Dinámica de Sistemas como catalizador del aprendizaje sobre Sistemas Complejos

Resumen 

Este proyecto pretende introducir el uso de la Dinámica de Sistemas como catalizador de aprendizaje en asignaturas del grado en Ingeniería Matemática. La Dinámica de Sistemas parte de la identificación de los elementos de un problema complejo y de las relaciones que existen entre estos elementos, y se enfoca propiciar la emergencia de información a partir de comprender las interacciones entre los elementos y el comportamiento que éstos tienen en el tiempo[1], así como explotar la potencial información sobre comportamiento de los sistemas no solo al conocer la estructura de los sistemas sino por qué se comportan como lo hacen[2].  

Teniendo en cuenta que es un enfoque innovador, se propone hacer uso de los tableros del juego de la cerveza “The Beer Game”[3], que ha sido ampliamente usado en instituciones académicas y empresas privadas como vehículo de aprendizaje que se enfoca en propiciar la interacción entre personas y la co-creación de conocimiento a partir del problema representado.  

Para medir el impacto que esta propuesta tiene en el proceso de aprendizaje, se hará un experimento que a partir de la arquitectura cognitiva ACT-R (Adaptive Control of Thought—Rational) [4]–[7] comparará la eficiencia del juego de la cerveza como catalizador de aprendizaje en estudiantes de las asignaturas Proyecto Integrador II (en segundo semestre de 2021-2022), donde los alumnos tendrán la oportunidad de enfrentarse al reto de modelar un sistema complejo. Posteriormente, y tras las lecciones aprendidas con este primer grupo, se plantea repetir el experimento en las asignaturas Modelado y Simulación II e Investigación de Operaciones (en primer semestre de 2022-2023) del Grado en Ingeniería Matemática de la Universidad Francisco de Vitoria.  

Introducción  

El perfil de los Ingenieros Matemáticos requiere que estos sean capaces de conceptualizar sistemas complejos y comprender el comportamiento que estos tienen, y la forma como dicho comportamiento se puede describir. Históricamente son muchos los ejemplos de conceptualización de sistemas complejos y la descripción matemática del comportamiento de estos sistemas. Por ejemplo, la representación del crecimiento y decrecimiento de poblaciones como modelos de ecuaciones diferenciales, o la representación del comportamiento en “olas” de una pandemia como resultado de sistemas con memoria que en función del estado actual tienen distintas probabilidades de comportamientos futuros dado el estado actual. 

El salto que se debe dar para ir des la teoría de estos modelos de sistemas complejos hacia la interiorización de éstos como sistemas modelables y representables en términos matemáticos, es un paso necesario que contribuye al desarrollo cognitivo de los profesionales de la ingeniería matemática y contribuye a la consolidación de competencias necesarias para estos profesionales. 

La consolidación de estas competencias en cada uno de los alumnos se da como resultado de su paso por instituciones académicas, con toda la formación básica necesaria, y de su experimentación con problemas reales que les conduzcan a “situarse” en contextos reales que propicien la generación de conocimiento a partir de la su implicación, siempre y cuando las condiciones estén dadas: contexto, necesidad, fundamento teórico para proponer soluciones, y guía y tutorización convergente a la puesta en práctica del ingenio de los alumnos en torno a la modelización de y operación con un sistema complejo. 

Un sistema complejo es concebido como un sistema compuesto de partes interrelacionadas entre sí, que como conjunto exhiben propiedades y comportamientos no evidentes a partir de la suma de las partes individuales. Las características de los sistemas complejos (como la interdependencia, la diversidad y la adaptabilidad de los agentes, etc.), desafían los supuestos básicos de las teorías tradicionales reduccionistas, y requieren de un enfoque sistémico que no descarte la existencia de comportamientos emergentes a partir de las interacciones, así como la co-existencia de alternativas de solución como producto de la co-existencia de perspectivas e interpretaciones del sistema complejo.  

Un enfoque sistémico que permite abordar un problema complejo es el conocido como Dinámica de Sistemas (System Dynamics). La Dinámica de Sistemas proporciona en marco metodológico y un lenguaje de modelado que permite modelar sistemas complejos. Teniendo en cuenta que los problemas reales no son modificables y que manipularlos implica costes y esfuerzos ingentes, los modelos usando Dinámica de Sistemas permiten operar con representaciones de las realidades complejas, y de esta manera simular y comprender el comportamiento de estos sistemas, los modelos matemáticos implícitos, la prospección de futuros posibles y alternativos, y el estudio de escenarios posibles, lo que redunda en la generación de entradas para la toma de decisiones y el diseño de políticas sobre el sistema real, sin implicar costes elevados y sin poner en riesgo el sistema real. 

