Inteligencia Artificial, Revista Iberoamericana de Inteligencia Artificial. No.12 (2001), pp. 13-28.ISSN: 1137-3601. © AEPIA (http://www.aepia.dsic.upv.es/).

HERRAMIENTAS DE AUTOR PARA ENSEÑANZA YDIAGNÓSTICO: IRIS-D

B. Ferrero, A. Arruarte, I. Fernández-Castro, M. Urretavizcaya

Departamento de Lenguajes y Sistemas InformáticosUniversidad 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 unaprendizaje individual y flexible basado en el conocimiento y comportamiento del usuario. Hasta ahora estossistemas han demostrado su efectividad en diversos dominios. Sin embargo su construcción implica uncomplejo 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 construcciónde tutores a personas no expertas, en particular a los propios instructores que dominan una determinadamateria de enseñanza.Este artículo describe la herramienta de autor IRIS-D, la cual permite construir sistemas tutores para variostipos de dominios a partir de los requisitos identificados por el instructor. También se ilustra sufuncionamiento 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 suconocimiento. No todas las herramientas de autor proporcionan esta característica. Por ello, en el sistema IRIS-D 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 InteligenciaArtificial (IA) al desarrollo de sistemas deenseñanza asistida por ordenador. Trata de construirsistemas de enseñanza inteligentes, donde eltérmino inteligente se asocia a la capacidad deadaptarse dinámicamente al desarrollo delaprendizaje del estudiante. La enseñanza que realizaun STI suele ser individual y se apoya en un procesointeractivo mixto en el que participan tanto el tutorcomo el alumno compartiendo el objetivo común dedesarrollar un aprendizaje efectivo. En general, este

proceso está guiado por el tutor, el cual debeanalizar el comportamiento del alumno tanto paraconocer su estado de conocimiento como parasatisfacer sus requerimientos y así poder determinary aplicar, en cada momento, las estrategias deenseñanza más adecuadas. Estas estrategias debenresolver una serie de cuestiones prioritarias que son:qué explicar, con qué nivel de detalle, cuándo ycómo interrumpir al alumno y cómo detectar ycorregir sus errores.

Durante esta última década los STIs han superado elestatus de prototipo de laboratorio y se empiezan ainstalar en aulas y lugares de trabajo, en los que

están demostrando ser muy efectivos [Murray, 99].Sin embargo, aunque estos sistemas son cada vezmás comunes y eficientes, todavía resultan difícilesy caros de construir lo que impide su usogeneralizado. Para fomentar la creación y el uso deestos sistemas se plantea el objetivo de construirherramientas de autor que faciliten el desarrollo deSTIs a personas sin experiencia en ingeniería delconocimiento. El estudio de estas herramientassurge prácticamente a la vez que los STIs y ya sehan construido diferentes prototipos1, cada uno consus características particulares tanto en lo referenteal proceso de creación del sistema de enseñanza-aprendizaje como al sistema tutor que generan.

En este artículo describiremos la herramienta deautor IRIS-D, válida para varios tipos de dominios,e ilustraremos su funcionamiento utilizándolo en lageneración de un tutor para el dominioprocedimental de la máquina-herramienta.

El artículo comienza describiendo las principalescaracterísticas de IRIS-D, a continuación detalla lascaracterísticas del dominio de la máquina-herramienta y el proceso de construcción de un tutorpara el mismo utilizando IRIS-D. Seguidamentepresentaremos la arquitectura del sistema yfinalizaremos con las conclusiones.

2. IRIS-D. Descripción general

IRIS-D es un entorno para ayudar a construirsistemas tutores inteligentes. Su utilidad reside enfacilitar a profesores no expertos en el campoinformático, la construcción de sistemas adaptativosde enseñanza-aprendizaje en dominios concretos enlos que son expertos. El proceso que sigue IRIS-Dpara construir un nuevo tutor consiste en modificar,adaptar y completar una arquitectura de tutorgenérica INTZIRI [Arruarte, 98] para cumplir losrequerimientos sobre el tutor final deseado.

Las funcionalidades de IRIS-D se pueden resumiren los siguientes aspectos:

• Facilita la adquisición de conocimientosrelativos a: la conducta del sistema tutor quese pretende construir, las característicaspropias del dominio de enseñanza-aprendizaje y el tipo de estudiante o usuariosfinales del sistema.

• Selecciona o crea la arquitectura concreta delsistema tutor final a partir de laespecificación de sus requisitos.

1 Murray (1999) realiza una revisión exhaustiva de losentornos de construcción de STI más relevantes.

• Permite incorporar al sistema tutor elconocimiento para detectar y diagnosticar loserrores cometidos por el estudiante y losrecursos didácticos necesarios para realizar lafunción de enseñanza-aprendizaje.

• Construye el sistema tutor final,seleccionando o generando el conjunto dereglas y objetos necesarios en función de losrequisitos especificados.

El diagnóstico de los errores cometidos por elalumno durante su aprendizaje es un aspectoproblemático que debe tenerse en cuenta durante laconstrucción de un tutor, ya que la información deldiagnóstico es básica para deducir el estadocognitivo del estudiante y tomar las decisionespedagógicas más adecuadas.

IRIS-D integra el sistema genérico de diagnósticoDETECTive [Ferrero et al., 97] que, igualmente,puede ser adaptado por el instructor a su dominioparticular. Así, el tutor resultante es capaz delocalizar y evaluar los errores del alumnoidentificando de forma precisa aquellos que elinstructor haya considerado más relevantes por sufrecuencia o gravedad. Son pocas las herramientasde construcción de STI que han abordado el aspectode diagnóstico procedimental desde esta perspectiva([Blessing, 97] [Munro et al., 97]), por lo que lainclusión de un diagnóstico independiente deldominio da a nuestra propuesta un valor añadido.

