TecnoLógicas

Informática en la Educación

Experimental Analysis of the Performance of a PV System with a Centralized Inverter and Microinverters: A Study Case in Manizales

Resumen La generación de electricidad amigable con el medio ambiente es un factor fundamental para el crecimiento económico y social de cualquier país. Recientemente la instalación de sistemas de generación fotovoltaicos se ha incrementado a nivel local, aunque su rendimiento depende del lugar de instalación y se ve afectado por diversos parámetros ambientales como la radiación, la temperatura y la precipitación. En el presente trabajo se lleva a cabo un análisis experimental del rendimiento, en términos de potencia generada, de un sistema solar fotovoltaico con inversor centralizado y con microinversores, instalado en la ciudad de Manizales, ubicada a 2.150 m s.n.m., temperatura promedio de 16.4 °C y precipitación de 1.878 mm al año. Históricamente, este municipio presenta dos periodos de tiempo lluviosos con alta nubosidad entre los meses de abril - junio y octubre - diciembre, y dos periodos de tiempo menos lluviosos entre los meses de enero-marzo y julio-septiembre. Para el experimento se implementó un sistema de generación solar fotovoltaico conformado por seis paneles solares marca Hybrytec con 270 W de potencia de generación cada uno, y dos sistemas de monitoreo - (i) Wifi - Box® para el arreglo fotovoltaico con inversor centralizado y (ii) EnvoyTM para el arreglo fotovoltaico con microinversores. Los parámetros ambientales recolectados por la estación meteorológica La Nubia, ubicada en los alrededores del sistema solar, y los datos recolectados por los sistemas de monitoreo implementados son analizados en el periodo de tiempo comprendido entre los meses de julio de 2018 y mayo de 2019. Se observa y se concluye que, a pesar de los altos niveles de precipitación promedio acumulada mensual (entre 71 mm y 262,2 mm) y los altos niveles de nubosidad (nublado o mayormente nublado el 76 % del tiempo), el arreglo fotovoltaico con microinversores presenta un 16,5 % de energía generada por encima del arreglo con inversor centralizado.

Abstract Generating electricity in an environment-friendly manner is a key factor for the economic and social growth of any country. Recently, the installation of PV generation systems has increased, although their performance depends on the location and is affected by multiple environmental parameters, such as solar radiation level, temperature, and precipitation. This work presents an experimental analysis, in terms of generated power, of a PV system installed in Manizales using (a) a centralized inverter and (b) microinverters. Manizales (2150 m a.s.l.; average temperature, 16.4 °C; and annual precipitation, 1878 mm) has historically presented two rainy seasons with high levels of cloudiness in April-June and October-December, and two seasons with minimum rains in January-March and July-September. For this experiment, a PV generation system was implemented using six Hybrytec solar panels ranging up to 270 Watts per panel and two monitoring systems: (i) Wifi-Box® for the PV array with a centralized inverter and (ii) EnvoyTM for the PV array with microinverters. The authors employed environmental parameters collected at the meteorological station La Nubia, located in the surroundings of the solar power system, and data gathered by the PV monitoring systems between July 2018 and May 2019. Despite the high levels of monthly accumulated precipitation (between 71 mm and 262.2 mm) and cloudiness (cloudy and mostly cloudy 76 % of the time) in the area, the PV array generated 16.5 % more energy with the microinverters than with the centralized inverter.

Evaluation of the Physical Performance of an FTTH-GPON System for Quad Play Services After the Incorporation of an RoF Module

Resumen Este artículo propone el diseño y simulación de un módulo de radio frecuencia basado en un sistema de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) con modulación de amplitud en cuadratura (16-QAM) a una tasa de transmisión de datos de 10 Gbps y a una frecuencia de 10 GHz, utilizando la herramienta de simulación OptSim. Para ello, se diseñó a nivel de simulación un sistema de red con fibra hasta el hogar (FTTH)-óptica pasiva Gigabit (GPON) Triple Play (servicio de datos/voz a 2,5 Gbps y servicio de video CATV digital con 16-QAM a 0,8 Gbps) con el fin de integrar el módulo de radio sobre fibra (RoF) para ofrecer servicios Quad Play (Triple Play más Internet móvil). Posteriormente, se evaluó el desempeño para el enlace descendente a nivel físico del sistema FTTH-GPON después de que se incorporó el módulo RoF, con base en los parámetros de monitoreo de desempeño óptico (OPM), tales como: potencia de recepción óptica, magnitud del vector de error (EVM), diagrama de constelación, relación señal a ruido (SNR), tasa de error de bit (BER), Factor de calidad (Q) y diagrama del ojo. Los resultados muestran que es posible que los usuarios de las redes FTTH-GPON puedan contar, además de los servicios Triple Play, con un cuarto servicio (Internet móvil) ya que la calidad del servicio móvil está garantizada dentro del “último kilómetro” para redes de acceso, usando el despliegue actual de fibra óptica estándar, demostrando la factibilidad del sistema propuesto.

