Autor

Álvaro Molina Ayuso

Breve descripción 

Para fomentar la limpieza en el patio de la escuela y la conciencia por el reciclaje, el alumnado puede usar la inteligencia artificial (IA), y más concretamente la subcategoría de machine learning (ML) o aprendizaje automático. Gracias a ella es posible crear un artefacto computacional que nos ayude a diferenciar los residuos generados durante el tiempo de recreo con el fin de mejorar el reciclado entre la comunidad educativa. El dispositivo ha sido creado programando una aplicación con Scratch 3.0 a través de la plataforma Learningml.  

Niveles y etapa

Se ha desarrollado con alumnado de 3º de ESO. Pero se puede implantar tanto en el último ciclo de Educación Primaria como en Secundaria. 

Asignatura

Matemáticas. 

Temporalización

10 – 12 sesiones. 

Área de trabajo

Inteligencia artificial, lenguajes de programación y competencias digitales. 

Punto de partida

No se requiere conocimientos previos. Todo lo que se necesita saber para programar la aplicación o definir el algoritmo de aprendizaje automático se trabaja durante el desarrollo de la propuesta didáctica. 

Objetivos

• Identificar un problema o punto de partida para definir una posible solución. 
• Hacer un análisis para saber cuáles son los principales residuos que suelen quedarse en el patio de la escuela después del recreo.
• Conocer qué es el aprendizaje automático supervisado y cómo se puede emplear para clasificar imágenes. 
• Crear una aplicación con Scratch para interactuar con los estudiantes y ayudarlos a reciclar. 
• Entender cómo se puede aplicar la IA en situaciones cotidianas para mejorar o facilitar algunos procesos y reflexionar cuándo no es necesaria. 
• Aprender a desarrollar el espíritu emprendedor e iniciativas que ayuden a alcanzar un bien común. 

Desarrollo de la propuesta

Los cambios que vivimos en nuestra sociedad, así como las necesidades que van surgiendo de la mano de un desarrollo tecnológico cada vez más fuerte plantean la necesidad de nuevos enfoques metodológicos. Dichos enfoques aportan los modelos de enseñanza y aprendizaje necesarios para potenciar en el alumnado el desarrollo de capacidades relacionadas con la creatividad y la resolución de problemas. Además, esto ha de ir ligado a la adquisición de competencias cientifico-técnicas que permitan adaptarse y resolver situaciones futuras.  

Para dar respuesta a esta necesidad o inquietud, es importante tener presente el enfoque STEM, ya que puede ayudar a desarrollar en el alumnado un conjunto de habilidades esenciales ligadas a la tan necesaria alfabetización digital para así desenvolverse como ciudadano del siglo XXI. Una alfabetización que, como todas, busca paliar diferencias entre los distintos sectores de la sociedad. En este punto, son necesarios unos conocimientos básicos que ayuden a mitigar la brecha digital al mismo tiempo que se fomenta la capacidad de la ciudadanía para utilizar de manera crítica la información de la que se dispone libremente en internet. La alfabetización digital posee varias dimensiones, si bien en este trabajo cobran especial relevancia dos de ellas: 

• Alfabetización en IA. Es el conjunto de competencias que permite a las personas valorar de forma crítica las tecnologías relacionadas con la inteligencia artificial, comunicarse, colaborar eficazmente con ellas y utilizarlas como herramientas en línea en un contexto particular. 
• Código de alfabetización. Se centra en el proceso de enseñanza-aprendizaje de lectoescritura mediante lenguajes de programación. El desarrollo del código de alfabetización está relacionado con el trabajo de lenguajes de programación por bloques en Scratch, el cual ayuda a través de prácticas computacionales a desarrollar habilidades y destrezas asociadas al pensamiento computacional como el uso de condicionales, bucles o variables.  

A continuación, se exponen las distintas sesiones en las que se desarrolla la presente propuesta didáctica. En todas ellas se mantienen la misma estructura, que está incluida en el material de trabajo compartido en los enlaces adjuntos al final de este artículo. 

