HERRAMIENTAS DE AUTOR PARA ENSEÑANZA Y
DIAGNÓSTICO: IRIS-D
B. Ferrero, A. Arruarte, I. Fernández-Castro, M. Urretavizcaya
Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos
Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea
Apdo. 649 Donostia
{jibfemab, jiparlaa, jipfecai, jipurlom}@si.ehu.es
Resumen
Los Sistemas Tutores Inteligentes constituyen un grupo de aplicaciones de enseñanza que promueven un
aprendizaje individual y flexible basado en el conocimiento y comportamiento del usuario. Hasta ahora estos
sistemas han demostrado su efectividad en diversos dominios. Sin embargo su construcción implica un
complejo e intenso trabajo de ingeniería del conocimiento, lo que impide un uso más general y aprovechado.
Para eliminar estas trabas se plantea el objetivo de construir herramientas de autor que faciliten la construcción
de tutores a personas no expertas, en particular a los propios instructores que dominan una determinada
materia de enseñanza.
Este artículo describe la herramienta de autor IRIS-D, la cual permite construir sistemas tutores para varios
tipos de dominios a partir de los requisitos identificados por el instructor. También se ilustra su
funcionamiento con un ejemplo detallado sobre el dominio procedimental de la máquina-herramienta.
Un aspecto esencial que incide en la capacidad de adaptación al usuario es la posibilidad de diagnosticar su
conocimiento. No todas las herramientas de autor proporcionan esta característica. Por ello, en el sistema IRISD se ha incorporado un mecanismo de diagnóstico adaptable a diferentes dominios, el sistema DETECTive,
que también se detalla en este artículo.
Palabras clave: Herramientas de Autor, Diagnóstico Cognitivo, Sistemas Tutores Inteligentes.
1. Introducción
El campo de los Sistema Tutores Inteligentes (STIs)
se caracteriza por aplicar las técnicas de Inteligencia
Artificial (IA) al desarrollo de sistemas de
enseñanza asistida por ordenador. Trata de construir
sistemas de enseñanza inteligentes, donde el
término inteligente se asocia a la capacidad de
adaptarse dinámicamente al desarrollo del
aprendizaje del estudiante. La enseñanza que realiza
un STI suele ser individual y se apoya en un proceso
interactivo mixto en el que participan tanto el tutor
como el alumno compartiendo el objetivo común de
desarrollar un aprendizaje efectivo. En general, este
proceso está guiado por el tutor, el cual debe
analizar el comportamiento del alumno tanto para
conocer su estado de conocimiento como para
satisfacer sus requerimientos y así poder determinar
y aplicar, en cada momento, las estrategias de
enseñanza más adecuadas. Estas estrategias deben
resolver una serie de cuestiones prioritarias que son:
qué explicar, con qué nivel de detalle, cuándo y
cómo interrumpir al alumno y cómo detectar y
corregir sus errores.
Durante esta última década los STIs han superado el
estatus de prototipo de laboratorio y se empiezan a
instalar en aulas y lugares de trabajo, en los que
Inteligencia Artificial, Revista Iberoamericana de Inteligencia Artificial. No.12 (2001), pp. 13-28.
ISSN: 1137-3601. © AEPIA (http://www.aepia.dsic.upv.es/).
están demostrando ser muy efectivos [Murray, 99].
Sin embargo, aunque estos sistemas son cada vez
más comunes y eficientes, todavía resultan difíciles
y caros de construir lo que impide su uso
generalizado. Para fomentar la creación y el uso de
estos sistemas se plantea el objetivo de construir
herramientas de autor que faciliten el desarrollo de
STIs a personas sin experiencia en ingeniería del
conocimiento. El estudio de estas herramientas
surge prácticamente a la vez que los STIs y ya se
han construido diferentes prototipos1, cada uno con
sus características particulares tanto en lo referente
al proceso de creación del sistema de enseñanzaaprendizaje como al sistema tutor que generan.
En este artículo describiremos la herramienta de
autor IRIS-D, válida para varios tipos de dominios,
e ilustraremos su funcionamiento utilizándolo en la
generación de un tutor para el dominio
procedimental de la máquina-herramienta.
El artículo comienza describiendo las principales
características de IRIS-D, a continuación detalla las
características del dominio de la máquinaherramienta y el proceso de construcción de un tutor
para el mismo utilizando IRIS-D. Seguidamente
presentaremos la arquitectura del sistema y
finalizaremos con las conclusiones.
2. IRIS-D. Descripción general
IRIS-D es un entorno para ayudar a construir
sistemas tutores inteligentes. Su utilidad reside en
facilitar a profesores no expertos en el campo
informático, la construcción de sistemas adaptativos
de enseñanza-aprendizaje en dominios concretos en
los que son expertos. El proceso que sigue IRIS-D
para construir un nuevo tutor consiste en modificar,
adaptar y completar una arquitectura de tutor
genérica INTZIRI [Arruarte, 98] para cumplir los
requerimientos sobre el tutor final deseado.
Las funcionalidades de IRIS-D se pueden resumir
en los siguientes aspectos:
1
•
Facilita la adquisición de conocimientos
relativos a: la conducta del sistema tutor que
se pretende construir, las características
propias del dominio de enseñanzaaprendizaje y el tipo de estudiante o usuarios
finales del sistema.
•
Selecciona o crea la arquitectura concreta del
sistema tutor final a partir de la
especificación de sus requisitos.
Murray (1999) realiza una revisión exhaustiva de los
entornos de construcción de STI más relevantes.
•
Permite incorporar al sistema tutor el
conocimiento para detectar y diagnosticar los
errores cometidos por el estudiante y los
recursos didácticos necesarios para realizar la
función de enseñanza-aprendizaje.
•
Construye
el
sistema
tutor
final,
seleccionando o generando el conjunto de
reglas y objetos necesarios en función de los
requisitos especificados.