Abstract This article proposes the design and simulation of a radio frequency module based on an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system with Quadrature Amplitude Modulation (16-QAM) at a data transmission rate of 10 Gbps and a frequency of 10 GHz using the simulation tool OptSim. For that purpose, a Fiber To The Home (FTTH)-Gigabit Passive Optical Network (GPON) Triple Play system (voice/data service at 2,5 Gbps and digital CATV video service with 16-QAM at 0,8 Gbps) was designed in order to integrate a Radio over Fiber (RoF) module and offer Quad Play services (Triple Play plus mobile Internet). Subsequently, the physical performance of the downlink of the FTTH-GPON system was evaluated after the RoF module was incorporated, based on Optical Performance Monitoring (OPM) parameters such as: Optical Receiver Power, Error Vector Magnitude (EVM), Constellation Diagram, Signal to Noise Ratio (SNR), Bit Error Rate (BER), Quality (Q) Factor, and Eye Diagram. The results show that it may be possible for FTTH-GPON users to have, in addition to Triple Play services, a fourth one (mobile Internet) because the quality of the mobile service is guaranteed within the “last kilometer” for access networks using the current deployment of standard optical fiber, demonstrating the feasibility of the proposed system.

Word-Embeddings and Grammar Features to Detect Language Disorders in Alzheimer’s Disease Patients

Abstract Alzheimer's Disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder that affects the language production and thinking capabilities of patients. The integrity of the brain is destroyed over time by interruptions in the interactions between neuron cells and associated cells required for normal brain functioning. AD comprises deterioration of the communicative skills, which is reflected in deficient speech that usually contains no coherent information, low density of ideas, and poor grammar. Additionally, patients exhibit difficulties to find appropriate words to structure sentences. Multiple ongoing studies aim to detect the disease considering the deterioration of language production in AD patients. Natural Language Processing techniques are employed to detect patterns that can be used to recognize the language impairments of patients. This paper covers advances in pattern recognition with the use of word-embedding and word-frequency features and a new approach with grammar features. We processed transcripts of 98 AD patients and 98 healthy controls in the Pitt Corpus of the Dementia-Bank database. A total of 1200 word-embedding features, 1408 Term Frequency-Inverse Document Frequency features, and 8 grammar features were extracted from the selected transcripts. Three models are proposed based on the separate extraction of such feature sets, and a fourth model is based on an early fusion strategy of the proposed feature sets. All the models were optimized following a Leave-One-Out cross validation strategy. Accuracies of up to 81.7 % were achieved using the early fusion of the three feature sets. Furthermore, we found that, with a small set of grammar features, accuracy values of up to 72.8 % were obtained. The results show that such features are suitable to effectively classify AD patients and healthy controls.

Resumen La enfermedad de Alzheimer es un desorden neurodegenerativo-progresivo que afecta la producción de lenguaje y las capacidades de pensamiento de los pacientes. La integridad del cerebro es destruida con el paso del tiempo por interrupciones en las interacciones entre neuronas y células, requeridas para su funcionamiento normal. La enfermedad incluye el deterioro de habilidades comunicativas por un habla deficiente, que usualmente contiene información inservible, baja densidad de ideas y habilidades gramaticales. Adicionalmente, los pacientes presentan dificultades para encontrar palabras apropiadas y así estructurar oraciones. Por lo anterior, hay investigaciones en curso que buscan detectar la enfermedad considerando el deterioro de la producción de lenguaje. Así mismo, se están usando técnicas de procesamiento de lenguaje natural para detectar patrones y reconocer las discapacidades del lenguaje de los pacientes. Por su parte, este artículo se enfoca en el uso de características basadas en embebimiento y frecuencia de palabras, además de hacer una nueva aproximación con características gramaticales para clasificar la enfermedad de Alzheimer. Para ello, se consideraron transcripciones de 98 pacientes con Alzheimer y 98 controles sanos del Pitt Corpus incluido en la base de datos Dementia-Bank. Un total de 1200 características de embebimientos de palabras, 1408 características de frecuencia de término inverso vs. frecuencia en documentos, y 8 características gramaticales fueron calculadas. Tres modelos fueron propuestos, basados en la extracción de dichos conjuntos de características por separado y un cuarto modelo fue basado en una estrategia de fusión temprana de los tres conjuntos de características. Los modelos fueron optimizados usando la estrategia de validación cruzada Leave-One-Out. Se alcanzaron tasas de aciertos de hasta 81.7 % usando la fusión temprana de todas las características. Además, se encontró que un pequeño conjunto de características gramaticales logró una tasa de acierto del 72.8 %. Así, los resultados indican que estas características son adecuadas para clasificar de manera efectiva entre pacientes de Alzheimer y controles sanos.

