La Dinámica de Sistemas: Un Paradigma de Pensamiento 9° Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas 14 al 16 de septiembre del 2011 Universidad Colegio Mayor de Nuestra Señora del Rosario Comunidad Colombiana de Dinámica de Sistemas Bogotá – Colombia Reflexiones sobre el diseño de experimentos con Dinámica de Sistemas en Educación. José Ricardo Arismendi Santos Hugo Hernando Andrade Sosa Ingeniero de Sistemas Candidato a Magister Universidad Industrial de Santander Grupo Simon de Investigaciones (57)6343377 MSc en Informática Director grupo Simon de Investigaciones Universidad Industrial de Santander (57)6343377 Josericardo_as@hotmail.com handrade@uis.edu.co RESUMEN¹ Este artículo presenta una reflexión sobre el diseño de experimentos en trabajos e investigaciones que buscan el acercamiento del modelado y simulación con Dinámica de Sistemas (DS) a la educación. En primera medida a manera de introducción se muestra el corrido investigativo del grupo Simon en el escenario educativo, revelando las necesidades actuales de formalización de las experiencias prácticas con estudiantes en el marco investigativo de investigación acción. Posteriormente se hace una revisión histórica del uso de DS en educación y del diseño de experimentos, identificando características, tendencias y objetivos.de investigación. Finalmente se comparte la reflexión que hacen los autores sobre el tema esbozando hipótesis que guiarán el futuro del trabajo investigativo. Palabras claves Diseño de experimentos, experiencias, educación, sistémico, investigación acción. Permission to make digital or hard copies of all or part of this work for personal or classroom use is granted without fee provided that copies are not made or distributed for profit or commercial advantage and that copies bear this notice and the full citation on the first page. To copy otherwise, or republish, to post on servers or to redistribute to lists, requires prior specific permission and/or a fee. 9° Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas – 14 al 16 de septiembre de 2011, Bogotá - Colombia Copyright 2011 Universidad del Rosario [ISSN 2027-7709] US $10.00 1. INTRODUCCIÓN Desde hace dos décadas El grupo Simon ha venido desarrollando un proceso investigativo soportado en trabajos a nivel de pregrado y posgrado, en los cuales se estudian, diseñan y construyen propuestas de tipo metodológico, útiles computacionales para modelar y simular, y guías conceptuales para el uso de la DS en escenarios educativos. Como evidencia del trabajo, se cuenta con una colección amplia de modelos para el estudio de múltiples tópicos propios de los currículos de preescolar, básica, media, pregrado y posgrado; se ha desarrollado software especializado para la construcción de modelos y simulaciones, como es el caso de el Visor de simulaciones y Evolución[6]. También se han construido micromundos para el estudio de las ciencias (MAC’s), y más recientemente juegos de simulación con el uso de tecnologías móviles para la toma de decisiones en ambientes productivos[12]. De la misma forma se han producido textos y guías para el uso de DS en actividades de aula, desde las más básicas que sirven de apoyo al desarrollo de temas o módulos en áreas aisladas hasta las que se enmarcan en proyectos institucionales y de proyección a las comunidades circundantes. ________________________________ 1 Esta ponencia se presenta en nombre de la Universidad Industrial de Santander (UIS), por integrantes del grupo SIMON de Investigación en Modelamiento y Simulación, adscrito a la Escuela de Ingeniería de Sistemas e Informática. Bucaramanga, Colombia; en el marco del Noveno Encuentro Colombiano de Dinámica de Sistemas, Bogotá 2011. Los esfuerzos de varios años se han venido configurando con mayor claridad y solidez en la propuesta titulada: “Difusión de la DS en la Escuela” con aplicación en cursos de preescolar, básica y media en colegios colombianos, siendo presentada como una propuesta informática para la educación en el cambio, basada en ambientes de modelado y simulación[16]. En dicha propuesta la DS es asumida con dos fines básicos, el primero como disciplina en donde los individuos desarrollan competencias para el dominio de cada uno de sus lenguajes de representación y paradigmas de pensamiento, y el segundo como elemento apalancador en procesos de aprendizaje. La propuesta está dirigida a una población conformada por profesores, estudiantes y padres de familia, para la cual se sugieren actividades que dan gran valor a la relación profesor-estudiante. Además se identifican roles, responsabilidades, beneficios y alcances tanto para la organización escolar como para cada uno de los grupos participantes. 