El diagnóstico de los errores cometidos por el
alumno durante su aprendizaje es un aspecto
problemático que debe tenerse en cuenta durante la
construcción de un tutor, ya que la información del
diagnóstico es básica para deducir el estado
cognitivo del estudiante y tomar las decisiones
pedagógicas más adecuadas.
IRIS-D integra el sistema genérico de diagnóstico
DETECTive [Ferrero et al., 97] que, igualmente,
puede ser adaptado por el instructor a su dominio
particular. Así, el tutor resultante es capaz de
localizar y evaluar los errores del alumno
identificando de forma precisa aquellos que el
instructor haya considerado más relevantes por su
frecuencia o gravedad. Son pocas las herramientas
de construcción de STI que han abordado el aspecto
de diagnóstico procedimental desde esta perspectiva
([Blessing, 97] [Munro et al., 97]), por lo que la
inclusión de un diagnóstico independiente del
dominio da a nuestra propuesta un valor añadido.
A continuación se detallan las características de
IRIS-D y se ponen de manifiesto durante la creación
de un tutor en el dominio concreto de la máquinaherramienta. Éste es un dominio procedimental muy
adecuado para este propósito ilustrativo.
3. Un dominio procedimental:
máquina-herramienta
la
En el ámbito de la formación industrial, la escasez o
carestía de recursos físicos junto con el riesgo de
accidentes comprometen el proceso de formación
del personal y la evaluación de sus competencias
profesionales. Como consecuencia, estas actividades
se realizan desde planteamientos teóricos,
generándose fundadas sospechas sobre el grado de
consecución de las capacidades técnicas por parte de
los operarios. Nuestro grupo de investigación tuvo
la ocasión de conocer en primera persona esta
realidad cuando un grupo de instructores del
Instituto para la Formación de la MáquinaHerramienta (IMH) de Elgoibar nos propuso crear
un sistema de ayuda al profesor, en su tarea de
formación y evaluación, en este ámbito industrial.
IRIS-D
REQUERIMIENTOS
Fase 1
CONTENIDOS
Fase 2
Esquema de arquitectura
basada en INTZIRI
TUTOR
Figura 1: Fases en la construcción de un tutor
Las máquinas-herramienta suelen tener gran tamaño
y alto coste; el operario necesita una habilidad
concreta para manipularlas correctamente y
seleccionar y colocar en la forma adecuada los
elementos auxiliares necesarios. Teniendo en cuenta
la gran variedad de máquinas-herramienta
existentes, decidimos acotar el problema sobre los
procesos que usan el torno para mecanizar piezas
por arranque de viruta. Así abordamos la
construcción del tutor LATHE como sistema capaz
de ofrecer al alumno un proceso de formación
adaptado a sus capacidades y preferencias
personales, y de realizar el diagnóstico y evaluación
de sus actividades.
A continuación se detalla el proceso de construcción
de este tutor utilizando la herramienta de autor IRISD descrita en el apartado anterior.
4. Proceso de construcción de un tutor
utilizando IRIS-D
El proceso de construcción de un tutor utilizando el
entorno IRIS-D consta de dos fases (Figura 1): Fase
1 de especificación de requerimientos y Fase 2 de
especificación de contenidos. Durante la Fase 1 se
adapta una arquitectura genérica según los
requerimientos especificados por el instructor
obteniéndose la plantilla o esquema de arquitectura
del nuevo tutor. Estos requerimientos se centran en
aspectos del dominio de enseñanza-aprendizaje y en
la caracterización tanto del estudiante como del
tutor. Durante la Fase 2 se establecen los contenidos
de los módulos seleccionados o adaptados en la
primera fase. Algunos de estos contenidos son
especificados directamente por el instructor ej:
contenidos del dominio, formas de presentación y
evaluación, etc., mientras que otros son generados
automáticamente por IRIS-D ej: reglas para
refinar el Plan Instruccional.
4.1. Fase 1 de IRIS-D. Identificación y
especificación de requerimientos
4.1.1. Identificación de requerimientos
En general, el diseño de cualquier asignatura o curso
implica planificar por anticipado el trabajo que han
de realizar tanto el profesor como el alumno para
conseguir una enseñanza efectiva. Una buena
planificación debe contestar a las cuestiones de qué,
cómo y cuándo enseñar además de qué, cómo y
cuándo evaluar (Coll, 1987). La respuesta a estas
cuestiones define los aspectos a considerar: el
estudiante y su entorno, los objetivos a alcanzar, los
contenidos y su secuenciación, los recursos
didácticos utilizados y los medios de evaluación. En
los programas de ordenador en general, y en la
construcción de un tutor automático en particular,
este proceso de planificación se liga con la fase de
análisis, que tradicionalmente se desarrolla a mano.
El análisis requerido para construir un tutor
utilizando IRIS-D afecta a tres componentes de un
STI: módulo del dominio, modelo del estudiante y
componente pedagógico; IRIS-D no ofrece soporte
para esta fase.
Para analizar la materia de enseñanza-aprendizaje el
apoyo básico son los libros de texto, que
proporcionan una visión clara de los contenidos a
transmitir, su posible secuenciación y diferentes
formas de presentación y evaluación.
Respecto al análisis del tipo de estudiante al que se
dirige el nuevo tutor y su forma de instrucción, es la
experiencia práctica del instructor, además de la
bibliografía existente al respecto, la mejor guía para
su desarrollo.
A continuación enumeramos los requisitos de
LATHE identificados en la fase de análisis para
cada componente del tutor. En esta tarea los
profesores del IMH han participado de forma muy
activa.
Requisitos sobre la materia de enseñanzaaprendizaje
Construir un tutor capaz de evaluar procedimientos
requiere considerar dos niveles en la representación
del dominio: nivel funcional y nivel pedagógico. El
nivel funcional representa los elementos del
dominio que se manipulan y modifican durante la
resolución de problemas. El nivel pedagógico
representa tanto los contenidos y habilidades que se
quieren transmitir al estudiante como las relaciones
necesarias entre los contenidos para que la
enseñanza sea efectiva, es decir en la organización
pedagógica de la materia de enseñanza.
