Sistema de capacitación asistido por computadora, accesible

Boletín IIE, mayo-junio del 2002
Sistema de capacitación asistido por
computadora, accesible vía Internet
Rogelio E. Martínez R., Guillermo Romero J. y Kenia Hernández C.
La naturaleza asíncrona de los STI los convierte
en candidatos apropiados para su implantación
en la Web dado que facilitan la instrucción a cualquier parte donde se cuente con acceso a Internet, a cualquier persona y sin restricción en los
temas o dominios de aplicación.
Introducción
L
a creciente popularidad y el fácil acceso a la
Internet promueven y estimulan el interés en
sistemas de auto-aprendizaje en general y en
el aprendizaje a distancia en particular. La Internet
es, en sí misma, un medio de comunicación relevante que actúa al mismo tiempo como repositorio y proveedor de información. Por otro lado, la tecnología
WWW (siglas en inglés de World Wide Web) o simplemente Web permite la combinación fácil y rápida
de todo tipo de textos, gráficas, audio y video.
Frecuentemente, se menciona que la Web representa una tecnología apropiada para la implantación de sistemas de educación a distancia, sobre todo
de sistemas de tipo asíncrono, ya que, por un lado,
éstos no requieren de interacciones en línea entre
instructores y estudiantes y, por otro lado, permite a
los estudiantes el uso de los recursos de enseñanza
prácticamente a cualquier hora y desde cualquier lugar donde esté disponible una computadora conectada a Internet.
Entre las diferentes opciones que se presentan para implantar sistemas de educación a distancia
en la Web, los sistemas de enseñanza asistidos por
computadora se están convirtiendo en los más populares. Los Sistemas Tutoriales Inteligentes (STI) representan una de las opciones más interesantes y
factibles de implantación, para el diseño de sistemas
de enseñanza o capacitación asistidos por computadora (Brusilovsky et al., 1998). La idea central en este
tipo de sistemas es, en función de la distancia y la
dificultad de tener la presencia física del instructor,
reemplazar al instructor por un sistema tutor basado
en computadora, que consiste en al menos cuatro
diferentes módulos: del modelo del estudiante, del
dominio de aplicación, interfaz y de estrategias del
instructor para guiar y optimizar el proceso enseñanza-aprendizaje. La naturaleza asíncrona de los STI
los convierte en candidatos apropiados para su implantación en la Web dado que facilitan la instrucción
a cualquier parte donde se cuente con acceso a
Internet, a cualquier persona y sin restricción en los
temas o dominios de aplicación.
En este artículo se describe la implantación de
un sistema de capacitación y entrenamiento basado
en STI, desarrollado en la Gerencia de Simulación
(GS) del IIE e implantado en la Web.
Al inicio, se presenta una breve semblanza de
las tecnologías Web más actuales y comúnmente utilizadas, se mencionan las características de implantación de algunos STI en la Web y, finalmente, se presentan las tres versiones desarrolladas del sistema
de capacitación asistido por computadora, basado en
STI, accesibles vía Web para después presentar el
artículo con las conclusiones del trabajo realizado.
Tecnologías utilizadas en la Web
La Internet ha demostrado ser uno de una de las
tecnologías más populares y eficaces para la implantación de sistemas de educación a distancia. Miles
de cursos basados en Web han sido puestos a disposición del público en los últimos cinco años. Desafortunadamente, la mayoría de ellos utilizan páginas de
texto estáticas y no utilizan el potencial de la tecnología de los Sistemas Tutoriales Inteligentes
(Nakabayashi, 1997; Waller, 2000). En contraste, actualmente sólo existen algunas tecnologías para la
implantación de STI en la Web.
Las tecnologías más utilizadas (ITS 2002) son
aqueéllas que permiten la generación dinámica de
documentos HTML o que permiten comunicarse con
aplicaciones externas, por ejemplo: programas del tipo
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Aplicaciones tecnológicas
Compuerta de Interfaz Común (CGI, por sus siglas
en inglés Common Gateway Interface), documentos
Active Server Pages (ASP) y Java Server Pages
(JSP). ASP y JSP son mejores soluciones que las CGI,
son más rápidas y soportan la comunicación con
objetos tipo Component Object Model (COM) o componentes JavaBeans. Otro grupo de tecnologías para
el desarrollo de STI distribuidos (Web) son aquéllos
basados en objetos distribuidos, como los Common
Object Request Broker Architecture (CORBA) los
Distributed Component Object Model (DCOM) y los
Java Remote Method Invocation (Java RMI) ). Adicionalmente, para la operación del lado cliente los componentes del tipo Java Applets y Active X, son también muy utilizados.
