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SOMI XV CIB – 8
CONGRESO NACIONAL DE INSTRUMENTACION
Sistema Inteligente Computarizado para el Aprendizaje Conceptual e
Interactivo de la Física a Nivel Bachillerato
Lara Rosano, F., Gamboa Rodríguez, F., Pérez Silva, J.L., Kemper Valverde, N., Barojas Weber,J.,
*Sierra, G., Miranda Vitela, A., Pérez y Pérez, R., Caviedes Contreras, F.
Centro de Instrumentos; *Instituto de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México
lararf@servidor.unam.mx
Resumen
Vivimos en tiempos en los que la educación se apoya cada vez más en herramientas informáticas.
El software educativo, cierto es, brinda grandes ventajas, y ha logrado ganarse un lugar propio
como paradigma alternativo en el campo de la educación. Sin embargo, estas bondades suelen
verse disminuidas en países con escasos recursos como México, por el hecho de utilizar
materiales desarrollados en otros países, que obedecen a una currícula con objetivos y principios
diferentes a la nuestra. En este artículo se presenta el desarrollo de un sistema para el aprendizaje
de la física a nivel bachillerato. Tres características diferencian a este desarrollo de otros sistemas
similares: 1) los materiales están organizados en base a los planes de estudio mexicanos; 2) el
sistema brinda herramientas originales, que pretenden paliar muchas de las limitaciones que el
software educativo a mostrado; 3) los materiales incluidos en el sistema son diseñados y validados
con alumnos tipo de preparatoria utilizando una metodología de desarrollo centrada en el alumno.
Se presenta la estructura del sistema, los resultados obtenidos, y los trabajos futuros.
Abstract
Nowadays, education relies more and more on computational tools. Educational software offers
indeed many advantages, and it has won its own place as an alternative paradigm in the field of the
education. However, in countries with scarce resources like Mexico, these benefits are diminished
because of the use of materials that are developed in other countries, which obey to a curricula with
objectives and goals that are different to ours. In this paper, we present the development of a
system for the learning of physics at high school level. Three characteristics differentiate this
development from other similar systems: 1) the materials are organized following the Mexican
curricula; 2) the system offers original tools, that seek to palliate many of the limitations that
educational software has shown; 3) the materials included in the system are designed and validated
with high school students through a student-centered development methodology. We present the
structure of the system, the obtained results, and future works.
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente existen diversas denominaciones para designar el uso de la computadora como una
plataforma pedagógica [5] (ej. Aprendizaje asistido por computadora, Instrucción asistida por
computadora, etc.), es decir, como un auxiliar a la metodología pedagógica del aula de clase. En
física, sus diversas aplicaciones han ido desde la evaluación de alumnos, la enseñanza por
demostración (resolución de fórmulas y otros conceptos matemáticos), hasta la tutela artificial
inteligente.
Sin embargo, a pesar de las múltiples e innegables ventajas que el software educativo ofrece,
diversas reflexiones con respecto a su uso en el ámbito universitario y nacional nos parecen
pertinentes:
i. En su gran mayoría, se trata de traducciones de sistemas producidos en el extranjero, que
obedecen a otros planes de estudio, con objetivos e intereses diferentes a los nacionales.
El desarrollo de sistemas adaptados a nuestro sistema educativo, que permitan a alumnos y
profesores seguir y reforzar de manera coordinada los temas vistos en clase, debería ser, sin
embargo, una prioridad.
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ii. Las estrategias pedagógicas utilizadas en otros países están basadas en una cultura y una
idiosincrasia que nos son ajenas.
Pretender transmitir un conocimiento utilizando términos, experiencias, vivencias, etc. extrañas
al estudiante tiene, al menos, dos consecuencias graves: a) de confusión.- el alumno debe
realizar un doble esfuerzo; primero para entender de qué le están hablando, y en seguida, para
comprender cuál es su relación con el tema que se está estudiando. Cabe remarcar los riesgos
de dicha estrategia, ya que una mala interpretación del ejemplo conlleva a una mala
interpretación del concepto estudiado; b) de desaprovechamiento: al desconocer cuáles son los
términos y las vivencias que permiten esclarecer a los estudiantes un concepto, se
desaprovechan los medios que permiten incidir de manera efectiva en ellos.
iii. El software educativo ha demostrado tener problemas y limitaciones [2, 3, 11].