El dominio de la máquina herramienta,
concretamente el uso del torno para mecanizar
piezas por arranque de viruta, es claramente
procedimental1 y necesita ser descrito tanto a nivel
pedagógico como funcional.
ordenación y ejercicios procedimentales o
procedurales.
El dominio a nivel funcional incluye:
•
Los objetos manipulables del dominio, es
decir todos aquellos objetos físicos que el
alumno puede modificar con la ejecución de
los diferentes procedimientos.
•
Las acciones que el estudiante puede realizar
para manipular estos objetos.
Requisitos sobre el tipo de estudiante
En cuanto a la población objetivo del sistema, y
teniendo en cuenta la edad media de los estudiantes
del IMH, asumiremos un estudiante adulto con
escasos conocimientos en informática. Se desea
además:
•
Que el tutor se adapte al tipo de estudiante
(hemos identificado tres perfiles básicos:
novel, medio, experto), a su motivación
(baja, media, alta) y a su preferencia sobre la
duración de la sesión.
•
El tutor deberá ser capaz de atender los
siguientes
objetivos
del
estudiante:
intervenciones de control (dormir la sesión,
continuar con la sesión, finalizar la sesión) y
peticiones asociadas al desarrollo de la sesión
(solicitar la resolución de un ejercicio, estar
de
acuerdo/en
desacuerdo
con
la
intervención del tutor, solicitar la repetición
de un ejercicio y solicitar un nuevo
ejercicio).
Las principales características de este dominio a
nivel pedagógico son las siguientes:
•
•
Incluye dos tipos de Unidades Básicas de
Aprendizaje, concretamente Conceptos, o
contenidos teóricos, por ejemplo “partes
principales de un torno” y Procedimientos, o
contenidos prácticos, por ejemplo “cilindrar
en desbaste”.
En general, las habilidades u Objetivos
Instruccionales que se desarrollarán en el
estudiante son Conocimiento y Aplicación. El
primero se refiere a la memorización
específica de contenidos, por ejemplo
“memorizar el orden de ejecución de los
pasos en un procedimiento”. La segunda se
refiere a la transferencia de lo aprendido a la
resolución de problemas, por ejemplo, que el
estudiante "ejecute todos los pasos
necesarios para realizar la operación de
cilindrado en desbaste". Esta habilidad sólo
Características del Componente Pedagógico
Se han identificado las siguientes características:
•
En la instrucción, el sistema utilizará un
método guiado en el que el tutor dirige la
toma de decisiones durante la sesión de
enseñanza, asociado a una iniciativa
compartida entre el tutor y el estudiante.
•
Se considera interesante que el nuevo tutor
disponga de varios recursos de motivación:
efectos sonoros, mensajes de llamada de
atención y mensajes para felicitar o animar
al usuario.
se desarrollará para procedimientos.
•
•
1
Las relaciones entre contenidos utilizadas por
el tutor serán prerrequisito, siguiente, es-un y
parte-de. Las dos primeras se refieren a
relaciones de secuenciación entre contenidos;
las dos últimas a relaciones de pertenencia o
composición y clasificación.
Como formas de presentación el tutor
utilizará textos, imágenes y videos, y como
formas de evaluación test, ejercicios de
El aprendizaje de un dominio procedimental supone
conocer cómo hacer algo, cómo ejecutar un conjunto de
acciones ordenadas dirigidas a la consecución de una
meta.
4.1.2. Especificación de requerimientos
Una vez caracterizados los componentes del tutor en
la fase de análisis, el instructor debe especificarlos
como requerimientos a través de las ventanas
gráficas que IRIS-D ofrece durante la Fase 1. Nos
centraremos en el proceso de caracterización del
tutor LATHE en lo que respecta al dominio,
estudiante y módulo pedagógico.
El dominio se describe a nivel pedagógico mediante
cuatro clases de información: Unidades Básicas de
Aprendizaje (UBA), Objetivos Instruccionales2
(OI), relaciones entre contenidos y metainformación para caracterizar el dominio de forma
general. A continuación se comenta cada una de
ellas.
IRIS-D permite representar cualquier dominio
instruccional en función de cuatro clases de UBAs:
conceptos, procedimientos, principios y hechos.
Para representar el dominio procedimental de
LATHE utilizaremos conceptos y procedimientos. A
su vez cada UBA identificada por el instructor, debe
acompañarse de sus objetivos instruccionales o
habilidades y la información de soporte que utilizará
el tutor final.
dominio podrá estudiarse desde las perspectivas
conocimiento y aplicación. De forma equivalente se
definirá la UBA Concepto.
Para cada OI seleccionado, deben indicarse las
formas de presentación y evaluación que se
utilizarán. La Figura 3 muestra que, en general, para
el objetivo instruccional Aplicación se utilizan
textos (texts), imágenes (images) y videos (videos)
como formas de presentación y tests (tests),
ejercicios de ordenación (item sorting) y ejercicios
procedimientales (procedural exercises) como
formas de evaluación. Es posible además asociar el
tiempo medio de adquisición de ese objetivo. De
manera análoga se especifica el OI Conocimiento
para el cual se eligen los textos como forma de
presentación y los tests como forma de evaluación.
Figura 3. Especificación del tipo de objetivo
instruccional Aplicación
Figura 2. Especificación de la UBA
Procedimiento
La Figura 2 muestra la especificación de una UBA
Procedimiento. Se han seleccionado los objetivos
instruccionales Conocimiento y Aplicación y como
información de soporte únicamente se han
especificado las características Importancia
(Significance) y Resumen (Summary). De este modo
se asegura que cualquier procedimiento concreto del
2
Los OI que recoge nuestra herramienta son los
identificados en la taxonomía de Bloom [Bloom et al., 56]
Una vez finalizada la especificación de las UBAs y
los OIs se determinan las relaciones estructurales y
de requisito entre contenidos.