Sistemas Tutoriales Inteligentes
en la Web
A continuación se presentan algunas aplicaciones de
sistemas de enseñanza basados en STI e implantados en la Web.
ELM Adaptive Remote Tutor (ELM-ART)
(Brusilovski et al., 1996), es un STI basado en Web
para proporcionar soporte durante el proceso de enseñanza-aprendizaje del lenguaje de programación
LISP. Está basado en un ambiente de enseñanza inteligente ELM-PE utilizado para enseñar un curso
introductorio de LISP en la Universidad de Trier. El
material del curso en ELM-ART es presentado como
un libro electrónico (textbook) inteligente con un ambiente hypermedia de solución de problemas integrado. El sistema está implementado utilizando funciones Common Lisp Hypermedia Server.
Lee y Wang (1997) proponen un sistema de
aprendizaje que puede ejecutar una instrucción inteligente individualizada, basado en la Web en combinación con tecnología CORBA. Este sistema proporciona unidades de instrucción para el diagnóstico de
las respuestas de los estudiantes y permite aplicar
estrategias dinámicas de instrucción en función del
progreso de éstos.
El proyecto Multimedia Asynchronous Networked
Individualized Courseware (MANIAC) (Stern, 1997) tiene como objetivo facilitar el aprendizaje a distancia
asíncrono individualizado basado en nuevas tecnologías como redes de computadoras de alta velocidad
y presentación del material de instrucción en tecnología hypermedia (texto, gráficos y animaciones). El
autor concentra su investigación especialmente en el
uso eficiente de la tecnología hypermedia en Web para
la enseñanza de cursos, utilizando la lectura en for-
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Entre las diferentes opciones que se presentan
para implantar sistemas de educación a distancia en la Web, los sistemas de enseñanza asistidos por computadora se están convirtiendo en
los más populares.
ma de audio/video y mostrando notas de los cursos.
MANIAC está implementado con CGI utilizando aplicaciones de Real Audio y Real Video Server.
El Computer Aided Learning and Authoring
Environment for Tele-education (CALAT), (Kiyama et
al. 1998), consiste en una plataforma para el desarrollo de STI disponible en la Web en el lado del servidor y un visor de aplicaciones multimedia en el lado
del cliente. El sistema ha sido diseñado considerando un alto grado de adaptabilidad a los diferentes
usuarios que lo utilizan, seleccionando de manera
dinámica el tema de estudio más apropiado y pertinente.
Otro sistema con un ambiente de aprendizaje
inteligente orientado a la Web es el Virtual Adaptive
Learning Integrated Environments Using Net-based
Technologies (VALIENT) (Hall y Gordon, 1998). El
objetivo del sistema es combinar las ventajas y fortalezas de la Web como un mecanismo eficiente para
la entrega de material de instrucción convencional con
oportunidades de aprendizaje disponibles en ambientes de aprendizaje inteligentes. VALIENT utiliza tecnología JSP y Applets de Java.
El sistema Intelligent Distance Learning
Environment (IDLE) (Gavrilova, 1999), soporta el
desarrollo de cursos Web adaptables en las áreas de
Inteligencia Artificial (específicamente en el área de
Ingeniería del Conocimiento) y ciencias cognitivas
(psicolingüística y neuropsicología). El prototipo
implementado es un sistema multiagente portable de
acceso restringido y que utiliza efectos multimedia.
Se cuenta con dos versiones, para computadora personal con aplicaciones de tecnología JSP y para estaciones de trabajo con sistema operativo UNIX, que
utilizan CGI.