A continuación se detallan las características deIRIS-D y se ponen de manifiesto durante la creaciónde un tutor en el dominio concreto de la máquina-herramienta. Éste es un dominio procedimental muyadecuado para este propósito ilustrativo.

3. Un dominio procedimental: lamáquina-herramienta

En el ámbito de la formación industrial, la escasez ocarestía de recursos físicos junto con el riesgo deaccidentes comprometen el proceso de formacióndel personal y la evaluación de sus competenciasprofesionales. Como consecuencia, estas actividadesse realizan desde planteamientos teóricos,generándose fundadas sospechas sobre el grado deconsecución de las capacidades técnicas por parte delos operarios. Nuestro grupo de investigación tuvola ocasión de conocer en primera persona estarealidad cuando un grupo de instructores delInstituto para la Formación de la Máquina-Herramienta (IMH) de Elgoibar nos propuso crearun sistema de ayuda al profesor, en su tarea deformación y evaluación, en este ámbito industrial.

REQUERIMIENTOS

CONTENIDOS

Esquema de arquitectura

TUTOR

IRIS-D

Fase 1

Fase 2

basada en INTZIRI

Figura 1: Fases en la construcción de un tutor

Las máquinas-herramienta suelen tener gran tamañoy alto coste; el operario necesita una habilidadconcreta para manipularlas correctamente yseleccionar y colocar en la forma adecuada loselementos auxiliares necesarios. Teniendo en cuentala gran variedad de máquinas-herramientaexistentes, decidimos acotar el problema sobre losprocesos que usan el torno para mecanizar piezaspor arranque de viruta. Así abordamos laconstrucción del tutor LATHE como sistema capazde ofrecer al alumno un proceso de formaciónadaptado a sus capacidades y preferenciaspersonales, y de realizar el diagnóstico y evaluaciónde sus actividades.

A continuación se detalla el proceso de construcciónde este tutor utilizando la herramienta de autor IRIS-D descrita en el apartado anterior.

4. Proceso de construcción de un tutorutilizando IRIS-D

El proceso de construcción de un tutor utilizando elentorno IRIS-D consta de dos fases (Figura 1): Fase1 de especificación de requerimientos y Fase 2 deespecificación de contenidos. Durante la Fase 1 seadapta una arquitectura genérica según losrequerimientos especificados por el instructorobteniéndose la plantilla o esquema de arquitecturadel nuevo tutor. Estos requerimientos se centran enaspectos del dominio de enseñanza-aprendizaje y enla caracterización tanto del estudiante como deltutor. Durante la Fase 2 se establecen los contenidosde los módulos seleccionados o adaptados en laprimera fase. Algunos de estos contenidos sonespecificados directamente por el instructor ej:contenidos del dominio, formas de presentación yevaluación, etc., mientras que otros son generadosautomáticamente por IRIS-D ej: reglas pararefinar el Plan Instruccional.

4.1. Fase 1 de IRIS-D. Identificación yespecificación de requerimientos

4.1.1. Identificación de requerimientosEn general, el diseño de cualquier asignatura o cursoimplica planificar por anticipado el trabajo que hande realizar tanto el profesor como el alumno paraconseguir una enseñanza efectiva. Una buenaplanificación debe contestar a las cuestiones de qué,cómo y cuándo enseñar además de qué, cómo ycuándo evaluar (Coll, 1987). La respuesta a estascuestiones define los aspectos a considerar: elestudiante y su entorno, los objetivos a alcanzar, loscontenidos y su secuenciación, los recursosdidácticos utilizados y los medios de evaluación. Enlos programas de ordenador en general, y en laconstrucción de un tutor automático en particular,este proceso de planificación se liga con la fase deanálisis, que tradicionalmente se desarrolla a mano.El análisis requerido para construir un tutorutilizando IRIS-D afecta a tres componentes de unSTI: módulo del dominio, modelo del estudiante ycomponente pedagógico; IRIS-D no ofrece soportepara esta fase.

Para analizar la materia de enseñanza-aprendizaje elapoyo básico son los libros de texto, queproporcionan una visión clara de los contenidos atransmitir, su posible secuenciación y diferentesformas de presentación y evaluación.

Respecto al análisis del tipo de estudiante al que sedirige el nuevo tutor y su forma de instrucción, es laexperiencia práctica del instructor, además de labibliografía existente al respecto, la mejor guía parasu desarrollo.

A continuación enumeramos los requisitos deLATHE identificados en la fase de análisis paracada componente del tutor. En esta tarea losprofesores del IMH han participado de forma muyactiva.

Requisitos sobre la materia de enseñanza-aprendizaje

Construir un tutor capaz de evaluar procedimientosrequiere considerar dos niveles en la representacióndel dominio: nivel funcional y nivel pedagógico. Elnivel funcional representa los elementos deldominio que se manipulan y modifican durante laresolución de problemas. El nivel pedagógicorepresenta tanto los contenidos y habilidades que sequieren transmitir al estudiante como las relacionesnecesarias entre los contenidos para que laenseñanza sea efectiva, es decir en la organizaciónpedagógica de la materia de enseñanza.

El dominio de la máquina herramienta,concretamente el uso del torno para mecanizarpiezas por arranque de viruta, es claramenteprocedimental1 y necesita ser descrito tanto a nivelpedagógico como funcional.