Sesión 1. El reciclado en nuestra escuela (movilizar y activar) 

Objetivos: 

• Presentar al alumnado el proyecto así como su desarrollo.  
• Definir los objetivos y la finalidad con la que se plantea el trabajo. 
• Despertar el interés y la motivación del alumnado para conocer los fundamentos básicos de la IA y el aprendizaje automático. 
• Tener en cuenta los conocimientos previos del alumnado sobre reciclaje y fomentar el planteamiento de propuestas de elaboración propia que ayuden a mejorar este proceso en el centro educativo. 

Desarrollo 

Paso 1 – Un patio limpio en la escuela 

En primer lugar, el docente presenta la idea o punto de partida de este trabajo y una posible solución a través de una exposición breve y concisa que ayude al alumnado a identificar el origen y la finalidad de este proyecto: 

• Es posible que algún día en el patio del colegio quedasen restos de residuos orgánicos, papel o envases tirados por el suelo. 
• Quizás las personas que lo han dejado no sepan muy bien dónde reciclar cada uno de estos residuos. 
• ¿Crees que sería útil tener un dispositivo inteligente para ayudar a reciclar? 
• ¿Serías capaz de crear un programa informático que diga en qué contenedor hay que reciclar cada residuo? 

A continuación, se indica que se va a trabajar con Scratch y LearningML, mostrando una o dos imágenes de cada uno de estos recursos. Posteriormente, se citarán los objetivos del trabajo. 

Paso 2 – ¿Qué sabemos de reciclaje? 

En esta primera sesión inicial se recomienda comprobar qué saben los estudiantes sobre el reciclaje, ya que tendrán que programar una máquina que indique en qué contenedor se reciclan los distintos residuos. Para ello se proponen tres actividades: 

Actividad 1. ¿Qué residuos hay en tu clase? 

Analiza los principales residuos que hay en el aula. Crea una lista de todos ellos y destaca cuál es el que has encontrado en mayor cantidad. 

• ¿Cuántas papeleras hay?
• ¿Se necesita alguna papelera más? 
• ¿Se pueden reciclar todos los residuos que has encontrado?

Haz una breve redacción para explicar esta situación. No debe ser muy extensa, entre 80 y 120 palabras. 

Actividad 2. Tu propuesta para reciclar. 

Se puede trabajar en grupo de cuatro personas con la técnica del folio giratorio para dar respuesta a las siguientes preguntas: 

• ¿Cómo se puede mejorar el reciclaje en clase?  
• ¿Se necesita algún material como papeleras o carteles?  
• ¿Quieres crear un concurso para motivar en el reciclado?  
• ¿Es posible hacer alguna escala que indique la cantidad de residuos que se han reciclado cada día?  

Para esta actividad se puede coger un folio y escribir la primera pregunta en la parte superior como título. A continuación, cada alumno o alumna escribe una propuesta y pasa el folio al siguiente compañera/o hasta que todos hayan escrito al menos una. El procedimiento es el mismo como el resto de preguntas. 

Una vez terminado se debe elegir lo más importante de las propuestas dadas para cada pregunta. 

Actividad 3. Comparte con la clase tu propuesta. 

Comparte con toda la clase cada propuesta. Los grupos pueden elegir una persona que actúe como representante y consensuar entre todos y todas lo que se va a decir. 

Sesión 2. Vamos a programar (explorar) 

Objetivos: 

• Conocer el lenguaje de programación Scratch y la plataforma de trabajo. 
• Conocer los principales elementos de programación que pueden servir para crear la aplicación que ayude con el proceso de reciclaje. 

Desarrollo: 

Se crea y se programa un sistema de clasificación de residuos usando la inteligencia artificial. 

Para esta parte, se utiliza Scratch. Es posible que el alumnado conozca este recurso y lo haya usado antes. En tal caso, esta sesión puede simplificarse y adaptarse a las necesidades. Si no se conoce el programa, se puede seguir los siguientes pasos para comprender los principales elementos que serán necesarios para el desarrollo de la aplicación. 

Actividad 1. Introducción a Scratch. 

El siguiente vídeo explica cómo aprender a usar Scratch. Explica cómo crear un nuevo proyecto, programar las primeras acciones, guardar el proyecto y compartirlo con otras personas.  

Introducción a Scratch 3.0: https://youtu.be/9KT3h5xMkOE

Actividad 2. Crea tu primer programa con Scratch. 

Con esta actividad a través de Scratch se puede aprender a crear un personaje que hable sobre distintas emociones y el color con el que suelen estar relacionadas. 

