Inteligencia Artificial en la educación

Inteligencia Artificial en la educación

1.1 --- Sistemas de tutores inteligentes (ITS por sus siglas en ingles)

Bueno los sistemas tutores inteligentes basan su objetivo en poder transmitir la enseñanza de algún tópico en particular a través de sistemas se software, sin embargo, a diferencia del ilearning en el cual simplemente se muestra la información y se guarda conocimiento de las horas que ha estado un estudiante en el sistema y de vez en cuando se crean exámenes para calificar a alumno, en los ITS se lleva el conocimiento a que esto no sea supervisado al 100% con un humano, es decir, en los ilearning simplemente es un sistema (típicamente en web) donde el alumno puede encontrar recursos, posiblemente cuente con un foro par enviar sus tareas, realizar preguntas a su profesor o hacer comentarios a sus compañeros, sin embargo, en los ITS no se requiere exista un profesor humano detrás de ellos y ademas estos deben de ser capaz de generar el conocimiento y comprende que tanto a aprendido el estudiante, si es viable mostrarle mas información si se encuentra motivado con la materia si esta confundido y debe tener la capacidad de sacarlos de un estado que lo bloquee y le impida adquirir nuevo conocimiento, y es aquí donde entra la inteligencia artificial ,la cual provee de algoritmos y técnicas para poder interpretar los estados emocionales del individuo (claro esta con el apoyo a la par de otra áreas como psicología y pedagogía) y determinar que información es la pertinente a mostrar, claro se debe tener un núcleo que sea capaz de generar el conocimiento y abstraerlo y se debe planear como mostrar esta información.

Existen varios modelos de ITS siendo el mas común el siguiente:

Aqui se pueden observar fácilmente los 4 bloques con que cuentan los ITS, estos son:

Módulo de conocimiento: Particularmente este módulo es el que almacena toda la información de una forma tal que pueda ser abstraída por algún sistema y permita que el ordenador genere conocimiento a partir de ella.

Módulo del estudiante: Este módulo es el encargado de recuperar información acerca del alumno, normalmente recupera información a través de gestos con una cámara o a través de diversos sensores como pulseras que miden conductancia cutánea etc. Este módulo se encargara de brindar la información al módulo pedagógico acerca de cómo se encuentra ele estudiante, es decir cual es su estado anímico con respecto a la materia y que tanto ha aprendido con respecto a ella, si le ha sido difícil algún tópico en particular etc.

Módulo Pedagógico: Uno de los módulos mas polémicos del ITS es el pedagógico, debido a que es el encargado de interpretar la información enviada por el módulo del estudiante , procesarla y comunicarce con el modelo del conocimiento ara abstraer la información pertinente a mostrar al estudiante, normalmente se hace uso de redes bayesianas por la practicidad que tiene estas de medir el conocimiento con porcentajes "".

Módulo de Interfaz: Para concepto de investigación este módulo es poco importante y a veces despreciado, sin embargo, en sistemas reales este requiere de gran trabajo, puesto que una ves que el modulo pedagógico envía su información, el modulo de interfaz debe visualizar la forma en que esta será presentada al estudiante, cumpliendo con el objetivo, digamos que es la parte que el estudiante ve realmente y con la única "" que interactua constantemente. Manejo "" debido a que el módulo del estudiante puedo o no interactuar con el usuario final.

Como se puede apreciar es fácil distinguir entre un simple ilearning y un ITS, debido a que en el ITS se trata de crear a un tutor el cuál ayudara al alumno a adquirir un conocimiento, intentado guiarlo, motivándolo y ayudándolo, digamos que el ilearning es una colección de libros como una biblioteca y el ITS es el profesor.

Ejemplo sencillo e incoherente de un ITS

Con objeto de que quede mas ampliado el conocimiento de lo que es un ITS intentare mostrar el ejemplo de uno, aunque cabe aclarar no desarollado, simplemente ideas ocurridas en estos momentos, pero que de alguna manera conllevan base, es decir intentaré hacer el modelo borrador de un ITS algo así como si fuese una primera reunión de trabajo.

---problemática---

Se requiere la creación de un tutor que apoye en el conocimiento de la materia de análisis de imágenes.

---Modelo del conocimiento---

Se propone la creación de una ontología que guarde toda la información pertinente así como los ejercicios propuestos, de tal manera que el sistema sea capaz de identificar que ejercicio corresponde a cada tópico y pueda crear nuevo conocimiento, para esto el sistema contara con un función en la cual el modelo crea un problema y el sistema lo resuelve antes de poder enviárselo al modelo pedagógico, los ejercicios y la información deberán estar ordenados de tal manera que se pueda medir su nivel de dificultad.

