un entrenador de braille multifuncion basado en sistemas

Un entrenador de Braille multifuncion basado en sistemasembebidos, aplicaciones moviles, razonamiento basado en reglas y

minerıa de datos para ninos con discapacidad visual

Vladimir Robles-Bykbaev, Antonny Guzhnay-Lucero, Daniel Pulla-Sanchez, Fernando Pesantez-Aviles,Paola Suquilanda-Cuesta, Estefanıa Bernal-Merchan

GI-IATa, Catedra UNESCO Tecnologıas de apoyo para la Inclusion Educativa, Cuenca,Ecuador

{dpulla, fpesantez, vrobles}@ups.edu.ec, [email protected],{pao.suquilanda94, estefaniabbernal}@gmail.com

Resumen. Segun las ultimas estimaciones de la Orga-nizacion Mundial de la Salud (OMS), en la actualidadhay 285 millones de personas con discapacidad visualen todo el mundo: 39 millones son ciegas, 246 tienenbaja vision y 19 millones son ninos. Esta situacion sevuelve mas compleja en los paıses en desarrollo porquelos gobiernos locales y las familias no tienen suficientesrecursos y tecnologıas de asistencia para mejorar losprogramas de alfabetizacion de las personas ciegas.Por estas razones, en este documento, presentamosuna herramienta integral de bajo costo para respaldar elproceso de aprendizaje del codigo de Braille en escuelasu hogares. La novedad de nuestra propuesta es quese basa en una arquitectura multicapa que proporcionalas siguientes funcionalidades: soporte para realizarejercicios de lectura y escritura con un solo dispositivo,una interfaz interactiva para disenar y monitorearactividades en el aula mediante un enfoque basado enla minerıa de datos y el razonamiento basado en reglas,y una aplicacion movil para interactuar facilmente conel sistema. Nuestra propuesta ha sido evaluada en unexperimento piloto por 20 personas: 7 maestros (ciegos)que trabajan con ninos con discapacidad visual /ciegos, y 13 personas con vision normal. Los resultadosobtenidos durante la evaluacion de nuestra propuestason alentadores: el 90 % de los participantes esta deacuerdo con la utilidad del sistema y el alto potencialde incluir la herramienta en las aulas.

Palabras clave. Discapacidad visual, ninos, razona-miento basado en reglas, analisis de conglomerados,Braille, entrenador electronico

A Multifunction Braille Trainer basedon Embedded Systems, Mobile Apps,

Rule-based Reasoning and DataMining for Children with Visual

Impairment

Abstract. According to latest estimates of the WorldHealth Organization (WHO), nowadays there are 285million people visually impaired worldwide: 39 millionare blind, 246 have low vision, and 19 million arechildren. This situation becomes more complex indeveloping countries because the local governmentsand families do not have enough resources and assistivetechnologies to improve the literacy programs of blindpeople. For these reasons, in this paper, we present anintegral low-cost tool to support the learning process ofBraille code at schools or homes. The novelty of ourproposal is that it relies on a multi-layer architecture thatprovides the following functionalities: support to carryout reading and writing exercises using a single device,an interactive interface for designing and monitoringclassroom activities through an approach based ondata mining and rule-based reasoning, and a mobileapplication to interact with the system easily. Ourproposal has been evaluated in a pilot experiment by20 persons: 7 (blind) teachers that work with visualimpaired/blind children, and 13 persons with normalvision. The results achieved during the evaluation of ourproposal are encouraging: 90 % of participants agreewith the usefulness of the system as well as the highpotential of including the tool in classrooms.

Computación y Sistemas, Vol. 22, No. 4, 2018, pp. 1487–1502ISSN 1405-5546

doi: 10.13053/CyS-22-4-2795

Keywords. Visual impairment, children, rule-basedreasoning, hierarchical agglomerative clustering, Braille,electronic trainer.

1. Introduccion

Toda persona deberıa tener presente por lomenos dos preceptos importantes para entenderla importancia de la educacion inclusiva, primeroque la educacion es un derecho humano [27], ysegundo que la educacion inclusiva no es solopara favorecer a las personas con discapacidad,sino que constituye una alternativa para aquellacondicion latente que merecerıamos todas laspersonas a causa de perdidas de facultades por elrecurrir propio de nuestras vidas. Entonces, todosestamos en condicion latente de discapacidady aquellos que ya mantienen algun tipo debenejercer su derecho a educarse en el marco de unapedagogıa inclusiva.

Este tipo de pedagogıa segun [7] requierecambios en el enfoque y pensamiento educativo,que permitan abandonar la logica de trabajo pormayorıas y se instaure un enfoque accesible atodos. Evidentemente, en la pedagogıa inclusivatodo aquello que se hace para favorecer laaccesibilidad, la adaptabilidad, la aceptabilidado la asequibilidad se convierte a su vez enoportunidades educativas ricas que favorecena todos y no unicamente a las personas condiscapacidad [26].

En este sentido el sistema Braille no deberıatratarse como una alternativa adaptativa y apli-cable solo a personas con discapacidad visual,podrıa servir para la ensenanza general, en cuantoes a la vez didacticamente universal para elaprendizaje de la lectura, pero tambien un metododidactico como cualquier otro, especıficamente esanalıtico-sintetico. En [12] se explica que va de lomas simple (la letra) a lo mas complejo (palabray frase) y asimismo, desde una combinacion depuntos permite identificar cada caracter. Utilizarun sistema Braille en personas consideradasregulares les beneficiarıa tanto en su logica comoen su sentido de solidaridad.