Estimation of the Environmental Risk Caused by Pesticides in Pea Crops of Ipiales, Nariño-Colombia

Resumen En el municipio de Ipiales, departamento de Nariño, se concentra la mayor área cultivada con arveja (Pisum sativum) de Colombia, con cerca de 3.070 ha, en donde se ha identificado un alto uso de plaguicidas asociado al establecimiento del modelo productivo. Por tanto, el objetivo de este estudio es evaluar el riesgo de impacto ambiental que genera la aplicación de los principales fungicidas, insecticidas, herbicidas y bactericidas. Para ello, se consideraron tres grupos de campesinos, previamente identificados como C1, C2 y C3 con una muestra de diez fincas por grupo. En una parcela de cada finca se determinó la materia orgánica, pH, textura, densidad aparente, distancia a fuentes hídricas y se caracterizaron los plaguicidas usados en dos ciclos de cultivo de arveja. La información recolectada fue ingresada al sistema de soporte IIRAmb para estimar el indicador I-PHY, el cual determinó el impacto ambiental de los plaguicidas. Los resultados sugieren la presencia de 44 ingredientes activos, con un uso promedio finca de 25,1 kg/ha/año; el indicador I-PHY global presentó diferencias estadísticas significativas entre C1 (4,04) respecto a C2 (5,06) y C3 (5,28), estos últimos grupos, mostraron el mayor riesgo ambiental principalmente por el tipo de moléculas usadas y las condiciones en las cuales se desarrolló el cultivo. A partir de estos resultados se genera una herramienta de monitoreo y evaluación, con el fin de mejorar las intervenciones en el sistema para incrementar el nivel de sustentabilidad.

Abstract The Municipality of Ipiales (Department of Nariño, Colombia) concentrates the largest area cultivated with pea (Pisum sativum L.) in the country, nearly 3.070 ha, where an extensive use of pesticides has been associated with the implementation of a production-based model. Therefore, the objective of this study is to evaluate the environmental impact of the application of the most common fungicides, insecticides, herbicides, and bactericides. For that purpose, 30 farms were divided into three groups of ten farms each: C1, C2, and C3. The organic matter, pH, texture, apparent density, and distance to water sources of the plot of each farm were determined, and the pesticides used in the two cultivation cycles of pea were characterized. The collected information was entered into a support system, IIRAmb, in order to estimate the indicator, I-PHY, which determined the environmental impact of the pesticides. The results suggest the presence of 44 active ingredients, with an average use per farm of 25.1 kg/ha/year. The global I-PHY indicator presented significant statistical differences between C1 (4.04), C2 (5.06), and C3 (5.28). The last two groups showed the highest environmental risk, especially because the type of molecules they used and the conditions under which the crops developed. These results can be used to create a monitoring and evaluation tool in order to improve the adjustments to the system and increase its sustainability.

Cepstral Analysis and Hilbert-Huang Transform for Automatic Detection of Parkinson’s Disease

Abstract Most patients with Parkinson’s Disease (PD) develop speech deficits, including reduced sonority, altered articulation, and abnormal prosody. This article presents a methodology to automatically classify patients with PD and Healthy Control (HC) subjects. In this study, the Hilbert-Huang Transform (HHT) and Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCCs) were considered to model modulated phonations (changing the tone from low to high and vice versa) of the vowels /a/, /i/, and /u/. The HHT was used to extract the first two formants from audio signals with the aim of modeling the stability of the tongue while the speakers were producing modulated vowels. Kruskal-Wallis statistical tests were used to eliminate redundant and non-relevant features in order to improve classification accuracy. PD patients and HC subjects were automatically classified using a Radial Basis Support Vector Machine (RBF-SVM). The results show that the proposed approach allows an automatic discrimination between PD and HC subjects with accuracies of up to 75 % for women and 73 % for men.

Resumen La mayoría de las personas con la enfermedad de Parkinson (EP) desarrollan varios déficits del habla, incluyendo sonoridad reducida, alteración de la articulación y prosodia anormal. Este artículo presenta una metodología que permite la clasificación automática de pacientes con EP y sujetos de control sanos (CS). Se considera que la transformada de Hilbert-Huang (THH) y los Coeﬁcientes Cepstrales en las frecuencias de Mel modelan las fonaciones moduladas (cambiando el tono de bajo a alto y de alto a bajo) de las vocales /a/, /i/, y /u/. La THH se utiliza para extraer los dos primeros formantes de las señales de audio, con el objetivo de modelar la estabilidad de la lengua mientras los hablantes producen vocales moduladas. Pruebas estadísticas de Kruskal-Wallis se utilizan para eliminar características redundantes y no relevantes, con el fin de mejorar la precisión de la clasificación. La clasificación automática de sujetos con EP vs. CS se realiza mediante una máquina de soporte vectorial de base radial. De acuerdo con los resultados, el enfoque propuesto permite la discriminación automática de sujetos con EP vs. CS con precisiones de hasta el 75 % para los hombres y 73 % para las mujeres.

