revista iberoamericana de tecnologías del/da aprendizaje...

Una publicación de la Sociedad de la Educación del IEEE Uma publicação da Sociedade de Educação do IEEE A publication of the IEEE Education Society MAYO/MAIO/MAY 2007 VOL. 2 NÚMERO/NUMBER 1 (ISSN 1932-8540)

Editorial (en español)………………………………………..………………...M. Llamas y M. Castro i Editorial (en português)……….………………………………………...……..M. Llamas y M. Castro iii ARTÍCULOS/ARTIGOS/PAPERS El Centro Multimedia de Galicia: un modelo de colaboración entre el sector público y el privado en el desarrollo de e-learning ……………………………………..……...……………………………….. ……...………Manuel J. Fernández Iglesias, Felicitas Rodríguez González y Esther Medina Ferreiro 1 Estudio del comportamiento de la máquina asíncrona utilizando MATALAB®/Simulink …………… …………………………………………………………………............................Jesús Fraile Ardanuy 9 Plataforma de laboratorio para prácticas de filtrado activo de potencia………………………………... ………………………………………………………Víctor M. Moreno Sáiz y Alberto Pigazo López 19

Simulador MPLS para la Innovación Pedagógica en el Área de Ingeniería Telemática……………... ……………..Manuel Domínguez Dorado, Francisco J. Rodríguez Pérez y José L. González Sánchez 27 Un Lenguaje Gráfico para el Modelado de Unidades Didácticas en Ingeniería………………………... ……………………………..…..Manuel Caeiro Rodríguez, Martín Llamas Nistal y Luis Anido Rifón 35 easySP: Nueva Aplicación para la Enseñanza de Procesado de Señal………..………………………... …………………………………………………………Javier Vicente Sáez, Begoña García Zapirain,

Ibon Ruiz Oleagordia, Amaia Méndez Zorrilla y Oscar LageSerrano45

Integrando a Produção de Documentos Didáticos com Ontologias: o Sistema e-Nsino......................... ....................................................................................Giovani Rubert Librelotto e Marcos Luís Cassal 53

Revista Iberoamericana de Tecnologías del/da Aprendizaje/Aprendizagem (Latin-American Learning Technologies Journal)

IEEE-RITA (http://webs.uvigo.es/cesei/RITA)

DOI (Digital Object Identifier) Pendiente

CONSEJO/CONSELHO EDITORIAL

Presidente (Editor Jefe): Martín Llamas Nistal, Universidad

de Vigo, España Vicepresidente:

Manuel Castro Gil, UNED, España

Miembros: Melany M. Ciampi, COPEC, Brasil Javier Quezada Andrade, ITESM,

México

Secretaría: Pedro Pimenta, Universidade do

Minho, Portugal Francisco Mur, UNED, España

COMITÉ CIENTÍFICO

Alfredo Fernández

Valmayor, Universidad Complutense de Madrid,

España Antonio J. López Martín,

Universidad Estatal de Nuevo Méjico, USA Antonio J. Méndez,

Universidad de Coimbra, Portugal

Arturo Molina, ITESM, México

Baltasar Fernández, Universidad Complutense

de Madrid, España Carlos Delgado,

Universidad Carlos III de Madrid, España

Carlos Vaz do Carvalho, INESP, Portugal

Claudio da Rocha Brito, COPEC, Brasil

Daniel Burgos, Universidad Abierta de Holanda,

Holanda

Edmundo Tovar, UPM, España

Fernando Pescador, UPM, España

Francisco Arcega, Universidad de Zaragoza,

España Francisco Azcondo,

Universidad de Cantabria, España

Francisco Jurado, Universidad de Jaen,

España Gustavo Rossi, Universidad

Nacional de la Plata, Argentina

Héctor Morelos, ITESM, México

Hugo E. Hernández Figueroa, Universidad de

Campinas, Brasil Inmaculada Plaza,

Universidad de Zaragoza, España

Jaime Sánchez, Universidad de Chile, Chile

Javier Pulido, ITESM, México

José Bravo, Universidad de Castilla La Mancha, España José Carpio, UNED, España

José Palazzo M. De Oliveira, UFGRS, Brasil

Juan Quemada, UPM, España

Luis Anido, Universidad de Vigo, España

Manuel Fernández Iglesias, Universidad de Vigo,

España Manuel Ortega,

Universidad de Castilla La Mancha, España

M. Felisa Verdejo, UNED, España

Maria José Patrício Marcelino, Universidad de

Coimbra, Portugal Mateo Aboy, Instituto de Tecnología de Oregón,

USA

Miguel Angel Sicilia Urbán, Universidad de Alcalá,

España Miguel Rodríguez Artacho,

UNED, España Paloma Díaz, Universidad

Carlos III de Madrid, España

Paulo Días, Universidade do Minho, Portugal

Rosa M. Vicari, UFGRS, Brasil

Víctor H. Casanova, Universidad de Brasilia,

Brasil Vitor Duarte Teodoro, Universidade Nova de

Lisboa, Portugal Vladimir Zakharov, Universidade Estatal

Técnica MADI, Moscú, Rusia

Yannis Dimitriadis, Universidad de Valladolid,

España

Revisores

Addison Salazar Afanador, Universidad Politécnica de

Valencia, España André Luís Alice Raabe,

Universidade do Vale do Itajaí, Brasil

Alberto Jorge Lebre Cardoso, Universidad de Coimbra,

Portugal Ana Arruarte Lasa, Universidad

del País Vasco, España Angel García Beltrán,

Universidad Politécnica de Madrid, España

Angel Mora Bonilla, Universidad de Málaga, España Angélica de Antonio Jiménez,

Universidad Politécnica de Madrid, España

Basil M. Al-Hadithi, Universidad Alfonso X El Sabio,

España Basilio Pueo Ortega,

Universidad de Alicante, España Carmen Fernández Chamizo, Universidad Complutense de

Madrid, España

Cecilio Angulo Bahón, Universidad Politécnica de

Catalunya , España César Alberto Collazos Ordóñez,

Universidad del Cauca, Colombia

Crescencio Bravo Santos, Universidad de Castilla-La

Mancha, España Daniel Montesinos i Miracle, Universidad Politécnica de

Catalunya, España David Benito Pertusa,

Universidad Publica de Navarra, España

Faraón Llorens Largo, Universidad de Alicante, España

Gloria Zaballa Pérez, Universidad de Deusto, España

Gracia Ester Martín Garzón, Universidad de Almeria, España

Ismar Frango Silveira, Universidad de Cruzeiro do Sul,

Brasil Javier Areitio Bertolin,

Universidad de Deusto, España Javier González Castaño,

Universidad de Vigo, España

Joaquín Roca Dorda, Universidad Politécnica de

Cartagena, España Jorge Alberto Fonseca e

Trindade, Escola Superior de Tecnología y Gestión, Portugal

Jose Ángel Irastorza Teja, Universidad de Cantabria,

España José Angel Martí Arias,

Universidad de la Habana, Cuba José Javier López Monfort, Universidad Politécnica de

Valencia, España José Luis Guzmán Sánchez,

Universidad de Almeria, España José Luis Sánchez Romero,

Universidad de Alicante, España Juan Carlos Soto Merino,

Universidad del Pais Vasco, España

Juan I. Asensio Pérez, Universidad de Valladolid,

España Juan Meléndez, Universidad Pública de Navarra, España

Juan Suardíaz Muro, Universidad Politécnica de

Cartagena, España

Juan Vicente Capella Hernández, Universidad Politécnica de

Valencia, España Luis de la Fuente Valentín,

Universidad Carlos III, España Luis Fernando Mantilla Peñalba,

Universidad de Cantabria, España

Luis Gómez Déniz, Universidad de Las Palmas de Gran Canaria,

España Luis Zorzano Martínez,

Universidad de La Rioja, España Manuel Benito Gómez,

Universidad del Pais Vasco, España

Manuel Caeiro Rodríguez, Universidad de Vigo, España

Manuel Gromaz Campos, Centro de Supercomputación de Galicia,

España Manuel Pérez Cota, Universidad

de Vigo, España Maria Antonia Martínez

Carreras, Universidad de Murcia, España

Mario Muñoz Organero, Universidad de Carlos III,

España

Marta Costa Rosatelli, Universidad Católica de Santos,

Brasil Mercedes Caridad Sebastián,

Universidad Carlos III, España Miguel Angel Gómez Laso,

Universidad Pública de Navarra, España

Miguel Ángel Redondo Duque, Universidad de Castilla-La

Mancha, España Miguel Angel Salido,

Universidad Politécnica de Valencia, España

Oriol Gomis Bellmunt, Universidad Politécnica de

Catalunya, España Rafael Pastor Vargas, UNED,

España Raúl Antonio Aguilar Vera, Universidad Autónoma de

Yucatán, México Robert Piqué López,

Universidad Politécnica de Catalunya, España

Victoria Abreu Sernández, Universidad de Vigo, España

Xabiel García Pañeda, Universidad de Oviedo, España

Equipo Técnico: Ana Losada Pérez, Universidad de Vigo, España

IEEE-RITA Vol. 2, Num. 1, Mayo 2007 i

ISSN 1932-8540 © IEEE

Editorial

Martín Llamas y Manuel Castro, Senior members, IEEE

Después de la gran acogida que ha tenido el primer número de IEEE-RITA y que se puede ver en las estadísticas del sitio web, lanzamos el segundo número de la revista, con un incremento del número de artículos respecto del primer número: 7 frente a 4, y con la incorporación ya de una artículo en lengua portuguesa, que esperamos sea el punto de arranque para más aportaciones en portugués. IEEE-RITA, Revista Iberoamericana de Tecnologías del Aprendizaje del IEEE, es una nueva publicación de la Sociedad de la Educación del IEEE que nació con el objetivo de servir de medio de intercambio científico de las distintas experiencias e investigaciones que se están llevando a cabo en el mundo iberoamericano (para ser más concreto, en los idiomas español y portugués en el mundo entero) dentro del campo de las Tecnologías del Aprendizaje. Esto incluye desde las aplicaciones tecnológicas a la educación, entendiendo desde su aplicación concreta a la enseñanza de disciplinas en las áreas del IEEE (fundamentalmente las áreas de Ingeniería Eléctrica, Tecnología Electrónica, Ingeniería de Telecomunicación e Ingeniería Informática), incluyendo experiencias y métodos pedagógicos, hasta la investigación y diseño de herramientas y materiales para la enseñanza y el aprendizaje. A decisión del Consejo Editorial, queremos también dar cabida a experiencias de implantación de nuevos métodos o plataformas de e-learning en empresas y/o instituciones, y a Estudios de casos y del Estado del Arte. Por eso hacemos un llamamiento especial a este tipo de artículos, pero limitando el número de artículos de este tipo generalmente a uno por número.

En este número de Mayo 2007, el primer artículo es justo de este tipo, donde desde la Dirección General de Comunicación Audiovisual de la Xunta de Galicia (Gobierno Regional de la Comunidad Autónoma de Galicia, España) exponen la experiencia del Centro Multimedia de Galicia. El segundo artículo, desde la Universidad Politécnica de Madrid, presenta el desarrollo de una aplicación completa para el estudio del comportamiento de la máquina asíncrona, utilizando MATLAB®, su interfaz gráfico Simulink y el blockset SimPowerSystems (SPS). El objetivo del tercer artículo es la descripción de prácticas de laboratorio sobre una plataforma didáctica desarrollada al efecto para el estudio experimental de las técnicas de control de filtros activos de potencia en la Universidad de Cantabria. En el cuarto artículo, desde la Universidad de Extremadura se presenta un simulador de redes MPLS, llamado OpenSimMPLS, y que puede utilizarse en la docencia de redes y/o comunicaciones. El siguiente artículo, desde la Universidad de Vigo, presenta una herramienta de autoría basada en un nuevo EML para permitir la creación de modelos computacionales y gráficos de unidades didácticas en ingeniería, basándose en la “separación-de-asuntos”. A continuación, desde la Universidad de Deusto se presenta easySP, una nueva aplicación para la enseñanza en el campo del procesado digital de la señal que permite añadir plugins tanto en formato XML como en Java, lo que posibilita, por ejemplo, poder utilizar funciones de Octave/Matlab. Por último, desde el Centro Universitario Franciscano (UNIFRA) se presenta el sistema e-Nsino, sistema que

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ISSN 1932-8540 © IEEE

permite la edición especializada de documentos didácticos con la ayuda de redes semánticas. Queremos volver a agradecer a nuestros compañeros de la directiva del Capítulo Español de la Sociedad de la Educación del IEEE el apoyo prestado en este segundo número.

Al Ministerio Español de Educación y Ciencia, que a través de la acción complementaria TSI2005-24068-E, permite el funcionamiento de IEEE-RITA. Martín Llamas Nistal es Ingeniero de Telecomunicación (1986) y Doctor Ingeniero de Telecomunicación (1994), ambos títulos por la Universidad Politécnica de Madrid. Desde 1987 es profesor en la ETSI de Telecomunicación de Vigo (de la que fue subdirector en el período 1994-1997); actualmente es profesor titular en el Departamento de Ingeniería Telemática de esa misma Universidad. Ha dirigido varios proyectos de investigación en el área de Telemática y es autor o co-autor de más de 100 publicaciones en revistas y congresos nacionales e internacionales. Desde Diciembre de 1998 a Septiembre de 2003 fue Director del Área de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones de la Universidad de Vigo. Miembro de ATI, de ACM y Senior Member del IEEE.

Finalmente, en nombre propio y del Consejo Editorial, queremos agradecer sinceramente a todos los autores que han enviado un artículo a IEEE-RITA para su revisión y posible aceptación, por toda la confianza depositada en esta nueva publicación. Hasta la fecha de cierre de esta edición, se habían recibido desde el inicio de la revista un total de 37 artículos para revisión, proceso que aún sigue activo. Y por supuesto, nuestra más honda gratitud a los revisores, por su trabajo encomiable y a tiempo, que sustenta a IEEE-RITA, y que permite que siga adelante: Muchas gracias. Manuel Castro Gil es Doctor Ingeniero Industrial y Catedrático de Universidad. Ha sido Vicerrector de Nuevas Tecnologías de la UNED, así como Subdirector de Ordenación Académica y de Investigación en la Escuela de Ingenieros Industriales de la UNED, y Director del Centro de Servicios Informáticos de la UNED, siendo actualmente Director de Departamento. Ha participado en numerosos proyectos de investigación como investigador, coordinador y director y ha publicado en revistas y congresos, tanto nacionales e internacionales. Ha publicado igualmente diversos libros y material multimedia dentro de sus líneas de investigación y docencia. Es Senior Member del IEEE así como miembro del Comité de Administración de la Sociedad de Educación del IEEE.

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Editorial

Martín Llamas y Manuel Castro, Senior members, IEEE (Traduzido por P. Pimenta)

Após o notável acolhimento do primeiro número de IEEE-RITA e que se pode confirmar pelas estatísticas de acesso do site associado, editamos agora o segundo número da revista, com um aumento de 4 para 7 do número de artigos, e com a inclusão de um artigo em língua Portuguesa, que esperamos seja o ponto de partida para mais contribuições em Português. IEEE-RITA, Revista Iberoamericana de Tecnologias de Aprendizagem, é uma nova publicação da Sociedade de Educação do IEEE, que nasceu com o propósito de servir de fórum de partilha científico das diversas experiências e pesquisas que se desenvolvem no mundo iberoamericano (para ser mais concreto, no espaço das línguas portuguesa e castelhana, no mundo inteiro), nas áreas das Tecnologias da Aprendizagem. Estas áreas incluem as aplicações tecnológicas para a educação em geral, assim como a sua aplicação concreta ao ensino de disciplinas nas áreas do IEEE (fundamentalmente, as áreas de Engenharia Electrotécnica, Telecomunicações e Engenharia Informática) e experiências e métodos pedagógicos, incluindo a investigação e projecto de ferramentas e materiais para o ensino e aprendizagem. Por decisão do Conselho Editorial, queremos também dar lugar a experiências de implantação de novos métodos ou de plataformas de e-learning em empresas e/ou instituições, e a Estudos de Caso ou Estados de Arte, pelo que fazemos uma chamada especial para este tipo de artigos, cuja publicação será limitada a um por número de revista.

Neste número de Maio de 2007, o primeiro artigo é, precisamente, deste género, expondo a experiência do Centro Multimedia de Galiza, tutelado pela Dirección General de Comunicación Audiovisual de la Xunta de Galicia (Gobierno Regional de la Comunidad Autónoma de Galicia, España). O segundo artigo, da Universidad Politécnica de Madrid, apresenta o desenvolvimento de uma aplicação completa para o estudo do comportamento de uma máquina assíncrona, utilizando MATLAB®, a sua interface gráfica Simulink e a toolbox SimPowerSystems (SPS).

O propósito do terceiro artigo é a descrição das práticas de laboratório sobre uma plataforma didáctica desenvolvida ad hoc para o estudo experimental de técnicas de controlo de filtros activos de potência na Universidad de Cantábria. No quarto artigo, da Universidade da Extremadura, apresenta-se um simulador de redes MPLS, chamado OpenSimMPLS, e que pode ser utilizada no ensino de redes e/ou comunicações. O artigo seguinte, da Universidade de Vigo, apresenta uma ferramenta de autor baseada em EML (Educational Modelling Language) que permite a criação de modelos computacionais e gráficos de unidades didácticas de engenharia, baseando-se no conceito de “separação de assuntos” (separation of concerns). O artigo seguinte, da Universidad de Deusto, apresenta easySP, uma nova aplicação para o ensino de processamento de sinal, compatível com extensões tanto em formato XML como em Java, o que permite, por exemplo, utilizar funções de Octave/Matlab.

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Por último, do Centro Universitario Franciscano (UNIFRA), chega-nos a apresentação do sistema e-Nsino, sistema que permite a edição especializada de documentos didácticos com a ajuda de redes semânticas.

Queremos voltar a agradecer aos nossos companheiros da Direcção do Capítulo Español da Sociedade de Educação do IEEE o apoio prestado neste segundo número e

Ao Ministerio Español de Educación y Ciencia, que através da acción complementaria TSI2005-24068-E, permite o funcionamento de IEEE-RITA.

Finalmente, em nome pessoal e do Conselho Editorial, queremos agradecer a todos os Autores que enviaram os seus trabalhos a IEEE-RITA para revisão e possível aceitação, toda a confiança depositada nesta publicação. Até ao momento de fecho desta edição, tinham sido recebidos un total de 37 artigos para revisão, processo ainda em curso. E, naturalmente, a nossa mais profunda gratidão aos revisores, pelo seu reconhecido e atempado trabalho, que suporta IEEE-RITA e que lhe permite seguir em frente: Muito Obrigado !

Martín Llamas Nistal é Ingeniero de Telecomunicación (1986) e Doctor Ingeniero de Telecomunicación (1994), ambos os graus atribuídos pela Universidad Politécnica de Madrid. Desde 1987 é professor no ETSI de Telecomunicación de Vigo (de que foi subdirector no período 1994-1997); sendo actualmente profesor titular no Departamento de Ingeniería Telemática da mesma Universidade. Dirigiu vários projectos de investigação na área de Telemática e é autor / co-autor em mais de 100 publicações em revistas e congressos nacionais e internacionais. Desde Dezembro de 1998 a Setembro de 2003 foi Director da Área de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones da Universidad de Vigo. Membro de ATI, de ACM e Senior Member do IEEE

Manuel Castro Gil é Doctor Ingeniero Industrial e Catedrático de Universidad. Foi Vicerrector de Novas Tecnologias da UNED, assim como Subdirector de Ordenación Académica y de Investigación na Escuela de Ingenieros Industriales da UNED, e Director do Centro de Servicios Informáticos da UNED, sendo actualmente Director de Departamento. Participou em numerosos projectos de investigação como investigador, coordenador e director, e publicou em revistas e congressos, tanto nacionais e internacionais. Publicado igualmente diversos livros e material multimédia no âmbito das suas linhas de investigação e docência. É Senior Member do IEEE e membro do Comité de Administración da IEEE Education Society.

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ISSN 1932-8540 © IEEE

Abstract—Quality assurance is one of the most critical aspects of e-learning. This challenge is even more demanding when related to an initiative promoted by a public administration – the regional government of Galicia, Spain – targeted to continuing education in a rapidly evolving economical sector. Can we assess that our course portfolio matches the needs of our audience and, as a consequence, public funding is effectively allocated? The model discussed, being applied at the Galician Multimedia Center, is intended to be a response to this challenge

Index Terms—audiovisual communications, lifelong learning, blended learning, multimedia, videoconferencing.

I. EL CENTRO MULTIMEDIA DE GALICIA L Centro Multimedia de Galicia (CMG) [1] es un organismo dependiente de la Presidencia del Gobierno de

Galicia a través de la Secretaría General de Comunicación y su Dirección General de Comunicación Audiovisual. Su principal objetivo es proporcionar formación no reglada en el ámbito de la Comunicación Audiovisual mediante un programa anual de cursos dirigidos a un abanico amplio de estudiantes. El CMG ofrece cursos de alfabetización audiovisual dirigidos al público en general, pero también dedica parte de sus esfuerzos a desarrollar cursos avanzados sobre diversas tecnologías clave en el mundo de la comunicación, orientados en este caso al reciclaje de nuestros profesionales. El gobierno de Galicia ha definido el sector audiovisual como un sector estratégico para nuestra economía [2]. En un territorio habitado por unos tres millones de habitantes, operan más de trescientas empresas audiovisuales que facturan unos doscientos millones de euros anuales [3][4][5][6]. En este contexto, el CMG es un instrumento clave para el desarrollo de este sector, mediante programas de formación permanente para sus profesionales y programas de alfabetización audiovisual para los ciudadanos y ciudadanas de Galicia. El Centro Multimedia de Galicia está constituido por una sede central en Santiago de Compostela, y una red compuesta

Los autores trabajan para la Dirección General de Comunicación

Audiovisual de la Secretaría General de Comunicación, Xunta de Galicia, San Caetano S/N, España. Manuel J. Fernández como Director General. Felícitas Rodríguez como Jefa de Servicio del Centro Superior de Documentación, y Esther Medina como coordinadora del CMG.


por 17 aulas distribuidas a lo largo y ancho de la geografía gallega. Esta red se verá ampliada durante el año 2007 a 39 aulas, estando previsto que en el horizonte del 2013 consigamos que cualquier ciudadano de Galicia tenga una sede del CMG a menos de 30 minutos de su domicilio.

Todas las aulas cuentan con una sala de computadores con conexión a Internet de alta velocidad, y con un sistema de videoconferencia IP+RDSI (videoconferencia a través de Internet, y videoconferencia tradicional sobre red telefónica digital) que permite establecer sesiones entre todas ellas, tal y como se refleja en la Figura 1.

Fig. 1. Retransmisión interactiva de los cursos

El modelo formativo del CMG se basa en el concepto de

blended learning (aprendizaje mixto) [7], basado en la combinación de actividades presenciales, síncronas y de e-learning. Los profesores dirigen las sesiones de aprendizaje desde la sede central del CMG en Santiago de Compostela, transmitiéndose en tiempo real al resto de las aulas. Los

El Centro Multimedia de Galicia: un modelo de colaboración entre el sector público y el privado

en el desarrollo de e-learning Manuel J. Fernández Iglesias, Felicitas Rodríguez González y Esther Medina Ferreiro1

E

2 IEEE-RITA Vol.2, Núm.1, Mayo 2007

ISSN 1932-8540 © IEEE

estudiantes disponen de una plataforma de e-learning con ejemplos y actividades prácticas para complementar las sesiones con el profesor, y tienen acceso a un servicio de atención al estudiante que les proporciona tutorías, asistencia técnica y asesoramiento profesional. Las clases presenciales se realizan en cada una de las aulas y están orientadas a desarrollar actividades puramente prácticas que son clave para el aprendizaje del tipo de curso impartido. Aparte de las tutorías a través de comunicación síncrona, también se realizan tutorías personalizadas de tal forma que el profesor toma el control del ordenador del alumno, sacándole todo el rendimiento a las aportaciones de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones.

Fig. 2. Concepto de Aula Distribuida. Además del personal docente – profesores y personal de

atención al estudiante – en el desarrollo de los cursos participa un equipo de realización [8]. Este equipo tiene como objetivo garantizar que la experiencia docente no se ve comprometida por la utilización de herramientas informáticas y de comunicación. Durante el desarrollo de las sesiones de aprendizaje, supervisan aspectos como las transiciones entre las cámaras de la sede central y de las aulas remotas, los tipos de plano, la disponibilidad y balance de los canales de audio, vídeo y datos, o la calidad del sonido.

El sistema de retransmisión interactiva de los cursos se basa en dos conceptos. En primer lugar, se dispone de un sistema de multiconferencia de vídeo-audio entre el puesto del

profesor y un equipo en cada sala remota equipado con un cañón de video y un sistema de audio ambiental. Este sistema se utiliza para la retransmisión en tiempo real de las sesiones de clase. Además, utilizamos un sistema de multiconferencia de datos entre el puesto del profesor y todos los puestos de los alumnos, que se utiliza para hacer llegar al profesor las preguntas y comentarios de los estudiantes. Este segundo sistema facilita la interacción entre el profesor y los estudiantes en un entorno donde participan todas las ubicaciones de manera simultánea (actualmente 17 aulas en simultáneo). En la Figura 2 se refleja este sistema de retransmisión interactiva que promueve el concepto de aula distribuida. El objetivo último del programa es garantizar una formación de calidad, con los mejores profesionales en cada campo, accesible al público más amplio posible, situado en una gran parte en localidades alejadas de las grandes capitales cuyas habitantes no tendrían oportunidad de acceder a una oferta comparable en sus lugares de origen. El sistema se complementa con un servicio online de matrícula, de organización de grupos docentes y de gestión de horarios, de manera que los estudiantes no necesitan desplazarse en ningún caso a la sede central del Centro Multimedia de Galicia.

Los cursos ofrecidos por el CMG son gratuitos en todos los casos, y nuestras infraestructuras están a disposición de cualquier otro organismo que lo solicite, público o privado, para el desarrollo de otros planes de formación siempre que se justifique un interés social y no se distorsione el mercado de la formación en Galicia.

II. ORGANIZACIÓN DEL PROGRAMA FORMATIVO En los siguientes apartados presentamos los distintos

aspectos que configuran la organización y el desarrollo del programa formativo. Este programa se caracteriza por:

- Desarrollarse en el entorno tecnológico descrito en el apartado anterior: sede central y red de aulas del CMG.

- Un proceso cíclico de mejora continua [9], con una nueva iteración del ciclo en cada curso académico.

- Tratar de ser comercialmente competitivo y tener vocación de servicio público, por lo que se desarrolla mediante la colaboración de la administración y el sector privado.

Comenzamos presentando la organización del programa.

A. Organización del programa El programa se desarrolla de manera cíclica a lo largo de las

siguientes fases: 1. Definición de objetivos. 2. Proceso de licitación pública. 3. Organización y programación de los cursos. 4. Desarrollo del programa. 5. Evaluación de los resultados. Las dos primeras fases corren a cargo de la administración

pública, en este caso la Dirección General de Comunicación Audiovisual y los técnicos del Centro Multimedia de Galicia. Básicamente, se convoca un concurso público cuyo pliego de

FERNÁNDEZ, RODRÍGUEZ Y MEDINA: EL CENTRO MULTIMEDIA DE GALICIA

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prescripciones técnicas refleja los objetivos estratégicos definidos por la administración en función de los resultados de la edición anterior del programa y de las nuevas necesidades formativas detectadas.

Las tres fases siguientes son responsabilidad de una empresa privada. Esta empresa organiza y desarrolla el programa de acuerdo con unos compromisos y unos procedimientos de supervisión y control de calidad previamente definidos.

La última fase vuelve a ser responsabilidad de la administración, y consiste básicamente en un análisis de la evolución del programa y de los resultados obtenidos, con el objetivo de definir la estrategia general de la siguiente edición del programa.

A continuación pasamos a analizar más en detalle las cinco fases anteriores:

B. Definición de objetivos La definición de los objetivos del programa formativo

persigue seleccionar un conjunto de temáticas a tratar en cada edición de manera que se maximice el impacto de la oferta de cursos. Para ello atendemos a tres aspectos fundamentales.

Por una parte, tenemos en cuenta los objetivos estratégicos propios de la Secretaría General de Comunicación en el ámbito de las telecomunicaciones, la promoción del audiovisual de Galicia, y los medios de comunicación social. Por ejemplo, los grandes temas en la agenda de la Secretaría General para la presente edición son el despliegue de la Televisión Digital Terrestre [10], la integración de soportes para la distribución de contenidos [11], y la relación entre la interactividad y los medios de comunicación social [12].

Por otra parte, en este proceso participan otros agentes externos que expresan sus necesidades de formación, fundamentalmente otros centros gestores de la administración, asociaciones de profesionales, y empresas del sector. Estas entidades expresan sus inquietudes en cuanto a lagunas en la formación reglada, que se tratarán de cubrir desde el CMG. A modo de ejemplo, y entre otros temas, en la presente edición quedó patente el interés por las herramientas de código abierto para la producción multimedia y 3D [13][14].

Para finalizar, tratamos de integrar en nuestro modelo otros programas formativos que complementen el que estamos desarrollando. Como indicábamos en el epígrafe anterior, los recursos tecnológicos del Centro Multimedia de Galicia están a disposición de otras entidades públicas y privadas para impartir sus propios programas formativos siempre que se justifique un interés social y no distorsione el mercado de la formación en Galicia.

Como resultado de este proceso, se obtiene una relación de temas con sus correspondientes objetivos en cuanto a formación e impacto.

C. Proceso de licitación Una vez definidas las temáticas objeto del programa

formativo se redacta un pliego de prescripciones técnicas correspondiente a un proceso de licitación mediante concurso

público [15]. Este pliego, estructurado en un lote separado para cada tema elegido, define los requisitos mínimos que deben cumplir las empresas u organismos participantes para ser adjudicatarios de cada lote, y por lo tanto, para responsabilizarse del programa formativo. El pliego recoge además las características del público objetivo para cada lote y los recursos que el Centro Multimedia pone a disposición del adjudicatario para el desarrollo del programa, fundamentalmente la red de aulas con su equipamiento y el personal de realización y servicio técnico. Los requisitos mínimos exigidos incluyen:

- Recursos humanos y materiales mínimos que deben dedicar al programa formativo, junto con su perfil – profesores, tutores, atención al estudiante.

- Contenidos mínimos que se deben de tratar, y competencias y habilidades que los estudiantes deben desarrollar a lo largo del programa.

Las ofertas presentadas se valoran de acuerdo a un conjunto de criterios recogidos en el pliego. Los criterios de valoración incluyen:

- La solvencia económica y técnica de las empresas u organismos participantes.

- Las características y excelencia del profesorado propuesto, y su adecuación al modelo de blended learning.

- La orientación de la propuesta formativa al desarrollo de competencias y habilidades.

- Los recursos dedicados a la atención al estudiante, tanto presencial como a distancia, y su adecuación a un entorno distribuido – red de aulas.

- Las medidas propuestas de aseguramiento de la calidad: seguimiento de los estudiantes, aprovechamiento del curso, detección y resolución de incidencias, etc.

- La organización en cursos, los temarios propuestos, los procedimientos de evaluación, los contenidos online para la plataforma de teleformación, y la metodología docente utilizada.

- La adecuación de la oferta al público objetivo y a los recursos disponibles.

- Las mejoras respecto de los requisitos del pliego (oferta de material docente, organización de concursos entre los estudiantes, oferta de material promocional, sesiones de orientación laboral, etc.)

- La rebaja en el precio de licitación. Además, el propio proceso de licitación pública exige el

depósito de un aval bancario, que se ejecutaría en el caso de que el adjudicatario no cumpliera sus compromisos.

Cada lote se valora por separado, y éstos se adjudican a los licitadores que consiguen una mayor puntuación.

Aunque el proceso de licitación va dirigido directamente a las empresas proveedoras de formación a distancia y e-learning, las asociaciones empresariales de este sector [16][17][18], pueden tener un papel relevante en la divulgación del proceso de licitación entre sus asociados, facilitando una mayor concurrencia que redunde en la


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selección de ofertas más competitivas. Por otra parte, el trabajo conjunto con las asociaciones permitiría colaborar en la definición de guías de buenas prácticas para sus asociados, a partir de la experiencia obtenida en nuestros programas formativos.

D. Organización y programación de los cursos A partir de los contenidos y metodología propuestos por la

oferta ganadora, y los recursos humanos y materiales puestos a disposición del programa por el CMG, la empresa u organismo adjudicatario organiza y programa los distintos cursos que componen cada lote. Estas tareas incluyen la identificación, elaboración y recopilación del material docente puesto a disposición de los estudiantes; la elaboración y/o adaptación de los contenidos online definitivos disponibles en la plataforma de teleformación; y la caracterización completa del estudiante objetivo.

Como resultado de este proceso obtenemos un conjunto de materiales y guías docentes que pasan a enriquecer la base de conocimientos del CMG.

E. Desarrollo del programa Una vez que todo el material está disponible, el personal

docente y de atención al estudiante en disposición de comenzar, y cerrados los calendarios para cada curso, se activa el sistema de reserva y matrícula online.

Cada curso se desarrolla de acuerdo al modelo básico descrito en el primer apartado de este trabajo:

- Sesiones presenciales en la sede central del CMG y la red de aulas, mediante videoconferencia y multi-conferencia de datos.

- Aprendizaje autónomo del estudiante supervisado por el personal de atención al estudiante.

- Realización de trabajos tutelados y sesiones de orientación laboral.