Nuestro país no puede esperar a que éstos puntos sean resueltos, para después importar y
traducir nuevas versiones. Así, un proyecto ambicioso en el que se rescaten los valores de la
educación nacional, y que además proponga nuevos y más eficientes paradigmas, es de la más
alta importancia.
En ese orden de ideas, los Laboratorios de Cibernética Aplicada, Cognición, cibernética y
aprendizaje de la ciencia, Sistemas Inteligentes, y la Unidad Multimedia del Centro de
Instrumentos, además del Laboratorio de Ingeniería Lingüística del Instituto de Ingeniería, se
unieron en un proyecto conjunto que tiene como objetivo desarrollar un Sistema Inteligente
Computarizado para el Aprendizaje Conceptual e Interactivo de la Física a Nivel Bachillerato. En la
siguiente sección se presentan las características de dicho sistema.
2. CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA
Cualquier instrumento pedagógico (que esté implementado en una computadora o no, carece de
importancia), debe ser planeado, desarrollado y evaluado dentro de un contexto bien determinado,
y con un objetivo claramente definido. Cualquier desarrollo que trate de sobrevenir a este principio,
basado en la idea de que la tecnología es suficientemente poderosa para adaptarse a cualquier
situación, está destinado al fracaso.
En nuestro caso, la definición del sistema que se deseaba desarrollar se basó en cuatro preguntas:
¿qué queremos enseñar?, ¿porqué lo queremos enseñar?, ¿a quién le queremos enseñar?,
¿cómo le queremos enseñar?
Después de varias sesiones, se concluyó que el sistema debía contener las siguientes
características:
• Acorde a la realidad y las necesidades del país.
• Desarrollado para un público de nivel bachillerato. En ese sentido la estructura, la redacción, los
ejemplos y las tareas a desarrollar deberían estar acordes para ese público.
• Especificado y desarrollado sobre la base de nuevos paradigmas:
• Centrado en el alumno- las aplicaciones actuales no son centradas en el(la) alumno(a), lo
que lleva a que éstos no las entiendan o no les encuentra sentido. Así, creemos que mucho
del esfuerzo realizado por los estudiantes esta enfocado a entender como funciona los
programas, y no a entender el material que éstos contienen;
• Con la duda como elemento de motivación- dada la dificultad para ser tratada, los programas
educativos rehuyen el utilizar las dudas de los alumnos como base de su propio aprendizaje.
Esto es sin duda más práctico desde el punto de vista técnico, pero implica eliminar uno de
los aspectos fundamentales de su motivación. Además, conocer y analizar las dudas de los
alumnos es la única manera de desarrollar material educativo que realmente incida en su
entendimiento.
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• Basado en un análisis sobre cuales herramientas deben ser integradas en un software
educativo- de manera que el alumno cuente con el material necesario para comprender y
desarrollar los conceptos presentados, pero sin convertirse en un observador pasivo;
• Considerando metodologías que traten el problema de cómo volver a presentar un concepto
que no se entendió durante la primera explicación- los programas educativos actuales
privilegian la estrategia "comprensible desde la primera vez". Es decir, consideran que los
temas son perfectamente presentados y que, en caso de duda, basta volver a revisarlos con
mayor detenimiento para entenderlos. Esto es sin embargo falso en un gran número de
casos. En nuestro caso, la frecuencia y naturaleza de cada presentación está sujeta a
características relacionadas con el perfil, diagnóstico e intereses del alumno, y de una
estrategia pedagógica inherente a un tema específico, la cual está contenida en una base de
conocimientos;
• Integrando metodologías de solución de problemas que provoquen la autorreflexión en el
alumno acerca de su aprendizaje.- el paradigma de aprendizaje por repetición a mostrado
muchas limitantes. En vez de esto, es necesario brindar al alumno herramientas con las que
pueda construir y asimilar un conocimiento [5].
• Con una máquina de inferencia que controla la marcha de aprendizaje del estudiante, según
sus antecedentes académicos y sus propias creencias.
Dichas características se concretan en una serie de módulos que conforman el sistema. En la
siguiente sección se enumeran y explican dichos módulos.
