UAM - Azcapotzalco/Mexico y UPM - España 1 Encuentro Nacional de Computación 2001 Aguascaleintes,...

UAM - Azcapotzalco/Mexico y UPM - España

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Encuentro Nacional de Computación 2001

Aguascaleintes, México15 – 19 septiembre 2001


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Tecnicas de Diseño en Sistemas de Enseñanza Inteligentes

Ana Lilia Laureano Cruces

Universida Autónoma Metropolitana – Azcapotzalco

Fernando de Arriaga Gómez – Universidad Politécnica de Madrid


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Temas

• Historia

• Módulo del Domino

• Modelo de Estudiante

• Módulo Tutorial

• Interfaz

• Agentes

• Aplicaciones


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SEI

Psicolgía Cognitiva

Técnicas de Aprendizaje y Diagnóstico de

errores

Inteligencia Artificial

Figura 1 - Domino de los SEIs


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Historia

• Se Fundamenta y Cristaliza la tecnología de los SEI (1972 – 1982)

• Modulo del Dominio

1. Modelo de Estudiante

2. Modulo Tutorial

3. Interfaz


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Historia

• Innovaciones en los diferentes elementos

1.Sistemas de ayuda y consejo

2.Modelado de estrategias para enseñanza específica en diferntes dominios

3.Aprendizaje Automático

4.Modelado del estudiante


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Módulo del Domino o Experto

• Es el módulo que contiene el concimiento específico y detallado que se pretende enseñar.

1. Cómo codificar el conociemnto

2. Cómo representar la experticia


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Técnicas de Diseño

1.Caja Negra

2.Caja de Cristal

3.Modelos Cognitivos


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Experto Caja Negra

• El conocimiento se encuentra compilado

• Sistemas Expertos

• La respuesta del sistema se basa en entradas y salidas

• SOPHIE

• Entronos de aprendizaje reactivos

• No se pueden detallar las explicaciones


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Experto Caja de Cristal

• Ingeniero del conocimiento• Experto en el domino• Conocimiento articulado

• Contrucción se divide en dos etapas – Adquisición del conocimiento– Automatizar ese conocimiento


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Experto Caja de Cristal

• Debido al conocimiento articulado la enseñanza resulta más factible.

• Se llega a niveles de más detalle profundos durante el proceso de enseñanza.


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Modelos Cognitivos

• El objetivo es desarrollar una efectiva simulación de la solución de un problema.

• En esta técnica el conocimiento se divide en componentes que guardan una realción directa con la forma en que el humano los clasifica y los utiliza.


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Modelos Cognitivos

• La taxonomía del módulo experto permite una comunicación sistema-experto más profunda.

• Los modelos llevan gran cantidad de tiempo en el desarrollo.

• Las ciencias cognitivas: análisis cognitivo de tareas, análisis de tareas, análisis de razonamiento cualitativo.


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Modelos Cognitivos

• Consideraciones– Qué componentes procedentes del análisis

cognitivo son importantes para el proceso tutorial

– Con qué nivel deben ser presentados estos componentes

– Cómo deben ser tartados los diferentes tipos de conocimiento.


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Tipos de Conocimiento

• Para el módulo experto es importante conocer el tipo de conocimiento:– Procedimental: conocimiento que subyace a

una tarea.– Declarativo: hechos que no guardan relación

con su uso.– Cualitativo: habilidad del humano para simular

y razonar con respecto a procesos dinámicos de forma mental.


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Representación del Conocimiento

• Es un formalismo que esta íntimamente ligado:

– Con la técnica de detección de errores– Intervención durante el proceso tutorial


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Representación del Conocimiento

• Formalismos para representar el conocimiento:– Reglas de producción– Experto compilado– Redes semánticas– Marcos– Lógica de predicados


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El modelo de estudiante

• Contiene todos los datos del estudiante en un instante dado. Esta información sirve para:– Diagnosticar los efectos del proceso tutorial– Elegir el siguente tipo de tema de enseñanza– Tipo de táctica a utilizar (enseñanza, o

remedial)


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El modelo de estudiante

• Consta de dos componentes:

– Base de datos: representa el comportameinto del estudiante durante el proceso tutorial

– El proceso de diagnóstico que manipula a la base de datos


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Dimensiones del espacio en el modelo del estudiante

1. El ancho de banda

2. Tipo de conocimiento a ser enseñado

3. Diferencias entre el estudiante y el experto


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El ancho de banda

• Se refiere a la entrada de diferentes tipos de información.

