Sistema Generador de AMBientes de Enseñanza- ApRendizaje Constructivistas basados en Objetos de Aprendizaje (AMBAR) Resumen.

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1 Sistema Generador de AMBientes de Enseñanza- ApRendizaje Constructivistas basados en Objetos de Aprendizaje (AMBAR) María Gertrudis López, Vanessa Miguel, Nora Montaño Universidad Central de Venezuela (UCV) Resumen. En este trabajo se presenta la fundamentación teórica, las características y el diseño de un Sistema Generador de Ambientes de Enseñanza- Aprendizaje Constructivistas basados en Objetos de Aprendizaje (OA) al cual denominamos AMBAR. Sus características principales consisten en que los ambientes a generar estarán basados en estrategias de aprendizaje constructivistas como el Aprendizaje Generativo y la Teoría de la Flexibilidad Cognitiva, así como en la incorporación y almacenamiento de los OA (repositorio de OA) usando un Sistema Manejador de Base de Datos Orientado a Objetos, el cual representa y almacena de manera nativa los OA. Adicionalmente su arquitectura está basada en el estándar Java 2 Enterprise Edition (J2EE), un estándar abierto que define una arquitectura de capas múltiples para implementar aplicaciones Web. 1 Introducción En la actualidad, se está promoviendo el uso instruccional de la World Wide Web (WWW) en todos los ámbitos educativos formales y no formales, por lo cual es necesario preguntarse si se cuenta con los conceptos diseño, arquitecturas y herramientas adecuadas para su utilización como un canal para instruir más que meramente un canal para informar [1]. Los teóricos del diseño instruccional están cuestionando las asunciones subyacentes en las metodologías de diseño existentes, las cuales están probando ser frágiles para enfrentar los cambios planteados por los nuevos medios instruccionales [2, 3, 4 y 5]. Dentro de este contexto, se ha propuesto el Objeto de Aprendizaje (OA) u objeto educativo como una posibilidad de hacer al diseño accesible a una gran cantidad de desarrolladores sin entrenamiento [6]. Según Wiley [7] los OA son cualquier recurso digital que pueda ser reutilizado para apoyar el aprendizaje. Los OA son elementos de un nuevo tipo de instrucción basada en el computador sustentados en el paradigma orientado a objeto de la ciencia de la computación. La idea fundamental detrás de los OA es que los diseñadores instruccionales puedan construir componentes instruccionales pequeños que puedan ser usados muchas veces en diferentes contextos de aprendizaje, y que estos componentes puedan encapsular tanto sus características, propiedades o atributos, como sus funcionalidades o comportamiento. La mayoría de la literatura y de las aplicaciones relacionadas con sistemas de OA se han enfocado principalmente en atributos tecnológicos, estándares de metadata y especificaciones de sistemas, tales como niveles de granularidad e interoperabilidad [8]. Aunque estos campos son importantes para que se pueda lograr una amplia difusión de estos sistemas, no se puede dejar de lado las implicaciones del uso del OA y

2 su implementación en un contexto instruccional, donde se pueden identificar los siguientes problemas: - Falta de oportunidades para acceder las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TICS) en el contexto educativo - Falta de herramientas de software, basadas en OA y en teorías constructivistas, fáciles de usar y accesibles de manera continúa a los profesores y estudiantes. - Falta de métodos para la creación y reutilización de OA de manera efectiva. Como un aporte a la solución de estos problemas se plantea la construcción de una herramienta de software basada en la WWW, de fácil uso e ilimitado acceso que permita a profesores y aprendices elaborar y participar en procesos de enseñanzaaprendizaje constructivistas basados en OA reusables, la cual se denomina Sistema Generador de AMBientes de Enseñanza-ApRendizaje Constructivistas basados en Objetos Educativos (AMBAR). En este trabajo presentamos la fundamentación teórica, las características y el diseño de AMBAR. También presentamos las experiencias prácticas obtenidas en el desarrollo de los componentes del sistema. 