Sistema de capacitación asistido por
computadora, accesible vía Internet
En los últimos años en la GS del IIE se han desarrollado STI para ser utilizados en el contexto de la capacitación en la operación de centrales eléctricas. En
el artículo Plataforma Genérica para el Desarrollo de
Aplicaciones en Sistemas Tutoriales Inteligentes en
Capacitación y Entrenamiento (Romero et al., 2002),
Boletín IIE, mayo-junio del 2002
Frecuentemente, se menciona que la Web representa una tecnología apropiada para la implantación de sistemas de educación a distancia, sobre todo de sistemas de tipo asíncrono.
se presenta, de manera detallada, la plataforma en la
que está desarrollado el Sistema genérico de capacitación y entrenamiento basado STI. En este artículo
se describe cómo este sistema, ubicado en el área
de sistemas de capacitación asistidos por computadora, puede ser accesible vía Internet con lo que se
convierte en una opción interesante y funcional para
el diseño de sistemas para capacitación y educación
a distancia.
La plataforma en la que se desarrolló el Sistema de capacitación y entrenamiento asistido por computadora originalmente fue diseñada para ejecutarse
únicamente en una computadora personal (PC) o inclusive en una red local de varias PC, como una aplicación aislada o standalone. La plataforma fue desarrollada utilizando las paqueterías Multimedia
Authorware de Macromedia, CLIPS, Generador de
Sistemas Expertos, Microsoft Visual C ++ y Visual FoxPro y LabView de National Instrument.
Ante este desarrollo, se presentaron las opciones de rediseñar la plataforma completa y programarla, por ejemplo, en Java. Otra alternativa consistía en
tomar la plataforma tal y como estaba desarrollada y
buscar la manera de explotar las capacidades de accesibilidad vía Web de los diferentes paquetes, utilizando para ello los conectores (plug-in’s o sockets)
disponibles. Se seleccionó la segunda alternativa, en
función del ahorro considerable de tiempo, al evitar el
rediseño, la implantación y validación de una posible
aplicación en Java.
Como las aplicaciones desarrolladas en esta
plataforma utilizan gran cantidad de contenido multimedia, el tamaño de éstas es demasiado grande, lo
que representa un obstáculo que se debe resolver
sin modificar la estructura esencial de las aplicaciones. Esto debido a las limitaciones de ancho de banda en los sistemas de comunicación, lo que dificulta
la transferencia de aplicaciones de gran tamaño por
la Internet.
Para resolver esta problemática, se desarrollaron tres versiones del Sistema de capacitación y entrenamiento basado en STI: versión Intranet, híbrida y Web.
La versión Intranet está orientada a redes internas, o Intranets, donde el ancho de banda en los
sistemas de comunicación entre computadoras no es
una restricción. La versión híbrida es una opción para
situaciones en las que no es posible contar con un
acceso de alta velocidad al Internet, por ejemplo, el
caso de los usuarios que se conectan a través de
enlaces telefónicos cuya velocidad de transferencia
es limitada. Finalmente, la versión Web representa
un esfuerzo por lograr que el Sistema de capacitación asistido por computadora basado en STI sea una
alternativa estandarizada y competitiva con las aplicaciones ya existentes en la Internet, para lo que se
rediseñaron los modos de implantación y de comunicación entre los distintos componentes del sistema.
Arquitectura del Sistema de
capacitación asistido por
computadora, basado en STI
La estructura original del Sistema de capacitación
asistido por computadora basado en STI, mostrada
en la Figura 1, indica sus principales componentes:
interfaz, dominio de aplicación, modelo del estudiante, módulo tutor, administrador y módulo de base de
datos (Romero et al., 2002).
Módulo interfaz: está formado por una serie de
pantallas que permiten la interacción entre el sistema y el usuario. La importancia de este módulo radica en el control del acceso al sistema y la presentación del material de los temas que conforman cada
curso, así como en la evaluación del conocimiento
adquirido, que se lleva a cabo en forma agradable y
atractiva para el alumno con el objetivo de lograr capFigura 1
Arquitectura del Sistema de Capacitación Asistido por Computadora, basado en STI.
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Aplicaciones tecnológicas
tar y retener su atención y lograr la comprensión de
las lecciones.
Módulo del dominio de aplicación: también conocido como base de conocimientos, representa el área
de estudio e integra las lecciones de los cursos. Está
conformado por el material didáctico construido con tecnología multimedia (texto, audio, video, etcétera).
Módulo del modelo del estudiante: este módulo representa, en términos generales, las características del alumno o usuario, determina el grado de conocimiento y las habilidades adquiridas sobre el dominio de aplicación en estudio y es además el encargado de interactuar con el módulo tutor para definir
las estrategias de enseñanza.
