Herramientas para Construir y Compartir Modelos de
Conocimiento[1]
Alberto J. Cañas, Kenneth M. Ford, John Coffey, Thomas Reichherzer, Niranjan Suri, Roger Carff, David
Shamma, Greg Hill, Morgan Hollinger, Tim Mitrovich
Institute for Human & Machine
Cognition
Pensacola, FL EE.UU. 32502
Resumen
Este artículo presenta el avance de
un proyecto de investigación cuyo objetivo es el desarrollo de nuevas
tecnologías 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 construcción y crítica de
conocimiento y la navegación a través de sistemas de multimedia en red creados
por expertos. Las herramientas integran nuevas y variadas tecnologías con
enfoques modernos de educación, y de navegación y organización de información.
1. Introducción
La red
mundial Internet, en conjunto con la WWW, han hecho que una cantidad cada vez
mayor de información esté disponible para cualquier persona en cualquier lugar,
con acceso a una computadora conectada a la red. Sin embargo, la organización
de esta información, y las herramientas disponibles para navegar a través de
ella no proveen un ambiente adecuado para la busca de información, y mucho
menos para el aprendizaje. Al navegar por las páginas de la WWW, el usuario
pocas veces tiene un modelo apropiado de la organización de estas páginas, y al
seleccionar las ligas o enlaces, frecuentemente no tiene idea de cuál va a ser
el contenido de la página destino. En general, las páginas de WWW no difieren
mucho en su contenido y estructura de las páginas en papel, a pesar de ser
complementadas con enlaces (sin semántica) conectándolas entre ellas.
Igualmente, al utilizar páginas de WWW como base para la creación de cursos de
educación a distancia, el resultado usualmente es una página de contenido o
índice, con enlaces a módulos o “capítulos” que consisten de una secuencia de
páginas. Esta imitación de la estructura de un libro de texto no aprovecha
verdaderamente la flexibilidad que ofrecen las nuevas tecnologías.
Proponemos el uso de modelos de conocimiento, basados
en mapas conceptuales, como infraestructura para la creación de ambientes de
multimedia, tanto por estudiantes como por profesores, científicos y expertos.
Las herramientas de software, basadas en un enfoque constructivista del
aprendizaje, permiten al usuario construir mapas conceptuales, conectarlos
entre sí mediante enlaces con semántica, y complementar las proposiciones con
otros medios como imágenes, vídeo, fotos, gráficos, texto, páginas de WWW, etc.
Las herramientas son sumamente flexibles, y entre
sus usuarios se encuentra desde niños de educación primaria en Latinoamérica,
hasta científicos de la NASA debatiendo el lugar más 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
información, basándose en el conocimiento del experto como guía en la
navegación. Los estudiantes, además de construir sus mapas conceptuales para
demostrar gráficamente su conocimiento sobre un tema específico, colaboran
electrónicamente entre sí en la construcción de sus mapas, los complementan con
imágenes, vídeo, texto, etc., los ligan a aquellos de otros estudiantes en su
escuela u otras escuelas, o a los mapas de expertos, y automáticamente publican
su modelo en la Internet, permitiendo la navegación a otros estudiantes. Científicos
usan las herramientas para representar y publicar modelos de sus
investigaciones, permitiendo la crítica constructiva y promoviendo la
colaboración entre ellos. La creación de módulos sobre diferentes temas por
parte de profesores está siendo utilizada como base en la creación de cursos –
tanto a distancia como dentro del aula.
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Figura 1.
Mapa conceptual sobre plantas |
2. Mapas Conceptuales
Los mapas conceptuales, desarrollados por Novak (Novak
& Gowin, 1984), se usan como un medio para la descripción y comunicación de
conceptos dentro de la teoría de asimilación, una teoría del aprendizaje que ha
tenido una enorme influencia en la educación (Ausubel et al., 1978). La teoría
está basada en un modelo constructivista de los procesos cognitivos humanos. El
mapa conceptual es la principal herramienta metodológica de la teoría de
asimilación para determinar lo que el estudiante ya sabe. En ambientes
educativos, los mapas conceptuales han ayudado a personas de todas las edades a
examinar los más variados campos de conocimiento (Novak & Gowin, 1984).
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Figura 2. Mapa conceptual preliminar
sobre Astrobiología, la ciencia que estudia el origen y evolución de la vida
en el universo |
El mapa conceptual es una representación gráfica de un
conjunto de conceptos y sus relaciones sobre un dominio específico
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
conectándolos. De esta forma, los mapas conceptuales representan las relaciones
significativas entre conceptos en forma de proposiciones o frases
simplificadas: dos o más conceptos ligados por palabras para formar una unidad
semántica. La Figura 1 muestra un mapa conceptual sobre plantas
creado por un niño. Por convención, las ligas se leen de arriba hacia abajo a
menos que incluyan una punta de flecha.