• Se proponen tres diferentes niveles de información autocontenidos en orden decreciente– Nivel 1 estados mentales– Nivel 2 estados intermedios– Nivel 3 estados finales


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Tipo de conocimiento a ser enseñado

• Diferentes técnicas de tratamiento durante el proceso tutorial de acuerdo al tipo de conocimiento a ser enseñado:– Procedimental– Declarativo – Cualitativo


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Diferencias entre el estudiante y el experto

• Estan representadas por el modelo del experto más:

– Una lista de los elementos que el estudiante no tiene y el experto si (missing conception)

– Una lista de los elementos que el estudiante tiene y el experto no (misconceptions)


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Diferencias entre el estudiante y el experto

• Existen diferentes técnicas de implementación:

– Overlay– Archivos de errores– Librería de errores hechas en partes


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Técnicas de diagnóstico

• Existen diferentes técnicas de diagnóstico de acuerdo al tipo de conocimiento. VanLhen (1988) propone 9 técnicas que se concentran en la tabla siguiente, donde además se hace una recomendación de uso de acuerdo:

– Al ancho de banda

– Tipo de conocimiento


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Tipo de Conocimiento

Procedimental no-ordenado

Procedimental ordenado

Declarativo

Ancho de Banda

Estados Mentales Seguimiento de

una Ruta (1)

Estados

IntermediosSeguimiento

de Asuntos (5)Reconocimiento de un Plan (4)

Sistema Experto(6)

Estados Finales Encontrando

la Ruta (2)

Condición por Inducción (3)

Arbol de Decisiones (7)

Generación y

Prueba (8)

Diagnóstico Interactivo (9)

Generación y Prueba(8)

Tabla 1. Técnicas de diagnóstico propuestas por VanLehn (1988)


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Modulo tutorial

• Este módulo esta realcionado con:– El diseño del curriculum– Forma de enseñar ese curriculum

• Las intervenciones tutoriales– Control sobre el curriculum y su secuencia– Ser capaz de responder a preguntas hechas por

el usuario– Darse cuenta de que el usuario necesita ayuda


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Aspectos centrales en el diseño del módulo tutorial

• Control sobre la selección y secuenciación

• Estilo de aprendizaje

• Estilo de la enseñanza

• Tipo del dominiom de la TC

Estos aspectos estan intimamente ligados durante el diseño del módulo


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Formas de control y secuanciación en los SEIs

• Básicamente existen 3 tipos de control de sistemas:

– Basados en reglas– Basados en autómatas de estados pedagógicos– Basados en planificación


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Sistemas basados en reglas

• Son aquellos que han sido construidos en base a un sistema experto.

• Existen básicamente dos paquetes de reglas:– Las que componen la base del conocimiento del

sistema experto– Las encargadas del proceso tutorial

• Reglas para acumilar certeza (premisa)• Reglas para seleccionar un procedimiento de

discurso (acción)


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Sistemas basados en autómatas de estados pedagógicos

En este tipo de control el componente encargado del proceso tutorial esta formado

por un conjunto de unidades de decisión organizadas en tres niveles (pueden ser

mas) de planificación que refinan sucesivamente las acciones del tutor.


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Niveles de decisión del componente encargado del proceso tutorial

• En el nivel superior (Pedagógico)– Se decide la frecuencia de interrupción al estudiante y

la frecuencia con que se verificará su conocimiento

• En el segundo nivel (Estratégico)– Se refina la decisioón pedagógica en estratégia

especificando el método que se va a usar

• En el tercer Nivel (Táctico)– Se selecciona una táctica para implementar la estrategia


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Componente encargado del proceso tutorial

La implementación de este componente es similar a una red de transición que se

atraviesa de estado a estado mediante una rutina iterativa a través de un espacio de

caminos.


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Sistemas basados en planificación

• Es un mecanismo de control para tutores de cursos largos.