Módulo tutor: es el núcleo de cualquier STI y
se encarga de determinar la estrategia de enseñanza
(qué, cómo, y cuándo se enseña o se evalúa un tema
en particular), y de planificar las lecciones que mostrará al alumno en cada sesión.
Módulo administrador: es una interfaz dirigida
al responsable de la administración y manejo del centro de capacitación, a través de la que se puede llevar a cabo la configuración (administración y gestión
de cursos, instructores y alumnos) así como llevar a
cabo un seguimiento y evaluación del avance de cada
estudiante en línea.
Módulo de base de datos: en la Base de Datos
del Sistema Tutorial Inteligente (BDSTI) se almacena
toda la información concerniente a la estructura y configuración de cada curso o dominio de aplicación. También se almacena la información relacionada con el
modelo del estudiante y la información estadística
generada con fines de seguimiento y evaluación.
El módulo tutor y modelo del estudiante están
integrados en una librería de enlace dinámico (dll )
desarrollada en Microsoft Visual C++ 6.0 y el sistema experto CLIPS 6.1, el modulo interfaz y el dominio de aplicación están desarrollados en Macromedia Authorware 5.1 y el módulo administrador junto
con la base de datos están implementados en el paquete Microsoft Visual Fox Pro 6.0.
La arquitectura original del Sistema de capacitación asistido por computadora, basado en STI, tuvo que
ser modificado para poder ser integrado a la Internet.
A continuación se presentan las diferentes configuraciones implementadas para lograr que el sistema pueda ser accesible vía Web.
Versión Intranet
Cuando se trata de distribuir una aplicación a través
de una Intranet o Internet se deben tener en consi-
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deración las características del sistema de comunicación con que se cuenta, es decir, la velocidad de
transmisión de datos y su capacidad, debido a que
esto afecta en gran medida el nivel de desempeño de
la aplicación.
Para hacer disponible en la Intranet la versión
del sistema de capacitación asistido por computadora, se efectuaron las siguientes adaptaciones:
Se habilitó un servidor con Microsoft Windows
NT 4.0, donde se ejecuta un servidor HTTP tipo
Microsoft FrontPage 98, que además sirve como repositorio de las aplicaciones desarrolladas con
Macromedia Authorware y de toda la información de
la base de datos.
El modulo interfaz, controla el acceso al sistema y se encuentra disponible embebido dentro de una
pagina HTML en el servidor Web, así como las lecciones de cada curso.
La herramienta de autoría Macromedia
Authorware 5.1 cuenta con una característica que
permite visualizar sus aplicaciones embebidas dentro de un navegador Web, a través de un conector
(Plug-in) denominado Authorware Web Player. Para
que una aplicación de Macromedia Authorware sea
visualizada desde un navegador Web previamente se
tiene que procesar la aplicación mediante la utilería
Authorware Web Packager, que es la encargada de
preparar y segmentar la aplicación de modo que sea
más fácil descargarla en la computadora del usuario,
vía Web. Authorware Web Packager también crea un
archivo mapa que le indica al Authorware Web Player
qué aplicación descargar, cuándo se descarga y dónde se almacenan los segmentos descargados. De esta
forma, no es necesario descargar la aplicación completa para poder iniciar su ejecución, sino que a medida que el cliente lo va demandando, serán descargadas las piezas necesarias.
Además de descargar los segmentos de las
aplicaciones del modulo interfaz, es necesario descargar en el cliente el archivo librería inteligente.dll,
junto con todas sus dependencias funcionales. En este
archivo se encuentra implantado el modulo tutor y
modelo del estudiante, así como las funciones necesarias para el acceso a la base de datos del sistema
de capacitación asistido por computadora, conocida
como BDSTI, mediante la utilería de Conectividad
Abierta de Base de Datos (ODBC, siglas en inglés
para Open DataBase Connectivity). El archivo mapa
junto con los segmentos creados y demás archivos
requeridos por el sistema (archivos de tipo de fuentes, archivos de sonido, archivos del sistema experto
y bibliotecas adicionales) son colocados en el servi-
Boletín IIE, mayo-junio del 2002
dor Web para que el cliente los descargue y ejecute
desde su computadora.