Visualization and Multiclass Classification of Complaints to Official Organisms on Twitter

Resumen Las redes sociales acumulan gran cantidad de información. Las actuales técnicas de Procesamiento de Lenguaje Natural permiten su procesamiento automático y las técnicas de Minería de Datos permiten extraer datos útiles a partir de la información recopilada y procesada. Sin embargo, de la revisión del estado del arte, se observa que la mayoría de los métodos de clasificación de los datos identificados y extraídos de redes sociales son biclase. Esto no es suficiente para algunas áreas de clasificación, en las que hay más de dos clases a considerar. En este artículo, se aporta un estudio comparativo de los métodos svm y Random Forests, para la identificación automática de n-clases en microblogging de redes sociales. Los datos recopilados automáticamente para el estudio están conformados por 190 000 tweets de cuatro organismos oficiales: Metro, Protección Civil, Policía, y Gobierno de México. De los resultados obtenidos, se recomienda el uso de Random Forests, ya que se consigue una precisión media del 81.46 % y una cobertura media del 59.88 %, con nueve tipos de quejas identificadas automáticamente.

Abstract Social networks generate massive amounts of information. Current Natural Language techniques allow the automatic processing of that information, and Data Mining enables the automatic extraction of useful info. However, a state-of-the-art review reveals that many classification methods only distinguish two classes. This paper presents a procedure to automatically classify tweets into several classes (more than two). The steps of the procedure are described in detail so that any researcher can follow them. The accuracy and coverage (instead of only coverage as usual in the literature) of two automatic classifiers (SVM and Random Forests) were analyzed in a comparative study. The procedure was applied to automatically identify more than two types of complaint from 190,000 tweets. According to the results, Random Forests should be used because they achieve an average accuracy of 81.46 % and an average coverage of 59.88 %.

Design of a Wireless Sensor Network for Optimal Deployment of Sensor Nodes in a Cocoa Crop

Abstract In this study, factorial experiments were conducted in two different scenarios to design a Wireless Sensor Network for monitoring a cocoa crop in a rural area in Colombia. Node sensors measured temperature, relative humidity, soil moisture, Ultra-Violet light, and visible light intensity. The factors considered in the experiments were distance between node sensors, height from the ground, and type of antenna; in turn, Received Signal Strength Indicator and data transfer time were the outputs. The wireless sensor network was deployed in the crop, covering approximately 3 % of the area and using 7 different nodes in a cluster tree topology. First, an open field scenario with line of sight was used to determine the appropriate height of the node sensors. Second, a scenario in the actual cocoa crop was utilized to find the appropriate distance between modules and type of antenna. We found, based on our calculations and experimental data, that a height of 1.25 m was required to avoid the Fresnel zone and improve the RSSI of the network. Furthermore, we determined that a distance below 35 m was needed to guarantee signal reception and avoid long data transfer times. The wire antenna exhibited a better performance. Finally, the proposed methodology and monitoring system can be used for agronomic applications in rural areas in Colombia to increase crop yield.

Resumen En este trabajo se realizaron experimentos factoriales en dos escenarios diferentes, para diseñar una red de sensores inalámbricos, que permita monitorear un cultivo de cacao en una zona rural de Colombia. Los nodos sensores miden la temperatura, la humedad relativa, la humedad del suelo, la luz ultravioleta y la intensidad de la luz visible. Los factores considerados en los experimentos fueron la distancia entre los nodos sensores, la altura con respecto al suelo y el tipo de antena; el indicador de intensidad de señal recibida y el tiempo de transferencia de datos fueron las salidas. La red de sensores inalámbricos se implementó en el cultivo, cubriendo aproximadamente el 3 % del área, utilizando 7 nodos diferentes en una topología de cluster-tree. En primer lugar, se utilizó un escenario de campo abierto con línea de vista para determinar la altura adecuada de los sensores de nodo. Luego, se utilizó un escenario en el cultivo de cacao real para encontrar la distancia adecuada entre los módulos y el tipo de antena. Se obtuvo, por cálculos y datos experimentales, que se requería una altura de 1.25 m para evitar la zona de Fresnel y mejorar el RSSI de la red. Además, se determinó que se necesitaba una distancia inferior a 35 m para garantizar la recepción de la señal y evitar largos tiempos de transferencia de datos. Adicionalmente, la antena tipo Wire exhibió un mayor rendimiento y la metodología propuesta y el sistema de monitoreo se pueden usar para aplicaciones agronómicas en áreas rurales de Colombia, con el fin de aumentar el rendimiento de los cultivos.

