Instituto de Informática Educativa
Magíster en Informática Educativa versión 2005 Curso: Tópicos Avanzados
Sistemas Tutoriales Inteligentes, sus principales componentes
Introducción
La aplicación de la Inteligencia Artificial (IA) en la Educación, constituye actualmente un campo de creciente interés donde se tratan, fundamentalmente, de aplicar las técnicas de la IA al desarrollo de sistemas de enseñanza asistida por ordenador con el propósito de construir sistemas de enseñanza inteligentes.
En esta área de investigación interdisciplinar trabajan investigadores de diversos campos, como Pedagogía, Psicología, Ciencias Cognitivas, Inteligencia Artificial, Multimedia e Informática en general, dónde cada uno de ellos aporta su visión al desarrollo de la disciplina.
Encontramos las raíces de la instrucción asistida por ordenador a finales de los años 50 en las grandes universidades americanas. Un ejemplo de estos trabajos iniciales es el proyecto PLATO de la universidad de Illinoisen EEUU. Con el advenimiento de los microordenadores, a finales de los 70, estos sistemas se extendieron a las pequeñas universidades adquiriendo la denominación de CBT (Computer Based Training). Paralelamente, en el área de la IA se comenzaron a construir CBTs que intentaban simular el razonamiento o lógica humana y a finales de los 70 surgió una nueva rama en dónde los investigadores intentaban desarrollar sistemas tutoriales inteligentes de instrucción asistida por ordenador. Estos sistemas han evolucionado hasta convertirse en lo que hoy llamamos STI.
Podemos decir que los STIs son un paso adelante a los CBTs, ya que poseen ciertas características “inteligentes” en relación a la capacidad de adaptación a las características de aprendizaje y conocimiento de los distintos alumnos y además se diferencian en cuestiones muy importantes, desde los mismos objetivos para los que son creados. Un software educativo tradicional se crea para satisfacer una necesidad particular y estos sistemas son específicos para el dominio, temas, y características del grupo de alumnos a los cuales va dirigido, utilizando la mejor tecnología disponible en ese momento. En contraste, un STI desea realizar un modelo y representar un conjunto de principios instruccionales generales para ofrecer una instrucción efectiva a través de un conjunto de tareas de enseñanza. Por ello, los STIs están fuertemente relacionados a la psicología cognitiva del aprendizaje
Además, la mayoría de los CBTs no siguen un único modelo instruccional teórico. En muchos de ellos, se intenta crear un entorno de aprendizaje más motivador, animando al alumno, a la exploración del dominio. Respecto a lo objetivos de aprendizaje pueden estar implícitos en el programa y las actividades pueden o no pueden estar explícita-mente relacionadas a las tareas que se supone que tendrá que realizar el alumno durante la instrucción. Por el contrario, los STIs contienen un modelo pedagógico explícito implementado por ordenador de la instrucción a llevarse a cabo, que determina como el programa responderá al alumno en cada momento.
Respecto a la estructura que siguen estos programas, las diferencias fundamentales son que los CBTs se centran en la interacción y la pantalla del ordenador se ve como un medio de comunicación interactivo, por ello se organizan alrededor de la pantalla y de las interacciones del alumno centradas en la pantalla, con los cambios que esta pueda producir en respuesta a las diferentes res-puestas del alumno. En cambio, los STIs son programas centrados en el conocimiento reflejado en el modelo de instrucción y la interacción con el usuario consiste en la comunicación entre este modelo y la interface. Además, el conocimiento se representa mediante símbolos (palabras, frases, reglas), por lo que la mayoría de los STIs están escritos con lenguajes que soportan el procesamiento de símbolos y listas.
Por todo lo mencionado anteriormente, vemos que las principales ventajas de los STIs frente a los CBTs, son básicamente las de poder adaptarse a las características y ritmo de aprendizaje de cada alumno y proporcionar una ayuda también adaptable, la cual es capaz de ofrecer a los alumnos elementos de autoreflexión sobre su propio rendimiento pudiendo incluso compararse con otros estudiantes, reales o modelados. Se analizaran a continuación los principales componentes de los Tutoriales Inteligentes
1. Los Sistemas Tutoriales Inteligentes
Un STI es capaz de guiar al alumno a lo largo de un dominio en particular del conocimiento, resolviendo durante el proceso tareas tales como la elaboración de una estrategia de tutorización, la generación de ejercicios a la medida de las necesidades del alumno, la resolución pedagógica de estos ejercicios, así como la explicación de la solución.
