Herramientas Para Construir y Compartir Modelos de Conocimiento Basados en Mapas Conceptuals

Resumen

Este art�culo presenta el avance de un proyecto de investigaci�n cuyo objetivo es el desarrollo de nuevas tecnolog�as que faciliten construir y compartir modelos de conocimiento. Usando herramientas computacionales basadas en mapas conceptuales, usuarios de todas las edades colaboran en su aprendizaje mediante la construcci�n y cr�tica de conocimiento y la navegaci�n a trav�s de sistemas de multimedia en red creados por expertos. Las herramientas integran nuevas y variadas tecnolog�as con enfoques modernos de educaci�n, y de navegaci�n y organizaci�n de informaci�n.

Introducción

La red mundial Internet, en conjunto con la WWW, han hecho que una cantidad cada vez mayor de informaci�n est� disponible para cualquier persona en cualquier lugar, con acceso a una computadora conectada a la red. Sin embargo, la organizaci�n de esta informaci�n, y las herramientas disponibles para navegar a trav�s de ella no proveen un ambiente adecuado para la busqueda de informaci�n, y mucho menos para el aprendizaje. Al navegar por las p�ginas de la WWW, el usuario pocas veces tiene un modelo apropiado de la organizaci�n de estas p�ginas, y al seleccionar las ligas o enlaces, frecuentemente no tiene idea de cu�l va a ser el contenido de la p�gina destino. En general, las p�ginas de WWW no difieren mucho en su contenido y estructura de las p�ginas en papel, a pesar de ser complementadas con enlaces (sin sem�ntica) conect�ndolas entre ellas. Igualmente, al utilizar p�ginas de WWW como base para la creaci�n de cursos de educaci�n a distancia, el resultado usualmente es una p�gina de contenido o �ndice, con enlaces a m�dulos o "cap�tulos" que consisten de una secuencia de p�ginas. Esta imitaci�n de la estructura de un libro de texto no aprovecha verdaderamente la flexibilidad que ofrecen las nuevas tecnolog�as.

Proponemos el uso de modelos de conocimiento, basados en mapas conceptuales, como infraestructura para la creaci�n de ambientes de multimedia, tanto por estudiantes como por profesores, cient�ficos y expertos. Las herramientas de software, basadas en un enfoque constructivista del aprendizaje, permiten al usuario construir mapas conceptuales, conectarlos entre s� mediante enlaces con sem�ntica, y complementar las proposiciones con otros medios como im�genes, v�deo, fotos, gr�ficos, texto, p�ginas de WWW, etc.

Las herramientas son sumamente flexibles, y entre sus usuarios se encuentra desde ni�os de educaci�n primaria en Latinoam�rica, hasta cient�ficos de la NASA debatiendo sobre el lugar m�s apropiado para el descenso de naves espaciales en Marte. Los modelos creados por expertos sirven como organizadores de ambientes donde el usuario puede navegar en busca de informaci�n, bas�ndose en el conocimiento del experto como gu�a en la navegaci�n. Los estudiantes, adem�s de construir sus mapas conceptuales para demostrar gr�ficamente su conocimiento sobre un tema espec�fico, colaboran electr�nicamente entre s� en la construcci�n de sus mapas, los complementan con im�genes, v�deo, texto, etc., los ligan a aquellos de otros estudiantes en su escuela u otras escuelas, o a los mapas de expertos, y autom�ticamente publican su modelo en la Internet, permitiendo la navegaci�n a otros estudiantes. Cient�ficos usan las herramientas para representar y publicar modelos de sus investigaciones, permitiendo la cr�tica constructiva y promoviendo la colaboraci�n entre ellos. La creaci�n de m�dulos sobre diferentes temas por parte de profesores est� siendo utilizada como base en la creaci�n de cursos - tanto a distancia como dentro del aula.

Mapas Conceptuales

Los mapas conceptuales, desarrollados por Novak [1], se usan como un medio para la descripci�n y comunicaci�n de conceptos dentro de la teor�a de asimilaci�n, una teor�a del aprendizaje que ha tenido una enorme influencia en la educaci�n [2]. La teor�a est� basada en un modelo constructivista de los procesos cognitivos humanos. El mapa conceptual es la principal herramienta metodol�gica de la teor�a de asimilaci�n para determinar lo que el estudiante ya sabe. De acuerdo con Novak y Gowin, los mapas conceptuales han ayudado a personas de todas las edades a examinar los m�s variados campos de conocimiento en ambientes educativos [op.cit].

