Plataformas experimentales para la formación en el área de la electrónica en entornos de e-learning

El campo de estudio relacionado con los laboratorios remotos en el ámbito educativo de las ciencias y la ingeniería está sufriendo una notable expansión ante la necesidad de adaptar los procesos de aprendizaje en dichas áreas a las características y posibilidades de la formación online. Muchos de los recursos educativos basados en esta tecnología, existentes en la actualidad, presentan ciertas limitaciones que impiden alcanzar las competencias que se deben adquirir en los laboratorios de ingeniería. Estas limitaciones están relacionadas con diferentes aspectos de carácter técnico y formativo. A nivel técnico las limitaciones principales se centran en el grado de versatilidad que son capaces de proporcionar comparado con el que se dispone en un laboratorio tradicional y en el modo de interacción del usuario, que provoca que el estudiante no distinga claramente si está realizando acciones sobre sistemas reales o simulaciones. A nivel formativo las limitaciones detectadas son relevantes para poder alcanzar un aprendizaje significativo. En concreto están relacionadas principalmente con un escaso sentimiento de inmersión, una reducida sensación de realismo respecto a las operaciones que se realizan o la limitada posibilidad de realizar actividades de forma colaborativa. La aparición de nuevas tecnologías basadas en entornos inmersivos, unida a los avances producidos relacionados con el aumento de la capacidad gráfica de los ordenadores y del ancho de banda de acceso a Internet, han hecho factible que las limitaciones comentadas anteriormente puedan ser superadas gracias al desarrollo de nuevos recursos de aprendizaje surgidos de la fusión de laboratorios remotos y mundos virtuales 3D. Esta tesis doctoral aborda un trabajo de investigación centrado en proponer un modelo de plataformas experimentales, basado en la fusión de las dos tecnologías mencionadas, que permita generar recursos educativos online que faciliten la adquisición de competencias prácticas similares a las que se consiguen en un laboratorio tradicional vinculado a la enseñanza de la electrónica. El campo de aplicación en el que se ha focalizado el trabajo realizado se ha centrado en el área de la electrónica aunque los resultados de la investigación realizada se podrían adaptar fácilmente a otras disciplinas de la ingeniería. Fruto del trabajo realizado en esta tesis es el desarrollo de la plataforma eLab3D, basada en el modelo de plataformas experimentales propuesto, y la realización de dos estudios empíricos llevados a cabo con estudiantes de grado en ingeniería, muy demandados por la comunidad investigadora. Por un lado, la plataforma eLab3D, que permite llevar a cabo de forma remota actividades prácticas relacionadas con el diseño, montaje y prueba de circuitos electrónicos analógicos, aporta como novedad un dispositivo hardware basado en un sistema de conmutación distribuido. Dicho sistema proporciona un nivel de versatilidad muy elevado, a nivel de configuración de circuitos y selección de puntos de medida, que hace posible la realización de acciones similares a las que se llevan a cabo en los laboratorios presenciales. Por otra parte, los estudios empíricos realizados, que comparaban la eficacia educativa de una metodología de aprendizaje online, basada en el uso de la plataforma eLab3D, con la conseguida siguiendo una metodología clásica en los laboratorios tradicionales, mostraron que no se detectaron diferencias significativas en el grado de adquisición de los resultados de aprendizaje entre los estudiantes que utilizaron la plataforma eLab3D y los que asistieron a los laboratorios presenciales. Por último, hay que destacar dos aspectos relevantes relacionados directamente con esta tesis. En primer lugar, los resultados obtenidos en las experiencias educativas llevadas a cabo junto a valoraciones obtenidas por el profesorado que ha colaborado en las mismas han sido decisivos para que la plataforma eLab3D se haya integrado como recurso complementario de aprendizaje en titulaciones de grado de ingeniería de la Universidad Politécnica de Madrid. En segundo lugar, el modelo de plataformas experimentales que se ha propuesto en esta tesis, analizado por investigadores vinculados a proyectos en el ámbito de la fusión nuclear, ha sido tomado como referencia para generar nuevas herramientas de formación en dicho campo. ABSTRACT The field of study of remote laboratories in sciences and engineering educational disciplines is undergoing a remarkable expansion given the need to adapt the