3. MÓDULOS DEL SISTEMA
El Sistema que se propone cuenta con los siguientes módulos:
• Módulo enciclopédico: Brinda a los alumnos de nivel bachillerato material pedagógico sobre la
materia de física. Se trata de una fuente alternativa al libro de texto, donde los alumnos pueden
buscar otras explicaciones, biografías, documentos históricos, etc. El módulo se divide en nueve
secciones: Teoría; Índices diversos; Glosario; Biografías; Libros y documentos históricos; Notas
filosóficas; Historia del pensamiento de la física; Temas de tecnología; y Temas avanzados.
Desde el punto de vista del Sistema, este módulo representa su base teórica, que sustenta y de
coherencia al resto de los módulos.
• Módulo de diccionario inverso: Brinda al alumno una herramienta que le permite realizar
búsquedas no a partir de conceptos, sino de definiciones. Es decir, en vez de introducir
“energía”, y obtener como resultado “capacidad de un sistema para realizar un trabajo”, el
alumno puede introducir expresiones del tipo “lo que permite que algo realice un trabajo”, y
obtener “Energía”, además de los lugares donde dicho concepto es tratado por el tutorial. Así, a
partir de una definición escrita en lenguaje natural, el módulo es capaz de encontrar los
términos que se relacionan con ella. Esta misma herramienta puede permitir al alumno
percatarse de cómo un mismo concepto es utilizado en diferentes áreas de la física.
Su funcionamiento se basa en la colección y organización de diferentes definiciones para un
mismo concepto, de manera a poder determinar el conjunto de palabras utilizadas en ellas y sus
equivalencias. De este modo, no importa cual combinación de las diferentes palabras se utilice,
el sistema es capaz de relacionarlas con el concepto original.
• Módulo de prácticas basadas en video: Este módulo tiene dos objetivos primordiales: 1) para
que un alumno construya un concepto físico de manera adecuada, es indispensable que tenga
la posibilidad de acceder a un laboratorio y realizar experimentos. Así, este módulo tiene como
objetivo poder brindar a los alumnos una herramienta que les permita observar un fenómeno
físico, analizarlo y estudiarlo, lo más cercano posible a como lo habrían hecho en un laboratorio
real; y 2) enseñar al alumno que el laboratorio no es un lugar donde se comprueba lo que se
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que se estudio en el salón de clases, sino que son los conceptos físicos los que se construyen a
partir de lo que se observa en el laboratorio.
Por supuesto, este módulo no pretende reemplazar al laboratorio de la escuela, sin embargo,
dados los escasos recursos del país, se espera que ayude a los alumnos que no cuentan en
sus escuelas con equipo de laboratorio suficiente, a realizar prácticas experimentales a las que
de otra manera no tendrían acceso.
Su principio de funcionamiento es sencillo: en él se muestra un video con un experimento
realizado en el laboratorio. Las medidas sobre el video son posibles ya que se conoce el
tamaño físico de los objetos filmados, y se conoce el tamaño del video mostrado en la
computadora (en pixeles), de modo que es posible establecer las escalas correspondientes [4].
• Módulo de dudas: Se trata de uno de los módulos bastiones del sistema. En él se presentan al
alumno aquellas dudas o creencias que se han detectado en el grueso de los estudiantes para
un tema particular bajo la forma ¿Tú entendiste porqué...? o ¿Cuál es la diferencia entre...? Etc.
Es importante mencionar que estas no son preguntas que el alumno debe contestar, sino que
son preguntas que el alumno puede hacer al sistema. Así, el alumno puede optar por lanzar o
no la pregunta. El objetivo es, primero, integrar en el sistema las preguntas que otros
compañeros de clase pudieran haber realizado al profesor en el salón de clases, sin duda otra
fuente de información para el alumno. En segundo lugar, se trata de una manera de invitar al
alumno a reflexionar sobre su propio aprendizaje.
Para este módulo se asoció a cada tema del tutor una lista de preguntas. Las respuestas a
cada una de ellas también se encuentran en el módulo enciclopédico; sin embargo, es
importante remarcar que se tratan de explicaciones diferentes a la explicación original. De esta
manera se espera despertar en el alumno la autorreflexión sobre su propia comprensión del
tema estudiado, e incitarlo a buscar nuevas explicaciones.
