En este artículo se describe el diseño, integración e implantación de

Transcripción

1 Plataforma genérica para el desarrollo de aplicaciones de Sistemas Tutoriales Inteligentes en capacitación y entrenamiento Guillermo Romero J., Rogelio E. Martínez R., Iris Romero M. y Juan C. Cordero C. Los primeros experimentos en el uso de computadoras para la enseñanza datan de principios de los años sesenta y sólo sirvieron para demostrar que el software y hardware disponibles en esa época para fines didácticos eran inadecuados. Resumen En este artículo se describe el diseño, integración e implantación de una plataforma genérica para el desarrollo de aplicaciones de Sistemas Tutoriales Inteligentes (STI) en capacitación y entrenamiento. Se describen los fundamentos de los STI y se presentan los principales aspectos de la implantación y validación de la plataforma. El aspecto más relevante de ésta es su generalidad en lo relativo al dominio de aplicación, ya que puede incluirse prácticamente cualquier curso de capacitación y entrenamiento de cualquier área. Actualmente, la plataforma que se presenta incluye tres cursos tutoriales sobre temas o tópicos relacionados con centrales de generación eléctrica. Introducción Los primeros experimentos en el uso de computadoras para la enseñanza datan de principios de los años sesenta y sólo sirvieron para demostrar que el software y hardware disponibles en esa época para fines didácticos eran inadecuados. A finales de los años sesenta, se crearon los primeros sistemas de enseñanza basados en computadora denominados PLA- TO y COURSEWRITER (Alpert, 1970; Coursewriter III, 1973). Estos sistemas constituyeron paqueterías o programas de software especializados y estaban orientados al diseño y mantenimiento de programas o planes de enseñanza aplicada, llamados Cursos de Estudios Asistidos por Computadora. El desarrollo posterior de los sistemas de enseñanza basados en computadora ocurrió en paralelo con el desarrollo y perfeccionamiento del hardware. Con el surgimiento de computadoras personales multimedia, con monitores y gráficas a color y accesorios que permitían la comunicación con dispositivos de audio y video, se hizo posible la creación de ambientes y herramientas propias para completar, en un solo sistema, el proceso de enseñanza-aprendizaje (Petrushin, 1995). A principios de los setenta los intentos por crear un ambiente de software apropiado para la enseñanza llevaron a 35

2 Artículos técnicos los investigadores del área a desarrollar lo que actualmente se conoce con el nombre de Sistemas Tutoriales Inteligentes. Mientras que los cursos de estudios asistidos por computadora tradicionales son considerados como un producto de teorías de enseñanza basadas en el comportamiento, los STI están asociados con teorías psicológicas, principalmente de la psicología cognoscitiva (Carbonell, 1970). A mediados de los setenta la atención de los especialistas en el área de los STI se centró en la búsqueda de métodos para la representación del conocimiento del estudiante (Modelo del Estudiante) (Goldstein & Burton, 1979) y estrategias para diseñar módulos del tutor (Clancey, 1979; Soloway et al, 1973). En los años ochenta, el desarrollo de STI estuvo fuertemente influenciado por la ingeniería del conocimiento y la tecnología de los sistemas expertos y se hizo énfasis sobre todo en el desarrollo del módulo Interfaz. Actualmente, se está dando un proceso de generalización y aprovechamiento de la experiencia ganada en el desarrollo de STI y, al mismo tiempo, se está comenzando a dar una transición de sistemas experimentales a comerciales junto con el desarrollo de herramientas para el diseño de dichos sistemas. En este artículo se presenta una plataforma genérica para el desarrollo de aplicaciones de STI que facilita el diseño y la integración de sistemas de capacitación y entrenamiento especializados, que pueden ser utilizados prácticamente en cualquier área donde se requiera. Sistemas Tutoriales Inteligentes La arquitectura clásica de un STI, está compuesta principalmente de cuatro módulos: Tutor, Dominio de Aplicación, Interfaz y Modelo del Estudiante. El módulo del Tutor es el encargado de determinar a quién, cómo, cuándo y qué se enseña o se evalúa. El módulo del Dominio de Aplicación se refiere al tema o