Plasma Spray Parameters of TiO₂ Targets Used in Magnetron Sputtering

Resumen La síntesis de películas delgadas por pulverización catódica o sputtering requiere la utilización de blancos o targets, que actúan como los materiales a partir de los cuales se elaboran los recubrimientos. Este trabajo está enfocado en la implementación del proceso de proyección térmica por plasma atmosférico para la fabricación de blancos de TiO2, que posteriormente puedan emplearse en la deposición de recubrimientos de TiO2 por magnetrón sputtering. Se partió de tres polvos de TiO2 comerciales de la marca Oerlikon Metco, los cuales fueron proyectados mediante diferentes parámetros de proyección para evaluar su efecto en la microestructura (porcentaje de poros y grietas en sección transversal) de los blancos de TiO2 obtenidos. Los blancos fueron caracterizados por microscopía electrónica de barrido y procesamiento de imágenes y utilizados en algunas pruebas de deposición sputtering para estimar la tasa de deposición. Los resultados permitieron identificar las variables que tienen un efecto más significativo sobre la microestructura de los blancos. En orden decreciente a la magnitud del efecto, estas variables son: la relación de gases generadores de plasma, la distancia de proyección, el flujo del gas de arrastre, la corriente en el arco eléctrico y la distribución de tamaños de partícula de la materia prima. Los porcentajes de defectos microestructurales encontrados durante la ejecución de las pruebas variaron entre 0.41 ± 0.30 % y 6.80 ± 2.03 %, rango que demuestra la importancia que puede llegar a tener el control de los parámetros de proyección en la fabricación de blancos mediante esta técnica.

Abstract The synthesis of thin films by sputtering requires the use of targets, which act as materials from which the coatings are made. This work is focused on the implementation of Atmospheric Plasma Spray (APS) for manufacturing TiO2 targets that can later be used in the deposition of TiO2 coatings by magnetron sputtering. Three commercial TiO2 powders, produced by Oerlikon Metco, were sprayed using different spray parameters to evaluate their effect on the microstructure (percentage of pores and cracks on the cross section) of the obtained TiO2 targets. The targets were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and image processing and used in sputtering deposition tests to estimate the deposition rate. The results enabled us to identify the variables with the most significant effect on the targets’ microstructure (in a decreasing order in terms of magnitude of the effect): ratio of plasma generating gases, stand-off distance, carrier gas flow rate, current in the electric arc, and particle size distribution of the raw material. The percentages of microstructural defects found during the tests ranged between 0.41 ± 0.30 % and 6.80 ± 2.03 %, which demonstrates the importance of controlling spray parameters in the manufacture of targets by this technique.

Knowledge Representation in an Educational Material Co-Creation Process

Resumen En esta investigación, el uso de la co-creación busca apoyar la generación de material educativo por parte de estudiantes con altas capacidades, gracias a la participación de profesores y padres de los estudiantes. Durante este proceso, las características de los estudiantes como la personalidad, los gustos, las necesidades y habilidades deben ser consideradas y consolidadas, para que el material educativo co-creado sea de interés para ellos. La creación de material educativo para estudiantes tiende a aislar a estos y sus aportes, lo que deriva en materiales genéricos que pueden no ser un apoyo para el proceso de todos los estudiantes. Adicionalmente, los estudiantes con altas capacidades, debido a sus características, tienden a perder interés en el uso de los materiales educativos, razón por la que resulta importante involucrarlos en su creación, a fin de que su conocimiento aporte valor al producto. Para que todos los participantes tengan en cuenta el conocimiento generado durante el desarrollo del proceso de co-creación, se ha diseñado e implementado un sistema de gestión del conocimiento, que contiene un módulo para la representación del conocimiento sobre los participantes del proceso. La metodología Ciencia del Diseño fue utilizada para el desarrollo de esta investigación, ya que permite diseñar el sistema desde una perspectiva teórica y del entorno, de manera que, una vez identificada la teoría y el entorno del sistema, este pueda ser diseñado y validado. La validación de dicho sistema se adelanta al identificar la percepción de los participantes sobre este. Se ha observado que la representación del conocimiento de los participantes les permite tener presentes las características de los estudiantes y su relación con el tema seleccionado para el proceso de co-creación, las actividades desarrolladas y los aportes (contribuciones, argumentos e ideas).

Abstract The use of co-creation in this study aims to support the generation of educational material by High Ability students with the participation of teachers and students’ parents. During the development of the co-creation process, students’ characteristics such as personality, interests, needs and abilities must be considered and established so that the co-created educational material is interesting to them. The creation of educational material for students tends to neglect them and their inputs; therefore, the resulting generic materials may not support all students’ learning processes. In addition, High Ability students, because of their characteristics, are susceptible to losing interest in the use of educational materials. Hence, they should be involved in the creation of those materials and manage knowledge that adds value to this creation process. In this study, a Knowledge Management System was designed and implemented so that all participants had access to the knowledge generated during the co-creation process. Said system also contained a module to represent the knowledge of participants in the co-creation process. The Design Science methodology was adopted in this study because it allows the design of the system from a theoretical and environmental perspective; therefore, once the theory and the environment of the system have been identified, the system can be designed and validated. The design of this system was validated identifying participants’ perception of it. The validation showed that the representation of participants’ knowledge allows them to keep in mind students’ characteristics, the relationship of these characteristics with the topic selected for the co-creation process, the relationship with the activities that are carried out, and the relationship with the inputs (contributions, arguments, and ideas).