Finalmente se especificará la información necesaria
para caracterizar el dominio de forma general. IRISD permite definir dos atributos para justificar el
dominio, por ejemplo frente al currículum del
estudiante o su plan de estudios, relacionándolo con
otras materias que el estudiante conoce, etc. Estos
atributos se proporcionan por defecto y son: objetivo
general del dominio y relevancia del dominio.
cual se va adaptando según los requisitos
especificados para el dominio y el estudiante,
teniendo también en cuenta las siguientes
características: tiempo para la sesión, métodos
instruccionales, recursos de motivación y
herramientas de soporte (Figura 5).
Figura 4. Caracterización del alumno
Una vez especificado el dominio a nivel
pedagógico, se completan las características
generales del futuro usuario. En particular su
currículum vitae, el perfil del alumno y los objetivos
del alumno. Los dos primeros se definen desde la
ventana de la Figura 4. El currículum describe las
características físicas y profesionales del alumno
que el tutor tendrá en cuenta al generar sus sesiones
de enseñanza. El perfil de aprendizaje recoge las
características de aprendizaje que el tutor utilizará
para seleccionar las acciones instruccionales y las
formas de comunicación con el estudiante. De igual
modo se introducirán los objetivos del alumno que
describen aquellos tipos de interacciones del alumno
a los que el tutor será capaz de dotar de significado
y que constituyen la base de sus decisiones
tutoriales sobre procesos cognitivos, acciones
instrucionales y aspectos de comunicación. Estos
objetivos están separados en dos grupos
dependiendo de su funcionalidad: Objetivos de
Control de la Sesión y Objetivos de Desarrollo de la
Sesión.
Tras finalizar la especificación del estudiante, se
definen los requerimientos del Componente
Pedagógico. Éstos se utilizan para seleccionar aquel
conocimiento general de planificación directamente
basado en las características del tutor que se quiere
construir. La arquitectura genérica INTZIRI ya
incluye un conocimiento general de planificación, el
Figura 5. Especificación de los requerimientos
del Componente Pedagógico
Con los requerimientos especificados, IRIS-D crea
la arquitectura esqueleto del nuevo tutor y se puede
iniciar ya el proceso de definición de contenidos.
4.2. Fase 2 de IRIS-D. Creación de contenidos
En esta fase se completan los distintos componentes
del tutor. Centrándonos en el módulo del dominio, y
por tratarse de un dominio procedimiental, es
necesario crear los contenidos tanto del nivel
pedagógico como del funcional, además de
establecer las relaciones existentes entre los
elementos definidos en ambos niveles. La definición
a nivel funcional es necesaria siempre que se quiera
realizar un proceso de detección y diagnóstico de
errores en ejercicios procedimentales, es decir, en
ejercicios que requieran ser ejecutados por el
sistema para simular paso a paso la resolución del
problema.
TORNO
PARTES-PRINCIPALES
TRABAJOS
MANTENIMIENTO
MONTAJE-PIEZAS
...
...
BANCADA
HERRAMIENTAS-TORNO
CARACTERISTICAS
CABEZAL
HER-NORMALIZADAS
MATERIAL
Identification: HER-NORMALIZADAS
Next: MATERIAL
Prerequisite:
Is-a:
Part-of: HERRAMIENTAS-TORNO
OI: Knowledge
Significance: [texto-1]
Summary: [texto-2]
Estimated time knowledge: 5
Text knowledge: [texto-3]
Test knowledge: [test-1] [test-2] [test-3]
Functional object:
DIÁMETRO-BANCADA
...
DIÁMETRO-ESCOTE
MONTAJE-HER-CORTE
DESIGNACION
CILINDRADO-ACABADO
Identification: CILINDRADO-DESBASTE
Next: CILINDRADO-ACABADO
Prerequisite:
Is-a: CILINDRADO
Part-of:
OI: Knowledge, Application
Significance: [texto-4]
Summary: [texto-5]
Estimated time knowledge: 15
Text knowledge: [texto-6]
Test knowledge: [test-4]
Functional specification: CILINDRAR-ENDESBASTE
Procedural exercise application: EJERCICIO 1
...
PLATO-GARRAS
TALADRADO
TORNEADO-CONOS
CILINDRADO
CILINDRADO-DESBASTE
TORNEADO-INTERIORES
TORNEADO-EXTERIORES
COND-CORTE-CILIN-ACAB
Parte-de
Es-un
Prerrequisito
Siguiente
UBA Concepto
UBA Procedimiento
COND-CORTE-CILIN-DESB
Figura 6. Grafo del dominio pedagógico
COMPONENTE-TORNO
TORNO
Torno
Nombre
Descripción
Componentes
es-un
parte-de (n)
parte-de (1)
instancia-de
COMPONENTE-REFINABLE
COMPONENTE-BASICO
Componentes
PALANCA
PUNTO-MANTENIMIENTO
Valor
ELEMENTO
Estado
Valor
Cabezal
Depósito-aceite
Palanca1
PUNTO-ENGRASE
Palanca2
E-bancada
N-aceite-bancada
Guías-bancada
E-volante
N-aceite-zocalo
Guía-carro-transv
...
NIVEL
...
GUIA
Deslizador
Zócalo
...
Depósito-taladrina
PROCEDIMIENTO
...
Nombre: STRING
Descripción: STRING
L-parámetros: I-N
L-precondiciones: I-N
L-postcondiciones: I-N
L-objetivo: I-N
HERRAMIENTA
Plato-garras
Llave-fija
clase
instancia
Bancada
H-refr-cilin-desb ...