• Módulo de visitas virtuales: El objetivo de este módulo, es ayudar al alumno a situar en el
mundo real los temas presentados en el módulo enciclopédico. Para este efecto, se le proponen
diversas visita virtuales, a diferentes laboratorios relacionados con los temas tratados en el
tutor.
Para este módulo se obtiene una secuencia de fotos a 360º del laboratorio que se desea visitar.
Cada una de las fotos representa un punto fijo en el que se puede ver, con la ayuda de las
flechas de dirección, todo lo que hay alrededor, como si uno estuviera girando en ese punto.
Ciertas regiones de cada foto, que representan otros puntos desde donde se puede el
laboratorio, son sensibles. Al ser seleccionadas, llaman a la foto que contiene la perspectiva
correspondiente al lugar seleccionado. De esta manera, el alumno tiene la ilusión que puede
detenerse en un punto y ver todo lo que hay alrededor, y desde ahí, pasar a otras zonas del
laboratorio, desde donde puede obtener otra perspectiva del lugar, o incluso avanzar por un
recorrido establecido (por ejemplo, en un pasillo pueden tomarse las fotos correspondientes al
inicio, el medio, y el final del pasillo. Al verse en la computadora, uno tiene la ilusión de poder
girar y ver todo lo que hay en el inicio del pasillo, pero al pasar el cursor por el pasillo, uno
puede decidir ir a la parte media, desde donde uno puede ver, al girar, el lugar donde estaba
originalmente, y por el otro lado, la zona del final. Estando ahí, uno puede optar por girar y ver
los objetos cercanos a esa zona, regresar al inicio del pasillo, o ir a la última toma, al final del
pasillo.)
• Módulo "Explícame mi fórmula": De la experiencia en clase, se ha observado que los alumnos
no leen las fórmulas en los textos de física, en el pizarrón, o aún en sus apuntes. Simplemente
pasan al párrafo siguiente y buscan ahí un texto que les explique su significado. Tratando de
aprovechar este comportamiento, hemos pensado en este módulo como una manera de captar
la atención del alumno y por ese medio, llevarlo hacia una explicación más formal.
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Así, el módulo tiene como finalidad enseñar a los alumnos a leer e interpretar las ecuaciones, y
mostrarle como todas ellas expresan una relación entre dos o más variables que pueden ser
medidas, así como indicar al alumno en que parte de la teoría puede encontrar más detalles.
• Módulo “Cómo funciona”: En este módulo se tiene una serie de animaciones en 2 y 3D, que
tienen dos objetivos: primero, mostrar y explicar las aplicaciones e implicaciones que tiene la
física en la vida diaria, a partir del funcionamiento de diversos artefactos. Esto con la finalidad
de que los alumnos encuentren una relación entre lo que pasa en la escuela, y lo que pasa en
la vida diaria. Así, la explicación de estos objetos está acompañada con ligas hacia los
fundamentos físicos que explican el funcionamiento.
En segundo lugar se trata de un anzuelo lúdico, que interese a los alumnos en el material que
se les presenta, y por ese medio, los lleve a aprender los conceptos presentados de una
manera amena.
• Módulo de notas personales: Este módulo surge de una crítica hacia la mayoría de los
programas educativos que existen en el mercado. En efecto, después de analizar productos y
bibliografía hemos llegado a las conclusión de que en su gran mayoría, el software educativo
sólo se concentra en como enseñar, pero muy poco en como aprender. Esto se ve reflejado en
las pocas herramientas que se le brindan al alumno para mejorar su aprendizaje, desde las más
básicas como un espacio para hacer notas, hasta otras más elaboradas como un espacio
donde ordenar sus ideas, o aquellas que lo inciten a la reflexión.
Como una primera versión de este tipo de herramientas, este módulo permite al alumno copiar
las partes del módulo enciclopédico que le resulten interesantes y anotar sus propias
observaciones, darles formato, imprimirlos, etc. Las partes copiadas quedan automáticamente
ligadas al lugar de donde las extrajo, de modo que en caso de duda, pueda regresar fácilmente
al contexto del que las sacó.
• Módulo de solución de problemas: Este módulo está basado en la metodología TADIR
(Traducción, Análisis, Diseño, Instrumentación y Revisión), y permite al alumno la construcción
y prueba del diseño de solución de problemas de Mecánica Clásica, utilizando heurísticas que
propicien la aplicación de criterios, más que la memorización de ecuaciones; promoviendo el
desarrollo de procesos metacognitivos.