Los postulados del tratado de Marrakech [17]indican que las personas con discapacidad visualno solo que mantienen dificultades evidentes

respecto del acceso al texto impreso, sino queestan limitadas en su libertad de expresion, enrazon que ademas existen restricciones en cuantoeleccion de sus propias formas y logicas decomunicacion, lo que sin lugar a dudas perjudicael goce del derecho a la educacion.

Para [8] el don del lenguaje es natural, porello las personas con discapacidad desarrollan lahabilidad de generar su propio lenguaje supliendoası las logicas convencionales del lenguaje porsignos que conocemos la mayorıa. En el caso delas personas ciegas, estas se sirven de un tipode inteligencia como la espacial para generar sulenguaje, su percepcion visual se da traves de uncanal indirecto como el tactil que es analogo a lamodalidad visual para las personas con vision.

Por decir, para que una palabra especificadadesde una regleta Braille se convierta en unapercepcion visual para una persona ciega, nobasta en que esten correctamente configuradaslas combinaciones individuales de cada caracter—letra, vocal, signo—, o que luego exista unacorrecta configuracion entre los caracteres segunla extension de la palabra; es indispensableel recorrido de la mano sobre la regleta paraconfigurar una longitud de tiempo de movimiento,lo que a su vez se traduce en la medida del objeto,en este caso de la palabra.

En virtud de lo expuesto, en este artıculopresentamos una herramienta de bajo coste quepermite brindar soporte en los procesos deaprendizaje del lenguaje Braille (espanol) tantopara la lectura como para la escritura. Ademas deesto, el sistema es capaz de comunicarse con undispositivo movil donde a traves de una aplicacionel educador puede planificar una sesion de trabajocon los ninos. Esta applicacion movil permitiraregistrar el progreso del nino e ir sugiriendo nuevasactividades y ejercicios en funcion de su progresoy de sus Necesidades Educativas Especiales(NEE).

2. Aplicaciones y sistemas desoporte en la ensenanza delsistema de lectura Braille

Uno de los aspectos mas importantes en ellenguaje Braille se centra en la etapa de su

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aprendizaje. Por ello, en las ultimas decadashan surgido varios enfoques para mejorar esteproceso, considerando para esto las necesidadesde cada entorno social y cultural.

Fig. 1. Diagrama de bloques de la arquitectura generaldel entrenador Braille

En principio, algunas soluciones se sustentanen traductores o interpretadores, por ejemplo, en[3] se presenta un traductor de codigo Braillecomo herramienta de educacion basica paraninos con discapacidad visual para el idiomaarabe, mientras que en [21], se propone unametodologıa novedosa para convertir caracteresBraille e interpretarlos en el lenguaje Kannada(lenguaje popular al sur de la India) mediantetecnicas de conversion de texto a voz.

Por otra parte, en [10] se implementa unasolucion de informatica y electronica para laensenanza del reconocimiento de letras Braillepara ninos invidentes. Para ello, se realiza lamanipulacion de bloques con relieve que tienenetiquetas NFC (comunicacion de campo cercano)embebidas que identifican el caracter que tienedicho bloque y que a la vez interactuan a travesde una interfaz de voz para permitir realizardiversas actividades. Otro enfoque interesanteque es presentado en [18] busca desarrollar unsistema de entrenamiento de Braille electronicopara ensenar al usuario el alfabeto Braille en Inglespara primer ano escolar, donde basicamente el

dispositivo dicta una letra y el usuario deberaingresar correctamente esta sobre el tecladoBraille. En la misma lınea de investigacion, en [5]se describe un dispositivo mecatronico que buscabrindar soporte en el aprendizaje del sistema delectoescritura Braille a ninos de 4 a 8 anos. Eldispositivo se comunica de forma inalambrica conun computador y una herramienta informatica quesirve a los maestros para realizar actividades demonitoreo.

Tambien en [19] se incorporan innovaciones aun prototipo electronico de asistencia para ninoscon discapacidad visual que permite ensenar laescritura Braille empleando retroalimentacion porvoz. Para esto, los autores anaden elementosde personalizacion acorde a diferentes culturasy juegos para incentivar la motivacion por elaprendizaje. De igual forma, en [4] se describe eltrabajo y las pruebas de campo realizadas en lasregiones de la India, Zambia y Qatar con un tutorautomatizado de escritura Braille que implementaejercicios plurilingues y juegos educativos paraninos.

Soluciones con tecnologıas basadas en siste-mas operativos para dispositivos moviles comoAndroid o sistemas embebidos como las tarjetasArduino y Raspberry han sido implementadascon limitadas opciones de personalizacion yacompanamiento en la planificaciones de sesioneseducativas. Sin embargo, se puede destacar eltrabajo presentado en [15], donde se desarrollaun sistema de ensenanza de Braille que permitela cooperacion entre personas sordo-ciegas ypersonas sin discapacidad que no son expertasen el manejo de dicho lenguaje. En la mismalınea, en [20] se describe un enfoque novedosoque implementa tres metodos para presentarcaracteres braille sobre dispositivos moviles conpantalla tactial.

Finalmente, en [22] los autores proponen unsistema que se basa en el concepto de unacelda de Braille que se ubica sobre un dispositivoelectronico con tecnologıa Arduino, y mediantela interaccion con una aplicacion informatica, elusuario debe tipear correctamente los caracteresindicados de manera aleatoria.


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3. Entrenador Braille: arquitectura yprincipales componentes

Como se puede apreciar en la Figura 1,el entrenador Braille esta constituido por trescomponentes fundamentales: (i) una aplicacionmovil Braille que permite planificar las sesionesde trabajo con los ninos y registrar su progreso,(ii) un modulo de microservicios que se encargagestionar los datos y (iii) el dispositivo electronicoBraille que usan los ninos y maestros.

