Aplicación de la inteligencia artificial en la conservación de los océanos

Docente: Victorio M. García María

Curso: 6º de Educación Primaria

Asignatura: Ciencias Naturales

Objetivo de la propuesta

Esta propuesta está dirigida al alumnado de sexto de Primaria en el área de C. Naturales, lleva como título “Aplicación de la inteligencia artificial en la conservación de los océanos” y permitirá al alumnado aprender a deducir como la inteligencia artificial puede ayudar al estudio del océano para su conservación y mejora.

Para ello se plantearán actividades con diferentes aplicaciones de IA y con los medios tecnológicos disponibles para registrar datos de diferentes hábitats y de procesos asociados en los Océanos, además tendrán que investigar qué trabajos de campo hacen los científicos en el mar y con qué especies en Canarias y cómo les podríamos ayudar en su trabajo con los instrumentos creados.

Se utilizará la comunicación oral, escrita y visual de los resultados para hacer presente aspectos dedicados a los hábitos de respeto hacia los seres vivos, principalmente hacia las especies marinas.

Se relaciona con los siguientes objetivos:

Identificar la Inteligencia Artificial como medio para la conservación y mejora del océano.
Investigar qué trabajos de campo hacen los científicos en el mar.
Registrar datos de diferentes hábitats oceánicos.
Conocer qué especies son estudiadas en Canarias.
Estudiar y exponer de forma oral, escrita y visual hábitos de cuidado y respeto hacia los seres vivos, principalmente hacia las especies marinas.

Fundamentación curricular

Criterio de evaluación PCNA06C03 – Describir y explicar las principales características y funciones de los seres vivos, así como su estructura y relaciones de interdependencia, reconociendo algunos ecosistemas que le son propios a partir de sus características y componentes mediante el uso de diferentes medios tecnológicos y la observación, con la finalidad de desarrollar el interés por el estudio de todos los seres vivos y adquirir hábitos de respeto y cuidado hacia ellos. Con este criterio se pretende constatar si el alumnado establece relaciones entre los seres vivos (las cadenas alimentarias, poblaciones, comunidades y ecosistemas); observa, identifica, describe y explica sus principales características y funciones (células, tejidos, tipos, órganos, aparatos y sistemas), así como su vinculación con los ecosistemas a través del análisis de los diferentes hábitats (pradera, charca, bosque, litoral y ciudad), y discrimina algunas de las causas que han provocado la extinción de las especies. Para ello, el alumnado observará y registrará algún proceso asociado a la vida de los seres vivos utilizando diferentes instrumentos de observación (lupa, microscopios…) y los medios audiovisuales y tecnológicos apropiados, respetando las normas de uso, de seguridad y mantenimiento, y comunicando de manera oral y escrita los resultados. Además, se evaluará si ha adquirido hábitos de respeto y cuidado hacia los seres vivos y, en especial, hacia las especies en peligro de extinción.

Estándares de aprendizaje evaluables: 32, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 y 48.

Competencias: AA, CD, CMCT y CSC.

Contenidos: 1.Identificación y descripción de las principales características de los seres vivos: células, tejidos, tipos, órganos, aparatos y sistemas. 2. Establecimiento de relaciones entre los seres vivos: cadenas alimentarias, poblaciones, comunidades y ecosistemas. 3. Descripción y explicación de las principales características y componentes de un ecosistema y los diferentes hábitats. 4. Interés por la observación y el estudio de todos los seres vivos. 5. Hábitos de respeto y cuidado hacia los seres vivos y hacia las especies en peligro de extinción. 6. Observación directa de algún proceso asociado a la vida de los seres vivos con instrumentos apropiados (lupas, pinzas, microscopio, etc.) e indirecta mediante el uso de medios audiovisuales y tecnológicos. 7. Realización de trabajos. Comunicación oral y escrita del proceso y de los resultados obtenidos. 8. Respeto a las normas de uso, de seguridad y de mantenimiento de los instrumentos de observación y de los materiales de trabajo.

