Desarrollo de una ontología para la conceptualización de un ambiente virtual de aprendizaje constructivista

Vanessa Miguel¹, María Gertrudis López², Nora Montaño³

Facultad de Medicina¹ y Facultad de Ciencias², ³Universidad Central de Venezuela

¹Doctora en Educación, Profesor Asociado, Cátedra de Bioquímica, Escuela "Luís Razetti" y Sección de Bioquímica Médica, Instituto de Medicina Experimental, Facultad de Medicina, Universidad Central de Venezuela.

²Doctora en Educación, Profesor Agregado, Escuela de Computación, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela

³Doctora en Ciencias mención Ciencias de la Computación, Profesor Asociado, Escuela de Computación, Facultad de Ciencias, Universidad Central de Venezuela

Vanessa Cristina Miguel, vanessa.miguel@ucv.ve Tel. 6053652

Este trabajo fue financiado por el Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico (CDCH) de la UCV mediante el proyecto No. PG 03-00-6032-2005.

Resumen

En este trabajo se describen los avances en el desarrollo e implementación de una ontología para el dominio de conocimiento de un ambiente virtual de aprendizaje llamado Sistema Generador de Ambientes de Enseñanza-Aprendizaje Constructivistas basados en Objetos de Aprendizaje (AMBAR), actualmente en desarrollo. Para el desarrollo de la ontología se utilizó la herramienta de código abierto Protégé, utilizando el plugin OWL. Se determinó el dominio y alcance de la ontología y se revisaron ontologías ya existentes. Se definieron las clases y la jerarquía de clases, definiendo como principales las siguientes: Servicios, Metadata, Roles, Método, Objetos de Aprendizaje, Actividades, Competencias, Framework y Personas. Cada una de éstas fue descrita y se establecieron las relaciones entre ellas. El desarrollo de la ontología permitió compartir y consensuar el conocimiento del dominio dentro del equipo multidisciplinario involucrado en el Proyecto AMBAR, y permitirá dotarlo de mecanismos inteligentes de búsqueda basadas en la visión de la Web semántica.

Palabras clave: Ambientes de Aprendizaje Virtuales, Ontologías, Web Semánticas, Objetos de Aprendizaje.

Abstract

This paper describes the advances in the development and implementation of the ontology to represent the domain concept of a Generator System of Constructivist Teaching-Learning Environment Based on Learning Objects under development named AMBAR. The ontology was developed using the open source software Protégé, with the OWL plugin. The domain and scope of the ontology was determined, and after reviewing the ontology work available, the class’s names and the class hierarchy were defined. The main classes were: Services, Metadata, Rol, Method, Learning Objects, Activities, Competencies, Framework and Person. These classes were described and their relationship established. The ontology development allowed to share and to find consensus view inside AMBAR´s multidisciplinary team, and will let AMBAR to have intelligent search mechanisms based in the semantic web vision.

Key words: Virtual Learning Environments, Ontology, Semantic Web, Learning Objects.

Recibido: 25/11/2007 Aceptado: 12/05/2008

Introducción

Actualmente, la evolución de las tecnologías digitales ha dado paso a nuevas posibilidades para la creación de ambientes de aprendizaje multimedia más flexibles, extendiendo la interacción profesor-estudiante y estudiante-estudiante fuera del aula de clases. Las plataformas gestoras de aprendizaje asociadas con estos ambientes, permiten la inclusión de materiales multimedia, el acceso a la Web, la comunicación sincrónica y asincrónica, así como la producción colectiva y el intercambio de contenidos¹.

En América Látina y el Caribe, según un informe de la situación de la Educación Superior en el período 2000-2005, luego de dos décadas de desarrollo en modelos de educación a distancia de primera y segunda generación, se comienzan a construir e implementar ambientes virtuales, cuyo énfasis son los modelos pedagógicos autodirigidos que permitan al estudiante seguir su propia ruta de aprendizaje, enfocado en la investigación y la indagación, así como en la producción colectiva de conocimientos².

