Aplicación del modelo de computación en la nube para la formación ubicua de estudiantes en infraestructuras de datos espaciales

Abstract

Con el fin de proporcionar a los alumnos un sistema ubicuo e individualizado para la formación práctica en Infraestructuras de Datos Espaciales aplicamosmodelo de Computación en la Nube, o Cloud Computing, como un campo muy interesante para el desarrollo de recursos didácticos. Para ello se estudian las necesidades del alumnado en este ámbito y cómo el modelo propuesto permite ofrecer a los alumnos herramientas para el aprendizaje ubicuo y, a la vez, dotarles de competencias en tecnologías que se están implantando actualmente en el campo de la Geomática, con la finalidad de familiarizar a los alumnos con los actuales mecanismos de provisión de aplicaciones y servicios en Internet.

Full text

Aplicación del modelo de computación en la nube para la formación ubicua de estudiantes en
Infraestructuras de Datos Espaciales
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APLICACIÓN DEL MODELO DE COMPUTACIÓN EN LA NUBE PARA
LA FORMACIÓN UBICUA DE ESTUDIANTES EN
INFRAESTRUCTURAS DE DATOS ESPACIALES
Ramón Alcarria
ETSI en Topografía, Geodesia y Cartografía, UPM, Madrid, España
ramon.alcarria@upm.es
Miguel Ángel Manso
ETSI en Topografía, Geodesia y Cartografía, UPM, Madrid, España
m.manso@upm.es
José Luis García Pallero
ETSI en Topografía, Geodesia y Cartografía, UPM, Madrid, España
jlg.pallero@upm.es
Diego Martín de Andrés
ETSI de Telecomunicación, UPM, Madrid, España
diego.martin.de.andres@upm.es
Tomás Robles Valladares
ETSI de Telecomunicación, UPM, Madrid, España
tomas.robles@upm.es
Para citar este trabajo:
Alcarria, R.; Manso, M.A.; Pallero, J.L.G.; Martín de Andrés, D.; Robles
Valladares, T. (2015). Aplicación del modelo de computación en la nube para la
formación ubicua de estudiantes en Infraestructuras de Datos Espaciales. En
Ruiz-Palmero, J.; Sánchez-Rodríguez, J. y Sánchez-Rivas, E. (Edit.).
Innovaciones con tecnologías emergentes. Málaga: Universidad de Málaga.
Palabras clave:
Sistema de información geográfica, Tecnologías de la información, Aprendizaje
asistido por ordenador, Aprendizaje en línea

Aplicación del modelo de computación en la nube para la formación ubicua de estudiantes en
Infraestructuras de Datos Espaciales
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Resumen:
Con el fin de proporcionar a los alumnos un sistema ubicuo e individualizado
para la formación práctica en Infraestructuras de Datos Espaciales aplicamos el
modelo de Computación en la Nube, o Cloud Computing, como un campo muy
interesante para el desarrollo de recursos didácticos. Para ello se estudian las
necesidades del alumnado en este ámbito y cómo el modelo propuesto permite
ofrecer a los alumnos herramientas para el aprendizaje ubicuo y, a la vez,
dotarles de competencias en tecnologías que se están implantando
actualmente en el campo de la Geomática, con la finalidad de familiarizar a los
alumnos con los actuales mecanismos de provisión de aplicaciones y servicios
en Internet.
1. INTRODUCCIÓN
La creciente demanda de profesiones relacionadas con el territorio, como la
geoinformación y los geoservicios (González & Lázaro, 2011) y el avance de
las geotecnologías exigen emplear nuevas herramientas en el aprendizaje para
adecuar las competencias de los alumnos a las demandas de la sociedad.
Internet, la Web 2.0 y, más recientemente, la Computación en la Nube (Cloud
Computing) han abierto un campo muy interesante para el desarrollo de nuevos
recursos didácticos para los procesos educativos tanto presenciales como a
distancia. En especial, el modelo de Computación en la Nube introduce la
ventaja de la ubicuidad (todo disponible desde cualquier lugar), fomentando la
colaboración, intercambio de información y comunicación entre usuarios desde
cualquier lugar y dispositivo, facilitando el aprendizaje a distancia y el
autoaprendizaje. Así lo asegura el informe HORIZON (Johnson, Levine, Smith,
and Stone, 2010), que considera la Computación en la Nube como una
tendencia tecnológica con fuerte impacto en la docencia y en el aprendizaje.
El estudio y aplicación de las Infraestructuras de Datos Espaciales (IDE) se
centra en la provisión e intercambio de geoinformación a través de Internet. Las
necesidades actuales en cuanto a procesamiento de datos y los requisitos de
implementación y puesta en marcha de geoservicios IDE han motivado la
implantación del modelo de Computación en la Nube en el campo de la
Geomática y de los Sistemas de Información Geográfica (SIG). Sin embargo,
en el ámbito educativo todavía no existen muchas iniciativas que fomenten el
aprendizaje y la utilización de herramientas Cloud para los alumnos que cursan
las asignaturas relacionadas con SIG e IDE.
El modelo que se detalla en este trabajo ha sido aplicado durante el curso
2014/2015 en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros en Topografía,
Geodesia y Cartografía de la Universidad Politécnica de Madrid.