Criterio de evaluación PCNA06C01 – Planificar, realizar y proponer proyectos de investigación, de forma individual y en equipo, mediante la recogida de información sobre hechos o fenómenos previamente delimitados de interés comunitario o social, haciendo predicciones y estableciendo conjeturas —tanto de sucesos que ocurren de una forma natural como sobre los que se provocan— a través de un experimento o una experiencia, apreciando el cuidado por la seguridad propia y de sus compañeros y compañeras, cuidando las herramientas y haciendo un uso adecuado de los materiales, con la finalidad de comunicar los resultados de forma oral, escrita o audiovisual, valorando la importancia del rigor, de la persistencia y la creatividad en la actividad científica. Con este criterio se pretende que el alumnado sea capaz de mostrar iniciativa en la organización y realización de proyectos, experiencias o pequeñas investigaciones. Para ello se constatará que el alumnado busca, selecciona, organiza y analiza tanto la información concreta y relevante como los materiales necesarios en diferentes fuentes (directas, libros, documentos escritos, imágenes y gráficos e Internet), a partir del planteamiento de problemas y enunciación de hipótesis, extrayendo conclusiones y realizando informes para comunicar los resultados de forma oral o escrita, utilizando imágenes, tablas, gráficos, esquemas, resúmenes y las TIC, en soporte papel o digital. Además, se verificará que el alumnado manifiesta autonomía en la planificación y ejecución de acciones y tareas, muestra iniciativa en la toma de decisiones y reflexiona acerca del proceso seguido utilizando estrategias para realizar trabajos de forma individual y en equipo mostrando habilidades para resolver problemas y conflictos, participando en procesos de autoevaluación y coevaluación, con sentido crítico, iniciativa, curiosidad e interés, y reconociendo el rigor, la persistencia y la creatividad como cualidades de actividad científica.

Estándares de aprendizaje evaluables: 1, 3, 4, 6, 7, 11 y 12.

Competencias: CMCT, CD, AA y CSC.

Contenidos: 1. Iniciación a la actividad científica de forma individual y en equipo. Aproximación experimental a algunas cuestiones. 2. Utilización de diferentes fuentes de información (directas, libros…) y de diversos materiales, teniendo en cuenta las normas de seguridad. 3. Lectura de textos propios del área. 4. Utilización de las tecnologías de la información y comunicación para buscar y seleccionar información, simular procesos y presentar conclusiones. 5. Hábitos de prevención de enfermedades y accidentes, en el aula y en el centro. 6. Desarrollo de hábitos de trabajo y técnicas de estudio. 7. Fomento del esfuerzo y la responsabilidad. 8. Realización de proyectos.

Fundamentos metodológicos

El uso de recursos propios de la investigación científica proporcionará la oportunidad de diseñar actividades en las que el alumnado desarrolle habilidades para la investigación. La utilización de herramientas que usan la Inteligencia Artificial, el estudio de ecosistemas y el registro de las observaciones realizadas pondrán en valor el trabajo científico.

Para la introducción de las distintas actividades se ofrecerá al alumnado información introductoria y contextual (lecturas, videos, documentación) con el fin de predisponer y de estructurar el conocimiento, además de hacer de transición de las ideas previas y la nueva información. Durante la situación de aprendizaje, se insistirá en la creación de hábitos de conservación y respeto por el medioambiente, que se planteará como problema al alumnado, por lo que se solicitará la búsqueda de soluciones de manera original y creativa. En base a estos modelos metodológicos a utilizar se propondrán también estrategias cooperativas variadas que continúen potenciando el trabajo grupal y la construcción del conocimiento de manera compartida (reparto de roles, asignación de tareas grupales). Se incluirán también destrezas de pensamiento que permitan además la reflexión, el análisis y la síntesis de la información, así como desarrollar la competencia de aprender a aprender.

Contribución al desarrollo de las competencias

Se plantearán en esta situación de aprendizaje actividades basadas en la presentación de situaciones como preguntas o retos en los que, la observación específica y planificada o la investigación, permitan darle respuesta (CMCT). Se utilizará en este proceso, recursos TIC que permitirán, no sólo la presentación de contenidos, sino también la búsqueda, selección y posterior comunicación (CD) de información. Además, y atendiendo a las estrategias metodológicas, se favorecerá el intercambio de ideas y opiniones y la integración de manera constructiva de los diferentes puntos de vista (CSC). Junto a ello, la reflexión y evaluación de su propio proceso y de los demás (AA), incorporando las mejoras oportunas que permitirán obtener un desarrollo competencial acorde al criterio de evaluación programado para esta situación de aprendizaje.

Agrupamientos

El trabajo grupal será el agrupamiento principal a lo largo de esta situación de aprendizaje. Se utilizará el gran grupo (GGRU) principalmente en los momentos de presentación de la actividad, lecturas colectivas, visionado de videos, etc. y en los momentos de puesta en común, normalmente en los de compartir y hacer conclusiones. También se utilizará el pequeño grupo (PGRU) en los momentos de actividades de desarrollo, de intercambio de ideas y opiniones y de reflexión compartida.