2. MARCO METODOLÓGICO INVESTIGACIÓN Cambio 1 Situación Deseada Estrategia de Cambio (Intervención) Cambio 2 Herramientas y acciones Experiencias SISTEMÁTICO Figura 2. Situación actual. El mejoramiento de la situación problema es fundamental, pues permite probar y refinar las prácticas académicas desarrolladas y los recursos computacionales y conceptuales a la luz de la metodología. Sin embargo el resultado investigativo requiere de la reformulación de la metodología misma, en un proceso denominado por Checkland como Sistémico[7],Figura 3. DE El ejercicio de investigación-acción asumido por el grupo Simon, exige una continua y permanente reflexión autocrítica sobre el trabajo realizado. Para el caso de la DS en educación la situación problémica a tratar se materializa en las prácticas escolares, Figura 1. Situación Actual Metodología (Difusión de la DS en la escuela) Postura Crític a Figura 1. Metodología Investigación – acción. Cada observación o aporte del proceso investigativo desencadena cambios que procuran el mejoramiento de la situación problema como consecuencia de la reflexión y el debate catalizado por la metodología de intervención, en este caso particular la metodología es soportada por la propuesta para difusión de la DS en la escuela. Esto es lo que se conoce como proceso sistemático y se convierte en la situación actual del problema de estudio, Figura 2. Metodología (Difusión de la DS en la escuela) Experienci as SISTÉMI CO Experienci as Figura 3. Situación deseada Lograr este segundo proceso o nivel de la labor investigativa presenta mayor complejidad que el primero, pues comúnmente se desarrollan actividades y experiencias que logran solo el cambio en la situación problémica (prácticas escolares) sin generar cuestionamientos o refinamientos en la metodología. Esto puede ser consecuencia de la poca rigurosidad científica con la que se diseñan y conducen las prácticas o experiencias académicas entre profesores y estudiantes. La formalización de dichas actividades puede producir transformaciones en las simples experiencias de aula, de tal manera que sean elevadas a la categoría de experimentos, con la implementación de técnicas cuantitativas y cualitativas, para brindar mayores elementos de juicio que enriquezcan el debate y la reflexión promoviendo transformaciones en la metodología. Se considera que bajo este proceso investigativo guiado por lineamientos formales que orienten el diseño, seguimiento y registro de los experimentos en el ambiente escolar, es posible apreciar el cambio en la dinámica educativa como principal propósito del uso de la DS en la formación escolar; y así mismo verificar la calidad de los recursos informáticos que se desarrollan, teniendo como criterio de calidad su relación directa con el cumplimiento del propósito principal[5]. A partir del presente marco conceptual se decide darle continuidad al trabajo investigativo llevado a cabo al interior de Simon, tratando de resolver la pregunta: ¿Cuáles deben ser las orientaciones para el diseño de experimentos, que permitan apreciar los aportes de la Dinámica de Sistemas (DS) en los procesos de aprendizaje y de formación escolar? 