Raim: Framework for Adaptive Inclusion in Educational Environments for All

Resumen En los ambientes educativos existe una gran diversidad en las características y necesidades de los estudiantes. Las Tecnologías de Información y Comunicación (tic) han logrado mejoras relevantes en diferentes actividades humanas y esas posibilidades podrían ser aprovechadas en procesos educativos que reconozcan las particularidades de los estudiantes y su contexto. Uno de los enfoques con mayor preponderancia son los sistemas adaptativos en educación, sin embargo, las expectativas aún no se han llenado, debido a problemas como falta de esquemas genéricos de personalización y de disponibilidad de contenidos educativos adecuados a las condiciones específicas y dificultades en la captura y actualización del perfil del estudiante y de implementación en plataformas reales. Esto se manifiesta con mayor fuerza en el caso de estudiantes con necesidades especiales de educación, cuando el no reconocimiento de sus necesidades y preferencias puede incluso excluirlos de los ambientes educativos. El trabajo presentado en este artículo propone un framework que permite, a través de un proceso de inclusión adaptativa, generar entornos educativos para todos. El framework se entiende como un conjunto de lineamientos de trabajo divididos en módulos, que proporcionan herramientas para la gestión de modelos en cada uno. Se presenta una plataforma tecnológica que implementa el modelo conceptual y se evalúa a través de una metodología propuesta para este tipo de sistemas, con lo cual se obtienen resultados satisfactorios, pero con posibilidades de mejora. Uno de los aportes relevantes de la propuesta es que el modelo puede ser implementado bajo diferentes enfoques, características y tecnologías, mientras que se guarde la coherencia entre los diferentes elementos que lo componen.

Abstract In educational environments, students’ characteristics and needs are greatly diverse. Information and Communication Technologies (ICTs) have achieved significant improvements in different human activities, and their possibilities could be exploited in educational processes that acknowledge students’ particularities and context. In education, adaptive systems constitute one of the most widely adopted approaches; however, expectations of the community have not yet been fulfilled due to problems such as the lack of generic customization schemes, difficulties in capturing and updating students’ profile, lack of availability of educational content appropriate for specific conditions, and complexity of implementation in real platforms. This situation manifests itself more clearly in the case of students with special educational needs, in which not recognizing their needs and preferences may even result in their exclusion from educational environments. This article proposes a framework to generate educational environments for all by implementing an adaptive inclusion process. Such framework is defined as a set of work guidelines divided into modules, which provide tools for the management of models in each one of the modules. A technological platform that implements the framework is presented and evaluated applying a methodology proposed for this type of systems. Although they can be improved, satisfactory results were obtained. One of the most relevant contributions of this proposal is that the model can be implemented adopting different approaches, characteristics, and technologies as long as the coherence between the various elements that compose it is maintained.

Identity Verification in Virtual Education Using Biometric Analysis Based on Keystroke Dynamics

Abstract Virtual education has become one of the tools most widely used by students at all educational levels, not just because of its convenience and flexibility, but also because it can expand educational coverage. All these benefits also bring along multiple issues in terms of security and reliability in the evaluation the of student’s knowledge because traditional identity verification strategies, such as the combination of username and password, do not guarantee that the student enrolled in the course really takes the exam. Therefore, a system with a different type of verification strategy should be designed to differentiate valid users from impostors. This study proposes a new verification system based on distances computed among Gaussian Mixture Models created with different writing task. The proposed approach is evaluated in two different modalities namely intrusive verification and non-intrusive verification. The intrusive mode provides a false positive rate of around 16 %, while the non-intrusive mode provides a false positive rate of 12 % In addition, the proposed strategy for non-intrusive verification is compared to a work previously reported in the literature and the results show that our approach reduces the equal error rate in about 24.3 %. The implemented strategy does not need additional hardware; only the computer keyboard is required to complete the user verification, which makes the system attractive, flexible, and practical for virtual education platforms.