PIEZA
Zona-amarre
Secciones-internas
Secciones-externas
Frente-izquierdo
Frente-derecho
Longitud-total
PROC-SIMPLE
SECCIÓN
PROC-COMPUESTO
L-acciones
Longitud
Proceso
Ajustar-velocidad
SECCIÓN-EXTERNA
Terminal (SI o NO)
SECCIÓN-INTERNA
Condiciones-corte-cilind-desbaste
Ajustar-avance
Cilindrar-desbaste
Ajustar-automático
CILINDRO
Diámetro
Superficie
CONO
CHAFLÁN
Diámetro_mayor
Diámetro_menor
Orientación
Superficie
Ángulo
Orientación
Roscado (SI o NO)
ORIFICIO
Diámetro
Roscado (SI o NO)
Avellanado (SI o NO)
Posición
Sujetar-con-voladizo
Ejecutar-cilind-desbaste
...
Figura 7. Jerarquía para la descripción funcional del dominio
Cilindrar-acabado
...
Desde una perspectiva pedagógica, el instructor
debe describir los contenidos correspondientes a las
UBAs para cada uno de los objetivos instruccionales
determinados en la primera fase junto con sus
relaciones. Además deberá suministrar al sistema las
formas de presentación y evaluación concretas que
darán soporte a las sesiones de enseñanza.
La Figura 6 muestra un fragmento de la red de
contenidos del dominio pedagógico identificada en
la fase de análisis. En ella se recogen parte de los
conceptos y procedimientos del dominio de la
máquina-herramienta junto con la perspectiva
evolutiva del aprendizaje definida por las relaciones
de secuenciación correspondientes.
La definición a nivel funcional conlleva identificar
las clases e instancias que pueden manipularse
durante la resolución de los ejercicios, y definir las
relaciones entre ellas; éstas pueden ser: es-un, partede e instancia-de. IRIS-D se apoya en la
herramienta de adquisición de conocimiento GBC
[Pérez-Colmenar et al., 99] para facilitar esta
actividad.
La Figura 7 representa la jerarquía parcial de clases
e instancias identificada en el nivel funcional del
dominio de la máquina-herramienta. En ella se
describen los distintos elementos que el alumno
puede manipular en la resolución de ejercicios
procedimentales: el TORNO y sus partes principales
y las HERRAMIENTAS y PIEZAS cuya
mecanización se planteará como ejercicio. En este
nivel también se realiza la descripción funcional de
los distintos PROCEDIMIENTOS que pueden
ejecutarse durante un proceso de mecanizado.
Para ilustrar el uso de IRIS-D durante la definición
de contenidos mostraremos dos ejemplos diferentes:
el primero de ellos corresponde a la creación del
concepto herramientas normalizadas del torno
(Figura 8), el segundo a la creación del
procedimiento cilindrar en desbaste.
Para definir la UBA concepto herramientas
normalizadas, se muestra al instructor la ventana de
la Figura 8 en la que deberá rellenar todos los
atributos determinados previamente por IRIS-D a
partir de la información introducida durante la fase
de especificación de requerimientos. En el caso de
LATHE, los atributos son:
Identification: HER-NORMALIZADAS
Next: MATERIAL
Prerequisite:
Is-a:
Part-of: HERRAMIENTAS-TORNO
OI: Knowledge
Significance: [texto-1]
Summary: [texto-2]
Estimated time knowledge: 5
Text-knowledge: [texto-3]
Test-knowledge: [test-1] [test-2] [test-3]
Functional-especification:
Figura 8. Creación de una UBA concepto
En la parte inferior de la ventana de la Figura 8
aparece un botón que permite acceder al nivel
funcional para establecer las relaciones entre la
UBA que se está definiendo y los correspondientes
objetos físicos. En este caso como el concepto sólo
tiene el OI conocimiento (knowledge) su
descripción se circunscribe al plano pedagógico.
Este botón no aparece para dominios puramente
declarativos puesto que no necesitan definición
funcional.
atributos que se han seleccionado en el nivel
pedagógico son:
Es posible crear varios tipos de ejercicios de
evaluación para cada UBA y OI. La Figura 9
muestra el aspecto de la ventana para definir un
ejercicio de tipo test. En ella se observan dos tests
ya definidos, Test-1 y Test-2, y un tercero que se
está definiendo (Test-3); se indica la pregunta que se
plantea al alumno, y la lista de posibles respuestas
con su correspondiente valoración (consideramos
que es posible que haya respuestas correctas e
incorrectas con diferentes notas asociadas).
Identification: CILINDRADO-DESBASTE
Next: CILINDRADO-ACABADO
Prerequisite:
Is-a: CILINDRADO
Part-of:
OI: Knowledge, Application
Significance: [texto-4]
Summary: [texto-5]
Estimated time knowledge: 15
Text-knowledge: [texto-6]
Test-knowledge: [texto-7]
Text-application: [texto-8]
Images-application: [image1]
Video-application:
Funct.-specif.: CILINDRAR-EN-DESBASTE
Test-application: [test-4]
Sorting-application: [sort-1] [sort-2]
Proced. exercise application: EJERCICIO 1
Continuando con el proceso de definición del
dominio se describe el procedimiento cilindrar en
desbaste a nivel pedagógico y funcional. Los
Sus valores se introducen de la misma forma
descrita
para
el
concepto
herramientas
normalizadas.
Figura 9. Pantalla para la definición de un test
A nivel funcional, un procedimiento se identifica
mediante un nombre y una serie de parámetros (ver
Figura 7). Además, sus precondiciones, las acciones
que ejecuta (provocando cambios en algunos
objetos) y las postcondiciones que se verifican tras
su ejecución, definen su comportamiento. La
ejecución de las acciones y la evaluación de las
precondiciones y postcondiciones se realizan sobre
un entorno global compuesto por una selección de
objetos del dominio identificados en el nivel
funcional. En nuestro caso éste lo formarán la pieza
que se está mecanizando, el torno y las
herramientas. De esta forma, un estado del entorno
global se define mediante un conjunto de tuplas
[objeto-atributo-valor]
susceptibles
de
ser
modificadas y evaluadas durante la ejecución de un
ejercicio. El orden de ejecución de las acciones de
un procedimiento se representa mediante una
estructura arborescente ordenada, en la que cada
nodo describe la acción a realizar y su relación
directa con aquellas que podrían ejecutarse a
continuación. Distinguimos tres clases de relaciones
entre nodos: secuencia, disyunción y conjunción
(sería la establecida en la Figura 10), con su
semántica habitual. Cada procedimiento está
representado por medio de una estructura de este
tipo que posee un nodo raíz conectado con otros
nodos a través de un enlace de alguna de las tres
clases previamente mencionadas.