El curso culmina con una ceremonia de entrega de diplomas, y de ser el caso, de entrega de premios a los mejores trabajos de los estudiantes. Este último evento es bastante habitual, dado que muchos de los cursos tienen un alto componente de creatividad.

F. Evaluación de los resultados El proceso de evaluación se corresponde con la última etapa

del programa formativo. Su objetivo fundamental es detectar los puntos débiles de la edición que acaba de terminar con el objeto de corregirlos, detectar los puntos fuertes con el objeto de potenciarlos, y analizar el impacto del programa como contribución a la propuesta de temas de la siguiente edición.

Los instrumentos utilizados durante el proceso de evaluación son los siguientes:

- Encuestas a los estudiantes para conocer la valoración del programa que hace el alumnado. La encuesta, elaborada a partir de encuestas similares desarrolladas en entornos universitarios culturalmente próximos [19][20], incluye aspectos como la adecuación entre objetivos y contenidos, el comportamiento y aptitudes del personal docente, la temporalización, los materiales

docentes, o la infraestructura, como se refleja en la Figura 3. El estudiante puede hacer además observaciones de cualquier tipo sobre cualquier aspecto del programa. El estudio estadístico subsecuente se realiza sobre la totalidad de los estudiantes, analizando los resultados en función de la distribución por sexos, por edades, por situación laboral, por sectores de actividad.

OBJETIVOS 1 2 3 4

Los objetivos del curso están claros

El programa del curso creo que seadapta a mis objetivos

El curso está bien estructurado

CONTENIDOS 1 2 3 4

Los contenidos del curso cumplenmis perspectivas

Estoy ampliando mis conocimientos

El contenido es aplicable a mi puestode trabajo

Recomendaría este curso a otraspersonas

Mi grado de satisfacción hasta ahoraes

El curso está contribuyendo a midesarrollo personal

FORMADOR 1 2 3 4

Domina las materias

Explica con claridad

Conecta con el grupo

Mantiene el interés en el grupo

Potencia nuestra participación

Resuelve dudas

Es puntual

Domina aspectos prácticos

Transmite interés por la material

TEMPORALIZACIÓN 1 2 3 4

El número de horas diario esadecuado

El horario establecido es adecuado

El día/s establecido/s es adecuado

El ritmo del curso es correcto

Hay tiempo suficiente para preguntaso plantear dudas

El tiempo dedicado a las prácticas esadecuado

La duración del curso es adecuada

Se está siguiendo el horario previsto

MAT., COND., APLI. 1 2 3 4

Los materiales de aprendizaje sonclaros y comprensibles

Los materiales aportados sonsuficientes

Los recursos técnicos son losadecuados

El sistema ha funcionadocorrectamente

Se ha creado un buen clima detrabajo

INFRAESTRUCTURA 1 2 3 4

Las instalaciones son adecuadas

El aula reúne buenas condicionespara realizar las clases

Este método de enseñanza en red teparece adecuado

El mobiliario y el equipo del aula sonadecuados

2005/06 2004/05 2003/04 2002/03

Fig. 3. Evolución del promedio de la valoración de los estudiantes para cada uno de los diferentes programas formativos. Cada item se valoró de 1 a 4 puntos. Los items se agruparon según los diferentes apartados de los cuestionarios contestados por los alumnos.

- Asistencia y porcentaje de ocupación de salas,

reflejado en la Figura 4. Cabe destacar en la gráfica de la Figura 4 que durante el programa formativo 2003/2004 el porcentaje de participación supera el 100% de asistencia debido a que la demanda de los cursos, en esta edición, estuvo por encima de la posibilidad de ocupación de las aulas.

- Valoración del profesorado. El profesorado opina sobre el perfil de los estudiantes, el interés demostrado por éstos, la infraestructura, la atención del personal técnico, etc.

- Evaluación del proceso. Se trata de un informe preceptivo que debe realizar el adjudicatario. Dicho informe se analiza conjuntamente por el CMG y el adjudicatario con el fin de estudiar aspectos como el cumplimiento de todos los requisitos del pliego, el cumplimiento del plan de formación previsto, o las incidencias en cuanto a cambios de horario, profesorado. El adjudicatario trata también de identificar aspectos a mejorar dentro del programa formativo.


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5

Fig. 4. Evolución del promedio del nivel de asistencia para cada uno de

los cursos impartidos en los diferentes programas formativos. Las líneas horizontales marcan los promedios para cada programa formativo. Las líneas de error corresponden al intervalo de confianza de la media del 95%.

III. EL ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD En lo que se refiere a las medidas para el aseguramiento de

la calidad, éstas se desarrollan a lo largo de tres ejes. Por una parte, tenemos las garantías inherentes al proceso

de licitación pública, transparente y abierto, y basado en la concurrencia competitiva. Este proceso garantiza una solvencia económica y técnica mínima, y persigue adjudicar el contrato a la mejor oferta de acuerdo con un conjunto de criterios objetivos recogidos en un pliego.

En segundo lugar, el propio pliego exige de las empresas participantes en el concurso el despliegue de buenas prácticas y medidas de garantía de la calidad durante la evolución del proceso formativo. Para el diseño de estos requisitos se ha tomado como base alguna de las propuestas más relevantes en este ámbito [21][22][23]. En los tres casos citados, se trata de propuestas contrastadas con un amplio recorrido práctico. Como ya vimos, estas medidas incluyen una adecuada atención al estudiante, una programación cuidadosa, y una selección adecuada del plantel docente y de los materiales.

Para terminar, el proceso cíclico sobre el que se construye el programa formativo incluye como última etapa un proceso de evaluación en el que participan todos los agentes involucrados. Este proceso trata de responder a preguntas como si están explícitamente reflejados los objetivos, la metodología docente, y los procesos de evaluación en cada módulo propuesto; si la organización temporal – calendarios, horarios – es adecuada a la audiencia y a los recursos disponibles; si la información de apoyo y la asistencia a los estudiantes y profesores es adecuada; si las actividades y los recursos educativos están bien diferenciados; si los medios elegidos son adecuados a los contenidos impartidos; si los contenidos han sido comprobados en cuanto a su coherencia interna y externa – enlaces rotos, faltas de ortografía, contradicciones, apariencia y usabilidad –, etc.

IV. ALGUNAS LECCIONES APRENDIDAS El CMG lleva seis años desarrollando programas

formativos adecuados a un sistema de teleformación basado

en el modelo de aula distribuida, comenzando en octubre de 2006 su séptima edición. En base a esta experiencia, podemos decir que los aspectos clave para garantizar el éxito de este modelo formativo serían:

- El papel clave del equipo de realización. - La importancia de la metodología en el aprovecha-

miento de la formación. - La necesidad de sistemas de gestión adecuados. - La atención al estudiante como elemento fundamental

en cualquier entorno de teleformación. - La importancia de la coordinación entre todos los

agentes. La Administración gallega, a través de la Dirección Xeral

de Comunicación Audiovisual, y siguiendo la tendencia general de los años 90, apostó como muchos otros organismos por un modelo de teleformación basado en el e-learning. Tras las primeras ediciones tuvimos que reconsiderar varios aspectos al confirmar que la tecnología nunca puede suplir totalmente a la presencia humana. Por ejemplo, introdujimos un equipo de realización en cada una de las aulas con el objetivo de solventar los posibles problemas técnicos y dar asistencia a los estudiantes en coordinación con el profesor.

También aprendimos que es necesario desarrollar contenidos y metodologías específicos para el entorno tecnológico donde se desarrolla el proceso formativo, siendo este uno de los aspectos fundamentales a valorar durante los concursos. Por otra parte, el uso adecuado de los sistemas de comunicación implantados para llevar a cabo nuestro modelo de teleformación, se facilita presentando de antemano a los estudiantes la dinámica del curso por parte del equipo de realización. Esto ayuda mucho al alumno y lo predispone positivamente al curso que inicia. De otro modo, se incrementa alarmantemente la posibilidad de que la tecnología deje de ser un facilitador para convertirse en un obstáculo para los estudiantes.

A pesar de la alta reserva de plazas que tenemos con estos programas formativos, la formación gratuita implica que se tenga que desarrollar un proceso de reservas muy elaborado y riguroso para garantizar el aforo en las diferentes aulas y la igualdad de oportunidades en los procedimientos de acceso. Nuevamente es necesaria la presencia humana que le de calidez al proceso de reserva.

El análisis de las valoraciones y sugerencias del alumnado son fundamentales para el éxito de futuras acciones formativas, y crea un vínculo entre los asistentes y la Administración que vela por satisfacer la necesidad de una formación continua semiprofesional.

Por último, la coordinación entre el profesorado, el equipo del CMG y el equipo técnico de las aulas es fundamental para el éxito de los programas formativos. La coordinación es clave para garantizar que todo el aparato tecnológico sea transparente para los estudiantes.


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V. CONCLUSIONES Podemos afirmar que se trata de un modelo de organización

del aprendizaje singular, en el cual: - La administración proporciona la tecnología. En este

caso, una red de aulas totalmente equipada, y el personal técnico necesario para el mantenimiento de dicho equipamiento.

- La administración establece los objetivos formativos y la audiencia, en función de sus objetivos estratégicos, de las necesidades expresadas por el tejido social, y de otras ofertas formativas concurrentes.

- Las empresas u otros organismos proponen e imparten el programa formativo en un contexto de concurrencia competitiva.

- La administración vela por la mejora continua de la calidad, mediante instrumentos proporcionados por el propio proceso de licitación, propuestos por los propios adjudicatarios durante la impartición del programa, y prescritos por la administración al final cada edición del programa.

- La administración se preocupa por mantener actualizados los medios técnicos con los nuevos avances tecnológicos, renovando su infraestructura técnica de cara a mejorar la calidad formativa.

AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer al personal técnico del Centro

Multimedia de Galicia su profesionalidad y su trabajo constante para mantener la infraestructura técnica que hace posible la realización de una teleformación de calidad en Galicia intentando solventar, a través del modelo de aula distribuida, las barreras geográficas. En especial a Francisco Vieites, responsable del área de redes y sistemas del CMG y a Victoriano Senén, técnico del CMG.

Agradecer la confianza de todos los asistentes a los programas de formación por ayudarnos a mejorar, a través de sus sugerencias y de su participación en nuestras encuestas de valoración.

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www.cmg.xunta.es [6 de abril de 2007] [2] Xunta de Galicia, “Ley 6/1999 de 1 de septiembre del Audiovisual de

Galicia”. Diario Oficial de Galicia, no. 174, 8 de septiembre de 1999. [3] Clúster del Audiovisual Gallego. Disponible en Internet en

www.clusteraudiovisualgalego.com [6 de abril de 2007] [4] Asociación Gallega de Productores Independientes. Disponible en

Internet en www.agapi.org [6 de abril de 2007] [5] Asociación de Empresas Gallegas del Audiovisual. Disponible en

Internet en www.aega.tv [6 de abril de 2007] [6] Dirección Xeral de Comunicación Audiovisual, Libro Blanco del Sector

Audiovisual en Galicia, Xunta de Galicia 2005. Disponible en Internet en www.observatorioaudiovisual.org [6 de abril de 2007]

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[10] J. L. Fernández-Carnero y A. Suárez Perdigón, Televisión y radio analógica y digital, Ediciones Televés, 2004.

[11] D.C. Verma, Content Distribution Networks: An Engineering Approach, John Wiley & Sons, 2001

[12] D. Spinellis (ed.), Cross-Media Service Delivery, The International Series in Engineering and Computer Science, Springer Verlag, 2003

[13] R. Williams, The Animator's Survival Kit: A Manual of Methods, Principles, and Formulas for Classical, Computer, Games, Stop Motion, and Internet Animators, Faber & Faber, 2002.

[14] P. Marino, 3D Game-Based Filmmaking: The Art of Machinima, Paraglyph Press, 2004

[15] E. Sayegues Laso, La licitación pública, Editorial B de F, 2005 [16] Asociación de Proveedores de e-learning (APEL). Disponible en Internet

en www.apel.es [6 de abril de 2007] [17] Asociación de e-learning y Formación Online (AEFOL). Disponible en

Internet en www.aefol.com [6 de abril de 2007] [18] Asociación Nacional de Centros de Enseñanza a Distancia (ANCED).

Disponible en Internet en www.anced.es [6 de abril de 2007] [19] Gabinete de Teleeducación. Cuestionario de Evaluación de Asignaturas

Online. Universidad Politécnica de Madrid, 2006. Disponible en Internet en https://www.upm.es/campus_virtual/pvg/general/calidad_instrumentos.php [6 de abril de 2007]

[20] Unidad para la Docencia Virtual, Cuestionario de Evaluación del Desarrollo de la Experimentación. Universidad de La Laguna. Disponible en Internet en www.udv.ull.es/udv/?q=node/6 [6 de abril de 2007]

[21] American Federation of Teachers. Distance Education. Guidelines for Good Practice. Informe preparado por el Higher Education Program and Policy Council de la American Federation of Teachers. Mayo, 2000. Disponible en Internet en www.aft.org/pubs-reports/higher_ed/distance.pdf [6 de abril de 2007]

[22] E. Eschenlohr, F. Leroy, P. Wurtz y Y. Metzinger (coordinadores). Handbook of Best Practices for the Evaluation of E-learning Effectiveness. Qual e-learning Project Consortium, 2004. Disponible en Internet en www.qual-elearning.net/ [6 de abril de 2007]

[23] J. C. Moore. A Synthesis of Sloan-C Effective Practices. The Sloan Consortium, Agosto 2005. Disponible en Internet en http://www.sloan-c.org/publications/books/v9n3_moore.pdf [6 de abril de 2007]

Manuel J. Fernández Iglesias tiene 39 años de edad. Es Ingeniero de Telecomunicación (1990) por la Universidad de Santiago de Compostela y Doctor Ingeniero de Telecomunicación (1997) por la Universidad de Vigo. Desde 1990 ejerce como profesor en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de dicha universidad,

desempeñando además los cargos Secretario del Departamento de Tecnologías de las Comunicaciones (1997-2000), Secretario (2000-2003), Responsable de Relaciones Internacionales (2002-2004) y Subdirector de Relaciones Externas y Actividades (2003-2004) de dicha Escuela, y Comisionado para el Espacio Europeo de Educación Superior de la Universidad de Vigo, con rango de Vicerrector (2004-05). También fue, entre 2003 y 2005, Secretario de la Asociación de Enxeñeiros de Telecomunicación de Galicia y Vocal de la demarcación gallega del Colegio Oficial de Ingenieros de Telecomunicación. Actualmente es Director General de Comunicación Audiovisual de la Secretaría General de Comunicación de la Xunta de Galicia.

Tiene cerca de un centenar de publicaciones en revistas y actas de congresos internacionales relacionadas con las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), participó en diversos proyectos internacionales, estatales y autonómicos, con empresas e instituciones del sector TIC, y es censor de varios congresos y revistas del ámbito TIC. Además, colabora regularmente como experto evaluador de proyectos innovadores para la Comisión Europea. Entre otros trabajos, colaboró en el desarrollo de varias herramientas de gestión de contenidos multimedia, de e-learning, y de otros servicios para la sociedad de la información.

A lo largo del presente año, Manuel J. Fernández participó como ponente invitado en los cursos de verano de la Universidad de Málaga, Universidad Complutense de Madrid y Universidad Internacional Menéndez Pelayo. Manuel J. Fernández Iglesias es miembro del Grupo de Promotores de Bolonia del Ministerio de Educación y Ciencia.


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Felícitas Rodríguez González es licenciada en Sociología y Ciencias Políticas (1992) por la Universidad Pontificia de Salamanca. Diplomada en Trabajo Social (1975) Escuela Universitaria de Trabajo Social de León y Diplomada en Educación Secundaria (1979) por la Universidad Marcelino Champagnat de Lima-Perú. Desde 1986 es profesora en la

Escuela Universitaria de Trabajo Social y directora de la Revista Gallega de Ciencias Sociales desde su creación en el año 2003. Ejerció el cargo de Presidenta del Colegio Oficial de Diplomados en trabajo Social de Galicia y vocal del Consejo General de Colegios Oficiales a nivel nacional.

En la actualidad y desde el año 2003 es la Jefa del Servicio de Gestión del Centro Superior de Documentación adscrito a la Dirección General de Comunicación Audiovisual de la Xunta de Galicia. Y en calidad de ello actúa como apoyo a la Secretaria del Consejo de Telecomunicaciones y Audiovisual de Galicia. Coordinó las Mesas de trabajo constituidas para la elaboración del Libro Blanco del Sector Audiovisual de Galicia y es la responsable administrativa del Observatorio del Audiovisual Galego: www.observatorioaudiovisual.org.

Dirige el proyecto ciudades digitales de Galicia desde el año 2004 y representó a esta comunidad autónoma, en los distintos foros nacionales de ciudades digitales. Participó en el proyecto Internet en bibliotecas 2003-2005 y es la responsable del servicio que gestiona la formación multimedia y audiovisual de la Dirección General de Comunicación Audiovisual.

Esther Medina Ferreiro tiene 34 años de edad. Es Ingeniera Técnica de Telecomunicación, especialidad Imagen y Sonido (1999) por la Universidad de Las Palmas de Gran Canarias y Graduada Superior en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (2004) por la Universidad de Santiago de Compostela. Tiene experiencia en el sector privado y en el

público. En el sector privado ha trabajado en la empresa Intelsis, Sistemas Inteligentes S.A, destacando el proyecto de desarrollo de herramientas de teleformación basadas en video sobre IP. Desde 2001 trabaja como coordinadora técnica del Centro Multimedia de Galicia, organismo dependiente de la Dirección Xeral de Comunicación Audiovisual de la Secretaria Xeral de Comunicación de Presidencia. Durante este tiempo ha llevado a cabo la planificación y la dirección técnica de numerosos proyectos relacionados con las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), siendo uno de ellos la concepción y desarrollo del modelo de teleformación llevado a cabo desde el CMG, así como los programas formativos impartidos en la Red de Aulas Multimedia de Galicia.


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Abstract—The introduction of personal computers in

engineering education allows using new complementary methods to reinforce theory and laboratory practices. In this paper, a complete software application is developed to study the behavior of the electric asynchronous machine using MATLAB®/Simulink. This tool allows complementing theoretical concepts, learning laboratory procedures and using software to solve numerical problems.

Index Terms— Education, Asynchronous machine, MATLAB®/Simulink, Simulation

I. INTRODUCCIÓN A enseñanza universitaria en ingeniería se ha apoyado hasta ahora en dos pilares fundamentales: por un lado las

lecciones magistrales, donde el profesor expone los fundamentos teóricos básicos de la asignatura y se realizan algunos ejercicios numéricos, requiriendo una actitud pasiva por parte del alumno, y las prácticas de laboratorio donde el alumno aprende a través de la acción, ensayando, comprobando y montando experimentos reales. El mayor inconveniente del laboratorio es su alto coste, tanto de puesta en marcha como de mantenimiento, y su disponibilidad, ya que no está accesible al alumno en todo momento.

Debido al auge, en los últimos años, de las nuevas tecnologías de la información, el alumno tiene ahora al alcance nuevas formas de enseñanza que pueden completar su formación y facilitar su aprendizaje.

Dentro de la enseñanza de las máquinas eléctricas, el ordenador se ha convertido en parte fundamental tanto de las clases teóricas como en el laboratorio.

Las clases teóricas se han enriquecido con presentaciones cada vez más elaboradas, donde se han integrado el texto, la imagen, la animación y el vídeo, permitiendo al alumno comprender mejor los fenómenos físicos involucrados [1-4].

Por otro lado, los programas de simulación se han utilizado como ayuda para conseguir cambios conceptuales, debido la facilidad disponible para alterar rápidamente, y a

Jesús Fraile Ardanuy imparte docencia en el área de Ingeniería Eléctrica,

en el Departamento de Ingeniería Civil: Hidráulica y Energética. ETSI de Caminos, Canales y Puertos. Universidad Politécnica de Madrid. Calle Profesor Aranguren s/n. 28040. Madrid. España. (telf: (+34) 91 336 53 54; fax: (+34) 91 336 67 64; e-mail: [email protected]).


voluntad, parámetros y entornos experimentales sin las complicaciones que se derivan de su manipulación real [5-9].

Los modelos utilizados habitualmente en las clases magistrales son modelos de máquina eléctrica en régimen permanente, donde se trata de ilustrar el comportamiento de la misma en distintas condiciones de carga [6], [8]. Las simulaciones también se han utilizado como complemento en las prácticas de laboratorio, donde los alumnos han realizado ciertos ensayos reales y han comprobado posteriormente la validez de las simulaciones [5], [10].

La elección de un programa de simulación adecuado es un aspecto fundamental en el desarrollo de las herramientas didácticas. Por un lado, se pueden utilizar programas específicos de simulación, por ejemplo Multisim® [11], Orcad® [12], etc. Estos programas están diseñados para simular, principalmente, el comportamiento de los circuitos eléctricos y disponen de una interfaz gráfica muy elaborada, que se asemeja mucho al entorno que se encontrará el alumno cuando llegue al laboratorio real, pero son demasiado rígidos y no pueden modificarse fácilmente. Además, el precio de las licencias es un inconveniente adicional, aunque la mayoría de estos programas dispone de versiones de demostración que son suficientes para realizar las simulaciones más elementales.

La otra posibilidad consiste en utilizar programas de propósito general de cálculo numérico o simbólico del tipo MATLAB® [13], MATHCAD® [8], MAPLE® [14], etc. Estos programas son muy potentes y permiten integrar pantallas, imágenes y vídeos de forma sencilla, pero requieren un elevado tiempo de aprendizaje, tanto por parte del profesor como por parte del alumno, para dominar los aspectos más complejos de su programación. Su principal ventaja radica en que son más flexibles que los programas de simulación específicos y que las universidades suelen contar con licencias de campus, de forma que pueden integrarse fácilmente en el proyecto docente del alumno. En [15] se analizan las ventajas e inconvenientes de utilizar distintos programas de simulación en cursos de ingeniería eléctrica.

En la asignatura de Electrotecnia, del tercer curso del plan de estudios de Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, impartido en la ETSI de Caminos, Canales y Puertos (ETSICCP) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), nuestros alumnos tienen una formación previa en MATLAB®, puesto que han cursado la asignatura de Métodos Matemáticos de las Técnicas en segundo curso y donde comienzan a familiarizarse con el programa. Por esta razón se ha escogido MATLAB®, su interface gráfico Simulink y el

Estudio del comportamiento de la máquina asíncrona utilizando MATLAB®/Simulink

Jesús Fraile Ardanuy, Member, IEEE

L


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blockset SimPowerSystems (SPS), para realizar las distintas simulaciones.

En este trabajo se presenta el desarrollo de una aplicación completa para el estudio del comportamiento de la máquina asíncrona. Esta herramienta permite:

• Mejorar la comprensión de ciertos aspectos teóricos. • Completar diversos aspectos de las prácticas, permitiendo

aprender y simular los procedimientos que se llevarán a cabo, posteriormente, en el laboratorio.

• Completar los conocimientos adquiridos en las clases de problemas, mediante la utilización del software en la resolución de ejercicios numéricos.

La estructura del artículo es la siguiente: en primer lugar, se describe el interfaz del usuario, dividido en tres apartados principales: Teoría, Laboratorio y Resolución de Problemas.

Posteriormente, se describen con detalle cada una de las opciones disponibles en cada apartado. En el primero, se complementan las explicaciones presentadas en Power Point® sobre dos temas específicos: los regímenes de funcionamiento de la máquina asíncrona (como motor, generador o freno) y los métodos de arranque (directo, estrella-triángulo y mediante variador de frecuencia). En el apartado de Laboratorio, se presentan los ensayos que permiten determinar los parámetros del modelo del circuito equivalente, junto con dos vídeos que ilustran los procedimientos para calcular dichos parámetros mediante ensayos en el laboratorio.

En el tercer apartado, que es un complemento a las clases de problemas, se resuelve un sencillo problema numérico y se comparan los resultados de la simulación con los obtenidos resolviendo analíticamente el circuito equivalente clásico.

II. DESCRIPCIÓN Es muy importante centrar la atención del alumno en

aquellos aspectos teórico-prácticos que se quieren reforzar utilizando las simulaciones, evitando que pierda mucho tiempo programando las mismas. Por ello, se ha tratado de facilitar su labor, construyendo una interfaz de ventanas gráficas sencilla y unos ficheros de Simulink, donde sólo se muestre al alumno los aspectos fundamentales del modelo, sin necesidad de que éste necesite conocer el funcionamiento complejo de la simulación y haciendo que sea lo más próximo a la realidad.

A. MATLAB GUI Las ventanas de control se han diseñado con GUIDE

(Graphical User Interface Development Environment) de MATLAB®. Este entorno de desarrollo permite crear ventanas con cajas de texto, botones, menús desplegables, etc., de forma sencilla [16].

La aplicación propuesta dispone de 3 botones (Push Buttons) denominadas: Aspectos Teóricos, Complemento Laboratorio y Resolución de problemas, que pueden activarse desde la ventana principal, mostrada en la fig. 1.

B. SimPowerSystems (SPS) Simulink es una plataforma para simulación y diseño basado

en modelos de sistemas dinámicos. Proporciona un entorno gráfico interactivo y un conjunto de bibliotecas de bloques que permiten diseñar, simular, implementar y probar sistemas de control, procesado de señales y comunicaciones y otros sistemas variables en el tiempo [13].

SimPowerSystems (SPS) es una extensión de bloques de Simulink, que permite modelar desde circuitos eléctricos, máquinas eléctricas, sistemas eléctricos, hasta dispositivos semiconductores de electrónica de potencia. La utilización de este blockset no es estrictamente necesaria, ya que también puede implementarse el modelo dinámico de la máquina asíncrona con Simulink siguiendo las referencias [4] y [17].

C. Elección del motor SimPowerSystems permite modelar cualquier tipo de

máquina eléctrica rotativa, ya sea síncrona, síncrona con imanes permanentes, de corriente continua y asíncrona. En el caso de la máquina asíncrona, los datos del modelo pueden expresarse en valores por unidad (p.u.) o en valores absolutos en el sistema internacional. Además, se pueden seleccionar máquinas con rotor devanado o en jaula de ardilla, tal y como se muestra en la fig. 2.

El modelo utilizado es dinámico en lugar de utilizar el circuito equivalente clásico, que es válido únicamente para el análisis en régimen permanente. De esta forma, el

Fig. 1. Ventana principal.

Fig. 2. Datos del motor simulado.

FRAILE ARDANUY: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LA MÁQUINA ASÍNCRONA

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comportamiento de la simulación se asemeja más al comportamiento real de la máquina.

El modelo dinámico está compuesto por dos partes diferenciadas: la parte eléctrica, que se representa mediante un conjunto de cuatro ecuaciones diferenciales ordinarias de primer orden, y la parte mecánica, representada por una ecuación diferencial de segundo orden. Las ecuaciones detalladas pueden encontrarse en la Ayuda del programa.

Al escoger un motor es necesario fijar el valor de los siguientes parámetros: Eléctricos: Potencia nominal (kW), tensión de línea (V) y frecuencia (Hz), resistencia e inductancia del estátor, R1 y L1 (medido en Ω y H respectivamente), resistencia e inductancia del rotor referida al estátor R'2 y L'2 (medido en Ω y H) e inductancia mutua, Lμ (medida en H). Mecánicos: Constante de inercia, J (medida en kg.m2), factor de rozamiento, F (medida en N.m.s) y número de pares de polos (no número de polos como es habitual en la bibliografía anglosajona).

A la vista de estos datos es importante destacar que este modelo dinámico de máquina asíncrona no tiene en cuenta el efecto de las pérdidas en el hierro. Esta aproximación se justifica en la bibliografía clásica [18], [19].

III. TEORÍA En la fig. 3 se muestra la interfaz de usuario en el apartado

de Aspectos Teóricos. El alumno puede seleccionar a través de los menús desplegables las siguientes acciones:

• Modos de funcionamiento de la máquina asíncrona: Como motor, generador o freno.

• Tipos de arranques de las máquinas asíncronas trifásicas: Arranque directo, estrella-triángulo y variador de velocidad.

• Repaso de los conceptos teóricos fundamentales, a través de presentaciones en Power Point®.

A. Funcionamiento de la máquina Al seleccionar uno de los tres modos de funcionamiento de

la máquina se abre una ventana de Simulink, donde el alumno puede analizar detalladamente los distintos regímenes de operación:

1) Funcionamiento como MOTOR Es el modo de funcionamiento más habitual de este tipo de

máquinas y corresponde al rango de velocidades entre 0 (parada) y la velocidad de sincronismo.

En la fig. 4 se muestra el modelo de la máquina funcionando como motor cuando acciona una carga con par resistente constante, en este caso, un puente grúa.

Fig. 3. Menú de ConceptosTeóricos.

Fig. 4. Máquina asíncrona funcionando como motor.


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Los comportamientos de la carga y del contactor de arranque se han encapsulado en bloques independientes con iconos específicos, de forma que el alumno pueda variar fácilmente sus parámetros (tiempo de conexión o desconexión de la máquina a la red y valor del par mecánico de la carga), sin necesidad de comprender la complejidad del modelo utilizado durante la simulación.

En la fig. 4 también se muestra la curva par-velocidad correspondiente, destacando el punto de operación nominal.

2) Funcionamiento como FRENO Este modo de operación se produce con deslizamientos

superiores a la unidad, o lo que es lo mismo, con velocidades negativas. En la fig. 5 se muestra el modelo de simulación de este modo de funcionamiento.

El ensayo comienza arrancando la máquina asíncrona como motor, girando en un sentido y, posteriormente, en el instante de tiempo t= 1 s., se invierten dos de las tres fases de la tensión de alimentación, mediante la acción de un segundo juego de contactores. El par mecánico resistente se mantiene constante e igual a 50 N.m. En la misma figura se muestra la evolución temporal de la corriente absorbida durante el ensayo y se observa que ésta puede alcanzar valores próximos a 10 veces el valor de la corriente asignada (o nominal).

3) Funcionamiento como GENERADOR Este régimen de operación se produce a velocidades

superiores a las de sincronismo, es decir, con deslizamientos negativos. En este caso, la máquina recibe energía mecánica de un motor externo, una turbina eólica en este ejemplo, que gira a una velocidad superior a la de sincronismo, entregando potencia a la red a través del estátor.

La fig. 6 muestra la evolución temporal de la velocidad durante este ensayo. La velocidad final alcanzada por la máquina es de 1556 rpm, superior a la velocidad de sincronismo (1500 rpm). En la misma figura se muestra también el valor de la potencia activa generada por la máquina (-7462 W) que tiene un valor negativo, puesto que está siendo devuelta a la red eléctrica.

B. Arranque de la máquina asíncrona trifásica En este subapartado, el alumno puede simular las maniobras

de arranque de motores asíncronos trifásicos, estudiando: • Consumos de corriente durante el arranque. • Evolución temporal de las corrientes y los pares

aplicados. • Evolución temporal de la velocidad de la máquina.

Fig. 6. Variación de la velocidad y de la potencia activa en el modo generador.

Fig. 5. Máquina asíncrona funcionando como freno.


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En los tres ensayos, el motor acciona una bomba centrífuga, por lo que su par resistente será una función cuadrática de la velocidad de giro [18], [19].

Los tres métodos de arranque estudiados son: 1) Arranque directo

Consiste en conectar directamente el motor a su tensión asignada. En estas condiciones, el motor dispone de un elevado par de arranque (entre 1,4 y 1,6 veces mayor que el par a plena carga), pero a costa de absorber mayor corriente en el arranque (5-6 veces más que la corriente asignada) y empeorar el factor de potencia (0,2-0,3 inductivo).

2) Arranque Y-Δ Como la impedancia del motor en el arranque es muy baja,

e igual a la impedancia a rotor bloqueado, una forma de reducir la corriente en el arranque consiste en disminuir la tensión de alimentación. El arranque estrella-triángulo es el método de arranque a tensión reducida más común y solamente se puede implementar en aquellos motores que estén preparados para funcionar en régimen permanente

conectados en triángulo a la tensión de red. El inconveniente principal de este tipo de maniobra es que el par de arranque se reduce en una tercera parte. Por ello sólo se aplica en aquellos casos en los que el par resistente durante el arranque sea inferior al 50% del par asignado [18], [19].

En la fig. 7 se muestra el esquema de simulación de este tipo de arranque. Se ha incluido un amperímetro en el modelo para que el alumno visualice la corriente de línea absorbida durante la maniobra de puesta en marcha, tal y como la medirá en la práctica real de laboratorio.

En la fig. 8 se muestra la evolución temporal de la corriente de línea absorbida durante la maniobra así como la velocidad de giro de la máquina.

3) Arranque con variador de velocidad Permite arrancar suavemente y variar la velocidad del

motor asíncrono de forma que siga a una señal de consigna. Para ello, se modifica la frecuencia de alimentación y la tensión, manteniendo constante el flujo, con objeto de conservar el par motor de la máquina.

Los variadores de frecuencia utilizan un puente inversor trifásico compuesto por seis interruptores estáticos en los que se puede controlar su estado de conducción o bloqueo mediante una serie de señales de mando. Controlando los instantes de conmutación de los interruptores estáticos se regula la tensión y la frecuencia, ajustando la anchura de los impulsos rectangulares de la señal de salida (PWM-Pulse Width Modulated) [19].

En la fig. 9 se muestra el esquema de simulación. La consigna inicial de velocidad pasa de 0 a 0,5 p.u. a través de una rampa de pendiente 1. En el instante t=1 s., se acelera de nuevo la máquina hasta alcanzar un valor final de 1 p.u. La fig. 10 muestra, en la parte superior, el valor de la corriente de línea absorbida y la velocidad de referencia y, en la parte inferior, la tensión de alimentación aplicada al motor.