2 Fundamentación Teórica Algunos pioneros en la comunidad de la tecnología instruccional han comenzado a trabajar con la correspondencia entre los principios instruccionales y los atributos técnicos de los sistemas de OA para propósitos educativos y de entrenamiento [9]. Sin embargo, muchos de estos esfuerzos se han enfocado en integrar perspectivas tradicionales de aprendizaje basadas en procesamiento cognitivo de la información y en el diseño de sistemas instruccionales. Otros esfuerzos han incorporado estas perspectivas en el uso de sistemas de OA para incrementar la eficiencia de los procesos de diseño y desarrollo instruccional. Los sistemas de OA son bien conocidos por cumplir estos objetivos, integrando claramente las taxonomías tradicionales de aprendizaje en estos sistemas, capitalizando la eficiencia y el uso de contenidos en las arduas tareas de diseño y desarrollo instruccional. Los esfuerzos demuestran consideraciones apropiadas de principios pedagógicos, para Bannan-Ritland, Dabbagh. y Murphy [9] la incorporación de perspectivas alternativas de aprendizaje relacionadas con la filosofía constructivista no ha sido considerada todavía para la aplicación de sistemas de OA. Hasta el momento, los atributos de un sistema que pudiera permitir actividades constructivistas manejadas por el alumno no han sido completamente exploradas y pueden revelar implicaciones significativas para el desarrollo de estos sistemas. Para la incorporación del enfoque constructivista en estos sistemas se propone la consideración de dos estrategias de aprendizaje: el Aprendizaje Generativo y la Teoría de la Flexibilidad Cognitiva. 2.1 Aprendizaje Generativo Según Grabowski [10] el objetivo del aprendizaje generativo es que el aprendiz no sea un receptor pasivo de información si no que sea un participante activo en el proceso instruccional a través de la construcción de conocimiento relacionando información disponible en el ambiente instruccional con sus experiencias previas y conoci-

3 mientos anteriores. La naturaleza flexible y dinámica de un medio como Internet y la WWW se alinea muy bien con un enfoque pedagógico constructivista generativo permitiendo al aprendiz y al instructor construir generativamente, manipular, describir u organizar OA que, a través del sistema, se pueden enriquecer con recursos adicionales así como también se puede proveer una experiencia de aprendizaje significativa para el usuario. Relacionar estás poderosas técnicas de aprendizaje con la arquitectura de un sistema de OA es un problema más difícil. Sin embargo, existen características que proveen al menos una base para su inclusión. Bannan-Ritland, Dabbagh y Murphy [9] sostienen que para permitir a los aprendices organizar, reestructurar y representar su conocimiento por adaptación o creación de nuevos OA el sistema debe brindar el soporte necesario para construir recursos para uso futuro como también debe proveer métodos para su organización y etiquetado. Los sistemas que provean soporte para diseño y desarrollo de OA deberían incluir guías para: (a) desarrollo de objetos granulares, (b) creación de materiales etiquetados y (c) selección de categorías de metaetiquetas estándar que describan apropiadamente tanto a los objetos como también a las guías necesarias para formatear objetos para ser usados en procesos de construcción colaborativa, reconstrucción y negociación. Esto abre los sistemas de OA a los aprendices como también a los instructores estableciendo un enfoque más afín al desarrollo de una base de conocimientos o al desarrollo de un sistema de gerencia del conocimiento. Con la participación del aprendiz en la creación o adaptación de objetos, los instructores todavía tienen la necesidad de crear alguna organización de los materiales para que pueda ocurrir una verdadera experiencia de aprendizaje. Gery [11] propone que los instructores pudieran crear mecanismos guías o frameworks que activen procesos metacognitivos