Los especialistas en Dinámica de Sistemas han desarrollado el Juego de la Cerveza (The Beer game). El Juego de la Cerveza se desarrolló para introducir a estudiantes, directivos y ejecutivos en los conceptos de la dinámica de sistemas. El propósito del juego es ilustrar el principio clave de que la estructura produce el comportamiento. Los jugadores experimentan las presiones de desempeñar un papel en un sistema complejo y pueden ver los efectos a largo plazo durante el transcurso del juego. Cada jugador participa como miembro de un equipo que debe satisfacer las demandas de sus clientes. El objetivo del juego es minimizar el coste total de su equipo. En la sesión informativa estructurada que le sigue, el juego ilustra una serie de ideas sobre los sistemas de gestión que se generalizan más allá de los inventarios. Jugar y hacer la discusión posterior al juego lleva un mínimo de algo más de dos horas. Esta sesión informativa es la parte más importante del juego puesto que es cuando se consolida el aprendizaje sobre la comprensión del comportamiento d ellos sistemas complejos a partir de la estructura identificada.  

En este proyecto se propone hacer uso del Juego de la Cerveza para introducir a los alumnos en la Dinámica de Sistemas, y posteriormente, tras tener un dominio mínimo, plantearles retos que permitan a los alumnos abordar problemas complejos de distinto tipo usando Dinámica de Sistemas. La hipótesis que motiva el proyecto es que los alumnos pueden, por medio de la dinámica de sistemas, comprender el comportamiento y funcionamiento de un sistema complejo real de una manera más rápida y eficiente, con lo que la dinámica de sistemas termina siendo un catalizador del aprendizaje en el aula.  

Teniendo en cuenta que esta propuesta se hace en el entorno académico, se quiere evaluar el impacto que tiene en el proceso de aprendizaje, por lo que además se hará uso del lenguaje de la arquitectura de la arquitectura cognitiva ACT-R, para representar el proceso de aprendizaje llevado a cabo en el aula, y se analizará la estructura de dicha representación del proceso de aprendizaje llevado a cabo. 

Objetivos 

  • Evaluar el impacto del uso de la Dinámica de Sistemas como catalizador de aprendizaje en la conceptualización de problemas complejos. 
  • Dinamizar el aprendizaje sobre sistemas complejos por medio de la herramienta de juego “The Beer Game”. 
  • Representar el proceso de aprendizaje llevado a cabo por medio del lenguaje y estructura de la arquitectura cognitiva ACT-R (Adaptive Control of Thought—Rational). 

Bibliografía 

[1] J. Sterman, Business Dynamics: Systems Thinking and Modeling for a Complex World. USA: McGraw-Hill, 2000. 

[2] D. H. Meadows, Thinking in systems : a primer. White River Junction Vermont: Chelsea Green Fecha de creación, 2008. 

[3] System Dynamics Society, “The Beer Game: a product distribution board game,” 2021. https://systemdynamics.org/products/beer-game/ (accessed Nov. 22, 2021). 

[4] C. Gonzalez, V. Dutt, and C. Lebiere, “Validating instance-based learning mechanisms outside of ACT-R,” Journal of Computational Science, vol. 4, no. 4, pp. 262–268, 2013, doi: 10.1016/j.jocs.2011.12.001. 

[5] Lebiere, “The dynamics of cognition: An ACT-R model of cognitive arithmetic,” Carnegie Mellon university, 1998. 

[6] J. R. Anderson and C. Lebiere, The atomic components of thought. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum, 1998. 

[7] J. R. Anderson, D. Bothell, M. D. Byrne, S. Douglass, C. Lebiere, and Y. Qin, “An integrated theory of the mind,” Psychological Review, vol. 111, no. 4, pp. 1036–1060, 2004, doi: 10.1037/0033-295X.111.4.1036. 

[8] IATED, “EDULEARN – 14th annual International Conference on Education and New Learning Technologies,” 2022. https://iated.org/edulearn/ (accessed Nov. 22, 2021).

Publicaciones relacionadas: 

Dugarte-Peña, G. L., Muñoz-García, E., & Gordo-Herrera, N. (2022). INTRODUCING SYSTEMS THINKING SKILLS TO IMPROVE THE LEARNING PROCESS ABOUT COMPLEXITY AND COMPLEX SYSTEMS. 15th Annual International Conference of Education, Research and Innovation. ICERI2022 Proceedings. https://doi.org/10.21125/iceri.2022 

Financiación:

INSTITUTO DE INNOVACIÓN

Universidad Francisco de Vitoria

CONVOCATORIA DE AYUDA A LA INNOVACIÓN DOCENTE 2022