A Semantic Approach to Problem-Based Learning with Conceptual Models

El aprendizaje basado en problemas se lleva aplicando con éxito durante las últimas tres décadas en un amplio rango de entornos de aprendizaje. Este enfoque educacional consiste en proponer problemas a los estudiantes de forma que puedan aprender sobre un dominio particular mediante el desarrollo de soluciones a dichos problemas. Si esto se aplica al modelado de conocimiento, y en particular al basado en Razonamiento Cualitativo, las soluciones a los problemas pasan a ser modelos que representan el compotamiento del sistema dinámico propuesto. Por lo tanto, la tarea del estudiante en este caso es acercar su modelo inicial (su primer intento de representar el sistema) a los modelos objetivo que proporcionan soluciones al problema, a la vez que adquieren conocimiento sobre el dominio durante el proceso. En esta tesis proponemos KaiSem, un método que usa tecnologías y recursos semánticos para guiar a los estudiantes durante el proceso de modelado, ayudándoles a adquirir tanto conocimiento como sea posible sin la directa supervisión de un profesor. Dado que tanto estudiantes como profesores crean sus modelos de forma independiente, estos tendrán diferentes terminologías y estructuras, dando lugar a un conjunto de modelos altamente heterogéneo. Para lidiar con tal heterogeneidad, proporcionamos una técnica de anclaje semántico para determinar, de forma automática, enlaces entre la terminología libre usada por los estudiantes y algunos vocabularios disponibles en la Web de Datos, facilitando con ello la interoperabilidad y posterior alineación de modelos. Por último, proporcionamos una técnica de feedback semántico para comparar los modelos ya alineados y generar feedback basado en las posibles discrepancias entre ellos. Este feedback es comunicado en forma de sugerencias individualizadas que el estudiante puede utilizar para acercar su modelo a los modelos objetivos en cuanto a su terminología y estructura se refiere. ABSTRACT Problem-based learning has been successfully applied over the last three decades to a diverse range of learning environments. This educational approach consists of posing problems to learners, so they can learn about a particular domain by developing solutions to them. When applied to conceptual modeling, and particularly to Qualitative Reasoning, the solutions to problems are models that represent the behavior of a dynamic system. Therefore, the learner's task is to move from their initial model, as their first attempt to represent the system, to the target models that provide solutions to that problem while acquiring domain knowledge in the process. In this thesis we propose KaiSem, a method for using semantic technologies and resources to scaffold the modeling process, helping the learners to acquire as much domain knowledge as possible without direct supervision from the teacher. Since learners and experts create their models independently, these will have different terminologies and structure, giving rise to a pool of models highly heterogeneous. To deal with such heterogeneity, we provide a semantic grounding technique to automatically determine links between the unrestricted terminology used by learners and some online vocabularies of the Web of Data, thus facilitating the interoperability and later alignment of the models. Lastly, we provide a semantic-based feedback technique to compare the aligned models and generate feedback based on the possible discrepancies. This feedback is communicated in the form of individualized suggestions, which can be used by the learner to bring their model closer in terminology and structure to the target models.

A policy-driven architecture for supporting joint degrees through e-learning services

