OASIS : Un sistema autor para el desarrollo de simulaciones con propósito educativo

Gloria Cortés
Equipo ARCADE - Laboratorio CLIPS-IMAG
Grenoble - Francia
email : Gloria.Cortes@imag.fr


Este artículo, trata sobre los aspectos principales de la producción de simulaciones con propósito educativo. Se discute el papel que juegan las simulaciones en los ambientes de enseñanza-aprendizaje y las principales dificultades que se encuentran en el desarrollo. Se presenta una metodología para el diseño y desarrollo de este tipo de software y una herramienta que apoya la metodología propuesta. Este sistema se llama OASIS, y ha sido desarrollado por el equipo ARCADE, dentro del proyecto europeo ARIADNE, del programa Aplicaciones Telemáticas. Finalmente, se muestran ejemplos concretos de desarrollo con la herramienta y se discuten los resultados obtenidos.

Introducción

El equipo ARCADE (Ateliers de Réalisation et de Conception d'Applications Destinées à l'Education) del laboratorio CLIPS-IMAG, ha trabajado durante más de diez años, en la producción y utilización de software educativo. Durante los primeros años, el trabajo del equipo se centró en la realización de micromundos para la enseñanza de la programación. El principal resultado de este periodo es el Laboratorio Arcade que comprende un conjunto de programas, para el apoyo de la enseñanza de diferentes temas: ordenamiento, recursión, ingeniería de software, estructuras de datos y otros [GUE 91] [GUE 94].

La experiencia en la realización del Laboratorio Arcade, permitió analizar los problemas en el proceso de desarrollo de aplicaciones educativas, altamente interactivas, basadas en la manipulación directa y en la construcción de modelos de conceptos abstractos. Por otra parte, el equipo ha participado en varios proyectos industriales definiendo metodologías y desarrollando herramientas para la producción de ambientes educativos basado en la simulación [PER 96a].

Este conjunto de experiencias y proyectos, ha guiado la investigación del equipo en los últimos años, hacia la problemática de la producción de herramientas adecuadas para el desarrollo de simulaciones con propósito educativo (o simulaciones educativas). El objetivo principal es poner a disposición de los autores metodologías y herramientas, que respondan a las necesidades de producción y calidad educativa, particulares a este tipo de software.

En este artículo, se presenta OASIS (Outil Auteur de Simulations Interactives avec Scénarios), una herramienta para la realización de simulaciones educativas, desarrollada en el marco del proyecto Europeo Ariadne, del programa Aplicaciones Telemáticas.
 

Las simulaciones y el proceso de enseñanza-aprendizaje
 

Hoy en día, no se puede poner en duda el potencial educativo de las simulaciones por computador. Este tipo de software permite colocar al alumno en situaciones de aprendizaje que, por restricciones económicas o físicas, son difíciles de obtener en una experiencia de laboratorio tradicional [DEJ 94] [HER 94] [GAL 92] [COR 97a] [ITP 94]. Una simulación permite la construcción de mundos ideales (por ejemplo, un mundo sin fricción), la aceleración o desaceleración del tiempo para observar mejor un fenómeno, dotar a cada aprendiz con una replica de la máquina o del sistema simulados, etc. Más aún, las simulaciones son consideradas como el tipo de software que hace posible aplicación de las teorías de aprendizaje centradas en el aprendiz [DEJ 96] [HER 94].

Son diferentes los roles que puede jugar una simulación en un ambiente de enseñanza-aprendizaje : en la fase de motivación, puede servir para ilustrar un fenómeno, en la fase de aprehensión, el aprendiz puede interactuar con ella para descubrir/comprender el sistema simulado, en la fases de generalización y refuerzo, permiten aplicar los conceptos aprendidos.

Sin embargo, varios estudios han demostrado que la eficacia de la utilización de simulaciones depende en gran parte de los objetivos de aprendizaje fijados y de la orientación que se le da al aprendiz para lograrlos [DEJ 96] [PER 96] [TOW 95]. La utilización libre de la simulación no garantiza necesariamente el aprendizaje. Al igual que en los laboratorios tradicionales, el estudiante requiere metas específicas y una orientación adecuada y oportuna para alcanzarlas. Esta función sigue siendo en la mayoría de los casos realizada por los docentes o instructores.

Pero ahora, que el desarrollo de las tecnologías de la comunicación permite pensar en contextos educativos globales, flexibles y abiertos, donde la sincronía espacial y temporal no es un factor crítico, es indispensable integrar a las simulaciones la capacidad de fijar objetivos y guiar oportunamente al alumno.
 