Scratch. Colores y emociones: https://youtu.be/XOF_BN4aieU

Para completar el programa anterior, fíjate en el siguiente vídeo para incluir un disfraz al personaje cada vez que interactúe con un color.

Scratch. Colores y emociones 2: https://youtu.be/c53yherBA-c

Actividad 3. Modifica el programa anterior para darle un toque personal. 

Es imprescindible duplicar el proyecto anterior y cambiar los colores que aparecen en los círculos de forma que se muestren información sobre otras emociones. 

Es conveniente duplicar el programa, para que de esta manera, el documento original quede sin modificaciones y puedas hacer las modificaciones necesarias en esta nueva copia.

• 

• 

• 

Actividad 4. Añade algo más. 

Para terminar el programa, se puede añadir un complemento para que el mensaje llegue mejor y sea más claro para los usuarios: convertir el texto en voz. 

Lo primero es añadir una nueva categoría a los bloques de programación de Scratch para así insertar la extensión de voz y poder añadir texto.

• 

• 

• 

• 

Realiza los mismos cambios para el condicional que controla cada uno de los colores. Es importante que acabe con una pieza «decir» vacía para que desaparezca el bocadillo de la pantalla. 

Sesión 3. Avanzamos a una nueva tecnología (estructurar) 

Objetivos: 

• Saber qué es la IA y los algoritmos de aprendizaje automático. 
• Preparar un algoritmo de IA para poder clasificar imágenes y poder hacer una interacción a través del ordenador. 
• Crear una aplicación con Scratch utilizando un algoritmo de aprendizaje automático machine learning. 
• Emplear un recurso tecnológico para dar una solución a un problema cotidiano. 

Desarrollo 

Antes de entrar de lleno en el trabajo con el sistema de IA que nos ayuda a diferenciar los residuos que quedan en el patio de la escuela hay que saber qué es la IA, qué es un algoritmo de aprendizaje automático y qué tipos puede haber. 

Para el desarrollo de esta sesión, se plantean 3 actividades para conocer todos los aspectos necesarios y construir un artefacto computacional que ayude a diferenciar los distintos residuos. 

Actividad 1. Investiga sobre IA 

Busca información general sobre qué es la IA y los tipos que podemos encontrar, qué aplicaciones e implicaciones sociales puede tener y cuáles son los aspectos éticos que hay que tener en cuenta a la hora de utilizar esta tecnología. 

Para completar esta actividad se puede exponer la información recopilada en una presentación, documento de texto o infografía. 

Actividad 2. Desarrollo del algoritmo 

En primer lugar, hay que conocer cómo funciona la plataforma educativa LearningML con un par de ejemplos sencillos. 

En el siguiente vídeo hay una explicación de cómo puedes hacer este tipo de trabajos y muchos más con la plataforma LearningML:  

https://youtu.be/v0OH8LgZnsI

Una vez establecida la primera toma de contacto con la plataforma, se procederá a clasificar imágenes.  

En el siguiente vídeo se puede ver una explicación para hacer un algoritmo de aprendizaje automático de reconocimiento facial con LearningML. Este algoritmo permite crear una aplicación con Scratch cuyo objetivo es identificar si un usuario delante de la cámara del ordenador lleva o no la mascarilla y si está bien puesta: https://youtu.be/Js7wsSrqerU

Entrena tu algoritmo de aprendizaje automático con LearningML para diferenciar entre las tres categorías explicadas en el vídeo sobre el uso de la mascarilla y reproduce un proyecto con Scratch similar al que se ha explicado en el vídeo para interactuar con el usuario. 

Es el momento de pasar a la acción, pero antes es necesario analizar qué residuos hay en el patio de la escuela y almacenar imágenes en las diferentes clases. Para ello se pueden observar los residuos que han quedado en el suelo tras el recreo, identificar los principales residuos y en qué contenedor se deben depositar. Abre un nuevo proyecto en la página de LearningML para clasificar las imágenes. 

Guarda las imágenes de los diferentes residuos en cada una de las clases que has definido con el algoritmo. Para ello, es conveniente ir al patio de tu escuela con un ordenador portátil con una cámara conectada por USB e incluir las fotos en cada clase. 