curso en el que se requiere la capacitación. El módulo Interfaz es en el que se lleva a cabo la interacción estudiante-sti, debe ser atractivo y capaz de retener la atención del usuario. Finalmente, el módulo del Modelo del Estudiante es el encargado de determinar en todo momento el grado de conocimiento que tiene el estudiante sobre el tema que está aprendiendo. Un buen STI debe tener dos características básicas. Primero, seleccionar y acotar el contenido del dominio de aplicación que se requiere enseñar; y segundo aplicar estrategias didáctico-pedagógicas para dirigir el aprendizaje. En un STI, la primera característica se establece en el módulo del Dominio de Aplicación y la segunda es modelada tanto en el módulo tutor como en el módulo Interfaz. La plataforma genérica para el desarrollo de aplicaciones de STI denominada PLAGENSTI-IIE, y que se presenta a continuación, incluye los cuatro módulos fundamentales mencionados. Se incluyen además, los módulos Administrador y del Medio Ambiente de Simulación (MAS). El módulo Administrador, es el encargado de administrar y definir cursos, instructores y estudiantes y en función de esa definición, ofrecer la posibilidad de controlar la autocapacitación desde un solo estudiante hasta un centro de capacitación completo. El módulo MAS permite diseñar e implantar sesiones de práctica para la adquisición de habilidades, utilizando para ello simulaciones de subsistemas de procesos complementado con un asistente que va guiando las maniobras de los operadores, en este caso, de centrales eléctricas realizan de manera cotidiana. Diseño del sistema PLAGENSTI-IIE La plataforma genérica para el desarrollo de aplicaciones de STI en capacitación y entrenamiento fue diseñada principalmente tomando en cuenta su reutilización o su grado de generalidad. En un artículo anterior de Guillermo Romero, publicado en 1999, se analizaron los principales aspectos de la reutilización de software dedicado a los STI y se establecieron las bases para diseñar la plataforma genérica. La estructura modular, propia y natural, de los STI hace factible la posibilidad de dar a este tipo de sistemas un alto grado de generalidad. Dos aspectos más fueron determinantes en lograr esta última característica: el enfoque centrado en base de datos, en donde toda la información estática y dinámica que contiene el sistema está almacenada en una base de datos, así como la estructura seleccionada para la representación del dominio de aplicación (Gutiérrez, 1998). En la Figura 1 se muestran los componentes principales del sistema PLAGENSTI-IIE. Módulo del Dominio de Aplicación en PLAGENSTI-IIE En este módulo se almacena y estructura el conocimiento sobre el tema que se va a enseñar. Para representar ese conocimiento se seleccionó la representación en forma de nodos, que representan uni- 36

3 Figura 1 Arquitectura del sistema PLAGENSTI-IIE. Figura 2 Estructura del dominio de aplicación del curso Dispositivos de centrales eléctricas. P Q R S B C D E F G H I J K L M N O Módulo interfaz Estudiante Módulo tutor S implica el diseño e implantación de material didáctico adicional. Módulo administrador dades de aprendizaje, lecciones o conceptos y arcos, que representan la relación existente entre las diferentes unidades de aprendizaje, lo que da lugar a una especie de redes tipo árbol (Livergood, 1991). Esta forma de representar y estructurar el conocimiento o el contenido de un curso en particular es muy flexible, ya que por un lado permite pasar de la red estructurada, en donde se incluye la información relacionada con el contenido del curso y la forma en que será presentada al estudiante (estrategia de enseñanza), a un programa computacional que maneja la información en forma de agenda (matriz de datos: unidades de aprendizaje etiquetadas y relaciones de jerarquía entre éstas). Por otro lado, las redes en forma de árbol permiten la implantación de manera simple del módulo del modelo del estudiante, que se describe en una sección posterior. En la Figura 2, se muestra la red estructurada para el curso Dispositivos de Centrales Eléctricas. En la Figura 2, los nodos representan las diferentes lecciones que conforman el curso, y los arcos las relaciones de precedencia (o necesario para conocer ) y de similitud (cuando dos o más conceptos