Ofrece las actividades de aprendizaje y evaluación a tres niveles: demostración, exploración y
evaluación.
• Módulo de evaluación: Un Sistema Tutorial no puede estar completo sin un módulo que permita
al alumno evaluarse y obtener un diagnóstico de su aprendizaje. Esa es justamente la misión de
este módulo: proporcionar al alumno un método de evaluación que además permite identificar
los puntos débiles en su aprendizaje. Así, este módulo ofrece al alumno una lista personalizada
de los temas a revisar, así como el orden en que debe hacerlo.
Su funcionamiento se basa en un Sistema Experto, que contiene la experticia de un profesor de
la materia de física sobre cómo evaluar a los alumnos, y más importante, cómo reconocer que
conceptos son los problemáticos, ante una serie de respuestas erróneas.
• Módulo tutorial: Este módulo se puede considerar como el cerebro, o parte inteligente del
sistema. Se trata de un módulo que, en base a técnicas de inteligencia artificial, modela y
reproduce las acciones de un experto profesor de física, de modo que es capaz de coordinar las
actividades de aprendizaje de un alumno, llamando para ello y según lo considere necesario, a
los otros diez módulos del Tutorial, detallados anteriormente.
El sistema tutorial basa sus acciones en cuatro factores: un diagnóstico inicial del alumno; las
acciones de éste con el sistema; un modelo del estudiante; y las estrategias pedagógicas
modeladas de los profesores. Con base en estas informaciones, el sistema es capaz de evaluar
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el estado de aprendizaje del alumno, y así proponerle las actividades consecuentes que le
ayuden a completar su formación.
4. ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA
El sistema fue diseñado pensando en tres escenarios de uso posibles:
a) Con valor curricular: en este caso el sistema es utilizado como una herramienta más dentro de
un curso escolar formal (abierto o no). Las actividades y problemas son seguidos y evaluados
por un profesor, quien además coordina el ritmo con el que el material es estudiado.
b) Por interés personal: el alumno no está obligado a seguir el material, pero lo utiliza como un
complemento al libro de texto, al laboratorio de la escuela, a la explicación de un tema dada en
clase, o aún como una manera de evaluarse antes de un examen.
c) Por curiosidad: el alumno tiene acceso al sistema por casualidad, como tiene acceso a otros
programas. Lo revisa como lo hace con otros sistemas (incluyendo juegos) y se interesa en el
contenido o no.
Estos modos de uso nos llevaron a determinar dos maneras de navegación: guiada o libre. En el
primer caso, uno pide a un avatar, que es un agente inteligente que toma el papel de profesor, que
lo guíe a través de un tema específico. Este avatar en realidad encarna al módulo tutorial del que
se habló en la sección anterior. Así, el agente diagnostica al usuario, le indica que actividades debe
realizar y finalmente lo evalúa. Por otro lado, existe también la posibilidad de que el alumno
navegue por el sistema libremente. En este modo, el Sistema presenta al alumno ligas que lo
lleven de un tema a otro, y de un módulo a otro.
En cualquiera de los dos modos de navegación, el alumno revisa y observa el mismo material. La
diferencia es que en el primero, el sistema elige en que orden, mientras que en el segundo, es el
alumno el que especifica la velocidad y el orden con el que el material es revisado.
Estos dos modos de navegación han llevado a dos arquitecturas diferentes del sistema. La primera
de ellas puede observarse en la Figura 1. En esta arquitectura, el módulo que da sostén y
coherencia a todo el sistema es el módulo enciclopédico. En efecto, en la figura puede observarse
como el resto de los módulos no tienen ligas entre ellos, sino que todos pasan por el enciclopédico.
Esta organización es el reflejo de una estrategia pedagógica en la que todo el material esta
organizado de manera que pueda reforzar el contenido del módulo enciclopédico.
Figura 1. Estructura del sistema bajo modo de navegación libre
Prácticas basadas
en video
Diccionario inverso
Solución de
problemas
Guía inteligente Evaluación
Paseos virtuales
Cómo funciona
Explícame mi
fórmula
Haz tu propio
acordeón
Dudas
Colector de dudas
Enciclopédico
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En la Figura 2 puede observarse la arquitectura para el caso en el que se sigue una navegación
guiada.