learning processes in the aforementioned areas to the characteristics and possibilities of online education. Several of the current educational resources based on this technology have certain limitations that prevent from reaching the required competencies in engineering laboratories. These limitations are related to different aspects of technical and educational nature. At the technical level, they are centered on the degree of versatility they are able to provide compared to a traditional laboratory and in the way the user interacts with them, which causes the student to not clearly distinguish if actions are being performed over real systems or over simulations. At the educational level, the detected limitations are relevant in order to reach a meaningful learning. In particular, they are mainly related to a scarce immersion feeling, a reduced realism sense regarding the operations performed or the limited possibility to carry out activities in a collaborative way. The appearance of new technologies based on immersive environments, together with the advances in graphical computer capabilities and Internet bandwidth access, have made the previous limitations feasible to be overcome thanks to the development of new learning resources that arise from merging remote laboratories and 3D virtual worlds. This PhD thesis tackles a research work focused on the proposal of an experimental platform model, based on the fusion of both mentioned technologies, which allows for generating online educational resources that facilitate the acquisition of practical competencies similar to those obtained in a traditional electronics laboratory. The application field, in which this work is focused, is electronics, although the research results could be easily adapted to other engineering disciplines. A result of this work is the development of eLab3D platform, based on the experimental platform model proposed, and the realization of two empirical studies with undergraduate students, highly demanded by research community. On one side, eLab3D platform, which allows to accomplish remote practical activities related to the design, assembling and test of analog electronic circuits, provides, as an original contribution, a hardware device based on a distributed switching system. This system offers a high level of versatility, both at the circuit configuration level and at the selection of measurement points, which allows for doing similar actions to those conducted in hands-on laboratories. On the other side, the empirical studies carried out, which compare the educational efficiency of an online learning methodology based on the use of eLab3D platform with that obtained following a classical methodology in traditional laboratories, shows that no significant differences in the acquired degree of learning outcomes among the students that used eLab3D platform and those that attended hands-on laboratories were detected. Finally, it is important to highlight two relevant aspects directly related with this thesis work. First of all, the results obtained in the educational experiences conducted, along with the assessment from the faculty that has collaborated in them, have been decisive to integrate eLab3D platform as a supplementary learning resource in engineering degrees at Universidad Politecnica de Madrid. Secondly, the experimental platform model originally proposed in this thesis, which has been analysed by nuclear fusion researchers, has been taken as a reference to generate new educational tools in that field.

Evaluación para el aprendizaje en la asignatura sistemas operativos en modalidad online: un estudio cualitativo basado en la taxonomía de Bloom

La asignatura Sistemas Operativos presenta dificultades para su aprendizaje, pero poco se conoce acerca de las mismas, ya que no han sido determinadas ni estudiadas por la literatura. Asimismo, los trabajos existentes sobre la enseñanza y aprendizaje de Sistemas Operativos se limitan a proponer distintos enfoques para impartir la asignatura y en general no evalúan el aprendizaje de los estudiantes para comprobar la eficacia del método propuesto ni usan metodologías de investigación rigurosas. Por otra parte, la impartición de la asignatura Sistemas Operativos en modalidad online ha sido escasamente estudiada y podría tener dificultades adicionales a las de la modalidad presencial, ya que el contexto online impone una serie de restricciones tanto para el profesor como para el estudiante. En la presente tesis se ha llevado a cabo una evaluación formativa en la asignatura Sistemas Operativos, perteneciente al Grado de Ingeniería