Sistemas de Modelación y Representación del Conocimiento para el Aprendizaje de un Lenguaje de Programación de Computadores



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Sistemas de Modelación y Representación del Conocimiento para el Aprendizaje de un Lenguaje de Programación de Computadores.
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC)

Grupo de Investigación Ambientes Virtuales Educativos (AVE)


Edgar Orlando Caro1; Mervin Manuel Prieto Ortega2

edgar.caro@uptc.edu.co; merpri1049@yahoo.com



RESUMEN

Ante la necesitad de aportar materiales educativos para enriquecer los procesos de enseñanza-aprendizaje en el área de programación de computadores en lenguaje Java, este proyecto se fundamenta en el aprendizaje significativo, el modelamiento de información y las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) con dos objetivos principales: primero elaborar modelos conceptuales como material educativo y estrategia pedagógica para procesos de enseñanza-aprendizaje en los temas Operadores y Expresiones, Estructuras de Selección y Estructuras de Control, para medir que influencia tiene los sistemas de modelamiento de información con el aprendizaje significativo haciendo uso de las TIC. El segundo objetivo con el propósito de implementar la estrategia del modelamiento de conocimiento en estudiantes matriculados en el curso de programación I, de la Licenciatura en Informática Educativa (hoy Licenciatura en Informática y Tecnología) de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC) y analizar su impacto en el aprendizaje de una área que por tradición muestra altos índices de repitencia y deserción académica.
Palabras Clave: Aprendizaje significativo, modelamiento del conocimiento, software educativo, programación en Java, TIC.
ABSTRACT
Faced with the necessity of providing educational materials to enrich the teaching-learning processes in the area of ​​computer programming in Java, this project is based on meaningful learning, information modeling and information technology and communication (ICT ) with two main objectives: first conceptual modeling as an educational and pedagogical strategy for teaching-learning processes in the subjects Operators and Expressions, Structures and Control Structures Selection, and measure the impact of information systems modeling in learning significant using ICT. The second objective was carried out and measured in a sample of research students enrolled in the course schedule I of the Bachelor of Computer Education (now Bachelor of Computer Science and Technology) of the Pedagogical and Technological University of Colombia (UPTC).
Keywords: Meaningful learning, knowledge modeling, educational material, programming in Java, ICT.

1. INTRODUCCIÓN
En la actual situación de los sistemas educativos y en especial, en el diario aprender dentro de las aulas de clase, es recomendable ser parte del constante proceso de mejoramiento en procesos de enseñanza-aprendizaje de cualquier área del conocimiento, por ende, es favorable tener las puertas abiertas a la inclusión de las TIC y potencialización de las mismas siendo mediadas por nuevos modelos pedagógicos, nuevos espacios, recursos, metodologías y actividades, para ser parte y al mismo tiempo contribuir en el mismo proceso de mejoramiento académico del que se haga parte.
2. ANTECEDENTES
Actualmente los sistemas de modelamiento están siendo utilizados como una nueva y buena práctica para la organización y representación abstracta de información en función de potencializar la gestión del conocimiento y el aprendizaje en diversas áreas, disciplinas e investigaciones. Por ejemplo, en la Universidad de Santiago de Compostela, España, la facultad de ciencias de la educación con los profesores Maria Muradás López y Miguel Angel Zabalza Beraza, vienen desarrollando desde 2006 un proyecto llamado “los mapas conceptuales como recurso para representar y analizar buenas prácticas docentes en la educación superior”, en el cual buscan que el conocimiento de profesores universitarios destacados como “buenos docentes”, pueda extraerse con la utilización de mapas conceptuales. Este proyecto se está llevando a cabo 6 universidades españolas para visibilizar buenas prácticas docentes en las distintas especialidades (Muradás, 2006; Zabalza, 2006).
De otra parte, El proyecto “Colaboración en la construcción de conocimiento mediante mapas conceptuales” se desarrolló a mediados de los 90 en la universidad de Florida, Pensacola a cargo del investigador Alberto J. Cañas y otros. El objetivo principal de este proyecto fue el desarrollo y planificación de nuevas tecnologías enfocadas a la educación, haciendo uso de herramientas computacionales basadas en mapas conceptuales para la construcción y crítica de conocimientos elaborados por estudiantes de todas las edades y niveles educativos, permitiendo que el desarrollo de nuevos conocimientos construidos por los estudiantes en forma de mapas conceptuales sea con trabajo colaborativo y de fácil acceso y navegación mediante sistemas multimedia en red.
Este proyecto presenta el mapa conceptual como una herramienta de navegación. También nombra unos ejemplos en los que el mapa conceptual sirve como base para el aprendizaje de módulos de ciencia especializada como la cardiología, de igual forma, sirve de recurso en módulos de entrenamiento en el diagnostico-mantenimiento de un equipo electrónico en particular; para el caso de los anteriores ejemplos, el conocimiento pertinente a cada área es modelado en forma de mapa conceptual por un experto, logrando que los conceptos claves junto con sus relaciones incluyan particularidades dadas por el experto para aumentar la comprensión conceptual sobre cardiología y diagnostico-mantenimiento de equipos electrónicos.
El producto final del proyecto de investigación en mención, es el software llamado CmapTools, el cual está basado en la teoría de aprendizaje de Ausubel y Novak, fue hecho en Java para poder ser usado en cualquier plataforma computacional y se distribuye de forma gratuita. CmapTools permite al estudiante diseñar, elaborar y distribuir sus propios mapas conceptuales, navegar por medio de sistemas de multimedia distribuidos en una red, utilizar mapas de otros estudiantes, colaborar en la construcción de sus propios mapas mediante contribuciones de sopas de conocimiento, criticar y/o defender afirmaciones en dichas sopas de conocimiento, así como también discutir sobre mapas construidos por otros estudiante (Novak, 2000; Cañas, 2000).
A diferencia de los proyectos vinculados con mapas conceptuales, el aporte de este proyecto consiste en elaborar mapas conceptuales que sirven como estrategia pedagógica y material educativo digital en procesos de aprendizaje-enseñanza, para el área programación en Java; dado que en esta área, por lo general, se encuentran bastantes libros y literatura basada en la teoría seguida practica para el aprendizaje del lenguaje Java y desarrollo de la lógica computacional, pero se deja a un lado aspectos importantes como el modelamiento de la información y la representación esquemática de los conceptos claves, en los que se evidencie relación, jerarquización y selección entre esos conceptos claves para enfatizar ideas principales.
3. MARCO TEÓRICO
3.1 Teoría constructivista

