Este artículo describe la arquitectura e implantación de un prototipo

Transcripción

1 Boletín IIE, enero-febrero del 2002 Arquitectura de un sistema de capacitación en Web basado en objetos reusables de Ana S. Agüera H., Rafael Morales G., Ángel Díaz B., Cristina Zarate R. y Guadalupe Quintana S. Los beneficios potenciales de la Web en el área de educación, consecuencia fundamental de su esquema distribuido, han favorecido la migración de múltiples sistemas de instrucción stand-alone a la Web. Resumen Este artículo describe la arquitectura e implantación de un prototipo de sistema de capacitación en Web basado en objetos reusables de. El prototipo tiene mecanismos para incorporar objetos de conformes con estándares internacionales y así presentarlos a sus usuarios siguiendo una secuencia generada dinámicamente. Se describen brevemente los antecedentes de desarrollo del prototipo, basados en el marco de referencia definido en nuestro proyecto; se presenta la noción de objeto de y el modelo de referencia Sharable Content Object Reference Model (SCORM). Se presenta el prototipo que utiliza el ambiente de ejecución de SCORM para soportar la presentación de los objetos de siguiendo dos secuencias diferentes: una tradicional, definida por el diseñador del material, y otra socrática, generada dinámicamente por el sistema. Por último, se describe la forma en que debe ser diseñado y desarrollado el contenido educativo para ser soportado por nuestro sistema. Introducción de sistemas hemos definido un marco teórico de referencia que incluye desde los aspectos pedagógicos hasta los aspectos de implantación de este tipo de sistemas (Morales y Agüera, 2001; Morales y Agüera, 2002). El trabajo presentado en este artículo corresponde al nivel de implantación, que incluye la Web como plataforma de ejecución y la composición de contenido educativo como colecciones de objetos de conformes con el estándar SCORM. Arquitectura del sistema En el nivel de abstracción más bajo de nuestro modelo de referencia se encuentran las alternativas de implantación para un sistema educativo inteligente en la Web. En este nivel existen dos cuestiones que son de particular importancia; la primera de ellas tiene que ver con la distribución de los compo- Los beneficios potenciales de la Web en el área de educación, consecuencia fundamental de su esquema distribuido, han favorecido la migración de múltiples sistemas de instrucción stand-alone a la Web. En la mayoría de los casos, sin embargo, el uso que se le ha dado a la Web ha sido únicamente como medio de distribución o entrega de cursos. El interés de nuestro grupo de investigación es sobre la asimilación y desarrollo de tecnología para la producción de sistemas inteligentes de capacitación en la Web, capaces de exhibir adaptabilidad y flexibilidad. Para el análisis y desarrollo de este tipo 29

2 Artículos técnicos nentes del sistema bajo un esquema cliente-servidor, así como los mecanismos de interacción entre los mismos, en tanto que la segunda está más relacionada con la organización y codificación de los contenidos educativos. En esta sección se describe la arquitectura de referencia que dio origen a nuestro trabajo y posteriormente la forma en que ha sido extendida. ADL SCORM La iniciativa Advanced Distributing Learning (ADL) tiene como objetivo central sentar las bases tecnológicas para afrontar de manera efectiva y rentable el reto que, en materia de distribución del, se deriva de los nuevos avances en redes de computación y comunicaciones (ADL, 2001). La propuesta consiste en la creación de repositorios de conocimiento capaces de almacenar una gran variedad de objetos de unidades mínimas de contenido educativo reutilizable a las que un Sistema Administrador del Aprendizaje (LMS, por sus siglas en inglés) da seguimiento que puedan ser usados y distribuidos a través de la Web. SCORM es su modelo de referencia, basado en un conjunto de especificaciones técnicas y guías, diseñado para satisfacer los requerimientos de contenido educativo en la Web del Departamento de la Defensa de los Estados Unidos. En SCORM se define un ambiente de ejecución (run-time environment), mismo que consiste en una forma común de iniciar los objetos de, un mecanismo común de comunicación entre los objetos de y los diferentes LMS y un vocabulario predefinido, o modelo de datos, que sirve como base para la comunicación. La Figura 1 ilustra los componentes del ambiente. Figura 1 Componentes del ambiente de ejecución de SCORM. Navegador Objeto reusable de (SCO) API Adaptador de la API Cliente del LMS Servidor del LMS Servidor de Web Otros Almacén de SCO Bajo este esquema, del lado del servidor se tiene al LMS y al repositorio o almacén de objetos de, más otros registros de interés para el LMS. Del lado del cliente se tiene un adaptador con la interfaz hacia los programas de aplicación (API, por sus siglas en inglés). El mecanismo de lanzamiento de objetos de define una forma común de iniciar un contenido de basado en la Web, con base en las responsabilidades y procedimientos de comunicación entre la entrega de contenidos y el LMS. En SCORM, el término LMS implica un ambiente del lado del servidor en el que reside la inteligencia para controlar la entrega de contenidos educativos (objetos de ) a los estudiantes; esto es, el LMS sabe qué material entregar y cuándo, manteniendo un registro del progreso del estudiante a través de esos contenidos. Esto significa que los objetos de SCORM no determinan cómo navegar a través del curso; sino que ésta función pertenece al LMS. De esta forma se espera lograr el desarrollo de contenidos independientes del contexto que puedan ser compartidos y reutilizados. Por su parte, la API es el mecanismo de comunicación por el que el LMS se mantiene informado del estado de los objetos de. A través de él se obtienen y establecen datos entre los objetos y el LMS. El modelo de datos es una lista de elementos que se usan para definir la información que necesitan comunicarse. La tecnología sugerida en SCORM para implantar el ambiente de ejecución es Java, aunque se hace referencia a otros esquemas de implantación. ADL distribuye de manera gratuita y libre una implantación básica del ambiente de ejecución de SCORM, conocido como Sample Run-Time Environment, o SRTE, en la que la parte del servidor está implantada como un conjunto de servlets en Java, en tanto que la interfaz para las aplicaciones (objetos de ) es un applet también en Java. La ventaja del uso de servlets y applets como casos particulares de desarrollo con base en componentes es que permiten mayor flexibilidad para incorporar los mecanismos de adaptación y la interactividad requerida para este tipo de sistemas en la Web. No obstante que el objetivo de SCORM es favorecer la generación de contenidos educativos adaptables a una gran variedad de estudiantes motivado por los resultados obtenidos en la enseñanza con Sistemas Tutores Inteligentes en él no se especifican facilidades ni mecanismos para un manejo inteligente de los contenidos. 30