Resumen La educación virtual se ha convertido en una de las herramientas más utilizadas por los estudiantes en todos los niveles educativos, no solo por la comodidad y la flexibilidad, sino también por la posibilidad de ampliar la cobertura educativa en una población. Todos estos beneficios traen consigo múltiples problemas de seguridad y confiabilidad a la hora de evaluar el proceso de aprendizaje del estudiante, ya que las estrategias tradicionales de verificación de identidad, como la combinación de nombre de usuario y contraseña, no garantizan que el estudiante matriculado en el curso realmente realice el examen. Por lo tanto, es necesario diseñar un sistema con otro tipo de estrategia de verificación para diferenciar un usuario válido de un impostor. Este estudio propone un nuevo método de verificación, basado en el cálculo de distancias entre los modelos de mezclas gaussianas creados con diferentes tareas de escritura. El enfoque propuesto es evaluado en dos modalidades diferentes llamadas verificación intrusiva y verificación no intrusiva. El modo intrusivo proporciona una tasa de falsos positivos de 16 %, mientras el modo no intrusivo provee una tasa de falsos positivos de 12 %. Además, la estrategia propuesta para verificación no intrusiva es comparada con un trabajo previamente reportado en la literatura y los resultados muestran que nuestro enfoque reduce la tasa de error en aproximadamente un 24.3 %. La estrategia implementada no necesita hardware adicional, solo es requerido el teclado del computador para realizar la verificación, lo que hace que el sistema sea atractivo y flexible para ser usado en plataformas de educación virtual.

Adaptive Services Architecture for a Co-Creation Process with High Ability Students

Resumen Con el objetivo de ayudar a motivar a los estudiantes con altas capacidades en su proceso de aprendizaje, se propone que participen en la co-creación de su material educativo. Pero la participación no es suficiente, es importante hacer que esta se convierta en una experiencia personal y cercana a sus características y a su contexto. Para conseguirlo, se ha definido un proceso de co-creación de material educativo, denominado Co-CreHAs, en el que se orienta su adaptación de acuerdo a las necesidades del estudiante con altas capacidades. Esta adaptación se desarrolla en AdaptHAs, que es el módulo de adaptación de Co-CreHAs. En este artículo, se presentan el diseño y la validación de la arquitectura de los servicios adaptativos de AdaptHAs, de los cuales, el diseño se basa en el análisis de las características de las altas capacidades y del proceso de co-creación. Gracias a dicho análisis, se identificaron el tipo de perfiles de adaptación a definir, los aspectos de los participantes que se trabajarían en cada perfil y los momentos del proceso de co-creación en que se podrían usar los perfiles definidos para personalizarlo. Asimismo, la validación de la arquitectura se hace a través del análisis de tres experiencias de co-creación con estudiantes con altas capacidades, sus padres y sus profesores, para el cual se ha usado la extensión Co-CreHAs para Moodle, desarrollada en el marco de la arquitectura. Con base en dicha validación, se observó que la arquitectura propuesta es una guía para la adaptación de la co-creación y para el desarrollo de un software que permita llevarla a la práctica con los servicios adaptativos definidos. También se estima que el proceso propuesto y la adaptación implementada influyen en la motivación de los estudiantes con altas capacidades frente a la co-creación de su material educativo.

Abstract With the aim of motivating High Ability students in their learning process, we propose their participation in the co-creation of their own learning material. However, their participation is not enough because the process should also be a personal experience adapted to students’ characteristics and context. For that purpose, we defined a learning material co-creation process, called Co-CreHAs, which guides the adaptation of co-created material according to High Ability students’ learning needs. For said adaptation, we implemented AdaptHAs (i.e., the model used to adapt Co-CreHAs). In this paper, we present the design and validation of the architecture of adaptive services of AdaptHAs. Such architecture design is based on the analysis of the characteristics of high abilities and the co-creation process. This analysis allowed us to identify the kind of adaptation profiles that needed to be defined, participants’ aspects that would be worked on in each profile, and the parts of the process where we could use those profiles in order to personalize it. The architecture was validated through the analysis of three real co-creation experiences with High Ability students, their parents, and their teachers using the Co-CreHAs extension for Moodle, which was developed applying said architecture. The results of this validation show that the architecture guides the adaptation of the co-creation and the development of software that can be implemented to put into practice such co-creation with the adaptive services previously defined. Furthermore, we observed that the proposed process and the implemented adaptation can influence High Ability students’ motivation to co-create their own learning material.

Rules-Based System for Personalized Virtual Course Generation

Resumen Desde los albores de la incorporación de las TIC en los ambientes educativos, en concreto en los procesos de enseñanza y aprendizaje, se abrían expectativas sobre las posibilidades de la educación individualizada, en ambientes versátiles, en los que se reconocieran las particularidades de los estudiantes. A pesar de que existen diversos acercamientos a estas situaciones, en ocasiones están sujetos a plataformas o aplicaciones específicas. Un sistema adaptativo debe definir los componentes ajustados de acuerdo con determinantes específicos, en particular las características en el perfil del estudiante y los elementos contextuales, y, además, definir un mecanismo para dicha adaptación. El presente trabajo expone una propuesta para la generación de cursos virtuales personalizados, soportada en la separación de la estructura del curso y los recursos educativos que apoyan las actividades educativas y potenciadas, con un sistema de reglas de producción que determinan los recursos educativos a entregar en cada momento, guiadas por las características incluidas en el modelo del estudiante. El enfoque metodológico responde a la definición sistémica de la estrategia de adaptación, que exige hacer explícito los determinantes, los componentes y las técnicas de adaptación, con base en DSR. La versatilidad de la propuesta radica en que puede ser enriquecida con nuevos elementos o con variaciones de las características en el perfil del estudiante, al tomar diferentes modelos en estilos de aprendizaje y la categorización de características personales, académicas o contextuales, en tanto que se vean reflejadas en el proceso de adaptación. El resultado final evidencia que el modelo propuesto permite entregar un plan de curso diferente, con actividades personalizadas, de acuerdo con las características del estudiante y su contexto.

