Una propuesta para la reutilización de componentes en el proceso de desarrollo de software educativo

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1 1 Una propuesta para la reutilización de componentes en el proceso de desarrollo de software educativo E. García Roselló, J. González Dacosta,, E. Mandado, V. G. Valdés Pardo, J. Baltasar García,M. Pérez Cota, Resumen Para mejorar las crecientes expectativas del software educativo, diversos autores han señalado la necesidad de modificar el proceso de desarrollo, para encaminarlo hacia una mayor reutilización composicional, frente al paradigma actualmente predominante que es el generativo. Ahora bien, la adopción de un modelo de reutilización basado en componentes requiere introducir modificaciones en el proceso de desarrollo, lo que implica nuevas actividades, como por ejemplo el análisis del dominio. En este trabajo se propone la adopción de un modelo de ciclos de vida gemelos, que integra la reutilización dentro del proceso de desarrollo de software. Como ejemplo de ello, se detalla la utilización de la metodología de análisis de las tecnologías complejas, propiamente orientada al diseño instruccional, como método de análisis del dominio. El uso de mapas conceptuales para documentar el resultado de este análisis, permite promover la reutilización dentro del desarrollo de aplicaciones educativas. Palabras Claves Reutilización, desarrollo de software educativo, Ingeniería del software E I. INTRODUCCION L logro de un alto nivel de reutilización en el proceso de desarrollo de sistemas representa una meta a conseguir y constituye una señal de madurez en cualquier disciplina de ingeniería. La ingeniería del software no es una excepción, sino que de hecho en los últimos años los paradigmas basados en reutilización [1] [2] [3] han contribuido a la reducción de costes y del tiempo en el proceso de desarrollo de software. La reutilización se puede conseguir mediante un paradigma generativo o uno basado en componentes. Mientras en la E. García Roselló J. González Dacosta y M. Pérez Cota están en el Departamento de Informática de la Universidad de Vigo. Edificio Fundición, Lagoas-Marcosende s/n, Vigo, España. Teléfono: ; fax: ; {erosello jdacosta J. Baltasar García Pérez-Schofield está en la E.T.S de Ingeniería Informática, Campus As Lagoas, s/n Ourense, España. ( E. Mandado Pérez está en el Instituto de Electrónica Aplicada. Universidad de Vigo. ( V.G. Valdés Pardo está en la Facultad de Ingenierá Eléctrica, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, Cuba ( ingeniería del software, de forma general, se puede hablar de un claro predominio del paradigma composicional o basado en componentes [4] [5] [6] [7], en el caso concreto del software educativo, esta situación se invierte, y tradicionalmente es el paradigma generativo [8] el que prevales. En este trabajo se analizan ambos tipos de paradigmas, y se destacan las ventajas del basado en componentes frente al generativo. Posteriormente se hace una propuesta de introducción de la reutilización composicional en el proceso de desarrollo de software educativo ilustrando con el uso de mapas conceptuales como herramienta de modelado del dominio. II. PARADIGMA GENERATIVO VERSUS COMPOSICIONAL El paradigma generativo, que ha sido ampliamente utilizado en la producción de software educativo, se centra en reutilizar aplicaciones capaces a su vez de generar otras aplicaciones con base en un patrón preestablecido, llamado patrón generativo [5]. Un ejemplo claro de este tipo de reutilización lo constituyen los generadores de aplicaciones tales como las herramientas de autor, que constituyen uno de los recursos informáticos más extendidos dentro del proceso de desarrollo de software educativo. Otros ejemplos son las herramientas para generación de hipertexto e hipermedia, diseño de sitios Web, diseño de presentaciones, generadores de simulaciones, etc, todas ellas muy extendidas en el ámbito actual del software educativo. Los sistemas generativos permiten un alto grado de reutilización, y tienen la ventaja de que los patrones reutilizados generalmente son diseñados e implementados por expertos en el dominio de la aplicación. Por otra parte, su mayor desventaja es la inflexibilidad, es decir, lo cual limita su adaptación a requisitos que no encajen bien dentro del patrón generativo. También, otro serio inconveniente es su claro sesgo hacia la generación de aplicaciones completas, lo que da lugar a aplicaciones de tipo isla [9] [10]. Por todo ello las aplicaciones resultantes son poco integrables y reutilizables, una vez generadas. Esto implica también una reducida adaptabilidad a nuevos requisitos, debido a lo cual casi siempre se requiere la generación de una nueva aplicación. Por ello, aunque el paradigma de reutilización generativa actualmente dominante en el software educativo aporta