• Existen dos tipos de planificación:– Estática– Dinámica


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El proceso de planificación consiste en decidir el curso de una acción antes de que se

realice, y un plan es la representación del curso de dicha acción


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Un planificador es un programa que parte de un estado inicial e intenta alcanzar el estado final deseado mediante la aplicación de un conjunto de operadores sobre los objetos que componen el mundo en el que opera


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• Un planificador incorpora una base de conocimiento formada por:

– Operdores de cambio de estado– Base de datos en la que se caracteriza el estado

final y los objetivos– Un mecanismo de inferencia


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Sistemas basados en la reactividad

• Estos sistemas implementan su comportamiento en una arquitectura de agentes (multagente)

• Los agentes tienen características reactivas

• Se distribuye el control entre los agentes


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Sistemas basados en la reactividad

• Las caracteristicas de estos sistemas son:– No existe un modelo exhaustivo del entorno

sobre el que el sistema pueda razonar– El modelo sobre el que toma decisiones es el

mundo real

• El control de un sistema reactivo depende:– De los objetivos de cada agente– Interacción con el mundo real


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El estilo de aprendizaje

• Se refiere a la mejor forma de enseñar un determinado dominio

• Existen cuatro estilos de aprendizaje que tienen una correspondencia con las experiencias que se tienen durante el proceso de aprendizaje:– Activo vs. Vivir la experiencia– Reflexivo vs. Reflexión– Teórico vs. Generalización y elaboración de

hipótesis– Pragmático vs. aplicación


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El estilo de enseñanza

• Representa la contraparte del aprendizaje y debe ser diseñado de forma tal que saque ventaja del estilo de aprendizaje.

• El proceso tutorial debe abordarse como un proceso de comunicación más que como un proceso de comunicación convencional


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El tipo del dominio

Se refiere a la diferencia que existe entre el tipo de tutor: expositores y procedimentales


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El tipo del dominio

• Tutor expositor

El énfasis se encuentra en el conocimiento factual y a partir de este conocimiento se infieren las habilidades que pertenecen al

conocimiento declarativo


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El tipo del dominio

• Tutor procedimental

Se encargan de enseñar habilidades y procedimientos, funcionan más como

entrenadores; mostrando el uso de habilidades a través del desarrollo de problemas.

Dentro de su contenido se encuentran problemas orientados a pruebas y practicas especiales.


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Curriculum

• El diseño del curriculum se aborda desde dos perspectivas:– Encontrar una adecuada representación para el

material a enseñar (relacionado con la enseñanza y el módulo experto)

– Seleccionar y secuenciar ese material (relacionado con el tipo de control)


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Curriculum

• Selección y secuenciación– En los expositores el probelma es mantener la

coherencia en la presentación del material para su posterior reflexión

– Los procedimentales además tienen el problema de tener que ordenar las subhabilidades integrantes de la habilidad objetivo y de seleccionar correctamente los ejercicios y ejemplos que reflejen ese orden


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El proceso tutorial (enseñanza)

Este preoceso cubre la presentación del material, esto es, las formas de contestar

preguntas, y las condiciones y contenido de la intervención del proceso tutorial.


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Métodos de presentación

• Estos métodos dependen:– Tipo del dominio– Objetivos que se desean alcanzar

• Los expositores: utilizan diferentes formas de diálogo

• Los procedimentales: utilizan ejemplos y ejercicios con entrenador

En la sigueinte tabla se concentra una propuesta de estartégias de diálogo


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Tabla 2 - Estrategias de Diálogo de acuerdo a diferentes objetivos instruccionales según Collins (Halff, 1988)

Objetivos Instruccionales Estrategias

Enseñar hechos y conceptos Separar hechos o conceptos

Explicar hechos o conceptos Enseñar reglas y relacionesEstrategias de selecciónTrampear

Enseñar habilidades por inducción

Ejercicios y ejemplos orientados a mostrar las subhabilidades


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Intervención Tutorial

• La intervención tutorial se necesita para mantener el control de la situación durante el desarrollo del proceso tutorial con el objeto de mantener al usuario lejos:– De un aprendizaje inapropiado o incorrecto

– De caminos fuera del objetivo de enseñanza

Automatizar este proceso implica diseñar reglas para decidir la intervención o la no intervención, además

de formular el contenido de la intervención.


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• Existen básicamente dos formas para guiar una intervención tutorial, comentadas como técnicas de diagnóstico.

– Seguimiento de una ruta (Model-Tracing)– Seguimiento de asuntos (Issue-Tracing)


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• Inervención con seguimiento de una ruta– En este tipo de intervención se cuenta con los

caminos que podría elegir el usuario en la solución de un problema

– Se revisa el comportamiento de ambos tratando de emparejar el desarrollo del usuario con alguno de los caminos posibles

– Cuando fracasa el emparejamiento interviene el tutor


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• Intervención con seguimiento de asuntos– Esta forma de intervención tutorial fue

desarrollada por Burton y Brown (1982) e implementada en WEST.