El mapa conceptual es una representaci�n gr�fica de un conjunto de conceptos y sus relaciones sobre un dominio espec�fico de conocimiento, construida de tal forma que las interrelaciones entre los conceptos son evidentes. En este esquema, los conceptos se representan como nodos rotulados y las relaciones entre conceptos como arcos rotulados conect�ndolos. De esta forma, los mapas conceptuales representan las relaciones significativas entre conceptos en forma de proposiciones o frases simplificadas: dos o m�s conceptos ligados por palabras para formar una unidad sem�ntica. La Figura 1 muestra un mapa conceptual sobre plantas creado por un ni�o. Por convenci�n, las ligas se leen de arriba hacia abajo a menos que incluyan una punta de flecha.

Figura 1: Mapa conceptual sobre plantas

Los mapas conceptuales son usados para ayudar a los estudiantes a "aprender c�mo aprender" haciendo evidentes las estructuras cognitivas y el conocimiento auto-construido [ibid]. Dada la diversidad de usuarios - desde ni�os hasta cient�ficos - los mapas pueden ser muy sencillos, como en el caso de la Figura 1, � pueden llegar a ser muy complejos. Por ejemplo, la Figura 2 muestra el mapa conceptual preliminar desarrollado como resultado de entrevistas a cient�ficos de la NASA sobre Astrobiolog�a, con el objetivo de definir la nueva ciencia. Los mapas conceptuales son utilizados tambi�n como herramienta en el proceso de adquisici�n de conocimiento en el desarrollo de sistemas expertos [3,4].

Figura 2: Mapa conceptual preliminar sobre Astrobiolog�a, la ciencia que estudia el origen y evoluci�n de la vida en el universo

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Mapas Conceptuales como Herramienta para Navegación en Internet

Como se puede apreciar en las Figuras 1 y 2, los mapas conceptuales son un magn�fico medio para representar y organizar conocimiento. Aprovechando esta cualidad, hemos desarrollado herramientas de software que permiten utilizar los mapas conceptuales como una interfaz elegante y f�cil de comprender para navegar en un sistema de multimedia. La Figura 3 muestra un modelo construido por un ni�o que utiliza mapas para organizar im�genes, v�deo, y texto. Relaciones de generalizaci�n y especializaci�n entre los conceptos conllevan a una organizaci�n jer�rquica de mapas conceptuales. Al hacer el modelo accesible en Internet, �ste se vuelve navegable por otros estudiantes, maestros, y usuarios de la red en general.

En cada nodo o concepto del mapa, el usuario dispone de un men� de iconos. Estos corresponden a diversos medios (texto, im�genes, v�deo, otros mapas conceptuales, etc.) relacionados al tema del nodo (concepto) seleccionado. Al seleccionar un icono, el sistema despliega informaci�n de otros recursos que contienen informaci�n referente al concepto. Por ejemplo, el concepto "frutos" en la Figura 3 contiene tres iconos: al seleccionar el primero, que representa una imagen, se despliega una lista de im�genes de frutos; el usuario puede seleccionar aquella que desea desplegar. El segundo icono mostrar�a una lista de textos explicatorios sobre frutos. El tercero, que representa un mapa conceptual, mostrar� una lista de mapas conceptuales donde aparece el concepto "frutos". Estos pueden ser mapas relacionados con frutos de plantas, o frutos bajo otros contextos, por ejemplo desde el punto de vista econ�mico. En cualquier caso, la lista desplegada al seleccionar el icono indicar� claramente si navegar al mapa implica un cambio de contexto. El mapa conceptual "Abejas" de la esquina superior derecha de la Figura 3 muestra el resultado de seleccionarlo en el icono de mapa conceptual debajo del concepto "abejas" en la esquina inferior izquierda del mapa Plantas.