2 2 numerosos beneficios, también presenta serias limitaciones y problemas que pueden afectar a la capacidad de la comunidad de desarrolladores de software educativo para responder a las necesidades y expectativas existentes de manera adecuada en tiempo y forma. Teniendo en cuenta estos argumentos, diversos autores han planteado en los últimos años, la necesidad de la adopción en forma amplia de un paradigma de reutilización basado en componentes para la producción de software educativo, a fin de evitar los problemas antes mencionados, que algunos han dado en llamar el patrón de fracaso del software educativo [11] [12] [13] [9] [10], equiparable en muchos aspectos a la situación históricamente denominada crisis del software [1] [14]. El paradigma de la reutilización composicional se basa en concebir el desarrollo de aplicaciones como la combinación de componentes reutilizables. Por ello ofrece, en muchos aspectos, interesantes ventajas frente a la generativa. Los componentes son más versátiles, más modulares y auto contenidos, por tanto mantenibles, adaptables y reutilizables en contextos muy diferentes [4] [5]. Entendemos por componente, en este contexto, una pieza de software encapsulada que ofrece una determinada funcionalidad a través de una interfaz bien definida [4]. Frente a las aplicaciones basadas en el paradigma generativo, las basadas en componentes, no imponen a priori un determinado patrón, y por ello ofrecen más flexibilidad, y son fácilmente adaptables a nuevos requisitos mediante la sustitución o modificación de algunos de sus componentes. Además, la reutilización generativa se centra más bien en modelar dominios horizontales, es decir, las aplicaciones presentan un claro sesgo hacia la generación de determinadas categorías de software, independientemente del dominio más específico del contenido (dominio vertical). Las arquitecturas y los repositorios de componentes, en cambio, pueden estructurarse tanto en dominios horizontales como verticales. Esta nueva perspectiva dimensional aporta mayor capacidad de reutilización, al mismo tiempo que flexibilidad y adaptabilidad del software. Pero la reutilización, ya sea esta generativa o composicional, no es una actividad, etapa o tarea más que pueda añadirse simplemente al proceso de desarrollo de software. Por el contrario, introducir o cambiar el enfoque de la reutilización supone un cambio de paradigma, lo cual afecta y modifica las tareas del proceso de desarrollo, conlleva la aparición de nuevas tareas, e incluso, supone una transformación relativamente importante de las propias organizaciones y responsabilidades implicadas en general en el proceso [6] [5] [7] [4] [15]. De forma similar lo reflejan en sus argumentos aquellos autores que han abogado por la introducción del paradigma basado en componentes reutilizables en el desarrollo de software educativo, quienes esperan alcanzar con él no solo una mejora en el proceso de desarrollo de software, sino también un cambio sustancial de la forma en que se utiliza, y en conjunto un mayor impacto de las tecnologías de la información en los planes de estudio [9] [10]. III. LA REUTILIZACIÓN COMPOSICIONAL EN EL PROCESO DE DESARROLLO DE SOFTWARE EDUCATIVO A. Integración de la reutilización en el proceso de desarrrollo Para que la reutilización, proporcione beneficios tangibles, es necesario modificar los modelos de proceso a fin de incorporar nuevas actividades necesarias, relativas a la recopilación y mantenimiento coherente y centralizado de la información sobre el dominio. En caso contrario, nos quedaríamos estancados en un modelo ad hoc en el que la reutilización no genera más que exiguos beneficios [5] [4]. Una de las actividades que adquiere sustancial importancia en un modelo de producción de software basado en la reutilización de componentes, pasando de hecho a constituir parte fundamental de éste, es el análisis y modelado del