Especificaciones eMathTeacher, creación del Modelo Granular Lingüístico de la evaluación del aprendizaje humano, y diseño de sistemas que implementan estos conceptos

El concepto de algoritmo es básico en informática, por lo que es crucial que los alumnos profundicen en él desde el inicio de su formación. Por tanto, contar con una herramienta que guíe a los estudiantes en su aprendizaje puede suponer una gran ayuda en su formación. La mayoría de los autores coinciden en que, para determinar la eficacia de una herramienta de visualización de algoritmos, es esencial cómo se utiliza. Así, los estudiantes que participan activamente en la visualización superan claramente a los que la contemplan de forma pasiva. Por ello, pensamos que uno de los mejores ejercicios para un alumno consiste en simular la ejecución del algoritmo que desea aprender mediante el uso de una herramienta de visualización, i. e. consiste en realizar una simulación visual de dicho algoritmo. La primera parte de esta tesis presenta los resultados de una profunda investigación sobre las características que debe reunir una herramienta de ayuda al aprendizaje de algoritmos y conceptos matemáticos para optimizar su efectividad: el conjunto de especificaciones eMathTeacher, además de un entorno de aprendizaje que integra herramientas que las cumplen: GRAPHs. Hemos estudiado cuáles son las cualidades esenciales para potenciar la eficacia de un sistema e-learning de este tipo. Esto nos ha llevado a la definición del concepto eMathTeacher, que se ha materializado en el conjunto de especificaciones eMathTeacher. Una herramienta e-learning cumple las especificaciones eMathTeacher si actúa como un profesor virtual de matemáticas, i. e. si es una herramienta de autoevaluación que ayuda a los alumnos a aprender de forma activa y autónoma conceptos o algoritmos matemáticos, corrigiendo sus errores y proporcionando pistas para encontrar la respuesta correcta, pero sin dársela explícitamente. En estas herramientas, la simulación del algoritmo no continúa hasta que el usuario introduce la respuesta correcta. Para poder reunir en un único entorno una colección de herramientas que cumplan las especificaciones eMathTeacher hemos creado GRAPHs, un entorno ampliable, basado en simulación visual, diseñado para el aprendizaje activo e independiente de los algoritmos de grafos y creado para que en él se integren simuladores de diferentes algoritmos. Además de las opciones de creación y edición del grafo y la visualización de los cambios producidos en él durante la simulación, el entorno incluye corrección paso a paso, animación del pseudocódigo del algoritmo, preguntas emergentes, manejo de las estructuras de datos del algoritmo y creación de un log de interacción en XML. Otro problema que nos planteamos en este trabajo, por su importancia en el proceso de aprendizaje, es el de la evaluación formativa. El uso de ciertos entornos e-learning genera gran cantidad de datos que deben ser interpretados para llegar a una evaluación que no se limite a un recuento de errores. Esto incluye el establecimiento de relaciones entre los datos disponibles y la generación de descripciones lingüísticas que informen al alumno sobre la evolución de su aprendizaje. Hasta ahora sólo un experto humano era capaz de hacer este tipo de evaluación. Nuestro objetivo ha sido crear un modelo computacional que simule el razonamiento del profesor y genere un informe sobre la evolución del aprendizaje que especifique el nivel de logro de cada uno de los objetivos definidos por el profesor. Como resultado del trabajo realizado, la segunda parte de esta tesis presenta el modelo granular lingüístico de la evaluación del aprendizaje, capaz de modelizar la evaluación y generar automáticamente informes de evaluación formativa. Este modelo es una particularización del modelo granular lingüístico de un fenómeno (GLMP), en cuyo desarrollo y formalización colaboramos, basado en la lógica borrosa y en la teoría computacional de las percepciones. Esta técnica, que utiliza sistemas de inferencia basados en reglas lingüísticas y es capaz de implementar criterios de evaluación complejos, se ha aplicado a dos casos: la evaluación, basada en criterios, de logs de interacción generados por GRAPHs y de cuestionarios de Moodle. Como consecuencia, se han implementado, probado y utilizado en el aula sistemas expertos que evalúan ambos tipos de ejercicios. Además de la calificación numérica, los sistemas generan informes de evaluación, en lenguaje natural, sobre los niveles de competencia alcanzados, usando sólo datos objetivos de respuestas correctas e incorrectas. Además, se han desarrollado dos aplicaciones capaces de ser configuradas para implementar los sistemas expertos mencionados. Una procesa los archivos producidos por GRAPHs y la otra, integrable en Moodle, evalúa basándose en los resultados de los cuestionarios. ABSTRACT The concept of algorithm is one of the core subjects in computer science. It is extremely important, then, for students to get a good grasp of this concept from the very start of their training. In this respect, having a tool that helps and shepherds students through the process of learning this concept can make a huge difference to their instruction. Much has been written about how helpful algorithm visualization tools can be. Most authors agree that the most important part of the learning process is how students use the visualization tool. Learners who are actively involved in visualization