Las principales características de este dominio anivel pedagógico son las siguientes:

• Incluye dos tipos de Unidades Básicas deAprendizaje, concretamente Conceptos, ocontenidos teóricos, por ejemplo “partesprincipales de un torno” y Procedimientos, ocontenidos prácticos, por ejemplo “cilindraren desbaste”.

• En general, las habilidades u ObjetivosInstruccionales que se desarrollarán en elestudiante son Conocimiento y Aplicación. Elprimero se refiere a la memorizaciónespecífica de contenidos, por ejemplo“memorizar el orden de ejecución de lospasos en un procedimiento”. La segunda serefiere a la transferencia de lo aprendido a laresolución de problemas, por ejemplo, que elestudiante "ejecute todos los pasosnecesarios para realizar la operación decilindrado en desbaste". Esta habilidad sólose desarrollará para procedimientos.

• Las relaciones entre contenidos utilizadas porel tutor serán prerrequisito, siguiente, es-un yparte-de. Las dos primeras se refieren arelaciones de secuenciación entre contenidos;las dos últimas a relaciones de pertenencia ocomposición y clasificación.

• Como formas de presentación el tutorutilizará textos, imágenes y videos, y comoformas de evaluación test, ejercicios de

1 El aprendizaje de un dominio procedimental suponeconocer cómo hacer algo, cómo ejecutar un conjunto deacciones ordenadas dirigidas a la consecución de unameta.

ordenación y ejercicios procedimentales oprocedurales.

El dominio a nivel funcional incluye:

• Los objetos manipulables del dominio, esdecir todos aquellos objetos físicos que elalumno puede modificar con la ejecución delos diferentes procedimientos.

• Las acciones que el estudiante puede realizarpara manipular estos objetos.

Requisitos sobre el tipo de estudiante

En cuanto a la población objetivo del sistema, yteniendo en cuenta la edad media de los estudiantesdel IMH, asumiremos un estudiante adulto conescasos conocimientos en informática. Se deseaademás:

• 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 laduración de la sesión.

• El tutor deberá ser capaz de atender lossiguientes objetivos del estudiante:intervenciones de control (dormir la sesión,continuar con la sesión, finalizar la sesión) ypeticiones asociadas al desarrollo de la sesión(solicitar la resolución de un ejercicio, estarde acuerdo/en desacuerdo con laintervención del tutor, solicitar la repeticiónde un ejercicio y solicitar un nuevoejercicio).

Características del Componente Pedagógico

Se han identificado las siguientes características:

• En la instrucción, el sistema utilizará unmétodo guiado en el que el tutor dirige latoma de decisiones durante la sesión deenseñanza, asociado a una iniciativacompartida entre el tutor y el estudiante.

• Se considera interesante que el nuevo tutordisponga de varios recursos de motivación:efectos sonoros, mensajes de llamada deatención y mensajes para felicitar o animaral usuario.

4.1.2. Especificación de requerimientos

Una vez caracterizados los componentes del tutor enla fase de análisis, el instructor debe especificarloscomo requerimientos a través de las ventanas

gráficas que IRIS-D ofrece durante la Fase 1. Noscentraremos en el proceso de caracterización deltutor LATHE en lo que respecta al dominio,estudiante y módulo pedagógico.

El dominio se describe a nivel pedagógico mediantecuatro clases de información: Unidades Básicas deAprendizaje (UBA), Objetivos Instruccionales2

(OI), relaciones entre contenidos y meta-información para caracterizar el dominio de formageneral. A continuación se comenta cada una deellas.

IRIS-D permite representar cualquier dominioinstruccional en función de cuatro clases de UBAs:conceptos, procedimientos, principios y hechos.Para representar el dominio procedimental deLATHE utilizaremos conceptos y procedimientos. Asu vez cada UBA identificada por el instructor, debeacompañarse de sus objetivos instruccionales ohabilidades y la información de soporte que utilizaráel tutor final.

Figura 2. Especificación de la UBAProcedimiento

La Figura 2 muestra la especificación de una UBAProcedimiento. Se han seleccionado los objetivosinstruccionales Conocimiento y Aplicación y comoinformación de soporte únicamente se hanespecificado las características Importancia(Significance) y Resumen (Summary). De este modose asegura que cualquier procedimiento concreto del 2 Los OI que recoge nuestra herramienta son losidentificados en la taxonomía de Bloom [Bloom et al., 56]

dominio podrá estudiarse desde las perspectivasconocimiento y aplicación. De forma equivalente sedefinirá la UBA Concepto.

Para cada OI seleccionado, deben indicarse lasformas de presentación y evaluación que seutilizarán. La Figura 3 muestra que, en general, parael objetivo instruccional Aplicación se utilizantextos (texts), imágenes (images) y videos (videos)como formas de presentación y tests (tests),ejercicios de ordenación (item sorting) y ejerciciosprocedimientales (procedural exercises) comoformas de evaluación. Es posible además asociar eltiempo medio de adquisición de ese objetivo. Demanera análoga se especifica el OI Conocimientopara el cual se eligen los textos como forma depresentación y los tests como forma de evaluación.

Figura 3. Especificación del tipo de objetivoinstruccional Aplicación

Una vez finalizada la especificación de las UBAs ylos OIs se determinan las relaciones estructurales yde requisito entre contenidos.

Finalmente se especificará la información necesariapara caracterizar el dominio de forma general. IRIS-D permite definir dos atributos para justificar eldominio, por ejemplo frente al currículum delestudiante o su plan de estudios, relacionándolo conotras materias que el estudiante conoce, etc. Estosatributos se proporcionan por defecto y son: objetivogeneral del dominio y relevancia del dominio.