dominio [5] [6] [16]. El análisis del dominio proporciona, entre otros productos, una definición y un modelo del mismo, que incluye la identificación de objetos, operaciones y relaciones comunes entre ellos [2] [16]. El análisis del dominio aporta conocimiento del mismo, de su estructura y comportamiento, y permite identificar abstracciones candidatas para componentes reutilizables [2]. Para incorporar esta y otras actividades fundamentales para la reutilización, ha de tenderse a un modelo de ciclo de vida doble o de ciclos gemelos (twin life cycle) [18], en el que, paralelamente al proceso de diseño instruccional y de desarrollo del software educativo, se incorporan actividades de análisis del dominio y desarrollo de componentes reutilizables, que proporcionan productos a los grupos de desarrollo de aplicaciones y permiten mantener centralizada y actualizada la información relevante acerca del dominio así como el repositorio de componentes reutilizables. Un esquema de este modelo, se muestra en la Figura 1. Las nuevas actividades, tales como el análisis del dominio inicial y el posterior mantenimiento de su modelo, la localización, extracción y/o desarrollo de componentes, y la asesoría al equipo de desarrollo, pueden ser realizadas, idealmente, como actividades independientes de proyectos de desarrollo concretos, por un grupo exclusivamente dedicado a ello, que en el caso concreto aquí descrito, sería el encargado de aplicar la metodología de análisis adecuada para modelar el dominio. Pero en muchos casos la cantidad, envergadura y frecuencia de los proyectos, así como otros factores económicos y temporales, obligan a descartar esta posibilidad, a favor de otros modelos organizativos más flexibles y asequibles. Por ejemplo, de acuerdo con nuestra experiencia, resulta útil que algunas de las actividades anteriormente citadas sean

3 3 llevadas a cabo por parte de los equipos de desarrollo de forma concurrente con la realización de sus correspondientes proyectos. Ciclo de vida del Análisis del Domino Análisis de dominio Modelos de análisis Diseño Instruccional Diseños genéricos Diseño de Soft. Educativo Desarrollo de componentes Componentes Desarrollo de SWE mediante reutilización de componentes Ciclo de vida del Desarrollo de Soft. Educativo Figura 1.- Modelo de ciclos de vida gemelos, adaptado de [3] Un punto en común de estas nuevas actividades asociadas con la creación de software educativo, que puede facilitar su incorporación al proceso de producción de software, es que, como en el desarrollo de cualquier material orientado a la enseñanza, éste ha de llevarse a cabo vinculado a un proceso de diseño instruccional [17]. El diseño instruccional es un enfoque sistemático que, con el fin de lograr unos objetivos específicos de aprendizaje, diseña la metodología de enseñanza y los materiales más adecuados a utilizar para obtener los cambios deseados en conocimientos y habilidades con respecto a un determinado contenido en una determinada población [18]. Este proceso lleva implícito el análisis, organización y representación del conocimiento que se pretende que sea objeto de la enseñanza. Por tanto, parece razonable aprovechar el producto de la actividad del diseño instruccional a fin de facilitar la labor de análisis del dominio. Más aún, el análisis del conocimiento llevado a cabo como parte del diseño instruccional se puede integrar en la actividad de análisis del dominio. Sería para ello sensato utilizar algún lenguaje estructurado para representar los resultados, de forma que puedan ser adoptados como documentación del análisis de dominio, facilitando todavía más la labor, así como las posibilidades de comunicación entre las distintas partes implicadas en el proceso. Para describir la integración del análisis del dominio como actividad dentro del proceso de diseño instruccional, se ha elegido el dominio de las denominadas Tecnologías Complejas. Los principales motivos de esta elección son la importancia que tiene la mejora de la enseñanza de la Tecnología, y la existencia de una metodología de análisis desarrollada en el Instituto de Electrónica Aplicada [19] [20] [21]. Para enmarcar adecuadamente el ámbito del trabajo, a continuación se describe brevemente el concepto de Tecnología Compleja y la metodología de análisis de la misma. B. Metodología de análisis de las tecnologías complejas Se define una