Por ejemplo, el procedimiento de nombre
CILINDRAR-EN-DESBASTE
(Figura
10)
representa una operación de mecanizado cuyos
parámetros son la pieza y la sección de la misma
que se va a mecanizar, así como las dimensiones
(long: longitud, y diam: diámetro) que dicha sección
deberá tener al finalizar la operación. Las
precondiciones indican que este procedimiento
únicamente podrá ser ejecutado si la sección a
mecanizar es un cilindro cuyo diámetro inicial es
mayor que el valor indicado por el parámetro diam,
su longitud es igual a long y los elementos de
montaje necesarios para realizar dicha operación
han sido seleccionados y colocados en algún paso
previo. Por otro lado, las postcondiciones del
procedimiento describen el estado resultante. En
este caso concreto, indican la longitud y el diámetro
finales de la pieza.
La ejecución de este procedimiento conlleva realizar
una serie de acciones que, a su vez, son
procedimientos. Estos son: ajustar-velocidad,
ajustar-avance y ajustar-automático. El operario
tendrá que realizar estas tres acciones en cualquier
orden. Una vez realizados estos pasos, se ejecutará
la operación de mecanizado. El procedimiento
Ejecutar-cilindrar-desbaste simula la realización de
esta operación por parte del operario, utilizando el
torno.
CILINDRAR-EN-DESBASTE
Parámetros: pieza: instancia de PIEZA
sección: instancia SECCIÓN-PIEZA
diam: FLOAT
long: FLOAT
Preconds: sección es-un CILINDRO
sección.diámetro > diam
sección.longitud = long
está-en-entorno (elementos montaje)
Acciones:
Comienzo
Ajustar-velocidad (cilindrado-desbaste, pal1, pal2, boton)
Ajustar-avance (cilindrado-desbaste, pal4, pal5, pal6, des)
Ajustar-automatico (cilindrado-desbaste, aut)
Ejecutar-cilindrar-desbaste(diam, long, pieza, sección)
Postconds:
sección.diámetro = diam
sección.longitud = long
sección.superficie = “desbaste”
Figura 10. Procedimiento CILINDRAR-EN-DESBASTE
La Figura 12 muestra la pantalla para definir una
precondición o postcondición. Cada pestaña de la
parte superior representa una clase de condición;
concretamente en la figura aparece seleccionada la
pestaña que permite describir una condición de la
clase comprobar valor.
También se facilita un editor de árboles que permite
definir la secuencia de ejecución de los
procedimientos.
A continuación se define un ejercicio procedimental
en el que se solicita al alumno que, partiendo de una
pieza cilíndrica inicial, mecanice una determinada
sección para obtener otra pieza resultado. La
definición de este ejercicio se muestra en la Figura
13.
Figura 11. Definición de parámetros de un
procedimiento
La interfaz de IRIS-D cuenta con ventanas que
guían al instructor en la definición de un
procedimiento. Aquí se muestran algunos ejemplos.
La ventana de la Figura 11 aparece al definir un
nuevo procedimiento cuando, tras haber introducido
su nombre (cilindrado en acabado -finishingturning), se solicitan sus parámetros. Las
precondiciones, acciones y postcondiciones, se
definen tras pulsar los botones etiquetados con un
signo de adición situados en la parte derecha de la
ventana.
Un ejercicio procedimental define un estado de
inicio sobre un entorno global, y un objetivo final
cuya consecución se logrará mediante la aplicación
de uno o varios procedimientos de acuerdo a una
estrategia previamente elaborada. Por tanto, un
ejercicio de esta clase lo definen su enunciado, los
procesos de resolución definidos y la lista de
valores que describen el estado inicial y el estado
final del entorno global.
El proceso de resolución de un problema se plantea
como la ejecución de ciertas acciones. Cada acción
se corresponde con un procedimiento del dominio
que resuelve parcialmente el problema inicial. Para
definir el orden en el que deben ejecutarse estas
acciones se utiliza la misma estructura jerárquica
definida para los procedimientos.
Además de la información ya comentada, en la
definición de un ejercicio procedimental se incluyen
los datos necesarios para la evaluación del alumno,
por ejemplo el tiempo estimado para la realización
del ejercicio (T-estimado), la nota máxima que se
puede asociar al mismo (Valor-máximo) y la lista de
UBAs a cuya evaluación está asociado (L-objetivo).
El enunciado del ejercicio consta de un texto y de la
información de entrada, la cual puede contener datos
adicionales para completar la exposición del
problema que se plantea; en este ejemplo se hace
referencia al fichero gráfico PIEZA-OBJETIVO.tiff
que contiene información sobre la pieza inicial y el
plano de la pieza objetivo que se desea obtener. Sólo
se ha definido un proceso de resolución para este
ejercicio que corresponde a una solución correcta
cuya nota son 10 puntos.