Figura 2. Arquitectura del Sistema en modo de navegación guiada
En la Figura 2, uno puede observar como, a diferencia del modo de navegación libre, el módulo de
guía inteligente toma el control de cómo y cuando deben aparecer el resto de los módulos, y que
debe hacer cada uno de ellos. De esta manera, es responsabilidad de la guía que módulos y en
que orden se deben visitar.
5. AVANCES DEL SISTEMA Y TRABAJOS FUTUROS
El desarrollo del Sistema Inteligente Computarizado para el Aprendizaje Conceptual e Interactivo
de la Física a Nivel Bachillerato representa un reto desde diversos puntos de vista. Cómo lo
mencionamos al principio de este artículo, varios de sus módulos se basan en enfoques que no
han sido utilizados por el resto de los sistemas educativos; no porque no sean útiles, sino por la
dificultad que implica su desarrollo. Así, cada uno de ellos representa, para el equipo encargado de
su implementación, un reto nuevo. En segundo lugar, está el problema de establecer y validar
metodologías centradas en el alumno, que fijen las bases sobre las cuales, cada uno de los
módulos pueda ser desarrollado y evaluado.
• Hasta este momento, el módulo enciclopédico se encuentra en fase de especificación y
redacción. En un primer momento, únicamente se trabajará con el tema de mecánica, de
modo que esto circunscribe el alcance para el resto de los módulos.
• La Evaluación del alumno, y las Prácticas basadas en videos, son dos módulos que ya se
encuentran en fases de pruebas finales, y que serán liberados a finales del presente año.
• Por su parte, los módulos de Paseos virtuales, ¿Cómo funciona?, y Explícame mi fórmula, son
módulos que ya están resueltos desde un punto de vista técnico. Sin embargo, aún falta
establecer el material que cada uno de ellos habrá de presentar al alumno.
• Por lo que respecta al módulo de Dudas, su desarrollo se ha dividido en cuatro fases:
a) entrevistas con alumnos, en las que se les asignan tareas que deben resolver en voz alta;
Prácticas
basadas en
video
Diccionario
inverso
Solución de
problemas
Guía inteligente Evaluación
Paseos
virtuales
Cómo funciona
Explícame mi
fórmula
Haz tu propio
acordeón
Dudas
Colector de
dudas
Enciclopédico
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b) análisis de las sesiones de entrevistas, en las que se identifican sus creencias y sus dudas;
c) modelado e implementación de las dudas encontradas; d) redacción e inclusión del material
que responde a cada una de las dudas. En este momento, la primera fase ya se terminó,
pasando ahora al análisis de las entrevistas, y al modelado de las dudas.
• El desarrollo del módulo del Diccionario inverso se divide en las siguientes etapas:
a) establecimiento de los conceptos a manejar; b) recolección de diferentes definiciones para
cada uno de los conceptos; c) identificación de los paradigmas semánticos; d) alineación de
los paradigmas; e) implementación. El avance incluye las tres primeras fases.
• El módulo de guía inteligente se encuentra en fase de modelado del alumno, y de
establecimiento y modelado de estrategias pedagógicas.
• Finalmente, el módulo de Haz tu propio acordeón se encuentra temporalmente detenido. En el
plan de desarrollo del proyecto se ha establecido que dicho módulo será implementado el
próximo año.
El Sistema que se ha planteado en este artículo se encuentra en plena fase de implementación.
Esto no impide el poder probar y analizar los resultados obtenidos hasta ahora [6; 7; 9]. Así, una
serie de sesiones con alumnos tipo se están planeando, de modo que podamos evaluar los
materiales desarrollados hasta este momento.
Como ya se mencionó, algunos de los módulos propuestos se encuentran en fase de
especificación; los siguientes meses serán consagrados a desarrollar primeras versiones de cada
uno de ellos. Dichas versiones serán a su vez probadas con alumnos, refinadas y validadas.
6. AGRADECIMIENTOS
Los autores de este artículo agradecen a CONACYT el financiamiento brindado para su
realización. Proyecto 32636-A.
7. BIBLIOGRAFÍA
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