Estas tareas se organizan en distintos módulos, siendo los componentes claves del STI tradicional: un modelo del alumno, un modelo pedagógico, un modelo didáctico y una interface con la que interactúa el usuario. Dependiendo de la arquitectura del sistema, estos módulos se pueden encontrar organizados en diferentes formas.
1.1. Los componentes fundamentales de un STI
El módulo "Modelo del alumno" contiene el cuerpo de conocimientos que caracterizarán al usuario y lo representa desde perspectivas diferentes como, los aspectos psicosociológicos característicos que condicionan el proceso de aprendizaje, el conocimiento que éste tiene sobre el dominio del tema a tratar y las destrezas y habilidades mínimas que debe tener para realizar una tarea. Este modelo además, debe ser capaz de recoger el comportamiento evolutivo del alumno durante el trabajo en diferentes sesiones y modelar el estado mental del alumno, es decir "lo que sabe y lo que no sabe" y a partir de esto adaptar el sistema sobre la base de sus respuestas. Al ser este módulo el que representa el estado cognitivo del alumno, se tratará nuevamente mas adelante.
El módulo "Pedagógico" contiene representación de conocimiento experto en los ámbitos relativos a procesos de evaluación, enseñanza-aprendizaje; humano y metodología de enseñanza. Es el razonador, dónde se almacenará la base de conocimiento y los mecanismos de resolución de problemas. Este módulo es el responsable de dirigir la ejecución del módulo "Modelo Didáctico" teniendo en cuenta los datos ingresados desde el módulo "Modelo del alumno".
El módulo "Modelo Didáctico" cumple la función de tutor o profesor y contiene información para decidir qué tareas se le presentan al estudiante de acuerdo con los objetivos de aprendizajes que el "Módulo Pedagógico" deja establecidos y los mecanismos para corregir el modelo del alumno. Es el encargado de generar los planes instruccionales de cada sesión. Este módulo es responsable de la activación del módulo "Interface".
Las tareas de aprendizaje son presentadas por el STI a través de una Interface Multimedia. Ésta debe estar dotada de múltiples medios de comunicación, eficazmente integrados y combinados, para lograr una enseñanza adaptada y eficiente. El módulo "Interface, Multimedia" contiene los mecanismos de representación (imágenes animadas, imágenes estáticas, sonido, lenguaje oral, lenguaje escrito, voz, etc.) de informaciones necesarias para la realización de tareas que el sistema propone al sujeto. El éxito de un programa educativo, su calidad y efectividad, dependen en gran parte de la riqueza comunicadora que reúna. Esta cuestión empezó a interesar al campo de la Psicología Cognitiva, existiendo recientes investigaciones que demuestran que es fundamental tener en cuenta algunos principios de diseño multimedia para lograr y potenciar los aprendizajes (Moreno y Mayer, 2000).
1.2. Modelado del alumno, eje principal en un STI
La característica principal de los Sistemas Tutoriales Inteligentes (STI) es su capacidad de adaptarse a cada alumno. Entonces, el problema de obtener toda la información posible acerca del alumno se convierte en el problema principal a la hora de diseñar un tutor inteligente. En efecto, es necesario que en cada momento el STI disponga de una representación del estado actual del conocimiento del alumno, con objeto de poder seleccionar los contenidos a enseñar en el nivel adecuado de dificultad, proponer el problema apropiado o seleccionar la estrategia tutorial más efectiva en ese momento.
El modelo del alumno es la componente del STI que representa el estado actual del conocimiento del alumno, y el proceso que manipula esta estructura se llama diagnóstico. Ambas componentes deben diseñarse juntas, y este problema de diseño es el que se conoce como el problema del modelado del alumno.
El modelo del alumno es la representación de los procesos mentales que lleva a cabo para realizar un aprendizaje en una computadora. Estos procesos mentales no son modelos cuantitativos, representables por números, sino que son modelos cualitativos. El modelo del alumno se define como los componentes de un STI que representan el estado actual de un estudiante, pero es también un modelo de simulación, que describe los procesos por los cuales el estudiante recoge información sobre un problema y realiza aserciones, por lo que un puede predecir que hará el alumno en un segundo paso.