Figura 12. Definición de una precondición o
postcondición
EJERCICIO 1
Nombre: “Ejercicio de mecanizado de la PIEZA 0” L-resolución:
Mensaje: “ENHORABUENA: Has resuelto
L-objetivo: UBA-CILINDRADO
el ejercicio correctamente”
Interfaz: <Nombre de la ventana de resolución del
Valoración: 10 puntos
ejercicio>
Proceso:
T-estimado: 20 minutos
Valor-máximo: 10 puntos
Comienzo
Enunciado:
Texto: “Realiza el mecanizado en desbaste
Seleccionar(plato-garras)
Seleccionar(llave-fija)
de la siguiente pieza:”
L-inf-entrada: PIEZA-OBJETIVO.tiff
Sujetar-con-voladizo(60, [Pieza0], IZQUIERDA)
Estado-inicial: «fichero que contiene la definición
de las instancias que representan
Seleccionar(Herramienta-cilindrar-desbaste)
el estado en el momento de
comenzar el ejercicio»
Cilindrar-desbaste(30, 30, [Pieza0], [Cilindro2])
Estado-final: «fichero que contiene la definición
de las instancias que representan
el estado cuando finaliza el
ejercicio»
PIEZA-OBJETIVO.tiff
PIEZA OBJETIVO
PIEZA INICIAL
Material: F-1140
Dim. en bruto: ∅48 x 80
∅48mm
Cilindro1
Cilindro2
∅30mm
30mm
50mm
Figura 13. Definición de un ejercicio procedimental
4.2. Descripción general de los tutores
construidos por IRIS-D
En este apartado describimos brevemente las
características compartidas por todos los tutores
construidos mediante IRIS-D en cuanto a la
modelización del dominio, estudiante, módulo
pedagógico y diagnóstico.
El dominio, detallado en secciones anteriores,
representa de forma explícita el conocimiento a ser
transmitido al estudiante y está descrito tanto a nivel
pedagógico como funcional.
El modelo del estudiante, basado en un enfoque
overlay [Golstein, 82], define las características de
aprendizaje individual y la evolución de cada
alumno. Está organizado en dos partes que se van
modificando a medida que transcurre el proceso de
enseñanza-aprendizaje. El modelo permanente se
mantiene durante todo el proceso de instrucción del
alumno y se actualiza sesión a sesión. Contiene
información relativa a las características personales
y de aprendizaje del alumno, el conocimiento que
posee, los errores que ha cometido y la historia de
las sesiones de enseñanza que han tenido lugar. El
modelo temporal contiene la información referente a
la sesión de enseñanza en curso. Al término de cada
sesión, el modelo temporal desaparece y con sus
contenidos se actualiza el modelo permanente.
En cuanto al conocimiento pedagógico, es el
módulo didáctico el encargado de planificar y
ejecutar, a través del plan instruccional, la sesión de
enseñanza-aprendizaje. Los tutores construidos con
IRIS-D integran el modelo cognitivo CLAI
[Arruarte et al., 96] y se basan en un proceso de
planificación instruccional de mínimo compromiso
en el que a priori sólo se planifica la Unidad Básica
de Aprendizaje (UBA) inicial. Resulta además
completamente oportunista en el sentido de que las
intervenciones del alumno pueden ser aceptadas en
cualquier momento. La estructura del plan
instruccional [Arruarte, 98] determina el ciclo
general de actividades del tutor:
•
establecer el siguiente contenido de la
materia (UBA) que se presentará al
estudiante;
•
determinar el Objetivo Instruccional (OI) o
habilidad que sobre ese contenido se va a
tratar de alcanzar durante la sesión;
Interfaz, Generador de la Estructura del Tutor,
Generador de Objetos y Generador de Reglas.
•
establecer el conjunto de Procesos
Cognitivos (PCs) asociado a cada OI;
•
refinar los PC en Eventos Instruccionales
(EIs);
•
refinar los EIs en Acciones Instruccionales
concretos que finalmente ejecutará el tutor.
La Interfaz gestiona el proceso de comunicación del
entorno IRIS-D con el exterior, en concreto con el
instructor, por lo que interesa una interfaz gráfica
fácil de utilizar. El módulo incluye un conjunto de
ventanas gráficas desarrolladas en JAVA y su
comportamiento, esto es, la secuenciación de
ventanas para realizar la tarea global de IRIS-D y
las llamadas a sus módulos funcionales. En el
ejemplo de creación del tutor definido en la sección
anterior se han venido mostrando algunas ellas.
Las reglas de decisión pedagógica establecen las
ligaduras entre los distintos niveles de planificación
estableciendo el plan instruccional en su nivel de
decisión pedagógica.
En los tutores generados por IRIS-D, el proceso de
diagnóstico de ejercicios procedurales está guiado
por el conocimiento del dominio a nivel funcional y
por las resoluciones definidas para cada ejercicio.
Uno de los fundamentos de este proceso −técnica de
Model-Tracing [Anderson et al., 90] [Corbett et al.,
90]− utiliza los modelos de solución definidos en el
ejercicio para contrastar cada paso de la actividad
del estudiante produciendo un Diagnóstico Dirigido
por Modelos. Sin embargo, en general no es posible
asegurar que los modelos incluidos abarcan
exhaustivamente todas las soluciones de un
problema. Es decir, durante el proceso de resolución
el alumno puede realizar una acción no incluida en
ningún modelo. En estos casos, el sistema abandona
definitivamente (para el problema actual) el
diagnóstico dirigido y pasa a realizar un
Diagnóstico Basado en el Dominio. En esta
situación el conocimiento del dominio y, en
particular, la articulación de los procedimientos por
medio de sus pre y post condiciones permiten
determinar la corrección o incorrección de cada
paso del estudiante según el estado actual de
resolución del problema. El seguimiento realizado
no puede garantizar un diagnóstico/evaluación
exacto en todos los casos. Puede ocurrir que el
alumno, ejecute procedimientos para los que se
verifican todas las precondiciones pero llegue a una
solución no correcta, o diseñe una solución cíclica
sin alcanzar un resultado final debido a una
incorrecta o incompleta definición del dominio. El
sistema almacena este grupo de resoluciones para su
posterior revisión por el profesor, que puede
utilizarlas para mejorar la cobertura funcional del
dominio.