---Modelo del estudiante---

Se propone recabar la información del estudiante a través de una cámara web, en este caso se usarán los métodos ya estudiados de gesticulaciones, se creara una red neuronal entrada con una población de individuos estadísticamente significativa, estos alumnos deberán formar parte del grupo en el cual se pretende establecer el sistema ITS, la red neuronal recibirá los datos del procesamiento de imágenes y tendrá determinadas clases como motivado, frustrado, confundido y aburrido , para el experimento los alumnos serán observados cada cierto tiempo por expertos humanos que anotaran en base a sus expresiones su estado de animo, esto alimentara a manera de clases a la red neuronal y posteriormente se implantara en el modelo de estudiante la red previamente entrenada.

---Modelo Pedagógico---

El modelo pedagógico pedirá constantemente al modulo del estudiante la clase a la que pertenece actualmente el estudiante en base a la red neuronal, una ves obtenido esto el sistema construirá una red bayesiana donde influirá la clase perteneciente con la información proporcionada por el modelo del conocimiento y construirá problemas o brindará información al estudiante si es necesario.

---Modelo de interfaz---

Aquí el modelo sera web y recibirá la información que deba de mostrar al alumno así como los ejercicios propuestos por el modelo pedagógico, mostrara siempre a un asesor virtual que será alimentado por el modelo pedagógico para fomentar la confianza del estudiante y mostrara todo el tiempo tanto sus avances como los de sus compañeros si es que el modelo pedagógico lo permite.

1.2--- Motivación

Este punto se centra principalmente en la definición de la motivación, aunque esto no es concerniente a la inteligencia artificial, o al menos no es su campo mas estudiado, recordemos que los ITS requieren de varias disciplinas, entre ellas la pedagógica y la psicológica, la imagen siguiente muestra un diagrama de venn del campo concerniente a los ITS:

Pues bien debido a que la tendencia de los ITS es enfocarse en la transmision del conocimiento con mira en los aspectos motivacionales, esto es, motivar o hacer que elalumno aprende de una forma en la que el este interesado siempre en hacerlo, evitar su aburrimiento y confusión en el mismo. Es necesario poder medir el estado en el que se encuentra cada estudiante, ya sea creando algun modelo específico o uno general.

Para poder lograr esto los ITS normalmente se centran en diferentes aspectos de las personas, estos aspectos han sido tomados y diseñados a través de las ciencias de la pedagogía y entre tantos los mas importantes a mi criterio personal son los siguientes:

Esfuerzo : detectar que tan persistente es un estudiante en la resolución de un problema.

Confianza: seguridad que tienen en si mismo para afrontar nuevos problemas de la materia en cuestión.

Persistencia: Cuando un alumno no puede resolver un problema, en que tiempo deja de intentarlo y pide ayuda al tutor para su resolución.

Los objetivos principales que se persiguen con la motivación de los ITS en primer lugar es detectarla y en segundo lugar brindarle puntos para poder reaccionar ante el grado de motivación del estudiante para poder mantenerla o aumentarla, incluso poderle pedir al estudiante que por ese día abandone los estudios si es que el sistema detecta que el alumno no esta dispuesto o esta incapacitado en ese momento como para aprender un nuevo tópico.

Existen diversos análisis para poder reaccionar ante los grados de motivación, cabe aclarar que con respecto a medir la motivación personalmente confío mas en la lógica difusa, debido a que esta nos permite crear grados de membresia y no creo particularmente en la medición puntual como si fuese una regla es decir,me gusta mas visualizar, el alumno esta mas confundido que distraído a ver el alumno tiene motivación 3.