En un mercado de educación superior cada vez más competitivo, la colaboración entre universidades es una efectiva estrategia para acceder al mercado global. El desarrollo de titulaciones conjuntas es un importante mecanismo para fortalecer las colaboraciones académicas y diversificar los conocimientos. Las titulaciones conjuntas están siendo cada vez más implementadas en las universidades de todo el mundo. En Europa, el proceso de Bolonia y el programa Erasmus, están fomentado el reconocimiento de titulaciones conjuntas y dobles y promoviendo la colaboración entre las instituciones académicas. En el imparable proceso de la globalización y convergencia educativa, el uso de sistemas de e-learning para soportar cursos tanto semipresencial como online es una tendencia en crecimiento. Dado que los sistemas de e-learning soportan una amplia variedad de cursos, es necesario encontrar una solución adecuada que permita a las universidades soportar y gestionar las titulaciones conjuntas a través de sus sistemas de e-learning en conformidad con los acuerdos de colaboración establecidos por las universidades participantes. Esta tesis doctoral abordará las siguientes preguntas de investigación: 1. ¿Qué factores deben tenerse en cuenta en la implementación y gestión de titulaciones conjuntas? 2. ¿Cómo pueden los sistemas actuales de e-learning soportar el desarrollo de titulaciones conjuntas? 3. ¿Qué otros servicios y sistemas necesitan ser adaptados por las universidades interesadas en participar en una titulación conjunta a través de sus sistemas de e-learning? La implementación de titulaciones conjuntas a través de sistemas de e-learning es compleja e implica retos técnicos, administrativos, culturales, financieros, jurídicos y de seguridad. Esta tesis doctoral propone una serie de contribuciones que pueden ayudar a resolver algunos de los retos identificados. En primer lugar se ha elaborado un modelo conceptual que incluye la información del contexto de las titulaciones conjuntas que es relevante para la implementación de estas titulaciones en los sistemas de e-learning. Después de definir el modelo conceptual, se ha propuesto una arquitectura basada en políticas para la implementación de titulaciones interinstitucionales a través de sistemas de e-learning de acuerdo a los términos estipulados en los acuerdos de colaboración que son firmados por las universidades participantes. El autor se ha centrado en el componente de gestión de flujos de trabajo de esta arquitectura. Por último y con el fin de permitir la interoperabilidad de repositorios de objetos educativos, los componentes básicos a implementar han sido identificados y validados. El uso de servicios multimedia en educación es una tendencia creciente, proporcionando servicios de e-learning que permiten mejorar la comunicación y la interacción entre profesores y alumnos. Dentro de estos servicios, nos hemos centrado en el uso de la videoconferencia y la grabación de clases como servicios adecuados para el desarrollo de cursos impartidos en escenarios de educación colaborativos. Las contribuciones han sido validadas en proyectos de investigación de ámbito nacional y europeo en los que el autor ha participado. Abstract In an increasingly competitive higher education market, collaboration between universities is an effective strategy for gaining access to the global market. The development of joint degrees is an important mechanism for strengthening academic research collaborations and diversifying knowledge. Joint degrees are becoming increasingly implemented in universities around the world. In Europe, the Bologna process and the Erasmus programme have encouraged both the global recognition of joint and double degrees and promoted close collaboration between academic institutions. In the unstoppable process of globalization and educational convergence, the use of e-learning systems for supporting both blended and online courses is becoming a growing trend. Since e-learning systems covers a wide range of courses, it becomes necessary to find a suitable solution that enables universities to support and manage joint degrees through their e-learning systems in accordance with the collaboration agreements established by the universities involved. This dissertation will address the following research questions: 1. What factors need to be considered in the implementation and management of joint degrees? 2. How can the current e-learning systems support the development of joint degrees? 3. What other services and systems need to be adapted by universities interested in participating in a joint degree through their e-learning systems? The implementation of joint degrees using e-learning systems is complex and involves technical, administrative, security, cultural, financial and legal challenges. This dissertation proposes a series of contributions to help solve some of the identified challenges. One of the cornerstones of this proposal is a conceptual model of all the relevant issues related to the support of joint degrees by means of e-learning systems. After defining the conceptual model, this dissertation proposes a policy-driven architecture for implementing inter-institutional degree collaborations through e-learning systems as stipulated by a collaboration agreement signed by two universities. The author has focused on the workflow management component of this architecture. Finally, the building blocks for achieving interoperability of learning object repositories have been identified and validated. The use of multimedia services in education is a growing trend, providing rich e-learning services that improve the communication and interaction between teachers and students. Within these e-learning services, we have focused on the use of videoconferencing and lecture recording as the best-suited services to support collaborative learning scenarios. The contributions have been validated within national and European research projects that the author has been involved in.