Esta teoría es el enfoque principal y punto de partida en términos de aprendizaje, el cual está teniendo un importante repunte en los últimos años y tiene como representantes más importantes entre otros a Jean Piaget, Ley S. Vigotski, Hans Aebli, Jerome Bruner y D. Ausubel. Básicamente, dentro del enfoque constructivista, el aprendizaje y el conocimiento no se adquieren de manera sencilla, ni pasiva, ni se recibe, ni es una copia de la realidad, sino que es una construcción que hace que el sujeto a partir de la acción [3] (Maya, 2002; Díaz, 2001).


3.2 Aprendizaje significativo y materiales educativos

Una teoría naciente del constructivismo es la teoría de aprendizaje significativo (A.S) de David Ausubel, la cual es fundamental para este proyecto porque sirve de referencia para el estudio de los mapas conceptuales como estrategia y técnica para procesos de aprendizaje y pensamiento,


Las estructuras cognitivas son parte importante del A.S, las cuales son definidas por Ausubel como:
“construcciones hipotéticas, es decir, entidades supuestamente hipotéticas que tanto deben explicar la unidad, cierre y homogeneidad individual, como las semejanzas y coincidencias de determinados modos de comportamiento. En cada estructura mental está implícito un momento de generalidad” y sostiene que la “estructura cognitiva de una persona es el factor que decide acerca de la significación del material nuevo y su adquisición y retención. Las ideas nuevas sólo pueden aprenderse y retenerse últimamente si se refieren a conceptos o proposiciones ya disponibles, que proporcionan las anclas conceptuales” (Maya, 2002; Díaz, 2001; 16).
Por otro lado, el A.S permite la utilización de nuevos materiales educativos pero se sugiere tener en cuenta que: “sí el nuevo material educativo, entra en conflicto con la estructura cognitiva existente o si no se conecta con ella. El estudiante debe reflexionar activamente sobre el material nuevo, pensando los enlaces y semejanzas y reconciliando diferencias o discrepancias con la información existente” (Maya, 2002; Díaz, 2001; 17).
Un material educativo dentro de un aprendizaje significativo debe ser un material potencialmente significativo con significatividad de dos clases o niveles: Significatividad lógica y Significatividad psicológica, la significatividad lógica se da cuando
“…el contenido o material posee una estructura interna, organizada de tal manera que sus partes fundamentales tienen un significado en sí y se relacionan entre sí de modo no arbitrario, esta potencial significatividad lógica no depende solo de la estructura interna del contenido, sino también de la manera como éste sea presentado al estudiante, y en cuanto a la significatividad psicológica se da cuando el material significa algo para el estudiante y lo lleva a tomar la decisión intencionada de relacionarlo, o arbitrariamente, con sus propios conocimientos” (Maya, 2002; Díaz, 2001; 23).
Para que un estudiante aprenda significativamente con un material educativo no basta solo con que dicho material tenga significatividad lógica y psicológica “ya que se requiere también una actitud favorable del estudiante para aprender significativamente, es decir, una intención de dar sentido a lo que aprende y de relacionar, no arbitrariamente, el nuevo material de aprendizaje con sus conocimientos adquiridos previamente y con los significados ya construidos” (Maya, 2002; Díaz, 2001; 24). Con lo anterior no se pretende responsabilizar totalmente al estudiante de su proceso de enseñanza-aprendizaje, si no que más bien se busca, dejar claro, que tanto el estudiante como el docente y las TIC son en sí un complemento, con una serie de actitudes favorables para un buen desarrollo del proceso de enseñanza-aprendizaje, que aplica tanto en el área de programación en Java como el cualquier otra área del conocimiento.
3.3 Los mapas conceptuales
Han sido ideados por Joseph Novak para aplicar en el aula el modelo de aprendizaje significativo de David Ausubel, y son según el mismo Novak un recurso esquemático para representar un conjunto de proposiciones conceptuales incluido en una estructura de proposiciones.
Según Novak y Gowin, respecto a la estructura de los mapas conceptuales, estos presentan cuatro características que son parte de lo que se define una técnica cognitiva y permiten nexos con el aprendizaje significativo, tales características son:


  • La jerarquización.

  • La selección.

  • La inclusividad.

  • El impacto visual” (Maya, 2002; Díaz, 2001; 52).

Estos mismos autores3 utilizan otro esquema de de diagrama para representar conocimiento denominada la V Heurística como sistema de modelamiento que seduce al estudiante a pensar y poder llegar a solucionar un problema que se les plantee, esto también puede llegar a ser una solución importante en el desarrollo lógico que un estudiante debe plantease para solucionar un problema mediante un lenguaje de programación como Java.


Por otro lado Joseph Novak afirma, que los mapas conceptuales pueden emplearse para ayudar a los educandos a identificar los conceptos y relaciones clave que, y a su vez, contribuirán a que puedan interpretar los acontecimientos y objetos que estén observando.

Los mapas conceptuales presentan, entre otras, las siguientes características:




  1. “Recuperan los conceptos y saberes que los estudiantes tienen y los relacionan y articulan con los nuevos conceptos visibilizados y por adquirir.

  2. Permiten visualizar, de manera grafica, diferentes conceptos, en orden jerárquico o de importancia y relacionarlos con otros para construir y comprender los significados que por medio de ellos ofrecen, se perciben o se estructuran.

  3. Mediante las mencionadas graficación y visualización, se incentiva la retención de conceptos, sus relaciones y significados correspondientes, todo lo cual facilita a la vez el aprendizaje y la memorización.

  4. Son un muy importante recurso introductivo de motivación para el aprendizaje, así como para facilitar la introducción a los temas de estudio y la recapitulación de los mismos.

  5. Facilita los procesos metacognitivos en el aprendizaje, fundamentalmente en el conocer, qué se sabe de un determinado tema, área de conocimiento o disciplina.

  6. Favorece el ejercicio de diferentes procesos cognitivos y de pensamiento: análisis, síntesis, inducción, deducción o inferencia, relación, integración, ejemplificación, discriminación, etc.

  7. Son una ayuda ágil en los procesos de planificación del estudio, del aprendizaje y de la enseñanza, tanto para docentes como para los estudiantes.

  8. Permite visualizar las rutas de enseñanza y de aprendizaje de un programa o curso y en qué lugar se encuentra el desarrollo y el aprendizaje del mismo y hasta dónde se ha avanzado hasta el momento” [9] (Maya, 2002; Díaz, 2001; 97).

También “el mapa conceptual puede ser entendido como estrategia para ayudar a los estudiantes a aprender y a los docentes a organizar el material de enseñanza; como un método, para ayudar a los estudiantes y docentes a captar el significado de los materiales de aprendizaje, y como un recurso, para representar esquemáticamente un conjunto de significados conceptuales” (Campos, 2005; 23).


En otras palabras, a los mapas conceptuales se les pueden dar los siguientes usos:


  • “Como instrumento para representar los conocimientos.

  • Como instrumento de exploración del conocimiento del estudiante.

  • Como medio de confrontación de los saberes de los estudiantes.

  • Como medio para medir la comprensión de los estudiantes.

  • Como medio para establecer una aproximación del estado de la estructura cognitiva del estudiante.

  • Como instrumento didáctico en la enseñanza.

  • Como herramienta para entender la estructura de un contenido” (Campos, 2005; 27).