Las mapas conceptuales son usados para ayudar a los
estudiantes a “aprender cómo aprender” haciendo evidentes las estructuras
cognitivas y el conocimiento auto-construido (Novak & Gowin, 1984). Dada la
diversidad de usuarios – desde niños hasta científicos – los mapas pueden ser muy sencillos, como en el caso de la
Figura 1, ó pueden llegar a ser muy complejos. Por ejemplo, la Figura 2 muestra
el mapa conceptual preliminar desarrollado como resultado de entrevistas a
científicos de la NASA sobre Astrobiología, con el objetivo de definir la nueva
ciencia. Los mapas conceptuales son utilizados también como herramienta en el
proceso de adquisición de conocimiento en el desarrollo de sistemas expertos
(Ford et al., 1991; Ford et al., 1996).
3. Mapas Conceptuales como
herramienta para navegación en Internet
Como se puede apreciar en las Figuras 1 y 2, los mapas
conceptuales son un magnífico 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 fácil de
comprender para navegar en un sistema de multimedia. La Figura 3 muestra un
modelo construido por un niño que utiliza mapas para organizar imágenes, vídeo,
y texto. Relaciones de generalización y especialización entre los conceptos
conllevan a una organización jerárquica de mapas conceptuales. Al hacer el
modelo accesible en Internet, éste 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 menú de iconos. Estos corresponden a diversos medios (texto, imágenes,
vídeo, otros mapas conceptuales, etc.) relacionados al tema del nodo (concepto)
seleccionado. Al seleccionar un icono, el sistema despliega información de
otros recursos que contienen información 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 imágenes de
frutos; el usuario puede seleccionar aquella que desea desplegar. El segundo
icono mostraría una lista de textos explicatorios sobre frutos. El tercero, que
representa un mapa conceptual, mostrará 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
económico. En cualquier caso, la lista desplegada al seleccionar el icono
indicará 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.
Los iconos aparecen en diversas combinaciones
dependiendo de la información disponible sobre el concepto dado. El problema de
navegación – perdidos en el hiperespacio – común en los sistemas de multimedia
y persistente en la navegación de la WWW, se resuelve fácilmente en la
navegación con mapas conceptuales. Todas las ligas tienen semántica, ya sea
explícita en el mapa, o por contexto al navegar entre mapas u otros medios. El
usuario sabe siempre hacia dónde va al seguir una liga, en contraste con otras
herramientas de navegación, especialmente en la WWW.
La construcción de los mapas es fácil. Mediante un
editor de uso sencillo, el usuario relaciona los medios (vídeo, imágenes, 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 extensión y omnipresencia de Internet, se puede
entonces construir sistemas de multimedia accesibles desde cualquier lugar del
mundo. El programa está escrito en Java, lo cual implica que puede ser
ejecutado en cualquier plataforma computacional (Windows, Macintosh, UNIX,
etc.)
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Figura 3. Mapas
conceptuales como medio para navegar por un ambiente de multimedia sobre
plantas |
4. Construcción de proyectos por estudiantes
El enfoque constructivista enfatiza la construcción de
nuevo conocimiento y maneras de pensar mediante la exploración y la manipulación
activa de objetos e ideas, tanto abstractas como concretas. Extendiendo los
métodos de trabajo en el aula, recientemente, investigaciones en educación
recomiendan el trabajo colaborativo – estudiantes trabajando en proyectos en
grupo colaborando en la solución de problemas. Sin embargo, los ambientes de
educación tradicionales usualmente no están organizados para este tipo de
actividades, y las herramientas de computación disponibles para apoyar la
educación 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
años para determinar cuánto sabe un estudiante
sobre un tema específico. En particular, estos hacen evidentes errores de
concepto por parte de los alumnos (Novak & Gowin, 1984). 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 pedagógico, la construcción de
proyectos por parte de los estudiantes usando esta herramienta ataca
un problema común provocado por el fácil acceso a Internet: son tantos los
recursos disponibles sobre cualquier tema, que para el estudiante es sumamente
sencillo copiar y pegar imágenes, 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 difícil que construya un mapa correcto si no tiene un buen dominio
del tema.