Producción de Simulaciones Educativas

El desarrollo de simulaciones educativas de calidad, no es una labor simple. Se pueden distinguir dos contextos de producción distintos. El primero corresponde a la producción comercial de simulaciones educativas, normalmente a cargo de empresas desarrolladoras de software. El segundo corresponde a la producción a cargo de docentes o instructores, no necesariamente programadores.

En el primer contexto, Pernin [PER 96] identifica cinco tipo de actores. El experto en contenido, que conoce a fondo el sistema a simular y que es capaz describir con un modelo abstracto las características y funcionamiento del mismo. El experto pedagógico encargado de definir la progresión pedagógica más adecuada al dominio de la simulación. El escenarista interactivo encargado de definir, con la ayuda del pedagogo, la mejor manera de aprovechar los recursos tecnológicos y de interacción disponibles. El programador, encargado del desarrollo de la aplicación. Y por ultimo, y no por ello menos importante, el alumno que es la persona que va a utilizar la aplicación.

En este contexto, el desarrollo de una aplicación implica una inversión económica significativa, una labor de coordinación pesada, un tiempo de desarrollo dependiente de los recursos humanos disponibles y en algunos casos una rentabilidad muy baja. Para desarrollar, se utilizan lenguajes de programación como C++, ambientes de simulación especializados (Rapid [EMU 95], LabView ) y otros. Las dificultades principales son la coordinación de los expertos y la falta de herramientas que apoyen de manera integral el proceso de desarrollo.

En el segundo contexto, el docente o instructor juega el papel de experto en contenido, de experto pedagógico y de escenarista, y algunas veces también de programador. La mayor parte de las veces, el desarrollo se lleva a cabo con algún sistema de autoría como Authorware o Toolbook. En este caso, las dificultades radican en la falta de herramientas que apoyen el desarrollo rápido de simulaciones educativas. Un docente o instructor no dispone del tiempo necesario para producir sin herramientas.

A pesar de que los dos contextos son tan distintos, las actividades que se llevan a cabo son similares: desarrollo de un modelo, desarrollo de una interfaz y desarrollo del componente educativo. Del estudio de estas actividades en casos concretos, Pernin [PER 96] propuso el modelo MARS como una posible solución a los problemas antes mencionados.
 

MARS - Un modelo para el diseño de simulaciones educativas
 

La metodología de diseño y desarrollo propuesta por OASIS, está basada en el modelo MARS (Modelo - Asociación - Representación - Escenario) [PER 96]. MARS propone cuatro espacios de trabajo para la concepción y el desarrollo de una simulación educativa:

El sistema OASIS





OASIS es una herramienta para el desarrollo de simulaciones educativas, basada en el modelo MARS. OASIS fue desarrollada sobre Toolbook un sistema para la creación de hipermedios. El autor que desarrolla con OASIS, puede utilizar además todas las funcionalidades de Toolbook. Oasis propone al autor editores para cada uno de los espacios de trabajo definidos en MARS. La figura 1 muestra el proceso de desarrollo de una simulación educativa con OASIS.
 
 

Figura 1



Para ilustrar el proceso, se presenta a continuación un ejemplo sencillo. En este ejemplo se simula el movimiento uniformemente acelerado de un carro. La figura 2 muestra la interfaz de la simulación y las interacciones posibles para el alumno.

Acción Efecto

Click botón Go/Pause Arrancar/Parar el carro

Click botón Initialize Inicializa la velocidad y la posición en 0

Ajustar la aceleración Cambia el valor de la aceleración

Figura 2



Definición del modelo

El modelo de la simulación consta de las siguientes propiedades:

P_x posición del carro respecto al punto 0.

P_v velocidad del carro

P_a aceleración del carro

P_t tiempo transcurrido desde el comienzo de la simulacióN

P_dt intervalo de tiempo utilizado para los cálculos

Los métodos (funciones) que tiene el modelo son : M_set_a  permite cambiar el valor de P_a

M-initialize inicializa P_x, P_v, P_t en 0

La dinámica del sistema se describe por el siguiente diagrama :
 
 

Figura 3

Donde Off es el estado cuando el carro está parado y On es el estado del sistema cuando el carro está en movimiento. Cuando el carro está en el estado On, la simulación debe calcular los valores de las propiedades de acuerdo a las leyes de la cinemática. Para esto el autor puede definir una actividad para el estado On. En la actividad, el autor especifica los cálculos a realizar. El cambio de un estado al otro se activa a través de los eventos set_off y set_on.

La figura 4 muestra una de las pantallas del editor de modelos de OASIS.
 