Un problema central al intentar medir la motivación es que aspectos de la motivación nos interesan, esto claro con respecto a lo que involucra aprender un nuevo conocimiento, como tal un modelo a mi gusto bastante creativo e interesante es el propuesto por kapor y picard y es el siguiente:

Como podemos observar este autor diseñó un modelo en base al sistema cartesiano en donde es fácil visualizar los estados motivacionales requeridos para el desarrollo de un ITS y mas aun muestra una clara jerarquía, lo que puede llevar a desarrollar mejores manejos para ubicar a un individuo en un estado deseado, existen números estudios acerca de como reaccionar ante diversos momentos en los que se encuentra un estudiante, esto es una ves tomando el tipo de información que se requiera para la enseñanza de un tema en particular y ubicado el estado motivacional del estudiante, si este ultimo no es el indicado ¿como debe de reaccionar el modelo pedagógico para intentar motivar al alumno a un grado tal que sea capaz de entender el tema nuevo a tratar?. A este tipo de planeación usualmente se le llaman planes motivacionesle, la siguiente imagen muestra un ejemplo de uno de ellos propuesto por Teresa del Soldato:

Existen numerosos planes, de hecho , a mi particular punto de vista cada ITS debería diseñar sus propios planes basados específicamente en el tipo de alumnos que se desea enseñar y las materias que se deben de abordar. Esto lo comento por que no creo puedan funcionar las misma estrategias para motivar a un estudiante que está aprendiendo biología molecular a uno que esta aprendiendo física elemental. pero aclaro es mi particular punto de vista. ustedes tendrán el suyo claro esta.

2.1 De la motivación y teoría de la cortesia

Tocar este tema no es facil cuando se tiene ojos ingenieriles, es decir, si se trata de crear discusiones vagas y sin sentido es muy fácil comenzar a discutir acerca de la motivación, pero cuando se trata de medirla la cuestión cambia completamente.

El hecho de que las emociones influyen gravemente en el deseo de aprender de las personas no es nuevo, sin embargo, en cuestión pedagógica no tiene mucho tiempo que se comenzaron a platear este tipo de polémicas en las cuales no solo se trata de enseñar a un alumno, si no, ademas de esto mantenerlo motivado, para que de esta forma el se introduzca mas a fondo, e incluso tenga la virtud y capacidad de poder formar un criterio propio, ya en la antigüedad se decía que el buen alumno supera al maestro , sin embargo nunca se manejo que el buen maestro es aquel que sabe y logra que sus alumnos lo superen.

Pues bien en el ámbito de la inteligencia artificial en la educación, al intentar crear tutores que sena capaces de trasmitir conocimiento a los alumnos, se debe tomar especial cuidado en que estos programas sean capaces de alguna manera de mantener entretenido al alumno y mostrarle específicamente la información necesaria, esto es debido a que, normalmente no son la unica fuente de conocimientos que tiene el alumno, ya que , es probable y casi seguro este cuente con un aula , libros y un tutor humano que le transmitan el conocimiento, entonces si no se logra crear un software que sea capaz de mantener entretenido a la persona es fácil que esta deje de usar la plataforma diseñada como tutor virtual.

Hacer esto es mas fácil decirlo que hacerlo, pues bien, medir la motivación es una tarea difícil y eje de muchas investigaciones, y otra es mantener al alumno motivado cuando se detecte que este se encuentra en un estado de aburrimiento o confusión, claro es que existen tácticas para esto tanto pedagógicas como del área de ingeniería y tal es el caso de los estudios de Teresa de Soldato. sin embargo , en la mayoría de estos (menciono mayoría por ignorancia ya que no he encontrado uno solo que hable de modelos generales y afirmen funcionen) se basan a hacer cuestionarios y análisis de la población en cuestión en donde será creado el sistema, debo admitir que estoy de acuerdo con esto personalmente, ya que a mi parecer crear un modelo general de motivación es demasiado fantasioso a mi simple y humilde parecer.

Cabe mencionar sin embargo que existen sistemas, que , debido a su naturaleza deben de mantener al "estudiante" atento y motivo y estos son los videojuegos de rol, en los cuales normalmente al principio te muestran un avatar que te explica las reglas del juego (por ejemplo final fantasy VIII) interactuando desde el principio con la idea de no confundir al jugador y hacerle mas ameno el inicio, existen otros tomados con enfoque conexionista en donde permiten que usuarios mas experimentados tomen este trabajo (por ejemplo world of warcraft).

En estos juegos siempre el tutor es un tanto amable o está enfocado a como debe de ser la personalidad de la persona desde el inicio, para tal efecto normalmente hacen estudios en donde tienen identificados y agrupados a los jugadores de acuerdo al tipo de avatar que han creado, esto puede o no funcionar, pero si estas compañías logran hacer que los jugadores se mantengan emocionados significa que al menos funciona para un espectro amplio de personas.