Dentro de este contexto, en la Universidad Central de Venezuela (UCV) se está trabajando en un proyecto de investigación y desarrollo denominado: Sistema Generador de AMBientes de Enseñanza-ApRendizaje Constructivistas basados en Objetos de Aprendizaje (AMBAR), el cual tiene su base teórica en modelos de aprendizaje constructivistas, tales como el Aprendizaje Generativo y la Teoría de la Flexibilidad Cognitiva, así como en el almacenamiento de los Objetos de Aprendizaje (OA) en un repositorio, usando para esto un Sistema Manejador de Base de Datos Orientado a Objetos (SMBDOO)³. El diseño de este ambiente se centra en proporcionar a los estudiantes y profesores de una plataforma tecnológica que permita el almacenamiento, generación, uso y reutilización de OA y Patrones de Aprendizaje en ambientes instruccionales diseñados bajo enfoques cognitivo-constructivistas. La plataforma tecnológica deberá ser compatible con los estándares actuales en el área, tales como SCORM (Sharable Content Object Reference Model)⁴ y la especificación IMS Learning Design (IMS LD) propuesta para la estandarización y descripción de los procesos de enseñanza-aprendizaje⁵.

El problema abordado es la necesidad de facilitar la comunicación entre los participantes del proyecto, diseñadores instruccionales y diseñadores de software, los cuales deben manejar un lenguaje común y aportar sus mejores conocimientos dentro de un ámbito de trabajo interdisciplinario. Este problema, como también la proyección del ambiente hacia entornos más complejos, puede ser abordado a través de la definición y uso de ontologías.

Una ontología define un vocabulario común para investigadores que necesitan compartir información en un dominio⁶. Ésta organiza el conocimiento de forma jerárquica permitiendo lograr una visión compartida al definir los conceptos centrales, sus relaciones y atributos. En el desarrollo de AMBAR se planteó, dado el grupo de trabajo interdisciplinario involucrado en este proyecto, construir una ontología para consensuar el conocimiento del dominio y hacerlo accesible a los estudiantes de pregrado y postgrado involucrados en el mismo.

Además de lograr una visión común del domino, el desarrollo de una ontología para AMBAR permitirá que se puedan disponer de mecanismos inteligentes para guiar al usuario final en la construcción de los ambientes de aprendizaje, al proveer ambientes Web inteligentes (Web Semánticas), basados en ésta y en otras ontologías.

En este trabajo se describen los avances en la elaboración e implementación de la ontología del dominio de AMBAR. Para ello primero se describe de forma resumida el proyecto AMBAR, la metodología usada en la construcción de la ontología, la revisión de la literatura de las ontologías ya elaboradas relacionadas con el dominio de AMBAR y la taxonomía conceptual construida como base de la ontología. Se presentan y discuten los resultados obtenidos hasta el momento y los pasos futuros.

Descripción de AMBAR

El Proyecto AMBAR surge de la identificación de los siguientes problemas en el contexto educativo venezolano³:

- Dificultades para acceder las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TICS).

- Falta de herramientas de software, basadas en OA y en teorías constructivistas, fáciles de usar y accesibles de manera continúa a los profesores y estudiantes.

- Falta de métodos para la creación y reutilización de OA de manera efectiva.

Como un aporte a la solución de estos problemas se planteó la construcción de una herramienta de software basada en la WWW, de fácil uso e ilimitado acceso que permitiera a profesores y aprendices elaborar y participar en procesos de enseñanza-aprendizaje constructivistas basados en OA reusables.

AMBAR está constituido por tres módulos: un ambiente para facilitarle al docente el diseño instrucional o diseño de aprendizaje, un ambiente para la colaboración entre estudiantes y docentes para la generación de conocimiento (basado en un modelo pedagógico) y un módulo para el mantenimiento del repositorio de OA y todos los demás elementos asociados al ambiente. La Fig. 1 muestra un esquema general de cómo combinar el conocimiento existente para obtener uno nuevo y la Fig. 2 muestra los actores, objetos y relaciones esenciales para el ambiente.

El esquema de trabajo asociado a AMBAR permite establecer las diferentes interacciones entre docente-estudiante y estudiante-estudiante El docente, de forma asistida, realiza el diseño instruccional para un tema o contexto específico. A partir de este diseño, se genera el ambiente colaborativo donde todo conocimiento generado es depositado en el repositorio. Una de las características más resaltante de AMBAR es la capacidad de reutilizar el conocimiento en todo momento, tanto los objetos de aprendizaje (fundamentales y de información combinada), como los framework y las actividades, que corresponden a la estructura asociada a una unidad de aprendizaje o diseño instruccional, son partes esenciales del repositorio.