El modulo de microservicios provee los serviciosque seran empleados por el Dispositivo Brailley por la aplicacion movil Braille App, ademasde permitir la interaccion entre los mismos. Deigual forma, este modulo se conecta con la basede datos donde se almacenara la informaciongenerada. Las principales funciones que cumpleson: (i) autenticacion de usuarios a traves dela aplicacion movil, (ii) manejo de la logicapara realizar CRUD de datos (operaciones decreacion, modificacion, eliminacion y consulta), (iii)generacion de reportes (con distintos niveles dedetalle) y (iii) registro de sesiones de trabajo porrealizar y/o completadas. Para la implementacionde este componente se empleo la tecnologıaKumuluzEE [11], que es una extension de JavaEnterprise Edition (JEE) para el desarrollo demicroservicios.

Por otra parte, la aplicacion movil Braille app fuedesarrollada para la plataforma Android y entre lasfuncionalidades que brinda podemos destacar lasque se mencionan a continuacion:

– Visualizacion de reportes: esta funcionalidadpermite que los maestros puedan analizar condistintos grados de granularidad el progresodel nino. Con ello, pueden generar reportesmensuales o diarios de las actividadesrealizadas con el sistema.

– Interfaz de acceso al planificador de sesionesde trabajo: con esta funcion los maestrospueden planificar de forma automatica unasesion de trabajo con el dispositivo Braille,considerando un nino o un grupo de ellos(mas detalles en las siguientes subsecciones).

Fig. 2. Capturas de pantalla de la aplicacion Braille app.La imagen de la izquierda (a) presenta un reporte de unasesion de trabajo con un nino (aciertos y fallos), mientrasque la imagen de la derecha (b) ilustra el menu principal

– Recepcion de notificaciones de sesionescompletas: este servicio permite que tanto losmaestros como los familiares de los ninospuedan recibir mensajes con los detalles delas sesiones, progresos, etc.

– Registro de informacion personal de los ninos:esta funcion permite gestionar los datos de losninos (incluidas las fichas medica y escolar).

3.1. Dispositivo electronico Braille

Por otra parte, el dispositivo electronico tienecomo objetivo brindar soporte en el aprendizajede la lectura y la escritura del sistema Brailleen Espanol (Figura 2). Para ello, el dispositivoimplementa un sistema central (Raspberry PI2) que interactua con el usuario mediante unsintetizador de voz que le pregunta como debecodificar cierto patron tanto para lectura como paraescritura. El usuario debera ingresar la respuestay si es correcta, el dispositivo le informara queha acertado y se procede a la siguiente letradel abecedario, sin embargo, si la respuesta esincorrecta tendra que intentarlo nuevamente (las



veces que requiera). Las distintas funciones queposee el dispositivo se describiran a continuacion:

Fig. 3. Arquitectura general del dispositivo electronico deentrenamiento Braille

– Modo lectura Braille: esta enfocado en desa-rrollar actividades y ejercicios que permitanal usuario aprender a leer el patron con elcual se codifican las letras del abecedario enBraille. Al presionar el pulsante de seleccionde modo, el equipo le indicara que seaccedio al mismo a traves de un estımuloauditivo modo lectura en Braille. A partirde ello, se iran presentando a traves deestımulos auditivos cada una de las letrasdel abecedario y el usuario debera digitar elcodigo correspondiente a las mismas. Una vezque ha digitado el codigo, podra verificar sies correcto o no (presionando el pulsante deverificacion y recibiendo un estımulo auditivoque indica si se acerto o fallo). Este procesose podra repetir las veces que se requiera.

– Modo escritura Braille: presenta al usuarioactividades y ejercicios a fin de que esteaprenda a escribir el patron con el cual secodifican las letras del abecedario en Braille.Al presionar el pulsante de seleccion demodo, el equipo le indicara que se accedio almismo a traves de un estımulo auditivo modoescritura en Braille. A partir de ello, se irasolicitando al usuario escribir cada una de lasletras del abecedario y el mismo debera digitarel codigo correspondiente a las mismas. Deigual forma que en el modo de lectura, el

usuario puede verificar si escribio bien o nola letra solicitada.

– Modo de escritura de palabras: en estemodo el usuario debera escribir una palabra(ingresandola letra por letra) y luego deello podra solicitar que el dispositivo leadicha palabra. El dispositivo es capaz deleer cualquier palabra, ya que incorpora unsintetizador de voz.

El dispositivo Braille se diseno y construyotomando en cuenta diversas recomendaciones deprofesores que trabajan con ninos con diversosgrados de perdida visual en la Unidad EducativaEspecial “Claudio Neira Garzon”, ubicada enCuenca, Ecuador. Para ello, se establecio ladistribucion de botones y pulsantes controladoresque se pueden observar en la Figura 4.

Fig. 4. Distribucion de los botones de control deldispositivo Braille. Se pueden observar las 4 caras queconforman parte de la estructura del dispositivo

– En la cara superior se ubican los 6 pulsantesdonde se leeran y escribiran los codigosdel sistema Braille. Estos pulsantes son dedos estados, por lo que el usuario puedeemplearlos tanto para la lectura (cuando noestan accionados) como para la escritura(cuando se los presiona).

– En la cara izquierda se tiene el pulsantede verificacion, que permite que el usuariocompruebe si se ingreso de forma correcta


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el codigo Braille de la letra con la que setrabaja. En el modo de escritura de palabrasel pulsante es usado para escuchar la palabraque se haya ingresado.

– En la cara central se ubica un interruptorque permite encender y apagar el dispositivo,el conector de salida de audio y lossiguientes pulsantes: cambio de modo deoperacion (para establecer uno de los modosde funcionamiento indicados anteriormente),pulsante para volver a la letra anterior ypulsante para ir a la siguiente letra.