tienen la misma importancia y el orden en que pueden ser enseñadas es indistinto). Así, se pueden definir para una misma lección, una, dos o hasta tres formas de enseñar esa lección. Obviamente el definir por ejemplo, tres formas de enseñar la misma lección Implantación del módulo del Dominio de Aplicación En la Tabla 1, se muestra la forma como la red precedente es convertida en una especie de agenda, que es invocada por el módulo tutor, cuando éste lo considere pertinente. El material didáctico que forma las lecciones de los cursos está implementado con la herramienta multimedia Authorware 5.1 de Macromedia. Esta paquetería permite diseñar material utilizando las técnicas propias de la tecnología multimedia (hipertexto, video, audio, animación) y además permite la comunicación con aplicaciones externas a través de bibliotecas de enlace dinámico (módulo Tutor programado en CLIPS y Visual C ++ ). Las lecciones están etiquetadas y el módulo tutor las invoca cuando se requiere. En el Reporte Interno de Actividades de la Gerencia de Simulación del IIE, en 1999, se muestra todo el material de los tres cursos que actualmente forman parte de la plataforma. En cuanto a la enseñanza de habilidades se refiere, el sistema cuenta con un MAS genérico, que es ampliamente detallado en el artículo Módulos de Desarrollo de una Plataforma Genérica para Aplicaciones de Sistemas Tutoriales Inteligentes, incluido en este mismo boletín (Romero, 2002). Módulo del Estudiante en PLAGENSTI-IIE El comportamiento de un STI debe ser construido de manera dinámica, basándose en las características de quien va a utilizarlo. Dichas características permi- 37

4 Artículos técnicos Agenda del curso Dispositivos de centrales eléctricas. Tabla 1 Curso Lección Título Padre Hermano Hijo Accesos Id_curso C03 A Centrales C030 C03 B Generador eléctrico C031 C03 C Condensador principal C032 C03 D Principios generales de turbinas C033 C03 E Combustión C034 C03 F Fusión C035 C03 G Bombas C036 C03 H Ventiladores C037 C03 I Compresores C038 C03 J Intercambiadores de calor C039 C03 K Torres de enfriamiento C0310 C03 L Eyectores C0311 C03 M Transformadores C0312 C03 N Controladores C0313 C03 O Turbinas C0314 C03 P Calderas C0315 C03 Q Recuperadores de calor C0316 C03 R Reactor nuclear C0317 C03 S Dispositivos de centrales electricas C0318 ten el desarrollo de sistemas personalizados, que deben adaptarse por sí mismos al mayor número posible de usuarios. Para lograr esto, es necesario determinar el grado de dominio que tiene un usuario acerca del dominio de aplicación o tema que va a aprender. Este conjunto de información forma lo que ha dado por llamarse Estado Mental del Estudiante. El componente del STI que representa ese estado se llama Modelo del Estudiante (ME), y es determinado por técnicas de diagnóstico. El ME es básicamente una estructura de datos y el diagnóstico es el proceso que los produce (VanLenh, 1988). En el caso del sistema PLAGENSTI-IIE, se utiliza un modelado del ME de tipo superposición, ya que es el más recomendado para la enseñanza de conceptos teóricos de dominios de aplicación en donde su contenido está bien acotado y no existen problemas de definiciones, descripciones de equipos y enunciados, como es el caso del tema de las centrales eléctricas (Chu et al, 1995). El modelado del ME tipo superposición consiste básicamente en considerar lo que el estudiante sabe sobre el dominio de aplicación que se le presenta, como un subconjunto del conocimiento del experto sobre ese dominio. En función de la diferencia entre estos dos grados de conocimiento, el módulo tutor establece objetivos pedagógicos para que el estudiante adquiera, mediante estrategias pedagógicas, el conjunto de conocimientos del experto. Implantación del módulo del ME El Modelo del Estudiante utilizado en el sistema PLAGENSTI-IIE determina de manera global si el estudiante domina o no el tema que se le enseñó. No se pretende saber o interpretar cómo es que el estudiante aprende. Tampoco se pretende conocer si el estudiante, al final del curso, domina en cierto porcentaje su contenido, solamente se establece si conoce o no un concepto y de manera general, si conoce o no el tema. Para lograr esto, es necesario etiquetar en la agenda (Tabla 1, por ejemplo), cada concepto definido en el dominio de aplicación con el estatus CONOCE (2), NO CONOCE (-2). Se agregan otros estados en el grado de dominio del estudiante sobre un concepto en particular, con el fin de implantar estrategias de diagnóstico, que ofrezcan certeza sobre el grado de conocimiento que, para cada estudiante, se requiere determinar. Así, se utiliza (1) que indica que el STI deduce que el estudiante conoce la lección, pero no lo ha verificado (evaluado). Para determinar que el STI deduce que el estudiante no conoce la lección pero no lo ha verificado, se utiliza (-1). Finalmente, (0) indica que el STI no puede 38