Para esta acción hay que pulsar en el icono Abrir cámara web que hay en cada clase para tomar fotografías y almacenar todos los ejemplos. Una vez abierta la cámara, cada vez que se pulse sobre este icono se guardará una imagen.  Completado el proceso, guarda el archivo de LearningML en tu ordenador para poder usarlo más adelante seleccionando la opción: Archivo → Guardar en tu ordenador: 

• 

• 

• 

Se genera un archivo con extensión .json que se podrá cargar cada vez que se quiera volver a trabajar en este proyecto. 

Ahora conviene probar el algoritmo de aprendizaje automático. Es posible que las imágenes que has incluido tengan el mismo fondo: el suelo del patio. Los detalles de las fotografías pueden afectar a su clasificación de las porque el algoritmo considera cualquier elemento, color o tonalidad que aparezca en la foto para diferenciar entre cada una de las clases. 

Actividad 3. Prueba el algoritmo en el patio 

Es hora de probar el algoritmo en el patio con los residuos que se generan cada día. Es posible que tras esta prueba sea necesario realizar mejoras, por lo que hay que estar preparado para anotar todo aquello que pueda dar mejores resultados en la predicción y clasificación que hace el algoritmo de aprendizaje automático. 

Pon a prueba el algoritmo con todos los residuos del instituto.  

Es conveniente que cada vez que se acerque una persona para reciclar se haga una breve explicación para dar a conocer en qué consiste el trabajo. Así, todas las personas podrán conocer posibles aplicaciones de la IA en nuestra sociedad. 

Es importante que cada vez que se clasifique correctamente un residuo se lo comuniques a la persona que lo ha traído. Igualmente, si no lo hace bien, se debe guardar una nueva imagen en la clase que le corresponda para ir mejorando poco a poco la efectividad del algoritmo. 

Sesión 3. Crea tu aplicación interactiva (crear) 

Objetivos: 

• Crear una aplicación con Scratch utilizando un algoritmo de aprendizaje automático. 
• Emplear un recurso tecnológico para dar una solución a un problema cotidiano. 
• Presentar los datos obtenidos y las conclusiones a las que has llegado después de implementar el proyecto. 

Desarrollo: 

Actividad 1. Prepara el algoritmo en LearningML 

Sigue las instrucciones para crear una aplicación con Scratch a partir del algoritmo de aprendizaje automático preparado para clasificar residuos. 

Para crear el programa con Scratch no es necesario trabajar en la página web, se puede hacer desde la plataforma de LearningML.  

Entrena el algoritmo. Esta es la parte que se ha completado en la actividad anterior y que se ha mejorado en el patio con la ayuda de otros estudiantes. Hay que tener preparado el archivo en el que se incluyen todas las imágenes de residuos en sus correspondientes clases. Para poder trabajar con Scratch y usar el algoritmo de aprendizaje automático es necesario que este haya aprendido con todas las imágenes que has cargado. Una vez que el algoritmo ha aprendido, hay que pulsar el botón del gato de Scratch que hay en la parte derecha de la pantalla, en la sección 3. Probar. Se abrirá una pantalla de programación de Scratch con una nueva categoría en la que encontrarás los bloques de programación de LearningML.  

• 

• 

• 

• 

Actividad 2. Programa la aplicación con Scratch 

Se pueden seguir las siguientes instrucciones para crear tu programa con Scratch, aunque también, se pueden personalizar estos pasos. 

Prepara los objetos. Carga tres nuevos objetos para el programa: un contenedor azul, uno amarillo y otro marrón. Opcionalmente, puedes añadir otra imagen u objeto para que aparezca en el programa. 

Al iniciar el programa, por ejemplo, pulsando la bandera verde, pon el vídeo en on. Puedes hacer que el personaje en el que se programa se esconda. También puede programarse en el escenario y evitar cualquier acción. Y, como se comentó anteriormente, una forma muy interesante de mejorar la aplicación es hacer que el mensaje que quieres transmitir se haga con voz en lugar de con texto en la pantalla.

Para clasificar un residuo, la opción más sencilla es activar el programa al presionar una tecla. Si la clasificación es, por ejemplo, en la clase “Papel”, es conveniente decir un mensaje por voz para indicarlo. Es importante que el nombre de la clase en la que se clasifica esté escrito igual que se ha definido para el algoritmo de aprendizaje automático. 