Conceptual framework for the design, implementation and validation of psychomotor skills’ assessment systems in minimally invasive surgery

Las técnicas de cirugía de mínima invasión (CMI) se están consolidando hoy en día como alternativa a la cirugía tradicional, debido a sus numerosos beneficios para los pacientes. Este cambio de paradigma implica que los cirujanos deben aprender una serie de habilidades distintas de aquellas requeridas en cirugía abierta. El entrenamiento y evaluación de estas habilidades se ha convertido en una de las mayores preocupaciones en los programas de formación de cirujanos, debido en gran parte a la presión de una sociedad que exige cirujanos bien preparados y una reducción en el número de errores médicos. Por tanto, se está prestando especial atención a la definición de nuevos programas que permitan el entrenamiento y la evaluación de las habilidades psicomotoras en entornos seguros antes de que los nuevos cirujanos puedan operar sobre pacientes reales. Para tal fin, hospitales y centros de formación están gradualmente incorporando instalaciones de entrenamiento donde los residentes puedan practicar y aprender sin riesgos. Es cada vez más común que estos laboratorios dispongan de simuladores virtuales o simuladores físicos capaces de registrar los movimientos del instrumental de cada residente. Estos simuladores ofrecen una gran variedad de tareas de entrenamiento y evaluación, así como la posibilidad de obtener información objetiva de los ejercicios. Los diferentes estudios de validación llevados a cabo dan muestra de su utilidad; pese a todo, los niveles de evidencia presentados son en muchas ocasiones insuficientes. Lo que es más importante, no existe un consenso claro a la hora de definir qué métricas son más útiles para caracterizar la pericia quirúrgica. El objetivo de esta tesis doctoral es diseñar y validar un marco de trabajo conceptual para la definición y validación de entornos para la evaluación de habilidades en CMI, en base a un modelo en tres fases: pedagógica (tareas y métricas a emplear), tecnológica (tecnologías de adquisición de métricas) y analítica (interpretación de la competencia en base a las métricas). Para tal fin, se describe la implementación práctica de un entorno basado en (1) un sistema de seguimiento de instrumental fundamentado en el análisis del vídeo laparoscópico; y (2) la determinación de la pericia en base a métricas de movimiento del instrumental. Para la fase pedagógica se diseñó e implementó un conjunto de tareas para la evaluación de habilidades psicomotoras básicas, así como una serie de métricas de movimiento. La validación de construcción llevada a cabo sobre ellas mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. Adicionalmente, los resultados obtenidos en la validación de apariencia fueron en general positivos en todos los grupos considerados (noveles, residentes, expertos). Para la fase tecnológica, se introdujo el EVA Tracking System, una solución para el seguimiento del instrumental quirúrgico basado en el análisis del vídeo endoscópico. La precisión del sistema se evaluó a 16,33ppRMS para el seguimiento 2D de la herramienta en la imagen; y a 13mmRMS para el seguimiento espacial de la misma. La validación de construcción con una de las tareas de evaluación mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. La validación concurrente con el TrEndo® Tracking System por su parte presentó valores altos de correlación para 8 de las 9 métricas analizadas. Finalmente, para la fase analítica se comparó el comportamiento de tres clasificadores supervisados a la hora de determinar automáticamente la pericia quirúrgica en base a la información de movimiento del instrumental, basados en aproximaciones lineales (análisis lineal discriminante, LDA), no lineales (máquinas de soporte vectorial, SVM) y difusas (sistemas adaptativos de inferencia neurodifusa, ANFIS). Los resultados muestran que en media SVM presenta un comportamiento ligeramente superior: 78,2% frente a los 71% y 71,7% obtenidos por ANFIS y LDA respectivamente. Sin embargo las diferencias estadísticas medidas entre los tres no fueron demostradas significativas. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la definición de sistemas de evaluación de habilidades para cirugía de mínima invasión, a la utilidad del análisis de vídeo como fuente de información y a la importancia de la información de movimiento de instrumental a la hora de caracterizar la pericia quirúrgica. Basándose en estos cimientos, se han de abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la definición de programas de formación estructurados y objetivos, que puedan garantizar la acreditación de cirujanos sobradamente preparados y promocionen la seguridad del paciente en el quirófano. Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have become a standard in many surgical sub-specialties, due to their many benefits for patients. However, this shift in paradigm implies that surgeons must acquire a complete different set of skills than those normally attributed to open surgery. Training and assessment of these skills has become a major concern in surgical learning programmes, especially considering the social demand for better-prepared professionals and for the decrease of medical errors. Therefore, much effort is being put in the definition of structured MIS learning programmes, where practice with real patients in the operating room (OR) can be delayed until the resident can attest for a minimum level of psychomotor competence. To this end, skills’ laboratory settings are being introduced in hospitals and training centres where residents may practice and be assessed on their psychomotor skills. Technological advances in the field of tracking technologies and virtual reality (VR) have enabled the creation of new learning systems such as VR simulators or enhanced box trainers. These systems offer a wide range of tasks, as well as the capability of registering objective data on the trainees’ performance. Validation studies give proof of their usefulness; however, levels of evidence reported are in many cases low. More importantly, there is still no clear consensus on topics such as the optimal metrics that must be used to assess competence, the validity of VR simulation, the portability of tracking technologies into real surgeries (for advanced assessment) or the degree to which the skills measured and obtained in laboratory environments transfer to the OR. The purpose of this PhD is to design and validate a conceptual framework for the definition and validation of MIS assessment environments based on a three-pillared model defining three main stages: pedagogical (tasks and metrics to employ), technological (metric acquisition technologies) and analytical (interpretation of competence based on metrics). To this end, a practical implementation of the framework is presented, focused on (1) a video-based tracking system and (2) the determination of surgical competence based on the laparoscopic instruments’ motionrelated data. The pedagogical stage’s results led to the design and implementation of a set of basic tasks for MIS psychomotor skills’ assessment, as well as the definition of motion analysis parameters (MAPs) to measure performance on said tasks. Validation yielded good construct results for parameters such as time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume. Additionally, face validation results showed positive acceptance on behalf of the experts, residents and novices. For the technological stage the EVA Tracking System is introduced. EVA provides a solution for tracking laparoscopic instruments from the analysis of the monoscopic video image. Accuracy tests for the system are presented, which yielded an average RMSE of 16.33pp for 2D tracking of the instrument on the image and of 13mm for 3D spatial tracking. A validation experiment was conducted using one of the tasks and the most relevant MAPs. Construct validation showed significant differences for time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume; especially between novices and residents/experts. More importantly, concurrent validation with the TrEndo® Tracking System presented high correlation values (>0.7) for 8 of the 9 MAPs proposed. Finally, the analytical stage allowed comparing the performance of three different supervised classification strategies in the determination of surgical competence based on motion-related information. The three classifiers were based on linear (linear discriminant analysis, LDA), non-linear (support vector machines, SVM) and fuzzy (adaptive neuro fuzzy inference systems, ANFIS) approaches. Results for SVM show slightly better performance than the other two classifiers: on average, accuracy for LDA, SVM and ANFIS was of 71.7%, 78.2% and 71% respectively. However, when confronted, no statistical significance was found between any of the three. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the definition of MIS assessment systems, the use of endoscopic video analysis as the main source of information and the relevance of motion analysis in the determination of surgical competence. New research fields in the training and assessment of MIS surgeons can be proposed based on these foundations, in order to contribute to the definition of structured and objective learning programmes that guarantee the accreditation of well-prepared professionals and the promotion of patient safety in the OR.