3. DINÁMICA EDUCACIÓN DE SISTEMAS EN Desde que por primera vez Jay Forrester propuso la discusión sobre el uso de Dinámica de Sistemas en Educación[10], se inició una gran carrera en busca de orientaciones metodológicas para orientar la incorporación de la DS en este nuevo escenario. Inicialmente el uso de DS en educación estuvo limitada a estuantes universitarios, pero a partir de los años 80 empieza a incursionar en escuelas con el trabajo realizado por Forrester y sus colaboradores en el MIT con el proyecto K-12. Replicas de este trabajo realizado en Estados Unidos fueron llevadas a cabo en países como Noruega, Alemania y Japón. Gould-Kreutzer[11] manifiesta que los ejercicios de introducción de la DS en el mundo se pueden clasificar en dos categorías: los enfocados en educación y sistemas educacionales para niños entre 8 y 18 años de edad y los que se enfocan en el nivel universitario o educación para adultos. El primer artículo publicado de un modelo con DS aplicado a educación fue realizado por Nancy Roberts en 1974, en el cual utilizó el software DYNAMO. De igual manera investigadores como Richmond[17], Davidsen, Bjurklo y Wikstrom[8] y Draper[9], a través de sus trabajos y experiencias pioneras han brindado elementos que fortalecieron y viabilizaron la propuesta en diversos campos y niveles educativos. Las indudables ventajas que ofrece la DS en el proceso de enseñanza y aprendizaje, han motivado la construcción de múltiples propuestas para su inserción en la educación. Para dar algunos ejemplos se pueden mencionar tres proyectos desarrollados en Estados Unidos2, los cuales han sido enfocados al uso del modelado con Dinámica de Sistemas en escuelas de primaria y secundaria. Ellos son el “Model It” en Michigan’s Highly Interactive Computing Laboratory (Soloway et at, 1997), El “CC-SYSTAIN” fundado por la National Science Foundation (Zaraza & Fisher, 1997; Zaraza, Joy, & Guthrie, 1998) y el STACIN en Educational Testing Service (Mandinach & Cline, 1994, 1996). STACIN surgió del proyecto ACOT (Apple Classroom Of Tomorrow) en los años 80. La experiencia se inició en una escuela secundaria en el estado de Vermont, posteriormente se unieron seis escuelas de San Francisco (cuatro de secundaria y dos de primaria) y una más de Arizona. Se usó el software Stella. Los informes finales del proyecto, revelan que cerca de cuarenta profesores fueron capacitados para implementar en su currículo la DS, entre los grados 5° y 12°. En las escuelas primarias (de 5° a 8° grado) se trabajó en las áreas de ciencias, matemáticas y estudios sociales y en secundaria (de 9° a 12° grado) se trabajo en humanidades. 2 Tomado de: http://www.c5.cl/ieinvestiga/actas/ribie2000/charlas/alessi.htm CC-SUSTAIN nace en los 90 como un proyecto de implementación de la DS en educación con gran cobertura. En su primera etapa capacita cerca de 150 profesores de escuelas secundarias para implementar el modelado con DS usando el software Stella en su currículo. Posteriormente los docentes trabajaron con sus estudiantes en la construcción de modelos en muchas áreas, principalmente en ciencias, matemáticas y estudios sociales. Posteriormente en la segunda etapa del proyecto fueron capacitados más de 240 docentes. MODEL-IT es un componente software del proyecto ScienceWare del laboratorio de investigación Highly Interactive Computing (Hi-C) de la universidad de Michigan. Este proyecto fue diseñado para el aprendizaje de las ciencias en escuelas de primaria y secundaria. En Colombia y América Latina se puede referenciar entre otros, el trabajo realizado por el grupo Simon en la Etapa de Formación y Acompañamiento (EFA) del proyecto Computadores para Educar. Su participación inició en el 2004 y se extendió hasta el 2009, llevando la DS a cerca de 2000 sedes educativas de preescolar, básica y media (43 en 2004, 153 en 2005, 206 en 2006, 298 en 2007, 455 en 2008 y 683 en 2009), en 9 departamentos del país. Este trabajo ha dejado como principal producto, la consolidación de una red de profesores de diversas localidades de la región Caribe colombiana que mejoran sus habilidades con DS y construyen proyectos en sus instituciones educativas con uso del modelado y la simulación. 