Si quieres crear una animación para que aparezca cada uno de los contenedores en pantalla se puede hacer enviando y recibiendo mensajes.

• 

• 

• 

Soluciones: 

En los siguientes enlaces podrás descargar el archivo .json con las imágenes del ejemplo para trabajar en LearningML y el archivo de Scratch sb3 con el programa que contiene los pasos que han servido de ejemplo en la actividad anterior. 

Archivo Json ; Archivo sb3 

Para dejar la cámara fija y no tener que estar sujetándola con la mano facilitando la interacción de las personas con el dispositivo de clasificación de residuos, es conveniente crear un soporte. 

Puedes utilizar cualquier elemento ya fabricado, diseñar uno propio o construirlo con bloques de tipo Lego. 

Sesión 4. ¡Nos vamos al patio! (comparte) 

Una vez completadas todas las fases, ya tienes creado un dispositivo basado en IA y aprendizaje automático que diferencia residuos.  ¡Compártelo con el resto de estudiantes de la escuela! Es el momento de llevar este dispositivo al patio para que todos se animen a reciclar. 

Coge tu ordenador, el soporte que has creado para la cámara y pon tu puesto de reciclado en el patio de la escuela. Es conveniente que hagas algunos preparativos para poder hacer esta parte del trabajo: 

1. Avisa al alumnado. Es importante dar a conocer tu idea antes de llevarla al patio. Algunas personas ya la conocen porque participaron en las pruebas iniciales que sirvieron para perfeccionar los resultados del algoritmo, pero sería recomendable involucrar a más personas. Para ello, una buena opción es enviar un correo a los compañeros para avisar de que estaréis en el patio reciclando a partir de un determinado día. 

2. Explica tu trabajo. Siempre que alguna persona se acerque por primera vez al punto de reciclado, es conveniente explicar cómo funciona para que entienda bien el proyecto. De esta forma, se implica a más personas para colaborar en acciones que beneficien su entorno y su día a día. 

3. Recoge datos. Cada día hay que recoger diferentes datos que ayuden a mostrar cómo se ha desarrollado esta tarea en el patio de la escuela. Por ejemplo, se pueden anotar cuántas personas se acercan cada día al puesto de reciclado o cuántos residuos de cada tipo se han traído. 

Recursos materiales

Para poner en práctica esta propuesta, solo será necesario disponer de un ordenador portátil y una cámara con conexión a un puerto USB. El soporte para colocar la cámara puede hacerse con distintos materiales. 

Beneficios de su aplicación

Gracias a esta propuesta el alumnado participante no solo ha tenido la oportunidad de desarrollar un artefacto computacional que ha ayudado a mejorar el proceso de reciclaje en el centro. También ha podido desarrollar sus habilidades y competencias asociadas a la alfabetización en inteligencia artificial a través de la exploración, de la investigación y de un aprendizaje en el que participan activamente. Este proyecto tiene un significado personal para ellos y se ha podido llevar a cabo gracias a que los conceptos informáticos abordado con ejemplos cercanos y cotidianos. 

Propuestas de mejora 

Esta propuesta tiene dos aspectos susceptibles de mejora:

• Por un lado, está el desarrollo de la aplicación con Scratch. Se han implementado las opciones que el alumnado participante ha considerado oportunas en base a sus conocimientos y habilidades. Pero se puede hacer una ampliación de esta incluyendo el uso de variables en la nube para ir almacenando los datos de cada día. 
• Por otro lado, está la difusión y réplica del artefacto. De cara a futuras implementaciones, para fomentar más el reciclaje, el alumnado participante concluye que debería hacerse más de un dispositivo al mismo tiempo para hacerlo extensible a más personas. No requiere de un mayor esfuerzo, ya que se usa la misma aplicación y el mismo algoritmo de aprendizaje automático. 

Material de apoyo y/o ampliación

En los siguientes enlaces se puede acceder a un recurso elaborado creado con eXe-Learning donde se presenta una guía de trabajo para poder desarrollar esta experiencia: 

• https://graasp.eu/resources/6433a4ea5cece11c31fca52d/raw
• https://procomun.intef.es/ode/view/1675998001765