5. Arquitectura de IRIS-D
La arquitectura básica del sistema IRIS-D integra
cuatro componentes principales (Figura 14):
El Generador de la Estructura del Tutor selecciona
la arquitectura esqueleto del nuevo tutor. Tomando
como base las preferencias del instructor, IRIS-D
decide si construirlo a partir de la arquitectura
genérica o a partir de la arquitectura asociada a un
tutor existente. Todas las posibles arquitecturas
iniciales están recopiladas en una biblioteca de
arquitecturas de tutor. La arquitectura que se ha
utilizado como base en el ejemplo desarrollado
incluye todos los componentes principales (módulo
del dominio, modelo del estudiante, módulo
pedagógico y sistema de diagnóstico genérico).
Además, este módulo se encarga de comprobar las
precondiciones de creación y la completitud de los
contenidos de cada fase asegurando así la
construcción de un tutor viable. No se debe permitir,
por ejemplo, la introducción de ningún concepto
particular si la unidad básica de aprendizaje
concepto no ha sido previamente caracterizada en la
fase de especificación de requerimientos.
Una vez que se ha definido una arquitectura inicial,
el Generador de Objetos adapta, completa y
almacena la estructura declarativa de cada uno de
sus componentes. Esta adaptación se realiza de
acuerdo con los requerimientos especificados; todas
aquellas características de la arquitectura inicial que
estén asociadas a requisitos seleccionados por el
instructor se mantendrán como pertenecientes al
nuevo tutor, mientras que el resto se eliminarán.
Tras adaptar la arquitectura hay que completarla
obteniendo la estructura declarativa global –
conjunto de clases e instancias asociado a los
diferentes componentes. Actualmente se identifican
y se crean las instancias tanto del dominio funcional
como del pedagógico.
Instructor
Interfaz
IRIS-D
TUTOR FINAL
Mód. del Dominio
Arquitectura Esqueleto
INTZIRI-PD
Mód. del Dominio
Generador
Estructura
del Tutor
Módulo Tutor
Mód. Diagnóstico
Alumno Procedural
Generador
de
Objetos
Módulo
Adquisición
Dominio
Funcional
Generador
de Reglas
RB1
INTZIRI-PD
A1
Módulo Tutor
RB2
GBC
An
RBn
Arquitecturas
Base de Reglas
Mód. Diagnóstico
Alumno Procedural
Flujo de datos
Flujo de control
Elementos de IRIS
Elementos de DETECTive
Figura 14. Arquitectura de IRIS-D
Para finalizar, únicamente resta generar o introducir
los procesos de decisión adecuados. El Generador
de Reglas se encarga de generar o seleccionar,
dentro de cada componente del Módulo Pedagógico,
el conjunto de reglas de decisión pedagógica
necesario para que éste sea operativo. En el
prototipo actual de IRIS-D únicamente se incluye el
Selector con la funcionalidad de restringir o limitar
el conjunto de reglas existentes en la jerarquía del
kernel inicial en función de los requisitos
introducidos. Este módulo utiliza una base de reglas
organizada según los diferentes requisitos, con los
que mantiene una relación directa según las
condiciones utilizadas en ellas.
6. Conclusiones
En este artículo hemos presentado una herramienta
de ayuda a la generación de sistemas de enseñanzaentrenamiento llamada IRIS-D y su utilización para
construir un tutor concreto en el dominio de la
máquina-herramienta, LATHE.
IRIS-D es el resultado de la ampliación del sistema
IRIS [Arruarte et al., 97] desarrollado por nuestro
grupo de investigación. Con IRIS se pueden generar
tutores para dominios tanto procedimentales como
declarativos. Éstos tienen la capacidad de realizar
una instrucción adaptada al alumno pero carecen de
los componentes necesarios para llevar a cabo el
diagnóstico de su actividad durante los procesos de
resolución de ejercicios procedimentales. El
prototipo actual de IRIS está implementado en
CLIPS y JAVA.
Observando la necesidad que tenía IRIS de un
sistema de diagnóstico, y tras comprobar que esta
carencia no era exclusiva del mismo, abordamos la
construcción de un sistema de diagnóstico genérico
que fuera fácilmente adaptable a cualquier clase de
dominio, y así llegamos a obtener DETECTive
[Ferrero et al., 97]. Este sistema, implementado
también en CLIPS y JAVA, se planteó inicialmente
como una herramienta autónoma capaz de
diagnosticar y evaluar los errores cometidos por el
alumno durante una sesión práctica. Para comprobar
y evaluar su validez, DETECTive se adaptó a
distintos dominios procedimentales (derivación,
fotografía, máquina-herramienta). Concretamente,
FROGALAN [Ferrero et al., 99] es el resultado de
la adaptación de DETECTive al dominio de la
máquina-herramienta. Durante su diseño e
implementación, se ha realizado un proceso de
validación según la técnica de “verificación piloto”
[Shute et al., 93], [Mark et al., 93]. Este proceso se
ha complementado con un estudio de campo
realizado con un grupo más amplio de estudiantes
de nueva formación en el IMH. De forma general
podemos decir que el profesorado se siente
satisfecho por los resultados obtenidos. Desde el
punto de vista del alumnado, la herramienta se
acepta con facilidad y su uso no supone una
dificultad añadida a las ya inherentes a los ejercicios
propuestos.
Una vez integrado DETECTive en IRIS, nuestro
próximo objetivo es doble. Por una parte validar la
herramienta IRIS-D en cuanto a las facilidades que
proporciona para construir nuevos tutores y, por
otra, validar las posibilidades de uso y el éxito de
los nuevos tutores generados.
Agradecimientos
Los trabajos expuestos en este artículo han sido
financiados por el Gobierno Vasco (UE-1999-36), la
Universidad del País Vasco (UPV/EHU) (UPV
141.226-TA109/99), la Diputación Foral de
Guipúzcoa
(Dpto.
Economía)
(IRIS-D;
OF237/1999) y el CICYT (TIC99-0252). Los
autores agradecen la inestimable colaboración y el
apoyo del Instituto de la Máquina Herramienta
(IMH) de Elgoibar-Gipuzkoa.
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