Figura 4



Creación de la interfaz

Los objetos de interacción de esta simulación son el carro, el botón go/stop, el botón inicializar, el velocímetro y la manija de la aceleración. Para definir estos objetos, el autor cuenta con la librería de objetos básicos de OASIS (como los botones, el velocímetro y la manija de la aceleración) que puede importar y ajustar a sus necesidades específicas. Si los objetos básicos no son suficientes, puede crear nuevos objetos con el editor de objetos de OASIS y los objetos básicos de Toolbook.

La figura 5 muestra la importación de objetos de la librería de OASIS.
 


Figura 5


Definición de las asociaciones

El siguiente paso es establecer las relaciones entre el modelo y la representación. Por ejemplo, hay que establecer una asociación entre la manija de la aceleración y la propiedad P_a, de tal forma que cuando el alumno cambie la aceleración en la interfaz, el modelo sea informado del cambio y modifique el valor de la propiedad. La figura 6 muestra el editor de asociaciones de OASIS.
 

Figura 6


De la misma forma, hay que definir una asociación entre la propiedad P_v del modelo y el velocímetro, de manera que cuando el modelo modifique el valor de la propiedad, el objeto velocímetro sea informado de este cambio y muestre el nuevo valor. Pregunta al lector: cuáles son las otras asociaciones a definir?

Definición de escenarios (o ejercicios)

Una vez la simulación ha sido probada, el autor puede comenzar a definir escenarios sobre ella. Un escenario de OASIS define un ejercicio en términos de un estado inicial y una secuencia de etapas por las cuales el estudiante debe pasar, para resolver el ejercicio. El estado inicial corresponde a un estado de la simulación.

Cada etapa está compuesta de un objetivo, la retroinformación y un conjunto de controles. El objetivo es la descripción de una situación de la simulación, esta descripción está dada en términos de los valores de las propiedades del modelo. La retroinformación son los mensajes para el alumno en caso de que logre el objetivo, o que no lo logre, que pida ayuda, etc. Los controles son situaciones que el autor quiere detectar durante el paso de una etapa a otra, bien sea porque caracterizan errores comunes o porque el alumno necesita reorientación o porque el alumno merece un reconocimiento por un buen trabajo.

La definición de situaciones se hace por demostración. Esto significa que el autor trabaja con la simulación para mostrar cuál es la situación que quiere considerar para una etapa o control. En [COR 97] se puede encontrar una descripción detallada del componente escenario de OASIS.

Niveles de autoría

OASIS es una herramienta diseñada para ser utilizada por diferentes tipos de autores. Un docente sin conocimientos de programación, puede utilizar una simulación realizada con OASIS simplemente para definir ejercicios sobre simulación, el único requisito es un conocimiento del dominio específico de la simulación.

Un autor con nociones básicas de Toolbook, puede utilizar modelos de simulaciones ya probados por expertos del dominio, para definir sobre ellos interfaces adecuadas a sus necesidades. Este autor, podrá hacer uso de los objetos de la librería de base de OASIS.

Finalmente, un autor con conocimientos de Toolbook y experiencia en construcción de modelos de simulación puede utilizar OASIS para desarrollar una aplicación desde cero.

La separación clara de las actividades, durante el proceso de desarrollo y la disponibilidad de editores para cada una de ellas, facilita igualmente la producción no por un solo autor, sino por un equipo de desarrollo. Una de las ventajas es la posibilidad de trabajar en paralelo las diferentes partes de la aplicación.
 

Ejemplos de producción

En esta parte, se presentan algunos ejemplos de simulaciones educativas desarrolladas con OASIS. Durante el primer semestre de 1997, un grupo de profesores de la Universidad Joseph Fourier de Grenoble, Francia, utilizó OASIS para crear simulaciones en diferentes áreas del conocimiento. A continuación, se describen brevemente algunas de ellas y luego se hace una síntesis de las dificultades encontradas en el desarrollo y los comentarios obtenidos con respecto a la herramienta.

Figura 7

Figura 8

Figura 9

El desarrollo de estas simulaciones permitió observar de cerca el proceso de producción de una simulación educativa con OASIS, por diferentes tipos de autores : un autor sin conocimientos de programación, un autor con conocimientos de Toolbook, pero sin experiencia en modelización y un autor programador[COR 97b]. En este aspecto, la conclusión principal es que efectivamente el editor de escenarios es utilizable por docentes no programadores.

Por otra parte, la experiencia permitió también detectar nuevas necesidades con respecto a los diferentes editores. Por ejemplo, en el editor de modelos los autores sugirieron el soporte de estructuras de datos no consideradas en el sistema. En cuanto a las asociaciones, resintieron la imposibilidad de definir asociaciones bidireccionales. En cuanto a los objetos, consideraron que la parte más delicada del diseño es la definición de la "inteligencia" de los objetos de interacción. Para el editor de escenarios sugirieron varias modificaciones de la interfaz y la adición de funcionalidades para la definición de situaciones.
 

