. Estas herramientas le permiten la asesoria en algunas ocasiones implícita y en otras explicita. Estas herramientas le permiten a Micro World ser más amigable que los STI tradicionales. El objetivo principal de estas herramientas es ayudar a los estudiantes con el problema de ordenamiento de información en áreas de tópicos complejos. Esto es lo que McArtur llama problemas de búsqueda en espacios largos..

(32) 35. 3.5.1.3.- Dominio de conocimiento.. MicroWorld se enfoca a tres dominios de conocimiento: Álgebra básica. Matemáticas. Polígonos. Y por último teoría de grafos.. 3.5.1.3.1.- Un STI para Álgebra Básica.. El STI para álgebra ayuda a los estudiantes a aprender álgebra llana de nivel básico, enfocándose en la solución de ecuaciones y la manipulación de símbolos. Los estudiantes solucionan problemas como en un programa estándar de tipo Instrucción Asistida por Computadora (CAi por sus siglas en ingles). La diferencia está en la naturaleza detallada de la interacción y de la conversación que el tutor particular puede ofrecer dentro de lo que llama micro-curso. El estudiante, en diversas versiones del tutor particular, puede solucionar problemas usando símbolos, operaciones o comandos. Los "símbolos" significan las entradas del estudiante, son ecuaciones nuevas orientadas a una solución. Las entradas pueden hacerse por el teclado o el lápiz electrónico. Las "operaciones" son para indicar que el estudiante quiere realizar acciones como "agregue 30 a ambos lados de la ecuación". Los "comandos" son para indicar que el estudiante desea realizar acciones del nivel muy alto, como "agrupar términos". Las diversas versiones permiten que el estudiante se centre en diversos niveles del razonamiento. El STI se ocupara de las acciones de otros niveles. Por ejemplo, si el estudiante desea "agrupar términos" el STI encontrara que implica ese comando en términos de operaciones, entonces también hará la manipulación del símbolo. En la figura 25.1 se muestra una sesión de trabajo de un estudiante utilizando operaciones. Las operaciones que el estudiante elige se registran en la ventana del lado derecho. El lado izquierdo contiene varios menús que penniten al estudiante conversar con el STI. Por ejemplo el estudiante puede moverse en el display para pedir ayuda, puede pedir que el STI haga un paso en la solución de un problema y pedirle que explique lo que esta haciendo, y puede crear su propio problema o hacerlo más fáciles o más dificil..

(33) simplify /. Reduce terms to a simp ler form, ar do arithmetic Divide both sides by? Multiply both sides by? Add? to both sides Subtract? from both Expanda* or / using the distributiva rule Collect several. ?. • ?. + ? - ?. distribute? co llect ? .... -· ~. (JCI. e. -2+77+~. ""I. D'. -2+ 7x = -54yx-4 ( -6+x ) -2+ 7x =. N Ul. ..... -2+7x = -30+9x-4x. e :::1. --s· --·. -2+ 7x. r(. -6+x ). =,. -30+5x. .1. e o "'1. -2+7x. l. Sx-30. -2+7x+r = Sx. -2+7x+r. = Sx. 28+7x = Sx. !!.. 1. (J'q. 28+7x = Sx. ('t). 28. = r x-7 x. :::1. 1. ('t). 'O. ~. -e:. 28. cr'. -. ll) l l). ~. ,......., N. =x. 2. cr' ll), e,,. -2>< 28-Sx = -7x. -28. "'1 ll). ñ" ll). l/~. Login Erase Input Move Box. 1. -14 =. 28. =,. -2 x (distribute -6+x). -28. -. (+ 30). =. X. ~. (si mplify) (- 7x) (collect x) (/ - 2). (si mplify). X. '--'. Homework Problem Student Problem Easier Problem Harder Problem. CONDITIONS: There is more than one x on one si de of -2+7x=9(-6+x)-4(-6+x). GOAL: A useful goal was to COLLECT the variables together. OPERATION: To carry out this goal the variables 9(-6+x)-4(-6+x) were combined to make (9-4)(-6+x) .. l;..). °'.

(34) 37. Cuando el estudiante crea pasos en una solución, él puede crear diversas rutas de solución que aparezcan como diversas ramas en un árbol de solución. Esto permite que el estudiante compare fácilmente diversos escenarios de solución o compare el contraste entre un procedimiento erróneo y un procedimiento correcto. En el caso de la figura 25 .1, por ejemplo, el primer intento ( extrema izquierda) del estudiante, comenzó por una descomposición de elementos de la ecuación y en el segundo intento (extrema derecha) utiliza una técnica "más elegante", al primero agrupar los términos. Esta estrategia fue sugerida por la computadora después de una solicitud de ayuda del estudiante (el comando que comenzó este rama está en "vídeo inverso" en la ventana de los comandos al derecho, indicando este paso fue hecho por la máquina). A este punto el estudiante le solicita al STI, le explique cómo y porqué realizo este paso. Las explicaciones aparecen en la ventana inferior. El estudiante puede solicitar explicaciones a niveles increméntales de detalle. La ventaja principal de este STI es que permite asesorar al estudiante, a un nivel arbitrario de detalle. Sería dificil, o quizás imposible, el que un tutor humano consiga un nivel de asesoramiento más detallado que esto. Nótese que el nivel pedagógico en esta versión, es controlado por el estudiante. El estudiante decide cuando pedir ayuda, cuándo solicitar al experto hacer y explicar, cuando las preguntas deben ser más dificiles y más fáciles. Otra versión del sistema estaba en el otro extremo del espectro pedagógico. Era totalmente controlado por el tutor, ya que el tutor era el que decidía qué preguntas dar, y cuándo ayudar al estudiante. 3.5.1.3.2.- MicroWorld matemático.. Micro World representa una tecnología que te puede mover ya sea del tutor a las herramientas o de una metodología didáctica basada en la instrucción a una metodología didáctica basada en la investigación y los cuestionamientos o el constructivismo. MicroWorld es un ambiente de software autónomo en el cual el usuario puede crear diferentes clases de objetos matemáticos (Ej. polígonos) que tienen diversas propiedades, características, o variantes (EJ. las propiedades del polígono incluyen N, (el número de lados)> a (ángulo dela apotema), etc). Los usuarios entonces continúan la investigación hasta encontrar y entender los patrones que relacionan las características de esos objetos. Los usuarios emplean diversas herramientas para representar objetos y sus interrogantes. Las representaciones permiten que las propiedades y los objetos se puedan ver desde perspectivas matemáticas múltiples. Las metas son dos, que los estudiantes aprendan los patrones en cada dominio o tópico y que aprendan y desarrollen sus habilidades para realizar investigaciones por si mismos. Estas habilidades pueden ser seleccionar ediciones, agrupación de ideas y datos apropiados, generación de hipótesis y su comprobación, y poder explicar las hipótesis que resulten ser ciertas (aunque no necesariamente se use la prueba formal). Al momento se han desarrollado varios MicroWorld. Cada uno se construyen sobre una base común de software que comparten los diversos dominios de conocimiento. En todos los dominios de conocimiento, el software es utilizado por los estudiantes generalmente en pares con la presencia del instructor, el cual realiza algunas funciones de soporte en los casos en que el estudiante no comprende su funcionamiento o tiene dudas de interpretación. El papel del instructor va desapareciendo en un cierto plazo conforme los estudiantes se sienten cómodos y seguros con el software y adquieren mejores habilidades para el aprendizaje..