Fig. 8. Corriente de línea absorbida y velocidad de giro.

Fig. 7. Arranque estrella-triángulo.


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C. Repaso de los conceptos teóricos tratados Por último, el alumno puede acceder a los conceptos

teóricos previos, utilizando las presentaciones multimedia con animaciones desarrolladas en PowerPoint y que son accesibles desde la GUI de MATLAB®, como muestra la fig. 3.

De esta forma, todos los conceptos quedan integrados dentro de la misma herramienta y el alumno puede repasar fácilmente los conceptos explicados por el profesor en el aula.

IV. COMPLEMENTO DEL LABORATORIO Esta herramienta también permite completar las actividades

del laboratorio, de forma que el alumno pueda realizar previamente los ensayos de la máquina asíncrona.

Para ello, en la fig. 11 se muestra el interfaz de usuario de subapartado de Complemento Laboratorio (ver fig. 1).

Mediante esta ventana, el alumno puede acceder a: • Ver un vídeo con los dos tipos de ensayo. En la fig.

12 se muestra correspondiente al ensayo en vacío. • Realizar las medidas de los ensayos sobre un modelo

de simulación, midiendo las mismas magnitudes que medirá después en el laboratorio (tensión de línea, corriente de línea, potencia activa absorbida y velocidad de giro de la máquina).

Fig. 10 Corriente de línea aplicada al motor, velocidad de giro y tensión de alimentación.

Fig. 11. Ensayo de vacío o de rotor libre.

Fig. 12. Vídeo de ensayos de la máquina asíncrona.

Fig. 9. Variador de velocidad.


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15

Los ensayos implementados con Simulink siguen la estructura presentada en [10]:

A. Ensayo en corriente continua Permite calcular la resistencia del devanado del estátor, R1.

Para ello se sigue lo recogido en la norma [20] y se aplica una tensión continua de 120 V entre 2 fases del estátor, midiéndose la tensión en la caja de bornas de la máquina y corriente continua absorbida por una fase, tal y como se muestra en la fig. 13.

Es importante destacar que el valor de la corriente debe ser próximo al nominal y, por ello, es necesario colocar en serie con el devanado del estátor unas resistencias que limiten el valor máximo de dicha corriente. En nuestra aplicación, el valor de estas resistencias es de 10 Ω.

Si la máquina está conectada en estrella, el valor de la resistencia del estátor viene dado por:

.21

1cc

cc

IV

R = (1)

Mientras que si la conexión es en triángulo, la resistencia vale: .

32

1cc

cc

IVR = (2)

Otra opción consiste en utilizar una fuente de c.c. variable y medir la tensión aplicada y la corriente absorbida al variar la tensión. El valor de la resistencia se estima a partir de la pendiente de la recta.

B. Ensayo en vacío o de rotor libre Consiste en hacer funcionar el motor sin ninguna carga

mecánica en el eje, es decir la máquina trabaja a rotor libre. Para ello, el par mecánico aplicado a la máquina es cero. A nivel eléctrico, es necesario aplicar la tensión de fase asignada al primario V1n, midiendo la potencia activa absorbida por fase P0, la potencia reactiva por fase Q0 y la corriente de vacío absorbida por fase I0.

A través de este ensayo se calcula la suma de la reactancia magnetizante, Xμ y la reactancia de dispersión del primario, X1 [10], [18] y [19].

C. Ensayo en cortocircuito o de rotor bloqueado Este ensayo se realiza bloqueando el rotor impidiéndole que

gire, es decir con velocidad n=0, por lo que se tendrá que el deslizamiento será igual a la unidad, s=1, y la resistencia de carga R'c valdrá cero, lo que indica que el motor se comporta como un transformador con el secundario en cortocircuito. Al estátor se le aplica una tensión creciente, partiendo de cero, hasta que la corriente absorbida sea la asignada, I1cc=I1n (por fase) midiendo a la vez la tensión aplicada V1cc (fase) y la potencia absorbida Pcc (total). La corriente de vacío I0 es entonces despreciable frente a I1n.

En la simulación, para conseguir que la velocidad de giro sea cero, se aumenta la inercia del motor hasta infinito y se aplica un determinado par mecánico no nulo (10 N.m en este ejemplo).

A partir de estos datos, se calcula la resistencia y la reactancia con el rotor bloqueado y a partir de esta información se calculan las reactancias magnetizantes, las reactancias de dispersión y la resistencia del rotor referida al estátor, según [10] y [19].

Fig. 14. Pantalla del enunciado del problema resuelto.

Fig. 13. Ensayo de la máquina en corriente continua.


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V. RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS Por ultimo, el alumno puede utilizar esta herramienta para

completar los conceptos aprendidos en la resolución de problemas numéricos.

En la fig. 14 se muestra la ventana correspondiente al apartado Resolución de Problemas de la ventana principal (ver fig. 1).

A. Resultado Circuito Equivalente Resolviendo el circuito equivalente, la corriente en el

arranque, sin despreciar la rama magnetizante vale:

( ) ( )( )

A

jXX'R'jXX'R'

jXRj

jarranque º65,5245,96

.

22

2211

1 −∠=

+++

=

+

+

μ

μ

VI

(3) En régimen permanente, el valor de par producido por la

máquina debe ser igual al par resistente:

⎩⎨⎧

==

→

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=2

11

0282,012,5

602

'335

2

1

2'2

21

2

ss

Xs

RRn

Vs

R

N.m

ccπ

(4)

MATLAB® permite resolver analíticamente la expresión (4) mediante la función solve de forma directa. La resolución de esta ecuación de segundo orden genera dos valores de deslizamiento, s1 y s2. Las velocidades asociadas con estos deslizamientos son: -6187 rpm, que corresponde al comportamiento como freno y 1457 rpm, que corresponde al funcionamiento de la máquina como motor.

La corriente absorbida en estas condiciones (s2=0,028) vale:

0'2. III +=abs (5)

( )

A

jXX'Xj

sR'

Rabs

º6,3843,10

1

212

1

1.

−∠=

=+++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=μ

VVI

(6)

En la fig. 15 se muestra el valor de la corriente absorbida por el modelo Simulink. La corriente máxima en el arranque vale 93,73 A y en régimen permanente vale 10,3 A.

La potencia eléctrica absorbida:

[ ] WP absabs 316,5644.Re3 *1 == IV (7)

La potencia mecánica producida será el producto del par mecánico por la velocidad de giro expresada en rad/s.

WTPmec 4,5346. == ω (8)

y el rendimiento:

%72,94100. ==abs

mec

PP

η (9)

Fig. 15. Corriente de línea absorbida por el motor.

Fig. 16. Modelo de Simulink del problema propuesto.


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17

Los resultados de la simulación se muestran en la fig. 16. La velocidad de funcionamiento de la máquina es 1459 rpm (un error próximo al 0,13%), la potencia eléctrica absorbida de la red vale 5764 W (error del 2%) y una potencia mecánica en el eje igual a 5357 W (error del 0,19%).

En la fig. 17 se muestra las curvas de par teóricas para la tensión asignada y para una tensión un 20% inferior. A la vista de estas curvas cabe esperar: una disminución del par de la máquina en todo el rango de velocidades, una menor velocidad de giro y una mayor corriente absorbida.

Los resultados del modelo Simulink al reducir un 20% la tensión de alimentación son:

• Corriente de línea: 11,84 A (aumento del 13%). • Velocidad de giro: 1432 rpm (reducción de 1,79%) • Potencia eléctrica absorbida: 5832 W (aumento

3,2%).

VI. RESULTADOS PRELIMINARES Esta herramienta comenzó a utilizarse durante el curso

2005-2006. Los alumnos, previa identificación, descargaban los ficheros desde la página web del departamento antes de comenzar la teoría correspondiente al tema de Máquina asíncrona.

La mayor parte de ellos siguieron las clases teóricas a través de las presentaciones de Power Point® y, posteriormente, fuera del aula, estuvieron practicando con los ficheros de Simulink, modificando los parámetros y analizando los resultados obtenidos durante la simulación.

Al finalizar el curso, se pasó un pequeño cuestionario a los alumnos presentes en el aula y cuyos resultados se presentan en las figs. 18 y 19.

Los alumnos destacaron la fácil integración entre los conceptos teóricos, las prácticas de laboratorio y la resolución de problemas numéricos, y sugirieron aumentar el número de ejercicios resueltos accesibles desde el programa.

VII. CONCLUSIONES En este trabajo se presenta el desarrollo de una aplicación

completa para el estudio de la máquina asíncrona. Esta herramienta está diseñada de forma que el alumno pueda:

• Completar su formación teórica, simulando los modos de operación y los métodos de arranque de la máquina.

• Completar la práctica de laboratorio, simulando el mismo ensayo que realizará posteriormente, así como la visualización previa de vídeos explicativos.

• Completar su formación práctica, pudiendo comprobar que los resultados analíticos obtenidos se corresponden con las simulaciones.

El alumno puede modificar cualquiera de las simulaciones fácilmente, analizando el efecto de la alteración de uno o varios parámetros significativos, sin necesidad de conocer los modelos que se están ejecutando y permitiendo centrarse en los conceptos fundamentales.

REFERENCIAS [1] H. A. Smolleck y D. S. Dwyer, “Demonstration of AC Machine

Behavior through Interactive Color Graphics”, IEEE Computer Applications in Power, Vol. 3, pp. 49-53, 1990.

[2] Fraile-Ardanuy, J., Presentaciones de clase: Transformador y máquina asíncrona, disponible en: http://diche.caminos.upm.es. Última consulta: 20 de Abril de 2007

[3] H. Saadat, MATLAB Graphical User Interface for EE Students, disponible en: http://people.msoe.edu/~saadat/matlabgui.htm . Última consulta: 3 de Mayo de 2007.

[4] M. Riaz, Simulation of Electric Machine and Drive Systems Using Matlab and Simulink, disponible: http://www.ece.umn.edu/users/riaz/ . Última consulta: 3 de Mayo de 2007.

58

2 0

59

1 00

10

20

30

40

50

60

70

Mucho Poco Nada

¿Has encontrado útilesta herramienta?

¿Crees quecomplementa tuformación?

Fig. 18. Utilidad de la herramienta.

05

101520253035

Aspecto

s Teó

ricos

Fichero

s de s

imula

ción

Vídeos d

el Labo

ratorio

Resolució

n de pr

oblem

as

¿Qué parte destacaríasmás?¿Qué parte cambiarías?

Fig. 19. Modificaciones propuestas.

Fig. 17. Curvas de par a la tensión asignada, con una reducción de la tensión de alimentación de un 20% y par resistente.


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[5] H. A. Smolleck, “Modeling and analysis of induction machine: A computational/experimental approach”, IEEE Trans. Power Systems, Vol. 5, pp. 482-485, Mayo 1990.

[6] M. H. Nehrir, F. Fatehi y V. Gerez, “Computer modelling for enhancing instruction of electric machinery”, IEEE Trans. On Education, Vol. 38, pp. 166-170, Mayo 1995.

[7] M. W. Daniels y R. A. Shaffer, “Re-inventing the electrical machines curriculum”, IEEE Tran. On Education, Vol. 41, pp. 92-100, Mayo 1998.

[8] K. A. Nigim y R. R. DeLyser, “Using MathCAD in Understanding the Induction Motor Characteristics”, IEEE Trans. On Education, vol. 44, nº 2, pp. 165-169, Mayo 2001.

[9] S. Linke, J. Torgeson y J. Au, “An Interactive Computer-Graphics program to aid instruction in electrical machinery”, IEEE Computer Applications in Power, Vol. 2, pp. 19-25, Julio 1989.

[10] S. Ayasun y C. O. Nwankpa, “Induction Motor Tests Using MATLAB/Simulink and Their Integration into Undergraduate Electric Machinery Courses”, IEEE Trans. On Education, Vol. 48, pp. 37-46, Febrero 2005.

[11] Multisim®. Disponible en: http://www.electronicsworkbench.com . Última consulta: 3 de Mayo de 2007.

Es Doctor Ingeniero de Telecomunicación por la UPM desde 2003. En la actualidad, estudia Ingeniero Técnico Industrial por la UNED.

[12] Matlab®. Disponible en: http://www.mathworks.es . Última consulta: 3 de Mayo de 2007.

[13] Orcad®. Disponible en: http://www.orcad.com. Última consulta: 3 de Mayo de 2007.

[14] Maple®. Disponible en: http://www.maplesoft.com . Última consulta: 3 de Mayo de 2007.

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[17] Mohan, N. Advanced Electric Drives: Analysis, Control and Modeling using Simulink, Minneapolis, MNPere, 2001.

[18] J. Fraile-Mora, Máquinas Eléctricas. 5ª edición, Madrid, Mc-Graw-Hill, 2003.

[19] J. Sanz Feito, Máquinas eléctricas, Madrid, Pearson Educación, 2002. [20] IEEE Standard Test Procedure for Polyphase Induction Motors and

Generators, IEEE Std. 112-1996. Desde 1996 hasta 2003, ha sido Profesor Titular de E. U. Interino en el

departamento de Ingeniería Civil: Hidráulica y Energética, en la ETSI de Caminos, Canales y Puertos de la UPM y desde 2003 ocupa una plaza de Profesor Titular de U. Interino. Sus principales líneas de investigación son la aplicación de técnicas de control inteligente y diagnóstico de fallos basados en redes neuronales, lógica borrosa y algoritmos genéticos a las máquinas eléctricas y sistemas de potencia así como la creación de herramientas multimedia con fines didácticos. Es autor de 4 libros y varios artículos en revistas y congresos internacionales. Dr. Fraile Ardanuy ha sido galardonado con el Premio IAS-IEEE por la organización del 1st IEEE R-8 Trans-European IAS Chapters’ Joint Workshop.

Jesús Fraile Ardanuy (M’93) nació en Madrid, en 1972. Es Ingeniero de Telecomunicación por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), en 1996, realizando el proyecto fin de carrera en el University College of London (UCL), gracias a la concesión de una beca ERASMUS en el curso 1995-1996.


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Abstract— Non-linear electrical loads connected to power

systems introduce non-active power components. The current harmonics and reactive power deteriorate the power quality and reduce the electrical system efficiency. These non-desirable effects can be avoided by using shunt active power filtering. This is a relevant topic in electrical and power electronics systems and, as a consequence, it must be included in undergraduate engineering courses.

The aim of this paper is to present a laboratory set-up of a three-phase three-wire shunt active power filter (SAPF) which allows undergraduate and postgraduate engineering students to evaluate experimentally the performance of different control algorithms in SAPFs. As an example a complete didactic application is described using the developed laboratory set-up.

Index Terms— Power filters, Digital control, Power engineering education.

I. INTRODUCCIÓN A calidad de la energía eléctrica en una red de distribución o una instalación industrial puede verse

deteriorada cuando se conectan cargas no lineales tales como variadores de frecuencia para motores de alterna con etapa de rectificación [1] o la red incorpora sistemas de generación distribuida como parques eólicos que se conectan al sistema a través de convertidores de potencia [2]. Los principales problemas relacionados con la calidad de la energía se deben a la componente de potencia reactiva y a los armónicos de corriente y tensión. La potencia reactiva reduce la capacidad de transporte de las líneas e incrementa las pérdidas eléctricas. Entre otros efectos negativos, las componentes armónicas incrementan la temperatura de los transformadores y generan variaciones del par en máquinas eléctricas de alterna [3].

Estos problemas se agudizan de manera particular en el caso de sistemas eléctricos de potencia aislados, como es el caso de los buques, donde pueden presentarse altos niveles de distorsión armónica cuando su planta eléctrica incorpora cargas no lineales. Un caso especial lo constituyen los buques con propulsión eléctrica por el gran número de cargas no

Víctor M. Moreno y Alberto Pigazo están en el Dep. de Electrónica y

Computadores, (Universidad de Cantabria), Escuela Técnica Superior de Náutica c/ Gamazo, 1 39004 Santander (Cantabria) ESPAÑA Tel: 34 942 201338 / Fax: 34 942 201303 / email: [email protected].


lineales y de elevada potencia que incorporan. Este tipo de perturbaciones pueden provocar fallos o un funcionamiento incorrecto de los equipos electrónicos sensibles a las mismas como pueden ser los equipos de navegación y dar origen a accidentes marítimos. Varias sociedades de clasificación han considerado estos posibles efectos provocados por la distorsión armónica imponiendo severos límites a la tasa máxima permitida en la señal de tensión. La sociedad “American Bureau of Shipping” ha impuesto desde enero de 2005 un límite del 5% mientras que “Lloyd’s Register” la establece en un 8%.

Para lograr una atenuación de las componentes de corriente no deseables y llevarlas a niveles por debajo de los máximos permitidos [4] se pueden emplear filtros de potencia pasivos, activos o híbridos. El proceso de diseño de las soluciones pasivas, como son los bancos de condensadores o los filtros resonantes, precisa conocer las características de la carga perturbadora y la impedancia de la carga en el punto de conexión a la red. En el caso de que se produzcan variaciones en las condiciones del sistema eléctrico pueden originarse resonancias debidas a los filtros instalados que harían necesario rediseñar los mismos para el nuevo escenario. En este sentido, los filtros activos de potencia, a pesar de su mayor complejidad y coste, consiguen optimizar la mitigación independientemente de la configuración de la red.

El propósito de este artículo es la descripción de las prácticas de laboratorio sobre una plataforma didáctica desarrollada al efecto para el estudio experimental de las técnicas de control de filtros activos de potencia por los estudiantes de ingeniería eléctrica y naval. La plataforma corresponde concretamente a una estructura general de filtro de potencia paralelo para instalaciones trifásicas a tres hilos que permite la aplicación de diferentes técnicas digitales de control, analizar su comportamiento y evaluar sus prestaciones de forma experimental.

II. ESTRUCTURA GENERAL DE UN FILTRO ACTIVO DE POTENCIA PARALELO (FAPP)

La estructura general de un FAPP trifásico a tres hilos se muestra en la Figura 1. El controlador digital tiene como funciones [5]: A) evaluar la corriente de referencia ic* que debe ser inyectada en el punto de conexión de la carga no lineal para compensar las componentes no activas y mantener la capacidad de compensación del FAPP, B) controlar que la corriente inyectada ic se corresponde con la de referencia y C)

Plataforma de laboratorio para prácticas de filtrado activo de potencia

Víctor M. Moreno Sáiz, Member, IEEE y Alberto Pigazo López, Member, IEEE

L


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generar las señales de control de los dispositivos de potencia mediante un modulador por anchura de pulsos (PWM).

A. Corriente de referencia La corriente de referencia se compone de las componentes

que se pretenden eliminar de la corriente de la carga, las cuales deben ser inyectadas en contrafase en el punto de conexión común y, además, esta corriente incluye una pequeña componente de corriente activa para mantener la tensión de continua o, lo que es lo mismo, para restituir las pérdidas del filtro [6] y mantener su capacidad de compensación.

Las prestaciones del filtro dependen en gran medida del método empleado para obtener la corriente de referencia en tiempo real. Se han presentado diferentes técnicas de cálculo de ic* entre las cuales destacan, por ser las más empleadas: la teoría de la potencia instantánea activa y reactiva (pq), debida a Akagi et al. [7] [8], la transformación de las señales de corriente a ejes de referencia rotatorios y síncronos con la frecuencia fundamental (SRF) [9] [10], la teoría Fryze-Buchholz-Depenbrock (FBD) [11] [12] y la transformada rápida de Fourier (DFT) [13] [14].

En la tabla I se muestra un resumen de las características más importantes que deben considerarse, desde el punto de vista de la implementación digital del controlador, a la hora de optar por uno u otro método.

Un aspecto que debe ser considerado en la selección del controlador del FAPP es la necesidad de un sistema de sincronización (Phase Locked Loop, PLL). El método pq no requiere sincronización con la red eléctrica al emplear los valores instantáneos de las tensiones y corrientes en el punto de conexión común (PCC). Los métodos FBD y DFT requieren cierto grado de sincronización para establecer las “ventanas” sobre las que operan. La sincronización con la red eléctrica es fundamental en el caso del método SRF y, en particular, cuando se realiza compensación selectiva de los armónicos de corriente de la carga. Los métodos pq y SRF requieren la utilización de un filtro paso alto (High Pass Filter, HPF) para la determinación de la corriente de

referencia haciendo más complicado su diseño en el caso del método pq. Los métodos FBD y DFT no emplean etapas de filtrado. Los métodos pq y FBD originales no permiten realizar la compensación selectiva de los armónicos de corriente de la carga. En caso de ser necesaria, y para un conjunto de armónicos limitado, se pueden emplear varios SRFs sintonizados a las frecuencias de los armónicos. En este sentido la solución más completa es la basada en la DFT.

B. Controlador de la corriente de inyección El controlador de la corriente de inyección debe asegurar

que la corriente inyectada, ic, corresponde a la de referencia, ic*. Se pueden aplicar diferentes técnicas para el control de la corriente de compensación. Así, en la literatura se han propuesto métodos, como los basados en redes neuronales o en lógica borrosa, en los que la dificultad reside en el proceso previo de diseño del controlador. También se han presentado FAPP que emplean un controlador deadbeat, donde se requiere un modelo preciso de los enlaces de corriente del FAPP (inductancias). Teniendo en cuenta el carácter didáctico de la plataforma de laboratorio desarrollada, se han considerado dos tipos básicos de controladores:

• el controlador PI en un sistema de referencia síncrono [15][16],

• los controladores resonantes en un sistema de referencia estacionario [17][18].

La estructura general de un controlador de la inyección de corriente en un sistema trifásico a tres hilos se muestra en la Figura 2. El primer tipo de controlador opera en un marco de referencia rotatorio a la frecuencia fundamental de la red y sincronizada con la señal de tensión. En consecuencia, la corriente de inyección medida debe ser transformada a este marco mediante las transformaciones de Clarke y Park (T). Además, la señal de referencia de corriente debe ser representada en un marco de referencia síncrono (SRF). El controlador aplica un PI a cada señal de error de las componentes en este marco y la salida del controlador de la corriente de inyección se obtiene después de aplicar la transformada inversa T-1.

TABLA I ALGORITMOS DE CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE REFERENCIA

Método Estructura básica PLL HPF Selectivo

pq αβαβ →⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ →

→→qHPFp

abc 1

no ++ no

SRF αβαβ →⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ →

→→qHPFd

abc 2

++ + +

FBD )()(

)()()()(

3

10

2

3

10,, tv

dttv

dttitvtiti

m

T

m

m

T

mm

La ννν

∑∫

∑∫

=

=−=

+ no no

DFT abc

tc

tb

ta

abc

ii

ii

ii

→

⎪⎪⎪

⎭

⎪⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

→

∑

∑

∑

∞

=

∞

=

∞

=

1

1

1

)(

)(

)(

+ no ++

Fig. 1. Estructura general de un filtro de potencia paralelo

MORENO Y PIGAZO: PLATAFORMA DE LABORATORIO PARA PRÁCTICAS DE FILTRADO

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21

Pueden obtenerse resultados equivalentes aplicando controladores resonantes. En este caso la transformación de Park puede evitarse y la parte integral en el PI es reemplazada por un resonador [16], reduciendo la carga computacional del controlador. Esta estructura requiere una representación de la señal de corriente de referencia en un marco de referencia estacionario (αβ).

C. Modulador por anchura de pulso (PWM) El patrón de las señales de puerta que se aplica a los

dispositivos electrónicos de potencia puede ser generada mediante el uso de un modulador por anchura de pulsos (PWM). Las técnicas de modulación más empleadas en filtros activos de potencia son la modulación PWM con portadora triangular y la modulación por espacio vectorial (SV-PWM) [19].

Los moduladores PWM con portadora triangular comparan la salida del controlador de la inyección de corriente con una señal portadora triangular de alta frecuencia, resultando una forma de onda rectangular de ciclo de trabajo variable y frecuencia constante. En sistemas a tres hilos las prestaciones del filtro activo de potencia pueden ser mejoradas introduciendo una componente de secuencia cero en el modulador [19].

La técnica de modulación por espacio vectorial, en principio empleada en máquinas eléctricas, opera en un marco estacionario y no precisa calcular la transformada inversa de Clarke en el controlador de inyección de corriente. Esta técnica representa los estados de conmutación de los dispositivos de potencia en un marco complejo estacionario. Una vez que los períodos de conmutación están establecidos el tiempo se distribuye entre dos vectores de conmutación consecutivos lo que permite determinar la fase de la salida de tensión del convertidor de potencia. La magnitud se determina mediante los estados de conmutación asociados a los vectores no activos.

III. PLATAFORMA DE LABORATORIO DESARROLLADA La estructura de la plataforma para prácticas de laboratorio

desarrollada para filtros activos de potencia trifásicos a tres hilos, siguiendo el esquema general mostrado en la Figura 1,

se puede observar en la Figura 3. Consta de cuatro bloques: sistema de potencia, convertidor de potencia del filtro activo, controlador e interfaz de usuario. En esta sección de detallan la estructura y funcionalidades de cada uno de estos bloques.

A. Sistema de potencia Este bloque corresponde a la carga eléctrica no lineal y al

sistema de generación de potencia. Las tensiones de alimentación de la carga y las corrientes de línea se monitorizan a través de una tarjeta de acondicionamiento de señales. Las señales de tensión que se aplican a las cargas no lineales son generadas por la fuente de alimentación trifásica programable HP-6834 B. Esta fuente puede generar señales de tensión con desequilibrios y niveles de armónicos determinados así como transitorios (huecos de tensión). Como carga no lineal se emplea un rectificador trifásico no controlado de onda completa. Su patrón de consumo de corriente se puede modificar cambiando el tipo de carga conectada a su salida según sea de tipo fuertemente inductiva o capacitiva.

B. Convertidor de potencia El convertidor de potencia está formado por una tarjeta

TPEB-4 de Concept. Esta tarjeta consiste en un puente completo con transistores IGBT del tipo BSM74GD120DN2 (1200V, 75A), una tarjeta TPD-1 para el control del puente de IGBTs, un banco de condensadores con una capacidad equivalente de 550 μF y 3 enlaces de corriente (Inductancias de 5 mH). Se ha diseñado una tarjeta de control que permite la comunicación entre el DSP y la tarjeta TPD-1.

C. Controlador El controlador del filtro activo está constituido por el

software de control, que debe ser desarrollado por los alumnos basándose en 3 librerías software diseñadas al efecto, y la tarjeta controladora basada en DSP donde se ejecuta dicho software.

La tarjeta de control es una tarjeta DSP interna, modelo PC31 de Innovative Integration, Inc. y diseñada sobre el DSP TMS320C31de Texas Instruments. El entorno de desarrollo suministrado con la tarjeta PC31 DSP (compiladores, librerías software, programas para la monitorización de la memoria, etc…) se ha completado con módulos de software específicos para estas aplicaciones didácticas. Los algoritmos empleados para el cálculo de la corriente de referencia, el controlador de la corriente de inyección y la modulación por anchura de pulsos se han implementado en lenguaje C y están disponibles como librerías que se incluyen en el programa principal que desarrollan los estudiantes.

A continuación se muestra el pseudocódigo correspondiente a un ejemplo de programa principal:

#include <time.h> #include <math.h> #include <reference.h> #include <injection.h> #include <pwm.lib> …

Fig. 2. Estructura general de un controlador de la inyección de corriente en un sistema trifásico a tres hilos


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//definición de constantes #define samplesCycle 80 … //rutinas de interrupción #define PWM_init c_int_99 void c_int99(); #define PWM_change c_int_89 void c_int89(); … //definiciones de variables AIO_PAIR muestra1,muestra2,muestra3,muestra4;

… //programa principal void main(){ inicializa_calculo_corriente_referencia inicializa_los_timers_del_DSP sincronizacion_con_el_host_PC habilita_las_interrupciones while(!finaliza){ //Finaliza el programa de control while(!para){ //Detiene la compensación if (siguiente==1){//Espera al siguiente periodo adquiere_señales //pérdidas en el condensador … iPerdidas=PI(error,acumulador,Kp,Ki) … //calculo de la conductancia G=conductanciaFBD(iA,iB,iC,vA,vB,vC); … //corriente de referencia por fase iAref=referenciaFBD(G,iA,iPerdidas,vA); … //control de la corriente de inyección

oA=PI(errorIA,acumuladorIA,Apia.KiIA); … //PWM triangular

calculaTiemposPWMtri(oResA,oResB,oResC,vDC,tiempos);

… Sincronización_con_el_host_PC Prepara_el_ siguiente_intervalo } } } }

En el fichero correspondiente al programa principal se “incluyen” las librerías que van a ser empleadas. Entre éstas se encontrarán las librerías de funciones suministradas al estudiante: reference.h, injection.h y pwm.h. En la primera se dispone de funciones que permiten calcular la corriente de referencia mediante los métodos pq, SRF, FBD y DFT.

Asimismo, la librería suministra funciones para inicializar, en caso necesario, cada uno de los algoritmos y realizar determinadas transformaciones de señales, como la transformación de Park para el método SRF. La librería injection.h contiene las funciones necesarias para el control de la corriente de inyección. Finalmente, pwm.h permite el cálculo de los tiempos que el convertidor de potencia debe estar en cada estado de conmutación dependiendo del tipo de modulación seleccionada.

Las rutinas de interrupción PWM_init y PWM_change permiten recoger las interrupciones generadas por dos de los timer de la tarjeta de DSP y son las encargadas de gobernar el proceso de modulación. Estas funciones se le suministran al estudiante ya implementadas. El programa principal está constituido por un ejecutivo cíclico que se sincroniza con una de las interrupciones, recogida por PWM_init, y tras realizar la adquisición de señales, almacenadas en estructuras de datos de tipo AIO_PAIR, se calcula la corriente que debe consumir el FAPP para mantener su capacidad de compensación y posteriormente, mediante la conductancia de la carga, se evalúa la corriente de referencia para la compensación mediante la función referenciaFBD. La corriente inyectada en

TABLA II SESIONES PRÁCTICAS DE LA ASIGNATURA

Sesión Práctica

P1 Rectificador no controlado P2 Rectificador controlado de baja frecuencia P3 Convertidores dc/dc P4 Rectificador controlado PWM P5 Control de motores dc P6 Control de motores ac P7 Filtro activo de potencia paralelo

Fig. 3. Estructura general de la plataforma para prácticas de laboratorio desarrollada


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el punto de conexión es comparada con la corriente de referencia previamente calculada obteniendo la señal de error para cada fase errorIA que se utiliza dentro de un bloque de control PI. Finalmente se evalúan los tiempos que el convertidor de potencia debe permanecer en cada estado de conmutación mediante la función calculaTiemposPWMtri.

D. Interfaz de usuario El estado del filtro activo de potencia paralelo (controlador

inicializado, compensador detenido y compensador activado), así como su configuración (en caso de compensación selectiva de armónicos, los ordenes armónicos seleccionados) pueden establecerse en tiempo real mediante una interfaz gráfica de usuario (GUI) diseñada al efecto.

La GUI se ejecuta en el PC de forma local y ha sido diseñada mediante la técnica de programación orientada a objetos (OOP). Utiliza la interfaz de aplicaciones de programas (API) para manejar los recursos dados por el sistema operativo Windows: p.e. escritura en fichero de registros de las señales monitorizadas por el controlador. Esta interfaz de usuario permite: seleccionar el controlador a ensayar, configurar el FAPP (corriente de referencia, tensión de continua, selección de los armónicos de la carga a compensar y, en su caso, la compensación de la potencia reactiva), configurar las protecciones software (enlace de continua, tensión máxima y corriente máxima de compensación), monitorizar en tiempo real las variables internas críticas del controlador (medidas de las señales de potencia, corriente de referencia o ciclo de trabajo aplicado en la modulación) y registrar las medidas tomadas para su posterior procesamiento.

IV. EJERCICIO DE PRÁCTICA DE LABORATORIO En esta sección se describe, a modo de ejemplo, una de las

prácticas de laboratorio programada en la asignatura Electrónica de Potencia de la titulación de Ingeniero Técnico Naval. Esta asignatura, de 3 créditos teóricos y 1.5 créditos prácticos, introduce a los estudiantes en las aplicaciones industriales de la electrónica de potencia. La tabla II muestra las experiencias de laboratorio desarrolladas como parte práctica de la asignatura.

La práctica descrita en esta sección, filtrado activo de potencia paralelo (P7), corresponde a la última sesión de prácticas desarrollada. En este punto de la asignatura, el estudiante maneja dispositivos electrónicos de potencia, sus técnicas de control y algunas técnicas avanzadas de control a nivel elemental. En este sentido, las tareas que debe realizar el estudiante durante el desarrollo de esta práctica se han simplificado en gran medida de modo que el nivel de dificultad no sea excesivo. La sesión práctica P7 se lleva a cabo sobre la plataforma de laboratorio desarrollada al efecto y que permite al alumno ensayar diferentes técnicas de control y comprobar sus prestaciones teniendo unos conocimientos básicos de programación en lenguaje C. En una primera aproximación, y tras la introducción de los conceptos básicos del filtrado activo (funcionalidades que debe desarrollar el

controlador y modo de implementarlas), los alumnos, mediante simulación en MatLab/Simulink, ajustan los parámetros de control de acuerdo a las especificaciones suministradas.