Figura 4. Caracterización del alumno

Una vez especificado el dominio a nivelpedagógico, se completan las característicasgenerales del futuro usuario. En particular sucurrículum vitae, el perfil del alumno y los objetivosdel alumno. Los dos primeros se definen desde laventana de la Figura 4. El currículum describe lascaracterísticas físicas y profesionales del alumnoque el tutor tendrá en cuenta al generar sus sesionesde enseñanza. El perfil de aprendizaje recoge lascaracterísticas de aprendizaje que el tutor utilizarápara seleccionar las acciones instruccionales y lasformas de comunicación con el estudiante. De igualmodo se introducirán los objetivos del alumno quedescriben aquellos tipos de interacciones del alumnoa los que el tutor será capaz de dotar de significadoy que constituyen la base de sus decisionestutoriales sobre procesos cognitivos, accionesinstrucionales y aspectos de comunicación. Estosobjetivos están separados en dos gruposdependiendo de su funcionalidad: Objetivos deControl de la Sesión y Objetivos de Desarrollo de laSesión.

Tras finalizar la especificación del estudiante, sedefinen los requerimientos del ComponentePedagógico. Éstos se utilizan para seleccionar aquelconocimiento general de planificación directamentebasado en las características del tutor que se quiereconstruir. La arquitectura genérica INTZIRI yaincluye un conocimiento general de planificación, el

cual se va adaptando según los requisitosespecificados para el dominio y el estudiante,teniendo también en cuenta las siguientescaracterísticas: tiempo para la sesión, métodosinstruccionales, recursos de motivación yherramientas de soporte (Figura 5).

Figura 5. Especificación de los requerimientosdel Componente Pedagógico

Con los requerimientos especificados, IRIS-D creala arquitectura esqueleto del nuevo tutor y se puedeiniciar ya el proceso de definición de contenidos.

4.2. Fase 2 de IRIS-D. Creación de contenidos

En esta fase se completan los distintos componentesdel tutor. Centrándonos en el módulo del dominio, ypor tratarse de un dominio procedimiental, esnecesario crear los contenidos tanto del nivelpedagógico como del funcional, además deestablecer las relaciones existentes entre loselementos definidos en ambos niveles. La definicióna nivel funcional es necesaria siempre que se quierarealizar un proceso de detección y diagnóstico deerrores en ejercicios procedimentales, es decir, enejercicios que requieran ser ejecutados por elsistema para simular paso a paso la resolución delproblema.

Figura 6. Grafo del dominio pedagógico

Figura 7. Jerarquía para la descripción funcional del dominio

Parte-deEs-unPrerrequisitoSiguienteUBA ConceptoUBA Procedimiento

TORNO

MONTAJE-HER-CORTE DESIGNACION

PARTES-PRINCIPALES CARACTERISTICAS HERRAMIENTAS-TORNO

MATERIAL

TORNEADO-CONOS

BANCADA CABEZAL

...

DIÁMETRO-BANCADA

DIÁMETRO-ESCOTE

MONTAJE-PIEZAS

PLATO-GARRAS

...

Identification: CILINDRADO-DESBASTENext: CILINDRADO-ACABADOPrerequisite:Is-a: CILINDRADOPart-of:OI: Knowledge, ApplicationSignificance: [texto-4]Summary: [texto-5]Estimated time knowledge: 15Text knowledge: [texto-6]Test knowledge: [test-4]Functional specification: CILINDRAR-EN-DESBASTEProcedural exercise application: EJERCICIO 1

Identification: HER-NORMALIZADASNext: MATERIALPrerequisite:Is-a:Part-of: HERRAMIENTAS-TORNOOI: KnowledgeSignificance: [texto-1]Summary: [texto-2]Estimated time knowledge: 5Text knowledge: [texto-3]Test knowledge: [test-1] [test-2] [test-3]Functional object:

HER-NORMALIZADAS

MANTENIMIENTO TRABAJOS

TORNEADO-EXTERIORES TORNEADO-INTERIORES

CILINDRADO TALADRADO

CILINDRADO-DESBASTE CILINDRADO-ACABADO

COND-CORTE-CILIN-ACAB

COND-CORTE-CILIN-DESB

... ...

es-unparte-de (n)parte-de (1)instancia-de

claseinstancia

HERRAMIENTA

Plato-garras Llave-fija H-refr-cilin-desb ...

Sujetar-con-voladizo

Condiciones-corte-cilind-desbaste

Cilindrar-acabado

Cilindrar-desbaste

Ejecutar-cilind-desbaste

PROCEDIMIENTONombre: STRINGDescripción: STRINGL-parámetros: I-NL-precondiciones: I-NL-postcondiciones: I-NL-objetivo: I-N

PROC-SIMPLEL-acciones

PROC-COMPUESTOProceso

Ajustar-velocidad

Ajustar-avance

Ajustar-automático

...

...

COMPONENTE-TORNONombreDescripción

PUNTO-MANTENIMIENTOEstado

COMPONENTE-BASICO COMPONENTE-REFINABLEComponentes

PALANCAValor

ELEMENTOValor

PUNTO-ENGRASE NIVEL GUIA

TORNOComponentesTorno

Guías-bancadaN-aceite-bancadaE-bancada

Bancada

Cabezal

ZócaloDepósito-aceite

N-aceite-zocalo

Palanca1

Palanca2

E-volante...

Guía-carro-transv

Deslizador

Depósito-taladrina

...

...

...