La lógica de ejecución del STI y las tareas de
inferencia del sistema experto son ejecutadas en la
computadora cliente, las lecciones de cada tema son
descargadas desde el servidor y visualizadas en el
navegador Web. El resultado de las evaluaciones
efectuadas al estudiante, así como la información estadística generada por la interacción entre el sistema
de capacitación y el usuario, es enviada a la base de
datos ubicada en el servidor.
Figura 2
Arquitectura Web-CDROM.
Versión híbrida (CD y Web)
La principal restricción, cuando se libera contenido multimedia en la Web, es la velocidad de descarga o transmisión de datos entre el servidor y el cliente. Las aplicaciones con mucho contenido de audio, video y gráficas
están restringidas debido a la gran cantidad de espacio
que ocupan. Una alternativa a este problema es una
solución híbrida, CD-ROM y Web, que ayuda a superar
esta limitación combinando el contenido de la tecnología de almacenamiento en discos compactos o CD-ROM
con la cercanía y recursos de la Internet.
La versión híbrida del Sistema de capacitación
y entrenamiento basado en STI se utiliza para los
casos en los que se cuente con un ancho de banda
limitado en el sistema de acceso a la Internet y las
aplicaciones a distribuir sean demasiado grandes
(mayores a 300Kb). Una solución pertinente consiste
en distribuir esas grandes aplicaciones utilizando un
disco compacto (CD-ROM), instalarlo en la computadora cliente o del usuario y solamente efectuar el acceso a la base de datos BDSTI a través del Internet.
La arquitectura para el sistema híbrido se muestra en el la Figura 2 y su funcionamiento es el siguiente:
Se cuenta con un servidor con Microsoft
Windows NT 4.0, donde se encuentra ejecutándose
un servidor HTTP tipo Microsoft FrontPage 98. En este
servidor se almacena una página HTML que se encarga de ejecutar un pequeño módulo de activación
a través del conector Authorware Web Player, cuya
tarea es la de detectar la unidad principal de CD-ROM
de la computadora cliente o del usuario que ha invocado la página y lanzar la interfaz multimedia contenida en el CD-ROM distribuido. Esta interfaz es la misma que se utiliza en la versión para PC y la versión
para Intranet.
La lógica de ejecución del STI, así como las actividades de inferencia del sistema experto, son ejecutadas en la computadora del usuario, pero el acceso al
material multimedia en lugar de solicitarlo al servidor se
realiza desde el CD-ROM. Con esta alternativa de ejecución se elimina por completo la principal limitante establecida por la velocidad en la transferencia de datos,
ocasionada por la descarga del material a través de la
Internet. Así, el acceso al servidor se enfoca únicamente sobre la base de datos para enviar la información
originada en las sesiones de los usuarios.
Versión Web
La versión Web del Sistema de capacitación y entrenamiento basado en STI representa una evolución
de las dos versiones anteriores, debido a que se realizaron una gran cantidad de cambios y adaptaciones
en la forma en la que se ejecutan los módulos del
sistema.
Se comenzó por migrar la base de datos original
implementada con Microsoft Visual Fox-Pro a SQL
SERVER 7.0, con el objetivo de tener un sistema manejador de bases de datos estándar Internet, más robusto y que además permita tener mayor seguridad.
Se construyó un objeto COM que es ejecutado
desde documentos ASP para establecer comunicación y tener acceso a los módulos tutor y del Modelo
del estudiante. El servidor http fue reemplazado por
uno del tipo Microsoft Internet Information Server (IIS).
En las versiones anteriores, el modulo interfaz, desarrollado en Macromedia Authorware, efectuaba llamadas directamente de la librería inteligente.dll (librería
de enlace dinámico). En esta tercera versión Web, la
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Aplicaciones tecnológicas
Figura 3
Arquitectura Web.
comunicación se lleva a cabo ejecutando documentos ASP en el servidor. Los documentos ASP proporcionan un marco para el desarrollo de aplicaciones
Web utilizando etiquetas HTML, scripts y componentes de servidor ActiveX. Se aprovecha una de las características de los documentos ASP para crearlos
mediante la inclusión de scripts en las páginas HTML.
Cuando el usuario hace una petición por un ASP, el
servidor ejecuta el script embebido dentro de la página y la salida del script es incluida como parte del
HMTL. El resultado de procesamiento es manipulado desde Authorware de acuerdo con las necesidades de información requeridas.