Abstract Since the dawn of the incorporation of ICTs into educational environments, specifically into teaching and learning processes, there have been expectations about the possibilities of individualized education in versatile environments that acknowledge students’ particularities. Although several studies have examined these situations, they are sometimes subjected to specific platforms or applications. An adaptive system must define the components to be adjusted according to specific determinants, in particular, the characteristics of the students’ profile and contextual elements, and also establish a mechanism for the adaptation. This paper proposes a system to generate customized virtual courses based on the separation of the structure of the course from the educational resources that support the educational activities. Such system is enhanced with production rules that determine the educational resources to be delivered at each moment guided by the characteristics in the student’s model. This methodological approach responds to the systemic definition of the adaptation strategy, which requires making the determinants, components and adaptation techniques explicit based on DSR. The proposed system is versatile because it can be enriched with new elements or variations of the attributes in the student profile, taking different models in learning styles and the categorization of personal, academic, or contextual characteristics reflected in the adaptation process. The result shows that the proposed model can provide a different course plan, with personalized activities, according to students’ characteristics and context.

Designing Pedagogic Conversational Agents through Data Analysis

Abstract Pedagogical Conversational Agents are systems or programs that represent a resource and a means of learning for students, making the teaching and learning process more enjoyable. The aim is to improve the teaching-learning process. Currently, there are many agents being implemented in multiple knowledge domains. In our previous work, a methodology for designing agents was published, the result of which was Agent Dr. Roland, the first conversational agent for Early Childhood Education. In this paper, we propose the use of Data Analytics techniques to improve the design of the agent. Two new techniques are applied: KDDIAE, application of (Knowledge Discovery in Databases) to the Data of the Interaction between Agents and Students - Estudiantes in Spanish, and BIDAE (use of Data Analytics to obtain information of agents and students). The use of KDDIAE and BIDAE proves the existence of a fruitful relationship between learning analytics and learning design. Some samples of rules related to learning analytics and design are the following: (Learning Analytics) Children who initially do not know how to solve the exercise, after receiving help, are able to understand and solve it ( (Learning Design) An agent for small children should be able to provide help. In addition, help should be entertaining and tailored to their characteristics because it is a resource that children actually use; or (Learning Analytics) Younger children use more voice interaction ( (Learning Design) An agent interface for young children must incorporate voice commands. A complete list of rules related to learning analytics and design is provided for any researcher interested in PCA design. 72 children were able to use the new Dr. Roland after applying the learning analytics-design rules. They reported a 100 % satisfaction as they all enjoyed interacting with the agent.

Resumen Los Agentes Conversacionales Pedagógicos son sistemas informáticos que facilitan la enseñanza a los estudiantes y un recurso de apoyo para los profesores haciendo el proceso de enseñanza más agradable. El objetivo es mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje. Actualmente, hay muchos agentes que se implementan en múltiples dominios de conocimiento. En nuestro trabajo previo se publicó una metodología para diseñar agentes. Con esta metodología se diseñó el agente Dr. Roland, el primer agente conversacional para Educación Infantil. En este artículo, se propone el uso de técnicas de análisis de datos para mejorar el diseño de Dr. Roland. Se implementan dos técnicas nuevas: KDDIAE, aplicación de KDD (Descubrimiento de Conocimiento en Bases de Datos) a los Datos de Interacción entre Agentes y Estudiantes, y BIDAE (uso de Análitica de Datos para obtener información de la interacción entre Agentes y Estudiantes). El uso de KDDIAE y BIDAE prueba la existencia de la fructífera relación que puede darse entre analítica de aprendizaje y diseño de aprendizaje. Los niños que inicialmente no saben cómo resolver un ejercicio, después de recibir ayuda son capaces de comprender el ejercicio y solucionarlo ( (Diseño de Aprendizaje) Un agente para niños pequeños debería poder proporcionar ayuda. Además, la ayuda debería ser entretenida y adaptada a las características de los niños; o (Análitica de Aprendizaje) Los niños pequeños usan más la interacción por voz ( (Diseño de Aprendizaje) Una interfaz de agente para niños pequeños debe incorporar la posibilidad de interactuar por voz. En este artículo se proporciona una lista completa que relaciona análitica y diseño de aprendizaje para cualquier investigador que pueda estar interesado en APC. 72 niños pudieron usar el agente mejorado Dr. Roland al implementar las reglas. Reportaron un 100 % de satisfacción, ya que todos disfrutaron de la interacción con el agente.