Desarrollo de la Ontología del Dominio de AMBAR

En esta sección se describe el progreso en el desarrollo de la ontología del dominio de AMBAR, para lo cual se utilizó la guía propuesta por Noy y McGuinness⁶. Esta metodología propone los siguientes pasos para la elaboración de ontologías: 1) Determinar el dominio y alcance de la ontología, 2) Considerar la reutilización de las ontologías existentes, 3) Enumerar los términos importantes para la ontología, 4) Definir las clases y la jerarquía de clases, 5) Definir las propiedades de las clases: slots, 6) Definir las facetas de los slots y 7) Crear instancias. En este trabajo se presentan los resultados de la realización de los pasos 1 al 4, cuyo producto denominamos taxonomía conceptual de AMBAR.

Para construir la ontología se utilizó la herramienta de código abierto Protégé-2000, un editor de ontologías⁷ con el plug-in OWL (Ontology Web Language)⁸, el cual posibilita publicar y compartir ontologías en la Web.

Dominio y alcance de AMBAR-Ontología

El propósito de esta ontología es describir el dominio de AMBAR, a fin de representar conceptualmente los elementos del ambiente de aprendizaje constructivista del proyecto. Se espera que mediante la ontología se puedan tener respuestas a las siguientes preguntas, entre otras: ¿Qué competencias o habilidades permite generar un diseño de aprendizaje dado?, ¿Cuáles actividades componen un diseño de aprendizaje?, ¿Cuáles son los recursos necesarios para implementar un diseño de aprendizaje?, ¿Cuáles combinaciones de diseños de aprendizaje son posibles?, ¿Qué ejemplos de uso de un diseño de aprendizaje existe?, ¿Cómo reusar OA en relación al tipo de dominio de conocimiento y de competencias?

Revisión de ontologías existentes

Al revisar la literatura encontramos ontologías que podían relacionarse con la construcción de la ontología de AMBAR. Sin embargo, al construir una primera versión no reutilizamos ninguna, tratando de definir de una manera propia el marco conceptual del dominio. Posteriormente, buscando la compatibilidad con los estándares que se están planteando en el área, en especial IMS-LD, consideramos las ontologías ya elaboradas respecto a ese conocimiento.

La especificación IMS-LD, basada en la propuesta EML (Educational Modelling Language)⁹, permite representar unidades de aprendizaje bajo diferentes modelos pedagógicos a través de la descripción de diferentes roles, actividades, entornos, métodos, propiedades, condiciones y notificaciones⁵. Se han desarrollado ontologías basadas en la especificación IMS LD^10,11 y en el aprendizaje colaborativo bajo el referente de la Teoría de la Actividad¹³, que describen de forma más precisa sus conceptos.

Se han hecho esfuerzos para integrar, mediante el uso de ontologías, el diseño de aprendizaje y el contenido de OA a fin de permitir: a) la búsqueda de métodos pedagógicos basados en competencias relacionadas a dominios específicos, b) la búsqueda de diseños de aprendizaje basados en competencias independientes de dominio y c) la creación de recomendaciones de uso tanto para los diseños de aprendizaje como para los OA¹¹. Asimismo, se ha desarrollado un esquema ontológico que añade flexibilidad a la caracterización de los OA y los conceptos relacionados¹².

Estas ontologías nos permitieron reconsiderar aspectos de la primera versión de la ontología de AMBAR, para definir la jerarquía de clases, la cual se presenta en la siguiente sección.

Jerarquía de clases de la ontología de AMBAR

En la Fig. 3 se muestra el primer nivel de la jerarquía de clases de la ontología de AMBAR, identificando las clases principales: Servicios, Metadata, Roles, Método, OA, Actividades, Competencias, Framework y Personas. La clase Framework está contextualizada por la implementación de métodos instruccionales específicos que proveen el contexto o la estructura de aprendizaje. Los Frameworks pueden ser poblados de OA y almacenados en el repositorio, como se ilustró en el esquema de trabajo de AMBAR (ver Fig.2). Es un mapa que representa el uso planificado del contenido a través de unidades estructuradas de instrucción o Actividades.