El hecho de ser corteses forma parte de lo que ahora se le conoce como teoría de la cortesía en la cual se habla de que la forma en la cual se expresa una persona a otra influye mucho en como queremos vernos o ser tratados, por ejemplo no es lo mismo pedir algo como un favor o como una orden. Si definimos a la cortesía como "un instrumento para suavizar los roces en la interacción social", podremos entonces entender el concepto de esta teoría la cual afirma que existe una imagen social que todos queremos conservar esta imagen social puede ser negativa (que representa el deseo de un individúo de ser autónomo y de no caer bajo el control de otros) o positiva (representa el deseo de parecer digno ante la población , normalmente tener aprobación de la misma).

Cabe mencionar que existen muchas otras teorías que se deben de tomar en cuenta al crear un tutor que intente mantener motivado a una persona, por mencionar a algunas tenemos:

La teoría de los actos de habla de Searle: basada en el enfoque anterior de Austin, que explica cómo se producen ciertos malentendidos e identifica algunos supuestos detrás de actos convencionales que permiten explicar por qué oraciones con formas gramaticales diferentes tienen aproximadamente el mismo sentido pragmático.

La teoría de la relevancia de Sperber y Wilson: que a través de un esquema semiformal explica cómo los hablantes hacen deducciones e inferencias a partir de lo que se va diciendo en una conversación o interacción lingüística para ir creando un contexto lingüístico en el que interpretar debidamente los siguientes enunciados.

El principio de cooperación de Grice: que, al estilo de la teoría de juegos, estudia cómo los participantes en una interacción usan ciertos principios tácitos que facilitan la inferencia e interpretación de lo que se dice.

La teoría de la argumentación de Anscombre y Ducrot: que analiza los elementos lingüísticos asociados al razonamiento informal, observa cómo los argumentos y las conclusiones son introducidos en una discusión y establece lo que es un argumento típico pragmáticamente pertinente, aunque no estrictamente lógico.

3.1 Ambientes

Pues bien llegados aquí es fácil detectar un problema con los ITS y cualquier medio computacional que intente transmitir el conocimiento a las personas y este es la interfaz, el ambiente, la forma en la que se presentará la información, Debo mencionar que antes pensaba en que la mejor forma de poder transmitir el conocimiento al usuario era de una forma minimalista, es decir crear un tutor que vaya proporcionando información de acuerdo a las necesidades específicas del estudiante, sin embargo recientemente por una práctica tuve que ingresar second life, el cual es un videojuego en 3d parecido a los juegos de rol en donde uno crea un avatar humano y se mueve por un mundo virtual completo y es capaz de interactuar con el medio, bien el juego consta de diversas áreas en donde puedes hacer prácticamente de todo lo que haría una persona en un mundo real, claro con cuestiones irreales como volar etc. bueno prosiguiendo en el mismo orden de ideas , fue necesario por concepto de la práctica entrar a un área llamada scilands, la cual es un complejo parecido a un museo de amplia diversidad donde uno puede aprender cuestiones como nanotecnología, medicina, física. aeronáutica,astronomía y biología (debo comentar que estas fueron las secciones de la isla que explore sin embargo, alcance a observar existen muchas más áreas), pues bien al ingresar a cualquier área uno va caminando y viendo vídeos, fotos pinturas como si uno estuviera en un museo, debo aclarar que no tenia conocimiento de este juego y que en pocos minutos me acostumbre incluso al estar navegando tarde mas de una hora viendo el museo de nanotecnología, lo curioso es que había pasado ese tiempo y yo sin darme cuenta estaba aprendiendo de una forma interactiva cuestiones básicas de esta área como sus origines investigaciones recientes etc, parecía como si viera varios documentales de natgeo pero yo tuviera el poder de elegir cual veo si regreso a uno o a otro etc. esto me motivo a pensar que es factible este tipo de ambientes para aprender ya que logra mantener entretenido, asu ves el hecho de conocer gente que esté interesados en estos temas es producente debido a que uno conoce a personas con conocimientos que pueden transmitirse,(esto entra dentro del modelo conexionista de los ITS), pues bien navegando por la sala principal que da la bienvenida al área noté que habían clases virtuales de la universidad se Massachusetts, esto fue muy agradable ya que un aula de estudio completa recibía sus clases en este medio y que los alumnos podían interactuar de una forma como si estuvieran en la vida real, aprendiendo y comunicandose y que después de la clase podían salir a un complejo de museos que aclaran sus dudas con respecto a los temas vistos en clase.