Informática de una universidad online. El objetivo inicial de la evaluación era descubrir las dificultades de los estudiantes para la comprensión de los conceptos de la asignatura. Posteriormente y, dada la buena aceptación de la evaluación por parte de los estudiantes, se ampliaron los objetivos del trabajo para explorar los efectos de la evaluación realizada sobre el aprendizaje. La evaluación formativa diseñada está basada en la taxonomía revisada de Bloom y sus principales objetivos son: (a) promover el aprendizaje significativo y (b) hacer a los estudiantes conscientes de su proceso de aprendizaje. La metodología de investigación utilizada es el estudio de caso cualitativo y la muestra está constituida por 9 estudiantes del total de 13 matriculados en la asignatura. Los datos cualitativos analizados proceden de las pruebas de evaluación formativa llevadas a cabo por los estudiantes durante la impartición de la asignatura. Los conceptos de sistemas operativos que han resultado más difíciles de comprender en el curso online estudiado han sido las interrupciones y los semáforos. Además, alrededor de estos conceptos se han identificado las dificultades específicas y sus posibles causas. Las dificultades descubiertas acerca de los semáforos corroboran las investigaciones existentes en el área de programación concurrente. El resto de las dificultades identificadas no habían sido determinadas por la literatura existente. En cuanto a los efectos de la evaluación formativa sobre el aprendizaje, la evidencia empírica muestra que ésta ha provocado en los estudiantes una reflexión profunda sobre los conceptos de la asignatura y sobre su propio proceso de aprendizaje. El estudio de caso presentado puede ayudar a los profesores del área de ingeniería a crear evaluaciones formativas en cursos online. La tesis, por tanto, realiza aportaciones relevantes en las áreas de enseñanza y aprendizaje de sistemas operativos, evaluación formativa, metodologías cualitativas y educación online. ABSTRACT Operating Systems is a difficult subject to learn; however little is known about said difficulties, as they have not been studied nor determined by the relevant literature. Existing studies on teaching and learning the subject of operating systems are limited to presenting different approaches for teaching the subject and generally do not evaluate students’ learning to verify the effectiveness of the proposed methods, nor do they use rigorous research methodologies. On the other hand, there are very few studies on teaching operating systems online, which may inherently present more difficulties than the in-person format, since an online context imposes a series of restrictions on both professors and students, such as not having face-to-face interaction for communications. This thesis studies a formative assessment of the subject of operating systems, as part of the Degree in Information Technology Engineering for an online university. The initial objective of this assessment was to determine the students’ difficulties in conceptual comprehension for this subject. Once students had accepted the assessment, the study’s objectives were expanded to include an investigation of the effects of the assessment on learning. The designed formative assessment was based on Revised Bloom’s Taxonomy with the following main objectives: (a) to promote meaningful learning and (b) (b) to make students aware of their learning process. The research methodology involves a qualitative case study with a sample consisting of 9 of the total 13 students registered for this course. The qualitative data analyzed comes from the formative assessment tests taken by these students during the course. The most difficult operating systems concepts for students in the online course were interrupts and semaphores. Additionally, the specific difficulties and their possible causes have been identified. The students’ comprehension difficulties with semaphores corroborate the existing research in the area of concurrent programming. The other identified difficulties were not discussed in the existing literature. Regarding the effects of the formative assessment on learning, the empirical evidence shows that it causes students to reflect carefully on the subject’s concepts as well as their own learning process. The presented case study can help professors in the area of engineering to create formative assessments for online courses. This thesis, therefore, makes relevant contributions to the areas of teaching and learning operating systems, formative assessment, qualitative methodologies, and online education.