La modularidad de los mapas para organizar
información, 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 creación de modelos complejos, a los cuales se les
puede ir agregando contenido con el tiempo. Los mapas se ligan fácilmente entre
sí, formando una representación del conocimiento del grupo. Esta facilidad
complementa el ambiente de colaboración en la construcción de mapas
conceptuales basado en “Sopas de Conocimiento” y el “Gigante” descrito en Cañas
et al. (1995, 1996) y Reichherzer
(1998).
5. Educación Justo-a-Tiempo
Las herramientas
para la construcción de modelos de conocimiento, junto con componentes de
sistemas de apoyo en el desempeño del trabajo (performance support systems) y
sistemas expertos, son la base de una nueva generación de ambientes
computacionales para educación a distancia con entrenamiento justo-a-tiempo que
estamos desarrollando en un proyecto conjunto con la Marina de los Estados
Unidos (Cañas et al., 1997). Por ejemplo, como parte de un módulo de
entrenamiento en el diagnóstico y mantenimiento de un equipo electrónico en
particular, los mapas conceptuales permiten representar explícitamente un
modelo del conocimiento de un experto reconocido en el área. Este incluye las
particularidades de la forma en que este experto lleva a cabo el diagnóstico,
las cuales usualmente no se encuentran en el manual y precisamente lo
caracterizan como experto. Los mapas conceptuales, junto con los componentes de
diagnóstico y apoyo en el trabajo, y su funcionamiento a través de una red,
proveen el apoyo necesario en casos en los cuales el técnico necesita la
capacitación en el justo momento en que necesite arreglar el equipo (Bradshaw
et al, 1993), o requiere de un curso de repaso. Al mismo tiempo, el sistema
también pretende aumentar la comprensión conceptual del técnico sobre el funcionamiento
del equipo.
6. Organización de
información
La representación concisa y gráfica del conocimiento
mediante mapas conceptuales, y la posibilidad de enlaces, ya sea jerárquicos u
horizontales entre mapas, resultan en un ambiente ideal para crear un entorno
navegable en el cual los usuarios pueden encontrar la información que buscan, o
deambular por el ambiente investigando diversos temas. Si además basamos el
modelo en mapas conceptuales construidos por expertos en el tema, los usuarios
al navegar se están “parando en los hombros de un gigante”.
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Figura 4. Ambiente multimedia sobre
Marte basado en mapas conceptuales para la organización y navegación de los
contenidos |
La Figura 4 muestra una imagen de pantalla, resultado
de navegar por un conjunto de docenas de mapas sobre Marte que estamos
construyendo en colaboración con el Centro de Exploración de Marte de la NASA
en Ames, California. Los mapas forman una representación concisa del
conocimiento actual sobre Marte, a los cuales están ligados cientos de recursos
(imágenes, vídeo, textos, etc.). Estos fueron construidos por expertos del
Centro con el propósito de crear un ambiente disponible a través de CD-ROMs y
la Internet para estudiantes de secundaria
y el público en general. Los mapas no solamente sirven como un índice
para facilitar el acceso a la información, sino que en sí representan el
conocimiento de científicos en el tema: al navegar a través del
ambiente, el usuario está navegando sobre el modelo de conocimiento de estos
expertos.
Los mapas conceptuales, junto con sus ligas y
recursos (imágenes, vídeo, textos, páginas de WWW), son también accesibles como
páginas de HTML. En otras palabras, utilizando cualquier software para navegar
el WWW, podemos acceder un ambiente basado en mapas conceptuales como medio de
navegación. De esta manera, estas herramientas para construcción de mapas
conceptuales están siendo usadas para organizar sitios del Web, que son
accedidos a través de “índices” representados mediante modelos de conocimiento
expresados por mapas conceptuales.
7. Educación a distancia
La educación a distancia está sufriendo una transformación como
consecuencia de la facilidad de comunicación y rápido acceso a grandes volúmenes
de información que provee la red Internet. Dentro de sus objetivos
tradicionales (dar acceso a la educación a aquellos sectores de la población
que por razones de distancia u horario no puedan atender la educación
tradicional), las redes computacionales mundiales amplían enormemente las
posibilidades de entrega y acceso. Al mismo tiempo, las instituciones que
tradicionalmente se han dedicado a una educación “presencial”, al percatarse
del potencial (en muchos casos económico) de versión a distancia, han empezado
a transformar sus cursos presenciales en cursos “a distancia”. Como resultado,
se está dando una convergencia de la
educación presencial (que deja de ser presencial) y la educación a distancia
(que deja de ser necesariamente “distante”) en un ambiente donde la tecnología
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 físico (por ejemplo, residir lejos de la Universidad).