consistently outperform other learners who view the algorithms passively. Therefore we think that one of the best exercises to learn an algorithm is for the user to simulate the algorithm execution while using a visualization tool, thus performing a visual algorithm simulation. The first part of this thesis presents the eMathTeacher set of requirements together with an eMathTeacher-compliant tool called GRAPHs. For some years, we have been developing a theory about what the key features of an effective e-learning system for teaching mathematical concepts and algorithms are. This led to the definition of eMathTeacher concept, which has materialized in the eMathTeacher set of requirements. An e-learning tool is eMathTeacher compliant if it works as a virtual math trainer. In other words, it has to be an on-line self-assessment tool that helps students to actively and autonomously learn math concepts or algorithms, correcting their mistakes and providing them with clues to find the right answer. In an eMathTeacher-compliant tool, algorithm simulation does not continue until the user enters the correct answer. GRAPHs is an extendible environment designed for active and independent visual simulation-based learning of graph algorithms, set up to integrate tools to help the user simulate the execution of different algorithms. Apart from the options of creating and editing the graph, and visualizing the changes made to the graph during simulation, the environment also includes step-by-step correction, algorithm pseudo-code animation, pop-up questions, data structure handling and XML-based interaction log creation features. On the other hand, assessment is a key part of any learning process. Through the use of e-learning environments huge amounts of data can be output about this process. Nevertheless, this information has to be interpreted and represented in a practical way to arrive at a sound assessment that is not confined to merely counting mistakes. This includes establishing relationships between the available data and also providing instructive linguistic descriptions about learning evolution. Additionally, formative assessment should specify the level of attainment of the learning goals defined by the instructor. Till now, only human experts were capable of making such assessments. While facing this problem, our goal has been to create a computational model that simulates the instructor’s reasoning and generates an enlightening learning evolution report in natural language. The second part of this thesis presents the granular linguistic model of learning assessment to model the assessment of the learning process and implement the automated generation of a formative assessment report. The model is a particularization of the granular linguistic model of a phenomenon (GLMP) paradigm, based on fuzzy logic and the computational theory of perceptions, to the assessment phenomenon. This technique, useful for implementing complex assessment criteria using inference systems based on linguistic rules, has been applied to two particular cases: the assessment of the interaction logs generated by GRAPHs and the criterion-based assessment of Moodle quizzes. As a consequence, several expert systems to assess different algorithm simulations and Moodle quizzes have been implemented, tested and used in the classroom. Apart from the grade, the designed expert systems also generate natural language progress reports on the achieved proficiency level, based exclusively on the objective data gathered from correct and incorrect responses. In addition, two applications, capable of being configured to implement the expert systems, have been developed. One is geared up to process the files output by GRAPHs and the other one is a Moodle plug-in set up to perform the assessment based on the quizzes results.

Arquitectura y construcción, paisaje y territorio : los refugios de la Cuenca Alta del río Tajo

La Tesis estudia un tipo de refugio ganadero de la Cuenca Alta del río Tajo, conocidos como chozones. Singular arquitectura ligada a la ganadería extensiva ovina que servía de abrigo al ganado durante la noche invernal y umbráculo en estío. Construcciones de muros bajos de mampuesto colocados a hueso de planta circular o rectangular, levantadas alrededor de una estructura leñosa o un árbol en posición de vida que soportan una cubierta de ramas de la poda de la sabina. Son cientos diseminados por toda la región, si bien concentrados en la Sesma del sabinar, una de las cuatro divisiones históricas del Señorío de Molina. La decadencia de la ganadería en la comarca, sumada a otras causas de sociales y económicas, ha llevado a que estén cada vez en peor estado de conservación; con todo lo que ello supone de pérdida de una memoria histórica inseparable del paisaje del que son parte. Mi primera aproximación a estos refugios fue una oferta que aceptó el equipo de dirección del Parque Natural del Alto Tajo para catalogar los que se encontraban en su área de protección, un paisaje de Alto Valor Natural donde la ganadería ha sido el sustento tradicional. Tras terminar el inventario se produjo el gran incendio en Riba de Saélices (2005). Además de calcinar a 11 retenes voluntarios, quemó parte de las chozones inventariados. Tomé entonces consciencia de la fragilidad de este patrimonio popular y del valor que cobraba el trabajo realizado, pues en muchos casos era el único testimonio que había de los chozones desaparecidos. De ahí nació esta