Ciertamente es extenso los detalles que se pueden encontrar en la literatura sobre los componentes de un STI, en este trabajo sólo se enfatizó el modulo “modelo del alumno” debido a que representa uno de los problemas centrales en el trabajo de Tesis a desarrollar.
Conclusiones
Muchas de las investigaciones que se han realizados en la disciplina de la IA no han trascendido de ser realizadas en laboratorios o con estudiantes simulados, el desarrollo de la IA durante décadas da cuenta de un trabajo multidisciplinar que requiere la integración de distintos profesionales que han puesto sus esfuerzos para avanzar desde la simple interacción del alumno con un computador a escenarios virtuales en los que se consideran aspectos psicológicos y psicosociales del alumno (STI). En el contexto de este trabajo, se considera como aspecto fundamental en el desarrollo de los STI: “el modelo del alumno”, ya que esto permite entender los estados mentales de un estudiante frente a un proceso determinado de enseñanza-aprendizaje considerando algunos factores que en la práctica un docente (realizando su trabajo habitual) no consigue advertir, teniendo en cuenta que en la realidad educacional de nuestro país, la cantidad de estudiantes en el aula es un obstáculo para lograr dicho modelo.
Referencias
Lesgold , A.M (1988). Intelligent Tutoring Systems/ Computers in Education pp 231-237 / Open University press 1988.
Self, J. (1988). A Perspective on Intelligent computer-assisted learning/ Computers in education pp 239-246/ Open University press 1988.
Anderson, J. And Corbertt, A. And Koedinger, K. And Pelletier, R. (1990). Cognitive tutors: Lessons Learned.
http://act-r.psy.cmu.edu/papers/lessons_learned.html
Conejo, R., Millán, E., Pérez de la Cruz, J., y Trella, M. (2001) Modelado del alumno: un enfoque bayesiano.
http://aepia.dsic.upv.es/revista/numeros/12/Conejo.pdf
Moreno, R., mayer, R., Spires, H. And Lester, J. (2002)/ The Case for Social Agenciy in computer-based Teaching/ Congnition and intruction.http://scienceview.berkeley.edu/research/agents/01.Moreno.etal.CI.pdf
La aplicación de la Inteligencia Artificial (IA) en la Educación, constituye actualmente un campo de creciente interés donde se tratan, fundamentalmente, de aplicar las técnicas de la IA al desarrollo de sistemas de enseñanza asistida por ordenador con el propósito de construir sistemas de enseñanza inteligentes.
En esta área de investigación interdisciplinar trabajan investigadores de diversos campos, como Pedagogía, Psicología, Ciencias Cognitivas, Inteligencia Artificial, Multimedia e Informática en general, dónde cada uno de ellos aporta su visión al desarrollo de la disciplina.
Encontramos las raíces de la instrucción asistida por ordenador a finales de los años 50 en las grandes universidades americanas. Un ejemplo de estos trabajos iniciales es el proyecto PLATO de la universidad de Illinoisen EEUU. Con el advenimiento de los microordenadores, a finales de los 70, estos sistemas se extendieron a las pequeñas universidades adquiriendo la denominación de CBT (Computer Based Training). Paralelamente, en el área de la IA se comenzaron a construir CBTs que intentaban simular el razonamiento o lógica humana y a finales de los 70 surgió una nueva rama en dónde los investigadores intentaban desarrollar sistemas tutoriales inteligentes de instrucción asistida por ordenador. Estos sistemas han evolucionado hasta convertirse en lo que hoy llamamos STI.
Podemos decir que los STIs son un paso adelante a los CBTs, ya que poseen ciertas características “inteligentes” en relación a la capacidad de adaptación a las características de aprendizaje y conocimiento de los distintos alumnos y además se diferencian en cuestiones muy importantes, desde los mismos objetivos para los que son creados. Un software educativo tradicional se crea para satisfacer una necesidad particular y estos sistemas son específicos para el dominio, temas, y características del grupo de alumnos a los cuales va dirigido, utilizando la mejor tecnología disponible en ese momento. En contraste, un STI desea realizar un modelo y representar un conjunto de principios instruccionales generales para ofrecer una instrucción efectiva a través de un conjunto de tareas de enseñanza. Por ello, los STIs están fuertemente relacionados a la psicología cognitiva del aprendizaje
Además, la mayoría de los CBTs no siguen un único modelo instruccional teórico. En muchos de ellos, se intenta crear un entorno de aprendizaje más motivador, animando al alumno, a la exploración del dominio. Respecto a lo objetivos de aprendizaje pueden estar implícitos en el programa y las actividades pueden o no pueden estar explícita-mente relacionadas a las tareas que se supone que tendrá que realizar el alumno durante la instrucción. Por el contrario, los STIs contienen un modelo pedagógico explícito implementado por ordenador de la instrucción a llevarse a cabo, que determina como el programa responderá al alumno en cada momento.
