Introducción a la Computación Bioinspirada: Diseño de asignatura y creación de material de aprendizaje

Abstract

ES: Este trabajo corresponde al diseño y construcción de una asignatura universitaria la cual lleva como nombre Introducción a la Computación Bioinspirada, aquí se realizó el diseño de la asignatura y la creación del material de aprendizaje. El desarrollo de este proyecto se encuentra dentro del marco de la computación natural, la computación natural es un campo de investigación que tiene como propósito comprender los procesos inteligentes que tienen lugar en la naturaleza y desarrollar modelos computacionales inspirados en este comportamiento.

Para la ingeniería y por consiguiente para nosotros, la tendencia de mayor interés en la computación natural es la computación inspirada en la naturaleza puesto que esta busca desarrollar técnicas de solución de problemas teniendo como inspiración a la naturaleza, enfocándose en la solución a problemas de alta complejidad. Por esto mismo, el interés hacia este campo ha aumentado, siendo cada vez más las personas interesadas en este campo que permite solucionar problemas en diversas áreas de la ingeniería.

El problema al que se da solución mediante este proyecto es la falta de profesionales formados en esta área; la razón es que hay una carencia de cursos que estén dirigidos a estudiantes de pregrado donde el material educativo esté en español y presenten una profundidad y anchura temática adecuada. Resolver este problema es importante ya que se atraen más estudiantes al área donde estos obtendrán un conocimiento interdisciplinar útil para solucionar problemas siendo esto una habilidad muy valiosa actualmente. Por estas razones se decidió construir un curso de nivel introductorio en esta área.

El objetivo general de este proyecto es diseñar un curso que introduzca a los estudiantes en tres tendencias principales de esta área -- computación neuronal, computación evolutiva y computación de enjambres -- para que los estudiantes puedan comprender, proponer, desarrollar y evaluar soluciones a problemas. Por cada tendencia se realizó la creación o curaduría de los recursos de aprendizaje necesarios. Las actividades y los recursos de aprendizaje se despliegan en una aula virtual siguiendo la estructura propuesta del curso para las tres secciones o tendencias.

El estudiante al finalizar el curso (i) tendrá conocimientos sobre las bases biológicas e informáticas de las principales tendencias de computación inspirada en la naturaleza, (ii) comprenderá los comportamientos biológicos y las meta-heurísticas asociadas al algoritmo principal de cada tendencia, y (iii) estará en la capacidad de resolver problemas usando enfoques de computación bioinspirada que de otra manera serían inviables. Además el estudiante (iv) propondrá, comprenderá y evaluará soluciones inspiradas en la naturaleza. Finalmente, gracias a todo, esto (v) se fortalecen conocimientos interdisciplinarios como habilidades investigativas y el pensamiento crítico.

Entre los recursos creados se encuentra un capítulo de un texto guía el cual detalla el aspecto biológico para luego continuar con el aspecto informático del algoritmo correspondiente, finalizando con la metodología de solución de problemas en el marco del algoritmo específico. Por otra parte, se seleccionó un vídeo teórico que explica los detalles biológicos y un simulador visual del algoritmo correspondiente.

Siguiendo con un enfoque más práctico, se construyó un framework por cada tendencia que se abarca en el curso, esto con el objetivo de facilitar las herramientas necesarias para que el estudiante construya soluciones de forma fácil e intuitiva. Además, se diseñaron una serie de laboratorios prácticos donde se propone la implementación y la aplicación del algoritmo o modelo correspondiente para solucionar un problema, usando dicho framework.

Finalmente una vez el estudiante adquiere este conocimiento y lo pone en práctica este realizará la búsqueda, selección y evaluación de una serie de artículos de aplicación para finalizar con el desarrollo de un proyecto.

El diseño de aprendizaje de la asignatura y sus respectivos recursos fueron sometidos a un proceso de revisión externa donde dos personas estudiaron y analizaron el material propuesto. De esta revisión se obtuvieron comentarios y sugerencias así como los puntos positivos que resaltaron. La opinión sobre el material fue muy buena: los dos revisores están de acuerdo con que (i) gracias a los distintos recursos el estudiante logra adquirir los conocimientos de una forma muy intuitiva y completa, (ii) los recursos presentados son de calidad, resaltando el valor e interés que estos generan; y (ii) la asignatura cuenta con un alcance y profundidad adecuados.

EN: This work corresponds to the design and construction of a university course called Introduction to Bioinspired Computing, here the design of the course and the creation of the learning material were carried out. The development of this project is within the framework of natural computation, natural computation is a field of research that aims to understand the intelligent processes that take place in nature and develop computational models inspired by this behavior.

For engineering, and therefore for us, the trend of greatest interest in natural computation is nature-inspired computation, since it seeks to develop problem-solving techniques inspired by nature, focusing on the solution of highly complex problems. For this reason, the interest in this field has increased, being more and more people interested in this field that allows solving problems in various areas of engineering.

The problem to be solved by this project is the lack of professionals trained in this area; the reason is that there is a lack of courses aimed at undergraduate students where the educational material is in Spanish and presents an adequate depth and breadth of topics. Solving this problem is important since it attracts more students to the area where they will obtain useful interdisciplinary knowledge to solve problems being this a very valuable skill nowadays. For these reasons it was decided to build an introductory level course in this area.

The overall goal of this project is to design a course that introduces students to three main trends in this area -- neural computing, evolutionary computing and swarm computing -- so that students can understand, propose, develop and evaluate solutions to problems. For each trend, the necessary learning resources were created or curated. The activities and learning resources are deployed in a virtual classroom following the proposed structure of the course for the three sections or trends.

The student at the end of the course will (i) have knowledge of the biological and computational foundations of the main trends in nature-inspired computing, (ii) understand the biological behaviors and meta-heuristics associated with the main algorithm of each trend, and (iii) be able to solve problems using bio-inspired computing approaches that would otherwise be infeasible. Furthermore, the student will (iv) propose, understand and evaluate solutions inspired by nature. Finally, through all of this, (v) interdisciplinary knowledge such as research skills and critical thinking are strengthened.

Among the resources created is a chapter of a guide text which details the biological aspect and then continues with the computational aspect of the corresponding algorithm, ending with the methodology of problem solving within the framework of the specific algorithm. On the other hand, a theoretical video explaining the biological details and a visual simulator of the corresponding algorithm were selected.

Following a more practical approach, a framework was built for each trend covered in the course, with the aim of providing the necessary tools for the student to build solutions in an easy and intuitive way. In addition, a series of practical laboratories were designed to propose the implementation and application of the corresponding algorithm or model to solve a problem, using the framework.

Finally, once the student acquires this knowledge and puts it into practice, he/she will search, select and evaluate a series of application articles to finish with the development of a project.

The learning design of the course and its respective resources were submitted to an external review process where two people studied and analyzed the proposed material. From this review, comments and suggestions were obtained, as well as the positive points that stood out. The opinion about the material was very good: the two reviewers agree that (i) thanks to the different resources the student is able to acquire knowledge in a very intuitive and complete way, (ii) the resources presented are of quality, highlighting the value and interest they generate; and (ii) the subject has an adequate scope and depth.