– En la cara inferior derecha se tiene el pulsantede validacion que se usa exclusivamentecuando se realizan ejercicios de escritura depalabras en Braille. Este pulsante permite iralmacenando cada letra que se ingresa alpresionarlo.

3.2. Modelo de intervencion pedagogica: unabreve descripcion

La expresion corporal y contacto visual son muyimportantes para la interaccion social, el desarrolloevolutivo y aprendizaje escolar. Sin embargo, enlos ninos con discapacidad visual esto se presentacon mucha dificultad pues la expresion corporal semuestra limitada, ya que no pueden aprender oimitar movimientos corporales y su contacto visualdesaparece. Por ello, es necesario trabajar enestos aspectos, ademas es importante mencionarque se encuentran afectadas sus areas dedesarrollo, en la parte motriz los ninos invidentes ocon baja vision presentan retrasos o no aparecenhabilidades como el arrastre o el gateo, puesexiste poco dominio y coordinacion de sus manos.De igual forma ocurre con la sedestacion ybipedestacion, pueden aparecer tardıamente porla falta de estimulacion visual, auditiva y tactil delmedio, tienen dificultad en el desplazamiento ymovilidad pues se muestran inseguros por falta delconocimiento del medio, problemas en la marchay se presentan estereotipias. Con lo que respectaal desarrollo cognitivo, este tiene mucha relacioncon el desarrollo motor del nino, pues toda lainformacion que recoge del medio lo hace a travesde la exploracion del mismo. Este aspecto tambien

se encontrara disminuido, ya que el nino no puedemovilizarse y ello lo limitara en su totalidad yexistiran grandes retrasos.

En cuanto al desarrollo perceptivo, el ninocaptara de forma mas lenta los estımulos externospor la falta de movilidad y el uso de sus manos.En el desarrollo del lenguaje se le dificulta lacomprension de algunos terminos y palabras,como son los sustantivos abstractos, adverbios delugar y tiempo. Esto suele presentarse en edadesiniciales y maximo hasta los 10 o 12 anos, algunosninos presentan ecolalias pues es su forma decomunicarse y algunos de ellos no tienen lenguajeno verbal, es decir, no existe gestualidad para susactos comunicativos.

El desarrollo afectivo y social esta netamenteligado con el medio que lo rodea, es decir, sufamilia y pares, pues depende de la actitud y elinteres de los mismos, en especial de los padrespara desarrollar un ser afectivo, los padres sonlos que generan seguridad y confianza en el ninopara ası crear un ser independiente. No siemprela discapacidad visual estara acompanada de otrotrastorno como la discapacidad intelectual, por locual se presentaran algunos retrasos o dificultadesa nivel escolar que deben ser atendidos por losmaestros con el fin de que se trabaje en lasnecesidades del nino.

A fin de llevar a cabo un proceso de intervencionpedagogica adecuada, es necesario establecer lasareas sobre las que se trabajara (no unicamentebuscar que se aprendan los codigos Braille).Para ello, se inicia determinando la edad dedesarrollo del nino. Dicha edad debe estar a lapar con la edad cronologica o en su defecto,debe haber como maximo 1 ano de retrasoentre las dos. Sobre esta base, es fundamentalrealizar una observacion con la ayuda de unaguıa que permita conocer la edad de desarrolloen las siguientes areas, ya que ello permitiraestablecer que aspectos deben ser trabajados conlos ninos [13]:

– Independencia: consiste en desarrollar auto-nomıa en las diferentes actividades de la vidadiaria, como por ejemplo: lavarse la cara,cepillarse los dientes, ir al bano, comer solo,etc.



– Motricidad fina: permite desarrollar discri-minacion tactil, pinza digital, pinza trıpode,ensartado.

– Lenguaje: adquisicion del lenguaje acor-de a su edad en los diferentes nive-les: fonologico (Sonidos onomatopeyicos,discriminacion auditiva, fonemas, sınfones,diptongos), lexico- semantico (vocabulario porcategorıas), morfosintactico (estructuracionde frases), pragmatico (la utilizacion dellenguaje: mediante la narracion, descripcion,denominacion).

– Social: potenciar habilidades para relacionar-se y convivir de manera armonica con suspares y los adultos de su alrededor. Algunosejemplos de estas habilidades son: participaren actividades grupales, conversaciones,opinar, conocer normas de convivencia, etc.

– Cognitiva: habilidad para procesar la infor-macion, resolver problemas y capacidad paracomprender el mundo.

A continuacion, se presentan algunas variablesque intervienen en el proceso de ensenanza-aprendizaje de prelectura y preescritura para ninoscon discapacidad visual, de acuerdo a su edad:Se iniciara a los 48 meses con conocimientode vocales (prelectura), a los 51 meses vocales(preescritura), a los 54 meses aprendizaje parapreescritura y prelectura de fonemas y abecedario,a los 60 meses prelectura de sılabas, a los 66meses preescritura de sılabas y se finaliza a los 72meses con prelectura y preescritura de palabrasde dos sılabas.

A mas de las directrices pedagogicas explicadasanteriormente, Bosch [1] plantea el desarrollofonologico infantil desde los 2 hasta los 6 anosde edad, realizando la siguiente clasificacion engrupos: sonidos vocalicos, diptongos, sonidosconsonanticos y grupos consonanticos. Todosestos conceptos deben ir en secuencia y acorde ala edad para la correcta adquisicion de los mismos.