Respecto a la estructura que siguen estos programas, las diferencias fundamentales son que los CBTs se centran en la interacción y la pantalla del ordenador se ve como un medio de comunicación interactivo, por ello se organizan alrededor de la pantalla y de las interacciones del alumno centradas en la pantalla, con los cambios que esta pueda producir en respuesta a las diferentes res-puestas del alumno. En cambio, los STIs son programas centrados en el conocimiento reflejado en el modelo de instrucción y la interacción con el usuario consiste en la comunicación entre este modelo y la interface. Además, el conocimiento se representa mediante símbolos (palabras, frases, reglas), por lo que la mayoría de los STIs están escritos con lenguajes que soportan el procesamiento de símbolos y listas.
Por todo lo mencionado anteriormente, vemos que las principales ventajas de los STIs frente a los CBTs, son básicamente las de poder adaptarse a las características y ritmo de aprendizaje de cada alumno y proporcionar una ayuda también adaptable, la cual es capaz de ofrecer a los alumnos elementos de autoreflexión sobre su propio rendimiento pudiendo incluso compararse con otros estudiantes, reales o modelados. Se analizaran a continuación los principales componentes de los Tutoriales Inteligentes
1. Los Sistemas Tutoriales Inteligentes
Un STI es capaz de guiar al alumno a lo largo de un dominio en particular del conocimiento, resolviendo durante el proceso tareas tales como la elaboración de una estrategia de tutorización, la generación de ejercicios a la medida de las necesidades del alumno, la resolución pedagógica de estos ejercicios, así como la explicación de la solución.
Estas tareas se organizan en distintos módulos, siendo los componentes claves del STI tradicional: un modelo del alumno, un modelo pedagógico, un modelo didáctico y una interface con la que interactúa el usuario. Dependiendo de la arquitectura del sistema, estos módulos se pueden encontrar organizados en diferentes formas.
1.1. Los componentes fundamentales de un STI
El módulo "Modelo del alumno" contiene el cuerpo de conocimientos que caracterizarán al usuario y lo representa desde perspectivas diferentes como, los aspectos psicosociológicos característicos que condicionan el proceso de aprendizaje, el conocimiento que éste tiene sobre el dominio del tema a tratar y las destrezas y habilidades mínimas que debe tener para realizar una tarea. Este modelo además, debe ser capaz de recoger el comportamiento evolutivo del alumno durante el trabajo en diferentes sesiones y modelar el estado mental del alumno, es decir "lo que sabe y lo que no sabe" y a partir de esto adaptar el sistema sobre la base de sus respuestas. Al ser este módulo el que representa el estado cognitivo del alumno, se tratará nuevamente mas adelante.
El módulo "Pedagógico" contiene representación de conocimiento experto en los ámbitos relativos a procesos de evaluación, enseñanza-aprendizaje; humano y metodología de enseñanza. Es el razonador, dónde se almacenará la base de conocimiento y los mecanismos de resolución de problemas. Este módulo es el responsable de dirigir la ejecución del módulo "Modelo Didáctico" teniendo en cuenta los datos ingresados desde el módulo "Modelo del alumno".
El módulo "Modelo Didáctico" cumple la función de tutor o profesor y contiene información para decidir qué tareas se le presentan al estudiante de acuerdo con los objetivos de aprendizajes que el "Módulo Pedagógico" deja establecidos y los mecanismos para corregir el modelo del alumno. Es el encargado de generar los planes instruccionales de cada sesión. Este módulo es responsable de la activación del módulo "Interface".