Desarrollo de sesiones

Actividad 1. El océano y los cetáceos en Canarias

Esta actividad contará con dos sesiones para su desarrollo. En un primer momento, el alumnado, en su grupo clase, visionará el video (Recurso 1) (Sureoeste de Tenerife). Durante el visionado, el profesor o profesora lo detendrá en los aspectos más importantes (cuando se citan los diferentes tipos de cetáceos) y aclarará y reforzará los conceptos.

En una segunda sesión, se resaltará del video visionado en la sesión anterior la parte de fotoidentificación realizada por Mirna Piñero, directora de Calderones de Canarias, y se preguntará al alumnado lo siguiente: ¿cuál creen que es el trabajo que está realizando? y ¿cuánto tiempo les puede llevar?

Posteriormente, se les explicará que la mayoría de los investigadores rastrean manualmente la vida marina por la forma y las marcas en sus colas, aletas dorsales, cabezas y otras partes del cuerpo, lo que requiere mucho tiempo y, a veces, es inexacto. Se dedican miles de horas a la comparación manual, lo que implica mirar fotos para comparar un cetáceo con otro, encontrar coincidencias e identificar nuevas personas.

En este momento se introducirá la plantilla con todos los pasos del método científico (Recurso 2) y le explicaremos que se va a partir de la siguiente pregunta: ¿Cómo podemos ayudar para mejorar la fotoidentificación de cetáceos usando la tecnología? Se les anima a plantear hipótesis.

Mapa colaborativo con lluvia de ideas sobre la pregunta ¿Cómo podríamos mejorar el trabajo de identificación de cetáceos usando la tecnología?

Tras la lectura de todas las respuestas, se les dará la clave para acceder al classroom creado para el concurso “Un mar de ciencias” (tarea final donde el alumnado expone su trabajo delante de un jurado formado por científicos), para posteriormente poder continuar realizando actividades de manera virtual con los tres grupos.

Con el ánimo de que descubran cuál es la tecnología que vamos a usar se les dará acceso a la aplicación de IA de Google AI for Oceans (Recurso 3).

Descubrirán que pretendemos usar la inteligencia artificial para mejorar el trabajo de los científicos. A continuación, se concluirá la sesión visionando un vídeo explicativo sobre la IA (Recurso 4).

El/la docente aprovechará para rellenar el registro de observación (Recurso 5).

Actividad 2. ¿Qué es la inteligencia artificial?

A partir de lo trabajado en las sesiones anteriores, se comentará al alumnado los aprendizajes esperados y cuál será la tarea final. Así, se explicará que trabajaremos con la herramienta de inteligencia artificial Teachable Machine (Recurso 6), que nos permitirá usarla para ayudar a la conservación de los océanos. Para ello, tendremos que conocer diferentes especies marinas de Canarias y el trabajo que hacen los investigadores sobre el terreno. Además, se indicará que el producto final de la situación de aprendizaje será la elaboración de un informe científico que enviaremos al concurso “Un mar de Ciencias”.

Lo primero, debemos saber qué queremos enseñarles a hacer, por lo que decidiremos de qué son las imágenes con las que queremos entrenarles. En esta parte vamos a animar a los estudiantes a que debatan un poco sobre qué utilidad puede tener este clasificador y qué imágenes podrían ser susceptibles de ser clasificadas para que simplificasen o ayudasen al día a día de muchos profesionales.

Se presentará los estudios realizados por la Asociación Tonina en colaboración con la Universidad de La Laguna, donde se pueden encontrar cientos de fotografías de aletas dorsales de diferentes cetáceos (Recursos 7, 8, 9 y 10) que han ido localizando y dando nombre a lo largo del tiempo.

Cada grupo tendrá la tarea de cortar las fotos de una parte de la muestra de
una determinada especie para luego entrenar al programa y que aprenda a distinguir entre delfín mular, calderón, zifio de blanvillie y rorcual.

Así se creará una tarea específica para cada grupo, donde se compartirá el archivo con el estudio de los cetáceos y un enlace a una carpeta común donde irán archivando las fotos una vez recortadas y nombradas. Así 6A se encargará de los calderones, 6B de los zifios de blanvillie y los rorcuales, y 6C de los delfines mulares.

El/la docente completará el registro de observación (Recurso 5).