3 Boletín IIE, enero-febrero del 2002 Extensiones al SRTE La implantación del SRTE 1.1 adolece de limitaciones importantes, como es de esperarse de una demostración del funcionamiento básico del ambiente de ejecución de SCORM. Entre ellas sobresalen las siguientes: Está limitada para funcionar con un único curso (el curso de navegación marítima que se incluye en la distribución del software). El número de objetos de (SCO) está predeterminado a siete, donde los primeros seis corresponden a objetos de contenido en tanto que el último corresponde a una evaluación. El sistema no provee facilidades para la secuenciación dinámica de objetos de. La presentación de los objetos de se hace de manera secuencial invocando explícitamente el nombre de archivo asociado a cada objeto, es decir, no considera información proveniente de los archivos de metadatos y manifiesto asociados (Morales y Agüera, 2002) para la toma de la decisión de qué objeto presentar. El modelo de lanzamiento de SCORM requiere que el LMS tenga un único SCO activo al mismo tiempo en el navegador de la Web. La persistencia para registrar el seguimiento de los estudiantes se maneja mediante el uso de archivos serializados de Java, lo que hace ineficiente al sistema. Tomando como base la distribución del SRTE 1.1, se realizaron extensiones a la implantación del lado servidor cuyos resultados se resumen en: Acceso flexible a múltiples cursos mediante una base de datos. Secuenciación dinámica de objetos de bajo dos organizaciones diferentes: una predefinida por el diseñador del contenido, basada en un enfoque tradicional, y otra generada dinámicamente basada en un enfoque socrático por tema. Importación de cursos bajo el estándar SCORM (etiquetado y empaquetado). La Figura 2 describe la arquitectura del sistema resultante. Acceso a base de datos XML ASCII MySQL Manifiesto LMS Parser UtilBD Archivo Temporal Llena BD AccesBD Login Course Lesson Reset Error Módulo Tradicional Figura 2 Arquitectura del SRTE extendido. Socrático Estructura de cursos SCO Como paso previo a la incorporación de mecanismos para la secuenciación dinámica de los objetos, se diseñó una base de datos para el registro de cursos y su estructura, favoreciendo así un manejo flexible en la presentación de los objetos. Adicionalmente, se implementaron dos bibliotecas de clases: una para el acceso a la base de datos (accessbd) que incluye los métodos de creación, llenado y consultas de la información y otra que sirve como interfaz entre el LMS y los métodos de acceso a la base de datos (utildb). De esta manera, el acceso a la estructura de los cursos es transparente para el LMS; o sea que para el LMS es indistinguible si la estructura de los cursos está definida en una base de datos, un archivo de definición en XML o un archivo ASCII. Para el acceso a la base de datos se modificaron los servlets ya incluidos en el ambiente (login, course, lesson, reset y error), en los que se realiza la validación de los estudiantes, el listado de cursos disponibles, la presentación de los objetos de, el registro de los estudiantes y control de errores. Importación de cursos El parser se encarga de leer y validar un documento XML llamado inmanifest.xml, que describe la organización lógica de un curso. Para la validación se utiliza el DOMParser de IBM y un conjunto de esquemas proporcionados por ADL e IMS. El parser extrae la información de estructura y metadatos requeridos por el LMS y la deposita en un archivo de definición temporal, que posteriormente es leído para llenar la base de datos que sirve como repositorio de los datos de los SCO. 31