A continuación, los estudiantes, en grupos de 2 ó 3, trabajan sobre la plataforma FAPP (Figura 4) desarrollada empleando las herramientas suministradas por Innovative Integration, Inc. (compilador, linker, etc) para construir sus propios programas principales, empleando la estructura base que les es suministrada. Tras una depuración del código bajo la supervisión del profesor se pasa a la realización de los ensayos de laboratorio y a la obtención de resultados. Finalmente, los alumnos presentarán una memoria donde se refleje el diseño realizado y los resultados experimentales obtenidos.

En el ejercicio guiado que se presenta en esta sección, los estudiantes deben analizar las características básicas de compensación del controlador aplicando el método FBD para la obtención de la corriente de referencia, un controlador PI en un sistema de referencia síncrono para la regulación de la corriente de inyección y un modulador PWM sinusoidal. El objetivo de la compensación en esta práctica de laboratorio consiste en la obtención de una tasa de distorsión armónica en la corriente de línea (ITHD) idéntica a la tasa de distorsión de la tensión (VTHD) en el punto de conexión. Las pruebas deben realizarse en estado estacionario y en condiciones dinámicas de la carga.

Con el filtro de potencia inactivo el estudiante mide y registra las formas de onda de tensión y corriente (Figura 5(a) y Figura 5(b) respectivamente). En este caso, la tensión de fase aplicada es una señal sinusoidal pura mientras que la corriente de la carga es prácticamente una señal cuadrada. La fuente de potencia programable HP-6834-B permite visualizar el espectro de la tensión y la corriente medida (Figura 6). Las tasas de distorsión armónica de tensión y corriente medidas son 1.1 % y 29.38% respectivamente. La impedancia equivalente en el punto de conexión común (PCC) reduce la pendiente de la corriente de carga durante la conmutación de los diodos rectificadores reduciendo la ITHD obtenida en comparación con el valor teórico evaluado mediante simulación.

Mediante el empleo de las librerías software suministradas (básicamente reference.lib, injection.lib and pwm.lib), el estudiante debe generar un fichero (main.c) que contiene el programa principal correspondiente al controlador digital. La interfaz gráfica de usuario (GUI) de la plataforma, que se muestra en la Figura 7, permite la descarga del programa de control en la tarjeta procesadora. Una vez el código es cargado el estudiante debe establecer los parámetros de configuración del controlador del filtro activo (tensión en el nivel de continua, constantes del controlador de inyección de corriente Kp y Ki, máxima tensión permitida en el condensador de almacenamiento y máxima corriente de inyección). Estos parámetros pueden ser ajustados on-line con lo que se puede observar de forma inmediata el efecto sobre el comportamiento del filtro y comprobar la influencia en sus prestaciones.


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Las señales de entrada y salida del controlador, que pueden ser visualizas en pantalla en tiempo real, son: la tensión de continua (Vdc), las tensiones entre líneas (VRT y VST) y las corrientes de compensación (IIR, IIS). Todas estas señales son almacenadas para su postprocesado. La Figura 8 muestra las formas de onda de las corrientes de compensación y en la fuente con el filtro conectado. El equipo inyecta una corriente en el punto de conexión común lo que permite obtener una corriente sinusoidal en la línea. Después de registrar las formas de onda y corriente, se puede realizar el análisis (Figura 9). Como se puede deducir de los resultados, las corrientes armónicas de la carga se han compensado y la tasa de distorsión armónica de la corriente medida es 7.86%. El espectro frecuencial de la corriente de línea contiene armónicos de orden alto debido al modulador PWM. Estos resultados pueden mejorarse si se sustituyen los inductores de enlace de corriente por filtros LCL. Bajo estas condiciones el alumno debe recalcular los parámetros de control para optimizar el comportamiento del filtro activo de potencia.

La plataforma diseñada también se emplea para realizar las pruebas que permiten una caracterización de las prestaciones dinámicas del controlador. El conmutador sw (Figura 3) se utiliza para generar variaciones bruscas de las condiciones de la carga. En la Figura 10 se muestran las formas de onda de las corrientes en el PCC. El tiempo de respuesta es de 12 ms. El estudiante debe reajustar los parámetros del controlador para conseguir un tiempo de respuesta igual de medio ciclo a la frecuencia fundamental, que corresponde a la respuesta ideal cuando se emplea el método FBD diseñado para la operación con armónicos impares.

V. VALORACIÓN DE LA PLATAFORMA DESARROLLADA La plataforma desarrollada permite a los estudiantes

comprobar de forma experimental los conocimientos teóricos asociados al filtrado activo de potencia, introducirse en el diseño de controladores digitales para FAPP y obtener resultados experimentales para la evaluación de los controladores. También es importante señalar que la utilización de esta plataforma supone para los estudiantes una toma de contacto con la problemática real asociada a los sistemas electrónicos de potencia industriales. Por lo tanto, se puede concluir que esta plataforma puede ser considerada como una herramienta muy útil en la enseñanza del filtrado activo de potencia.

Fig. 4. Plataforma de laboratorio

0 10 20 30 40 50 60−1

−0.5

0

0.5

1

Time [ms]

PC

C v

olta

ges

[pu]

0 10 20 30 40 50 60−1

−0.5

0

0.5

1

Time [ms]

Line

cur

rent

s [p

u]

vR

vS

vT

iRiSiT

Fig. 5. Señales en el punto de conexión común (PCC): a) Tensiones de fase y b) corrientes de línea

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Frequency [Hz]

Am

plitu

de [%

]

vR

iR

Fig. 6. Espectro de las señales de tensión y corriente en el PCC

Fig. 7. Interfaz Gráfica de Usuario (GUI)


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25

En el caso de los alumnos de la Ingeniería Técnica Naval, la experiencia nos ha mostrado la dificultad que presenta, en general, la programación en lenguaje C al no haber cursado una materia de introducción a este lenguaje.

Por este motivo consideramos que la plataforma puede ser mejorada sustituyendo la programación en C por el desarrollo de controladores en MatLab/Simulink exportables directamente a tarjetas DSP compatibles, y en su caso externas. Ejemplo de este tipo de sistemas son las tarjetas de control dSpace, como la DS-1104, y los nuevos DSP de Texas Instruments, como el TMS320F2812. Asimismo, la utilización de estas nuevas tarjetas de control permitiría el desarrollo de prácticas remotas, en el sentido de no presenciales, a través de Internet. En esta línea, la GUI debería ser modificada para ejecutarse mediante navegadores web [20].

Aunque la plataforma se ha desarrollado para el estudio práctico de los FAPP, su traslación a otras prácticas de laboratorio del curso de electrónica de potencia es inmediata, realizando la implementación de las librerías específicas para cada tipo de práctica. Particularmente la plataforma puede emplearse en el diseño de las prácticas de laboratorio

correspondientes a los temas de rectificado activo (P4) y control de motores ac (P6).

VI. CONCLUSIONES En este artículo se ha presentado una plataforma de

laboratorio para la realización de prácticas de filtrado activo de potencia en paralelo en sistemas trifásicos a tres hilos que permite el estudio y la evaluación experimental de los diferentes tipos de controladores digitales de este tipo de equipos. La estructura de la plataforma que se presenta consta de cuatro bloques que pueden ser modificados independientemente, lo que le aporta gran versatilidad. Los estudiantes de grado y de postgrado de Ingeniería Eléctrica o Naval pueden diseñar y desarrollar sus propios controladores tomando como base las librerías software disponibles. Las señales de entrada y salida del controlador, como la corriente instantánea en la carga no lineal o la corriente de referencia para la compensación, son monitorizadas gráficamente en tiempo real, mediante una interfaz grafica de usuario diseñada al efecto (GUI) y pueden ser registrados para su posterior procesamiento. La plataforma de laboratorio desarrollada se puede considerar como una herramienta muy útil para el estudio experimental del filtrado activo de potencia en los estudios de ingeniería.

La arquitectura modular de la plataforma diseñada, en particular su interfaz gráfica y las librerías software suministradas, permiten ampliar sus posibilidades de utilización extendiendo su uso a la docencia remota e incluyendo otras practicas asociadas a la electrónica de potencia.

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0 10 20 30 40 50 60−1

−0.5

0

0.5

1

Time [ms]

Com

pens

atio

n cu

rren

ts [p

u]

0 10 20 30 40 50 60−1

−0.5

0

0.5

1

Time [ms]

Sou

rce

curr

ents

[pu]

RST

RST

Fig. 8. a) Corrientes de compensación y b) corrientes de línea

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Frequency [Hz]

Am

plitu

de [%

]

vi

Fig. 9. Espectro de las señales de tensión y corriente en el PCC

0 10 20 30 40 50 60−1

−0.5

0

0.5

1

Time [ms]

Load

cur

rent

[pu]

0 10 20 30 40 50 60−1

−0.5

0

0.5

1

Time [ms]

com

pens

atio

n cu

rren

t [pu

]

0 10 20 30 40 50 60−1

−0.5

0

0.5

1

Time [ms]

sour

ce c

urre

nt [p

u]

Fig. 10. a) Corriente en la carga. b) Corriente de compensación. c) Corriente de línea


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Víctor M. Moreno Sáiz (M’01) es Licenciado en Ciencias Físicas (Especialidad Electrónica) (1980) y se doctoró en 1994 por la Universidad de Cantabria (España). Su tesis doctoral, “Sistema distribuido para la medida y análisis de la calidad de la energía eléctrica aplicando filtrado de Kalman” obtuvo el premio Viesgo en 1994. Víctor M. Moreno es Profesor Titular de Universidad del Departamento de Electrónica y Computadores de la Universidad de Cantabria. Las líneas de investigación en las que trabaja en la actualidad son la calidad de la energía eléctrica,

compatibilidad electromagnética (EMC), el procesado digital de señales y controladores digitales de convertidores de potencia. Es miembro de la sociedad de Electrónica de Potencia de IEEE (PES).

Alberto Pigazo López (M'05) es Licenciado en Ciencias Físicas (Especialidad Electrónica) (1997) y se doctoró en 2004 por la Universidad de Cantabria (España). En 2004, trabajó como investigador en el Laboratorio de Electrónica de Potencia del Politécnico de Bari (Italia). Actualmente es Profesor Asociado en el Departamento de Electrónica y Computadores de la Universidad de Cantabria. Las líneas de investigación en las que trabaja son la calidad de la energía eléctrica, compatibilidad electromagnética (EMC), el procesado digital de señales y controladores de convertidores de

potencia. Es miembro de la sociedad de Electrónica Industrial de IEEE (IES) y colabora como revisor en conferencias y revistas de las sociedades de IEEE.


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Simulador MPLS para la Innovación Pedagógica en el Área de Ingeniería Telemática

M. Domínguez Dorado, F. J. Rodríguez Pérez y J. L. González Sánchez

Abstract — MPLS (Multiprotocol Label Switching) provides

interesting mechanisms to integrate network technologies like ATM (Asynchronous Transfer Mode) and IP (Internet Protocol) with QoS (Quality of Service). It is a next generation technology with a great interest in teaching of networks and communications in Telematics Engineering degrees. In this paper we show a simulator as an innovative and educational tool to introduce the student to MPLS. It motivates the student to configure, interact and analyse the operation of an MPLS domain in an easy and efficient way. On the other hand, due to its free software license, it can be used as a framework for protocol engineering.

Index terms— simulator, MPLS, GoS, packet retransmission, LSP recovery, teaching tool.

I. INTRODUCCIÓN PLS (Multiprotocol Label Switching) es una tecnología orientada a conexión que surge para paliar los

problemas que plantean las redes actuales en cuanto a velocidad, escalabilidad e ingeniería de tráfico [1]. Al mismo tiempo ofrece QoS (Quality of Service) extremo a extremo [2], mediante la diferenciación de flujos y la reserva de recursos. Por otro lado, elimina el problema de la gestión de los diferentes planos de control que tienen lugar en redes IP/ATM, proporcionando mecanismos para conseguir la convergencia entre ambas tecnologías.

MPLS actúa como nexo entre los protocolos de red y el correspondiente protocolo de nivel de enlace. Para ello, en la estructura de una trama, se sitúa la cabecera MPLS después de la cabecera de nivel de red y antes de la cabecera de nivel de enlace [3]. De hecho, el reenvío de paquetes MPLS está basado en etiquetas y no en el análisis de los datos encapsulados desde niveles superiores.

Es una tecnología multiprotocolo que admite cualquier protocolo de red, pero al mismo tiempo permite cualquier tecnología en capas inferiores (enlace o físico). De esta forma, se ha proporcionado un atractivo mecanismo para aprovechar la infraestructura actualmente desplegada en ámbitos troncales, facilitando así la migración de tecnologías; sin embargo, los esfuerzos realizados desde hace años para

M. Domínguez Dorado pertenece al DISIT de la Universidad de

Extremadura. Avda. de la Universidad s/n. CP: 10071. Tlf: +34 607 417 860. Fax: +34 927 257 202. e-mail: [email protected].

El autor F. J. Rodríguez Pérez pertenece al DISIT de la Universidad de Extremadura. Avda. de la Universidad s/n. CP: 10071. Tlf: +34 927 257 195. Fax: +34 927 257 202. e-mail: [email protected].

El autor J. L. González Sánchez pertenece al DISIT de la Universidad de Extremadura. Avda. de la Universidad s/n. CP: 10071. Tlf: +34 927 257 195. Fax: +34 927 257 202. e-mail: [email protected].


desarrollar mecanismos innovadores que den soporte a IP sobre ATM no se han perdido, ya que la mayoría de las técnicas desarrolladas son válidas para disponer de IP sobre MPLS y MPLS sobre ATM.

En el presente artículo se presenta un simulador de redes MPLS al que hemos llamado OpenSimMPLS. Es una herramienta funcional y visual (Figura 1) que puede utilizarse en la docencia de asignaturas de redes y/o comunicaciones. Contempla los aspectos fundamentales de funcionamiento y configuración de un dominio MPLS [4]; al mismo tiempo ha sido ampliado para incluir compatibilidad con dominios que soporten GoS (Garantía de Servicio) [5]. Un dominio MPLS con capacidad GoS puede entenderse como un entorno capaz de llevar a cabo recuperaciones locales de paquetes MPLS descartados, junto con la posibilidad de recomponer localmente LSPs (Label Switched Paths) [6], [7]. Esta característica se puede ofrecer a flujos privilegiados particulares sensibles de necesitar un servicio de fiabilidad y velocidad, ya que el sistema GoS permite, además, la priorización de estos tráficos con respecto a los no caracterizados como GoS.

En la siguiente sección se hace una comparativa con otros

simuladores de ámbito docente. En el apartado tres se muestra una breve descripción del entorno visual del simulador, así como de algunos aspectos funcionales. En el cuarto apartado se comentan diversos detalles relativos a su implementación. En el quinto se resaltan las aplicaciones de OpenSimMPLS en entornos docentes o para la prueba inicial de algoritmos en trabajos de investigación. En el apartado seis se muestran

M

Figura 1. Vista general de una Ventana de Escenario donde coexisten flujos de diferentes niveles de GoS.


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resultados recientes obtenidos tras el empleo del simulador en docencia. Finalmente, el artículo concluye resumiendo las contribuciones del simulador y líneas futuras de trabajo.

II. TRABAJOS RELACIONADOS OpenSimMPLS no es el primer esfuerzo que se realiza para

conseguir un simulador docente relacionado con MPLS. Otros investigadores ya han hecho propuestas en este sentido. Por ejemplo, en [8] se puede encontrar un simulador MPLS que permite el diseño y configuración de los componentes de un dominio, así como la simulación y análisis estadístico de los resultados, todo ello desde un punto de vista docente. Entre sus características principales se encuentran la de ser un simulador orientado a la docencia que permite un análisis estadístico elemental del tráfico de la red; cuenta con un editor visual de escenarios, es multiplataforma y, aunque de facto es gratuito y de fácil instalación (es un applet ejecutable desde la página de los autores), no está disponible su código fuente y tampoco se puede descargar para su ejecución local. Por otro lado, no permite interactuar con la simulación en el momento de su ejecución ni cambiar la interfaz a otros idiomas. Además, debido a su orientación docente, no está concebido para trabajar en conjunción con redes MPLS reales con componentes de fabricantes actuales.

MNS (MPLS Network Simulator) [9] es una extensión de NS2 (Network Simulator 2) para permitir la simulación de redes MPLS. Sus características son, por tanto, similares a las de NS2, a saber: está orientado a la docencia, permite un completo análisis estadístico de todos los eventos ocurridos durante la simulación, es multiplataforma, se distribuye bajo licencia de software libre y es gratuito. En su contra, se puede decir que no permite al usuario interactuar en tiempo de ejecución de la simulación para alterar el comportamiento de la misma; es decir, la simulación transcurrirá como se especificó previamente en el fichero de configuración del escenario. En docencia este comportamiento tan estático impide al alumno explotar el mecanismo de aprendizaje por descubrimiento. Ni la instalación de MNS+NS2 es sencilla, (requiere compilar y tener instaladas ciertas librerías), ni resulta trivial la generación de escenarios de simulación sin conocimientos previos de TCL (Tool Command Language) para la definición textual de escenarios, así como de la gran cantidad de componentes ofrecidos por el simulador; esto último confiere a MNS+NS2 la virtud de ser una completa herramienta para la validación de resultados de investigación, pero en lo que a docencia se refiere, presenta una curva de aprendizaje que dificulta el desarrollo de sesiones prácticas en un tiempo prudencial, teniendo en cuenta los ajustados calendarios docentes así como de disponibilidad de laboratorios en los centros universitarios. Al igual que el anterior simulador, tampoco es apto para trabajar en entornos de redes reales y, aunque es ampliamente utilizado en docencia, está más enfocado a la investigación sobre redes.

En el caso de OpenSimMPLS [10], para facilitar el uso futuro del simulador en diferentes centros, el software es multiplataforma y está liberado bajo licencia GPL (General Public License) v2.0 de la Free Software Foundation. Es un

simulador que incorpora las ventajas de [8] y [9], pero además permite al alumno la interacción durante la simulación, está traducido a otros idiomas, permite la generación visual de escenarios, la simulación de la tecnología GoS y no requiere instalación. En la Tabla 1 se muestra un resumen de las características de los tres simuladores.

Decir que para trabajos mas especializados (no docentes)

existen herramientas más completas, como Totem [11] u OPNET [12] más orientados para su uso en entornos reales de redes en producción.

III. SIMULADOR OPENSIMMPLS La principal característica del entorno de trabajo del

simulador se basa en su simplicidad. Se divide en tres partes: Área de Trabajo, Menú Principal y Ventanas de Escenarios. El Área de Trabajo es la zona principal, dentro de la cual se desarrolla la simulación de los diferentes escenarios MPLS. El Menú Principal está situado en la parte superior izquierda, englobando las opciones relacionadas con la gestión de ficheros (crear, almacenar y recuperar escenarios a/de disco), visualización de ventanas y ayuda.

Por último, las Ventanas de Escenarios permiten el diseño y análisis de escenarios MPLS particulares. Su estructura se divide en varias pestañas, las cuales se irán describiendo en los siguientes apartados.

A. Área de Diseño de Topologías La primera pestaña engloba el Área de Diseño, en la que se

establecen los parámetros relacionados con la topología y configuración del dominio MPLS a simular. La barra de herramientas incorpora diversos iconos que representan los elementos que se pueden insertar en un dominio de OpenSimMPLS (LERs, LSRs, enlaces...).

El primer icono hace referencia al Emisor, que es el tipo de nodo encargado de generar tráfico de red en el simulador. El segundo icono es el Receptor, el cual actuará como sumidero del flujo generado por un emisor. El tercero representa los LER (Label Edge Router), encargados de etiquetar paquetes IP o MPLS, clasificarlos, establecer un camino hacia el destino a

TABLA 1 COMPARATIVA ENTRE SIMULADORES

MNS/NS2

Simulador de Multi-Protocol

Label Switching OpenSimMPLS

Docente • • • Simulación interactiva •

Estadísticas • • • Multiplataforma • • •

Multilingüe • Diseño visual • • Software libre • •

Gratuito • • • Simula GoS •

Aplicable a entornos reales

Facilidad instalación/ejecución • •

DOMÍNGUEZ, RODRÍGUEZ Y GONZÁLEZ: SIMULADOR MPLS

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través del dominio MPLS y, finalmente, permitir la entrada del paquete etiquetado al dominio MPLS. El cuarto icono es el LERA (Label Edge Router Activo), que realiza la misma tarea que el LER, pero además se encarga de analizar la cabecera IP para saber si los paquetes tienen requerimientos de GoS y, si es así, codificar esos requisitos en la cabecera MPLS [5]. Un flujo IP marcado con GoS sólo puede conservar esos atributos de GoS dentro del dominio MPLS si accede a él a través de un nodo LERA. El siguiente icono representa al LSR, encargado de conmutar tráfico MPLS en el interior del dominio. Es un componente muy rápido, pues sólo observa la etiqueta puesta sobre el paquete por el LER/LERA de entrada al dominio MPLS. Un nodo LSR nunca puede hacer de nodo de entrada al dominio MPLS pues no tiene capacidad para ello. El sexto icono hace referencia a los LSRA (Label Switch Router Activo), que son los encargados de conmutar tráfico MPLS en el interior del dominio. Además, el LSRA es el componente con capacidad de recuperación local de paquetes y de reestructuración de caminos (LSP) en un entorno local. También tiene capacidad de almacenar paquetes de forma temporal, para así satisfacer las posibles solicitudes de retransmisión local de otro LSRA del dominio. El último icono representa al Enlace, que es el elemento que une dos nodos cualesquiera de la red. Todo escenario de simulación debe tener sus componentes conectados mediante enlaces, por los que fluye el tráfico. En cualquier caso, OpenSimMPLS incorpora un control de errores que permite generar topologías libres de ellos.

B. Área de Simulación de Escenarios Debe pasarse al Área de Simulación cuando se ha finalizado

la creación de la topología del escenario. En este entorno se puede analizar visualmente el comportamiento de dicha topología una vez comiencen a generarse tráficos, congestiones, descartes de paquetes (Figura 2), etcétera. La topología de simulación que se observará será la correspondiente al escenario que se haya diseñado en el área de diseño. El área de simulación presenta una estructura similar a la de diseño. La diferencia estriba en que en el lugar donde aparecían los elementos a insertar en el escenario, ahora aparecen unos iconos para controlar el funcionamiento de la simulación.

Si se ha terminado de diseñar y configurar la topología en el

área de diseño, se puede poner en funcionamiento la simulación. Esto se hace mediante un clic en el primer icono, que muestra un engranaje.

Cuando la simulación está en funcionamiento, una barra de progreso indica en todo momento el porcentaje de la simulación en curso. También existe un contador que muestra el número de nanosegundos consumidos en la simulación. Por otro lado, también es posible ralentizar la simulación, lo cual permite observar con detenimiento los sucesos que van ocurriendo, sin necesidad de detener y reanudar periódicamente la simulación.

De esta tarea se encarga el deslizador que se encuentra en la barra de herramientas.

Toda la simulación visual que se puede observar en el área de simulación en tiempo real no es sino la representación gráfica de los valores internos generados por los elementos que componen el escenario. En la mayoría de las ocasiones, con la representación visual de la simulación y con las gráficas estadísticas generadas de los elementos (enlaces, nodos…), es suficiente para comprender los diferentes acontecimientos ocurridos en la simulación; sin embargo, hay ocasiones en que es necesario tener la posibilidad de acceder a una interpretación numérica de alguna situación compleja. Para ello, es posible generar un fichero de traza donde se almacenan, en formato de texto, todos los eventos que han tenido lugar durante la simulación: qué componente se ha visto afectado, en qué instante, consecuencias, etc.

De esta forma se proporciona un método funcional para la revisión a posteriori de la simulación. Si se desea generar este fichero de traza, se debe hacer clic con el ratón sobre el recuadro de selección llamado “Crear fichero de traza”, de la barra de herramientas.

Durante la simulación, los diferentes elementos del escenario podrán ir modificando su aspecto visual a medida que se avanza en el tiempo. Por ejemplo, los nodos LER y LSR modificarán su color en función del nivel de congestión que sufran. El cambio de una apariencia a otra se realiza de forma automática, a medida que los paquetes se van acumulando en el búfer del nodo. Los paquetes permitirán conocer qué tipos de flujo (clasificados según su prioridad) se dan en el escenario. También informan sobre la cantidad y tipos de tráficos que se mueven por la red, cuándo y cómo se produce la señalización, caminos por los que circulan, velocidad a la que se mueven, etc.

Por otro lado, además de circular por la red que se esté simulando, los paquetes pueden ser descartados en nodos que sufran un elevado nivel de congestión. En ese caso los paquetes aparecerán, visualmente, cayendo de dicho nodo (Figura 2).

Los diferentes aspectos comentados sobre la representación de paquetes pertenecientes a diferentes tipos de tráfico, así como del flujo de los mismos, se puede consultar durante la simulación, gracias a la leyenda que se muestra (opcionalmente) en la esquina inferior derecha del entorno (Figura 3). En la práctica, esta leyenda ha resultado ser de gran ayuda para los alumnos a la hora de analizar qué ocurría durante la simulación.

Figura 2. Descarte de paquetes diferentes a distintos tipos de tráfico.


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Hasta ahora, se han analizado algunas de las señales

visuales que se deben interpretar durante la simulación para comprender los sucesos que tengan lugar. Sin embargo, la simulación es un entorno interactivo y pueden llevarse a cabo numerosas acciones durante el funcionamiento de la misma. Por ejemplo, puede provocarse la congestión de un nodo haciendo clic con el botón principal del ratón sobre él. A partir de ese momento, el nodo experimentará una elevada saturación de paquetes (Figura 4). Lo habitual es que en un corto periodo de tiempo el nodo comience a descartar paquetes si sigue recibiendo tráfico entrante. Esta función es muy práctica para provocar pérdidas y recuperaciones de paquetes sin tener que esperar la congestión del nodo.

En condiciones reales, un enlace está sujeto a la posibilidad

de averías. Obras, descargas eléctricas, fallos humanos, etc., pueden hacer que un enlace falle y el tráfico se pierda. Sin embargo, el exceso de tráfico no provoca el fallo del enlace. OpenSimMPLS permite simular este hecho, admite que un enlace pueda caer en un momento dado, pero al igual que en la realidad, tampoco es algo que ocurra como evolución de la simulación sino que se ha de provocar manualmente. Podremos simular la caída de un enlace durante una simulación mediante un clic de ratón sobre el mismo. El enlace cambiará su apariencia, mostrándose como una línea roja discontinua y provocando que todos los paquetes circulantes sean descartados. De esta forma podrán simularse situaciones en que el dominio deba recuperarse de fallos de enlace.

C. Área de Análisis de resultados Puede pasarse a trabajar al Área de Análisis (Figura 5) si se

han configurado en la topología algunos elementos para que generen estadísticas; entonces se pueden observar las gráficas que generan (o que ya han sido generadas, si la simulación ha concluido).

Esta área se divide en dos partes: una barra de herramientas para el análisis y una zona mayor donde se mostrarán las gráficas estadísticas solicitadas para los componentes particulares.

Si la simulación está en curso, las gráficas tendrán un

comportamiento dinámico, variando según va evolucionando la simulación. Si ya ha finalizado, las gráficas mostrarán los resultados definitivos. Por otro lado, las gráficas generadas por OpenSimMPLS para cada elemento no son imágenes estáticas, sino que actúan como objetos interactivos. Se puede obtener un menú emergente con opciones sobre cada una de las gráficas, simplemente haciendo clic sobre ellas con el botón secundario del ratón. De esta forma se tendrá acceso a diversas funciones, como almacenar la imagen en disco, ampliar o imprimir una gráfica de interés, entre otras.

IV. DETALLES DE IMPLEMENTACIÓN OpenSimMPLS es una aplicación JAR auto-contenida. Su

instalación, por tanto, no requiere de ningún paso significativo, y simplemente se debe invocar su ejecución a través de la Máquina Virtual Java de SUN que debe haber sido previamente instalada.

Una de las ventajas de OpenSimMPLS es su portabilidad, ya que funciona de forma independiente a la arquitectura o sistema operativo del ordenador en el que se ejecute. Para ello se ha empleado el lenguaje Java. Éste también ha permitido la implementación del simulador como una aplicación multitarea (capaz de simular más de un escenario a la vez), lo que se consigue mediante la programación de múltiples hilos de ejecución.

Asimismo, Java es un lenguaje orientado a objetos; la clase principal del sistema, denominada openSimMPLS, inicia la ejecución del simulador. El método main(), que se encuentra en esta clase, crea un objeto de tipo TDispensadorDeImagenes que será el encargado de cargar todas las imágenes necesarias en la aplicación y que posteriormente será pasado como parámetro en el constructor de cualquier elemento referente a la interfaz, mejorando el rendimiento. Posteriormente se crea un objeto de tipo JSimulador que es la interfaz principal de la aplicación. A partir de este momento la ejecución del simulador deja de ser secuencial y en su lugar atiende a los eventos generados por el usuario en la interfaz: órdenes de ratón, selección de opciones de menú, etc.

Figura 5. Área de análisis.

Figura 4. Congestión/descongestión artificial de nodos.

Figura 3. Ayuda visual para el alumno durante la simulación.


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Durante la simulación, un componente reloj envía avisos a los elementos de la topología (enlaces y nodos) en forma de eventos de temporización o tics (Figura 6).

El reloj es un elemento que se configura con dos valores:

por un lado, la duración total de la simulación completa (número de tics); por otro lado, la duración de cada tic. El reloj, que se ejecuta en un hilo propio, avanzará desde cero hasta el número máximo de tics definido para la simulación completa. Cada tic será enviado a todos los elementos de la topología, que están sincronizados, de manera que al llegar al tope de duración, el hilo se detendrá y se finalizará la simulación.

Cuando los diferentes elementos de la topología reciben un tic, también obtienen la duración en nanosegundos del mismo. Cada componente activa su propio hilo de ejecución, generándose por tanto concurrencia. Cada hilo realizará su función correspondiente, en función del tipo de dispositivo; por ejemplo, conmutar, transportar paquetes, recibir tráfico, etc. El hilo de ejecución de cada elemento se detendrá cuando la duración del tic recibido se agote.

Cuando todos los elementos han agotado su tic, el reloj lo detecta y genera el siguiente tic y la operación se vuelve a repetir. La clase que implementa el reloj del sistema se denomina TReloj e incorpora una lista interna de todos los elementos a los que debe enviar los eventos de temporización.

Durante el tiempo que el hilo específico de cada elemento está en funcionamiento, ocurren multitud de sucesos que deben ser recogidos. Una vez representados, darán lugar a la visualización en pantalla de cada suceso. Este proceso de adquisición lo realiza el recolector global del escenario. Todos los elementos de la topología le notificarán la labor que están

llevando a cabo durante su tiempo de funcionamiento. Mediante la reiteración de este proceso se consigue una simulación muy fluida, aunque la generación de tics sea un proceso discreto. Por tanto, los diferentes elementos de una topología (TNodoEmisor, TNodoReceptor, TNodoLER, TNodoLSR, TNodoLERA, TNodoLSRA, TEnlaceInterno, TEnlaceExterno), encapsularán métodos para llevar a cabo estas tareas.

La clase que implementa el recolector de eventos de simulación se denomina TRecolectorSimulacion. Implementa el método capturarEventoSimulacion(), que permite que los elementos de la topología puedan enviarle los eventos de simulación que van generando durante los tiempos en que sus hilos están en ejecución. Sin embargo, el recolector no muestra los sucesos, sólo los recoge. Para la visualización se usan los servicios de un componente gráfico que va representando en pantalla los diferentes eventos, el cual recibe el nombre de Panel de Simulación. De esta forma se consigue aislar las tareas de generación y recopilación de sucesos, de las de representación visual de los mismos.

La pantalla de simulación está implementada en la clase JPanelSimulacion, que realiza todas las operaciones de refresco de pantalla, simulación visual, etc.; es decir, interpreta todos los eventos que le llegan al recolector y los muestra en pantalla de una forma accesible para el usuario. Encapsula ponerEvento(), que es el método usado por el recolector para enviarle los eventos que ha adquirido.

A. Topología del escenario La topología es un objeto que almacena todos los elementos

del escenario y que se encarga de mantener el grafo de conexiones entre enlaces y nodos y de establecer las asociaciones entre los elementos y el reloj o entre los elementos y el recolector de eventos. Toda su funcionalidad se encuentra implementada en la clase TTopologia. Para llevar a cabo estas tareas, cada elemento debe utilizar un identificador único que le será asignado por un generador de identificadores únicos que posee la topología.

B. El escenario de simulación El escenario es una clase que contiene todo lo referente a un

entorno completo de simulación. Reloj, recolector, topología, generadores de identificadores y de IP, nodos, enlaces, etc., se encuentran en un objeto de tipo TEscenario, de forma que es un solo objeto el que almacena todos los elementos de cada escenario.

El método más importante del escenario es generarSimulacion(), que pone en funcionamiento el reloj de la topología y de este modo la simulación comienza a funcionar. En realidad, TEscenario incluye todos los ingredientes necesarios para funcionar aunque no exista interfaz de usuario, por lo que con pocos cambios se podría crear un intérprete de eventos que, por ejemplo, adecuara la visualización de los mismos para personas con dificultades visuales. Incluso se podría separar la generación de eventos y su visualización en programas diferentes que corrieran en máquinas separadas.

Figura 6. Esquema general de funcionamiento de la simulación de un escenario.