5 determinar ninguno de los estados mencionados, que se tiene una incertidumbre total respecto al grado de conocimiento por parte del estudiante, sobre las lecciones contenidas en el curso completo. Los datos que representan el grado de dominio del estudiante sobre las lecciones están almacenados en una base de datos diseñada en Microsoft Visual Fox-Pro 6.0. Esta información es modificada en función del avance que vaya teniendo el alumno. El recorrido que hace el tutor en busca de conceptos no conocidos se realiza explorando esta información. Módulo Tutor en PLAGENSTI-IIE En este módulo está estructurado y almacenado el conocimiento didáctico-pedagógico del STI. Este tipo de conocimiento es diferente al conocimiento representado en el dominio de aplicación, que permite que se puedan tomar decisiones relacionadas únicamente con el módulo Tutor. Una de las metas del STI es guiar al estudiante durante el proceso de enseñanza-aprendizaje, para lo que se consideran los objetivos específicos siguientes: Establecer el Objetivo Pedagógico (OP). Establecer la forma y la secuencia de instrucción. Determinar cómo, cuándo y dónde intervenir. Ser capaz de responder a las preguntas de los estudiantes. Escoger criterios de evaluación pertinentes en función del desempeño del estudiante. Conducir y supervisar la evaluación. Implantación del módulo Tutor Figura 3 Diagrama de ejecución del módulo Tutor. Fin No Si Inicio Generación objetivo pedagógico (OP) Existe OP? Si Genera estrategia Muestra lección Evalúa lección OP cumplido? Modela estudiante En la Figura 3 se muestra el diagrama de flujo del algoritmo del ciclo del módulo tutor, en donde se establece el objetivo pedagógico. Aquí se determina si se enseña o se evalúa en función de la retroalimentación que proporciona el módulo del modelo del estudiante. Se recorre toda la red y se verifica que todas las lecciones se encuentren en estado 2 (lección o concepto CONOCIDO). La búsqueda de conceptos que no se encuentren en ese estado a través de la red se realiza comenzando en los niveles jerárquicos más bajos de la red. Las estrategias de enseñanza implementadas en el sistema se apoyan en métodos de enseñanzaaprendizaje basados en computadora (Schank, 1990) y en efectos basados en tecnología multimedia. Para que el sistema ubique el nivel o grado de conocimiento del estudiante que accesa por primera vez la plataforma sobre el tema que se enseña, se presenta la opción de realizar un examen preliminar o ingresar directamente a aprender las lecciones. En función de lo que seleccione, el sistema aplicará la estrategia que corresponda. Por ejemplo, si el estudiante selecciona presentar el examen, el STI generará información relacionada con el nivel de conocimiento del estudiante y decidirá enseñarle sólo aquellas lecciones que le hagan falta. Si por otro lado, el estudiante decide no presentar examen, el STI, como se mencionó con anterioridad, tendrá una total incertidumbre y su estrategia será empezar a preguntarle al estudiante si conoce las lecciones básicas y así sucesivamente ir subiendo de nivel (recorriendo la red) hasta completar todas la lecciones del curso. El módulo Tutor está implementado en el sistema C Language Integrated Production System (CLIPS), generador de sistemas expertos, combinado con una aplicación programada en Microsoft Visual C ++. Módulo Interfaz en PLAGENSTI-IIE El módulo Interfaz controla principalmente el flujo de comunicación entre el STI y el estudiante. Es respon- No 39