Los contenidos de expresión corporal en el titulo de grado en ciencias del deporte

La Expresión Corporal como materia educativa tiene su origen en España, de forma ligada a la Educación Física y su desarrollo en el ámbito universitario, durante la segunda mitad del siglo XX. Pero su corpus teórico no se encuentra definitivamente asentado, dando lugar a diferentes interpretaciones y consideraciones sobre cuáles deben ser considerados contenidos propios de la materia y sobre cómo deben ser estructurados. La presente tesis tiene por objeto de estudio precisamente los contenidos de la Expresión Corporal como materia perteneciente a las Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, tratando de dar una respuesta fundamentada al planteamiento anterior. Para lo cual se seleccionaron y analizaron las principales obras de referencia para la materia en base a las cuales establecer una estructura de bloques de contenido y categorías asociadas. Se analizó la oferta formativa que, desde las universidades públicas españolas, se realizaba sobre el título de licenciado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, comprobando por una parte la heterogeneidad en el tratamiento dado y por otra su adecuación a la estructura generada. Y en tercer lugar se examinó la normativa que articula y desarrolla el tratamiento de la Expresión Corporal en la Ley Orgánica de Educación, concretando el análisis en la etapa de Secundaria, en un proceso de triangulación sobre las fuentes documentales de mayor influencia, constatando una aparente falta de estructura en la selección y planteamiento de los contenidos a desarrollar dentro de la asignatura de Educación Física. En base a estas investigaciones, a la propia experiencia docente del doctorando y a la contribución de diferentes expertos en la materia se desarrolla una propuesta estructurada de contenidos de Expresión Corporal, la cual es implementada en el título de grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte ofertado por la Universidad Politécnica de Madrid, analizando finalmente el nivel de relevancia que perciben los alumnos respecto de los contenidos de la materia planteados, infiriendo de los resultados obtenidos que se produce un aprendizaje significativo por parte de los futuros titulados. Se organizó la investigación en torno a cinco fases, utilizando en las tres primeras como metodología principal en análisis de contenido de las principales fuentes documentales (obras de referencia, programas docentes universitarios y normativa educativa), la cual es apoyada por otras herramientas como el grupo de discusión. La cuarta fase consistente en la elaboración de una propuesta estructurada de contenidos, contó con la valoración de un grupo de expertos en la materia. Mientras que en la fase de implementación y evaluación se recurrió al formato de entrevista colectiva mediante el empleo de cuestionario auto cumplimentado. La principal contribución de este trabajo es por tanto la presentación de una propuesta de estructuración de contenidos en Expresión Corporal, como parte de las manifestaciones básicas de la motricidad humana y enmarcada en el ámbito de las Ciencias de la Actividad Física y del Deporte; que tiene respaldo en las obras de referencia de la materia, en la formación inicial de los licenciados en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte y en el desarrollo normativo de la Ley Orgánica de Educación; y que ha sido implementada en el actual título de Grado en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte de la Universidad Politécnica de Madrid con resultados satisfactorios. ABSTRACT Corporal Expression as an educational subject has it origin s in Spain, linked to physical education and its development at University context, during the second half of the twentieth century. But his academic corpus has not been definitively settled, leading to different interpretations and considerations about what should be considered as proper contents of subject and how they should be structured. This thesis aims to study precisely the contents of the Corporal Expression as a subject belonging to Sciences of Physical Activity and Sport, trying to give a reasoned response to the previous approach. Taking this objective into consideration, main reference works were selected and analyzed to set a content structure and associated categories. The training offer of Spanish public universities in the Science of Physical Activity and Sport degree was analyzed, checking on the one hand the heterogeneity in the treatment and on the other their suitability to the structure generated. Thirdly, normative related to the treatment of Corporal Expression in the Ley Orgánica de Educación was examined paying special attention to the Secondary School stage. The process of triangulation which was performed using the most influential documentary sources suggested an apparent lack of structure and approach in the selection of contents to be developed in the subject of Physical Education. Based on these investigations, on the own teaching experience of the candidate and on the contribution of various experts in the field, a structured proposal of Corporal Expression contents is offered. This proposal has been implemented in the bachelor's degree in Sports Science offered by the Technical University of Madrid. Level of importance of the implemented contents perceived by students was analyzed and results suggested the presence of meaningful learning among graduates. Research was split into five phases. In the first three phases content analysis of the main documentary sources (reference books, university programs and educational standards), which was supported by other tools like the discussion group was the principal methodology. The fourth phase consisted in the development of a proposal structured content, involving the assessment of a group of experts in the field. In the implementation and evaluation phase collective interview using self-completed questionnaire was conducted The main contribution of this work is therefore presenting a proposal for structuring content in Corporal Expression, as a part of the basic manifestations of human motorskill and framed in the field of Sciences of Physical Activity and Sport; which draws on the support of reference works, initial training of graduates in Science of Physical Activity and Sport and the development of the normative of the Ley Orgánica de Educación; and has been implemented in the current Degree in Sports Science of the Technical University of Madrid with satisfactory results.