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Específicamente, se ha aplicado sobre las asignaturas “Infraestructura de
Datos Espaciales II” (IDE-II), perteneciente al grado de Ingeniería Geomática y
Topografía y “Aplicaciones Distribuidas para la Información Geográfica”
(AD4IG), perteneciente al Máster en Ingeniería Geodésica y Cartografía.
2. ANTECEDENTES Y MOTIVACIÓN
2.1. COMPUTACIÓN EN LA NUBE
La Computación en la Nube (Mell & Gance, 2011) es un modelo de acceso y
provisión de recursos compartidos (conectividad, almacenamiento, aplicación y
servicios) que tiene las siguientes características:
- Los recursos se provisionan y se liberan con un mínimo esfuerzo de
gestión o interacción con el proveedor, incluso sin intervención humana.
El acceso a los recursos es ubicuo, bajo demanda e inmediato.
- Servicio medible: Los sistemas Cloud monitorizan, controlan y registran
los recursos utilizados para proporcionar transparencia al proveedor y al
consumidor.
Consideramos fundamental dotar a los alumnos del área de Geomática de
conocimientos y competencias para el uso de estas características, con los
siguientes objetivos:
- Utilizar herramientas Cloud para fomentar el auto-aprendizaje, facilitando
a los alumnos de Grado y Máster la participación en las asignaturas
mediante las modalidades e-learning y u-learning.
- Familiarizarse con el modelo de negocio de provisión de aplicaciones y
servicios en Internet (Shawish & Salama, 2014).
2.2. INFRAESTRUCTURAS DE DATOS ESPACIALES
El término de Infraestructura de Datos Espaciales fue acuñado por el Consejo
Nacional de Investigación (NRC) de Estados Unidos en 1993 para referirse a
una infraestructura de tecnologías, políticas y acuerdos institucionales para
facilitar la creación, intercambio y utilización de datos geoespaciales a través
de comunidades de intercambio a distintos niveles: regional, nacional e
internacional.
Desde el punto de vista tecnológico, una IDE consiste en un conjunto de nodos
que ofrecen servicios a otros nodos y a usuarios finales. Los alumnos necesitan