– Las hbilidades o conocimientos a aprender se les da el nombre de asuntos.


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• Cada asunto representa una teoría articulada. Caracterizada por dos procedimientos

– El primer procedimiento: observador, evidencia. Se le conoce como reconocedor de asuntos

– El segundo procedimiento: tiene a su cargo utilizar la información recopilada en el modeo de estudiante. Se le conoce como evaluador de asuntos


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• En el caso de WEST– Se utilizó un tutor tipo entrenador– Se ejecutaban todos los evaluadores – A la ejecución de una mala jugada le subyace

una carencia de habilidad.– La debilidad es comparada con las habilidades

necesarias para una buena jugada y encontrar el error.


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(salida hacia las reglas de selección tutorial)

(salida hacia el evaluador de asuntos)

entorno del juego o entorno de solución del problema

estudiante experto del sistema

desarrollo del estudiante

desarrollo del experto en el mismo entorno

reconocedores de abstracciones de

asuntos componente de

abstracciones del estudiante

componente de abstracciones del experto

modelo diferencial

Figura 2 - Modelo Tutorial con asuntos y ejemplos de Burton y Brown (1982) Parte 1(a)


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lista con asuntos que ejemplifican mejores jugadas o soluciones

procesos

(entrada desde el modelo diferencia)

(entrada desde el modelo

diferencial)

evaluador de asuntos aspectos donde

el estudiante esta mal

aspectos y ejemplos elegidos de acuerdo a la

observación del tutor donde el estudiante anda mal y ejemplifican una mejor

jugada o una buena solucióndesarrollo en curso de la solución o jugada

del estudiante

soluciones o jugadas del experto del

sistema

reconocedor de asuntos

reglas de selección tutorial

consejos

estrategias del tutor

explicación de las

estrategias

estructuras de datos o desarrollo observado

entradasalida

Figura 2 - Modelo Tutorial con asuntos y ejemplos de Burton y Brown (1982) Parte 1(b)


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La interfaz

• Puente de comunicación entre el estudiante y el sistema

• Unico medio físico para captar el desarrollo del usuario

Actividades con enfoque de herramientas didácticas• Medio para realizar las intervenciones• Potencial de la de la interfaz con efectos de

multimedia.


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La ayuda

• Existen dos difernetes tipos de ayuda– Ayuda del sistema: cuando el usuario la solicita

o se comenten errores– Asistencia: mecanismos que permiten

desarrollar parte de la tarea o la totalidad de esta; de forma tal que permite al estudainte concentrarse en los aspectos que a el le interesan.


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La ayuda

– Herramientas de poder: captura de decisiones y acciones del usuario de que le permita reflexioanr sobre ellas posteriormente

– Reactivo: son mecanismos que responden inmediatamente a la acción del estudiante

– Modelado: el sistema desarrolla la tarea mientras el usario observa

– Entrenador: se basa en la idea de un entrenador deportivo; donde éste interrumpe al estudainte y le sugiere o muestra el desarrollo correcto


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Multimedios y cognición

La Interfaz es tan importante que podríamos pensar en ella en función de los sentidos

que captan el funcionamiento del sistema al interactuar con él


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Los multimedios como herramienta didáctica

• 25% de lo que escuchan

• 45% de lo que escuchan y lo que observan

• 70% de lo que escuchan, observan y desarrollan

Argumentos fuertes para desarrollar interfaces gráficas que incluyan multimedios como

medios didácticos


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El aprendizaje por asociación (cognición)

• La memorización por asociación puede ser mecanizada. (uso adecuado de multimedia-procedimental)

• El método de aprendizaje por asociación depende del contexto de aprendizaje– Modelar interfaces con fidelidad de display

(principiantes)


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Sin embargo, el hecho de que la asociación juegue un papel importante en la forma de

ligar nuestros esquemas, no implica que sea la mejor forma de impartir información y

conocimiento. Una evidencia indirecta contra los metodos asocoaitivos es el éxito,

durante más de 500 años del libro convencional y el desarrollo de la narrativa

por más de 1000 años.