investigación. Al comienzo el enfoque analítico fue eminentemente disciplinar, como recoge la primera parte del título de la tesis: arquitectura y construcción. Pronto comprendí que este enfoque no era suficiente para entender las preguntas dejadas abierta por el análisis espacial, tales como su origen, razón de ser, función social, etc. Profundizando en estos temas la investigación fue haciéndose más amplia y transversal, hasta llegar a lo indicado en la segunda parte del título: paisaje y territorio. En síntesis, la tesis pasó del análisis de un objeto en sí a su entendimiento como parte de una sociedad y un paisaje del que es indisoluble. Para lograr estos objetivos transversales, los refugios ganaderos se estudiaron considerando desde sus aspectos geográficos e históricos a los propios de la arquitectura y del sistema ganadero que acoge. A cada enfoque se dedica un capítulo de la Tesis, lo que nos obligó a utilizar distintas metodologías de análisis: de un amplio trabajo de campo para catalogar y levantar los casi un centenar de chozones inventariados a la búsqueda de información documental en archivos históricos. Por el carácter del estudio fue también fundamental la revisión del material etnográfico de la zona, así como las entrevistas con vecinos y los pocos pastores que quedaban en los municipios estudiados. Los resultados de la Tesis muestran que los refugios ganaderos son construcciones con una serie de valores de distinto tipo. Entre ellos destacaría: (a) ambientales, porque son arquitecturas integradas en el medio ambiente, con empleo de materiales del territorio y adaptación a sus condiciones físicas; (b) históricos, porque son testimonio de un patrimonio arquitectónico que al menos desde la Edad Media se mantiene sin apenas modificaciones; (c) etnográficos, porque son un elemento arquitectónico con usos estrechamente ligados a la cultura tradicional, ganadera y rural de la cuenca del Alto Tajo. Tan clara es la relación entre estos tres aspectos que no es exagerado afirmar que desde el comienzo hasta su final, pasando por las distintas actividades cotidianas, la vida de los habitantes de la comarca giraba en torno al patrimonio vernáculo estudiado. Por ello, entendemos que todos estos elementos son lo suficientemente relevantes como para intentar evitar su destrucción, fomentar una reutilización que contribuya a un desarrollo sostenible de este singular paisaje etnológico. ABSTRACT My first approach to these refugees was commissioned by the management of the Alto Tajo Natural Park to catalog those who were in their protection area, a landscape of high natural value where livestock has been the traditional livelihood. After completing the inventory came the great fire in Riba de Saelices (2005). Besides calcine 11 firefighters, burned many of these popular architectures. I took then awareness of the fragility of this vernacular heritage and the value of the work charged, since in many cases it was the only witness who had disappeared from the shelters. At that time, this research was born. At the begging our study was eminently from the point of view of our discipline, as it picks up the first part of the title of the Thesis: architecture and construction. Soon I realized that this approach was not sufficient to understand the questions left open by the spatial analysis, such as its origin, purpose, social function, etc. By studying topics, my research become to be more comprehensive and transversal, up to coming to the indicated in the second part of the title: landscape and territory. In synthesis, the Thesis went on from the analysis of an object in itself to its understanding like part of a society and a landscape of which it is indissoluble. To achieve these cross-cutting objectives, livestock shelters were studied considering from its geographic and historic aspects to this relating to his architecture own the livestock system to which they belong. To each approach we devoted a chapter of the Thesis, which forced us to use different methodologies of analysis: an extensive field work in cataloguing and lift the nearly a hundred chozones inventoried to the search of documentary information in historical archives. By the nature of the study, the review of the ethnographic material in the area was also essential, as well as interviews with neighbors and the few remaining shepherds in the municipalities studied. The results of our Thesis show that livestock shelters are constructions with a series of values of different types. Among them I would highlight three: (a) environmental, because they are architectures integrated in the territory, with the use of materials of the location and adapted to their physical conditions; (b) historical, because they are testimony of an architectural heritage that at least since the Middle Ages remains with little modifications; (c) ethnographic, because they are architectural elements closely linked to livestock, rural and traditional culture of the Alto Tajo basin. So clear is the relationship between these three aspects, that is not an exaggeration to say that from the beginning until the end, passing through the various daily activities, the life of the inhabitants of the region was in completed connection with the studied vernacular heritage. For it, we understand that all these elements are relevant enough to try to prevent their destruction and promote a recycling that contributes to a sustainable development of this unique ethnological landscape.