4. DISEÑO DE EXPERIMENTOS DINÁMICA DE SISTEMAS EN La Dinámica de Sistemas por su naturaleza es implícitamente de tipo experimental, sin embargo ha requerido de la implementación de técnicas y metodologías experimentales para facilitar la identificación clara de los resultados obtenidos cuando las personas trabajan con esta propuesta metodológica. Es así como gracias a los aportes de algunos investigadores se han ido esbozando lineamientos que han permitido formalizar el accionar experimental con DS, orientando la realización de las experiencias a manera de laboratorios experimentales. Los estudios experimentales se iniciaron en el MIT con el trabajo realizado por Sterman en los 80[19][20][21], inicialmente para probar modelos comportamentales y luego para desarrollar la hipótesis de mis-percepciones de ciclos de realimentación a partir del juego de la cerveza. Posteriormente se siguieron desarrollando experimentos de laboratorio con otros objetivos y en otros campos. Por ejemplo el trabajo realizado por Moxnes y otros en Noruega para estudiar el tema de mis-percepciones en bio-economía, analizando el problema de los comunes en pesqueras y renos, y el trabajo Realizado por Arango y otros para el estudio de la dinámica de mercados, especialmente en el sector eléctrico. Aunque son numerosos los laboratorios experimentales realizados en el mundo con el uso de DS, el objetivo generalizado que ha motivado los trabajos ha sido el estudio del impacto de la DS en la toma de decisiones en ambientes dinámicos y complejos con ciclos de realimentación importantes, como lo mencionan Moxnes y Arango[14]. De este tipo de estudio es posible mencionar el trabajo realizado por Moxnes en el 2000[13] para analizar el problema de los recursos renovables. En 2004 Cárdenas y Ostrom[4] exploran la posibilidad de conducir experimentos en campo con usuarios reales de ecosistemas locales, generando aprendizajes relacionados con la toma de decisiones para un manejo sostenible de los recursos comunes en tales escenarios. En 2007 Arango y Moxnes[1], presentan los resultados de un experimento de laboratorio para estudiar el comportamiento cíclico de los precios en mercados eléctricos no regulados. En 2008 Ariza[2] experimenta con juegos de simulación para promover el aprendizaje guiado por la cooperación en el uso de recursos comunes, desde la experiencia concreta del estudio de la Piangua3, en el mismo año Sawicka y Kopainsky[18] replicaron los experimentos realizados por Moxnes en 2004 en administración del liquen de los renos en los pastizales de invierno. La experiencia experimental permitió a Moxnes y Arango[14] sintetizar las características principales que identifican a los experimentos de laboratorio en tres elementos básicos: un objetivo (pago), un conjunto de restricciones (descripción del sistema, reglas de comportamiento) y el comportamiento de los participantes (decisiones). El experimentador controla el objetivo y las restricciones, para observar el comportamiento. En 2009 fue realizado por Moxnes y Jensen[15] un estudio experimental con el objetivo de determinar si el excesivo consumo de alcohol por parte de los jóvenes puede ser provocado por mis-percepciones de realimentación que no permiten entender la dinámica de concentración de alcohol en la sangre (BAC) en la cual existe una acumulación temporal de alcohol en el estómago que retrasa la absorción del sistema circulatorio. Hey John D., Neugebauer Tibor y Sadrieh Abdolkarim, presentan un estudio experimental para observar la toma de decisiones en el proceso de extracción de peces en una pesquera que cuenta con un solo propietario. 5. REFLEXIÓN El uso de DS en educación ha venido ganando espacios y el interés de muchos alrededor del mundo. De los resultados publicados es posible identificar características que tipifican las experiencias realizadas: • El objetivo principal ha sido el de evaluar los alcances y aportes de la DS en el proceso de aprendizaje de Estudiantes en diferentes niveles de formación. • Las experiencias más comunes han contemplado actividades para el estudio de temas particulares en algunas áreas, principalmente en matemáticas y ciencias. • Las actividades se han realizado con el fin de probar modelos o aplicaciones computacionales construidas para los fines educativos. • • • • • Por otra parte, las experiencias conducidas de manera formal como laboratorios experimentales en DS se han caracterizado por: • • • • • • 3 La “Piangua” como se conoce en Colombia, Ecuador y Costa Rica, se encuentra también en Perú y México, en donde se le conoce con el nombre de “Concha negra” y “Pata de mula”, respectivamente. La piangua, Anadara tuberculosa, es un molusco bivalve asociado a las raíces del