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• Las desventajas a la reflexión anterior son:– No existe respuesta inmediata al estudiante– Los estudiantes son entes pasivos– No se generan ejercicios de distintas

complejidades de acuerdo a la habilidad de los estudiantes

Desventajas que se cnvierten en ventajas al hablar de los SEIs


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La interfaz

– Pretende que la entrada de la información sea robusta

– Permita flexibilidad en la entrada de información sintetizada que se desprende de la observación del desarrollo del usuario

– La información de salida debe ser rica = deletreada al máximo


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Collaborative agents

Interface agents

Reactive agents

Hybirid agents

Smart agents

Topology agents

Figure 3 - Software agents classification

Heterogeneous agent systems

Mobile agents

Information agents


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Agentes• Existen diferentes tipos de agentes:

– Colaboradores : Negocian

– Interfaz : asistemte personal

– Móviles : recorren una red, interactuan con– servidores externos, colectan información

– Reactivos : reaccionan al enttrono dinámico


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Agentes– Información/internet : manejan, manipualan filtran

información que envían por red

– Inteligentes : tienen inmerso el aprendizaje y el cambio de sus reglas durante el razonamiento

– Híbridos : construido por dos o más filosofías de agentes

– Sistema heterogeneo : integrado por dos o más tipos de agentes


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Aplicaciones recientes de arquitecturas multiagente

• Girard, Gauthier y Levesque (1992). Todo en el sistema es considerado como un agente incluido el usuario. La actividad de enseñanza es modelada como uan actividad cargada de oprtunism

• El Alami, de Arriaga y Ugena (1998). Donde se propone un agente cognitivo dependiendo de la complejidad de la acción. Elaborado en diferentes niveles: reactivo, tactico y deliberativo


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• Canout, Gouarderes y Sanchis (1999). Se define un agente cognitivo como con base en tres caracterisiticas:– Mobilidad : capacidad de viajar por red– Agencia : autonomía (grado de autonomía)– Inteligencia : razonamiento, planificar y

aprendizaje (gardo)


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• Cada agente cuanta con tres niveles de comportamiento :– Reactivo (feedback)– Adaptatie (planning)– Cognitive (decision)


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Aplicaciones recientes de agentes pedagógicos

• Rickel y Johnson (1997)– Desarrollaron un agente autónomo (llamado

Steve)– Propósitos pedagógics – Dentro de un entorno virtual de entrenamiento– Para entrenamiento de procesos complejos o

sofisticados (funcionamiento de un motor)


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• Steve consta de dos componentes:

– El cognitivo : maneja el proceso cognitivo de alto nivel

– El detector del funcionameinto del motor


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• El componente cognitivo interpreta el estado del mundo virtual, lleva a cabo planes y toma decisiones con respecto a las acciones que observa


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• El componente referente a la detección del motor esta representado por la interfaz de Steve al mundo virtual, permitiendo al componente cognitivo percibir el estado del mundo virtual y ocasionar cambios. Steve es visto como un ITS capaz de decidir cuándo, cómo y qué decir.


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• Lester y Stone (1997) desarrollan un marco para agentes representados por distintos ocmportamientos de animación pedagógica, de acuerdo a si son o no propicios en un momento dado

• El derecho de hacerse presentes depende de si son o no apropiados para una determinada situación en curso con el usuario.


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• Los distintos comportamientos compiten por el derecho a ser exhibidos. (parámetro de fuerza de exhibición)

• Cuenta con un administrador de comportamientos que incrementa o decrementa el parámetro de f-d-e

• En cada tic de reloj se le premia o penaliza de acuerdo a si son o no propios para ese momento


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• El administrador analiza el puntaje entre todos los elegibles.

• Evaluando parámetros – historia de la solución del problema

desarrollada por el estudiante– la historia del comportamiento del agente

• El más fuerte es exhibido


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• Posteriormente es marcado como exihibido (f-d-e = 0) y continúa la competencia

• Los agentes estan implementados en un entrno de psicología y biología

• Los comportamientos son representados por un insecto que se llama Hernán


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• Los puntos importantes de esta implementación son:– Capacidad de generar distintos comportamientos

ad-hoc con motivos pedagógicos

– El mecanismo de administración de comportamientos (premiarlos o penalizarlos) con base en la comparación del desarrollo del problema con los comportamientos ad-hoc para determinadas situaciones


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Conclusiones

• En el desarrollo de cualquier sistema que conlleve técnicas de inteligencia artificial se presentan a nivel general dos problemas:– No se toman en cuentan aspectos emocionales y

sociales– Por lo tanto se trabaja con información

incompleta


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Conclusiones

• Evaluación– Sólo se toman aspectos concretos– Las técnicas que permiten la implmentación y

la evaluación provienen de campos como:• La educación

• La psicología cognitiva

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