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V. APLICACIONES DOCENTES E INVESTIGADORAS DE OPENSIMMPLS

El objetivo fundamental de OpenSimMPLS es servir al profesorado universitario como herramienta para innovar en la docencia [13] y en el análisis del funcionamiento de redes MPLS a través de un sistema multiplataforma y multilingüe. Si el idioma del sistema operativo en que se ejecuta es español, OpenSimMPLS se mostrará en este idioma; en otro caso se mostrará en inglés. El simulador utiliza el sistema de internacionalización propio del lenguaje Java, por lo que está preparado para su traducción automática a otros idiomas de forma sencilla y rápida. El simulador dispone de una interfaz gráfica con un entorno de usuario simple. La programación de cada uno de los elementos que componen la aplicación está orientada a objetos; además genera procesos que funcionan de manera concurrente mediante hilos independientes. El simulador separa claramente las tres etapas de la simulación: primero para diseñar y configurar un dominio MPLS; después para mostrar de forma visual los diferentes eventos que van sucediéndose; y finalmente, para presentar estadísticas de la simulación.

El alumno de asignaturas de redes y comunicaciones refuerza su aprendizaje gracias a ejemplos prácticos, ya que el simulador ofrece resultados sobre el comportamiento de la red cuando se introducen servicios particulares; por ejemplo, tráfico multimedia. También permite contrastar resultados gracias al sistema de reconfiguración de los elementos del dominio. De esta forma el alumno puede realizar propuestas para la mejora de supuestos de redes MPLS y detectar los posibles efectos perniciosos o beneficiosos sobre el tráfico.

OpenSimMPLS ofrece un sistema de aprendizaje por descubrimiento en el que se introduce al alumno a resolver problemas y situaciones, aprender procedimientos de la tecnología, llegando a entender las diferentes características de los eventos y decidiendo cómo controlarlos y qué acciones realizar en situaciones particulares, gracias a la interactividad que admite la herramienta durante la simulación. Se puede emplear OpenSimMPLS de forma que el estudiante se trace hipótesis basadas en su experiencia y conocimientos teóricos acumulados, a modo de síntesis o repaso de lo que ya ha estudiado. Tiene la posibilidad de poner en práctica sus ideas, obtiene información de retorno del simulador (Figura 7), la cual debe descifrar para saber qué ocurre en el interior del dominio MPLS y determinar cuál es la norma o principios que rigen su funcionamiento. En resumen, el uso del simulador en el aula da lugar a un proceso de doble feedback: Por un lado la interacción con la simulación en ejecución permite al estudiante analizar el comportamiento del escenario MPLS, obteniendo conclusiones basadas en sus conocimientos teóricos previos y detectando así posibles problemas de la fase de diseño del escenario. Por otro lado, tras el análisis de los resultados estadísticos el alumno también puede obtener conclusiones que redundarán en nuevos cambios de configuración. Este proceso experimental y analítico de refinamientos sucesivos motiva al estudiante a desarrollar sus propias estrategias de pensamiento acerca del funcionamiento de la tecnología MPLS.

A continuación y como muestra de las capacidades docentes

del simulador, se indican las líneas a seguir para la realización de sesiones prácticas en el aula: en primer lugar el profesor debe exponer los conceptos teóricos fundamentales sobre la tecnología MPLS, así como los casos conflictivos que se pueden presentar en una red de este tipo (congestión de nodos, fallos de enlaces, pérdida de paquetes...). Tras las sesiones teóricas el alumno puede comenzar las sesiones prácticas de forma inmediata, ya que cuenta con un útil manual de usuario de OpenSimMPLS que hace innecesario dedicar una sesión práctica a explicar su funcionamiento. En estas sesiones prácticas se propondrá al alumno la simulación de: • Escenarios MPLS de funcionamiento óptimo. • Escenarios que presentan situaciones conflictivas. • Escenarios donde el alumno debe interactuar

congestionando nodos o provocando fallos de enlaces. En el primero de los casos los escenarios harán que el

alumno refuerce sus conocimientos teóricos. En el segundo punto el estudiante analizará situaciones en las que, sin llegar a producirse fallos en la red, ésta puede ser mejorada para optimizar su rendimiento, mediante reconfiguración de cada uno de los componentes de la red o de las características del tráfico generado. En el tercer caso el alumno tendrá la oportunidad de detectar y analizar las consecuencias de fallos eventuales en la red. Podrá comprobar cómo las variaciones introducidas afectan al rendimiento final del sistema [14].

OpenSimMPLS es interactivo, por lo que el alumno se convierte en parte actora durante la simulación (modificando

Figura 7. Proceso de aprendizaje seguido por el estudiante al emplear OpenSimMPLS.


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propiedades del escenario de forma dinámica), potenciando así el conocimiento experimental y el aprendizaje por descubrimiento [15], [16].

Nuestra herramienta es una solución para enfrentar al estudiante de materias de redes y comunicaciones con el funcionamiento de un dominio MPLS. Así, el alumno puede indagar, planificar y dimensionar los recursos de una red MPLS sin necesidad de correr riesgos al modificar la configuración de dispositivos de la red real del aula. Por otra parte, y como objetivo colateral, los resultados analíticos obtenidos serán de utilidad al alumno para desarrollar nuevas metodologías de diseño de cara a su futuro trabajo como planificador de redes de última generación. Permite la adquisición de una disciplina muy metódica: planificación de una red MPLS, obtención y análisis de resultados y refinamientos sucesivos hacia una arquitectura final óptima (Figura 7).

El uso de OpenSimMPLS refuerza los conceptos teóricos de la tecnología MPLS y ofrece al estudiante la motivación que necesita para comprender la interacción entre los diferentes componentes de un escenario.

En resumen, el empleo del simulador como apoyo a la docencia sobre redes MPLS, presenta diversas ventajas: • Simplicidad de implantación en el aula (no requiere base

de datos, admite múltiples arquitecturas y sistemas operativos).

• El empleo del simulador supondrá siempre una solución docente y de validación del aprendizaje más económica que la implantación de un dominio MPLS real en un laboratorio de la facultad.

• Con OpenSimMPLS se puede modificar la configuración de los componentes de un escenario, para luego analizar las consecuencias de dichos cambios y aprender de ellos. Sobre una red MPLS real en el aula no siempre estará permitido realizar cambios de configuración.

• La simulación permite la obtención de estadísticas detalladas con las cuales se pueden analizar comportamientos concretos del dominio MPLS.

• Su código abierto permite a los educadores impartir docencia en asignaturas de programación e ingeniería de protocolos, proponiendo para ello mejoras en la aplicación o la incorporación de nuevas funcionalidades.

VI. EVALUACIÓN DE OPENSIMMPLS EN EL AULA En nuestro caso, el simulador se utiliza para innovar en la

docencia de asignaturas del área de Ingeniería Telemática en la Escuela Politécnica de Cáceres, tales como Comunicaciones en Banda Ancha o también Planificación, Especificación, Diseño y Evaluación de Redes, del segundo ciclo de Ingeniería Informática. También se emplea en el curso de doctorado “Integración de Redes Heterogéneas Multiprotocolo y Multimedia con Calidad de Servicio”, y en la línea de investigación “Comunicaciones Avanzadas de Banda Ancha, Multimedia y Multiprotocolo con QoS y Seguridad”, en la Universidad de Extremadura. Para el caso de Comunicaciones en Banda Ancha se ha realizado un estudio comparativo entre

las calificaciones obtenidas por los alumnos del curso 2005/2006 (en el que se impartió docencia sobre MPLS sin el empleo de OpenSimMPLS) y el curso 2006/2007, para el que se utilizó el simulador como material de apoyo. En la Figura 8 puede observarse que para el curso 2005/2006 la tasa de aprobados fue del 58,82%, con un 41,18% de suspensos y en el curso siguiente, con la incorporación de OpenSimMPLS, el porcentaje de aprobados subió al 66,67%, disminuyendo por tanto la tasa de suspensos al 33,33%.

En la Figura 9 se observa además que la nota media del

grupo en el curso 2005/2006 fue de un 4,67 sobre 10 y que en el curso 2006/2007 la media subió al 6,17 sobre 10. Al mismo tiempo, la desviación típica pasó a ser de 3,19 puntos en el 2005/2006 a 2,71 puntos en el 2006/2007, indicando esto una mejor homogeneización de las calificaciones de los estudiantes del grupo.

Como resumen, en la Figura 10 se cuantifica la mejora

obtenida en el curso 2006/2007 al emplear OpenSimMPLS: Por un lado, el incremento de la calificación media ha sido del 32,07% y por otro, la disminución de la desviación estándar ha sido del 24,28%.

Figura 8. Comparativa de aprobados y suspensos en los cursos 2005/2006 y 2006/2007.

Figura 9. Variación de la nota media y la desviación típica de las notas en los cursos 2005/2006 y 2006/2007.


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VII. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS El empleo de OpenSimMPLS para realizar trabajos

profesionales en entornos reales de red no es recomendable por ser un simulador orientado a docencia (no incorpora características reales de componentes de fabricantes actuales). Sin embargo, el presente trabajo propone el empleo de OpenSimMPLS como herramienta de innovación docente en asignaturas impartidas por el área de Ingeniería Telemática, justificado por el creciente interés que está despertando la tecnología MPLS.

Asimismo, el simulador es una herramienta de apoyo en proyectos de investigación implicados en MPLS (como muestra la implementación del sistema GoS sobre el simulador), así como en la docencia de asignaturas relacionadas con esta tecnología. Particularmente se ha comprobado la mejora de los resultados del grupo de Comunicaciones en Banda Ancha, observándose un aumento en la motivación e interés de los estudiantes, con una mejora de la nota media y obteniendo además unas calificaciones más homogéneas, como indica la disminución de la desviación típica.

La filosofía multiplataforma y la licencia de software libre de OpenSimMPLS posibilitan su propia evolución, ya que se puede incorporar el feedback recibido de otros usuarios a través de la página web del proyecto o desde el propio simulador.

Entre las líneas futuras se está estudiando la posibilidad de realizar prácticas de programación para que los alumnos de asignaturas del Área de Ingeniería Telemática desarrollen módulos, algoritmos y tecnologías de red adicionales sobre el propio simulador. Por otro lado, se va a mejorar OpenSimMPLS con la incorporación de soporte para IPv6 (Internet Protocol version 6) y RSVP (Resource Reservation Protocol) y con la adición de nuevas características visuales que permitan obtener una información más detallada y rica.

AGRADECIMIENTOS Este trabajo está financiado, en parte, por la Consejería de

Educación, Ciencia y Tecnología de la Junta de Extremadura, Proyecto AGILA, con código No. 2PR03A090.

REFERENCIAS [1] M. Kodialam. T. V. Lakshman. Restorable Dynamic QoS Routing. IEEE

Communications Magazine, Vol 40, Issue 6, June 2002, pp 72-81. [2] J. Gozdecki, A. Jajszczyk, R. Stankiewicz. Quality of Service

Terminology in IP Networks. IEEE Communications Magazine, Vol 41, Issue 3, Mar 2003, pp 153-159.

[3] E. Rosen et al. Multiprotocol Label Switching Architecture. RFC 3031, January 2001.

[4] M. Domínguez-Dorado, F. J. Rodríguez-Pérez, J. L. González-Sánchez, A. Gazo. Multiplatform and Opensource GoS/MPLS Simulator. II European Modelling and Simulation Symposium (EMSS2006). International Mediterranean Modelling Multiconference (I3M2006). Barcelona, 2006, pp 529-537.

[5] M. Domínguez-Dorado, F. J. Rodríguez-Pérez, J. L. González-Sánchez, J. L. Marzo, A. Gazo. An Architecture to Provide Guarantee of Service (GoS) to MPLS. IV Workshop in G/MPLS Networks, 2005.

[6] J. L. Marzo, E. Calle, C. Scoglio, T. Anjali. QoS Online Routing and MPLS Multilevel Protection: A Survey. IEEE Communications Magazine, vol 41, Issue 10, Oct 2003, pp 126-132.

[7] G. Ahn, W. Chun. Simulator for MPLS Path Restoration and Performance Evaluation. Chungnam National University, Korea, 2001, pp 32-36.

[8] MPLS Simulator: http://www-entel.upc.es/xavierh/mpls (07/05/2007). [9] G. Ahn, W. Chun Design and Implementation of MPLS Network

Simulator. 15th International Conference on Information Networking, 2001, pp 694.

[10] OpenSimMPLS: http://gitaca.unex.es/opensimmpls (07/05/2007). [11] http://totem.info.ucl.ac.be/index.html (07/05/2007). [12] http://www.opnet.com (07/05/2007). [13] S. H. Thomke. Simulation, learning and R&D performance: Evidence

from automotive development. Research Policy, Volume 27, Issue 1, May 1998, pp. 55-74.

[14] T. J. Overbye, P. W. Sauer, C. M. Marzinzik, G. Gross. A user-friendly simulation program for teaching power system operations. IEEE Transactions on Power Systems, Vol 10, Issue 4, Nov 1995, pp 1725-1733.

[15] T. de Jong, W. R. van Joolingen. Scientific Discovery Learning with Computer Simulations of Conceptual Domains. Review of Educational Research, Vol. 68, Issue 2 (summer, 1998), pp. 179-201.

[16] A. Parush, H. Hamm, A. Shtub. Learning histories in simulation-based teaching: the effects on self-learning and transfer. Computers and Education, Vol. 39, Issue 4, Dec 2002, pp. 319-332.

Manuel Domínguez-Dorado, Zafra (Badajoz). España, 1977. Ingeniero e Ingeniero Técnico en Informática (Universidad de Extremadura), 2004. Actualmente es estudiante de doctorado y becario FPI del área de Ingeniería Telemática del Departamento de Ingeniería de Sistemas Informáticos y Telemáticos (UEx). Su trabajo se centra en MPLS-TE, QoS routing y encaminamiento interdominio.

Fco. Javier Rodríguez-Pérez, Huelva. España, 1976. Ingeniero en Informática (Universidad de Extremadura), 2000. Actualmente es profesor del área de Ingeniería Telemática del Departamento de Ingeniería de Sistemas Informáticos y Telemáticos (UEx). Su trabajo se centra en QoS routing y Garantía de Servicio sobre MPLS-TE. José Luis González-Sánchez, Dr. Ingeniero en Informática (Universidad Politécnica de Cataluña). Profesor titular, coordinador del Área de Ingeniería Telemática del Departamento de Ingeniería de Sistemas Informáticos y Telemáticos (UEx) e investigador principal del grupo GITACA. Su trabajo se centra en Calidad de Servicio, protocolos de comunicación, MPLS-TE y seguridad.

Figura 10. Variación de la nota media y de la desviación típica del curso 2006/2007 con respecto al curso 2005/2006.

IEEE-RITA Vol. 2, Núm. 1, Mayo 2007 35

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Abstract— This paper introduces a graphical language to

support the creation of computational models of educational units: PoEML (Perspective-oriented EML). In general, EMLs (Educational Modelling Languages) are devoted to support the modelling of educational units. PoEML approaches the modelling of educational units following the separation-of-concerns principle. The main idea underlying PoEML is to break down the modelling of educational units into separate parts that can be specified step by step. In correspondence, the model of each part can be represented by a different graphical diagram, involving specific elements and relations. This separation-of-concerns approach simplifies the development of models while a high expressiveness is offered. Particularly, it supports the development of engineering educational units. In addition, it also enables to improve the reusability, adaptability and flexibility of the created models.

Index Terms—Educational Technology, Engineering Education, Modeling, Graphics

I. INTRODUCCIÓN UANDO un arquitecto tiene que diseñar un nuevo edificio suele empezar con algún boceto sobre las partes y

estructura del mismo. Después irá refinando y elaborando este primer boceto en un modelo que representará de forma gráfica el diseño. Este modelo gráfico debe ser entendible por el cliente de forma que pueda discutir con el arquitecto sobre las características de su propuesta hasta llegar a un diseño definitivo. Más adelante, el modelo gráfico deberá ser utilizado por los técnicos de obra durante la construcción del edificio. Como se puede ver la utilización de modelos gráficos es una parte principal del trabajo en arquitectura. Se podría realizar un análisis similar en otros dominios: industria, música, software, etc. En cualquiera de ellos los modelos gráficos son utilizados de tres formas principales: (i) para facilitar el diseño de soluciones a problemas; (ii) para permitir la comunicación entre las partes interesadas en el problema; y (iii) para guiar el desarrollo de la solución.

M. Caeiro Rodríguez está en el Departamento de Ingeniería Telemática,

Universidad de Vigo, Vigo E-36310, España (autor de contacto, Tel. : +34-986-813-468; Fax: +34-986-812-116; e-mail: [email protected]).

M. Llamas Nistal está en el Departamento de Ingeniería Telemática, Universidad de Vigo, Vigo E-36310, España (e-mail: [email protected]).

L. Anido Rifón está en el Departamento de Ingeniería Telemática, Universidad de Vigo, Vigo E-36310, España (e-mail: [email protected]).


Esta utilización de modelos gráficos también se está planteando en el dominio educativo [1]. Actualmente, el desarrollo de unidades didácticas (e.g. un curso, un seminario, unas prácticas) es cada vez más complejo y exigente, siendo necesaria la aportación de soluciones de modelado gráfico que permitan el correcto desarrollo de la educación. Esta mayor complejidad en las unidades didácticas, especialmente en la ingeniería, es debida fundamentalmente a: - La mayor utilización de las Tecnologías de la

Información y las Comunicaciones (TICs), tanto en el aspecto teórico como en el práctico. Esto es así en la enseñanza en general de cualquier disciplina, pero es mucho más acentuado en la enseñanza de la ingeniería y en particular en aquellas ingenierías con fuerte componente TIC, donde justamente ese conocimiento sobre las TICs hace que sea más directa la utilización de las mismas en la enseñanza/aprendizaje. También en la ingeniería cobra mucha importancia el componente práctico de la enseñanza, permitiendo desarrollar y aplicar en los laboratorios los conceptos explicados en las clases teóricas. Por eso en la ingeniería se requiere el modelado de laboratorios, aspecto que ha sido tratado por varios autores en la literatura técnica, entre los que se puede citar [2] como uno de los más recientes. Podemos resumir este punto en una afirmación ampliamente avalada en [3]: “En un plazo relativamente breve, el desarrollo tecnológico hará que las TICs formen parte sustancial de los modelos educativos, y por tanto, de los propios procesos de enseñanza y aprendizaje.”

- La demanda creciente de utilización de nuevas metodologías docentes distintas de la clásica lección magistral (e.g. métodos basados en proyectos, aprendizaje colaborativo, etc.). Esta demanda se acentúa en el contexto de la adaptación al Espacio Europeo de Educación Superior. Es más, en el área de las ingenierías se observa una tendencia creciente al fomento de la participación de los estudiantes mediante el empleo de metodologías activas, estudios de casos y resolución de problemas [3].

Para permitir la consecución de soluciones adecuadas se

han realizado propuestas basadas en el modelado. En particular, los Lenguajes de Modelado Educativo (EMLs: Educational Modeling Languages) [4] han sido propuestos para permitir el modelado computacional de unidades didácticas, de forma que se faciliten los procesos de diseño,

Un Lenguaje Gráfico para el Modelado de Unidades Didácticas en Ingeniería

Manuel Caeiro Rodríguez, Martín Llamas Nistal, Senior Member, IEEE, y Luis Anido Rifón

C

36 IEEE-RITA Vol. 2, Núm. 1, Mayo 2007

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comunicación y desarrollo de las mismas. Actualmente, existe un estándar de facto de estos lenguajes denominado IMS-LD (IMS Learning Design). La finalidad principal de IMS-LD [5] es permitir la creación de modelos de unidades didácticas computacionales, de forma que el desarrollo de unidades didácticas pueda ser controlado y soportando a través de sistemas TICs. Sin embargo, este estándar no plantea la representación gráfica de los modelos.

En este artículo se presenta una herramienta de autoría basada en un nuevo EML para permitir la creación de modelos computacionales y gráficos de unidades didácticas. La característica más peculiar del lenguaje propuesto es su aproximación basada en la “separación-de-asuntos” [6]. Las necesidades de modelado se han dividido en un conjunto de partes, denominadas perspectivas, que pueden ser abordadas por separado. Se trata de una aproximación similar a la utilización de distintos planos en el diseño de edificios: planos estructurales del edificio completo, planos de división por cada planta, planos de las instalaciones eléctricas, planos de las instalaciones de agua, etc. Mediante la separación en perspectivas se controla la complejidad del modelado, pues cada perspectiva se centra en un conjunto de problemas concreto. El EML así propuesto se denomina como EML orientado a Perspectivas (PoEML: Perspective-oriented EML). La herramienta de autoría que se presenta en el artículo se denomina como JPoEML.

El resto del artículo se organiza como sigue. En primer lugar se introducen los EMLs en general. Después en la sección siguiente se presenta PoEML, prestando especial atención a su separación en perspectivas. En la sección 4 se presenta la herramienta de autoría gráfica JPoEML, centrando la descripción en el soporte de las dependencias entre perspectivas. Para finalizar se incluyen algunas conclusiones.

II. LENGUAJES DE MODELADO EDUCATIVO Los EMLs han sido propuestos con el propósito de soportar el modelado de unidades didácticas con independencia de su aproximación pedagógica y de la tecnología utilizada. Para ello estos lenguajes se basan en la caracterización de actividades: el modelo de cualquier unidad didáctica se desarrolla en base a sus actividades. Sobre cada actividad se tienen en cuenta los elementos que participan y la coordinación que debe realizarse entre ellos para que se produzcan determinadas interacciones, con las que se espera que finalmente se consiga aprendizaje. De esta forma, abstrayéndose de la pedagogía y la tecnología y centrándose en las actividades, es posible modelar distintas unidades didácticas permitiendo el desarrollo de distintas aproximaciones pedagógicas y utilizando distintas tecnologías.

Los EMLs se presentan de acuerdo a un meta-modelo formal de elementos y relaciones que determinan su sintaxis y semántica. En el caso concreto de IMS-LD, considerado actualmente como EML estándar, el meta-modelo se organiza entorno a un esquema básico de Actividad en el que están

involucrados tres componentes principales: (i) los Objetivos que tienen que ser alcanzados en cada Actividad, que normalmente están asociados con un resultado (e.g. la solución a un problema, la memoria de un trabajo); (ii) el(los) Participante(s) que tienen que realizar la Actividad (e.g. alumnos y docentes); y el Entorno compuesto por artefactos, aplicaciones y servicios (e.g. objetos de aprendizaje) en el que la Actividad tiene que ser realizada. Estos tres elementos constituyen la estructura básica de los EMLs existentes y en concreto de IMS-LD.

Ahora bien, la mayoría de las unidades didácticas no incluyen una sola Actividad, sino varias Actividades, cada una de ellas con Objetivos, Participantes y Entornos específicos. Por ello, además de los tres elementos que forman la estructura básica también se tiene en cuenta el Orden en que estas Actividades tienen que realizarse y la Asignación de Participantes a Actividades. En IMS-LD se sigue una metáfora teatral para permitir modelar el Orden y la Asignación, ver Fig. 1. Una unidad didáctica puede incluir una o varias Obras, que se desarrollan en paralelo; cada Obra se compone de uno o varios Actos, que se desarrollan en secuencia; y cada Acto de una o varias Partes-de-Rol en las que se asigna un Participante a una Actividad y que pueden ser realizadas en paralelo. Mediante este esquema, IMS-LD permite crear modelos de distintas unidades didácticas a través de una metáfora ampliamente comprensible. Sin embargo, este esquema es muy poco flexible, ya que no se considera la posibilidad de modelar alternativas. Para ello IMS-LD también considera propiedades, condiciones y notificaciones, con las que se permite la variación del plan prescrito según condiciones o eventos.

Acto1.1

Obra 1 Acto1.2

Acto1.n

Acto2.1

Obra 2 Acto2.2

Acto2.m

Actoz..1

Obra z Actoz.2

Actoz.r

...

...

...

... ...

... ... ... ...

...Enpa

rale

lo

En secuencia

Fig. 1. Representación gráfica sobre la metáfora de IMS-LD en Obras y Actos.

Los elementos y relaciones consideradas en este esquema IMS-LD proporcionan una notación para permitir el modelado de unidades didácticas. En la práctica dicha notación se representa utilizando etiquetas XML de acuerdo a un Esquema XML en correspondencia con el meta-modelo de IMS-LD. Con el meta-modelo también se permite el desarrollo de aplicaciones basadas en las TICs que den soporte computacional durante la creación de los modelos y su

CAEIRO, LLAMAS Y ANIDO: UN LENGUAJE GRÁFICO PARA EL MODELADO

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ejecución, permitiendo la realización de las unidades didácticas.

Siguiendo estas ideas se han propuesto otros EMLs. En general se distingue entre lenguajes cuyo interés principal se encuentra en el soporte computacional de los mismos, como en Xedu [7], CPM [8] o la formalización de guiones CSCL [9]; y lenguajes que se preocupan por facilitar el diseño, como E2ML [10] y MISA-MOT [11]. Solamente estos últimos proponen una representación gráfica de los modelos, pero por la contra no es posible su procesamiento computacional.

III. POEML PoEML (Perspective-oriented EML) [6] es una propuesta de EML desarrollada siguiendo el principio de separación-de-asuntos (separation-of-concerns). En PoEML se tiene en cuenta el soporte computacional y la representación gráfica de los modelos. De acuerdo a la aproximación general de los EMLs se considera el modelado de unidades didácticas en base a Actividades. La contribución original se encuentra en que la caracterización de cada actividad y las relaciones entre las distintas actividades se abordan desde el principio de separación-de-asuntos.

La separación-de-asuntos es un principio básico de diseño para la resolución de problemas complejos que se aplica en numerosos dominios, tales como la arquitectura o el desarrollo software [12]. En general la separación-de-asuntos permite superar las limitaciones de la capacidad cognitiva humana, facilitando el entendimiento de los problemas y su resolución. La aplicación de este principio a los EMLs se traduce en la separación de los elementos y relaciones involucrados en el modelado de unidades didácticas en varios asuntos, que se denominan como perspectivas. De acuerdo al principio de separación de asuntos el modelado de cada perspectiva se aborda por separado. En concreto se dispone de una representación gráfica distinta para cada perspectiva. Con todo ello las personas involucradas en el diseño y el desarrollo de unidades didácticas pueden realizar su trabajo centrando la atención en una perspectiva cada vez.

La aplicación del principio de separación-de-asuntos en un escenario ideal debería permitir considerar cada asunto con total independencia de los demás. Sin embargo, las cuestiones involucradas en el modelado de unidades didácticas no han permitido alcanzar una separación total en PoEML. De forma similar a como en los planos de un edificio pueden existir dependencias entre la instalación eléctrica y las conducciones de gas (por ejemplo, debe haber una separación mínima entre ambas), también existen dependencias entre las perspectivas de PoEML. El objetivo en este punto ha sido conseguir una separación de perspectivas que minimizase las dependencias e identificase con claridad las restantes.

Además de la separación en perspectivas PoEML reconoce otro tipo de separación-de-asuntos en el modelado de unidades didácticas. Se trata de una separación en la que se tienen en cuenta distintas formas de control en el comportamiento de las

unidades didácticas. Cada una de estas formas de control se denomina como aspecto [6; 13].

A continuación se presentan en las secciones siguientes las perspectivas y los aspectos en los que se considera la separación de asuntos en PoEML.

A. Separación en Perspectivas La realización de la propuesta de separación de perspectivas se ha realizado teniendo en cuenta la Teoría de la Actividad [14]. Ésta es una meta-teoría sobre las actividades en la que se propone un modelo de mediación entre los elementos involucrados en las mismas (ver Fig. 2). El núcleo central de este modelo es que en cualquier Actividad un Sujeto (e.g. un alumno, un profesor) desempeña un Rol en el que actúa con un Objeto (entendido como fin) con el propósito de alcanzar un cierto Resultado. Esta conexión entre Sujeto y Objeto está influida por los Instrumentos que utiliza para la realización de la Actividad. Obviamente, en función de los medios disponibles las posibilidades de actuación del Sujeto para alcanzar el Objeto serán diferentes. En el caso de Actividades en colaboración también está influida por la Comunidad. La Comunidad pone el énfasis en el contexto social en el que el Sujeto opera. El componente Reglas subraya el hecho de que en una Comunidad las personas están sujetas a reglas, restricciones y regulaciones que afectan a la forma en que interaccionan en la actividad (influyendo también en la consecución del Objeto). La División del Trabajo se refiere a la descomposición del Objeto en varias partes (Sub-objetos) y en la distribución de responsabilidades entre los Sujetos disponibles para la realización de cada uno de las partes. En consecuencia se pueden considerar nuevas Actividades.

Instrumentos

Sujeto Objeto

Reglas Comunidad División del Trabajo

ResultadoPerspectivaEstructural

PerspectivaFuncional

Perspectiva deParticipantes

Perspectiva deEntornos

Perspectiva deDatos

PerspectivaTemporal

Perspectiva deAutorización

Perspectiva deInteracción

Perspectiva deOrganización

Perspectiva deHerramientas

Perspectiva deOrden

Perspectiva dePercepción

PerspectivaCausal

Fig. 2. Presentación de las perspectivas sobre la Teoría de la Actividad. De acuerdo al modelo de mediación de la Teoría de la

Actividad PoEML separa el modelado de unidades didácticas en las siguientes 13 perspectivas [6]: 1. Perspectiva Estructural. Se ocupa de la estructura en la

que se organizan los elementos de unidades didácticas. La estructura básica se desarrolla a partir de una Actividad en la que se pueden incluir Sub-actividades. A su vez, en estas Sub-actividades es posible incluir otras Sub-actividades y así de manera indefinida. Además de


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las Sub-actividades en cada Actividad se incluyen otros elementos, como Objetivos, Participantes, Entornos, Estructura Organizativa, Herramientas, Variables, distintas Especificaciones y Descripciones Causales. Sin embargo, en esta Perspectiva Estructural no se considera la caracterización de estos elementos, sino sólo su inclusión “estructural” en una determinada Actividad. La caracterización de cada uno de estos elementos se considera en las otras perspectivas.

2. Perspectiva Funcional. Se ocupa de los Objetivos Funcionales que tienen que realizarse en cada Actividad. Los Objetivos Funcionales permiten indicar a los Participantes qué es lo que tienen que hacer en cada Actividad. Para la caracterización de los Objetivos Funcionales se consideran cuestiones estáticas, como los Parámetros de Entrada y Salida, el carácter obligatorio y optativo; y cuestiones de comportamiento, como las condiciones para poder intentar o completar un Objetivo Funcional. Para los Objetivos Funcionales de una Actividad estas características pueden depender de: (i) los Objetivos Funcionales de sus Sub-actividades (e.g. la parte práctica de una asignatura requiere la realización de dos tercios de las prácticas propuestas); (ii) los Objetivos Funcionales de otras Actividades al mismo nivel (e.g. para poder intentar el cuestionario es necesario haber visto antes todas las lecciones); o (iii) de otros elementos (e.g. los alumnos que vienen de Formación profesional no tienen que realizar las 3 primeras prácticas).

3. Perspectiva de Participantes. Se ocupa de los Participantes que deben involucrarse en cada Actividad. Sin embargo no se caracterizan personas concretas, sino los Roles que indican el papel que deben desempeñar los participantes asignados a la Actividad. Debido a la estructuración en Actividades de las unidades didácticas y teniendo en cuenta que cada Actividad puede requerir la participación de distintos Roles es necesario considerar la forma en que los participantes de una Actividad se transfieren a los Roles de cada una de sus Sub-actividades. Por tanto, en esta perspectiva se considera la caracterización de cuestiones estáticas, como la estructura de Roles compuestos (es decir, grupos), o las Atributos que se deben mantener de cada Rol (e.g. datos personales, calificaciones); y cuestiones dinámicas, como la transferencia de participantes entre Roles (por ejemplo: la asignación de alumnos a grupos).

4. Perspectiva Organizativa. Se ocupa de la caracterización de la Estructura Organizativa en la que se incluyen los participantes que pueden intervenir en una unidad didáctica. En esta perspectiva sólo se considera la caracterización estática de dicha Estructura Organizativa, teniendo en cuenta unidades y posiciones organizativas, así como derechos y responsabilidades asociadas. Esta información puede ser utilizada para determinar la asignación de participantes a Roles (e.g. la corrección de exámenes sólo puede ser hecha por profesores titulares).

5. Perspectiva de Entorno. Se ocupa del Entorno en el que puede realizarse cada Actividad. Se considera la posibilidad de indicar referencias a Entornos existentes físicos o virtuales. También se considera la posibilidad

de indicar los recursos que se deben incluir en los Entornos, pudiendo disponer de Artefactos (e.g. Objetos de Aprendizaje) y Herramientas.

6. Perspectiva de Herramientas. Se ocupa de la caracterización de las Herramientas que pueden incluirse en los Entornos. Esta perspectiva permite la descripción de las características funcionales y no funcionales, permisos, eventos y operaciones que deben estar disponibles en las Herramientas, de forma que durante la ejecución puedan utilizarse productos de distintos fabricantes que respondan a las características indicadas. Se trata de permitir la inclusión desacoplada de aplicaciones y los servicios para de esta forma maximizar la reutilización de los modelos de unidades didácticas. En la sección V.B se tiene un ejemplo de este modelado.

7. Perspectiva de Datos. Se ocupa de la caracterización de los Elementos de Datos. Hay varios elementos que pueden incluir Elementos de Datos en una unidad didáctica: las Actividades tienen Variables, los Objetivos Funcionales tienen Parámetros de Entrada y de Salida, los Roles tienen Atributos y los Entornos Artefactos. En esta perspectiva se considera el modelado de las características estáticas de estos Elementos de Datos así como la transferencia de datos entre Elementos. Por ejemplo: transferencia de las respuestas de un Objetivo de realización de un examen, en donde son un Parámetro de salida, a un Objetivo de evaluación, en las que se requieren como Parámetro de Entrada.