4. METODOLOGÍA
Las etapas del proyecto fueron:
4.1 Consulta y recopilación de información

Con el fin de generar conceptos y procesos sobre los contenidos básicos de programación Java delimitados en este proyecto, se consultaron diferentes fuentes de información como libros y páginas de internet sobre programación Java.


4.2 Construcción de estado del arte y marco teórico.

Con base en la consulta bibliográfica como libros, revistas y artículos entre otros medios, se elaboró un estado del arte sobre investigaciones relacionadas con mapas conceptuales y un marco teórico que fundamenta el presente proyecto.


4.3 Selección de software para la elaboración de los mapas conceptuales.

El software seleccionado y utilizado para la elaboración de los mapas conceptuales fue Camp tools, en el evento que este presenta las siguientes características:




  • Es de uso libre.

  • De fácil usabilidad.

  • Es Gratuito.

  • Tiene potentes herramientas de edición.

  • Da formato automáticamente a mapas conceptuales.

  • Tiene bastantes opciones para navegar en los mapas conceptuales elaborados.

  • Se puede descargar gratuitamente de la página web oficial: http://cmap.ihmc.us/.


4.4 Diseño y elaboración de mapas conceptuales.

Una vez recopilada la información sobre contenidos básicos de programación en Java, por parte del equipo de investigación se llevó a cabo el diseño, elaboración, revisión y corrección de los mapas conceptuales con base a los procedimientos recomendados por Agustín Campos (Campos, 2005; 25).


Después del diseño y revisión de los mapas conceptuales, el siguiente paso a seguir fue la elaboración de los mismos utilizando el software Cmaptools.
4.5 Desarrollo del prototipo de software

A continuación se describe a grandes rasgos las etapas que se cumplieron para el desarrollo del prototipo de software basado en mapas conceptuales, para lo cual se eligió la metodología PROSDOS Ampliado y se cumplieron las siguientes etapas:


4.5.1. Etapa de Concepción Pedagógica: En esta etapa se definieron las especificaciones conceptuales y la cantidad de tópicos (en este caso son tres tópicos o contenidos básicos organizados en unidades temáticas de acuerdo al currículo de la LIE) junto con las especificaciones de cada tópico. De igual forma se estandarizó y determino los enfoques pedagógicos del proyecto como son: El aprendizaje significativo y el uso de mapas conceptuales como estrategia pedagógica y recurso educativo.
4.5.2. Etapa de Transición Pedagógico-Informática: Después de la elaboración de bocetos sobre el diseño de la interfaz del prototipo de software y demás componentes, se decidió no incluir conexión a bases datos y utilizar el siguiente software:


  • Windows XP como sistema operativo.

  • Cmaptools, el cual se instaló en el sistema operativo y fue utilizado para la elaboración digital de los mapas conceptuales.

  • Macromedia 8, utilizado para la edición y elaboración de imágenes, botones, fondos, texturas y desarrollo de la interfaz grafica del prototipo.

  • Camtasia Studio usado para la edición de sonido y video.

Como recursos de hardware se utilizó computadores con las siguientes características técnicas:




  • Procesador: 8 GHz

  • Memoria RAM: 8 GB

  • Disco Duro: 1 TB

  • Monitor: Resolución de 1440x900 Pixeles, Calidad de color de 64 bit y Frecuencia de Actualización de 512 Hertz.

4.5.3. Etapa de Desarrollo: En esta etapa se llevo a cavo las actividades necesarias utilizando los recursos lógicos, físicos y las formas MPA de la metodología PROSDOS Ampliado para la construcción del prototipo de software basado en mapas conceptuales.


4.5.4. Etapa de Estudio del Producto: Esta etapa se cumplió con la revisión del prototipo de software por medio del uso de los Instrumentos de Evaluación (IE) de la metodología PROSDOS Ampliado.
4.6 Prueba Piloto
Por medio de este proyecto se buscó medir el impacto del uso de algunos mapas conceptuales previamente elaborados, para tal fin, se estableció una prueba piloto en la participaron como muestra de investigación 20 estudiantes de la UPTC, pertenecientes a la LIE, y que cursaban el nivel II de programación en Java.
La forma de implementar la prueba piloto fue la siguiente: inicialmente se aplicó un pre-test sobre conocimientos básicos de programación I; Una semana después, con la misma muestra se implementados algunos mapas conceptuales, previamente elaborados, mediante la implementación de los mismos en una aplicación de software; una semana después se aplicó un pos-test sobre los mismos temas evaluados en el pre-test y vistos en la aplicación de software.


Fotografía 1. Implementación de algunos mapas conceptuales por medio de una aplicación de software a manera de prueba piloto.



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