Figura 3: Mapas conceptuales como medio para navegar por un ambiente de multimedia sobre plantas

Los iconos aparecen en diversas combinaciones dependiendo de la informaci�n disponible sobre el concepto dado. El problema de navegaci�n - perdidos en el hiperespacio - com�n en los sistemas de multimedia y persistente en la navegaci�n de la WWW, se resuelve f�cilmente en la navegaci�n con mapas conceptuales. Todas las ligas tienen sem�ntica, ya sea expl�cita en el mapa, o por contexto al navegar entre mapas u otros medios. El usuario sabe siempre hacia d�nde va al seguir una liga, en contraste con otras herramientas de navegaci�n, especialmente en la WWW.

La construcci�n de los mapas es f�cil. Mediante un editor de uso sencillo , el usuario relaciona los medios (v�deo, im�genes, sonido, mapas, etc.) y sus iconos con los nodos (conceptos). La arquitectura distribuida del sistema permite que los diversos medios y mapas se almacenen en diferentes servidores en una red, y que puedan accederse desde cualquier nodo en la red. Aprovechando la extensi�n y omnipresencia de Internet, se puede entonces construir sistemas de multimedia accesibles desde cualquier lugar del mundo. El programa est� escrito en Java, lo cual implica que puede ser ejecutado en cualquier plataforma computacional (Windows, Macintosh, UNIX, etc.)

Construcción de Proyectos por Estudiantes

El enfoque constructivista enfatiza la construcci�n de nuevo conocimiento y maneras de pensar mediante la exploraci�n y la manipulaci�n activa de objetos e ideas, tanto abstractas como concretas. Extendiendo los m�todos de trabajo en el aula, recientemente, investigaciones en educaci�n recomiendan el trabajo colaborativo - estudiantes trabajando en proyectos en grupo colaborando en la soluci�n de problemas. Sin embargo, los ambientes de educaci�n tradicionales usualmente no est�n organizados para este tipo de actividades, y las herramientas de computaci�n disponibles para apoyar la educaci�n no ayudan al maestro a crear este ambiente constructivista de aprendizaje, y mucho menos un aprendizaje colaborativo.

Los mapas conceptuales han sido utilizados por muchos a�os para determinar cu�nto sabe un estudiante sobre un tema espec�fico. En particular, como dicen Novak & Gowin [op.cit] estos hacen evidentes errores de concepto por parte de los alumnos. Utilizando estas herramientas, el estudiante no solamente construye un modelo del conocimiento que posee sobre un tema, sino que adicionalmente lo utiliza como base para construir un ambiente navegable de multimedia.

Desde el punto de vista pedag�gico, la construcci�n de proyectos por parte de los estudiantes usando esta herramienta ataca un problema com�n provocado por el f�cil acceso a Internet: son tantos los recursos disponibles sobre cualquier tema, que para el estudiante es sumamente sencillo copiar y pegar im�genes, texto, etc. en su propio documento, sin verdaderamente haberle dedicado tiempo a comprender el tema. Sin embargo, si el estudiante debe organizar los recursos mediante mapas conceptuales, es sumamente dif�cil que construya un mapa correcto si no tiene un buen dominio del tema.

La modularidad de los mapas para organizar informaci�n, y la posibilidad de distribuir los mapas en diferentes localidades en Internet, facilita que grupos de estudiantes, en la misma o en diferentes escuelas, colaboren en la creaci�n de modelos complejos, a los cuales se les puede ir agregando contenido con el tiempo. Los mapas se ligan f�cilmente entre s�, formando una representaci�n del conocimiento del grupo. Esta facilidad complementa el ambiente de colaboraci�n en la construcci�n de mapas conceptuales basado en "Sopas de Conocimiento" y el "Gigante" descrito en Ca�as et al. [5,6] y Reichherzer [7].

Educación Justo-A-Tiempo

Las herramientas para la construcci�n de modelos de conocimiento, junto con componentes de sistemas de apoyo en el desempe�o del trabajo (performance support systems) y sistemas expertos, son la base de una nueva generaci�n de ambientes computacionales para educaci�n a distancia con entrenamiento justo-a-tiempo que estamos desarrollando en un proyecto conjunto con la Marina de los Estados Unidos [8]. Por ejemplo, como parte de un m�dulo de entrenamiento en el diagn�stico y mantenimiento de un equipo electr�nico en particular, los mapas conceptuales permiten representar expl�citamente un modelo del conocimiento de un experto reconocido en el �rea. Este incluye las particularidades de la forma en que este experto lleva a cabo el diagn�stico, las cuales usualmente no se encuentran en el manual y precisamente lo caracterizan como experto. Los mapas conceptuales, junto con los componentes de diagn�stico y apoyo en el trabajo, y su funcionamiento a trav�s de una red, proveen el apoyo necesario en casos en los cuales el t�cnico necesita la capacitaci�n en el justo momento en que precise arreglar el equipo [9], o requiere de un curso de repaso. Al mismo tiempo, el sistema tambi�n pretende aumentar la comprensi�n conceptual del t�cnico sobre el funcionamiento del equipo.