Actividad 3. Reconociendo los diferentes cetáceos

Se les facilitará el acceso a un vídeo y un documento explicativo de los diferentes cetáceos de Canarias (Recursos 11 y 12). El alumnado en sus grupos base completarán una presentación que les proporcionará el docente o la docente, donde localizarán los diferentes cetáceos, incluyendo una pequeña descripción de cada uno de ellos con sus características principales según el vídeo y el documento.

Los alumnos y alumnas trabajarán en sus grupos siguiendo las dinámicas de trabajo cooperativo. Cada uno asumirá su rol participando, aportando sus conocimientos y respetando los turnos de palabra, y el docente o la docente pasará por los distintos grupos y guiará y aclarará las posibles dudas surgidas. Al finalizar esta tarea, se pondrá en común con toda la clase. Los portavoces comentarán el trabajo realizado y las respuestas que ha dado su grupo, lo que permitirá al docente o la docente obtener información de la adquisición de los aprendizajes, anotando en el registro de observación (Recurso 5) los resultados obtenidos en cada uno de los grupos.

El alumnado visitará el Loro Parque, donde realizarán algunas fotos de aletas de los cetáceos, lo que les permitirá ser conscientes de la dificultad de realizarlas.

Actividad 3: Comunicación con expertos

El lunes 21 de marzo se realizaron dos charlas en el centro:

Nos visitó Mirna Piñero, directora de Calderones de Canarias, donde han realizado fotoidentificación de más de 300 cetáceos.

Posteriormente realizamos videoconferencia con:

Stephen McGough, que es profesor titular de ciencia de datos y aprendizaje automático en el grupo de computación escalable de la Facultad de ciencias de la computación de la Universidad de Newcastle. Stephen investiga en las áreas de Machine Learning (específicamente Deep Learning), Big Data y Energy Efficient Computing. Ha trabajado en la identificación ballenas y delfines.

Miguel Angel Fuentes Cabrera (OAK Ridge National Laboratory, Tennessee EEUU), que es colaborador habitual con el Centro, actualmente realiza investigación relacionando la Inteligencia artificial y la malaria.

Actividad 4. Entrenamiento del programa de IA

Se dedicarán dos sesiones a esta actividad.

En la primera, el alumnado se distribuye en grupos y se hace una contextualización de los aprendizajes, siguiendo el esquema de trabajo cooperativo dentro del grupo; se repartirán roles y funciones, así como el trabajo de búsqueda y selección, de manera que cada miembro del equipo participe y aporte para la consecución del trabajo encomendado. Durante el desarrollo de la sesión, el profesorado hará preguntas, aclarará dudas, resumirá y ayudará a la toma de decisiones y en las reflexiones de cada grupo, mostrándose en todo momento animador y mediador del proceso.

Cada alumno entra en Teachable Machine, crea los cuatro grupos, inserta las fotos y entrena al modelo.

Se termina la sesión comentando los sesgos intrínsecos que comporta el machine learning y qué hacer para resolver el problema, aumentando la diversidad de nuestros datos y la calidad de los mismos.

En el recortado de fotos y en el primer trabajo con Teachable Machine surge error (el programa reconoce solo a calderones aunque introduzcas fotos de otros cetáceos). Después de discutir sobre el tema, descubrimos que el problema está en las dimensiones de las fotos, que según las especificaciones técnicas del programa tienen que ser 223 x 223 píxeles. Se soluciona buscando una herramienta web que las transforma todas a esas dimensiones.

Se dedicará el final de esta sesión a que cada equipo ponga en común las conclusiones sobre las características de los cetáceos, momento que el docente podrá utilizar para realizar anotaciones en las rúbricas de los criterios trabajados (Recurso 13).

En la segunda y última sesión, se dedicará tiempo a sacar conclusiones sobre la investigación y la elaboración del informe científico para el concurso un mar de ciencias.

Los grupos irán realizando una autoevaluación (Recurso 14), para lo que utilizarán la rúbrica, completando las puntuaciones y la escala de valoración grupal, que pondrá de manifiesto cómo se ha desarrollado el trabajo a lo largo de la situación de aprendizaje.

Después de corregir los errores iniciales del formato de las fotografías, conseguimos que identificaran con un tanto por ciento muy elevado qué tipo de cetáceo se trataba al introducir una foto, pero solo creando 3 categorías, ya que al introducir los zifios el programa los confundía con los delfines al ser la aleta muy similar.