8. Perspectiva de Autorización. Se ocupa de la asignación de permisos a los Participantes involucrados en una Actividad. Por ejemplo, en un simulador nuclear los alumnos tienen permiso de acceso básico y los profesores de acceso total.

9. Perspectiva de Percepción. Se ocupa de la notificación de los eventos que se produzcan durante la realización de la unidad didáctica. Por ejemplo, los profesores son notificados cada vez que un alumno consigue realizar con éxito la ejecución de un programa.

10. Perspectiva de Interacción. Se ocupa de la invocación automática de operaciones. Por ejemplo: cada vez que un profesor accede a una Actividad se invoca una operación con la que se le invita a participar en las sesiones de Chat que haya activas.

11. Perspectiva de Orden. Se ocupa del orden en qué deben realizarse las Sub-actividades de una Actividad. Hasta el momento solo la Perspectiva Funcional permite indicar qué Objetivos Funcionales pueden intentarse, sin embargo aún no se ha considerado la posibilidad de establecer un orden determinado entre Actividades. En la sección V.C puede verse un ejemplo de modelado en esta perspectiva.

12. Perspectiva Temporal. En esta perspectiva se considera el momento de inicio y finalización de las Sub-actividades de una Actividad. De esta forma se complementa la Perspectiva de Orden en la que se considera el inicio de Sub-actividades en relación con el inicio y la finalización de otras Sub-actividades. Por ejemplo, el examen tendrá una duración de 2 horas.


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13. Perspectiva Causal. Se ocupa de la descripción de los elementos caracterizados en las unidades didácticas, para informar a los posibles usuarios interesados en los mismos. Por ejemplo, se considera información como meta-datos u objetivos educativos.

A pesar de la intención de que en cada perspectiva se

considerasen cuestiones independientes de las de otras ha sido inevitable la persistencia de algunas dependencias. Estas dependencias provocan que en el modelado de algunas perspectivas se deba tener en cuenta el modelado realizado en otras. Resultan especialmente problemáticas las dependencias de comportamiento, donde el comportamiento de una perspectiva depende del de otras, dado que pueden conducir a situaciones de bloqueo que impidan la correcta ejecución de la unidad didáctica. Estas dependencias se producen principalmente entre las perspectivas Funcional, de Datos, de Orden y Temporal. No obstante también se han desarrollado mecanismos para señalar estas dependencias y controlar su posible repercusión.

B. Separación en Aspectos La aproximación de PoEML permite separar en varias perspectivas cuestiones de modelado con una finalidad determinada. Sin embargo, en el desarrollo de la propuesta también se han identificado otras partes con una finalidad concreta, pero que se encuentran muy relacionadas con varias de las perspectivas identificadas. En este sentido se trata de cuestiones similares a los asuntos entrecruzados (cross-cutting concerns) de la Programación Orientada a Aspectos (AOP) [15]. Por ello, estas partes se denominan como aspectos.

Cada aspecto se ocupa de un conjunto de cuestiones relacionadas que pueden afectar al modelado realizado en las perspectivas. A diferencia de las perspectivas, las cuestiones consideradas en los aspectos no tienen una finalidad propia, sino determinan características o comportamientos de las perspectivas. Se identifican cuatro aspectos: 1. Aspecto de Constantes. Se considera el modelado de

Expresiones Constantes que toman un valor fijo establecido en la creación del modelo. En este aspecto no se considera por tanto la posibilidad de realizar cambios durante el tiempo de ejecución.

2. Aspecto Condicionado. Se considera el modelado de Expresiones de Condición que indican un valor o una restricción en función del contenido de Elementos de Datos. Por tanto, las posibilidades de cambio son relativas al contenido de Elementos de Datos.

3. Aspecto de Señalización. Se considera el modelado de Expresiones de Señalización que indican un momento o una restricción temporal. Las posibilidades de cambio consideradas en este aspecto involucran eventos cuya aparición no se puede precisar.

4. Aspecto de Toma de Decisión. Se considera el modelado de Expresiones de Toma de Decisión en las que se un Participante o conjunto de Participantes toman una opción. Las posibilidades de cambio de este aspecto tienen en cuenta las decisiones de los participantes.

IV. JPOEML: AUTORÍA GRÁFICA DE MODELOS POEML JPoEML (Java-PoEML) es una aplicación de autoría que permite la creación de modelos gráficos de unidades didácticas de acuerdo a PoEML. En su concepción se ha tenido en cuenta la separación en perspectivas propuesta en el lenguaje, considerando para cada perspectiva una interfaz apropiada, con elementos y relaciones específicos. El desarrollo de JPoEML se ha realizado utilizando Netbeans con varias librerías gráficas (jGraph, Swing, L2FProd). Puede encontrarse más información en http://www.poeml.com.

En la Fig. 3 se muestra la interfaz general de la aplicación. Se distinguen tres paneles. Un panel principal que se sitúa en el centro y dos paneles secundarios situados en el lado derecho. En el panel central se realiza la representación gráfica de cada una de las perspectivas. Mediante las pestañas disponibles en la parte inferior de este panel se permite cambiar entre cada una de las perspectivas. En la parte izquierda de este panel se dispone de otras pestañas con las que se puede cambiar entre cada uno de los aspectos. Al lado de estas pestañas verticales se dispone el panel de herramientas gráficas específico para cada perspectiva. El usuario de la herramienta puede utilizar estos elementos para crear el modelo gráfico en la perspectiva que tenga seleccionada. El panel superior del lado derecho proporciona una representación en árbol de la estructura del modelo de la unidad didáctica. En este árbol se incluyen todos los elementos que forman parte de un modelo de la unidad didáctica agrupados en Actividades. El panel inferior del lado derecho es un panel de propiedades y se utiliza para mostrar información relativa al elemento que se tenga seleccionado. En la Fig. 4 se muestra la representación gráfica de la perspectiva Estructural. Para cada Actividad de una unidad didáctica se incluye un diagrama de este tipo con los elementos que se agrupan en la misma. En el árbol del panel superior derecho también se muestra una representación de la perspectiva estructural, incluyendo todas las Actividades del curso.

Es importante señalar que el propósito de este artículo no es mostrar de forma completa la representación gráfica de PoEML. Para ello se recomienda el capítulo sobre este lenguaje incluido en [16].

V. EJEMPLO En esta sección se muestra un ejemplo de modelo de una unidad didáctica de un curso de ingeniería. Se trata del curso de Arquitectura de Ordenadores impartido por alguno de los autores en la Universidad de Vigo. En este ejemplo se consideran dos modalidades de seguimiento del curso, una presencial y otra a distancia. En el modelo realizado ambas modalidades involucran los mismos elementos y sólo es necesario considerar algunos cambios puntuales entre ambos.

A. Componentes Básicos del Curso En la Fig. 4 siguiente se muestra la representación en árbol del modelo de la Perspectiva Estructural del curso. Este modelo se compone de un ES (Educational Scenario) o Actividad


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principal del curso, en el que se incluyen los ESs de Teoría y Práctica. En cada uno de estos ESs se incluyen Objetivos, Roles, Especificaciones de Orden y Temporales y Sub-ESs.

Además, en los Sub-ESs se incluyen Entornos en los que se dispondrán los recursos necesarios para poder realizar las actividades previstas.

Fig. 3. Interfaz de JPoEML.

En el modelo estructural se incluye en cada ES todos los elementos y especificaciones del mismo. En la figura se puede comprobar dicha caracterización: • El ES principal se denomina Arquitectura de

Ordenadores. En este ES se incluye un Objetivo (que indica la necesidad de realizar el curso), dos Roles (Alumno y Profesor), las Especificaciones de Orden y Temporales y los dos Sub-ESs de Teoría y Práctica.

• En el ES de Teoría se incluye un Objetivo (que indica la necesidad de realizar la parte de teoría del curso), dos Roles (los mismos que en el curso), dos Entornos, las Especificaciones de Orden y Temporales y cinco Sub-ESs (incluyéndose varias lecciones y evaluaciones).

• En el ES de Práctica se incluye un Objetivo (que indica la necesidad de realizar la parte práctica del curso), dos Roles (Pareja y Ayudante) a los que se asignarán respectivamente participantes de los Roles Alumno y Profesor del curso, dos Entornos, las dos Especificaciones y cuatro Sub-ESs (dos prácticas y dos correcciones).

El modelado estructural de los Sub-ESs indicados se

incluye en el siguiente nivel del árbol. Para cada Sub-ES se

determina qué es lo que hay que hacer (Objetivos), quién lo tiene que hacer (Roles), dónde (Entornos), etc. Por su parte, el modelado de cada uno de los elementos se realiza en las perspectivas identificadas: (i) los Objetivos y las relaciones entre Objetivos en la Perspectiva Funcional; (ii) los Roles y la transferencia de participantes entre Roles en la Perspectiva de Participantes; (iii) los recursos incluidos en los Entornos en la Perspectiva de Entornos; etc.

Es importante señalar que la presencia de Entornos físicos y virtuales así como de Especificaciones Temporales y de Orden se plantea de forma alternativa para soportar respectivamente las modalidades del curso presencial y a distancia. Es decir: • En la modalidad presencial se utilizan Entornos físicos

(tanto Aula como Laboratorio) y Especificaciones Temporales con las que se indica el momento de inicio y finalización de cada Sub-ES (por ejemplo: la lección 1 empieza el 30 de marzo a las 16:00).

• En la modalidad a distancia se utilizan Entornos virtuales (tanto Aula como Laboratorio) y Especificaciones de Orden con las que se indica el orden relativo entre Sub-ESs (ver sección VI-C). De esta forma cada alumno puede ir a su propio ritmo en la realización de ESs.


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La presencia de cada uno de los Entornos o Especificaciones se indica en las perspectivas correspondientes mediante la utilización de expresiones de alguno de los aspectos de PoEML. Por ejemplo, mediante una Expresión Constante que indique si el curso es a distancia o presencial. De esta forma si se quiere cambiar el curso de la modalidad a distancia a la presencial sólo es preciso cambiar el valor de la Expresión Constante, sin modificar para nada el resto del modelo.

Fig. 4. Representación en árbol de modelo en la Perspectiva Estructural.

B. Caracterización de Herramientas El modelado de los Entornos es una cuestión de suma importancia para la docencia en la ingeniería. En el curso de Arquitectura de Ordenadores se reconocen distintos tipos de Entornos en función de que la modalidad de seguimiento sea presencial o a distancia. En cualquier caso los Entornos se modelan a través de los recursos que se incluyen en los mismos. En PoEML se permite incluir Herramientas y Artefactos (como Objetos de Aprendizaje) tanto en los Entornos físicos como virtuales. La diferencia entre ambos tipos de Entornos es que en los virtuales se puede automatizar la inclusión de las Herramientas y los Artefactos por medio de un soporte computacional adecuado, mientras que en los Entornos físicos dicha inclusión no puede ser automatizada ya que debe ser realizada obviamente por personas.

Una cuestión muy importante en PoEML es que el modelado de las Herramientas no tiene por qué realizarse de

forma directa, esto es, fijando en el diseño la aplicación o servicio. Por el contrario, es posible indicar las características (requisitos funcionales, requisitos no funcionales, permisos, eventos, operaciones) que debe ofrecer la Herramienta, permitiendo utilizar durante la ejecución cualquier aplicación o servicio que satisfaga dichas características. De esta forma se facilita la reutilización de los modelos en distintos sistemas de ejecución. En el ejemplo presentado en este artículo se consideran ambas formas de modelado. En la Fig. 5 se presenta el modelado de cuatro Herramientas. Las tres primeras son servicios de comunicación (chat, foro y correo electrónico) que se incluyen tanto en el Aula Virtual como en el Laboratorio Virtual. Su modelado se realiza de forma desacoplada, indicando las características que deben tener. Para ello se hace referencia a un schema en el que se mantiene el significado de los términos utilizados. En este caso como schema se utiliza un vocabulario controlado desarrolla por los autores (edu.uvigo.poeml.communication). En su lugar también sería posible utilizar como schema una taxonomía o una ontología, con lo que se obtendría una mayor capacidad semántica en la búsqueda de posibles aplicaciones y servicios durante el tiempo de ejecución. El sistema de ejecución debe disponer de un repositorio de herramientas descritas en base a las mismas características y schemas utilizados en la creación de los modelos. También deberá disponer de un sistema de intermediación que permita la búsqueda y utilización de las herramientas indicadas. Por último, en el ejemplo se tiene un simulador que se incluye en el Laboratorio Virtual y se determina de forma directa a través su URI.

Fig. 5. Código XML de especificación de herramientas

En el modelado desacoplado se recurre a una taxonomía sobre servicios de comunicación desarrollada por los autores


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para la indicación de las características. Se incluyen las siguientes indicaciones: • El servicio de Chat se modela como de texto, síncrono,

volátil y entre varias partes. Además también se requiere la disponibilidad de tres permisos: moderador, oyente y locutor. El requerimiento de estos tres permisos permitiría realizar el modelado de Especificaciones de Autorización en las que se indicase la asignación de estos permisos a cada uno de los participantes. Por ejemplo, se podría asignar siempre el permiso de moderador a los profesores, el permiso de oyente o locutor en función del orden de acceso de los participantes, etc.

• El servicio de Foro se modela como de texto, asíncrono, persistente y entre varias partes. Además también se requiere la disponibilidad de dos eventos: de nuevo tema de discusión y de nuevo mensaje. El requerimiento de estos dos eventos permitiría realizar el modelado de Especificaciones de Percepción en las que se indicase la notificación de estos eventos a los participantes. Por ejemplo, se podría notificar la creación de un nuevo tema de discusión a todos los participantes, notificar la introducción de un nuevo mensaje al creador del tema de discusión en el que se introduce dicho mensaje, etc.

• El servicio de Correo Electrónico se modela como de texto, asíncrono, volátil y entre varias partes. Además también se requiere la disponibilidad de una operación de envío de mensaje. El requerimiento de esta operación permitiría realizar el modelado de Especificaciones de Interacción en las que se indicase la invocación de dicha operación de forma automática. Por ejemplo, si se detecta que un alumno tiene problemas con el simulador (lo que se podría controlar a través de una Especificación de Percepción sobre eventos del simulador) se envía un mensaje de correo electrónico al profesor.

Es importante destacar que en PoEML no sólo se tiene en

cuenta la posibilidad de indicar las funcionalidades necesarias para un curso, sino también la forma en que dichas funcionalidades pueden utilizarse. El requerimiento de permisos, eventos y operaciones en las Herramientas permite el modelado de especificaciones de autorización, percepción e interacción. A través de estas especificaciones se permite controlar y supervisar la interacción de los usuarios (e.g. alumnos) con las Herramientas.

C. Especificación de Orden En esta sección se muestra el modelo de las Especificaciones de Orden. Como se ha indicado estas especificaciones se aplican a la modalidad de acceso a distancia. En ellas se establece el orden en el que pueden explorarse los ESs o Actividades del curso. De forma alternativa, para la modalidad presencial, también se incluyen Especificaciones Temporales en las que se indica el inicio y la finalización de cada ES.

En la Fig. 6 se muestra la representación gráfica de los modelos de las Especificaciones de Orden del ES principal y de los ESs de Teoría y de Práctica. En cada modelo se indica

el orden entre los Sub-ESs incluidos en el ES. Para este ejemplo se utilizan varios conectores, dos para señalar los puntos de inicio y finalización, un conector para indicar secuencia, otro para indicar una bifurcación en la que se pueden realizar varios ESs en paralelo y un último conector para indicar sincronización, señalando que para poder iniciar el siguiente ES deben haberse finalizado los anteriores. Las tres Especificaciones de Orden indican las siguientes secuencias: • La de orden del curso indica que la parte de Teoría y la

parte de Práctica se pueden realizar en paralelo. • La de orden de la Teoría indica que las dos primeras

lecciones se pueden realizar en paralelo en cualquier orden, después se debe realizar la Evaluación Parcial, después otra lección y por último la Evaluación Final. En el curso real se incluyen más lecciones y evaluaciones parciales, pero este modelo es suficientemente representativo.

• La de orden en la Práctica indica que primero tiene que realizarse la Práctica 1 y después se puede realizar en paralelo la Práctica 2 y la Corrección de la Práctica 1. Una vez que finalicen ambas se puede realizar la Corrección de la Práctica 2.

Fig. 6. Representación gráfica del modelo de la Perspectiva de Orden

VI. CONCLUSIONES Este artículo presenta las posibilidades de modelado de unidades didácticas en la ingeniería con PoEML. PoEML se ha propuesto con el objetivo de contribuir a la mejora de las capacidades de modelado de los EMLs centrándose especialmente en el soporte de actividades en colaboración y basadas en la práctica. Estos tipos de actividades son muy importantes en el desarrollo de unidades didácticas en la ingeniería. El interés de PoEML se ha enfocado principalmente en aumentar la expresividad de las propuestas existentes, ofreciendo una solución tanto computacional como gráfica. La combinación de estas dos características es actualmente un objetivo importante de investigación en los


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EMLs (principalmente IMS-LD) y en los lenguajes de diseño de la instrucción [16; 17]. En relación con estas propuestas PoEML tiene una vocación primordialmente computacional sobre la de modelado educativo y por tanto gráfica, aunque dicha representación gráfica pretende ayudar a entender tanto el propio lenguaje como los modelos de unidades didácticas a este nivel computacional.

Las propuestas de PoEML se basan fundamentalmente en el principio de separación-de-asuntos. Este principio ha sido utilizado para dirigir el desarrollo del lenguaje, posibilitando la obtención de 13 perspectivas y 4 aspectos. Mediante esta separación en partes se ha conseguido un aumento considerable en la expresividad, tal y como se requería. En especial es importante destacar las posibilidades que ofrecen las Perspectivas de Herramientas, Autorización, Percepción e Interacción, con las que no sólo se permite la utilización de distintas aplicaciones y servicios, sino controlar la utilización de las mismas en las unidades didácticas. Ahora bien, es muy importante destacar que este aumento de expresividad no supone un aumento proporcional en la complejidad del lenguaje. La separación en partes permite centrar la atención en cada una de las partes de forma más o menos aislada, reduciendo de esta forma el esfuerzo cognitivo. Además, con esta separación en partes también se facilita la consecución de los objetivos de reutilización, adaptabilidad y flexibilidad, puesto que, a grandes rasgos, es posible cambiar/modificar el modelado de cada perspectiva/aspecto de forma bastante independiente del modelado de otras perspectivas/aspectos.

Esta es una investigación en marcha que por el momento ha sido validada parcialmente a través de la realización de ejemplos de modelado de unidades didácticas representativas de ciertas aproximaciones pedagógicas o escenarios educativos, el desarrollo de la herramienta de autoría gráfica JPoEML y la evaluación con un esquema propio basado en patrones desarrollado por los autores. A partir de aquí se pretende completar esta validación parcial mediante el desarrollo de un sistema software que soporte la ejecución de los modelos, la provisión de un repositorio de herramientas y un sistema de intermediación que permita su búsqueda y utilización en los términos previstos en el lenguaje y continuar con el modelado de nuevas unidades didácticas, principalmente mediante la participación de autores externos. El desarrollo del sistema software se plantea en base a la utilización como base de las funcionalidades de algún LMS bien conocido, de forma similar al soporte de IMS-LD en plataformas como Moodle [18] o .LRN [19].

AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido subvencionado por el Ministerio de Educación y Ciencia a través del proyecto “MetaLearn: metodologías, arquitecturas y lenguajes para sistemas E-learning adaptativos” (TIN2004-08367-C02-01) y por la Consellería de Innovación e Industria a través del proyecto “E-BICS: E-learning – Bases de Integración e Coordinación sobre eStándares” (PGIDIT06PXIB32 2270PR).

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Manuel Caeiro Rodríguez es Ingeniero de Telecomunicación por la Universidad de Vigo (1999) en la especialidad de Telemática. Actualmente es Profesor Asociado en el Departamento de Ingeniería Telemática de la Universidad de Vigo realizando tareas docentes en asignaturas relacionadas con la

ingeniería del software y la arquitectura de ordenadores. En cuanto a la investigación su interés principal se centra en la aplicación de las Tecnologías de la Comunicación y la Información a la educación.

Martín Llamas Nistal es Ingeniero de Telecomunicación (1987) y Doctor Ingeniero de Telecomunicación por la Universidad Politécnica de Madrid. Desde Marzo de 1987 es profesor contratado del Área de Ingeniería Telemática en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo, y desde Septiembre de 1996, Profesor Titular

de Universidad. Ha participado y dirigido varios proyectos de investigación en el ámbito del e-elarning. Sus áreas de interés

son fundamentalmente e-learning e ingeniería web. Ha participado como autor o coautor en más de 100 publicaciones en revistas y congresos. Ha sido director del Área de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones de la Universidad de Vigo desde Diciembre de 1998 hasta Octubre de 2003. Desde Marzo de 2004 es miembro de la Junta Directiva del Capítulo Español de la Sociedad de la Educación del IEEE y Coordinador de su Comité Técnico, de Acreditación y Evaluación.

Luis Anido Rifón es natural de Lugo (21 de junio de 1973). Es Ingeniero de Telecomunicación (1997) por la Universidad de Vigo en las especialidades de Telemática y Comunicaciones y Doctor Ingeniero de Telecomunicación (2001) por la Universidad de Vigo (sobresaliente cum laude por unanimidad). Actualmente es

Profesor Titular de Universidad en el Departamento de Ingeniería Telemática de la Universidad de Vigo. Asimismo ocupa el puesto de Director del Área de Innovación Educativa de la Universidad de Vigo.


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Abstract— The present article presents a software application, developed by the authors, in the digital signal processing field, with educative purposes. This tool offers a graphic interface to perform signal processing presentations via plugins. The program allows users to add plugins designed in both XML format and Java. Both kind of plugins allow the incorporation of Octave/Matlab functions in order to implement signal processing algorithms. In one hand, this application allows the student to interact with presentations changing their parameters and, in the other hand, offers the possibility of implementing new signal processing plugins easily

Index Terms—Education, Signal processing, Software

prototyping, Simulation software

I. INTRODUCCIÓN ras años de experiencia de los autores del articulo en la enseñanza del procesado digital de señal [1][2] se llegó a

la siguiente conclusión: los alumnos asimilan mejor los conocimientos si disponen de demostraciones visuales con las que poder interactuar. Siguiendo esta premisa, se comenzaron a desarrollar ejemplos interactivos con los que se pudiese analizar las distintas áreas del procesado de señal. Por ejemplo, si se quiere explicar a los estudiantes el funcionamiento de un filtro paso-bajo Chebychev, con esta herramienta se les entrega una aplicación en la que los alumnos pueden variar los parámetros que definen el filtro, y comprobar como afectan éstos al diagrama de modulo y fase de la respuesta frecuencial. No obstante, aunque estas aplicaciones permiten una comprensión más efectiva de las técnicas de procesado de señal, también se pretende que los futuros ingenieros alcancen un nivel de conocimiento superior de las técnicas de procesado de señal. Para que los estudiantes llegasen a este nivel, hasta ahora, se les planteaban prácticas en las que ellos mismos tenían que programar algoritmos de procesado de señal. Hasta el momento, estas prácticas se realizaban en Octave [3][4], pero tenían el inconveniente que con Octave no se podían realizar interfaces gráficos de usuario. Este hecho, imposibilitaba que los alumnos pudiesen logar aplicaciones interactivas semejantes a las que se les entregaban a ellos.

Los autores pertenecen al departamento de Arquitectura de Computadores, Automática y Electrónica, y Telecomunicaciones de la facultad de ingeniería (ESIDE) de la Universidad de Deusto (e-mail: [email protected]).

DOI (Digital Object Identifier) Pendiente.

El primer paso para posibilitar que los alumnos pudiesen dotar de un interfaz de usuario a sus algoritmos realizados en Octave fue la API joPAS [10]. Esta API permite implementar en Java el GUI de una forma rápida, manteniendo los cálculos de procesado de señal en Octave.

En una segunda aproximación, surgió easySP, una aplicación que permite dotar a funciones de Octave de GUIs de estructura predefinida, sólo con definir un sencillo fichero XML en el que se especifican los elementos que debe poseer el interfaz de usuario. Permitiendo de esta manera, generar demostraciones de algoritmos de procesado de señal de una forma muy sencilla y rápida, sin tener que dominar otro lenguaje adicional, sino únicamente Octave, en los casos sencillos [5][6].

Otra posibilidad, es mediante la creación de plugins en Java, estos deben tener una estructura definida para que easySP los pueda detectar y añadir a su menú. Este tipo de plugins requiere un mayor esfuerzo de desarrollo, pero proporcionan una mayor versatilidad a la hora de diseñar el interfaz de usuario.

A continuación, se describen los principales objetivos planteados por los autores en el comienzo del desarrollo de esta experiencia, los métodos utilizados, y los resultados alcanzados tanto a nivel técnico como educativo.

II. OBJETIVOS El principal objetivo planteado es obtener una herramienta

que permita el estudio del procesado de señal de una forma eficaz, rápida y amena, para conseguir aumentar la motivación y satisfacción de los estudiantes. Dividiendo este aprendizaje en dos niveles de profundidad:

• En un primer nivel, el estudiante es un simple usuario de la herramienta, e interactúa con las demostraciones que posea de cada área del procesado de señal.

• En un segundo nivel, el alumno debe tener una actitud más creativa, siendo él mismo, el que tenga que incrementar las opciones de la herramienta añadiendo nuevas demostraciones de procesado de señal.

Para que la aplicación sea realmente efectiva tiene que

cumplir los siguientes objetivos funcionales:

easySP: Nueva Aplicación Para la Enseñanza de Procesado de Señal

Javier Vicente, Begoña García, Member, IEEE, Ibon Ruiz, Amaia Méndez, Oscar Lage

T


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• Basado en software libre De este modo, se consigue una aplicación que se distribuirá libremente. Los alumnos pueden instalarla en sus ordenadores personares sin tener que pagar ningún tipo de licencia.

• Multiplataforma La misma aplicación funciona en distintos sistemas operativos sin tener que realizar excesivos cambios.

• Intuitivo El programa posee un interfaz muy intuitivo que permite al alumno interactuar con la herramienta muy rápidamente.

• Completo La herramienta debe disponer de ejemplos que abarquen todas las áreas del procesado digital de señal. Estos ejemplos están divididos en categorías, que son las siguientes: Diseño de filtros, modulaciones y análisis frecuencial de señales.

• De código abierto Dar la posibilidad a los alumnos para que puedan acceder a las instrucciones que se realizan para implementar cada uno de los ejemplos que compone la aplicación.

• Escalable La aplicación tiene que ser muy fácilmente ampliable mediante la incorporación de sencillos plugins. Estos plugins permiten que los propios alumnos aumenten las opciones de la herramienta, aportando ellos mismos nuevos ejemplos. La generación de los plugins ha de ser sencilla, sin necesidad de poseer grandes conocimientos en lenguajes que no estén orientados a la implementación de algoritmos de procesado de señal.

• Actualizable La herramienta es capaz de detectar si existen nuevos ejemplos disponibles, y descargarlos automáticamente para aumentar las opciones de la aplicación.

III. MÉTODOS En este punto, se describen los métodos utilizados para el

desarrollo de la herramienta easySP. Para ello, en la tabla I se destacan las diferentes alternativas existentes, y cuál ha sido la elección final de los autores.

TABLA I. Comparativa de tecnologías Elección Alternativa Lenguaje de programación Java C/C++ Lenguaje científico Octave Matlab Interfaz gráfico joPAS/XML Octave-GTK

A continuación, se detallan las características principales de

las tecnologías empleadas y la justificación de su elección frente a las diferentes alternativas.

A. Octave Octave es un lenguaje de alto nivel para el cálculo

numérico, siendo su sintaxis compatible con Matlab. Octave es ampliamente utilizado por el entorno docente, y

desarrollado por la comunidad de software libre [7][8]. Octave al ser un proyecto Open Source no tiene la limitación de Matlab, es decir, tener que pagar una licencia para poder ejecutar aplicaciones desarrolladas mediante este entorno.

Octave es un lenguaje especialmente orientado al mundo científico [9]. Entre sus principales diferencias con otros lenguajes de programación destacan las siguientes:

• Operación con matrices de forma nativa. • Operación con números complejos de forma nativa. • Lenguaje interpretado.

Estas características permiten que los algoritmos científicos

se desarrollen en mucho menos tiempo que en otros lenguajes de programación. De modo que Octave es el lenguaje ideal para el desarrollo de algoritmos de procesado digital de la señal, procesado digital de imagen, sistemas de control, estadística…

Además, existen gran cantidad de toolboxes, que permiten que no se tenga que comenzar desde cero cuando se quiera abordar una temática. Por ejemplo, si alguien quiere desarrollar un algoritmo de procesado digital de voz y necesita filtrar la señal mediante un filtro Butterworth, no necesita implementar esta funcionalidad ya que ésta existe en el toolbox de procesado de señal, de modo que en su algoritmo no tendría más que hacer uso de la misma.

Este tipo de toolboxes tan especializados en temas científicos, no suelen existir en otros lenguajes de programación, de modo que es una ventaja más para desarrollar este tipo de aplicaciones en Octave.

B. joPAS La API joPAS [10] desarrollada por el grupo PAS de la

Universidad de Deusto permite el uso de la potencia de cálculo de Octave desde una aplicación Java.

Existe un proyecto llamado Octave-GTK [11] que proporciona unas características similares a la API joPAS, pero no se ajustaba adecuadamente a los objetivos planteados. Este proyecto, trata de crear un envoltorio GTK (GIMP toolkit) a Octave. Esto permite a los usuarios desarrollar programas con interfaz de usuario implementados en GTK con la potencia de cálculo de Octave.

La diferencia principal de ambos proyectos es el lenguaje mediante el que se implementa el envoltorio de Octave, mientras en Octave-GTK se emplea C, en joPAS se utiliza Java, que es el lenguaje de programación en el que nuestros alumnos están habituados a trabajar.

Mediante joPAS el usuario puede programar aplicaciones en Java [12][13][14], delegando todos los cálculos matemáticos en Octave. Así, joPAS es utilizado como nexo de unión entre Java y Octave. Mediante joPAS se pueden convertir variables de Java en variables Octave, ejecutar funciones de octave y convertir variables de Octave en variables Java. Las clases más importantes de esta API son las siguientes:

VICENTE et al.: easySP NUEVA APLICACIÓN PARA LA ENSEÑANZA DE PROCESADO DE SEÑAL

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• Jopas Esta es la clase fundamental de la API, es la encargada de gestionar la comunicación con Octave mediante tres métodos: load, save y execute.

• Matrix Esta clase contiene el tipo de datos que entiende la clase jopas. Esta clase es un contenedor de matrices, que pueden ser reales o complejas. La clase jopas admite en el método load ese tipo de datos y en el método save siempre devuelve un objeto tipo Matriz.

• JopasLabel Esta clase es una reimplementación de la clase JLabel de Java, que mediante el método “print” permite realizar una representación gráfica de una señal.

A continuación, se puede observar un breve fragmento de

código en el que se hace uso de las clases comentadas.

Double a = 2; Matrix mA= new Matrix (a,"a"); Jopas.Load(mA); jopas.execute(“b=a+4”); Matrix mB = jopas.Save("b");

Figura 1. Código de ejemplo de uso de joPAS.

En el fragmento de la figura 1 se puede observar como se crea un objeto matriz que contiene un escalar, esta matriz se carga en Octave con el método Load. Después se ejecuta una sentencia de Octave, que suma un escalar a la variable generada. Para finalizar, se recupera el resultado obtenido en Octave, generando un objeto matriz en Java.

La estructura de la API se ha simplificado de tal forma que prácticamente solo hace falta saber utilizar tres clases de la misma para poder desarrollar aplicaciones con un interfaz gráfico. Todo el proceso de comunicación entre Java y Octave, cargar variables de Java a Octave, ejecutar sentencias de Octave y salvar variables de Octave a Java, las realiza la API de forma transparente al usuario. Por lo que el tiempo que se tarda en aprender a utilizar joPAS es mínimo, para alumnos que sepan programar en Octave y en Java, como es nuestro caso.

C. XML XML es un lenguaje de marcas extensible desarrollado por

el World Wide Web Consortium (W3C) [15]. XML es una simplificación y adaptación del SGML y permite definir la gramática de lenguajes específicos. A pesar de que XML se esté utilizando en mayor medida para Internet, se propone como un estándar para el intercambio de información estructurada entre diferentes plataformas.

La principal ventaja que ofrece del uso de ficheros XML es la facilidad de leer y editar dichos archivos, cualquier usuario puede editar un archivo XML desde cualquier procesador de textos que sea capaz de producir archivos de texto plano. XML es un leguaje muy sencillo de leer, interpretar y modificar. Además desde las herramientas de desarrollo se

facilita su lectura y modificación, ya que estas herramientas reconocen los formatos y ayudan a generar ficheros XML bien formados.

Por todo lo anterior, se ha elegido la tecnología XML a la hora de definir la parametrización de una modulación o procesado de la señal básica, así el estudiante no dependerá de ninguna herramienta en concreto para su edición, y podrá validar si el documento que ha generado está bien formado simplemente abriéndolo con cualquier navegador Web.

La tecnología XML ha permitido crear un lenguaje sencillo para la configuración de los procesados. El usuario definirá los parámetros de entrada, las gráficas que la aplicación debe sacar, así como las funciones que deberá utilizar la aplicación para procesar la señal de entrada.

IV. DISEÑO En este apartado, se describe cómo se pueden diseñar

nuevas extensiones basadas en los métodos anteriormente descritos, para que la aplicación easySP las pueda reconocer e incorporar, tal como se puede observar en la figura 4.