Organización de Información

La representaci�n concisa y gr�fica del conocimiento mediante mapas conceptuales, y la posibilidad de enlaces, ya sean jer�rquicos u horizontales entre mapas, resultan en un ambiente ideal para crear un entorno navegable en el cual los usuarios pueden encontrar la informaci�n que buscan, o deambular por el ambiente investigando diversos temas. Si adem�s basamos el modelo en mapas conceptuales construidos por expertos en el tema, los usuarios al navegar se est�n "parando en los hombros de un gigante".

La Figura 4 muestra una imagen de pantalla, resultado de navegar por un conjunto de docenas de mapas sobre Marte que estamos construyendo en colaboraci�n con el Centro de Exploraci�n de Marte de la NASA en Ames, California. Los mapas forman una representaci�n concisa del conocimiento actual sobre Marte, a los cuales est�n ligados cientos de recursos (im�genes, v�deo, textos, etc.). Estos fueron construidos por expertos del Centro con el prop�sito de crear un ambiente disponible a trav�s de CD-ROMs y la Internet para estudiantes de secundaria y el p�blico en general. Los mapas no solamente sirven como un �ndice para facilitar el acceso a la informaci�n, sino que en s� representan el conocimiento de cient�ficos en el tema: al navegar a trav�s del ambiente, el usuario est� navegando sobre el modelo de conocimiento de estos expertos.

Figura 4: Ambiente multimedia sobre Marte basado en mapas conceptuales para la organizaci�n y navegaci�n de los contenidos

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Los mapas conceptuales, junto con sus ligas y recursos (im�genes, v�deo, textos, p�ginas de WWW), son tambi�n accesibles como p�ginas de HTML. En otras palabras, utilizando cualquier software para navegar el WWW, podemos acceder un ambiente basado en mapas conceptuales como medio de navegaci�n. De esta manera, estas herramientas para construcci�n de mapas conceptuales est�n siendo usadas para organizar sitios del Web, que son accedidos a trav�s de "�ndices" representados mediante modelos de conocimiento expresados por mapas conceptuales.

Educación a Distancia

La educaci�n a distancia est� sufriendo una transformaci�n como consecuencia de la facilidad de comunicaci�n y r�pido acceso a grandes vol�menes de informaci�n que provee la red Internet. Dentro de sus objetivos tradicionales (dar acceso a la educaci�n a aquellos sectores de la poblaci�n que por razones de distancia u horario no puedan atender la educaci�n tradicional), las redes computacionales mundiales ampl�an enormemente las posibilidades de entrega y acceso. Al mismo tiempo, las instituciones que tradicionalmente se han dedicado a una educaci�n "presencial", al percatarse del potencial (en muchos casos econ�mico) de versi�n a distancia, han empezado a transformar sus cursos presenciales en cursos "a distancia". Como resultado, se est� dando una convergencia de la educaci�n presencial (que deja de ser presencial) y la educaci�n a distancia (que deja de ser necesariamente "distante") en un ambiente donde la tecnolog�a permite al estudiante tomar los cursos desde cualquier localidad y en el momento en que considere conveniente, sin que el motivo sea necesariamente limitaciones de orden f�sico (por ejemplo, residir lejos de la Universidad). A�n en los cursos presenciales, las nuevas tecnolog�as ofrecen al instructor el potencial de transformar la organizaci�n actual de sus cursos, de permitir a los estudiantes investigar y avanzar a su ritmo, y de crear contenidos que puedan ser utilizados en diferentes cursos. En Ca�as [10] se presenta una serie de ideas sobre c�mo podr�a mejorarse mediante la tecnolog�a computacional algunos aspectos de la educaci�n a distancia. Pasamos a describir c�mo las herramientas que hemos descrito pueden apoyar algunos de estos cambios.