A la edad de dos anos se debe adquirirlos sonidos vocalicos /A/, /E/, /I/, /O/,/U/, unavez superado este ıtem, los ninos normalmenteadquieren a los 3 anos los siguentes conceptos:

diptongos (/ia/, /ie/, /io/, /uo/, /ua/, /ue/) y fonemas(/m/, /n/, /n/, /p/, /b/, /k/, /g/, /t/, /l/, /f/, /j/, /s/, /ch/)en sılabas directas. A la edad de 4 anos se debenaprender los sonidos consonanticos (/r/, /l/, /d/, /y/)al igual que los grupos consonanticos (/fl/, /pl/,/bl/, /cl/, /gl/). El fonema /s/ en posicion media yel fonema /r/ en posicion final se debe adquirira la edad de 5 anos con los siguientes gruposconsonanticos: /br/, /fr/, /pr/, /cr/, /gr/, /tr/, /dr/ y losdiptongos /eu/, /ei/, /au/, /oi/, /au/, /iu/, /ui/. Parafinalizar el proceso de adquisicion fonetica, a los6 anos se deben aprender los fonemas /r/ y /rr/ enposicion media.

Con la adquisicion fonetica se pueden pre-senciar logros que beneficiaran a la prelecturay preescritura, pues si se adquieren de formasecuencial y correcta, este proceso se desarrollarade manera mas sencilla y sin complicaciones. Laprelectura es la etapa mas importante, pues seadquieren las bases para la futura lectura, ademasde generar curiosidad y conocimientos previosen dicha area. La preescritura depende de dospartes, una de ellas es la planeacion del escrito endonde es necesaria la concepcion correcta de losfonemas y vocales, y luego la organizacion de loque se desea escribir, en lo cual se debe conocerla grafıa correcta de cada uno de los fonemas yvocales.

3.3. Planificador de sesiones de trabajo

En base al modelo de intervencion pedagogicadescrito en la seccion 3.2, se ha desarrolladoun modulo prototipo basado en reglas que seenfoca en el soporte a la toma de decisiones porparte de los maestros que trabajan con ninos condiversos grados de perdida visual. El modulo tienecomo objetivo generar planes para sesiones declase con los ninos y modelar sus caracterısticascomo estudiantes (en terminos de habilidades ydesarrollo). Para ello, se consideran los siguientesaspectos:

– Perfil del nino: para ello se modelan aspectosclave como la edad de desarrollo, la edadcronologica, el grado de perdida visual, etc.,a traves de hechos.


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Fig. 5. Ejemplo general de la estructuracion de la regla que permite determinar si el nino conoce las vocales

– Habilidad motriz: se definieron reglas paraestablecer si se procede o no con una sesionde trabajo en base a la habilidad que presentael nino.

– Ejercicios de aprendizaje Braille: se definieronreglas que permitiran generar hechos querepresentan que ejercicios para aprendizajedel lenguaje Braille se llevaran a cabo tantoen preescritura como en prelectura (trabajarvocales, formar sılabas, etc.).

– Areas a trabajar: en funcion del desfase entrelas edades cognitiva y de desarrollo se creanautomaticamente hechos que especificanque areas deben trabajarse con los ninos(independencia, lenguaje, etc.).

En la Figura 5 se describe la estructura base sobrela que se desarrollan cada una de las reglas quepermiten al sistema generar planes de trabajo. Enel lado izquierdo de la figura se puede apreciar quela regla verifica en primer lugar que este definido



el hecho EdadDesarrollo. Con el valor de la edad(edadD) y la etapa de desarrollo (etapaD) la reglaverificara que el valor maximo de desfase entrelas dos sea de 12 meses. En el lado derechode la figura podemos observar que la reglaverificara que existan 5 hechos que representanlas vocales. Si se cumplen estos dos criterios,se invocara al metodo manejanvocales definidoen Python a traves de una interfaz de conexionentre las reglas y el lenguaje de programacion.Este metodo permite registrar de forma dinamicael hecho SonidosVocalicos que es el requerimientopara que el nino pueda iniciar las actividades yejercicios enfocados a desarrollar diptongos en elprimer nivel. Del mismo modo, cuando se invocaal metodo, el sistema es capaz de generar lainformacion textual que conformara el plan detrabajo que se presentara al usuario. Inicialmenteestos datos se guardan en archivos XML que luegoson convertidos en ficheros PDF (para los usuariosfinales).

Por otra parte, a continuacion (Reglas 1 y 2)podemos apreciar en forma de instrucciones comoel modulo planificador emplea reglas y hechos quepermiten modelar los aspectos relacionados conla destreza motriz (medida en una escala de 1 a10, donde 10 indica el maximo nivel de destreza),las areas que debera trabajar de acuerdo asu desfase (mencionadas anteriormente) y lastematicas que abordara de acuerdo a los rangosde edad especificados inicialmente para ninos de24 a 72 meses (este aspecto puede ser extendidosin problema para abordar nuevas edades).

La Regla 1 permite validar el nivel de destrezao desarrollo motriz que tiene el nino. Dicho nivelesta organizado en 3 grupos: bajo, medio y alto.Cuando esta regla es verdadera, se crea deforma automatica el hecho EntrenamientoPrevio(),que indica que deben hacerse actividades desoporte al desarrollo de la motricidad fina del nino(discriminacion de texturas, distincion de formas ytamanos, etc.).

Regla 1.

@Rule (DestrezaMotriz(evaluacion=P(lambda

evaluacion: evaluacion>=1) & P(lambda

evaluacion: evaluacion<5) ))

⇓

EntrenamientoPrevio(descripcion="{La

destreza mortiz del nino es Baja, por ello

debe realizar actividades de entrenamiento

previas.})

La Regla 2 permite validar que la edad dedesarrollo (edadD) posea cualquier valor y queeste en el rango [72, 78) meses. De igual forma,tambien verifica que que no exista el hechoEntrenamientoPrevio(), ya que ello indicarıa queel nino no ha desarrollado su habilidad motrizpara poder usar el entrenador Braille. Cuando estaregla es verdadera, se crea de forma automaticael hecho Trabajo(), que indica las actividadeseducativas que debe desarrollar el nino de acuerdoa su edad.