Tecnología Compleja como aquella que se caracteriza porque los sistemas incluidos en ella se describen mediante un conjunto de conceptos básicos no excluyentes entre sí, que se subdividen a su vez en uno o más niveles de subconceptos asociados o excluyentes entre sí. Ejemplos representativos de estas tecnologías son la Electrónica, las Telecomunicaciones y la Informática [20] [21]. El desarrollo vertiginoso de algunas tecnologías complejas ha llevado a la carencia de métodos sistemáticos para describirlas y organizar sus características. De ahí el interés en desarrollar una metodología de análisis que se pueda aplicar a cualquier campo de la tecnología, con el fin, entre otros, de estructurar de forma más sistemática la actividad de enseñanza de sus contenidos [22]. La metodología de análisis de las tecnologías complejas desarrollada en [20] [21], se basa en la organización del conocimiento de una tecnología compleja en diferentes niveles de complejidad creciente. Se comienza por elegir un conjunto representativo de sistemas reales y conducir su análisis de forma detallada para definir todos los conceptos asociados con la tecnología en cuestión. Los sistemas pertenecientes a cualquier tecnología se caracterizan por estar formados por un conjunto de elementos básicos que forman parte de todos ellos. Por eso el Nivel 0 corresponde a dichos elementos. Además los elementos básicos de una tecnología compleja se combinan para dar lugar a subsistemas de un cierto grado de complejidad, que realizan funciones caracterizadas por ser utilizadas en la práctica totalidad de los sistemas de la misma. Por ello el segundo nivel (Nivel 1) está constituido por las diferentes formas de combinar los componentes básicos para dar lugar a subsistemas de nivel 1. El número de niveles de este proceso depende de cada tecnología concreta y finaliza con la descripción de los diferentes tipos de sistemas pertenecientes a la tecnología y el análisis de sus aplicaciones. La definición de los conceptos se lleva a cabo en dos etapas o fases tal como se indica en la figura 2. En la primera se determinan los bloques funcionales comunes a todos ellos y se clasifican (estructura básica del correspondiente nivel de subsistema). En la segunda etapa se analiza cada bloque básico y se determinan las particularidades de cada subsistema en lo que se refiere a los elementos funcionales que presenta, la forma en que se implementan, la disposición física, etc. El siguiente paso de la metodología consiste en clasificar y estructurar jerárquicamente todas las características que se han determinado, para establecer un modelo descriptivo de la tecnología. Por último, se valida el modelo teniendo en cuenta no sólo los subsistemas a partir de los cuales fue generado, sino todos los posibles casos que se conozcan.

4 4 C. Integración de la actividad de modelado del dominio en el proceso de desarrollo de software educativo en las tecnologías complejas Figura 2.- Definición de conceptos en la metodología de análisis Dada la naturaleza de la estructura de conceptos interrelacionados de las tecnologías complejas, es evidente que resulta beneficioso representar el conocimiento que proporciona este análisis mediante un lenguaje que pueda plasmar visualmente dicha naturaleza. Esto es especialmente relevante dado que el propósito de la metodología, es servir de soporte al diseño de actividades formativas, que pueden variar en nivel de profundidad y cantidad de conceptos que se pretenda enseñar. Por ello, se ha escogido la técnica de los mapas conceptuales que constituye un lenguaje visual que ofrece un modo de presentación que permite recorrer los conceptos de diferentes formas, de acuerdo con el caso particular que se analiza (estructura de conceptos que lo define) y con el nivel de conocimientos objeto de la instrucción. Un mapa conceptual es un modelo simple e intuitivo para la organización y representación visual del conocimiento. En un mapa conceptual el conocimiento se organiza y representa jerárquicamente, en todos los niveles de abstracción, situando los conocimientos más generales a mayor nivel que los más específicos [23]. Por todo ello, la combinación de los mapas conceptuales en la metodología de análisis de las tecnologías complejas constituye una herramienta para representar adecuadamente el resultado del análisis del dominio. A continuación se describen los