La pieza fundamental de un ASP son los componentes ActiveX. Muchos usuarios están familiarizados
con los controles ActiveX que pueden ser descargados
y ejecutados en el navegador Web Microsoft Internet
Explorer, pero también hay controles ActiveX que proporcionan funcionalidad a los servidores Web. Los documentos ASP trabajan a través de interfaces con este
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tipo de componentes. Por ejemplo, uno de los componentes comúnmente utilizados es el Microsoft Active
Data Object (ADO). El componente ADO es utilizado
como un intermediario entre un documento ASP y una
base de datos relacional para poder recuperar la información contenida dentro de la base de datos y mostrarla a los usuarios que la soliciten.
Se desarrolló un COM en Visual Basic que permite conectarse a los módulos tutor y del modelo del
estudiante (librería inteligente.dll). La finalidad de desarrollar el componente fue para no tener que
reescribir los códigos de la dll, sino para invocar sus
funciones desde el COM y así seguirlas utilizando
como un programa o aplicación independiente. El
COM es el responsable de darles el formato de salida necesario para enviarlo como resultado de la ejecución del documento ASP. Esta estrategia facilita en
gran medida el desarrollo de esta alternativa al implementar únicamente un envoltorio que permitiera
ejecutar las funciones incluidas en el programa dll.
El modulo interfaz es invocado desde el navegador Web del usuario. Para realizar la autentificación del alumno, todos los procedimientos requeridos
por la interfaz son ejecutados a través de documentos ASP en el servidor. Así, toda la lógica del STI y la
inferencia del sistema experto para generar la estrategia de enseñanza es realizada en el servidor. La
información generada en las sesiones, así como los
resultados de las evaluaciones, es almacenada en el
mismo servidor con lo que se evita que el cliente acceda directamente a la base de datos.
Conclusiones
En este artículo se presentaron las diferentes versiones de la plataforma para el desarrollo de STI en capacitación y entrenamiento accesibles vía la Internet.
La primera versión se utiliza para aplicaciones tipo
Intranet, en donde el sistema de comunicación o ancho de banda no representa problema alguno. La
segunda versión, denominada híbrida, se refiere a la
utilización de discos compactos en donde el material
de instrucción (aplicaciones multimedia) está contenido y sólo se mantiene el flujo de información concerniente al estudiante; su código de acceso y su
avance. La tercera versión o versión Web, se refiere
al desarrollo e implantación de aplicaciones Web estándares, en dónde gran parte de la información y de
los programas ejecutables residen en un servidor, logrando con ello que el número de usuarios que pueda utilizar el sistema de capacitación a distancia sea
muy grande.
Boletín IIE, mayo-junio del 2002
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Licenciado en Informática (2000) por el Instituto Tecnológico de
Zacatepec, con especialidad en Bases de Datos. En el 2000 ingresó al IIE, como investigador de la Gerencia de Simulación, en
el área de desarrollo de software. Es especialista en desarrollo de
software ejecutivo, interfaces hombre-máquina y de sistemas basados en conocimiento. Ha sido co-autor de varios artículos publicados en congresos internacionales.
[email protected]
GUILLERMO ROMERO JIMÉNEZ
Ingeniero Industrial en Electrónica por el Instituto Tecnológioco de
la Laguna (1982), con maestría en Ingeniería Eléctrica, especialidad en Electrónica de Potencia por el Centro de Graduados del
Tecnológico de la Laguna (1986) y doctorado en Control Automático por el Politécnico de Grenoble, Francia (1996).
En 1984 ingresó al Departamento de Fuentes No convencionales del IIE, es autor de varios artículos relacionados con el
modelado de sistemas de control en tiempo real y actualmente es
el responsable del área de plataformas para el desarrollo de aplicaciones de sistemas tutoriales inteligentes en capacitación y
adiestramiento de la Gerencia de Simulación.
[email protected]
KENIA HERNÁNDEZ CASTILLO
Ingeniero en Sistemas Computacionales, egresada del Instituto
Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez (2001), formó parte del programa
de Adiestramiento en Investigación Tecnológica del IIE.
Actualmente labora en la Gerencia de Control e Instrumentación en el proyecto “Dictamen técnico y terminación de
maquetas electrónicas del activo de explotación Pol-Chuc”.
[email protected]
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