Regla 2.

@Rule(EdadDesarrollo(’edadD’<<W()),

AND(TEST(lambda edadD:edadD>=72),

TEST(lambda edadD:edadD<78)),

NOT(EntrenamientoPrevio()))

⇓

Trabajo(edad=edadD, area="Formacion

de Palabras (2 silabas)",

ambito="Prelectura//Preescritura")

A continuacion se proveen detalles del numerode reglas, hechos y objetos de mapeo queimplementa el modulo recomendador:

– De forma general, se emplea un total de 30reglas que permiten establecer las areas detrabajo y los hitos que alcanza el nino. Muchasde estas reglas permiten disparar metodospara gestion de datos externos.

– Se emplean 13 clases de mapeo inter-medio que representan hechos como lasedades (cronologica y de desarrollo), nivelde destreza motriz, areas de trabajo (social,independencia, etc.), etc.

– El esquema de razonamiento implementadose basa en CLIPS, que ha demostrado quees una herramienta vigente que se puedeemplear en diversos campos de la cienciay con gran enfasis en el de la salud y larehabilitacion [2, 16]. La interfaz de mapeointermedio que se emplea es PyKnow [14].


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3.4. Modulo de soporte a la conformacion degrupos de intervencion pedagogica

A mas del modulo de recomendacion de planesde trabajo, el sistema propuesto incorpora unmodulo que es capaz de generar grupos de ninosque posean un perfil similar. Esto se hace con elobjetivo de que los maestros puedan llevar a cabolas planificaciones de intervencion pedagogica.Por ejemplo, si se tienen ninos con edades dedesarrollo semejantes y grados de perdida visualsimilares (aspectos que determinan su grado deindependencia), es factible preparar sesiones declase conjuntas. Por lo expuesto, este modulopermite que los maestros puedan establecer quetipo de grupos desean conformar, dando paraello mayor importancia a ciertas variables. Comoprimer aspecto, se ha definido el descriptor quese utilizara para representar el perfil de los ninos(Ecuacion 1):

~P = {edadC, edadD, destrezaM , genero, perdidaV },(1)

donde:

– ~P representa el vector que caracteriza el perfilde cada nino.

– edadC y edadD indican las edades cronologi-ca y de desarrollo de un nino, respectivamen-te.

– destrezaM es la destreza motriz que poseeel nino para manejar dispositivos Braille. Semide en una escala de 1 a 10.

– genero especifica el genero del nino (1 paramasculino y 0 para femenino).

– perdidaV indica el grado de perdida visualque presenta el nino. Este valor se establecede acuerdo a la escala de Wecker que esempleada por la Organizacion Mundial de laSalud (OMS): vision normal (menor de 6/18o 0,3), discapacidad visual moderada (6/18y 6/60), discapacidad visual grave (inferior a3/60 o igual o superior a 1/60) y ceguera(inferior a 3/60 o igual o superior a 1/60) [28].

En base al descriptor establecido, se procedioa definir una metrica para determinar la distanciaque existe entre dos o mas perfiles de ninos(Ecuacion 2):

d(Pi,Pj) = w1 ·|edadCi − edadCj|

max( ~EdadC)+

w2 ·|edadDi − edadDj|

max( ~EdadD)+

w3 ·|destrezaMi − destrezaMj |

K+

w4 · |generoi − generoj |+

w5 ·|perdidaVi − perdidaVj |

N,

(2)

donde:

– d(Pi,Pj) representa la distancia que existeentre los perfiles de los ninos Pi y Pj .

– w1, . . . ,w5 es un conjunto de pesos quepermiten ponderar la importancia de losatributos, de acuerdo a los criterios de losexpertos que trabajan con los ninos. Se debecumplir que

∑4i=1 wi = 1

– max( ~EdadC) y max( ~EdadD) representanfactores de normalizacion que toman losvalores maximos de las edades cronologicay de desarrollo existentes en el grupo deninos, respectivamente. Con ello, se obtienediferencias de edad en el rango [0, 1].

– K representa una constante que se estableceen funcion de la puntuacion maxima quepuede alcanzar un nino la evaluacion de ladestreza motriz.

– N es una constante que se establece enfuncion de la escala de perdida visualmencionada anteriormente.

En base a la metrica definida en la Ecuacion 2,el modulo genera diversos tipos de dendrogramas[29] que son empleados por los especialistas paraaplicar las estrategias que se establecen a travesdel modulo recomendador de planes de trabajo. Enla seccion 4.2 se pueden observar los resultadospreliminares obtenidos con este modulo.



4. Plan piloto de validacion yresultados preliminares

En esta seccion se presentan 3 resultadosprincipales: (i) la percepcion que tiene un grupode 27 voluntarios acerca del dispositivo (ii) laspruebas con los modulos para generacion deplanes de trabajo y conformacion de grupos y (iii)la cantidad de recursos que consume el sistema alestar en funcionamiento y tiempos de respuesta.

4.1. Validacion del sistema con maestros yestudiantes voluntarios de ingenierıa

A fin de validar nuestra propuesta, se trabajo condos equipos: uno conformado por 20 estudiantesdel ambito de la ingenierıa y los sistemascomputacionales, y un segundo grupo constituidopor 7 maestros de la Unidad Educativa Especial“Claudio Neira Garzon” (los maestros tienendiversos grados de perdida visual y algunos soninvidentes). Esta unidad educativa especializadaque se fundo en 1971 atiende a ninos y jovenescon discapacidad sensorial (sordos e invidentes)y ofrece educacion/rehabilitacion en los siguientesniveles: primero a decimo ano de educacion basicapara discapacidad auditiva y primero a septimoano de educacion basica para discapacidad visual.