resultados. La integración del modelado de dominio como soporte a la reutilización composicional en el proceso de desarrollo de software educativo orientado a apoyar el aprendizaje en las tecnologías complejas, que se ha llevado a cabo y se detalla en este trabajo, se basa en el uso de la metodología de análisis de las tecnologías complejas anteriormente descrita, inicialmente destinada a servir de soporte al diseño instruccional de actividades concretas, en calidad de método de análisis del dominio. Esto ha permitido, por una parte, integrar la reutilización composicional en el proceso de desarrollo de software, y también de otro tipo de medios, relativos al dominio de las tecnologías complejas. Y por otra parte, se mantiene la funcionalidad original de la metodología de análisis, que es obtener un modelo descriptivo estructurado de un dominio que sirva de soporte al diseño instruccional, tanto basado en software como en otros medios. A partir de la jerarquía de conceptos obtenidos mediante la metodología de análisis de las Tecnologías Complejas se desarrollan los mapas conceptuales que la describen. Como ejemplo se han desarrollado los mapas conceptuales de la Informática Industrial, de los que en la figura 3 se representa el correspondiente al Nivel 0. Este mapa define los componentes que pueden ser integrados para aplicar la reutilización composicional en el proceso de desarrollo del software educativo. Figura 3.- Mapa Conceptual del Nivel 0 de la Informática Industrial El modelo del dominio así obtenido facilita la catalogación de candidatos a componentes reutilizables existentes en aplicaciones anteriormente desarrolladas; como por ejemplo vídeos, gráficos, o animaciones desarrolladas en Macromedia

5 5 Flash. Asociando estos recursos a cada concepto de los mapas que describen el dominio, se facilita su localización y su reutilización en nuevas aplicaciones. Así mismo, actualmente se prevé desarrollar y añadir a este catálogo componentes basados en applets Java, JavaBeans o Active X, que modelen conceptos identificados como invariantes y de uso extensivo en el modelo del dominio. Su imp lementación mediante arquitecturas estándar de componentes permitirá su reutilización en las diversas aplicaciones hipermedia [24], páginas Web y simulaciones que está previsto desarrollar. IV. CONCLUSIONES Diversos autores han reclamado, recientemente, un cambio de paradigma en el desarrollo de software educativo, para responder de forma eficaz a las crecientes necesidades educativas. Este cambio implica aumentar el grado de reutilización actual en el proceso de desarrollo. En este trabajo se comparan los dos paradigmas de reutilización: generativo y composicional, y se demuestra que la introducción de un tipo de reutilización más composicional, frente al paradigma generativo, tradicionalmente predominante en el software educativo actual, presenta ventajas incuestionables. Se describen también las modificaciones que la integración de este paradigma conlleva en el proceso de desarrollo, mediante la aplicación del modelo de ciclos de vida gemelos. Como ejemplo, se presenta la integración de actividades de reutilización (análisis del dominio y la extracción de componentes) en el dominio de las tecnologías complejas. Se aprovecha para ello una metodología de análisis de estas tecnologías previamente integrada como parte del proceso de diseño instruccional. Dicha metodología se utiliza para construir el modelo del dominio y localizar / desarrollar componentes, con lo cual se facilita el paso de un proceso de desarrollo clásico a uno con una elevada reutilización. REFERENCIAS [1] McIlroy M.D. (1969) Mass Produced Software Components. In Software Engineering, P. Naur and B. Randell, editors,. NATO Science Committee, January 1969 [2] Hooper J. W., Chester R. O. (1991) Software Reuse - Guidelines and Methods. Plenum Publishing, New York, pp [3] Karlsson, E. A. (ed). (1995) Soft ware Reuse: A Holistic Approach, John Wiley & Sons, Chichester, UK. [4] Szyperski C. (1998) Component Software - Beyond Object- Oriented Programming. ACM Press/Addison-Wesley [5] Sametinger J. (1997) Software Engineering with Reusable Components, Springer, New York. [6] Aoyama, M. (1998) New Age of Software Development: How Component-Based Software Engineering Changes the Way of Software Development?. 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