6 Artículos técnicos sable de atraer y retener la atención del estudiante y de crear un ambiente adecuado para completar el proceso de enseñanza-aprendizaje. Este módulo también es importante porque representa la interacción directa con el estudiante. Para lograr esto, se generan pantallas con sus respectivos diseños de textos, ilustraciones, figuras, gráficas, preguntas, videos, audio, animaciones y diagramas. El acceso a los cursos del STI se hace a través de la pantalla de control de acceso del usuario. De manera genérica se le presentan al usuario, una vez que ha sido validado su acceso, pantallas con explicaciones sobre la forma de interactuar con el sistema, de la manera como el sistema le va a presentar el material didáctico y un índice que presenta el contenido del curso. El índice se genera en forma automática, en función de la definición del dominio de aplicación. En la Figura 4, se muestra la pantalla del índice con el contenido del curso Dispositivos de Centrales Eléctricas que se le presenta al estudiante. Figura 4 Pantalla de presentación del contenido del curso de Dispositivos de centrales eléctricas. Implantación del módulo Interfaz Este módulo está estrechamente ligado con el módulo del dominio de aplicación y, como se mencionó anteriormente, las lecciones que incluyen tanto material didáctico como las preguntas para evaluarlas, están diseñadas e implantadas con Authorware. Generación de cursos utilizando el sistema PLAGENSTI-IIE Para incorporar cursos al sistema PLAGENSTI-IIE se sigue el procedimiento siguiente: 1.- Definir la cantidad de material didáctico a incluir (acotar el alcance del curso). 2.- Recopilar el material de las diversas fuentes disponibles: libros, manuales, revistas, enciclopedias, experiencias, etc. 3.- Organizar (estructurar) el material recopilado, es decir, definir la secuencia de las lecciones. 4.- Diseñar e implantar el material utilizando la plataforma multimedia. Tomar en cuenta la configuración de la secuencia del curso en Authorware para que sean reconocidos por el STI. 5.- Agregar el material al STI, generando con un editor gráfico del dominio de aplicación, la estructura del curso, el título de cada una de las lecciones y las preguntas para su evaluación. De manera automática se incorporará esta información en la base de datos denominada BDSTI. 6.- Definir (configurar) los instructores y los alumnos que supervisarán y tomarán los cursos respectivamente, utilizando el módulo Administrador. Funcionalidades de PLAGENSTI-IIE Las ventajas principales del sistema genérico para el desarrollo de aplicaciones de STI en capacitación y entrenamiento PLAGENSTI-IIE1, están relacionadas principalmente con el alto grado de generalidad que se tiene. El procedimiento para incorporar nuevos cursos al sistema es simple, el problema o la inversión de la mayor parte del tiempo radica en el diseño e implantación del material didáctico. Una vez que se ha incorporado un curso y que se han definido instructores y estudiantes, se generan en forma dinámica o automática tanto el índice del contenido del curso, como el modo consulta. Este último se presenta al estudiante en función de las lecciones que vaya aprendiendo. Se pone a disposición del estudiante sólo las lecciones consideradas conocidas. La información generada con el avance del estudiante se almacena en la base de datos, y sirve para que el instructor pueda dar un seguimiento en línea del progreso del estudiante, para esto se cuenta con un módulo adicional llamado Administrador, éste presenta la información relacionada con el avance individual o por grupo, si así se define, el número de accesos al STI y el tiempo por sesión o acumulado de cada estudiante. Estas funciones básicas de seguimiento se pueden cambiar o inclusive, agregar nuevas funciones. El módulo Administrador cuenta con una interfaz y un manejador que accesa la base de datos del sistema PLAGENSTI-IIE para llevar a 40