Contribución al diseño y modelado de plataformas de gestión e impartición de titulaciones conjuntas en ambientes de e-learning

Las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones, ofrecen una buena oportunidad para el desarrollo de comunidades virtuales de aprendizaje, especialmente en el caso de las titulaciones conjuntas entre organizaciones. Estas comunidades permiten a las organizaciones aprovechar mejor las oportunidades de aprendizaje que brindan las tecnologías de Internet, aportando mejores contenidos y experiencias de aprendizaje (Recursos de aprendizaje) tanto para los profesores como para los alumnos. Sin embargo, actualmente no existe una tecnología clara con la que poder federar plataformas de gestión e impartición de titulaciones virtuales (LMS), con la que dar un adecuado soporte a las titulaciones conjuntas. En este trabajo, se presenta una metodología y una arquitectura de federación de plataformas LMS para poder gestionar titulaciones conjuntas en ambiente de e-learning. Actualmente, existe escaso conocimiento acerca de los problemas que están imposibilitando la utilización de estos escenarios. Por ello, este trabajo se presenta como una solución para los miembros de la comunidad (directores, docentes, investigadores y estudiantes), ofreciendo un marco conceptual, que ayuda a entender estos escenarios e identifica los requisitos de diseño que son útiles para generar servicios de aprendizaje accesibles a los miembros de la comunidad (Grid de recursos de aprendizaje) y para integrar los LMS en una nube de titulaciones conjuntas en ambientes de e-learning. Así mismo, en el presente documento se presentan varias experiencias, en las que se han implementado comunidades virtuales de aprendizaje en la ciudad de Cartagena de Indias (Colombia), que han servido para inspirar y validar la solución propuesta en este trabajo. ABSTRACT Information and communication technologies offer a great opportunity for the development of virtual learning communities, like as joint degrees between Organizations. Virtual Learning Communities allow organizations to be more cooperative during training activities via the Internet, with the provision of their learning expertise (learning resource). Internet enables multiple organizations to share their learning expertise with others. In these cooperative knowledge spaces, each organization contributes with their partners providing learning resources that they offer to students and teachers. However, currently there is no clear technology with which to federate Learning Management Systems (LMS) to give adequate support to joint degrees. In this work, we present a description of the problems that would face the generation of the Joint degrees in e-learning environments. Currently little is known about the problems that prevent the formation of virtual learning communities generated from the experience contributed by multiple organizations, so, this work is important for community members (Directors, Teachers, Researchers and practitioners) because it offers a conceptual framework that helps understand these scenarios and can provide useful design requirements when generating learning services for the community (Grid of Learning Resources) and to integrate the LMS in a cloud of joint degrees in e-learning environments. We also propose various experiences in which virtual learning communities have been integrated in Cartagena de Indias (Colombia) which have served to inspire and validate the solution proposed in this paper.

E-learning systems support of collaborative agreements: a theoretical model

This paper introduces a theoretical model for developing integrated degree programmes through e-learning systems as stipulated by a collaboration agreement signed by two universities. We have analysed several collaboration agreements between universities at the national, European, and transatlantic level as well as various e-learning frameworks. A conceptual model, a business model, and the architecture design are presented as part of the theoretical model. The paper presents a way of implementing e-learning systems as a tool to support inter-institutional degree collaborations, from the signing of the collaborative agreement to the implementation of the necessary services. In order to show how the theory can be tested one sample scenario is presented.

Problem-based learning supported by semantic techniques

Problem-based learning has been applied over the last three decades to a diverse range of learning environments. In this educational approach, different problems are posed to the learners so that they can develop different solutions while learning about the problem domain. When applied to conceptual modelling, and particularly to Qualitative Reasoning, the solutions to problems are models that represent the behaviour of a dynamic system. The learner?s task then is to bridge the gap between their initial model, as their first attempt to represent the system, and the target models that provide solutions to that problem. We propose the use of semantic technologies and resources to help in bridging that gap by providing links to terminology and formal definitions, and matching techniques to allow learners to benefit from existing models.