y ser almacenados como OA. Este tipo de objetos pudieran capitalizar un alto nivel de reusabilidad por incorporar guías basadas en procesos más que guías basadas en contenidos. Estos objetos frameworks pudieran estar enlazados con otros para soportar al aprendiz en una tarea de aprendizaje particular. Wilson [12] sostiene que, teóricamente, diferentes tipos de frameworks basados en procesos pudieran ser creados con estructuras variantes para muchos tipos de estrategias instruccionales basadas en el constructivismo, tales como: ambientes de aprendizaje intencional, estructuras basadas en la elaboración de historias, casos de estudio, dialogo socrático, acompañamiento y andamiaje, aprendizaje por diseño, aprendizaje por enseñanza, grupos y aprendizaje colaborativo cooperativo. 2.2 Teoría de la Flexibilidad Cognitiva (TFC) Según Spiro, Feltovich, Jacobson, y Coulson, [13] la TFC emplea un número de prescripciones instruccionales para guiar la adquisición y transferencia de conocimiento avanzado. Esto incluye: El uso de múltiples representaciones del conocimiento (por ejemplo: múltiples temas, analogías, ejemplos de casos, líneas de argumentos, entre otros). Enlace explícito y ajuste de conceptos para practicar y elaborar ejemplos de casos (por ejemplo, situar conocimiento conceptual en contextos que son similares a los requeridos para la aplicación del conocimiento)

4 Introducir complejidad incrementalmente en unidades pequeñas y cognitivamente manejables Establecer las interrelaciones y la naturaleza de red del conocimiento (en vez de manejar el conocimiento aislado) Enfrentar el ensamblaje de conocimiento apropiado a partir de varios recursos conceptuales y casos prácticos (más que la recuperación intacta de información memorizada previamente) Las características instruccionales mencionadas son implementadas a través de un Hipertexto Cognitivo Flexible (HCF), el cual es un ambiente de aprendizaje hipermedia que permite yuxtaposiciones múltiples del contenido instruccional a través de una estructura conceptual grande y compleja. A través del ambiente de aprendizaje hipermedia, los aprendices son expuestos a múltiples perspectivas del contenido y debe analizar sus temas entendiendo los procesos que los enlazan. Bannan-Ritland, Dabbagh y Murphy [9] proponen que esta poderosa estrategia instruccional puede ser implementada de una manera óptima a través de un sistema de OA. Definidos como un marco estructural, se pueden almacenar como OA frameworks con características de búsqueda que modelen la estructura conceptual de los temas y casos que se interceptan, preservando la pedagogía subyacente al HCF y proveyendo una estructura para organizar la experiencia para el aprendiz. 3 Bases de Diseño de AMBAR 3.1 Características de AMBAR Para incorporar principios constructivistas AMBAR debe proveer: Soporte (almacenamiento, consulta, uso y reutilización) de artefactos generados por los aprendices incorporando sus contribuciones al repositorio. Soporte de múltiples niveles de granularidad de los OA para permitir su reutilización, flexibilidad, accesibilidad y adaptabilidad, soportando así la taxonomía de tipos de OA definida en [7]. Soporte de frameworks como OA que provean estructura para experiencias instruccionales e incorporen sistemas de enlaces para facilitar el llenado de contenido. Para soportar actividades de aprendizaje generativo, AMBAR debe proveer las siguientes funcionalidades: Descubrir, usar y manipular objetos existentes y creados por los aprendices Permitir que los artefactos creados por lo aprendices puedan convertirse en OA si son enviados al sistema. Manejar múltiples versiones de objetos. Incorporar una funcionalidad de recolector de basura para limpiar la base de datos de contribuciones eliminadas o desactualizadas. Permitir a los aprendices producir artefactos de diferentes niveles de granularidad, de acuerdo a los niveles en la taxonomía de tipos de OA [7] y etiquetarlos de acuerdo a los estándares para permitir el descubrimiento, recuperación y manipulación de dichos objetos.