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desarrollar las habilidades necesarias para:
- Diseñar, implementar y mantener componentes IDE (clientes, servidores
y bases de datos).
- Entender los procesos de comunicación entre los nodos IDE y los
usuarios, considerando el ofrecimiento y las invocaciones de servicios, al
estilo de las Arquitecturas Orientadas a Servicios (SOA) y los servicios
Web (Newcomer & Lomow, 2004)
- Utilizar herramientas compatibles con la familia de normas ISO 191** y
estándares del Open Geospatial Consortium (OGC).
2.3. MOTIVACIÓN
La aplicación del modelo de Computación en la Nube para la formación ubicua
de estudiantes en Infraestructura de Datos Espaciales produce dos beneficios
fundamentales.
Por un lado permite que los alumnos se familiaricen y utilicen las herramientas
de Computación en la Nube, profusamente utilizadas en el entorno profesional
en los últimos años, adquiriendo competencias muy valoradas para el acceso
de los alumnos egresados al mercado laboral. Por otro lado, el uso de
herramientas Cloud constituye una estrategia docente fundamental gracias a
sus características de ubicuidad, propiciando que los alumnos tengan una
actitud más activa en clase, estén más motivados, y así facilitar el trabajo
dentro y fuera del aula.
En el ámbito educativo todavía no existen muchas iniciativas que fomenten el
aprendizaje y la utilización de herramientas Cloud a los alumnos de SIG e IDE,
aunque cada vez hay más herramientas que ofrecen una versión para Cloud,
como el ArcGIS Server de ESRI o la alternativa libre de QGIS, utilizadas
tradicionalmente por alumnos de IDE.
En el ámbito español algunos autores mencionan el fenómeno de la nube y su
ubicuidad como beneficioso para su aplicación a la docencia en Información
Geográfica (González & Lázaro, 2011). En el ámbito internacional se proponen
algunas soluciones Cloud como BotanGIS (Nétek, Dobesova and Vavra, 2014),
desarrollada para mejorar la educación en botánica, o GeoSquare (Cheng et
al., 2015), geoportal para investigadores y profesores para el intercambio de
recursos geoespaciales. Sin embargo, en estas propuestas, los estudiantes no
participan en el desarrollo de la solución, sino que se convierten en meros
usuarios. Unas iniciativas parecidas a la nuestra pueden verse en portales de

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educación a distancia (e-learning), como el Curso GEOG 865 de la Universidad
de Penn State (Penn State, (s.f.)), con el fin de que los alumnos utilicen
recursos Cloud y SIG para resolver problemas de naturaleza geoespacial.
Los objetivos que perseguimos con la implantación de este modelo son los
siguientes:
- Formar a los alumnos en el diseño y desarrollo de un entorno de trabajo
Cloud para que dispongan de todas las herramientas necesarias
(compatibles con las normas ISO 191** y estándares del OGC) para el
estudio y aprendizaje de las asignaturas seleccionadas. Actualmente las
herramientas necesarias se encuentran instaladas en los ordenadores
del laboratorio y son utilizadas de forma colectiva, con los consiguientes
problemas de malfuncionamiento y acceso limitado por parte de los
usuarios.
- Demostrar a los alumnos los beneficios de la Computación en la Nube
en la educación presencial y a distancia, para el estudio de las
Infraestructuras de Datos Espaciales y también la asimilación de estos
conocimientos como competencias para el ámbito profesional.
3. MÉTODO Y FASES
El modelo desarrollado facilita la participación de los alumnos en las
asignaturas a través del acceso ubicuo a las herramientas software necesarias
para el seguimiento de las mismas y la elaboración de los trabajos de
evaluación.
El proyecto realizado se ha compuesto de una serie de fases, comenzando en
Octubre 2014 (Mes 1) y finalizando en Septiembre 2015 (Mes 12). En esta
sección se utilizan los términos M1 y M12 para independizar la metodología de
la fecha de implantación.
3.1. PREPARACIÓN (M1 A M4)
Para el desarrollo e implementación del entorno se propuso la utilización de la
plataforma Cloud Amazon AWS, que ofrece un conjunto de herramientas
(sistemas operativos, recursos hardware, bases de datos, middleware de
comunicaciones) configurables y adaptables a las necesidades docentes.
En la fase de preparación se planificaron las actividades para no incurrir en
ningún coste para el profesor ni para el alumnado. También se solicitó
financiación como respaldo a Amazon.com, Inc., a través de su programa AWS