CILINDRODiámetroSuperficie

CONODiámetro_mayorDiámetro_menorOrientaciónSuperficie

CHAFLÁNÁnguloOrientaciónRoscado (SI o NO)

ORIFICIODiámetroRoscado (SI o NO)Avellanado (SI o NO)Posición

SECCIÓN-EXTERNATerminal (SI o NO)

SECCIÓN-INTERNA

SECCIÓNLongitud

PIEZAZona-amarreSecciones-internasSecciones-externasFrente-izquierdoFrente-derechoLongitud-total

Desde una perspectiva pedagógica, el instructordebe describir los contenidos correspondientes a lasUBAs para cada uno de los objetivos instruccionalesdeterminados en la primera fase junto con susrelaciones. Además deberá suministrar al sistema lasformas de presentación y evaluación concretas quedarán soporte a las sesiones de enseñanza.

La Figura 6 muestra un fragmento de la red decontenidos del dominio pedagógico identificada enla fase de análisis. En ella se recogen parte de losconceptos y procedimientos del dominio de lamáquina-herramienta junto con la perspectivaevolutiva del aprendizaje definida por las relacionesde secuenciación correspondientes.

La definición a nivel funcional conlleva identificarlas clases e instancias que pueden manipularsedurante la resolución de los ejercicios, y definir lasrelaciones entre ellas; éstas pueden ser: es-un, parte-de e instancia-de. IRIS-D se apoya en laherramienta de adquisición de conocimiento GBC[Pérez-Colmenar et al., 99] para facilitar estaactividad.

La Figura 7 representa la jerarquía parcial de clasese instancias identificada en el nivel funcional deldominio de la máquina-herramienta. En ella sedescriben los distintos elementos que el alumnopuede manipular en la resolución de ejerciciosprocedimentales: el TORNO y sus partes principalesy las HERRAMIENTAS y PIEZAS cuyamecanización se planteará como ejercicio. En este

nivel también se realiza la descripción funcional delos distintos PROCEDIMIENTOS que puedenejecutarse durante un proceso de mecanizado.

Para ilustrar el uso de IRIS-D durante la definiciónde contenidos mostraremos dos ejemplos diferentes:el primero de ellos corresponde a la creación delconcepto herramientas normalizadas del torno(Figura 8), el segundo a la creación delprocedimiento cilindrar en desbaste.

Para definir la UBA concepto herramientasnormalizadas, se muestra al instructor la ventana dela Figura 8 en la que deberá rellenar todos losatributos determinados previamente por IRIS-D apartir de la información introducida durante la fasede especificación de requerimientos. En el caso deLATHE, los atributos son:

Identification: HER-NORMALIZADASNext: MATERIALPrerequisite:Is-a:Part-of: HERRAMIENTAS-TORNOOI: KnowledgeSignificance: [texto-1]Summary: [texto-2]Estimated time knowledge: 5Text-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 8aparece un botón que permite acceder al nivelfuncional para establecer las relaciones entre laUBA que se está definiendo y los correspondientesobjetos físicos. En este caso como el concepto sólotiene el OI conocimiento (knowledge) sudescripción se circunscribe al plano pedagógico.Este botón no aparece para dominios puramentedeclarativos puesto que no necesitan definiciónfuncional.

Es posible crear varios tipos de ejercicios deevaluación para cada UBA y OI. La Figura 9muestra el aspecto de la ventana para definir unejercicio de tipo test. En ella se observan dos testsya definidos, Test-1 y Test-2, y un tercero que seestá definiendo (Test-3); se indica la pregunta que seplantea al alumno, y la lista de posibles respuestascon su correspondiente valoración (consideramosque es posible que haya respuestas correctas eincorrectas con diferentes notas asociadas).

Continuando con el proceso de definición deldominio se describe el procedimiento cilindrar endesbaste a nivel pedagógico y funcional. Los

atributos que se han seleccionado en el nivelpedagógico son:

Identification: CILINDRADO-DESBASTENext: CILINDRADO-ACABADOPrerequisite:Is-a: CILINDRADOPart-of:OI: Knowledge, ApplicationSignificance: [texto-4]Summary: [texto-5]Estimated time knowledge: 15Text-knowledge: [texto-6]Test-knowledge: [texto-7]Text-application: [texto-8]Images-application: [image1]Video-application:Funct.-specif.: CILINDRAR-EN-DESBASTETest-application: [test-4]Sorting-application: [sort-1] [sort-2]Proced. exercise application: EJERCICIO 1

Sus valores se introducen de la misma formadescrita para el concepto herramientasnormalizadas.

Figura 9. Pantalla para la definición de un test

A nivel funcional, un procedimiento se identificamediante un nombre y una serie de parámetros (verFigura 7). Además, sus precondiciones, las accionesque ejecuta (provocando cambios en algunosobjetos) y las postcondiciones que se verifican trassu ejecución, definen su comportamiento. Laejecución de las acciones y la evaluación de lasprecondiciones y postcondiciones se realizan sobreun entorno global compuesto por una selección deobjetos del dominio identificados en el nivelfuncional. En nuestro caso éste lo formarán la piezaque se está mecanizando, el torno y lasherramientas. De esta forma, un estado del entornoglobal se define mediante un conjunto de tuplas[objeto-atributo-valor] susceptibles de sermodificadas y evaluadas durante la ejecución de unejercicio. El orden de ejecución de las acciones deun procedimiento se representa mediante unaestructura arborescente ordenada, en la que cadanodo describe la acción a realizar y su relacióndirecta con aquellas que podrían ejecutarse acontinuación. Distinguimos tres clases de relacionesentre nodos: secuencia, disyunción y conjunción(sería la establecida en la Figura 10), con susemántica habitual. Cada procedimiento estárepresentado por medio de una estructura de estetipo que posee un nodo raíz conectado con otrosnodos a través de un enlace de alguna de las tresclases previamente mencionadas.