5 Para hacer más flexible el contenido de los objetos y soportar las actividades de un ambiente de aprendizaje constructivista, AMBAR debe considerar: OA nivel micro (OA Fundamentales): representan contenido independiente del contexto y pueden ser usados para poblar frameworks y artefactos generados por los aprendices. Este tipo de objetos puede incluir gráficos, videos, definiciones, explicaciones descontextualizadas o lecturas, casos particulares y definición de problemas, entre otros. Objetos de Información Combinada (OA Generativo-Instruccionales): pudieran existir en un continuo desde un nivel micro hasta un nivel macro desde contenido con un contexto mínimo añadido (por ejemplo, enlaces dentro de un caso de estudio a perspectivas y temas, pudiendo incluir metas de aprendizaje) hasta actividades de aprendizaje más completas o estrategias instruccionales como tutoriales, micromundos, simulaciones, etc. Estos objetos también pudieran poblar los frameworks y artefactos de los aprendices o podrían ofrecerse como ayuda o guía. Frameworks (andamiaje a nivel macro): estos objetos están contextualizados por la implementación de enfoques instruccionales específicos (HCF, aprendizaje basado en problemas, etc.) y pueden incorporar otros OA y varias clases de enlaces. El framework provee el contexto o la estructura para el aprendiz y está definido como un objeto dentro de la base de datos. Con base en las características deseadas de AMBAR, en la Figura 1 se define el diagrama de Clases que describe la estructura a nivel macro del repositorio de OA donde se manejan tres tipos genéricos de OA (Fundamentales, de Información Combinada y Frameworks) descritos por metadata y que a su vez pueden estar compuestos por otros OA de distintos tipos (esto para los objetos de Información Combinada y Frameworks) Objeto de Aprendizaje (OA) 0..n Describe 1..n Metadata Está formado por Es un Es un Está formado por Es un 1..n OA Fundamental Framework 1..n OA de Información Combinada Fig. 1. Diagrama de Clases a nivel macro del repositorio de OA (Fundamentales, de Información Combinada y Frameworks). En la Figura 2 se muestra el Diagrama de Casos de Uso Principal de AMBAR, donde se reflejan los tipos de usuario del Sistema, las funcionalidades principales que debe proveer y a las que tiene acceso cada tipo de usuario. La descripción de la funcionalidad de cada uno de los casos de uso es la siguiente:

6 Registrarse en AMBAR: Funcionalidad que permite crear usuarios registrados en el sistema del tipo profesor o aprendiz. Generar OA: Funcionalidad que permite a los profesores o aprendices generar OA bien sea nuevos o por agregaciones y combinaciones de objetos existentes en el repositorio. Generar nuevas versiones de OA: Funcionalidad que permite a los dueños de OA existente en el repositorio generar nuevas versiones de los mismos. Almacenar OA en el repositorio: Funcionalidad que permite a los usuarios autorizados almacenar OA en el repositorio, pasándolos del ambiente de trabajo al repositorio. Etiquetar OA: Funcionalidad que permite etiquetar a añadir metadata a los OA del repositorio en base a los estándares actuales (por ejemplo SCORM). Generar Ambientes de Aprendizaje: Funcionalidad que permite generar Ambientes de Aprendizaje Constructivistas basados en los OA existentes en el repositorio. Limpiar: Funcionalidad que permite a los usuarios registrados de AMBAR borrar del repositorio los OA obsoletos o descartados por sus dueños. Exportar OA: Funcionalidad que permite exportar OA ya creados a otros Sistemas Manejadores de Aprendizaje como WebCT, Blackboard, Claroline entre otros o a otras herramientas de diseño y edición como Power Point, Excel, Word, Flash, editores de páginas Web, enrte otros. Importar OA Funcionalidad que permite importar OA ya creados en otros Sistemas Manejadores de Aprendizaje como WebCT, Blackboard, Claroline, Moodle entre otros o creados en otras herramientas de diseño y edición como Power Point, Excel, Word, Flash. Explorar Objetos de Aprendizaje Administrador Generar nuevas versiones de Objetos de Aprendizaje Registrarse en AMBAR Generar Objetos de Aprendizaje Usuario Registrado Almacenar Objetos de Aprendizaje en el repositorio Profesor Aprendiz Etiquetar Objetos de Aprendizaje Generar ambientes de aprendizaje Usuario Invitado Limpiar Repositorio Exportar Objetos de Aprendizaje Importar Objetos de Aprendizaje