Applying concept mapping strategies to improve students’ lifelong learning in physical chemistry

Este artículo ofrece una reflexión sobre el papel de los mapas conceptuales en el actual escenario de la educación In the present paper, we carry out the application of concept mapping strategies to learning Physical Chemistry, in particular, of all aspect of Corrosion. This strategy is an alternative method to supplement examinations: it can show the teacher how much the students knew and how much they didn´t know; and the students can evaluate their own learning. Before giving tile matter on Corrosion, the teachers evaluated the previous knowledge of the students in the field and explained to the students how create the conceptual maps with Cmap tools. When the subject is finished, teachers are assessed the conceptual maps developed by students and therefore also the level of the students learning. Teachers verified that the concept mapping is quite suitable for complicated theorics as Corrosion and it is an appropriate tool for the consolidation of educational experiences and for improvement affective lifelong learning. By using this method we demonstrated that the set of concepts accumulated in the cognitive structure of every student in unique and every student has therefore arranged the concepts from top to bottom in the mapping field in different ways with different linking" phrases, although these are involved in the same learning task.

Metaphor and Genre: An Approach to improve the learning process of English for Aeronautics

This study suggests a theoretical framework for improving the teaching/ learning process of English employed in the Aeronautical discourse that brings together cognitive learning strategies, Genre Analysis and the Contemporary theory of Metaphor (Lakoff and Johnson 1980; Lakoff 1993). It maintains that cognitive strategies such as imagery, deduction, inference and grouping can be enhanced by means of metaphor and genre awareness in the context of content based approach to language learning. A list of image metaphors and conceptual metaphors which comes from the terminological database METACITEC is provided. The metaphorical terms from the area of Aeronautics have been taken from specialised dictionaries and have been categorised according to the conceptual metaphors they respond to, by establishing the source domains and the target domains, as well as the semantic networks found. This information makes reference to the internal mappings underlying the discourse of aeronautics reflected in five aviation accident case studies which are related to accident reports from the National Transportation Safety Board (NTSB) and provides an important source for designing language teaching tasks. La Lingüística Cognitiva y el Análisis del Género han contribuido a la mejora de la enseñanza de segundas lenguas y, en particular, al desarrollo de la competencia lingüística de los alumnos de inglés para fines específicos. Este trabajo pretende perfeccionar los procesos de enseñanza y el aprendizaje del lenguaje empleado en el discurso aeronáutico por medio de la práctica de estrategias cognitivas y prestando atención a la Teoría del análisis del género y a la Teoría contemporánea de la metáfora (Lakoff y Johnson 1980; Lakoff 1993). Con el propósito de crear recursos didácticos en los que se apliquen estrategias metafóricas, se ha elaborado un listado de metáforas de imagen y de metáforas conceptuales proveniente de la base de datos terminológica META-CITEC. Estos términos se han clasificado de acuerdo con las metáforas conceptuales y de imagen existentes en esta área de conocimiento. Para la enseñanza de este lenguaje de especialidad, se proponen las correspondencias y las proyecciones entre el dominio origen y el dominio meta que se han hallado en los informes de accidentes aéreos tomados de la Junta federal de la Seguridad en el Transporte (NTSB)

A conceptual insight on digital paralell workshops for urban planning

The educational realm in Urban Plan ning needs a review because of the global challenges that human settlements will face in the near futu re. In this scenario, international boards of research call for the development of common frameworks of research, accredita tion, and planning best-pra ctices, that need to transcend the limits of local competences, which at the same time affect educational structures. A central issue on achieving this pursued consensus is in ternational cooperation among academic institutions, seeking global awareness on urban challenges, built equally upon a variety of context-based experiences. The rise of ICT's and digital tools are widely perceived as a great field of opportunity to establish complex and de-centralized networks of knowledge-bu ilding that can be critical to address these needs.