Figura 5: Contenidos de una versi�n preliminar de un curso de Estad�stica Aplicada (Arguea & Ca�as, 1998)

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a) Organización Lineal de los Cursos

La mayor�a de los cursos que han sido transformados a versiones en-l�nea son simples adaptaciones de los libros de texto o los apuntes del profesor, con algunas ligas aprovechando la facilidad que ofrece el sistema de hipertexto del WWW. Las p�ginas del WWW, a�n con sus enlaces, siguen una estructura lineal. Por lo general se tiene una p�gina con el �ndice o contenido, y ligas a las p�ginas de los diferentes temas. Cada tema se implementa como una secuencia de p�ginas.

La tecnolog�a actual presenta oportunidades para crear ambientes m�s poderosos que una secuencia de p�ginas de Web. Los mapas conceptuales, como se mostr� en la Figura 4, permiten al estudiante navegar a trav�s de los mapas y los medios seg�n su inter�s, el tema que est� investigando, la pregunta que est� tratando de contestar, � simplemente el orden en que desea estudiar el tema. No existe una secuencia predispuesta para la navegaci�n, como en el caso de un texto lineal. El estudiante puede navegar a trav�s de la jerarqu�a de mapas hasta un nivel tan profundo como desee y lo permita la subordinaci�n de los mapas. Esto es imposible de lograr mediante un libro de texto. La tecnolog�a nos permite liberarnos de esa estructura lineal. La Figura 5 muestra una versi�n preliminar del contenido para un curso de estad�stica aplicada, mediante el cual el estudiante puede navegar e investigar los temas seg�n su inter�s [11].

b) Una Organización Más Modular de los Temas

Especialmente a nivel de bachillerato universitario y de secundaria, los cursos generalmente se encuentran enmarcados dentro de la estructura del libro de texto. El profesor dif�cilmente puede desviarse de esa secuencia de cap�tulos. Organizar un curso basado en cap�tulos de diferentes libros de texto no es s�lo un dolor de cabeza administrativo, sino un problema legal de derechos de autor. El libro de texto se vuelve entonces una enorme limitaci�n para el profesor. La tecnolog�a puede ayudar a superar esta limitaci�n. Si en lugar de crear cursos, los autores se dedicaran a crear "m�dulos" -- unidades independientes que tratan un solo tema, y esos m�dulos fuesen accesibles v�a Internet, el profesor podr�a organizar su curso tomando m�dulos de diversas fuentes, escritos por diferentes profesores, de universidades distintas.

Los mapas conceptuales son un mecanismo ideal para la creaci�n de m�dulos independientes. Cada mapa, por definici�n, expresa el conocimiento sobre un contexto espec�fico. Un conjunto de mapas relacionados puede reunir el contenido de un tema. Estos mapas, por supuesto, tendr�n ligas o enlaces a mapas de otros temas. Sin embargo, esta relaci�n no se debe a la secuencia del curso, sino al contenido. El m�dulo del tema se convierte en una unidad independiente. En la Figura 5, el mapa conceptual sobre inferencia estad�stica junto con algunos mapas ligados a �ste forma un m�dulo hasta cierto punto independiente de los otros m�dulos del curso.

c) Re-Utilización de los Módulos en Diferentes Cursos

Hay temas que se repiten una y otra vez en diferentes cursos. Por ejemplo, "inferencia estad�stica" puede encontrarse como parte de un curso introductorio de estad�stica, un curso de dise�o de experimentos, o un curso de toma de decisiones como parte de un programa de maestr�a en administraci�n de empresas. Actualmente, lo m�s probable es que para cada uno de esos cursos, el libro de texto incluya un cap�tulo o secci�n sobre inferencia estad�stica.

Un m�dulo independiente sobre inferencia estad�stica, como el de la Figura 4, con ligas a otros m�dulos relacionados, creado por un experto en el tema, y representado por medio de mapas conceptuales, podr�a utilizarse en cada uno de estos cursos. Para cada uno de ellos, una liga al m�dulo permitir�a a los estudiantes navegar por los mapas, independientemente del curso que est�n tomando.