Aun en los cursos presenciales, las nuevas tecnologías ofrecen al instructor el
potencial de transformar la organización 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 Cañas (1998) se
presenta una serie de ideas sobre cómo podría mejorarse mediante la tecnología
computacional algunos aspectos de la educación a distancia. Pasamos a describir
cómo las herramientas que hemos descrito pueden apoyar algunos de estos
cambios.
a)
Organización
no lineal de cursos
La mayoría de los cursos
que han sido transformados a versiones en-línea 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 páginas del WWW, aún
con sus enlaces, siguen una estructura lineal. Por lo general se tiene una
página con el índice o contenido, y ligas a las páginas de los diferentes
temas. Cada tema se implementa como una secuencia de páginas.
La tecnología actual presenta oportunidades
para crear ambientes más poderosos que una secuencia de páginas de Web. Los
mapas conceptuales, como se mostró en la Figura 4, permiten al estudiante
navegar a través de los mapas y los medios según su interés, el tópico que está
investigando, la pregunta que está tratando de contestar, ó simplemente el
orden en que desea estudiar el tema. No existe una secuencia predispuesta para
la navegación, como en el caso de un texto lineal. El estudiante puede navegar
a través de la jerarquía de mapas hasta un nivel tan profundo como desee y lo
permita la subordinación de los mapas. Esto es imposible de lograr mediante un
libro de texto. La tecnología nos permite liberarnos de esa estructura lineal.
La Figura 5 muestra una versión preliminar del contenido para un curso de estadística
aplicada, mediante el cual el estudiante puede navegar e investigar los temas
según su interés (Arguea & Cañas, 1998).
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
difícilmente puede desviarse de esa secuencia de capítulos. Organizar un curso
basado en capítulos de diferentes libros de texto no es sólo un dolor de cabeza
administrativo, sino un problema legal de derechos de autor. El libro de texto
se vuelve entonces una enorme
limitación para el profesor. La tecnología puede ayudar a superar esta
limitación. Si en lugar de crear cursos, los autores se dedicaran a crear
“módulos” -- unidades independientes que tratan un solo tema, y esos módulos
fuesen accesibles vía Internet, el profesor podría organizar su curso tomando
módulos de diversas fuentes, escritos por diferentes profesores, de
universidades distintas.
Los mapas
conceptuales son un mecanismo ideal para la creación de módulos independientes.
Cada mapa, por definición, expresa el conocimiento sobre un contexto
específico. Un conjunto de mapas relacionados puede reunir el contenido de un
tema. Estos mapas, por supuesto, tendrán
ligas o enlaces a mapas de otros temas. Sin embargo, esta relación no se debe a
la secuencia del curso, sino al contenido. El módulo del tema se convierte en
una unidad independiente. En la Figura 5, el mapa conceptual sobre inferencia
estadística junto con algunos mapas ligados a éste forma un módulo hasta cierto
punto independiente de los otros módulos del curso.
c) Re-utilización
de módulos en diferentes cursos
Hay temas que se repiten una y otra vez en
diferentes cursos. Por ejemplo, “inferencia estadística” puede encontrarse como
parte de un curso introductorio de estadística, un curso de diseño de
experimentos, o un curso de toma de decisiones como parte de un programa de
maestría en administración de empresas. Actualmente, lo más probable es que para
cada uno de esos cursos, el libro de texto incluya un capítulo o sección sobre
inferencia estadística.
Un módulo independiente sobre inferencia
estadística, como el de la Figura 4, con ligas a otros módulos relacionados,
creado por un experto en el tema, y representado por medio de mapas
conceptuales, podría utilizarse en cada uno de estos cursos. Para cada uno de
ellos, una liga al módulo permitiría a los estudiantes navegar por los mapas,
independientemente del curso que están tomando.
La educación a distancia debe aprovechar las nuevas
tecnologías al máximo, y no tratar de imitar las limitaciones presentadas por
los libros de texto y la educación presencial. Los mapas conceptuales,
utilizados como herramienta para navegar y organizar información, 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.
8. Conclusiones
Hemos presentado una variedad de usos de una herramienta
computacional basada en la manipulación de mapas conceptuales, que permite al
usuario construir sus propios mapas y navegar a través de sistemas de
multimedia distribuidos en una red basándose en los mapas de otros. La
flexibilidad de la herramienta ha permitido su aprovechamiento por usuarios de
todas las edades, desde niños pequeños hasta profesionales, en educación en el
aula y educación a distancia, desde la escuela hasta centros de investigación.
La herramienta está basada en la teoría de aprendizaje de Ausubel y Novak
(Ausubel et al, 1978; Novak & Gowin, 1984).
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