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Educate, mediante el cual obtuvimos una beca de 100$ para cada alumno.
En esta fase también se procedió a la recopilación y adaptación de recursos
educativos existentes al nuevo modelo de Computación en la Nube, elaborando
manuales y documentación de uso del entorno. También se produjo la
instalación por el profesor del entorno de trabajo propuesto para el curso, de
forma que se pudieran anticipar problemas de conectividad y poder así revisar
la configuración de las aulas de impartición de la asignatura.
3.2. REVISIÓN DE SERVICIOS DISPONIBLES E INSTALACIÓN
DE ENTORNO (M5 A M9)
En la segunda fase, ya en periodo lectivo, se dotó a los alumnos de
conocimientos teóricos sobre el modelo de Computación en la Nube y las
herramientas disponibles para estudiantes y profesionales en Internet. También
se les guió para la creación de una cuenta en Amazon AWS, en cuyo proceso
se solicita información personal y también información bancaria (proceso
imprescindible pero de mínimo riesgo al poseer las becas de AWS Educate).
Después se procedió a la creación de una máquina virtual en la nube
(equivalente a disponer de un servidor) y el acceso remoto a la máquina. Se
instaló una máquina t2.micro con el sistema operativo Windows Server 2013,
desplegada en la zona de disponibilidad geográfica de Irlanda para
proporcionar conectividad de baja latencia con conexiones desde España.
También se configuró el servicio de alertas Amazon CloudWatch para recibir
correos con avisos si se incurre en algún gasto y el servicio de Identity and
Access Management (IAM) para otorgar credenciales de acceso al profesor en
las instancias de los alumnos.
En esta fase se hizo especial hincapié en las características de seguridad de la
plataforma Cloud. Relacionado con el control de acceso a la instancia se
configura un grupo de seguridad, definiendo en el cortafuegos (firewall) de
Amazon excepciones para la apertura de los puertos que utilizarán las
aplicaciones a instalar. Se crea también una clave privada RSA para garantizar
que sólo la persona que posee esta clave puede acceder a la instancia como
Administrador.
La Figura 1 representa el entorno instalado por el alumno y los servicios Cloud
utilizados para tal fin. Destacamos el uso de PostgreSQL (con el gestor
pgAdmin) como base de datos, los servidores de datos geoespaciales
Geoserver y Mapserver, y el catálogo de datos y servicios ofrecido por
deegree.

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Figura 1: Entorno Cloud personal creado por el alumno
3.3. EVALUACIÓN Y CLAUSURA (M10 A M12)
Además de la realización de pruebas para cubrir los conocimientos de la
asignatura basados en el catálogo de competencias específicas, se realizaron
un conjunto de pruebas objetivas para comprobar el grado de conocimientos de
Cloud Computing y el grado de madurez en el uso de las herramientas Cloud.
Para la elaboración de estas pruebas se partió de un conjunto de preguntas
utilizadas en los exámenes de capacitación y certificación de Cloud Computing,
como “CompTIA Cloud Essentials” y “Amazon AWS Associate Level”.
Posteriormente se analizaron las calificaciones de los alumnos y se propuso un
plan de extensión y mejora de manuales y documentación de uso del entorno
Cloud, además de un plan de diseminación de resultados.
4. DISCUSIÓN Y RESULTADOS
Comparamos el modelo propuesto con soluciones aplicadas anteriormente, que
consideraban como objetivos que el alumno tuviera acceso a su entorno de
trabajo de forma ubicua y también que se enfrentase al problema de la
instalación y configuración de software para ofrecer servicios de una IDE en
equipos informáticos.