7 Fig. 2. Diagrama de Casos de Uso (funcionalidades principales y sus usuarios potenciales) de AMBAR 3.2 Arquitectura de AMBAR A nivel de diseño, la arquitectura de AMBAR estará basada en Java 2 Enterprise Edition (J2EE), un estándar abierto que define una arquitectura multicapas para implementar aplicaciones Web. La tecnología J2EE tiene como objetivo principal crear un modelo simple de desarrollo de aplicaciones usando un modelo basado en componentes, lo que propicia el uso repetido de elementos de software así como la evolución y fácil mantenimiento del sistema. En el Ambiente Cliente están los clientes Web, los cuales consisten de dos partes: (a) las páginas Web dinámicas que contienen distintos tipos de lenguajes de marcado (HTML y XML entre otros) los cuales son generados por componentes Web que se ejecutan en la capa Web del servidor J2EE y (b) un visualizador de Web que despliega las páginas recibidas desde el servidor. En la capa del negocio del servidor J2EE está la lógica que satisface los requerimientos del sistema, en este caso, las funcionalidades requeridas de AMBAR. Esto va a ser manejado por los Enterprise Java Beans (EJB), quienes reciben data desde los programas clientes, la procesa (si es necesario) y la envía a la capa de Información para almacenarla. Un EJB también recupera data del repositorio, la procesa (si es necesario) y la envía al programa cliente. La capa de Sistemas de Información manejará todo lo relativo al Sistema Manejador de Bases de Datos a utilizar, que en nuestro caso, proponemos para AMBAR la utilización de un Sistema Manejador de Bases de Datos orientado a Objetos (SMBDOO), ya que este tipo de sistemas puede representar de forma nativa todos los tipos de OA a manipular en AMBAR así como su estructura compleja y naturaleza multimedia, proveyendo métodos de búsqueda y recuperación eficientes. Para poder facilitar la generación de nuevos ambientes dentro de AMBAR se define una Gramática de Generativa (Fig. 3) donde a partir de objetos básicos se establecen Reglas de producción que derivan nuevos OA instruccionales combinados. Fig. 3. Gramática Generativa en AMBAR El disponer de una gramática generativa, permite establecer un esquema de trabajo (Fig. 4), donde los diferentes actores reusen OA del repositorio, los combinen generando otros nuevos, tomando en consideración que tanto los OA Frameworks como los OA fundamentales pueden ser importados de otros repositorios

8 Profesor Aprendiz Genera Reusa Profesor Reusa Genera Repositorio Fig. 4. Esquema de Trabajo en AMBAR 4 Experiencias prácticas en el desarrollo de AMBAR AMBAR se encuentra actualmente en fase de investigación y desarrollo. Para el desarrollo del repositorio de OA usando un SMBDOO se han realizado varias investigaciones teórico-prácticas con respecto al diseño y técnicas de implementación de diferentes tipos de Objetos Multimedia y de Bases de Datos distribuidas en dos SMBDOO propietarios para conocer y manipular las bondades de cada uno y tener una base sólida para la selección y manipulación del SMBDOO a utilizar en AMBAR [14 y 15]. También se está realizando el estudio teórico práctico de varios SMBDOO basados en Software Libre para conocer sus características y potencialidades de uso en AMBAR; y se está desarrollando la refinación del diseño lógico a nivel macro del repositorio de OA (Fig. 1), su diseño físico y la implementación de un prototipo en uno de los SMBDOO estudiados. Dos aspectos importantes en la implantación de AMBAR radican en proveer un ambiente que le permita al profesor construir las guías para el desarrollo de OA [10], como también tener el ambiente para que el aprendiz construya OA basado en la teoría de la Flexibilidad Cognitiva (TFC). Para lograr este objetivo se estableció un método de desarrollo que permite construir el conocimiento pertinente al OA a partir de mapas conceptuales [16]. Las guías son consideradas como patrones de interacción embebidos en escenarios de aprendizaje [17] que el profesor diseña y almacena en el repositorio como OA frameworks. Parte de la experiencia de generar un sitio web como OA, ha sido considerada en Web Course Facility [18], donde se generan entornos académicos usables donde sólo se consideró un tipo de OA frameworks, asimismo, se han construido OA sobre el tema del color [16], donde se logran combinar escenarios de aprendizaje sustentados en la TFC. 5 Resultados Esperados del Desarrollo de AMBAR A través del desarrollo de AMBAR se espera obtener los siguientes resultados:

9 Una plataforma tecnológica que soporte al almacenamiento, generación, uso y reuso de OA en ambientes instruccionales diseñados bajo enfoques constructivistas. Un método para construir OA. Un ambiente de aprendizaje basado en las TICs para usar y reusar OA tanto por profesores como por aprendices. OA de distintos niveles de complejidad en diferentes áreas y niveles del conocimiento. Resultados de pruebas de calidad tanto para la plataforma tecnológica como para los ambientes de aprendizaje construidos. Resultados de las pruebas aplicadas a los usuarios para obtener su grado de satisfacción con respecto al uso del producto. Referencias 1. Fairweather, P. G. & Gibbons, A. S. Distributed Learning: Two Steps Forward, One Back? Or One Forward, Two Back? IEEE Concurrency, 8(2) 8-9 (2000). 2. Gordon, J. & Zemke, R. The Attack on ISD. Training, April,43-53 (2000). 3. Reigeluth, C. M. Instructional-Design Theories and Models: A New Paradigm of Instructional Theory, Volume II. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Ass. (1999). 4. Edmonds, G. S., Branch, R. C. & Mukherjee, P. A Conceptual Framework for Comparing Instructional Design Models. Educational Technology Research and Development, 42(4), (1994). 5. Rowland, G. Designing Instructional Design. Educational Technology Research and Development, 41(1), (1993). 6. Gibbons A., Nelson J. & Richards R.. The Nature and Origin of Instructional Objects. En D.A. Wiley, (Ed.), Instructional Use of Learning Objects. Association of Educational Communications and Technology (2000). 7. Wiley D. Connecting learning Objects to Instructional Design Theory: A Definition, a Metaphor, and a Taxonomy. En D.A. Wiley, (Ed.), Instructional Use of Learning Objects.Association of Educational Communications and Tech. (2000). 8. Singh, H. Achieving Interoperability in e-learning. Disponible en: (2000). 9. Bannan-Ritland B., Dabbagh N. & Murphy K. Learning Object Systems as Constructivist Learning Enviroments: Related Assumptions, Theories and Applications. En D.A. Wiley, (Ed.), Instructional Use of Learning Objects. Association of Educational Communications and Technology (2000). 10. Grabowski, B. L. Generative Learning: Past, present & future. In D.H. Jonassen (Ed.), Handbook of Research for Educational Communications and Technology. New York: Simon Schuster, McMillan (1996). 11. Gery, G. Electronic performance support systems: How and why to remake the workplace through strategic application of technology. Boston: Weingarten (1991).

10 12. Wilson, B. G. Reflections on constructivism and instructional design. En C. R. R. Dills, A.J. (Ed.), Instructional Development Paradigms. Englewood Cliffs, NJ: Educational Technology Publications (1997). 13. Spiro, R. J., Feltovich, P.J., Jacobson, M.J., & Coulson, R.L. Cognitive flexibility, constructivism, and hypertext: Random access instruction for advanced knowledge acquisition in ill-structured domains. En T. M. D. D. H. Jonassen (Ed.), Constructivism and the Technology of Instruction: A Conversation. Englewood Cliffs, NJ: Lawrence Erlbaum Associates (1987). 14. Caldera, G., Viloria C. Manejo de Objetos Distribuidos en Sistemas Manejadores de Bases de Datos Orientados a Objetos (SMBDOO). Trabajo Especial de Grado, Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ciencias, Escuela de Computación, Caracas, Venezuela (2005). 15. Hernández, Y., Montilla J. Estudio Comparativo del Manejo de Objetos Multimedia en los Sistemas Manejadores de Base de Datos Orientados a Objetos (SMBDOO) Fastobjects y Jasmine ii. Trabajo Especial de Grado, Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ciencias, Escuela de Computación, Caracas, Venezuela (2005). 16. Rivas K., Bravo D. Objetos De Aprendizaje: Una Aproximación del Diseño Instruccional a la Ingeniería de Software, Trabajo Especial de Grado. Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ciencias, Escuela de Computación (2003). 17. Montaño N. Un Enfoque Interdisciplinario Para La Construcción De Productos De Software basados En El Proceso Enseñanza-Aprendizaje Del Usuario. Propuesta de Tesis Doctoral, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela (2005). 18. Montaño N., Acosta C., Gonzalez A. A Groupware Tool for the Managment and Generation of Academic Web Site. Proceeding ISAS'2001, 7th International Conference on Information Systems Analysis and Synthesis. Orlando- USA (2001).