4 Artículos técnicos Secuenciamiento dinámico de objetos de La idea detrás del uso de objetos de es que la secuencia de presentación de contenidos educativos no reside en ellos, sino más bien se presupone la existencia de un ambiente con capacidad para decidir cuál es el siguiente objeto a presentar. Esto depende en gran medida de que los objetos de sean descritos de una manera adecuada y suficiente para que un sistema (por ejemplo, un agente inteligente) sea capaz de generar automática y dinámicamente la secuencia de más apropiada a un estudiante particular. Esto significa que debe ser posible tomar objetos de de un repositorio y combinarlos en una forma que tenga sentido educativo (secuenciación de los objetos de ). Para que un programa computacional haga el secuenciamiento, debe tener acceso a información de diseño educativo (metadatos) que soporte el proceso de toma de decisiones. Nuestra extensión al SRTE incorpora facilidades para la presentación de objetos de bajo dos secuencias, tradicional y socrática, que quedaron implementadas con la incorporación de dos servlets adicionales al LMS. nuevo tema. La Figura 4 muestra gráficamente el algoritmo para secuenciación socrática. Estructura del curso La Figura 5 muestra la organización a la que debe apegarse un diseñador de contenidos para que éstos puedan ser integrados a nuestro sistema. La organización del contenido sigue una estructura de árbol jerárquico Figura 3 Secuencia de presentación tradicional. Explicaciones Ejemplos Ejercicios Evaluaciones Retroalimentación completa Figura 4 Secuencia de presentación socrática. Explicaciones Secuenciación tradicional Esta es la forma más simple de secuenciación. El sistema únicamente se encarga de presentar los objetos de en el mismo orden en que fueron definidos por el diseñador del curso. La Figura 3 muestra el orden de presentación de los objetos. Secuenciación socrática En este caso el sistema presenta el contenido siguiendo una secuencia de presentación de objetos de ordenados por tema. Para cada tema se selecciona un objeto de tipo evaluación que se presenta al estudiante. Si el resultado de la evaluación es satisfactorio entonces se presenta la evaluación del siguiente tema, y así sucesivamente mientras haya evaluaciones. En caso de un resultado insatisfactorio en una evaluación, se presenta una retroalimentación y con base en el número de intentos se selecciona un ejercicio, un ejemplo o una explicación del mismo tema. La idea es ofrecer al estudiante un mecanismo que gradualmente le proporcione más ayuda para resolver satisfactoriamente la evaluación. Si en una evaluación se excede el número máximo de intentos definido en el sistema que actualmente son tres se presenta la evaluación de un Figura 5 Estructura del contenido educativo. Curso Módulo Módulo Módulo Lección Lección 32