La clase Roles está compuesta por dos subclases: aprendices y Staff, los cuales van a ser ejecutados por las Personas. Tanto los aprendices, como el Staff van a poder tener diferentes subroles, especialmente dentro de ambientes colaborativos. La clase Metadata permite representar las características de los elementos de AMBAR de forma compatible con SCORM. La clase Servicios incluye los servicios disponibles por AMBAR, entre los cuales destacan las herramientas de de comunicación sincrónica y asincrónica.

La clase Competencias representa las habilidades, capacidades y objetivos a cumplir por parte del aprendiz. Estas competencias pueden ser: actitudinales, procedimentales, psicomotoras y declarativas. Estas últimas pueden ser básicas o superiores. Las competencias van a desarrollarse mediante los Frameworks y las Actividades.

La clase Actividades representa unidades estructuradas de instrucción que van a ser realizadas por los aprendices como parte de un método para lograr una competencia u objetivo especifico. Las actividades van a formar parte de los Frameworks y pueden usar OA y servicios para ser ejecutadas. Las actividades pueden ser simples o estructuradas. Estas últimas representan actividades compuestas por más de una actividad simple. Las actividades simples pueden ser de soporte o de aprendizaje. Las actividades de soporte pueden ser de motivación, retroalimentación o evaluación (formativa o sumativa); mientras que las actividades de aprendizaje pueden ser de activación de conocimientos, de motivación o de práctica.

La clase Método representa los métodos instruccionales específicos a ser implementados a través de los Frameworks, estos pueden ser: individuales (ej. Tutoriales, Resolución de Problemas), colaborativos (ej. Proyectos, Aprendizaje Basado en Problemas) o inquisitivos (ej. Aprendizaje por Descubrimiento, Aprendizaje por Experiencia) según la clasificación presentada por Chacón¹⁴.

Las propiedades de las Clases, a nivel de las relaciones existentes entre ellas, se representan de manera implícita en sus correspondientes descripciones. Actualmente se está trabajando en el modelaje de los distintos métodos y en la creación de instancias para poblar la ontología.

Reflexión Final

Las ventajas del desarrollo de Ontologías como marco de referencia para la representación de dominios conceptuales, diseños pedagógicos, diseño de aplicaciones orientadas a servicios, modelo de desarrollo de productos y desarrollo de Web semánticas entre otros, han sido comentadas previamente por diferentes autores^{6,10,11,15,16}. Las tecnologías de la Web Semántica buscan desarrollar una Web más cohesionada, donde sea más fácil localizar, compartir e integrar la información y los servicios, para aprovechar al máximo los recursos disponibles, para lo cual las computadoras deben tener acceso a colecciones estructuradas de información y conjuntos de reglas de inferencia, que puedan utilizar para llevar a cabo el razonamiento automático. Estas necesidades se pueden satisfacer utilizando ontologías¹⁷.

A pesar de sus ventajas, la creación de ontologías también presenta dificultades, en particular para quienes se aproximan, como es nuestro caso, por primera vez al desarrollo de las mismas. Lograr el consenso del dominio de AMBAR en un equipo interdisciplinario ha implicado un proceso de revisión constante, que aún no ha concluido. Sin embargo, el trabajo de construcción de la ontología ha permitido tanto el fortalecimiento de la visión compartida del proyecto, como la construcción de la base de conocimientos para el motor de inferencia de las herramientas inteligentes que AMBAR proveerá al diseñador de Ambientes de Enseñanza-Aprendizaje constructivistas. De esta manera, se podrán reutilizar tanto los OA, como las actividades, métodos y lo principal, la experiencia de otros diseñadores de Ambientes de Aprendizaje.

Referencias

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3. López, María G., Miguel, V., Montaño, N. Sistema Generador de AMBientes de Enseñanza-ApRendizaje Constructivistas basados en Objetos de Aprendizaje (AMBAR). II Simposio Pluridisciplinar sobre Diseño, Evaluación y Descripción de Contenidos Educativos Reutilizables (SPDECE). Barcelona, España, 2005.        [ Links ]

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