Por ejemplo, el procedimiento de nombreCILINDRAR-EN-DESBASTE (Figura 10)representa una operación de mecanizado cuyosparámetros son la pieza y la sección de la mismaque se va a mecanizar, así como las dimensiones(long: longitud, y diam: diámetro) que dicha seccióndeberá tener al finalizar la operación. Lasprecondiciones indican que este procedimientoúnicamente podrá ser ejecutado si la sección amecanizar es un cilindro cuyo diámetro inicial esmayor que el valor indicado por el parámetro diam,su longitud es igual a long y los elementos demontaje necesarios para realizar dicha operaciónhan sido seleccionados y colocados en algún pasoprevio. Por otro lado, las postcondiciones delprocedimiento describen el estado resultante. Eneste caso concreto, indican la longitud y el diámetrofinales de la pieza.

La ejecución de este procedimiento conlleva realizaruna serie de acciones que, a su vez, sonprocedimientos. Estos son: ajustar-velocidad,ajustar-avance y ajustar-automático. El operariotendrá que realizar estas tres acciones en cualquierorden. Una vez realizados estos pasos, se ejecutarála operación de mecanizado. El procedimientoEjecutar-cilindrar-desbaste simula la realización deesta operación por parte del operario, utilizando eltorno.

CILINDRAR-EN-DESBASTEParámetros: pieza: instancia de PIEZA

sección: instancia SECCIÓN-PIEZAdiam: FLOATlong: FLOAT

Preconds: sección es-un CILINDROsección.diámetro > diamsección.longitud = longestá-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 = diamsección.longitud = longsección.superficie = “desbaste”

Figura 10. Procedimiento CILINDRAR-EN-DESBASTE

Figura 11. Definición de parámetros de unprocedimiento

La interfaz de IRIS-D cuenta con ventanas queguían al instructor en la definición de unprocedimiento. Aquí se muestran algunos ejemplos.La ventana de la Figura 11 aparece al definir unnuevo procedimiento cuando, tras haber introducidosu nombre (cilindrado en acabado -finishing-turning), se solicitan sus parámetros. Lasprecondiciones, acciones y postcondiciones, sedefinen tras pulsar los botones etiquetados con unsigno de adición situados en la parte derecha de laventana.

Figura 12. Definición de una precondición opostcondición

La Figura 12 muestra la pantalla para definir unaprecondición o postcondición. Cada pestaña de laparte superior representa una clase de condición;concretamente en la figura aparece seleccionada lapestaña que permite describir una condición de laclase comprobar valor.

También se facilita un editor de árboles que permitedefinir la secuencia de ejecución de losprocedimientos.

A continuación se define un ejercicio procedimentalen el que se solicita al alumno que, partiendo de unapieza cilíndrica inicial, mecanice una determinadasección para obtener otra pieza resultado. Ladefinición de este ejercicio se muestra en la Figura13.

Un ejercicio procedimental define un estado deinicio sobre un entorno global, y un objetivo finalcuya consecución se logrará mediante la aplicaciónde uno o varios procedimientos de acuerdo a unaestrategia previamente elaborada. Por tanto, unejercicio de esta clase lo definen su enunciado, losprocesos de resolución definidos y la lista devalores que describen el estado inicial y el estadofinal del entorno global.

El proceso de resolución de un problema se planteacomo la ejecución de ciertas acciones. Cada acciónse corresponde con un procedimiento del dominioque resuelve parcialmente el problema inicial. Paradefinir el orden en el que deben ejecutarse estasacciones se utiliza la misma estructura jerárquicadefinida para los procedimientos.

Además de la información ya comentada, en ladefinición de un ejercicio procedimental se incluyenlos datos necesarios para la evaluación del alumno,por ejemplo el tiempo estimado para la realizacióndel ejercicio (T-estimado), la nota máxima que sepuede asociar al mismo (Valor-máximo) y la lista deUBAs a cuya evaluación está asociado (L-objetivo).El enunciado del ejercicio consta de un texto y de lainformación de entrada, la cual puede contener datosadicionales para completar la exposición delproblema que se plantea; en este ejemplo se hacereferencia al fichero gráfico PIEZA-OBJETIVO.tiffque contiene información sobre la pieza inicial y elplano de la pieza objetivo que se desea obtener. Sólose ha definido un proceso de resolución para esteejercicio que corresponde a una solución correctacuya nota son 10 puntos.

EJERCICIO 1 Nombre: “Ejercicio de mecanizado de la PIEZA 0” L-objetivo: UBA-CILINDRADO Interfaz: <Nombre de la ventana de resolución del

ejercicio> T-estimado: 20 minutos Valor-máximo: 10 puntos Enunciado:

Texto: “Realiza el mecanizado en desbastede la siguiente pieza:”

L-inf-entrada: PIEZA-OBJETIVO.tiff Estado-inicial: «fichero que contiene la definición

de las instancias que representanel estado en el momento decomenzar el ejercicio»

Estado-final: «fichero que contiene la definiciónde las instancias que representanel estado cuando finaliza elejercicio»

L-resolución:Mensaje: “ENHORABUENA: Has resuelto

el ejercicio correctamente”Valoración: 10 puntosProceso:

Figura 13. Definición de un ejercicio procedimental

4.2. Descripción general de los tutoresconstruidos por IRIS-D

En este apartado describimos brevemente lascaracterísticas compartidas por todos los tutoresconstruidos mediante IRIS-D en cuanto a lamodelización del dominio, estudiante, módulopedagógico y diagnóstico.