5 Boletín IIE, enero-febrero del 2002 de cuatro niveles. La raíz o nodo de nivel superior define al curso, que se compone de módulos, éstos de lecciones y, a su vez, estas lecciones de objetos de, que se encuentran en el nivel más bajo de la jerarquía. Para cada lección, los objetos de deben seguir un orden progresivo (secuencia) de acuerdo al tipo de objeto de y al tema asociado, como se ve en la Figura 6. Nosotros definimos cinco tipos de objetos de : explicación, ejemplo, ejercicio, evaluación y retroalimentación. La forma en que deben organizarse para cada lección es similar a la secuencia de presentación de las lecciones de un libro tradicional: explicaciones, ejemplos, ejercicios, evaluaciones y retroalimentaciones. Figura 6 Organización de objetos de por lección. Lección n T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 T1 T2 Explicación Ejemplo Ejercicio Evaluación T1 = Tema 1 T2 = Tema 2 Retroalimentación Empaquetado La forma de asociar metadatos a los SCO es a través de un modelo de empaquetado de contenidos (Morales y Agüera, 2002). El propósito del empaquetado de contenidos es proporcionar una forma estandarizada para intercambiar recursos digitales de entre diferentes sistemas o herramientas. Aunado a ésto, el empaquetado de contenidos puede también definir la estructura (organización) y, eventualmente, el comportamiento esperado de los recursos de. El empaquetado de contenidos define un archivo manifiesto que describe el paquete y su contenido; es decir, metadatos acerca del paquete, la organización o estructura del contenido y una lista de referencias a los recursos del paquete. Curso ejemplo Como parte de la implantación de la arquitectura y para probar su funcionamiento se desarrolló un minicurso de generación de energía eléctrica. La estructura del curso se describe en la Figura 7. Para cada lección se desarrollaron una serie de objetos de cubriendo diferentes temas. En total se desarrollaron alrededor de 52 objetos de cada uno con su archivo de metadatos asociado y el archivo manifiesto que describe la estructura del curso siguiendo la organización tradicional descrita anteriormente. Figura 7 Estructura del curso de Generación de energía. Metadatos La manera de describir el contenido de un SCO es a través de una etiqueta con metadatos (Morales y Agüera, 2002), que permite su búsqueda y descubrimiento dentro de repositorios en línea y favorece así su reúso. SCORM se adhiere a la especificación Learning-Object Metadata (LOM) del IEEE LTSC y, por consiguiente, a la correspondiente de IMS (IMS, 2000). Para que un SCO pueda ser manejado por nuestro sistema debe contener la siguiente información mínima: identificador, nombre, localización, tema y tipo. Los tres primeros son descripciones que se incluyen en el documento de empaquetado de contenido, o manifiesto, en tanto que tema y tipo forman parte de los metadatos del SCO. Contexto histórico Energía nuclear Definición Centrales nucleares Generación de energía eléctrica CNLV Centrales termoeléctricas Introducción Generador de vapor Turbinas, condensador y generador eléctrico Sistema de condensado y sistemas de agua de alimentación Tecnología de implantación La tecnología de implantación de la arquitectura consistió en un servidor con sistema operativo Linux para 33

6 Artículos técnicos el desarrollo de la extensión al SRTE, servlets de Java corriendo bajo Tomcat 3.2.2, MySQL como manejador de base de datos, XML para el etiquetado de los contenidos y Document Object Model (DOM) para la implantación del parser. El desarrollo de los objetos de se realizó en su mayor parte con HTML, JavaScript e imágenes GIF, aunque también se incluyeron algunos objetos usando Flash y el Virtual Reality Modelling Lenguage (VRML). Conclusiones En este artículo hemos presentado la arquitectura de un prototipo de sistema administrador del desarrollado conforme al estándar SCORM. El uso de objetos de presenta el reto de incursionar en una línea de investigación aún más innovadora, en donde el uso de agentes inteligentes, como los mecanismos para la generación dinámica de la secuencia de presentación de los objetos de planeada, para satisfacer las necesidades específicas de cada estudiante, se perfila como una alternativa viable y muy atractiva. Como parte del trabajo futuro se pretende mejorar el sistema actual en la dirección de una arquitectura distribuida multiagente, con un agente interfaz (lado cliente) encargado de monitorear y modelar a corto plazo al estudiante, y un conjunto de agentes tutores (lado servidor) encargados de organizar los contenidos de acuerdo a un modelo de enseñanza- particular y a un modelo persistente del estudiante. Los agentes tutores se proponen como una extensión al módulo LMS del sistema, en tanto que el adaptador de la API del lado del cliente se extendería con el agente interfaz. Ana Silvia Agüera Hernández Ver currículum en la pág. 22. Rafael Morales Gamboa Ver currículum en la pág. 28. Referencias ADL. Sharable Content Object Reference Model Version 1.2: The SCORM Overview. Advanced Distributed Learning, URL IMS. IMS Learning Resource Meta-data Specification: Version 1.1 Final Specification IMS Global Learning Consortium, URL IMS. IMS Content Packaging Specification: Version 1.1 Final Specification. IMS GlobalLearningConsortium,2001. URL LTSC. IEEE P1484.1/D8, Draft Standard for Learning Technology Learning Technology Systems Architecture (LTSA). Learning Technology Standards Committee of the IEEE Computer Society, URL Morales, R. y A. S. Agüera. Un Marco Teórico para el Desarrollo de Sistemas Inteligentes de Capacitación Basados en Tecnología Web. En IEEE ROC&C 2001: 12a Reunión de Otoño de Comunicaciones, Computación, Electrónica y Exposición Industrial, 2001, pp. CP 20. Morales R. y A. S. Agüera. Capacitación Basada en Objetos Reusables de Aprendizaje. Ver este boletín, 2002, pp. 23. W3C. Extensible Markup Language (XML) 1.0. World Wide Web Consortium, 2 ed.. W3C Recommendation, URL 34