La educaci�n a distancia debe aprovechar al m�ximo las nuevas tecnolog�as, y no tratar de imitar las limitaciones presentadas por los libros de texto y la educaci�n presencial. Los mapas conceptuales, utilizados como herramienta para navegar y organizar informaci�n, nos proveen un entorno sobre el cual podemos construir ambientes educativos basados en un enfoque constructivista, y que puedan ser usados por estudiantes en cualquier lugar con acceso a Internet.

Conclusiones

Hemos presentado una variedad de usos de una herramienta computacional basada en la manipulaci�n de mapas conceptuales, que permite al usuario construir sus propios mapas y navegar a trav�s de sistemas de multimedia distribuidos en una red bas�ndose en los mapas de otros. La flexibilidad de la herramienta ha permitido su aprovechamiento por usuarios de todas las edades, desde ni�os peque�os hasta profesionales, en educaci�n en el aula y educaci�n a distancia, desde la escuela hasta centros de investigaci�n. La herramienta est� basada en la teor�a de aprendizaje de Ausubel y Novak [op.cit, op.cit]

Este proyecto fue financiado en parte por las agencias NASA Ames Research Center, U.S. Navy y National Imagery and Mapping Agency (NIMA) del Gobierno de EE.UU.

Referencias

[1] Novak, J. D. & D. B. Gowin. (1984). Learning How to Learn. New York: Cambridge University Press.

[2] Ausubel, D. P., J. D. Novak, & H. Hanesian. (1978). Educational Psychology: A Cognitive View (2a edici�n). New York: Holt, Rinehart & Winston. Reimpreso, 1986. New York: Warbel & Peck.

[3] Ford, K. M., A. J. Cañas, J. Jones, H. Stahl, J. Novak & J. Adams-Webber. (1991). ICONKAT: An Integrated Constructivist Knowledge Acquisition Tool, Knowledge Acquisition Journal, 3, pp. 215-236.

[4] Ford, K. M., J. W. Coffey, A. J. Cañas, E. J. Andrews & C.W. Turner. (1996). Diagnosis and Explanation by a Nuclear Cardiology Expert System, International Journal of Expert Systems, 9, pp 499-506.

[5] Cañas, A. J., K. M. Ford, J. Brennan, T. Reichherzer, & P. Hayes. (1995). Knowledge Construction and Sharing in Quorum, 7th World Conference on Artificial Intelligence in Education, Washington DC.

[6] Cañas A. J., K. M. Ford, J. Brennan, T. Reichherzer, P. Hayes, & N. Suri. (1996). An Environment for the Construction and Sharing of Knowledge, Proceedings of the Ninth Florida Artificial Intelligence Research Symposium, Key West, FL.

[7] Reichherzer, T., A. J. Cañas, K. M. Ford, & P. Hayes. (1998). The Giant: An Agent-based Approach to Knowledge Construction & Sharing, Proceedings of the Eleventh Florida Artificial Intelligence Research Symposium, Sanibel Island, Florida.

[8] Cañas, A. J., J. Coffey, T. Reichherzer, N. Suri, R. Carff, & G. Hill. (1997). El-Tech: A Performance Support System with Embedded Training for Electronics Technicians, Proceedings of the Eleventh Florida Artificial Intelligence Research Symposium, Sanibel Island, Florida.

[9] Bradshaw, J. M., D. Madigan, T. Richards, & G. Boy. (1993). Emerging Technology and Concepts for Computer-Based Training, Proceedings of the Sixth Florida Artificial Intelligence Research Symposium, Ft. Lauderdale, FL.

[10] Cañas, A. J. (1998). Algunas Ideas sobre la Educaci�n y las Herramientas Computacionales Necesarias para Apoyar su Implementaci�n, Memoria del IX Congreso Internacional sobre Tecnolog�a y Educaci�n a Distancia, San Jos�, Costa Rica. Reimpreso en Red: Educaci�n y Formaci�n Profesional a Distancia, Ministerio de Educaci�n, Espa�a (1999).

[11] Arguea, N., A. J. Cañas. (1998). Mapas Conceptuales como Herramienta en Estad�stica Aplicada: Una Propuesta para un Curso a Distancia, Memoria del IX Congreso Internacional sobre Tecnolog�a y Educaci�n a Distancia, San Jos�, Costa Rica