Esto me motivo a pensar de nuevo mis ideas iniciales a otra en donde si se desea tener a un tutor es necesario crear una seria de interfaces que no solo brinden información, si no que logren de alguna forma entretener al estudiante, sumergiendolo en el conocimiento sin que el se de cuenta.

3.2 Entorno de exploración

En este contexto un entorno de exploración es un entorno de juego en que el jugador / alumno se le anima a explorar y en el que hay un alto grado de control alumno / reproductor y la autonomía.

Pues bien , el iniciar siempre es una de las partes fundamentales de cualquier proceso, desición , pensamiento, idea o sueño . sin embargo continuar y concluir es la verdadera gema de la corona.

El sumergir a un estudiante en un ambiente con el objetivo de que este aprenda un tema en específico siempre será difícil, debido a que no sabemos como se comportará el usuario, cuales son sus gustos, que es lo que realmente necesita y lo peor como lograr tome confianza en el software que se le está mostrando.

Los ambientes creados con el objetivo de trasmitir conocimiento deben ser ricos en información e interactividad, asu vez deben de tener un buen balance entre la libertad del alumno por investigar cosas nuevas o indagar en los temas y la información que proporciona el sistema.

Otro aspecto interesante que un entorno debe de poder manejar es la creación de reglas que permitan de alguna forma entender al estudiante con el objetivo de poder anticiparse a sus reacciones, mostrar información pertinente y saber como mostrarla y sobre todo cuando, normalmente para lograr esto es factible apoyarse del machine learning y/o técnicas de data mining etc.

Otra idea fundamental y que a mi parecer es muy positiva es la de crear escenarios que fomenten la participación y colaboración de varios alumnos, he de pensar es una cuestión como la integración de ejercicios en equipo en donde el sistema detecte ciertas fortalezas y debilidades de los alumnos cree estratégicamente equipos y les ponga a resolver alguna actividad en común con el objetivo de que aprendan en grupo, se conozcan se tengan confianza y fomenten una retroalimentación entre ellos.

Una parte fundamental es poder capturar información acerca de las cuestiones meta-afectivas, ya que no todo se en estos sistemas es enseñar un tópico, si no realmente. es dar las bases para que el alumno investigue por cuenta, (crear un balance), para tal motivo se requiere diseñar metodologías que fomenten el deseo del alumno por aprender cierto tema y no simplemente obligarlo a aprender, ya que para esta cuestión es preferible crear archivos de lectura (pdf por ejemplo) y obligar a leerlos y se evitaría todo el increíble trabajo de crear entornos inteligentes que fomenten el aprendizaje.

3.3 Ejemplo tonto de un entorno exploratorio

Pues bien, un entorno que hace tiempo llamo mi atención y que ahora que estoy estudiando esta materia (inteligencia artificial en la educación) llamo a un mas son los juegos de rol, ya que estos son largos, normalmente complicados, a veces tediosos y generalmente fantasiosos y con nada provecho mas que perder el tiempo, sin embargo, logran mantener al jugador alegre, en ocasiones preocupado por terminar una misión , e inclusive logran mantener a una persona largas horas en ellos, aqui analizaré el entorno del juego final fantasy VIII ¿por que lo hago?, simplemente por que creo la manera en la que explica las reglas y brinda conocimiento para continuar, lo siento correcta para un sistema de aprendizaje serio.

Los puntos esenciales que me agradaron de su entorno son:

1. Al inicio un personaje del juego a manera de tutor de explica las reglas logrando inmiscuirte en el juego desde el inicio.
2. El sistema intuye en que partes necesitaras ayuda y modifica la historia dependiendo el comportamiento observado en el juego de modo que tu tutor aparece mágicamente sin afectar la historia para ayudarte o explicarte conceptos que de acuerdo a la forma de juego no han quedado claros.
3. La ayuda que proporciona el tutor para terminar el juego va disminuyendo , es decir, comienza estando con uno todo el tiempo y posteriormente va desapareciendo debido a que al inicio del juego uno tiene muchas dudas y posteriormente uno se vuelve experto en el mismo.
4. El ambiente nunca abandona el objetivo inicial, sin embargo aunque uno conoce el propósito mas general, el sistema te envuelve en una serie de micro propósitos (objetivos de corto alcance) que lograran hacer que uno logre el objetivo final, sin embargo, estos objetivos o propósitos pueden ser seleccionados de forma independiente, es decir no están estructurados, lo cual brinda cierta libertad.

A mi propio parecer siento que estas cualidades deben de tomarse en cuenta al diseñar un ITS o un entorno