7 cabo tanto la configuración de los cursos como el seguimiento de los estudiantes y está ampliamente detallado en el artículo Módulos de Desarrollo de una Plataforma Genérica para Aplicaciones de Sistemas Tutoriales Inteligentes (Romero et al, 2002). Conclusiones El sistema genérico de capacitación y entrenamiento basado en STI, PLAGENSTI-IIE, representa una opción interesante para la capacitación asistida por computadora. Hoy en día las computadoras, sobre todo personales, están en una etapa en la que este tipo de sistemas puede utilizarse sin mayores problemas. Tanto el desarrollo de cursos, como su administración y utilización son factibles y podría incluso considerarse a estos equipos, (hardware/software) con capacidad por demás suficiente para lograrlo. Actualmente, el sistema ha entrado en una etapa de promoción y comercialización. Los resultados son prometedores y dos centros de capacitación se han mostrado muy interesados en el sistema, el Centro Nacional de Capacitación y Adiestramiento de Operadores de Ixtapantongo (CNCAOI) y el Centro de Entrenamiento de la Central Nucleoeléctrica Laguna Verde, ambos de la CFE. Agradecimientos Un agradecimiento muy especial al Dr. Eduardo Gleason, gerente de Simulación del IIE, por la revisión meticulosa y detallada del presente artículo. A los ingenieros Rafael Cruz Cruz y Román Hernández, del CNCAOI por su valiosa ayuda y su colaboración en el desarrollo de la plataforma. Guillermo Romero Jiménez Ver currículum en la pág. 5. Rogelio Enrique Martínez Ramírez Licenciado en Informática por el Instituto Tecnológico de Zacatepec, con especialidad en bases de datos (2000). Ese año ingresó al IIE como investigador de la Gerencia de Simulación, en el área de desarrollo de software. Es especialista en desarrollo de software ejecutivo, interfaces hombre-máquina y de sistemas basados en conocimiento. Coautor de varios artículos en congresos internacionales. remr@iie.org.mx Iris Romero Mena Ingeniera (1998) en Sistemas Computacionales por el Instituto Tecnológico de Zacatepec. Desde 1999 labora como Investigadora en la Gerencia de Simulación del IIE donde ha participado en el desarrollo de software del simulador de centrales geotermoeléctricas y en la actualización y mantenimiento de software para los simuladores del CNCAOI y CNLV. iromero@iie.org.mx Juan Carlos Cordero Cruz Ver currículum en la pág. 15. Referencias Alpert, D. y D.L. Bitzer. Advances in Computer-based Instruction. Science, Vol. 167, Burton, R. R. Diagnosing Bugs in Simple Procedural Skills. International Journal of Man Machine Studies, No. 11, Carbonell, J. A. AI in CAI: Artificial Intelligence Approach to Computer-assisted Instruction. IEEE Transactions on Man- Machine Systems, Vol. MMS-11, No. 4, Clancey, W. J. Tutoring Rules for Guiding a Case Method Dialogue. International Journal of Man Machine Studies, No. 11, Chu, R. W. et al. Using the Operator Function Model OFMspert as the Basis for an Intelligent Tutoring System: Towards a Tutor/Aid Paradigm for the Operators of Supervisory Control Systems. IEEE Transaction on System Man and Cybernetics, vol. 25, núm. 7, Julio 1995, pp Coursewriter III. Versión 3. Author s Guide. Program Product SH , Goldstein, L. P. The Genetic Graph: a Representation for the Evolution of Procedural Knowledge. International Journal of Man Machine Studies, No. 11, Gutiérrez, E. F. Desarrollo, Implantación y Validación de un Algoritmo de Toma de Decisiones Basado en un Modelo de Estudiante para Definir Estrategias de Enseñanza en Sistemas Tutoriales. Tesis de licenciatura 1998, Universidad Tecnológica de la Mixteca, México. Livergood, N. D. From Computer-assisted Instruction to Intelligent Tutoring Systems. JI of Artificial Intelligence in Education, vol. 2, núm 3, 1991, pp Petrushin, V. A. Intelligent Tutoring Systems: Architecture and Methods of Implementation. Journal of Computers and Systems Sciences International, Vol. 33 Issue 1, 1995, pp Romero, G. y M. C. Pérez. Sistema Tutorial para el Auto-entrenamiento en Sintonización de Sistemas de Control (STISIN). Boletín IIE, Vol. 23 No. 1, 1999, pp , México. Romero, I. et al. Módulos de Desarrollo de una Plataforma Genérica para Aplicaciones de Sistemas Tutoriales Inteligentes. Ver este boletín, 2002, pp. 42. Schank, R. Teaching Architectures. The Institute for the Learning Sciences, Northwestern University, Soloway, E. E. et al. MENOII: an AI-based Programming Tutor. Journal of Computer-Based Instruction, Vol. 10, No. 1-2, Tavira, J. A. et al. Implantación y Validación del Material Didáctico Lecciones y Preguntas del Curso Patiero y Dispositivos de Centrales Eléctricas. Reporte Interno Actividad , Gerencia de Simulación, 1999, IIE, México. VanLenh, K. Student Modelling in POLSON, M. C., RICHARDSON, J.J. (eds.), Foundations on Intelligent Tutoring Systems, Hillsdale, New Jersey, L. Erlbaum Association Publishers, pp ,