Se ha pretendido crear una aplicación intuitiva para el alumno pero a la vez dotada de la potencia de las aplicaciones modulares. Así, el estudiante/profesor puede probar los plugins ya desarrollados que se entregan con la aplicación para una mejor comprensión de todos los sistemas de procesado de señal básicos. Pero, a la vez se permite ampliar la aplicación creando sencillos plugins. Estos pueden ser desarrollados tanto por profesores que quieran entregar ejemplos de procesado de señal no incluidos entre los ya entregados con la aplicación, como por alumnos para ampliar sus conocimientos mediante ejercicios o proyectos.

Existen dos formas de implementación de plugins: • Mediante la definición de un XML-Plugin, que

permiten realizar ejercicios de una forma muy sencilla y rápida a través de un fichero de configuración XML. La limitación de este método está en que la interfaz generada por la aplicación tiene una estructura predefinida y cerrada, el usuario tan sólo puede especificar el número de componentes que se visualizarán en cada área.

• Mediante el diseño de joPAS-Plugins. Estos plugins son más elaborados en lo que se refiere al interfaz y la funcionalidad, al ser directamente implementados en Java. Permiten usar cualquier función de este lenguaje y pueden llegar a ser más sofisticados que los anteriores pero ello implica una dificultad extra.

A. XML-Plugin En este tipo de plugins definen tanto la interfaz gráfica de

usuario como el algoritmo de la simulación. Así pues, mediante el uso del XML se define qué contenido albergará cada una de las seis áreas de la interfaz. Las seis áreas en las que se ha dividido la interfaz son los siguientes:


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1. Título del plugin. 2. Área de representaciones gráficas. 3. Selección del conjunto de gráficas a visualizar. 4. Área de parámetros de entrada. 5. Botones para la ejecución del procesado. 6. Área de texto para la explicación teórica del

algoritmo.

Figura 2. Áreas parametrizables de la interfaz gráfica Para la definición de la interfaz gráfica se ha definido un

lenguaje XML específico. Las etiquetas definidas sirven tanto para indicar qué elementos aparecerán en cada área como para especificar el algoritmo a ejecutar.

Las etiquetas definidas en este lenguaje son las siguientes: • Category: elemento que indica a la aplicación la

categoría en la que se listará el procesado. Gracias a este elemento la aplicación ordenará todos los plugin que se añadan por categorías.

• Title: este elemento contiene el título de la ventana generada por la aplicación.

• Description: explicación teórica del procesado o procesados implementados en el plugin.

• Input: estos elementos definirán los parámetros de entrada. Permiten definir el valor por defecto que tomará la entrada, el nombre de la variable en Octave y el nombre del parámetro de entrada.

• Button: elementos que definirán cada conjunto de gráficas a visualizar.

• Function: elemento que define la llamada a la función, o sentencias, de Octave que implemente el procesado de señal.

Para examinar la estructura del fichero de configuración

XML se analizará el ejemplo de la figura 3 , en el que se ha definido un algoritmo de un filtro paso bajo de Chebychev.

Para la generación del fichero XML de configuración del plugin, se deben identificar los elementos deseados para cada una de las áreas. Una vez realizado se puede comenzar la descripción del contenido del fichero XML.

Esta descripción de los elementos podría ser agrupada por cada una de las áreas, como se puede observar en la figura 2.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <Plugin version="1.0"> <Category>Diseño de filtros</Category> <Title>Filtro paso bajo Chebychev</Title> <Description> Los filtros de Chebychev consiguen una caída de la

respuesta en frecuencia más pronunciada en frecuencias bajas. </Description > <Input value="3000" OctaveName="fc">Frecuencia de corte

(HZ)</Input> <Input value="4000" OctaveName="fs">Frecuencia de rechazo

(Hz)</Input> <Input value="1" OctaveName="R">Rizado (dB)</Input> <Input value="40" OctaveName="A">Atenuación (dB)</Input> <Button> <Name>Respuesta Frecuencial</Name> <Graph Title="Módulo de la respuesta frecuencial"

xTitle="Frecuencia (Hz)" yTitle="Amplitud" varX="F" varY="m"/>

<Graph Title="Fase de la respuesta frecuencial" xTitle="Frecuencia (Hz)" yTitle="Amplitud" varX="F" varY="p"/>

</Button> <Button> <Name>Respuesta temporal</Name> <Graph Title="Respuesta impulsional" xTitle="Tiempo (s)"

yTitle="Amplitud" varX="t" varY="i"/> <Graph Title="Respuesta al escalon" xTitle="Tiempo (s)"

yTitle="Amplitud" varX="t" varY="s"/> </Button> <Button> <Name>Retardo de grupo</Name> <Graph Title="Retardo de grupo" xTitle="Frecuencia (Hz)"

yTitle="Retardo (s)" varX="F" varY="g"/> </Button>

<Function> <Name>Simulación</Name> <OctaveFile>filterDesign.m</OctaveFile> <Callback>[m,p,F,s,i,g,t]=filterDesign(fs,fp,R,A)</Callback> <RunOnStartUp>true</RunOnStartUp> </Function>

</Plugin> Figura 3. Código XML del fichero de configuración de ejemplo. La metodología indicada para realizar dicha descripción es

la siguiente: • Área de Título (área 1): para configurar esta área se

configura la etiqueta Title indicando el título del plugin.

• Área de Gráficas (área 2): se visualizaran las gráficas definidas en los elementos Button, cuando estos sean ejecutados.

• Área de Selección de Gráficas (área 3): mediante los elementos Button se define qué señales se quiere representar en cada una de las gráficas anteriores.

• Área de Entrada de Datos (área 4): en esta área se definirían tantos elementos Input como parámetros de entrada se deseen; indicando el nombre, valor por defecto y el nombre de la variable en Octave a la que se asociará el valor que contengan.

• Área de Simulación (área 5): en esta área se definirán elementos Function, en los cuales se especificarán las sentencias o funciones de Octave que se deseen


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ejecutar. Las variables de entrada utilizadas para dicha ejecución tienen que ser las asociadas a los elementos Input del área 4, y las variables de salida tienen que ser las utilizadas por los elementos Button del área 3.

• Área de Contenidos Teóricos (área 6): mediante el elemento Description se definen los contenidos teóricos que se desea que aparezcan en esta área.

Para finalizar con la metodología de creación de ficheros

XML se definiría el elemento Category indicando en él la categoría del procesado de señal del plugin para su posterior agrupación por parte de la aplicación.

Figura 4. Diagrama de metodología de definición del fichero de configuración.

B. joPAS-Plugin La implementación de plugins utilizando la API joPAS es

mucho más potente, sobre todo en la creación de interfaces gráficas. El usuario, en este caso, sustituye la creación de un fichero XML de configuración por la creación de un archivo .java. Esto significa que el usuario tiene total libertad para desarrollar en Java su plugin. Así el alumno puede desarrollar su creatividad con libertad, haciendo plugins más complejos y potentes que en el caso anterior, al no estar limitado a una estructura predefinida. De este modo, el usuario pode utilizar bases de datos, archivos, comunicación a través de la red o cualquier otro recurso que esté disponible para el lenguaje Java.

Aun así el usuario tiene unas sencillas restricciones: • La clase Java del plugin debe extender de la clase

jopasPlugin. • El constructor de la clase debe recibir como

parámetros de entrada una referencia, una instancia de la clase Jopas y una referencia de la clase de tipo JFrame.

• Debe implementar los métodos getCategory y getTitle.

La clase Java debe extender de la clase jopasPlugin

entregada entre las librerías de la aplicación. Esta clase implementa una serie de métodos necesarios para que cualquier clase Java que extienda la misma se convierta en un plugin compatible con easySP.

Los joPAS-Plugin deben disponer de los métodos getCategory y getTitle para que easySP lea los parámetros categoría y título de la aplicación del plugins al inicio. Tras invocar dichos métodos easySP es capaz de listar todos los plugins instalados en la aplicación y ordenarlos por categorías.

Además el constructor de la clase debe recibir como parámetros una referencia al API joPAS en ejecución y una referencia al JFrame en el que se visualizará el plugin, ya que el plugin implementado por el usuario es un panel que se visualiza dentro de easySP. easySP utiliza la API joPAS para realizar las llamadas a Octave y ejecutar las funciones de procesado de señal implementadas por el usuario, es recomendable que tan solo se cree una instancia de la clase joPAS. Esto es necesario para optimizar el uso de recursos por parte de la aplicación, así que se obliga a todos los plugins, tanto los realizados mediante de ficheros XML como los joPAS-Plugins, a utilizar la misma instancia de joPAS. El usuario de los XML-Plugins no es consciente de la utilización de joPAS, ya que él no codifica ninguna línea de Java, pero los usuarios de los joPAS-Plugins deben utilizar dicha API.

Como ya se ha mencionado anteriormente joPAS fue creado para servir de nexo de unión entre Java y Octave, y es una API de Java optimizada para la obtención de un rendimiento óptimo de las aplicaciones que hacen uso de la misma y para facilitar el uso de la API al programador.

Si bien es cierto que gracias a joPAS se pueden crear directamente aplicaciones Java de procesado de señal realizando los cálculos matemáticos en Octave. Los autores de joPAS recomendamos su uso tanto para la realización de proyectos de fin de carrera como para el desarrollo y prototipado rápido de proyectos de investigación. Pero para la enseñanza de procesado de señal es mucho más recomendable el uso de easySP, empleando cualquiera de los dos tipos de plugins, dependiendo la complejidad y necesidades del plugins a implementar.

Aunque un joPAS-Plugin es un panel de la aplicación, podrá disponer de tantos diálogos y ventanas como considere oportuno el desarrollador, ya que dichos aspectos no están limitados por easySP. Pero todo plugin parte de un panel de la aplicación principal para dar una sensación de uniformidad y facilitar la compresión del usuario.

V. RESULTADOS Como resultado de la ejecución de los objetivos

especificados se ha conseguido la herramienta easySP, cubriendo el aprendizaje del procesado de señal desde los dos niveles de profundidad planteados. easySP a nivel usuario


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resulta una aplicación realmente sencilla de utilizar. Una vez que el estudiante selecciona el módulo con el que quiere practicar, visualiza una ventana como la que se puede ver en la figura 2.

Figura 5. Simulación de un filtro Chebychev con frecuencia de corte de 6kHz

El ejemplo de la figura 2, corresponde con una simulación

de un filtro paso bajo Chebychev, en el que el usuario puede modificar los parámetros fundamentales que definen las características del filtro y analizar el comportamiento del mismo en función de la variación de dichos parámetros. En la parte inferior de la ventana, el alumno encuentra una explicación teórica del comportamiento del filtro, que puede ser verificado realizando diferentes pruebas.

En este caso es interesante para el alumno, comprobar que el filtro Chebychev tiene un rizado constante en la banda de paso, y cómo la banda de transición se hace más restrictiva el orden del filtro aumenta, elevando como consecuencia el número de oscilaciones del rizado de la banda de paso (Figura 5). Una vez que el estudiante ha comprendido los conceptos teóricos que se le están planteando en el módulo, puede pasar a practicar con otro, asimilando de una forma muy amena los conceptos del procesado de señal.

En el segundo nivel de profundidad, los alumnos pueden desarrollar nuevos módulos siguiendo la estructura XML definida en la figura 6, o analizar los ya existentes, para comprobar las sentencias de Octave que son necesarias para implementar el módulo planteado. En la figura 6, se puede observar la estructura del fichero XML necesaria para realizar la parametrización del ejemplo del filtro paso bajo de la figura 2. Como se puede comprobar la creación de este fichero, que define la estructura del interfaz de usuario, es sencilla y fácil de comprender.

El estudiante puede analizar todo el proceso del cálculo de la simulación del filtro que se implementa en la función de Octave “filterDesign” (Figura 7), que contiene todas las instrucciones necesarias para el calculo de la respuesta frecuencial, la respuesta al impulso, la respuesta al escalón y el retardo de grupo del filtro. Esta función tiene como

parámetros de entrada las variables definidas en los elementos Input y devuelve las variables que manejan los elementos Graph.

function [m,p,F,s,i,g,t]=filterDesign(fs,fp,R,A) Fs=20000; [n,w]=cheb1ord(fs/(Fs/2),f/(Fs/2),R,A); [b,a]=cheby1(n,R,w); [H,F]=freqz(b,a,1024,Fs); m=abs(H); p=unwrap(angle(H)); [i,t]=impz(b,a,[],Fs); s=filter(b,a,ones(1,length(t))); g = grpdelay(b,a,1024); Endfunction;

Figura 6. Función de Octave para el diseño del filtro Chebyshev. Si el alumno quisiere implementar un nuevo módulo que

realice lo mismo pero para un filtro Butterworth, el fichero XML a utilizar es prácticamente el mismo, solo tiene que cambiar el Campo Title, la descripción teórica del modulo, la función de Octave a la que se invoca y escribir dicha rutina (figura 7). El resultado de las implementaciones de los distintos algoritmos en XML se puede observar en las figuras 8 y 9.

function [m,p,F,s,i,g,t]=filterDesign2(fc,fs,R,A) Fs=20000; [n,w]=buttor(fc/(Fs/2),fs/(Fs/2),R,A); [b,a]=butter(n, w); [H,F]=freqz(b,a,1024,Fs); m=abs(H); p=unwrap(angle(H)); [i,t]=impz(b,a,[],Fs); s=filter(b,a,ones(1,length(t))); g = grpdelay(b,a,1024); Endfunction;

Figura 7. Función de Octave para el diseño del filtro Butterworth.

Figura 8. Simulación de un filtro Butterworth con frecuencia de corte de 4KHz


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Además se proporcionan procesados más avanzados en forma de joPAS-Plugins, para que el usuario que deba implementar este tipo de plugins pueda aprender a crearlos de una forma más sencilla.

Figura 9. Ejemplo de modulación ASK

Junto con los resultados funcionales, es necesario evaluar la eficiencia sobre el aprendizaje de nuestros estudiantes de la herramienta desarrollada. Esto ha sido posible gracias a una encuesta de opinión anónima (cuyos items se pueden ver en la tabla II), realizada sobre un grupo de control de 10 becarios del laboratorio de telecomunicaciones de la Universidad de Deusto.

Las 10 personas con las que se ha realizado el estudio, habían cursado con anterioridad la asignatura de Tratamiento Digital de la Señal de la forma tradicional, por lo tanto, tenían todos los conocimientos necesarios, y además, podían opinar sobre la utilidad de la herramienta.

Los ítems han sido evaluados del 1 al 5, siendo 5 la puntuación más alta. Los resultados obtenidos de la encuesta se pueden ver en la tabla II, y su interpretación se ha plasmado en las siguientes afirmaciones:

1. Aunque el uso de la aplicación es intuitivo, al principio no resulta muy usable, debido a que todavía se encuentra en fase de mejora, en lo que se refiere al interfaz gráfico y facilidad de uso.

2. Se confirma que las demostraciones proporcionadas en la aplicación permiten asimilar de una forma más sencilla la teoría de las asignaturas.

3. Los XML-plugins resultan más fáciles de implementar que los joPAS-plugins, ya que para los segundos se necesita tener amplios conocimientos de programación JAVA.

4. Los XML-plugins son más sencillos, pero los alumnos perciben que se pueden implementar

plugins más completos y versátiles utilizando joPAS-plugins.

El hecho de tener que diseñar una demostración permite profundizar en la materia. El alumno se encuentra más motivado al seguir la metodología planteada con esta herramienta.

TABLA II. Resultados de la encuesta de satisfacción

ITEM NOTA ¿Es la aplicación intuitiva? 4.1 ¿Es fácilmente usable? 3.5 ¿Los plugins de la aplicación facilitan la compresión de los contenidos teóricos? 4.5

¿Es alto el tiempo empleado en dominar la aplicación? 2

Complejidad del diseño de XML-plugin 3 Funcionalidad que se puede implementar con XML-plugins 3.5

Complejidad del diseño de joPAS-plugin 4.5 Funcionalidad que se puede implementar con joPAS-plugins 4

¿El diseño de plugins permite profundizar en los contenidos de la asignatura? 4.5

¿Te resulta más motivador diseñar plugins que realizar prácticas convencionales? 4.5

Satisfacción general sobre la aplicación 4

VI. CONCLUSIONES La aplicación desarrollada ha facilitado enormemente tanto

la labor del profesor como la del estudiante, permitiendo no sólo asimilar contenidos sino desarrollar la creatividad. El profesor dispone de una herramienta versátil que le permite transmitir los conocimientos de procesado digital de señal, mediante la implementación de pequeños plugins como soporte a los contenidos teóricos que desee impartir [16][17].

Los alumnos asimilan mejor los conocimientos de procesado mediante una herramienta con la que pueden interactuar [18][19][20]. Además pueden desarrollar nuevos módulos sin tener conocimientos de otros lenguajes de programación con la excepción de Octave.

Actualmente, se está trabajando en un asistente que genere los contenidos del XML para que el alumnado no necesite especificar el fichero de configuración y pueda dedicar todo su esfuerzo en la implementación del algoritmo en Octave.

Además, se permite la creación de joPAS-Plugins, haciendo que el usuario con conocimientos de Java pueda crear plugins con nuevos sistemas (filtros, moduladores, etc.) de una potencia mucho mayor.

Como conclusión final, se puede destacar que el resultado de esta API ha sido muy satisfactorio, para desarrolladores y usuarios, ya que proporciona una herramienta muy potente para el rápido desarrollo de aplicaciones de procesado de señal, siendo su único inconveniente, que se debe conocer el lenguaje Java para realizar los plugins más avanzados.


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AGRADECIMIENTOS Los autores de este artículo queremos agradecer a los

alumnos por transmitirnos sus experiencias con la aplicación y por contribuir activamente en la ampliación de la misma mediante la aportación de nuevos plugins desarrollados por ellos.

REFERENCIAS [1] Begoña García, Javier Vicente, "Herramienta para la Simulación e

Implementación Real de Sistemas Discretos FIR e IIR" in Proc. TAEE’02, Las Palmas, Spain, 2002.

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Javier Vicente Sáez nació en Baracaldo (Vizcaya) en 1978. Se graduó en Ingeniería Técnica Industrial, especialidad electrónica en 1999 por la Universidad de Deusto. Posteriormente, en 2001 se graduó en Ingeniería de Telecomunicaciones, por la Universidad de Deusto. Consiguió la suficiencia investigadora después de realizar los correspondientes cursos de doctorado en la Universidad de Deusto (UD), Bilbao, en 2005, y tiene registrada la tesis doctoral en nuevas

arquitecturas de procesado digital de señal. Desde el año 2001 es profesor y forma parte del Departamento de

Telecomunicaciones de la UD. En el año 2001, crea junto a Dra. Begoña García Zapirain el grupo investigación Procesado Avanzado de Señal (PAS) de la UD.

Begoña García Zapirain nació en Donosti (Gipuzkoa) en 1970. Se graduó en Ingeniería de Telecomunicación especialidad Telemática, por la Universidad del País Vasco en 1994. En 2003 presento su tesis Doctoral en el campo del procesado digital de voces patológicas.

Tras unos años de trabajo en la empresa ZIV, en 1997 se incorpora al claustro de la Universidad de Deusto como profesora en el ámbito de la teoría de señal y electrónica. Desde el año 2002 dirige el

Departamento de Telecomunicaciones de la UD. En el año 2001, crea junto a Javier Vicente Sáez el grupo investigación Procesado Avanzado de Señal (PAS) de la UD, en el que desarrolla el papel de investigadora principal. Miembro del IEEE y del EURASIP, participa en el comité organizador de TAIMA.

Ibon Ruiz Oleagordia nació en Bilbao (Vizcaya) en 1975. Se licenció en Ciencias Físicas en la Universidad del País Vasco (UPV), Bilbao, en 1999 y obtuvo el título de Ingeniero en Electrónica en la misma universidad en el año 2001. Consiguió la suficiencia investigadora después de realizar los correspondientes cursos en la Universidad de Deusto (UD), Bilbao, en 2002, y tiene registrada la tesis doctoral.

Desde el año 2000 es profesor y forma parte del Departamento de Arquitectura de los Computadores, Electrónica, Automática y Telecomunicaciones de la UD. En el año 2002, entra a formar parte del grupo investigación Procesado Avanzado de Señal (PAS) de la UD.

Amaia Méndez Zorrilla nació en Baracaldo (Vizcaya) en 1978. Se graduó en Ingeniería Técnica Industrial, especialidad electrónica en 1999 por la Universidad de Deusto. Posteriormente, en 2001 se graduó en Ingeniería de Telecomunicaciones, por la Universidad de Deusto. Consiguió la suficiencia investigadora después de realizar los correspondientes cursos de doctorado en la Universidad de Deusto (UD), Bilbao, en 2005, y tiene registrada la tesis doctoral en

ingeniería biomédica. Desde el año 2003 es profesora y forma parte del Departamento de

Telecomunicaciones de la UD. En el año 2005 entra a formar parte del grupo investigación Procesado Avanzado de Señal (PAS) de la UD.

Oscar Lage Serrano nació en Baracaldo (Vizcaya) en 1982. Se graduó en Ingeniería Técnica en Informática de Gestión en 2003 por la Universidad de Deusto. Posteriormente, en 2005 se graduó en Ingeniería Informática, por la Universidad de Deusto. En el año 2005, entra a formar parte del grupo investigación Procesado Avanzado de Señal (PAS) de la UD como doctorando de investigación.


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Abstract— This paper describes a system to provide support

for E-Learning content production. Basically, LMS systems provide functionalities to manage student records, to facilitate communication between students and teacher, to control accesses and produce statistics, schedules, evaluation, and an open platform to help teachers make lecture content available online. However they do not dictate what kind of technology or format should be used to prepare those contents. Although this issue can be seen as an advantage in certain contexts it leads to a format anarchy and makes support for content production impossible. Here is where e-Nsino comes into the scene.

Index Terms—Knowledge representation, Learning systems, Semantic networks. e-learning.

I. INTRODUÇÃO OJE em dia, a Web é um dos veículos mais atraentes para a distribuição e acesso à informação. A sua aplicação na

área do ensino à distância era uma questão de tempo. Desde meados da década de 90, realizam-se experiências de utilização da Web para o ensino à distância. Naquela época, utilizavam-se mailing-lists para interagir com os alunos e páginas Web para disponibilizar documentos.

Atualmente, a procura de cursos no formato E-Learning cresce diariamente. A possibilidade de poder seguir um curso a partir do conforto de casa ou simplesmente eliminando distâncias e barreiras geográficas é um conceito muito atrativo. No entanto, o E-Learning exige a preparação de documentos e a gestão de alunos, o que consome tempo e recursos humanos.

É aqui que surgem os sistemas de gestão de ensino (LMS – Learning Management Systems). Já existe um número considerável destes sistemas em utilização por todo o mundo. Alguns deles, devido à qualidade de serviços que oferecem, são considerados referências: Blackboard, Luvit e WebCT. Um sistema destes fornece funcionalidades para: gerenciar os processos dos alunos; facilitar e gerenciar a comunicação entre alunos, e entre estes e o professor; controlar os acessos ao sistema e produzir estatísticas; organizar horários; efetuar a avaliação dos alunos em uma plataforma aberta à publicação de documentos. No entanto, estes sistemas não fornecem

G. Librelotto e M. Cassal são professores na UNIFRA (Centro Universitário Franciscano), Rua dos Andradas, 1614, 97010-032, Santa Maria, RS, Brazil. Email: {giovani,cassal}@unifra.br


qualquer tipo de regra quanto à tecnologia ou ao formato a ser utilizado na preparação dos documentos. Apesar disto poder ser visto como uma vantagem, em alguns contextos pode levar a uma proliferação anárquica de formatos e à impossibilidade de criação de um suporte à produção de documentos.

Olhando para o estado da arte, pode-se dividir a produção de documentos em duas áreas: metadados e conteúdo propriamente dito. Até ao momento, a comunidade acadêmica tem-se preocupado com a meta-informação associada à aquilo que se convencionou designar por objetos de aprendizagem (Learning Object). Atualmente existem várias normas para a meta-informação de um objeto de aprendizagem como o LOM (Learning Object Metadata) [18], o SCORM (Sharable Content Object Reference Model) [1] e o Learning Design da IMS [10]. Neste projeto, inclui-se alguma meta-informação nos objetos de aprendizagem (um subconjunto pequeno); porém o projeto centrar-se-á no conteúdo dos documentos (quanto a este, não há normas nem propostas) e na construção de uma rede semântica envolvendo os conceitos (tópicos) abordados nos documentos didáticos.

Pensando nisso, apresenta-se neste artigo um ambiente orientado ao docente, permitindo a ele a criação de documentos referentes ao dia a dia de uma sala de aula de uma forma amigável e estruturada. Além de proporcionar editores especializados, este ambiente permite a geração automática de uma interface Web para disponibilizar os documentos. Esta interface é criada a partir da representação do conhecimento extraída dos documentos editados pelo docente.

O presente artigo está estruturado da seguinte forma: a Seção II introduz os Topic Maps, enquanto que a Seção III apresenta o sistema e-Nsino, com ênfase na estrutura deste sistema. A estruturação, edição e transformações dos documentos didáticos são abordadas na Seção IV. A Seção V descreve a extração da ontologia e a produção das páginas Web referentes aos documentos didáticos. A avaliação do ambiente e-Nsino está na Seção VI. Conclui-se o artigo na Seção VII com a apresentação dos trabalhos futuros.

II. REPRESENTAÇÃO DO CONHECIMENTO, MAPAS DE CONCEITOS E TOPIC MAPS

Segundo Ausubel [2], estudar e conhecer a estrutura cognitiva dos alunos e intervir na sua reorganização é um objetivo da maior importância que, como tal, tem sido alvo de numerosos estudos. Trata-se, em primeiro lugar, de procurar compreender como se processa a aprendizagem para, em

Integrando a Produção de Documentos Didáticos com Ontologias: o Sistema e-Nsino

Giovani Rubert Librelotto e Marcos Luís Cassal2

H


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seguida, utilizar esse conhecimento como um instrumento mais eficaz de ensino-aprendizagem na sala de aula.

Novak e Gowin (1988, citado por Nunes, 2000:pág. 53) [7], seguindo a linha de pensamento de Ausubel, afirmam que existem dois tipos de aprendizagem: aprendizagem memorística e aprendizagem significativa. Para estes autores a apren-dizagem memorística corresponde à maior parte da aprendiza-gem escolar, sendo caracterizada por não haver nenhum compromisso afetivo para relacionar os novos acontecimentos com a aprendizagem prévia e a aprendizagem não está rela-cionada com as experiências, com acontecimentos ou objetos.

Por outro lado, a aprendizagem significativa tem, segundo os mesmos autores, as seguintes características, completamente opostas:

• a incorporação dos novos conhecimentos na estrutura cognitiva faz-se de modo não arbitrário, substantantivo e não literal (ou seja, com fortes ligações ao conhecimento prévio do indivíduo);

• há um esforço deliberado para ligar os novos conhecimentos a conceitos de nível superior, mais inclusivos, na estrutura cognitiva;

• a aprendizagem é relacionada com as experiências e com acontecimentos ou objetos;

• há um compromisso afetivo para relacionar os novos conhecimentos com a aprendizagem prévia.

De entre as numerosas técnicas, utilizadas tanto na identificação e caracterização das estruturas conceituais individuais, como na promoção da sua reorganização destaca-se a elaboração de mapas de conceitos. Os Mapas de Conceitos, usados conjuntamente com outras estratégias de ensino, poderão facilitar a compreensão da natureza do conhecimento científico, quer realçando o seu caracter evolutivo, quer ilustrando a forma como esse conhecimento é construído.

Novak [8] define Mapa de Conceitos como um instrumento para organizar e representar conhecimento. O mapa de conceitos é uma representação gráfica em duas dimensões de um conjunto de conceitos, construída de tal forma que as relações entre eles sejam evidentes. Os conceitos aparecem dentro de caixas, nos nós do grafo, enquanto que as relações entre os conceitos são especificadas através das frases de ligação, nos arcos que unem os conceitos. A dois ou mais conceitos conectados por frases de ligação criando uma unidade semântica, chamada proposição. De acordo com Novak, o eixo vertical expressa um modelo hierárquico para os conceitos onde os mais gerais aparecem na parte superior e os mais específicos nas partes inferiores.

Paralelamente à criação e aplicação de Mapa de Conceitos no âmbito das Ciências da Educação, surgiu muito mais recentemente no seio das Ciências da Informação um outro instrumento de representação do conhecimento designado por Topic Maps.

A norma ISO 13250 Topic Maps [12] é um formalismo para a representação de conhecimento sobre a estrutura de um determinado sistema de informação. Qualquer conceito por

mais abstrato ou concreto que seja representa um tópico. Os tópicos podem ter associações com outros tópicos e podem possuir ocorrências (instâncias concretas do lado do sistema de informação). A informação associada a um tópico é calculada em função das associações e ocorrências desse tópico. O conjunto de tópicos, associações e ocorrências é um topic map.

Os Topic Maps são suficientemente abstratos para especificar qualquer coisa e suficientemente formais para que seja possível a criação de ferramentas de processamento e de navegação. Desta forma, o sistema que se apresenta na seção seguinte utiliza a norma ISO 13250 Topic Maps para a gestão do conhecimento encontrado nos documentos didáticos editados por um docente.

III. O SISTEMA E-NSINO Hoje em dia, os docentes se utilizam das mais variadas

ferramentas para a produção de seus documentos didáticos, como editores de textos e apresentações convencionais. Contudo, essas ferramentas não foram projetadas especificamente para a produção de documentos didáticos; neles podem ser produzidos quaisquer tipo de documentos. Devido a este fato, os documentos gerados por tais ferramentas acabam por possuir formas distintas entre si, justamente por não haver uma preocupação com a estruturação da informação contida em tais documentos.

A necessidade de haver uma estruturação da informação nos documentos didáticos se dá no momento em que o docente necessita fazer pesquisas sobre os seus documentos. Por exemplo, supondo que o docente queira saber quais são as questões que abordem o tema História em suas dezenas de provas aplicadas ao longo de sua carreira acadêmica, uma simples procura através de um motor de busca (como o encon-trado nos sistemas operacionais) não será o suficiente, pois tais motores de busca retornam apenas se as palavras foram mencionadas no texto, sem preocupar-se com o contexto das mesmas.

Além disso, possuindo uma estruturação padrão para os principais tipos de documentos didáticos, pode-se separar o conteúdo dos documentos de sua formatação, sendo possível desenvolver processadores responsáveis por produzir diversos formatos de saída para o mesmo tipo de documento. Desta forma, o docente preocupa-se somente com o conteúdo do material didático que está desenvolvendo; posteriormente, no momento de disponibilizar tal material, ele define qual será o formato de saída (HTML, RTF, PDF, LaTeX, TXT, ...) e sua própria formatação (fontes, tamanhos, parágrafos, ...), pois o sistema todo está baseado em XML (Extensible Markup Language) [16].

Visando resolver estas questões, o presente projeto destinase à construção de um sistema para apoio à produção de conteúdos para docentes. Assim, os materiais didáticos foram divididos em três grupos: provas, apostilas e apresentações (slides). Desta forma, cada um destes tipos de

LIBRELOTTO E CASSAL: INTEGRANDO A PRODUÇÃO DE DOCUMENTOS DIDÁCTICOS

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documentos foi estruturado de acordo com as necessidades definidas por um grupo de docentes participantes do projeto.

Para a organização do conhecimento encontrado nos documentos didáticos, optou-se pela utilização de ontologias [13]. A partir da camada semântica representada por uma ontologia, torna-se possível a geração de páginas Web para cada uma das disciplinas, contendo os documentos relacionados entre si através dos seus temas. Com a uma interface Web gerada automaticamente, os alunos tem acesso a todo o con-teúdo da disciplina, organizado através da própria ontologia.

A. Arquitetura do sistema e-Nsino A arquitetura funcional do sistema proposto pode ser

dividida em quatro grandes componentes, os quais são descritos a seguir e são mostrados na Figura 1.

A Figura 1 apresenta a idéia aqui defendida. Os docentes editarão seus materiais didáticos em editores personalizados, especificamente criados para cada tipo de material didático. Os documentos editados são armazenados em formato XML, próprio para o intercâmbio entre aplicações e processamento de documentos, de acordo com um dos seguintes esquemas:

• Xlessons: para a produção de documentos gerais, tais como: guia de aula teórica, guia de aula laboratorial, folhas de exercícios, apostilas, artigos, ...;

• Xexams: para a produção dos documentos dos exames referentes aos exames e provas;

• Xslides: para a produção dos documentos referentes às apresentações (slides).

A partir do conjunto de documentos XML gerados pelos editores, o sistema permite a geração de vários tipos distintos de documentos, tais como PDF, RTF, HTML, TXT e LaTeX, fazendo uso de processadores XSL (eXtensible Stylesheet Language) especializados. O armazenamento físico dos documentos produzidos é em uma sub-árvore no sistema de diretórios do servidor.

Os documentos XML gerados pelos editores também servirão como fonte de entrada no Oveia [4]. A partir destas fontes XML, o Oveia então encarrega-se de extrair um topic

map no formato XTM (XML Topic Maps) [9], o qual irá representar todos os conceitos contidos nestes documentos, assim como os relacionamentos entre estes conceitos.

Com o topic map gerado pelo Oveia, a ferramenta Ulisses [4] produz um conjunto de páginas Web geradas automaticamente a partir da ontologia expressa no topic map que vai permitir o acesso aos documentos produzidos pelo docente.