El dominio, detallado en secciones anteriores,representa de forma explícita el conocimiento a sertransmitido al estudiante y está descrito tanto a nivelpedagógico como funcional.

El modelo del estudiante, basado en un enfoqueoverlay [Golstein, 82], define las características deaprendizaje individual y la evolución de cadaalumno. Está organizado en dos partes que se vanmodificando a medida que transcurre el proceso deenseñanza-aprendizaje. El modelo permanente semantiene durante todo el proceso de instrucción delalumno y se actualiza sesión a sesión. Contieneinformación relativa a las características personalesy de aprendizaje del alumno, el conocimiento queposee, los errores que ha cometido y la historia de

las sesiones de enseñanza que han tenido lugar. Elmodelo temporal contiene la información referente ala sesión de enseñanza en curso. Al término de cadasesión, el modelo temporal desaparece y con suscontenidos se actualiza el modelo permanente.

En cuanto al conocimiento pedagógico, es elmódulo didáctico el encargado de planificar yejecutar, a través del plan instruccional, la sesión deenseñanza-aprendizaje. Los tutores construidos conIRIS-D integran el modelo cognitivo CLAI[Arruarte et al., 96] y se basan en un proceso deplanificación instruccional de mínimo compromisoen el que a priori sólo se planifica la Unidad Básicade Aprendizaje (UBA) inicial. Resulta ademáscompletamente oportunista en el sentido de que lasintervenciones del alumno pueden ser aceptadas encualquier momento. La estructura del planinstruccional [Arruarte, 98] determina el ciclogeneral de actividades del tutor:

• establecer el siguiente contenido de lamateria (UBA) que se presentará alestudiante;

• determinar el Objetivo Instruccional (OI) o

Seleccionar(llave-fija)Seleccionar(plato-garras)

Sujetar-con-voladizo(60, [Pieza0], IZQUIERDA)

Cilindrar-desbaste(30, 30, [Pieza0], [Cilindro2])

Seleccionar(Herramienta-cilindrar-desbaste)

Comienzo

PIEZA INICIAL

Material: F-1140Dim. en bruto: ∅48 x 80 ∅30mm

30mm

50mm

∅48mm

PIEZA OBJETIVOPIEZA-OBJETIVO.tiff

Cilindro1 Cilindro2

habilidad que sobre ese contenido se va atratar de alcanzar durante la sesión;

• establecer el conjunto de ProcesosCognitivos (PCs) asociado a cada OI;

• refinar los PC en Eventos Instruccionales(EIs);

• refinar los EIs en Acciones Instruccionalesconcretos que finalmente ejecutará el tutor.

Las reglas de decisión pedagógica establecen lasligaduras entre los distintos niveles de planificaciónestableciendo el plan instruccional en su nivel dedecisión pedagógica.

En los tutores generados por IRIS-D, el proceso dediagnóstico de ejercicios procedurales está guiadopor el conocimiento del dominio a nivel funcional ypor las resoluciones definidas para cada ejercicio.Uno de los fundamentos de este proceso −técnica deModel-Tracing [Anderson et al., 90] [Corbett et al.,90]− utiliza los modelos de solución definidos en elejercicio para contrastar cada paso de la actividaddel estudiante produciendo un Diagnóstico Dirigidopor Modelos. Sin embargo, en general no es posibleasegurar que los modelos incluidos abarcanexhaustivamente todas las soluciones de unproblema. Es decir, durante el proceso de resoluciónel alumno puede realizar una acción no incluida enningún modelo. En estos casos, el sistema abandonadefinitivamente (para el problema actual) eldiagnóstico dirigido y pasa a realizar unDiagnóstico Basado en el Dominio. En estasituación el conocimiento del dominio y, enparticular, la articulación de los procedimientos pormedio de sus pre y post condiciones permitendeterminar la corrección o incorrección de cadapaso del estudiante según el estado actual deresolución del problema. El seguimiento realizadono puede garantizar un diagnóstico/evaluaciónexacto en todos los casos. Puede ocurrir que elalumno, ejecute procedimientos para los que severifican todas las precondiciones pero llegue a unasolución no correcta, o diseñe una solución cíclicasin alcanzar un resultado final �debido a unaincorrecta o incompleta definición del dominio. Elsistema almacena este grupo de resoluciones para suposterior revisión por el profesor, que puedeutilizarlas para mejorar la cobertura funcional deldominio.

5. Arquitectura de IRIS-D

La arquitectura básica del sistema IRIS-D integracuatro componentes principales (Figura 14):

Interfaz, Generador de la Estructura del Tutor,Generador de Objetos y Generador de Reglas.

La Interfaz gestiona el proceso de comunicación delentorno IRIS-D con el exterior, en concreto con elinstructor, por lo que interesa una interfaz gráficafácil de utilizar. El módulo incluye un conjunto deventanas gráficas desarrolladas en JAVA y sucomportamiento, esto es, la secuenciación deventanas para realizar la tarea global de IRIS-D ylas llamadas a sus módulos funcionales. En elejemplo de creación del tutor definido en la secciónanterior se han venido mostrando algunas ellas.