mangle. Las experiencias han sido conducidas en cursos o grupos individuales de estudiantes, en algunos casos han sido replicadas en otros cursos o instituciones educativas, en muy pocos casos con cobertura total de la población estudiantil de los planteles educativos. Se identifica el uso de técnicas que suministran, instrumentos para medir el desarrollo de competencias específicas de los estudiantes que han sido expuestos a estímulos de aprendizaje con DS. En algunos casos se evidencia el uso de técnicas cualitativas y cualitativas de investigación para dar mayor validez externa a los resultados. En varios casos se ha tenido intervención directa por parte de los investigadores o expertos de DS en los grupos de estudiantes que reciben el tratamiento experimental, en otros se ha incluido un proceso de formación docente en DS. Las publicaciones han concentrado su atención en presentar hallazgos en el proceso de aprendizaje o de desarrollo de competencias específicas de los sujetos participantes del experimento. De esta manera se brinda muy poca información acerca del diseño experimental utilizado, posiblemente porque no sea un tema de relevancia en la presentación de resultados o porque aún existe gran informalidad en este aspecto. No se identifican lineamientos generales que orienten la realización de las experiencias de investigación con DS, que asumen las actividades escolares como un escenario experimental. El objetivo principal ha sido el de evaluar o probar modelos o aplicaciones computacionales desarrolladas como útiles para el desarrollo de competencias en la toma de decisiones. Los trabajos se han concentrado principalmente en situaciones problémicas relacionadas con la industria y la economía. Algunos de ellos han tenido aplicación directa en el sector empresarial. La experiencias de tipo académico se han realizado principalmente con estudiantes universitarios y/o de posgrado. Las actividades se diseñan a modo de laboratorios experimentales controlados, en los que seleccionan los participantes con ciertas características definidas por el experimentador, posteriormente son sometidos al tratamiento experimental en laboratorios o salas de cómputo aislados de la realidad es estudio. No se considera el uso de laboratorios experimental en el contexto real del fenómeno, por las limitadas condiciones de control que se pueden tener. Generalmente los experimentos han sido desarrollados en tiempos relativamente cortos, usando técnicas de los cuasi-experimentos que permiten obtener resultados confiables en periodos breves de tiempo. • • En varios estudios se incluye el concepto del valor inducido4, para motivar ciertos comportamientos en los individuos que impriman mayor control al experimento. Se usan como sujetos experimentales, personas con cierto nivel académico o desarrollo de competencias para tomar decisiones en el mundo real, tales como estudiantes universitarios, profesionales, inversionistas, empleados y empresarios. En otros casos para aumentar la validez externa5 de los resultados, se han realizado laboratorios experimentales con personas reales del contexto, dando relevancia y vital importancia a la experiencia de los sujetos con el objeto de estudio. Como ejemplo se puede referenciar el trabajo realizado por Cárdenas y Ostrom en el 2004[4]. 6. COMENTARIO FINAL La necesidad de formalizar las prácticas educativas que incorporan el uso del modelado y la simulación con DS, exige la definición de lineamientos que asuman técnicas que permitan el control de las variables durante el desarrollo experimental. Sin embargo es igualmente necesario desarrollar las prácticas in situ, donde se puedan realizar observaciones que capturen y registren situaciones y momentos que fluyen de la interacción entre estudiantes en sus ambientes cotidianos de formación y que son fundamentales e influyentes en el proceso de aprendizaje. De esta forma se crea el contexto propicio para el desarrollo del marco metodológico de trabajo asumido por el grupo Simon, que traza como objetivo general el llevar la Dinámica de Sistemas a la escuela en su ambiente natural, promoviendo cambios institucionales que transformen las prácticas educativas. El salón es un escenario donde se viven experiencias de tipo social fundamentales en el proceso de aprendizaje y enseñanza, convirtiéndose en un sistema integral en el cual interactúan múltiples elementos o partes que no pueden ser estudiadas de manera independiente o aisladas fuera del sistema operando¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Este planteamiento de Brown, orienta el estudio del aprendizaje mediante actividades o experiencias experimentales donde los estudiantes bajo la dirección de sus profesores actúan en comunidades de aprendizaje y se hacen cargo de su propio proceso educativo. 