IV. PRODUÇÃO DE DOCUMENTOS DIDÁTICOS Todas as aplicações para a produção de documentos

partilham a mesma filosofia: baseiam-se nos princípios da documentação estruturada e utilizam anotação descritiva para estruturar os documentos que são produzidos. Esta metodologia tem grandes implicações. A primeira é a de que o formato não é livre, tem uma representação textual, a sua estrutura é completamente descrita através de anotações e está formalmente especificada em uma gramática formal.

As vantagens na utilização da anotação descritiva estão bem documentadas na bibliografia [6] (cap. 2, pág. 14) mas pode-se realçar as mais importantes: portabilidade, reuso, reconfiguração do aspecto visual e longevidade, pois a informação está em um formato neutro e de fácil processamento.

Um documento XML tem uma estrutura lógica à qual corresponde uma hierarquia de elementos. Cada elemento é diferenciado dos restantes através de anotações que são adicionadas ao documento. Nesta perspectiva, um documento é composto por dois tipos de informação: dados e anotações.

Tendo em mãos um documento XML, pode-se transformá-lo em qualquer outro tipo de documento através de transformações com XSL (Extensible Stylesheet Language). A idéia fundamental do uso casado de XML e XSL é separar conteúdo de forma de apresentação. O conteúdo em XML possui marcadores muito simples, que podem ser lidos, tanto por humanos como por máquinas. XSL permite especificar como se quer que o texto em XML seja mostrado ao usuário (cores e tamanhos de fontes, tabulações, etc.) assim como o formato dos arquivos.

Sendo assim, adotou-se o formato XML para a representação dos documentos didáticos deste sistema de produção de conteúdos e XSL para as transformações destes documentos para os formatos desejados pelo docente.

A. Tipos de Documentos Didáticos No âmbito de uma sala de aula, os principais documentos

didáticos são: provas, apresentações e apostilas. As próximas subseções tratam, de forma individual, cada um destes tipos de documentos.

Provas: No contexto do sistema e-Nsino, as provas geradas pelo docente são consideradas provas estáticas, ou seja, elas são apenas mostradas como um documento gerado para a impressão em papel ou para sua disponibilização na Web.

As provas podem conter diversas questões, as quais podem ser divididas em:

Fig. 1. Arquitetura funcional do sistema e-Nsino.


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• Múltipla escolha: uma questão tem um conjunto de respostas; o aluno tem que indicar a que está correta;

• Verdadeiro e Falso: cada questão tem duas possíveis respostas; o aluno tem que indicar, para cada questão, se a resposta é verdadeira ou falsa;

• Desenvolvimento: para cada questão, o aluno tem à sua disposição uma área em branco, onde deverá desenvolver a sua resposta à questão.

• Completar: no enunciado de cada questão, existem algumas lacunas que devem ser preenchidas pelo aluno.

• Relacionar: em cada questão, duas colunas deverão ser associadas.

As questões de cada prova não precisam pertencer

rigorosamente a apenas um destes tipos. Para se conseguir isto, cada questão é tratada individualmente, tornando-se na unidade base para a composição das provas.

Abaixo apresenta-se a Gramática Livre de Contexto (GLC) da linguagem Xexams:

Exam ::= head body footnote? Head ::= student date student_grade? course? area? Discipline code_discipline? Teacher exam_rate image? observation? ano? institution Body ::= question comment? Question ::= (true_false | written | multiple_choice | associate | complete)+ True_false ::= direction affirmation image? Direction ::= (item | noitem)+ Item ::= subitem? Subitem ::= subsubitem? Affirmation ::= (text answer justification?)+ Text ::= (item | noitem)+ Written ::= direction answer+ image? Multiple_choice ::= direction affirmation_choice? alternatives+ answer image? Associate ::= direction+ affirmation_associate image? Affirmation_associate ::= (column1, column2)+ Complete ::= direction+ affirmation complete+ Affirmation_complete ::= answer* Footnote ::= message institution? Image ::= uri, formate, label A partir desta GLC, foi construído o XML Schema

correspondente, o qual fará a validação sintática dos documentos XML que criados pelos editores referente às provas. Para dar a idéia de uma prova definida na aplicação Xexams, mostra-se abaixo um pequeno excerto:

<questions> <question numberQ="Q1"> <description> <para>A cidade de Portugal onde foi o XATA em 2007 é:</para> </description> <choices> <choice answer="false"> <para>Porto;</para> </choice> <choice answer="false"> <para>Braga;</para> </choice> <choice answer="true"> <para>Lisboa;</para> </choice> </choices> </question>

... </questions> Neste exemplo, define-se apenas uma questão do tipo

booleano. Entretanto, após a tag </question>, outras questões podem ser incluídas neste documento, no lugar do “...”.

Ou seja, os elementos <questions> são compostos por um ou mais elementos <question>, os quais contém cada uma das questões da prova.

Apresentações (slides): A aplicação Xslides foi desenvolvida para estruturar os documentos referentes às apresentações (slides), seguindo a mesma filosofia descrita na seção anterior.

Cada lâmina de uma apresentação pode ser estruturada de diversos formatos, tais como: texto, ítens, parágrafos simples, figuras, imagens, misturas de imagens com texto, texto em colunas, entre outros. Com isso, garante-se que os principais formatos de lâminas podem ser construídos pelo docente.

Assim como na subseção anterior, inicialmente definiu-se uma GLC referente ao Xslides para, em seguida, gerar um XML Schema correspondente a este tipo de documento, onde expressa-se as regras formais e as restrições quanto aos tipos de dados e os valores aceitos em cada campo.

Aulas práticas e aulas laboratoriais: Este é, talvez, o tipo de documento mais complexo no ambiente aqui proposto. Isso porque uma apostila pode ter inúmeros tipos de construções como, por exemplo: parágrafos; figuras; tabelas; lista de ítens numeradas e não-numeradas; palavras em negrito, itálico e sublinhado; links; marcações XML; blocos de código; entre outros.

Para atingir esse objetivo, o DocBook [14] foi adotado como base, pois o mesmo foi projetado tendo em mente a escrita de documentos estruturados usando SGML ou XML, o qual é apropriado para escrever livros técnicos e artigos. O DocBook XML é definido como um conjunto de definições e regras que descrevem exatamente como um documento DocBook válido deve ser estruturado. Este formato está se tornando um padrão de fato para documentos técnicos e é suportado por um crescente número de aplicações e ferramentas.

Fig. 2. Interface do editor de apresentações.


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Assim sendo, criou-se uma versão resumida do padrão DocBook com seus principais construtores, acrescentando e alterando-se algumas particularidades deste padrão de acordo com as necessidades deste projeto.

Assim como os outros dois tipos de documentos didáticos apresentados anteriormente, também definiu-se previamente uma GLC para a linguagem Xlessons e posteriormente foi definido um XML Schema para a geração de aulas práticas e aulas laboratoriais. A partir desse XML Schema tornou-se possível a construção dos editores personalizados, dos processadores para geração de formatos de saída e também dos extratores de ontologia destes documentos que seguem o esquema aqui definido.No momento, está-se utilizando essa ferramenta em aulas, suportando assim as aulas práticas e sessões laboratoriais, onde as apostilas fornecidas em papel são substituídas por conjuntos de páginas Web acessíveis pela Internet (o que poderá causar outro tipo de questões relacionadas com os direitos autorais, fato este que está sendo analisado).

B. Edição dos Documentos Didáticos A geração dos documentos didáticos é efetuada a partir de

editores especializados criados especificamente para o esquema XML definido para cada um dos três tipos de documentos apresentados anteriormente. Desta forma, o resultado da edição realizada em cada editor será um documento XML que conterá toda a informação referente à prova, à apostila ou à apresentação criada, de acordo com o editor utilizado.

Com objetivo de proporcionar ao usuário do sistema uma interface onde o mesmo possa desenvolver seu material de aula – provas, apostilas e apresentações – foram criados editores personalizados para cada tipo de material específico.

Para o desenvolvimento dos editores foi utilizada a linguagem PHP, o Sistema Gerenciador de Banco de Dados MySQL juntamente com Ajax, gerando como saída documentos XML a fim de tornar os editores flexíveis quanto a questão de portabilidade, e com uma interface amigável e funcional para o usuário.

Após a edição do material didático, será gerado um documento XML que respeita a estrutura formalizada pelo XML Schema referente ao material editado em questão.

Na edição de uma prova, o professor tem a disposição uma lista com os cinco possíveis tipos de questões onde ele fará a escolha da questão que deseja inserir na prova, as questões podem ser inseridas de forma aleatória, conforme a necessidade do professor. Uma vez escolhida a questão e inserida na área de edição da prova, o professor digitará as informações referentes a questão conforme o tipo de questão escolhida. Também haverá a possibilidade de se excluir uma questão e alterar o tipo da mesma. Ainda para auxiliar na formatação da prova, o professor também contará com uma barra de formatação, onde o mesmo poderá alterar o tipo de fonte, cor, tamanho e disposição do texto, além de colocar o texto em negrito, itálico e/ou sublinhado.

No editor de apostilas, o docente poderá criar as suas apostilas conforme suas necessidades, tento a sua disposição ferramentas que o permitirão tornar o conteúdo mais atrativo. Ele poderá inserir imagens, além de poder formatar o texto da forma que lhe pareça mais conveniente. Para tanto, ele contará com uma barra de formatação, onde poderá alterar o tipo de fonte, cor, tamanho e disposição do texto, além de colocar o texto dos slides em negrito, itálico e/ou sublinhado, entre outras formatações.

Tal como nos outros editores, na edição de apresentações o docente também contará com uma barra de formatação, onde o mesmo poderá alterar o tipo de fonte, cor, tamanho e disposição do texto, além de colocar o texto dos slides em negrito, itálico e/ou sublinhado, para citar apenas as principais. A Figura 2 dá uma noção da interface do editor de slides, a qual é similar aos dois editores introduzidos anteriormente.

A apresentação na Figura 2 é transformada pelo editor em um documento XML que segue o esquema de Xslides, conforme apresentado no pseudocódigo abaixo:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <slides xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:noNamespaceSchemaLocation="Xslides.xsd"> <slide> <layout_texts> <title_subtitle> <title>XML: Processamento Estruturado de Documentos</title> <subtitle>Optativa III</subtitle> </title_subtitle> </layout_texts> </slide> </slides>

C. Conversão de Formatos Após a edição de um documento, o mesmo é salvo pelo

editor em um formato XML previamente descrito. Desta forma, utiliza-se a linguagem XSL para seu processamento. De acordo com as vantagens de se utilizar XSL descritas no princípio desta seção, optou-se por construir um lote de folhas de estilos XSLT e XSL:FO para a conversão de cada documento XML gerado pelos editores para os seguintes formatos:

• HTML: Para cada documento didático, é gerado uma página Web. No caso das apresentações, cada lâmina corresponde a uma página; a apresentação conterá ainda um índice e a capa;

• PDF: Para a produção dos documentos PDF, é utilizado o processador Apache FOP e folhas de estilo XSL:FO;

• LaTeX: No âmbito do sistema e-Nsino, é utilizado o Beamer (uma classe LaTeX) para composição de apresentações, as quais terão o formato PDF ou PS;

• RTF: Com documentos no formato RTF, o docente pode utilizar seus documentos em editores de texto que trabalham com este formato.

• TXT: Geração de documentos textuais puros. A escolha destes cinco formatos acima citados foi baseada

nos formatos abertos mais utilizados para a produção e


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armazenamento de documentos didáticos. Contudo, para acrescentar um novo formato de saída para o ambiente e-Nsino basta desenvolver um novo conjunto de folhas de estilos XSL para transformar os documentos (que obedecem os esquemas XML dos documentos didáticos) em outro formato qualquer.

Os processadores e as correspondentes folhas de estilos XSL são acionados automaticamente pelo docente, de forma que após a conclusão da edição de seus documentos, os mesmos são salvos no formato XML e transformados para os formatos acima citados, de forma transparente para o docente.

V. GERAÇÃO DAS PÁGINAS WEB Com o conjunto de documentos XML gerados pelo docente

ao operar os editores especializados, o próximo passo é a geração automática das páginas Web a serem disponibilizadas aos alunos. Contudo, estas páginas criadas correspondem a uma organização abstrata e virtual dos documentos produzidos, cuja organização abstrata é dada através da especificação de uma ontologia.

Dos vários formalismos e modelos inerentes possíveis para a representação de ontologias para a Web, foi selecionada a norma ISO 13250 Topic Maps [12] devido ao seu elevado grau de abstração e independência aos dados, o que os torna ideais para quem quer gerar ferramentas automáticas.

Assim, para a criação, armazenamento e processamento da ontologia que representa o conhecimento extraído sobre o material didático, são utilizados dois módulos do ambiente Metamorphosis [4]: o Oveia e o Ulisses. O Metamorphosis é um ambiente para extração, validação, armazenamento e navegação de Topic Maps, composto por três módulos: Oveia, XTche e Ulisses.

Resumidamente, a idéia principal é extrair um pequeno conjunto de metadados de cada fonte de informação, construir uma rede semântica de conceitos e relações entre conceitos e povoá-la com os metadados previamente extraídos das fontes. Mais tarde, esta base de conhecimento é utilizada para guiar semanticamente o usuário na navegação até chegar aos dados que efetivamente lhe interessam.

A. Criação da Ontologia com o Oveia O Oveia é um extrator de ontologias representadas em

Topic Maps. Sua arquitetura é composta por duas especificações e os referentes processadores [4]: a primeira, escrita na linguagem XSDS (XML Specification for DataSources/DataSets), especifica os dados a serem extraídos das fontes de informação; enquanto que a segunda, escrita na linguagem XS4TM (XML Specification for Topic Maps), é responsável por definir a ontologia a ser gerada. Com base nestas especi-ficações, o extrator busca as informações nas fontes de infor-mação e produz um topic map representado no formato XTM.

No caso do e-Nsino, ambas especificações (XSDS e XS4TM) são produzidas e atualizadas no momento da edição de cada documento pelo docente. Desta forma, quando o docente deseja criar as páginas Web referente às suas aulas,

basta executar a aplicação em questão, pois tanto os documentos XML e as especificações estarão disponíveis. O resultado deste processamento é um documento XTM contendo a ontologia extraída das fontes de informação editadas pelo docente.

Tomando como base os documentos Xslides, Xlessons e Xexams apresentados na seção IV, o sistema e-Nsino efetua a extração automática da ontologia representada nos documentos editados pelo docente e a representa de acordo com o formato XTM. A Figura 3 apresenta uma visão dessa representação.

Como se pode perceber na Figura 3, o topic map serve como um índice, o qual indexa todos os documentos encontrados no sistema de acordo com os temas aos quais cada documento versa. Assim, todos os temas são representados por páginas, as quais estão relacionadas entre si através de associações. Por fim, as páginas possuem ocorrências que apontam para os documentos correspondentes.

B. Geração de Interfaces Web com o Ulisses O sistema e-Nsino faz uso da ferramenta Ulisses para a

criação das páginas Web. O Ulisses é uma ferramenta para visualização de topic maps baseada em conceitos de navegação em grafos, permitindo uma navegação na sua rede conceitual, além de acessar todos os recursos de informação apontados pelas ocorrências. O resultado é a criação de páginas Web a partir de um topic map, como o gerado pelo Oveia.

A idéia sobre a qual se baseou o Ulisses é a idéia da navegação conceitual, a qual pode ser descrita como: quando se está posicionado sobre um certo tema, a ferramenta de navegação mostrará as informações associadas a este tema em particular; se for escolhido algum dos outros temas relacionados, a navegação muda para a visão deste novo tema; se for escolhido algum dos recursos de informação, o sistema mostrará o conteúdo do próprio recurso.

O Ulisses fornece uma navegação completa sobre topic maps. A representação do conhecimento é apresentado de uma forma simples e precisa, formando uma rede semântica baseada em tópicos e associações. Quando se acessa às

Fig. 3. Ontologia extraída dos documentos didáticos.


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informações referente a um determinado tópico no Ulisses como na Figura 4, visualizam-se suas características (o seu tipo, suas instâncias, seus identificadores de tema, seus nomes e suas ocorrências) e as associações relacionadas com este tópico (incluindo os papéis de associação atuado por ele e os tópicos associados) [11].

A visão apresentada na Figura 4 é uma página Web que está situada no nodo correspondente ao tema XML Topic Map Builder, um artigo apresentado no XATA 2003. Este mesmo topic map pode ser visualizado conforme um grafo, como mostra a Figura 5.

Deste modo, o topic map é visto como um grafo onde cada tópico (tema) é representado como um nodo do grafo e as associações são representadas pelas relações entre os nodos. Desta forma, pode-se navegar por todo o topic map, passando de tópico a tópico, a partir das associações entre os mesmos.

Ao permitir criar um mapa virtual sobre as fontes de informação, esta tecnologia permite-nos obter diferentes vistas refletindo diferentes organizações da informação sem que as fontes de informação sejam alteradas.

VI. AVALIAÇÃO DO AMBIENTE E-NSINO O desenvolvimento de aplicativos para Internet está cada

vez maior. Como a quantidade de páginas Web tem aumentado gradativamente, os autores devem ter a preocupação com a eficiência e a qualidade de seus sites, principalmente nos aspectos de usabilidade, acessibilidade e testes.

A. Usabilidade e Acessibilidade A qualidade de uma boa página Web está relacionada à

aparência visual e à estrutura da informação, permitindo que os usuários encontrem o que estão procurando de forma rápida e eficiente. Como a ferramenta proposta gera automaticamente páginas Web com interface gráfica, contendo textos, tabelas, imagens e ilustrações preocupou-se em apresentar páginas atrativas e funcionais considerando os critérios de usabilidade e acessibilidade para Web.

A avaliação de interfaces não deve ser considerada unicamente na etapa de design, mas deve ser executada em todo processo de desenvolvimento de um software, fazendo análise dos resultados e melhorias gradativas na interface [5] (cap. 4, pág. 163). Seguindo esta consideração, cabe ressaltar que no processo de desenvolvimento do sistema, a avaliação foi aplicada em paralelo com o desenvolvimento do software.

De acordo com o documento da W3C-WAI [17], consi-derado uma referência para os princípios de acessibilidade e design, têm-se como recomendação dois temas genéricos: assegurar uma transformação harmoniosa e tornar o conteúdo compreensível e navegável. Para apresentar uma transformação harmoniosa e tornar o conteúdo compreensível e navegável, o sistema apresenta as seguintes características:

• Separa a estrutura da apresentação; • Fornece descrição para elementos não textuais; • Identifica os cabeçalhos de linha e de coluna em tabelas; • Cria documentos independentes de plataforma; • Inclui ferramentas de navegação e orientação; A verificação da usabilidade em sistemas pode ser realizada

através de diversos métodos de avaliação. Os objetivos principais desta verificação são: avaliar a funcionalidade, avaliar o impacto do design junto ao usuário e identificar problemas específicos com o design.

Uma das técnicas de avaliação da usabilidade é baseada em heurísticas. As heurísticas de usabilidade aplicadas neste projeto foram criadas por Nielsen [5] (cap. 4, pág. 170). Segundo o autor, esta técnica é fácil, rápida e barata. Cada avaliador percorre a interface diversas vezes inspecionando os diferentes componentes e ao detectar problemas relata quais heurísticas foram violadas.

Neste projeto aplicou-se este tipo de avaliação, onde em um primeiro momento detectou-se que as seguintes heurísticas foram violadas:

1. Controle do usuário e liberdade: não existiam opções de saída para os casos onde o usuário havia escolhido por engano alguma funcionalidade do sistema, ou seja, falta de funções como undo e redo;

2. Prevenção de erros: o sistema não previnia possíveis erros cometidos pelo usuário;

3. Flexibilidade e eficiência de uso: o sistema apresentava carências em formas de acesso mais rápida em algumas de suas funcionalidades, não oferecendo aos usuários mais experientes formas de acelerar a interação.

4. Help e documentação: a inexistência de um help que focalize as principais funcionalidades do sistema e direcione as tarefas do usuário também estava faltando no sistema.

Fig. 4. Navegação no Ulisses.

Fig. 5. Mapa Conceitual do topic map gerado.


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Como já foi descrito anteriormente, a avaliação foi aplicada durante o processo de desenvolvimento do sistema estes problemas identificados através da avaliação com estas heurísticas já foram corrigidos, possibilitando melhorias na interface, para a obtenção da usabilidade.

Cabe ressaltar que não foram diagnosticados problemas na interface do software quando analisado sob as seguintes heurísticas: visibilidade do status do sistema, compatibilidade com o mundo real, consistência e padrões, ajudar os usuários a reconhecer, diagnosticar e corrigir erros, estética e design minimalista e reconhecimento ao invés de relembrança.

B. Implementação e Testes A implementação do ambiente e-Nsino fez uso de diversas

tecnologias, sempre visando a utilização do ambiente em diversas plataformas. Conforme citado anteriormente, todos os editores apresentados na subseção IV-B foram implementados nas linguagens PHP e Ajax, utilizando o banco de dados MySQL para a gestão das contas de usuários e XML para o armazenamento dos documentos. Por sua vez, os parsers com a função de converter os documentos didáticos em diferentes formatos foram programados com a linguagem XSL. A implementação dos ambientes Oveia e Ulisses foi efetuada na linguagem Java.

A atividade de testes é uma etapa indispensável no desenvolvimento de um software. Dada a diversidade dos testes de software existentes, é vantajoso considerar os tipos de testes, à medida que se tornam disponíveis a um projetista. Sendo assim, os principais tipos de testes são [15] (cap. 17):

1. Testes de Desempenho: determinam o desempenho do sistema de software como tempo de execução, ou seja, durante o tempo de execução do software associado a várias partes do código, ao tempo de resposta e à utilização do dispositivo.

2. Testes Funcionais: são os testes que abordam e enfatizam as entradas, saídas e princípios funcionais dos módulos do software.

3. Testes Estruturais: destinam-se ao exercício da lógica interna de um sistema de software.

4. Testes de Validação: série final dos testes de software. A validação é bem sucedida, quando o software funciona de uma maneira razoavelmente esperada pelo usuário.

5. Testes de Aceitação: são testes formais conduzidos para determinar quando o sistema de software satisfaz os critérios de aceitação e, portanto, é aceito de acordo com as necessidades do usuário.

No e-Nsino foram aplicados todos os testes acima descritos, porém a ênfase maior foi dada na aplicação dos Testes de Aceitação, porque trata diretamente com o envolvimento do usuário no desenvolvimento dos requisitos e critérios de aceitação. Portanto, o objetivo deste tipo de teste foi de verificar se o software atendeu às necessidades do usuário.

Os testes foram aplicados com questionários aos usuários com o objetivo de verificar a eficiência e a eficácia do sistema. Os questionários foram respondidos pelos usuários

em seu ambiente de trabalho, sem a presença do desenvolvedor. Após o preenchimento, o software foi corrigido e novamente testado para verificar se os erros foram solucionados.

VII. CONCLUSÃO O sistema e-Nsino surgiu, inicialmente, como uma

aplicação prática do ambiente Metamorphosis, resultado de uma tese de doutorado [3]. Desta forma, uniu-se ontologias com ensino a distância, criando um ambiente que permite ao docente uma edição especializada dos seus documentos didáticos, a geração de vários formatos distintos para cada documento, além de gerar interfaces Web para a disponibilização dos mesmos guiadas através de uma rede semântica.

Uma das principais vantagens do e-Nsino é a utilização de XML em todos os seus módulos. Com isso, garante-se a portabilidade e o reuso dos documentos criados, a independência entre software e hardware, além de facilitar a manutenção e o desenvolvimento de demais tecnologias para serem acrescentadas a este ambiente.

Atualmente, o e-Nsino está sendo utilizado por professores dos cursos de Ciência da Computação e Sistemas de Informação do Centro Universitário Franciscano (UNIFRA). Na maioria dos casos práticos, percebe-se que o ambiente tem sido utilizado para disciplinas ministradas a distância, onde o portal Web da mesma é gerado automaticamente pelo próprio ambiente, disponíveis na intranet da instituição. Contudo, em alguns casos o e-Nsino serviu como base para a preparação propriamente dita do material didático. Os resultados da utilização do ambiente na prática por docentes serviram para detectar melhorias que já estão empregadas na versão atual do sistema; outras, entretanto, somente serão implementadas na sua próxima versão.

Em termos de trabalhos futuros, um dos projetos é a criação de um sistema para a avaliação automática das provas geradas pelo sistema. Assim, as provas poderão ser dinâmicas a ponto de serem feitas via Web pelos alunos, podendo possuir alguns termos funcionais, tais como questões com tentativa única e limite temporal para a resposta.

Outro objetivo a ser posto em prática na próxima versão do e-Nsino é a utilização de documentos didáticos existentes, ou seja, que o docente já tenha criado previamente, fazendo com que ele não tenha a necessidade de editá-los através do próprio ambiente. Para isso, será utilizado o extrator de ontologias Oveia [4], o qual permite a extração automática de uma ontologia a partir de um sistema de informação que pode ser composto de bancos de dados e documentos de diversos formatos distintos. Desta forma, qualquer documento didático poderá ser posto na rede semântica de uma disciplina ou curso, independente do formato ou do editor utilizado para sua construção.


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REFERÊNCIAS

[1] Advanced Distributed Learning, Sharable Content Object Reference Model – SCORM 2004, 2nd Edition – Overview, 2004.

[2] D. P. Ausubel, Educational Psychology, A Cognitive View. New York: Holt, Rinehart and Winston, Inc, 1968.

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[4] G. R. Librelotto and J. C. Ramalho and P. R. Henriques, Metamorphosis - A Topic Maps Based Environment to Handle Heterogeneous Information Resources, In Lecture Notes in Computer Science, volume 3873, pages 14–25, Springer-Verlag GmbH., 2006.

[5] H. V. Rocha and M. C. C. Baranauskas, Design e Avaliaзгo de Interfaces Humano-Computador, Campinas, SP:NIED/UNICAMP, 2003.

[6] J. C. Ramalho and P. R. Henriques, XML & XSL: Da Teoria а Prбtica, FCA Editora, 2002.

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[8] J. Novak and A. Caсas, The Theory Underlaying Concept Maps and How to Construct Them, Technical Report IHMC CmapTools 2006-01, Institute for Human and Machine Cognition, 2006.

[9] J. Park and S. Hunting, XML Topic Maps: Creating and Using Topic Maps for the Web, ISBN 0-201-74960-2, Addison Wesley, 2003.

[10] R. Koper and B. Olivier and T. Anderson (Editors), IMS Learning Design Information Model. Version 1.0. IMS Global Learning Consortium, 2003.

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[12] M. Biezunskyand M. Bryan and S. Newcomb, ISO/IEC 13250 – Topic Maps, ISO/IEC JTC 1/SC34, 1999.

[13] N. Guarino, Formal Ontology and Information Systems. In Conference on Formal Ontology (FOIS98), 1998.

[14] N. Walsh and L. Muellner, Docbook: The Definitive Guide, O’Reilly & Associates, 1999.

[15] R.S. Pressman, Engenharia de Software. 5 ed. Rio de Janeiro: Mc Graw-Hill, 2002.

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[17] W3C-WAI, Web Accessibility Initiative, http://www.w3.org/WAI/, 2006.

[18] W. Hodgins, WG12: Learning Object Metadata, http://ltsc.ieee.org/wg12/, 2003.

Giovani Rubert Librelotto é Doutor em Informática pela Universidade do Minho, Portugal, desde 2005. Em 2001, obteve o título de Mestre em Ciência da Computação pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Atualmente é professor titular do Centro Universitário Franciscano (UNIFRA), em Santa Maria, RS. É professor dos cursos de Mestrado em Nanociências e de Graduação de Ciência da

Computação e Sistemas de Informação. Publicou diversos artigos em periódicos especializados e em anais de eventos nacionais e internacionais. Atualmente coordena 2 projetos de pesquisa. Suas principais áreas de interesses são: eXtensible Markup Language (XML), Topic Maps, Compiladores, Semantic Web, Constraint Languages e Linguagens de Programação.

Marcos Luís Cassal possui graduação em Informática pela Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul (1995) e mestrado em Ciências da Computação pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2001). Atualmente é professor titular do Centro Universitário Franciscano. Atua principalmente

nos seguintes temas: Computação Gráfica, Geometria Sólida Construtiva - CSG, Realismo, OpenGL.

IEEE-RITA (http://webs.uvigo.es/cesei/RITA)


Volumen 2, Número 1: Lista de Revisores

Addison Salazar Afanador, Universidad Politécnica de Valencia,

España Alberto Jorge Lebre Cardoso,

Universidad de Coimbra, Portugal Alfredo Fernández Valmayor,

Universidad Complutense de Madrid, España

Ana Arruarte Lasa, Universidad del País Vasco, España

Angel Mora Bonilla, Universidad de Málaga, España

Angélica de Antonio Jiménez, Universidad Politécnica de Madrid,

España Antonio J. Méndez, Universidad de

Coimbra, Portugal Baltasar Fernández, Universidad Complutense de Madrid, España Basil M. Al-Hadithi, Universidad

Alfonso X El Sabio, España Carlos Vaz do Carvalho, INESP,

Portugal Carmen Fernández Chamizo,

Universidad Complutense de Madrid, España

Cecilio Angulo Bahón, Universidad Politécnica de Catalunya , España César Alberto Collazos Ordóñez, Universidad del Cauca, Colombia Claudio da Rocha Brito, COPEC,

Brasil Crescencio Bravo Santos,

Universidad de Castilla-La Mancha, España

Daniel Montesinos i Miracle, Universidad Politécnica de

Catalunya, España David Benito Pertusa, Universidad

Publica de Navarra, España Edmundo Tovar, Universidad Politécnica de Madrid, España

Faraón Llorens Largo, Universidad de Alicante, España

Fernando Pescador, Universidad Politécnica de Madrid, España

Francisco Arcega, Universidad de Zaragoza, España

Francisco Jurado, Universidad de Jaen, España

Gracia Ester Martín Garzón, Universidad de Almeria, España

Inmaculada Plaza, Universidad de Zaragoza, España

Ismar Frango Silveira, Universidad de Cruzeiro do Sul, Brasil

Jaime Sánchez, Universidad de Chile, Chile

Javier Areitio Bertolin, Universidad de Deusto, España

Javier González Castaño, Universidad de Vigo, España

Jorge Alberto Fonseca e Trindade, Escola Superior de Tecnología y

Gestión, Portugal Jose Ángel Irastorza Teja,

Universidad de Cantabria, España José Carpio, UNED, España José Javier López Monfort,

Universidad Politécnica de Valencia, España

José Luis Guzmán Sánchez, Universidad de Almeria, España

José Luis Sánchez Romero, Universidad de Alicante, España

Juan Carlos Soto Merino, Universidad del Pais Vasco, España Juan I. Asensio Pérez, Universidad

de Valladolid, España Juan Suardíaz Muro, Universidad Politécnica de Cartagena, España Luis Fernando Mantilla Peñalba, Universidad de Cantabria, España

Luis Zorzano Martínez, Universidad de La Rioja, España

Manuel Benito Gómez, Universidad del Pais Vasco, España

Manuel Caeiro Rodríguez, Universidad de Vigo, España

Manuel Castro Gil, UNED, España Manuel Fernández Iglesias,

Universidad de Vigo, España

Manuel Ortega, Universidad de Castilla La Mancha, España

Manuel Pérez Cota, Universidad de Vigo, España

Mario Muñoz Organero, Universidad de Carlos III, España

Marta Costa Rosatelli, Universidad Católica de Santos , Brasil

Martín Llamas Nistal, Universidad de Vigo, España

Maria Antonia Martínez Carreras, Universidad de Murcia, España

Mateo Aboy, Instituto de Tecnología de Oregón, USA

Miguel Angel Gómez Laso, Universidad Pública de Navarra,

España Miguel Ángel Redondo Duque,

Universidad de Castilla-La Mancha, España

Miguel Angel Salido, Universidad Politécnica de Valencia, España

Miguel Rodríguez Artacho, UNED, España

Oriol Gomis Bellmunt, Universidad Politécnica de Catalunya, España

Paloma Díaz, Universidad Carlos III de Madrid, España

Rafael Pastor Vargas, UNED, España

Raúl Antonio Aguilar Vera, Universidad Autónoma de Yucatán,

México Robert Piqué López, Universidad Politécnica de Catalunya, España

Víctor H. Casanova, Universidad de Brasilia, Brasil

Vitor Duarte Teodoro, Universidade Nova de Lisboa, Portugal

Vladimir Zakharov, Universidade Estatal Técnica MADI, Moscú,

Rusia Xabiel García Pañeda, Universidad

de Oviedo, España Yannis Dimitriadis, Universidad de

Valladolid, España

IEE

E-R

ITA

Vol. 2, N

um. 1, 05/2007

IEEE-RITA es una publicación lanzada por el Capítulo Español del IEEE (CESEI) a través de su Comité Técnico, de Acreditación y Evaluación (CTAE), y apoyada por el Ministerio Español de Educación y Ciencia a través de la acción complementaria TSI2005-24068-E, Red Temática del CESEI IEEE-RITA é uma publicação lançada pelo Capítulo Espanhol da Sociedade da Educação de IEEE (CESEI), através de seu Comitê Técnico, do Acreditação e da Avaliação (CTAE), e suportada pelo Ministério Espanhol da Educação e da Ciência com a ação complementaria TSI2005-24068-E, Rede Temática do CESEI. IEEE-RITA is a publication launched by the Spanish Chapter of the Education Society of IEEE (CESEI), through its Technical Committee, of Accreditation and Evaluation (CTAE), and supported by the Spanish Ministry of Education and Science through complementary action TSI2005-24068-E, Thematic Network of CESEI.

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