El Generador de la Estructura del Tutor seleccionala arquitectura esqueleto del nuevo tutor. Tomandocomo base las preferencias del instructor, IRIS-Ddecide si construirlo a partir de la arquitecturagenérica o a partir de la arquitectura asociada a untutor existente. Todas las posibles arquitecturasiniciales están recopiladas en una biblioteca dearquitecturas de tutor. La arquitectura que se hautilizado como base en el ejemplo desarrolladoincluye todos los componentes principales (módulodel dominio, modelo del estudiante, módulopedagógico y sistema de diagnóstico genérico).Además, este módulo se encarga de comprobar lasprecondiciones de creación y la completitud de loscontenidos de cada fase asegurando así laconstrucción de un tutor viable. No se debe permitir,por ejemplo, la introducción de ningún conceptoparticular si la unidad básica de aprendizajeconcepto no ha sido previamente caracterizada en lafase de especificación de requerimientos.

Una vez que se ha definido una arquitectura inicial,el Generador de Objetos adapta, completa yalmacena la estructura declarativa de cada uno desus componentes. Esta adaptación se realiza deacuerdo con los requerimientos especificados; todasaquellas características de la arquitectura inicial queestén asociadas a requisitos seleccionados por elinstructor se mantendrán como pertenecientes alnuevo tutor, mientras que el resto se eliminarán.

Tras adaptar la arquitectura hay que completarlaobteniendo la estructura declarativa global –conjunto de clases e instancias asociado a losdiferentes componentes. Actualmente se identificany se crean las instancias tanto del dominio funcionalcomo del pedagógico.

Figura 14. Arquitectura de IRIS-D

Para finalizar, únicamente resta generar o introducirlos procesos de decisión adecuados. El Generadorde Reglas se encarga de generar o seleccionar,dentro de cada componente del Módulo Pedagógico,el conjunto de reglas de decisión pedagógicanecesario para que éste sea operativo. En elprototipo actual de IRIS-D únicamente se incluye elSelector con la funcionalidad de restringir o limitarel conjunto de reglas existentes en la jerarquía delkernel inicial en función de los requisitosintroducidos. Este módulo utiliza una base de reglasorganizada según los diferentes requisitos, con losque mantiene una relación directa según lascondiciones utilizadas en ellas.

6. Conclusiones

En este artículo hemos presentado una herramientade ayuda a la generación de sistemas de enseñanza-entrenamiento llamada IRIS-D y su utilización paraconstruir un tutor concreto en el dominio de lamáquina-herramienta, LATHE.

IRIS-D es el resultado de la ampliación del sistemaIRIS [Arruarte et al., 97] desarrollado por nuestrogrupo de investigación. Con IRIS se pueden generar

tutores para dominios tanto procedimentales comodeclarativos. Éstos tienen la capacidad de realizaruna instrucción adaptada al alumno pero carecen delos componentes necesarios para llevar a cabo eldiagnóstico de su actividad durante los procesos deresolución de ejercicios procedimentales. Elprototipo actual de IRIS está implementado enCLIPS y JAVA.

Observando la necesidad que tenía IRIS de unsistema de diagnóstico, y tras comprobar que estacarencia no era exclusiva del mismo, abordamos laconstrucción de un sistema de diagnóstico genéricoque fuera fácilmente adaptable a cualquier clase dedominio, y así llegamos a obtener DETECTive[Ferrero et al., 97]. Este sistema, implementadotambién en CLIPS y JAVA, se planteó inicialmentecomo una herramienta autónoma capaz dediagnosticar y evaluar los errores cometidos por elalumno durante una sesión práctica. Para comprobary evaluar su validez, DETECTive se adaptó adistintos dominios procedimentales (derivación,fotografía, máquina-herramienta). Concretamente,FROGALAN [Ferrero et al., 99] es el resultado dela adaptación de DETECTive al dominio de lamáquina-herramienta. Durante su diseño eimplementación, se ha realizado un proceso de

INTZIRI-PD

A1

An

GBC

RB1

RB2

RBn

Mód. del Dominio

Mód.Alumno

DiagnósticoProcedural

Generadorde Reglas

Módulo Tutor

Mód.Alumno

DiagnósticoProcedural

Mód. del Dominio

IRIS-D

Arquitectura Esqueleto

TUTOR FINAL

Arquitecturas Base de Reglas

Instructor

Flujo de datosFlujo de controlElementos de IRISElementos de DETECTive

Interfaz

Módulo Tutor

GeneradorEstructuradel Tutor

Generadorde

Objetos

MóduloAdquisición

DominioFuncional

INTZIRI-PD

validación según la técnica de “verificación piloto”[Shute et al., 93], [Mark et al., 93]. Este proceso seha complementado con un estudio de camporealizado con un grupo más amplio de estudiantesde nueva formación en el IMH. De forma generalpodemos decir que el profesorado se sientesatisfecho por los resultados obtenidos. Desde elpunto de vista del alumnado, la herramienta seacepta con facilidad y su uso no supone unadificultad añadida a las ya inherentes a los ejerciciospropuestos.

Una vez integrado DETECTive en IRIS, nuestropróximo objetivo es doble. Por una parte validar laherramienta IRIS-D en cuanto a las facilidades queproporciona para construir nuevos tutores y, porotra, validar las posibilidades de uso y el éxito delos nuevos tutores generados.

Agradecimientos

Los trabajos expuestos en este artículo han sidofinanciados por el Gobierno Vasco (UE-1999-36), laUniversidad del País Vasco (UPV/EHU) (UPV141.226-TA109/99), la Diputación Foral deGuipúzcoa (Dpto. Economía) (IRIS-D;OF237/1999) y el CICYT (TIC99-0252). Losautores agradecen la inestimable colaboración y elapoyo del Instituto de la Máquina Herramienta(IMH) de Elgoibar-Gipuzkoa.

Referencias

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