En la misma lınea, esta institucion lleva adelanteprogramas de estimulacion temprana, terapiadel lenguaje, terapia ocupacional, terapia fısica,orientacion y movilidad, y estimulacion visual. Lamayor parte de los ninos y jovenes que sonacogidos por la unidad educativa pertenecen ahogares de recursos economicos limitados [9].

A fin de determinar las percepciones de losvoluntarios (tanto estudiantes de ingenierıa comomaestros de la unidad educativa), se disenoun plan de experimentacion que consistio endesarrollar diversas actividades educativas con elentrenador Braille. Luego de que cada participanteuso el dispositivo, se les aplico una encuesta. Enla Tabla 1 podemos observar la puntuacion con laque evaluaron los participantes al dispositivo luegode usarlo (en el caso de los estudiantes fueronvendados a fin de simular de mejor manera lainteraccion con el sistema).

Tabla 1. Resultados de evaluacion de las variables dela distribucion de botones, indicaciones, la pertinenciade un plan de ejercicios y el tiempo de respuesta delsistema. Si cumple el criterio se puntua con 1, casocontrario con 0

Criterio Puntuacionprome-

dio( %)

Maestros

Distribucion de los boto-nes

100

Indicaciones que proveeel dispositivo

100

Contar con un generadorde planes de trabajo

100

Tiempo de respuesta deldispositivo

100

Estudiantes

Distribucion de los boto-nes

100

Indicaciones que proveeel dispositivo

92,3

Contar con un generadorde planes de trabajo

100

Tiempo de respuesta deldispositivo

100

Como se puede apreciar, todos los maestros(algunos con mas de 15 anos de experiencia)consideran 100 % apropiadas las siguientescaracterısticas del dispositivo: distribucion de losbotones, las indicaciones que se proveen atraves de estımulos auditivos para desarrollarlas actividades educativas, la posibilidad deque el sistema genere de forma automaticaplanes de trabajo y el tiempo en el que eldispositivo responde a una orden solicitada (atraves de los botones de control). De igualforma puntuaron los estudiantes los criteriosespecificados anteriormente, con excepcion delque se refiere a las indicaciones que proveeel sistema. Esto se debe a que quiza el oıdode las personas con perdida visual esta mejordesarrollado para entender mensajes generadosa traves de sintetizadores de voz, sin embargo, lapuntuacion se considera alta (92,3 %).

De igual manera, tambien se evaluaron lossiguientes aspectos (empleando la escala deLikert [6]): peso del dispositivo (1 - muy liviano, 2 -liviano, 3 - normal, 4 - pesado y 5 - muy pesado),


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facilidad de uso del dipositivo (1 - muy facil, 2 -facil, 3 - normal, 4 - difıcil y 5 - muy difıcil), tamano(1 - muy pequeno, 2 - pequeno, 3 - adecuado,4 - grande y 5- muy grande) y utilidad de losservicios que brinda el sistema para la ensenanza(1 - totalmente en desacuerdo, 2 - en desacuerdo,3 - ni en acuerdo ni en desacuerdo, 4 - de acuerdoy 5 - totalmente de acuerdo).

En la Figura 6 se ilustra que los resultados en lasvariables antes mencionadas son muy positivos.Podemos observar que ambos grupos (tanto demaestros como de estudiantes) consideran quees adecuado: 3.85 y 3.69, respectivamente. Encuanto a la facilidad de uso, se aprecia que paralos maestros es mas sencillo utilizar el dispositivo(4.14), mientras que los estudiantes consideranque no es complejo usarlo (3.69). En cuando altamano, ambos grupos lo valoran de forma positiva(2.85 y 2.38), ya que el valor ideal para nosotros es3 (adecuado). En el ultimo aspecto (utilidad para laensenanaza), las puntuaciones son altas (4.85 y4.38).

Fig. 6. Resultados de la evaluacion de los criterios depeso, facilidad de uso, tamano y utilidad del dispositivo

4.2. Pruebas preliminares con los modulosde generacion de planes y grupos detrabajo

Una vez que se implementaron las diferentesreglas, construyo un corpus artificial con 37perfiles de ninos. Cada perfil esta definido en basea las variables indicadas en la Ecuacion 1 (masuna del identificador).

Con base en este corpus, se procedio a generarautomaticamente 37 planes de intervencion y

del mismo modo, empleando la metrica definidaen la Ecuacion 2 se realizo un analisis deconglomerados con todos los perfiles artificiales.En la la Figura 6 se muestra un fragmento deun plan de trabajo para un nino que tiene unaedad cronologica de 63 meses y una edad dedesarrollo de 48 meses. Dado que el nino presentaun desfase de mas de 1 ano entre dichas edades,el sistema sugiere que trabaje en las areas deindependencia, motricidad fina, lenguaje, social ycognitiva.

Fig. 7. Fragmento de un plan de trabajo generado paraun nino invidente

Por otra parte, en la Figura 8 se aprecia eldendrograma que genera el sistema. Este servicioes de gran utilidad, ya que los especialistas omaestros pueden identificar de forma agil gruposde ninos a los que se les puede aplicar unproceso de intervencion educativa similar. Eldendrograma ha sido generado con las siguientesponderaciones: w1 = 0,2,w2 = 0,27,w3 =0,27,w4 = 0,01,w5 = 0,25. Con ello, se haceenfasis en las edades cronologica y de desarrollo,en la destreza motriz y la perdida visual. Estopermitira que los ninos puedan ir al mismo ritmode trabajo.