Para conseguir distinguir entre diferentes individuos es necesario un programa que recoja muchos más parámetros, pues los animales van cambiando con el tiempo y el ruido (lo que no pertenece al individuo), que también debe ser entrenado por el programa.

Evaluación

En esta situación de aprendizaje, se planteará una evaluación a lo largo de todo el proceso que permitirá al alumnado conocer en todo momento los aprendizajes esperados. Se convertirá, además, en formativa, constituyendo los instrumentos de evaluación, actividades de aprendizaje de desarrollo para los alumnos y alumnas. Se abordará el criterio de evaluación número 1 del área, desarrollándose de forma parcial e incluyendo, de esta manera, los estándares 1, 3, 4, 6, 7, 11, 12, relacionados todos ellos con la planificación y realización de proyectos de investigación. Igualmente se trabajará el criterio de evaluación número 3 del área, desarrollándose en su totalidad, incluyendo, de esta manera, los estándares 32, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, relacionados todos ellos con el manejo de instrumentos de observación, y con las características, funciones y relaciones entre los seres vivos, englobando conductas de cuidado y respeto hacia los mismos.

Se utilizarán los estándares de aprendizaje, elementos de mayor concreción, observables y medibles, como referencia para valorar el desarrollo competencial del alumnado, así como su progreso y desempeño. La secuencia de actividades diseñada, empezando por actividades de activación en gran grupo para fomentar la empatía y la cohesión, el trabajo cooperativo del alumnado, así como la elaboración de los distintos productos, instrumentos y las técnicas y herramientas de evaluación propuestas, garantizarán el enfoque competencial de la evaluación y facilitarán el desarrollo y adquisición de las competencias asociadas a los criterios por parte del alumnado, siendo: la Competencia Matemática y Competencias Básicas en Ciencias y Tecnologías (CMCT), la Competencia Digital (CD), las Competencia Sociales y Cívicas (CSC), la Competencia para Aprender a Aprender (AA).

Los tipos de evaluación a utilizar serán la heteroevaluación, la coevaluación y la autoevaluación, que se abordará con la creación y el desarrollo de un diario de aprendizaje, pudiendo utilizarse un cuaderno físico o en red, y que permitirá también la recogida de información de forma sistemática y organizada. También será importante realizar la metacognición de los aprendizajes durante todo el proceso. Las técnicas a utilizar será la observación sistemática y el análisis de producciones y artefactos. Las herramientas de evaluación estarán acordes a las técnicas empleadas, utilizándose el Registro anecdótico para la toma de datos ocasionales o imprevistos, la Escala de Valoración para el trabajo individual y en pequeño grupo, y las rúbricas para la prueba escrita. Los instrumentos de evaluación serán el diario de aprendizaje, el informe de investigación y los productos elaborados con los programas de IA.

Reflexión sobre las dificultades encontradas y logros obtenidos

Durante la implementación de mi propuesta, el primer problema que tuvimos es que las fotos estaban en unas dimensiones diferentes que las que pedía el programa, pero sirvió para que el alumnado reflexionara sobre el surgimiento de problemas durante la investigación. Se resolvió buscando un programa.

La situación se realizó en 3 grupos distintos de sexto de Primaria y, de manera puntual, se fue entrando en las diferentes aulas, además de crear un aula en classroom. Se hubiese necesitado más tiempo y que el docente encargado del área hubiese llevado la situación de aprendizaje.

El alumnado por un lado ha conocido lo que es la Inteligencia Artificial y ha podido comprobar los beneficios que pueden suponer para el avance de la ciencia. Por otro, con esta situación de aprendizaje,se ha participado en el concurso “Un mar de Ciencias” de la Consejería de Educación, organizado por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, lo que ha servido al alumnado para preparar trabajos de mayor calidad y tener que exponerlo fuera del entorno escolar.

También se va a elaborar un documental de 7 minutos de duración sobre la fotoidentificación y la IA, aprovechando la excursión que el alumnado hará en diferentes barcos para la ver los cetáceos, que luego será enviado al festival de cine educativo Cinedfest.

El mayor logro es haber puesto en contacto a las personas que actualmente están haciendo fotoidentificación en Canarias con las personas de otras universidades y que su colaboración pueda servir para elaborar futuros proyectos en los centros educativos y mejorar su trabajo diario.
Creo que podría mejorarse mi propuesta realizando la SA desde el área e implementándose en la programación del curso para disponer de más tiempo para su realización. Además, contar con más fotos y sobre todo sonidos de cetáceos hubiese facilitado el entrenamiento del programa.