Las tareas de aprendizaje son presentadas por el STI a través de una Interface Multimedia. Ésta debe estar dotada de múltiples medios de comunicación, eficazmente integrados y combinados, para lograr una enseñanza adaptada y eficiente. El módulo "Interface, Multimedia" contiene los mecanismos de representación (imágenes animadas, imágenes estáticas, sonido, lenguaje oral, lenguaje escrito, voz, etc.) de informaciones necesarias para la realización de tareas que el sistema propone al sujeto. El éxito de un programa educativo, su calidad y efectividad, dependen en gran parte de la riqueza comunicadora que reúna. Esta cuestión empezó a interesar al campo de la Psicología Cognitiva, existiendo recientes investigaciones que demuestran que es fundamental tener en cuenta algunos principios de diseño multimedia para lograr y potenciar los aprendizajes (Moreno y Mayer, 2000).
1.2. Modelado del alumno, eje principal en un STI
La característica principal de los Sistemas Tutoriales Inteligentes (STI) es su capacidad de adaptarse a cada alumno. Entonces, el problema de obtener toda la información posible acerca del alumno se convierte en el problema principal a la hora de diseñar un tutor inteligente. En efecto, es necesario que en cada momento el STI disponga de una representación del estado actual del conocimiento del alumno, con objeto de poder seleccionar los contenidos a enseñar en el nivel adecuado de dificultad, proponer el problema apropiado o seleccionar la estrategia tutorial más efectiva en ese momento.
El modelo del alumno es la componente del STI que representa el estado actual del conocimiento del alumno, y el proceso que manipula esta estructura se llama diagnóstico. Ambas componentes deben diseñarse juntas, y este problema de diseño es el que se conoce como el problema del modelado del alumno.
El modelo del alumno es la representación de los procesos mentales que lleva a cabo para realizar un aprendizaje en una computadora. Estos procesos mentales no son modelos cuantitativos, representables por números, sino que son modelos cualitativos. El modelo del alumno se define como los componentes de un STI que representan el estado actual de un estudiante, pero es también un modelo de simulación, que describe los procesos por los cuales el estudiante recoge información sobre un problema y realiza aserciones, por lo que un puede predecir que hará el alumno en un segundo paso.
Ciertamente es extenso los detalles que se pueden encontrar en la literatura sobre los componentes de un STI, en este trabajo sólo se enfatizó el modulo “modelo del alumno” debido a que representa uno de los problemas centrales en el trabajo de Tesis a desarrollar.
Conclusiones
Muchas de las investigaciones que se han realizados en la disciplina de la IA no han trascendido de ser realizadas en laboratorios o con estudiantes simulados, el desarrollo de la IA durante décadas da cuenta de un trabajo multidisciplinar que requiere la integración de distintos profesionales que han puesto sus esfuerzos para avanzar desde la simple interacción del alumno con un computador a escenarios virtuales en los que se consideran aspectos psicológicos y psicosociales del alumno (STI). En el contexto de este trabajo, se considera como aspecto fundamental en el desarrollo de los STI: “el modelo del alumno”, ya que esto permite entender los estados mentales de un estudiante frente a un proceso determinado de enseñanza-aprendizaje considerando algunos factores que en la práctica un docente (realizando su trabajo habitual) no consigue advertir, teniendo en cuenta que en la realidad educacional de nuestro país, la cantidad de estudiantes en el aula es un obstáculo para lograr dicho modelo.
Referencias
Lesgold , A.M (1988). Intelligent Tutoring Systems/ Computers in Education pp 231-237 / Open University press 1988.
Self, J. (1988). A Perspective on Intelligent computer-assisted learning/ Computers in education pp 239-246/ Open University press 1988.
Anderson, J. And Corbertt, A. And Koedinger, K. And Pelletier, R. (1990). Cognitive tutors: Lessons Learned.
http://act-r.psy.cmu.edu/papers/lessons_learned.html
Conejo, R., Millán, E., Pérez de la Cruz, J., y Trella, M. (2001) Modelado del alumno: un enfoque bayesiano.
http://aepia.dsic.upv.es/revista/numeros/12/Conejo.pdf
Moreno, R., mayer, R., Spires, H. And Lester, J. (2002)/ The Case for Social Agenciy in computer-based Teaching/ Congnition and intruction.http://scienceview.berkeley.edu/research/agents/01.Moreno.etal.CI.pdf