4.3. Analisis de recursos que consume elsistema

Otro aspecto que reviste gran interes, es elde la evaluacion del rendimiento del sistemaen terminos de uso de recursos y tiempos de



Fig. 8. Fragmento de un plan de trabajo generado paraun nino invidente

respuesta. Esto es crucial ya que durante unaclase con un nino con necesidades educativasespeciales cada minuto de su atencion es vitalpara que se puedan captar conceptos y desarrollardistintos tipos de habilidades. Si un equipo quese emplea en el ambito de la educacion especialno trabaja de forma optima, puede generarfrustraciones tanto en los ninos como en susmaestros. Por lo tanto, a mas de medir lapercepcion que tienen los usuarios finales acercadel tiempo de respuesta del sistema (seccion4.1), se llevo a cabo un conjunto de pruebas delaboratorio para medir el consumo de procesador,memoria RAM y el tiempo de respuesta de lasdiferentes funciones del sistema. Los resultadosson bastante positivos, ya que no se necesitamas del 4.4 % de 1 Gigabyte de memoria quetiene el sistema electronico embebido (RaspberryPI 2). Los requerimientos son similares para losdiferentes modos de funcionamiento, esto es,lectura, escritura y escritura de palabras.

En cuanto al porcentaje de uso de la memoriaRAM, hemos registrado los valores que serequieren para iniciar el sintetizador de vozy el programa base que contiene todas lasinstrucciones y algoritmos para la intervencionpedagogica. Los valores obtenidos indican que seemplea un 1.8 % y un 2.6 % de memoria RAM tanto

para el programa base como para el sintetizadorde voz durante la ejecucion de las siguientesoperaciones: arranque del sistema, modo lectura,modo escritura y modo escribir palabras.

En la Figura 9 se ilustran los tiemposrequeridos para llevar a cabo los procesos deencendido, apagado y ejecucion de los 3 modosde funcionamiento del dispositivo. Se necesitaaproximadamente 23 segundos para que elsistema este listo, considerando que debe cargarel sistema operativo (Raspbian [25]) en modotexto y el programa principal. Un tiempo similar(17s) se necesita para cerrar el programa yapagar el sistema operativo. Por otra parte, lostiempos requeridos para trabajar en los modosde funcionamiento se consideran muy buenos,ya que son inferiores a 2 segundos. Por ello,los usuarios consideran que el sistema tiene unarapida respuesta.

Fig. 9. Tiempos de respuesta del dispositivo para elencendido, apagado y modos de funcionamiento

Al igual que en el caso anterior, los tiemposrequeridos para realizar las siguientes tareas soninferiores a 2 segundos (Figura ??): navegacionpor las letras (anterior y siguiente), validar si elsımbolo introducido es correcto o no y almacenarla letra para formar palabras. Cabe mencionar queestos tiempos consideran no solo la respuesta delsistema, sino la conversion de texto a habla atraves del sintetizador de voz empleado.

5. Conclusiones

El dispositivo electronico se constituye en unaherramienta pedagogica de gran aplicabilidad para


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Fig. 10. Tiempos de respuesta del dispositivo respectoa la navegacion, validacion y concatenacion de letras

el aprendizaje del lenguaje Braille, ya que quefunciona con una aplicacion movil que permiteingresar datos, planificar sesiones de trabajo,generar reportes de las actividades realizadas yllevar a cabo el monitoreo del desarrollo del nino.Estas funcionalidades revisten de gran interes,pues el aprendizaje del sistema Braille depende deuna serie de conocimientos en donde el nino debeir superando cada etapa que se plantea. Por ello,la capacidad de planificar sesiones de trabajo enbase a las necesidades de los ninos, posibilita quelos maestros puedan brindar un servicio educativomas efectivo, dadas las condiciones que se debenafrontar en paıses en desarrollo.

Este sistema permite gestionar diversos datosdel perfil de los ninos con el fin de conocer la edadcronologica y ubicarse en una etapa de desarrollopara que se produzca dicho aprendizaje, esimportante mantener un monitoreo del desarrollodel nino para ası ir recopilando informacion delas actividades trabajadas para determinar laevolucion de cada caso o simplemente plantearactividades de retroalimentacion que favorezcan alaprendizaje. Los diferentes niveles de granularidadde los reportes (diarios, semanales, mensualeso de periodos de tiempo que sean necesariosestablecer) ayudan en la realizacion de diversostipos de analisis desde el ambito pedagogico,considerando de forma particular como ha sido elproceso de aprendizaje del sistema.

Asimismo, es importante mencionar que en estapropuesta se combinan dos tecnicas que podrıanmejorar sustancialmente el proceso de ensenanza

del lenguaje Braille: el razonamiento basado enreglas y el analisis de conglomerados.

Como lıneas de trabajo futuro se proponen lassiguientes:

– Desarrollar un modulo que permita generarplanes personalizados de intervencion pe-dagogica empleando razonamiento basado encasos.

– Desarrollar una base de conocimiento basadaen ontologıas a fin de combinar actividades dediagnostico e intervencion pedagogica paralos ninos.

– Desarrollar un modulo que permita analizarsimilitud de patrones de aprendizaje deescritura Braille en grupos de ninos a travesde la similitud de coseno suave y n-gramas[23,24].

Agradecimientos

Este trabajo ha sido auspiciado por el proyectode investigacion “Sistemas Inteligentes de Soportea la Educacion Especial (v5)”, el Grupo de In-vestigacion en Inteligencia Artificial y Tecnologıasde Asistencia (GI-IATa) y la Catedra UNESCOTecnologıas de Apoyo para la Inclusion Educativade la Universidad Politecnica Salesiana, Cuenca -Ecuador.

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Article received on 03/09/2017; accepted on 10/05/2018.Corresponding author is Vladimir Robles-Bykbaev.



un entrenador de braille multifuncion basado en sistemas

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