Improving flexible databases searches using machine learning

El objetivo principal de este proyecto ha sido introducir aprendizaje automático en la aplicación FleSe. FleSe es una aplicación web que permite realizar consultas borrosas sobre bases de datos nítidos. Para llevar a cabo esta función la aplicación utiliza unos criterios para definir los conceptos borrosos usados para llevar a cabo las consultas. FleSe además permite que el usuario cambie estas personalizaciones. Es aquí donde introduciremos el aprendizaje automático, de tal manera que los criterios por defecto cambien y aprendan en función de las personalizaciones que van realizando los usuarios. Los objetivos secundarios han sido familiarizarse con el desarrollo y diseño web, al igual que recordar y ampliar el conocimiento sobre lógica borrosa y el lenguaje de programación lógica Ciao-Prolog. A lo largo de la realización del proyecto y sobre todo después del estudio de los resultados se demuestra que la agrupación de los usuarios marca la diferencia con la última versión de la aplicación. Esto se basa en la siguiente idea, podemos usar un algoritmo de aprendizaje automático sobre las personalizaciones de los criterios de todos los usuarios, pero la gran diversidad de opiniones de los usuarios puede llevar al algoritmo a concluir criterios erróneos o no representativos. Para solucionar este problema agrupamos a los usuarios intentando que cada grupo tengan la misma opinión o mismo criterio sobre el concepto. Y después de haber realizado las agrupaciones usar el algoritmo de aprendizaje automático para precisar el criterio por defecto de cada grupo de usuarios. Como posibles mejoras para futuras versiones de la aplicación FleSe sería un mejor control y manejo del ejecutable plserver. Este archivo se encarga de permitir a la aplicación web usar el lenguaje de programación lógica Ciao-Prolog para llevar a cabo la lógica borrosa relacionada con las consultas. Uno de los problemas más importantes que ofrece plserver es que bloquea el hilo de ejecución al intentar cargar un archivo con errores y en caso de ocurrir repetidas veces bloquea todas las peticiones siguientes bloqueando la aplicación. Pensando en los usuarios y posibles clientes, sería también importante permitir que FleSe trabajase con bases de datos de SQL en vez de almacenar la base de datos en los archivos de Prolog. Otra posible mejora basarse en distintas características a la hora de agrupar los usuarios dependiendo de los conceptos borrosos que se van ha utilizar en las consultas. Con esto se conseguiría que para cada concepto borroso, se generasen distintos grupos de usuarios, los cuales tendrían opiniones distintas sobre el concepto en cuestión. Así se generarían criterios por defecto más precisos para cada usuario y cada concepto borroso.---ABSTRACT---The main objective of this project has been to introduce machine learning in the application FleSe. FleSe is a web application that makes fuzzy queries over databases with precise information, using defined criteria to define the fuzzy concepts used by the queries. The application allows the users to change and custom these criteria. On this point is where the machine learning would be introduced, so FleSe learn from every new user customization of the criteria in order to generate a new default value of it. The secondary objectives of this project were get familiar with web development and web design in order to understand the how the application works, as well as refresh and improve the knowledge about fuzzy logic and logic programing. During the realization of the project and after the study of the results, I realized that clustering the users in different groups makes the difference between this new version of the application and the previous. This conclusion follows the next idea, we can use an algorithm to introduce machine learning over the criteria that people have, but the problem is the diversity of opinions and judgements that exists, making impossible to generate a unique correct criteria for all the users. In order to solve this problem, before using the machine learning methods, we cluster the users in order to make groups that have the same opinion, and afterwards, use the machine learning methods to precise the default criteria of each users group. The future improvements that could be important for the next versions of FleSe will be to control better the behaviour of the plserver file, that cost many troubles at the beginning of this project and it also generate important errors in the previous version. The file plserver allows the web application to use Ciao-Prolog, a logic programming language that control and manage all the fuzzy logic. One of the main problems with plserver is that when the user uploads a file with errors, it will block the thread and when this happens multiple times it will start blocking all the requests. Oriented to the customer, would be important as well to allow FleSe to manage and work with SQL databases instead of store the data in the Prolog files. Another possible improvement would that the cluster algorithm would be based on different criteria depending on the fuzzy concepts that the selected Prolog file have. This will generate more meaningful clusters, and therefore, the default criteria offered to the users will be more precise.