Conclusiones y perspectivas

Uno de los principales problemas para la integración del computador en el aula es la falta de materiales educativos computarizados adecuados para resolver los problemas de enseñanza-aprendizaje que el docente encuentra diario. Este problema, tiene orígenes diversos. Muchas veces la producción de dichos materiales no responde a necesidades específicas sino a problemas generales. De otra parte, los materiales producidos son completamente cerrados, el docente no puede modificarlos para adaptarlos según el problema de aprendizaje que se le presenta.

La integración a gran escala de software educativo como las simulaciones, solo podrá ser posible cuando pongamos a disposición de los docentes e instructores herramientas adecuadas para el desarrollo rápido de aplicaciones, que permitan fácilmente la evolución del producto y su reutilización. Herramientas como OASIS constituyen un primer paso hacia esa meta, pero no es suficiente. Las experimentaciones desarrolladas por el equipo Arcade, han permitido constatar que es necesario especializar aún más, para estar más cerca del autor, que en últimas es el catalizador de la integración.

Este reto implica la utilización de las técnicas de ingeniería de software modernas para ser eficientes en la producción de herramientas. En este sentido, el equipo Arcade trabaja en la definición de un framework para la construcción de sistemas de autoría de simulaciones educativas.

REFERENCIAS

[COR 97] CORTES, Gloria, COUDRET, Frederique. Validating the teacher's needs for simulation based exercises. World Conference on Educational Multimedia/Hypermedia (EDMEDIA'97), Calgary, Canadá. Junio 1997.

[COR 97a] CORTES, Gloria, GUERAUD, Viviane. Helping the teacher to create simulation based exercises. Computer Assisted Education in Engineering, CAEE'97, Cracovia, Polonia. Septiembre 1997.

[COR 97b] CORTES, Gloria. OASIS - Report of experimentation with science teachers. Documento Interno Equipo Arcade, Laboratorio CLIPS-IMAG, Grenoble, Francia. Octubre 1997.

[DEJ 94] De JONG, Ton & all. SMISLE: System for Multimedia Integrated Simulation Learning Environments. En Design and Production of Multimedia and Simulation-Based Learning Material. Kluwer Academic Publishers, 1994.

[DEJ 96] De JONG, Ton, van Joolingen, Wouter R. Discovery Learning with Computer Simulations of Conceptual Domains. Simpósio Investigação e Desenvolvimento de Software Educativo, Costa da Caparica, Portugal. Octobre,1996.

[EMU 95] EMULTEK Ltd. Rapid Simulation and Training, user manual. Israel, 1995

[GAL 92] Galvis, Alvaro. Ingeniería de Software Educativo. Ediciones Uniandes. Bogotá - Colombia, 1992.

[GUE 91] Guéraud, V., Cagnat, J-M., Peyrin, J-P. Teaching and learning made easier by the ARCADE Laboratory. Proc. Conference on Computer Aided Learning and Instruction in Science and Engineering (CALISCE’91), Lausanne, Suiza 1991.

[GUE 94] V. Guéraud, J-P. Peyrin, J-M. Cagnat, J-P. David, J-P. Pernin. "Software environments for computer aided education", SIGCSE Bulletin, Vol 26, N°2, June 1994, pp.19-25.

[HER 94] Herzog, J-M, Forte,E. "A goal oriented simulation in chemical thermodynamics", Proc. Conference on Computer Aided Learning and Instruction in Science and Engineering (CALISCE’94), Paris, Francia. 1994.

[ITP 94] The Interactive Physics Problem Set. U.C. Berkeley Instructional Technology Program. Documento electrónico, http://info.itp.berkeley.edu/Vol1/. 1994.

[PER 96] PERNIN, Jean-Philippe. M.A.R.S. Un modèle opérationnel de conception de simulations pédagogiques. Tesis de doctorado, Université Joseph Fourier, Grenoble, Francia. 1996

[PER 96a] PERNIN, J-P, GUERAUD, V., Coudret F. An experimental environment for the production of pedagogical simulations. International Conference on Computer Aided Learning and Instruction in Science and Engineering (CALISCE’96), Donostia-San Sebastian, Espagne, 29 a- 31 July 1996.

[TOW 95] TOWNE, Douglas. Learning and Instruction in Simulation Environments. Pages 111-168, 199-234. Educational Technology Publications, 1995.