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En el modelo tradicional, los alumnos instalaban en clase el software necesario
para las prácticas en IDE, bien en los ordenadores del laboratorio o bien en sus
ordenadores personales. Se proporcionaban manuales de instalación para que
los alumnos instalasen el software en casa o en tutorías. Este modelo presenta
los siguientes problemas:
- Falta de formación en el modelo de Computación en la Nube y en el uso
de herramientas Cloud para el ámbito profesional.
- Problemática de tener varios equipos con información no sincronizada
(datos y metadatos no actualizados). Además, los equipos del
laboratorio son utilizados por otros alumnos y existe mayor riesgo de que
la información de los usuarios sea copiada o eliminada.
- Dificultad en la corrección de trabajos por parte de los docentes y la
necesidad de configurar un entorno de entrega de las prácticas.
- Los alumnos incurren en múltiples instalaciones (ordenador personal,
equipo del laboratorio, reinstalaciones por malfuncionamiento),
consideradas repeticiones innecesarias. La solución Cloud reduce este
problema por mantener sólo un entorno que puede ser restaurado
automáticamente si queda inutilizable.
La solución tradicional presenta las ventajas de ausencia de riesgo de incurrir
en gastos y la no necesidad de introducir información bancaria. Sin embargo,
esta desventaja de los sistemas Cloud puede resolverse utilizando mecanismos
de administración de credenciales Amazon IAM (Identity and Access
Management) y programa de becas para estudiantes AWS Educate.
Recogemos la valoración de 12 alumnos tras finalizar la asignatura IDE-II. Las
preguntas se relacionaban con la ausencia de solapamientos con otras
asignaturas y de repeticiones innecesarias (#1), la adecuación del método de
evaluación empleado (#2), la mejora del nivel de partida del alumnado (#3), el
nivel de organización de las actividades por parte del profesor (#4) y el interés
que despierta el profesor en los temas de la asignatura (#5) y, por último, el
nivel de satisfacción general con la labor docente del profesor (#6). La
valoración de estos alumnos se recoge entre 0 (Completamente en
desacuerdo) y 5 (Completamente de acuerdo) y se representa en la Figura 2
con el eje vertical truncado para facilitar la visualización.
Aunque estas preguntas no están dirigidas específicamente a la integración del
modelo de Computación en la Nube en el estudio de las IDE-II, al tener este
trabajo un peso fundamental en la asignatura nos aventuramos a mantener que

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ha tenido mucha influencia en la valoración de los alumnos y que, en base a los
resultados, la influencia ha sido muy positiva.
4.00
4.33
4.17 4.25
4.08
4.50
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
Valoración
Resultados encuesta asignatura IDE-II 2014-2015
#1
#2
#3
#4
#5
#6
Figura 2: Resultados de valoración de los alumnos de la asignatura IDE-II
propuesta para el curso 2014-2015
5. CONCLUSIONES
En este trabajo se propone una nueva estrategia para la formación de alumnos
en Infraestructuras de Datos Espaciales, aplicando el modelo de Computación
en la Nube, en actual implantación en el ámbito profesional relacionado con la
Geomática. La novedad de este trabajo se centra en la aplicación de este
modelo también en el ámbito educativo, para ofrecer a los alumnos
herramientas para el aprendizaje ubicuo, que a su vez les permita entender el
modelo actual de provisión de aplicaciones y servicios en Internet.
En el marco de dos asignaturas del plan de estudios de la ETSI en Topografía,
Geodesia y Cartografía (UPM) los alumnos han aprendido a diseñar, configurar
e instalar su entorno Cloud personal, teniendo en cuenta las características de
seguridad (control de acceso, credenciales, configuración del cortafuegos),
acceso y solicitud de recursos (modificación de características de instancias) y
control de consumo (configuración de servicio de alertas y comprensión del
modelo de tarificación).
La aplicación de este modelo en las asignaturas ha producido buenos

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resultados. Los alumnos han valorado el desarrollo de la asignatura y la
actuación de los profesores por encima de 4 puntos (Muy de acuerdo) sobre 5.
6. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se ha realizado en el marco del proyecto de innovación educativa
“Aplicación del modelo de Computación en la Nube para la formación ubicua de
estudiantes en Infraestructuras de Datos Espaciales”, financiado por la
Universidad Politécnica de Madrid en su convocatoria de 2014-2015.
Queremos agradecer también a Amazon por su financiación a través de las
becas de AWS Educate.
7. REFERENCIAS
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Platform Supporting Geospatial Collaboration for GIS Education. ISPRS -
International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial
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las tecnologías de la información geográfica. Ar@cne. Revista electrónica de
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Universidad de Barcelona, nº 148, 1 de junio de 2011.
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Mell, P. & Gance, T. (2011). The NIST Definition of Cloud Computing. National
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Nétek, R., Dobesova, Z., & Vavra, A. (2014). Innovation of Botany Education by
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Penn State University, GEOG 865, Recuperado el 13 de septiembre de 2015, a
partir de https://www.e-education.psu.edu/cloudGIS/
Shawish, A., & Salama, M. (2014). Cloud Computing: Paradigms and
Technologies. In F. Xhafa & N. Bessis (Eds.), Inter-cooperative Collective
Intelligence: Techniques and Applications (pp. 39–67). Springer Berlin
Heidelberg.