7. REFERENCIAS [1] 4 5 ARANGO, S. & MOXNES, E. 2007. “Cyclical Behaviour in Electricity markets: An Experimental study”. International System Dynamics Conference, July, MIT, Boston, USA. 2007. El concepto de valor inducido es la utilización de un incentivo que permita al experimentador inducir características específicas en los sujetos participantes de los experimentos (Friedman y Sunder, 2004). La validez externa es la generalización de los resultados de un experimentos a situaciones no experimentales, así como a otros participantes y poblaciones (Sampieri, 2006). [2] ARIZA, G. “Aprendizaje para la cooperación asistido por juegos de simulación Dinámico-Sistémicos”. Tesis de Maestría en Ingeniería área de Informática y Ciencias de la Computación, Escuela de Ingeniería de Sistemas e Informática, Universidad Industrial de Santander 2008. [3] BROWN, A. “Design Experiments: Theorical and methodological challenges in creating complex interventions in classroom setting”. The journal of the learning sciences, 1992. [4] CÁRDENAS, J & OSTROM, E. “What do people bring into the game? Experiments in the field about cooperation in the commons”. Agricultural Systems 82, pp. 307-326. 2004. [5] CATALDI, Z. “Metodología de diseño, desarrollo y evaluación de software educativo”. Tesis de Magíster en Informática. Facultad de Informática. Universidad Nacional de la Plata (UNLP). Argentina, 2000. [6] CUELLAR, M. y LINCE, E. “Evolución 3.5 Herramienta software para el Modelamiento y Simulación con Dinámica de Sistemas”. Tesis de pregrado. Escuela de Ingeniería de Sistemas. Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga Colombia, 2003. CHECKLAND, P. & SCHOLES J. “Soft Systems Methodology in Action”. Editorial Jhon Wiley and sons. Chichester, 1990. [7] [8] DAVIDSEN, P; BJURKLO, M; WIKSTROM, H. “Introducing System Dynamics in School: The Nordic Experience”. System Dynamic Review Vol 9. No 2, pp. 165-181. Summer, 1993. [9] DRAPER, F. “A Proposed Sequence for Developing Systems Thinking in a grade 4-12 Curriculum”. System Dynamics Review Vol 9. No 2, pp. 207-214. Summer, 1993. [10] FORRESTER, J.W. Industrial Dynamics. Cambridge, Mass: Productivy Press, 1961. [11] GOULD-KREUTZER, J. “Foreword: System Dynamics in Education”. System Dynamics Review Vol 9. No 2, pp. 101-112. Summer, 1993. [12] GUERRA, L. y RIOS C. “Ambiente software integrado por un juego para teléfonos móviles, un sitio web y una aplicación para computador personal, para el aprendizaje y toma de decisiones”. Tesis de pregrado. Escuela de Ingeniería de Sistemas. Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga Colombia, 2011. [13] MOXNES, E. “Not Only the Tragedy of theCcommons:Misperceptions of Feedback and Policies for Sustainable Development”. System Dynamics Review No 2, pp. 325-348. 2000. [14] MOXNES, E. y ARANGO S. “Experimentos de Laboratorio en Dinámica De Sistemas”. Dinámica de Sistemas: casos y aplicaciones en Latinoamérica Talca: Capítulo Latinoamericano de la sociedad de Dinámica de Sistemas 2008. [15] MOXNES, E & JENSEN L. “Drunker tan Intended: Misperceptions and Information Treatments”. Drug and Alcohol Dependence 105, pp. 63-70. 2009. [16] NAVAS, X. “Propuesta informática para la educación en el cambio, basada en ambientes de modelado y simulación. Un enfoque sistémico”. Tesis de maestría. Escuela de Ingeniería de Sistemas. Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga Colombia, 2006. [17] RICHMOND, B. “System Thinking Skills the 90s and Beyond”. System Dynamics Review Vol 9. No 2, pp. 113133. Summer, 1993. 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