Modelado empírico (informática)

El modelado empírico es un término genérico para las actividades que crean modelos mediante la observación y la experimentación . El modelado empírico (con las iniciales en mayúscula, y a menudo abreviado como EM) se refiere a una variedad específica de modelado empírico en la que los modelos se construyen siguiendo principios particulares. Si bien el grado en que estos principios pueden aplicarse a la construcción de modelos sin computadoras es un tema interesante (que se retomará más adelante), existen al menos dos buenas razones para considerar el modelado empírico, en primer lugar, como un proceso basado en computadoras. Sin duda, las tecnologías informáticas han tenido un impacto transformador en lo que respecta a la plena explotación de los principios del modelado empírico. Es más, la concepción del modelado empírico ha estado estrechamente ligada a la reflexión sobre el papel de la computadora en la construcción de modelos.

Un modelo empírico se basa en un principio semántico simple: quien lo crea observa una estrecha correspondencia entre el comportamiento del modelo y el de su referente. La elaboración de esta correspondencia puede ser «empírica» en diversos sentidos: puede implicar un proceso de ensayo y error , basarse en aproximaciones computacionales a fórmulas analíticas o derivarse como una relación de caja negra que no ofrece ninguna explicación sobre «por qué funciona».

El modelado empírico se fundamenta en el principio clave del empirismo radical de William James , que postula que todo conocimiento se basa en conexiones inherentes a la experiencia. El modelado empírico busca establecer la correspondencia entre el modelo y su referente de tal manera que su origen pueda rastrearse hasta dichas conexiones. Establecer conexiones en la experiencia es una actividad humana esencialmente individual que requiere habilidad y depende en gran medida del contexto. Algunos ejemplos de estas conexiones incluyen: identificar objetos familiares en el flujo de pensamiento , asociar palabras del lenguaje natural con los objetos a los que se refieren e interpretar subliminalmente las filas y columnas de una hoja de cálculo como los resultados de exámenes de estudiantes específicos en asignaturas concretas.

En el modelado empírico, el proceso de construcción es incremental, y los productos intermedios son artefactos que evocan aspectos del referente previsto (y a veces emergente) mediante la interacción y la observación en vivo. Las conexiones evocadas de esta manera poseen cualidades distintivas: son esencialmente personales y de carácter experiencial, y provisionales en la medida en que pueden verse socavadas, refinadas y reforzadas a medida que se desarrolla la experiencia y la comprensión del referente por parte del modelador. Siguiendo un precedente establecido por David Gooding en su análisis del papel que desempeñaron los artefactos en la investigación experimental del electromagnetismo de Michael Faraday , los productos intermedios del proceso de modelado empírico se describen como « construcciones ». El análisis de Gooding ilustra de manera contundente cómo la creación de construcciones puede respaldar las actividades de construcción de significado que conducen a la comprensión conceptual (véase la contribución del trabajo de Faraday a la teoría electromagnética) y a productos prácticos (véase la invención del motor eléctrico por Faraday ).

Las actividades asociadas con la elaboración de una interpretación en el marco del modelado empírico se muestran en la Figura 1.

El icono del ojo en el centro de la figura representa la observación del creador sobre el estado actual de desarrollo de la construcción y su referente. Las dos flechas que emanan del ojo representan la conexión, dada por la experiencia, entre la construcción y su referente, establecida en la mente del creador. Esta conexión se forja mediante la interacción experimental con la construcción en desarrollo y su referente emergente. Como en un experimento genuino, el alcance de las interacciones que el creador puede considerar es inconcebiblemente amplio. A discreción del creador, las interacciones que caracterizan la construcción son aquellas que respetan la conexión dada en su experiencia. A medida que se desarrolla el proceso de modelado empírico, la construcción, el referente, la comprensión del creador y el contexto de su participación coevolucionan de tal manera que:

• La experiencia interactiva que ofrece la interpretación se ve mejorada;
• Se perfecciona la experiencia interactiva que caracteriza al referente;
• Se amplía el repertorio de interacciones características con la interpretación y su referente;
• Se identifican las limitaciones contextuales en las interacciones características con la interpretación y su referente.

En el modelado empírico, establecer y mantener la conexión, dada en la experiencia, entre la construcción y el referente se basa en tres conceptos principales: observables , dependencias y agencia . Tanto en la construcción como en su referente, el creador identifica los observables como entidades que pueden adoptar diferentes valores, y cuyos valores actuales determinan su estado actual. Todas las interacciones que modifican el estado con la construcción y el referente se conciben como cambios en los valores de los observables. Un cambio en el valor de un observable puede atribuirse directamente a un cambio en el valor de otro observable, en cuyo caso estos valores están vinculados por una dependencia . Los cambios en los valores observables se atribuyen a agentes , entre los cuales el más importante es el creador de la construcción. Cuando se observa que los cambios en los valores observables ocurren simultáneamente, esto puede interpretarse como una acción concurrente por parte de diferentes agentes, o como cambios concomitantes en los observables derivados de la acción de un solo agente a través de dependencias. Para establecer la conexión, basada en la experiencia, entre la construcción y el referente, el creador diseña la construcción de tal manera que sus observables, dependencias y agentes se correspondan estrechamente con los observados en el referente. Para ello, el creador debe concebir formas adecuadas en las que los observables y las acciones de los agentes en el referente puedan tener contrapartes experienciales apropiadas en la construcción.

El marco semántico que se muestra en la Figura 1 se asemeja al adoptado en el trabajo con hojas de cálculo , donde el estado que se muestra en la cuadrícula solo tiene sentido cuando se experimenta junto con un referente externo. En este contexto, las celdas sirven como observables, sus definiciones especifican las dependencias y la agencia se ejerce al cambiar los valores o las definiciones de las celdas. Al realizar una interpretación, el creador explora los roles de cada agente relevante proyectando agencia sobre él como si fuera un agente humano e identificando observables y dependencias desde esa perspectiva. Al automatizar la agencia, las interpretaciones pueden usarse para especificar comportamientos de forma muy similar a como se expresan los comportamientos mediante macros en hojas de cálculo. De esta manera, las interpretaciones animadas pueden emular comportamientos similares a los de un programa, en los que los estados intermedios tienen sentido y pueden ser auditados por el creador.

El desarrollo de entornos informáticos para la interpretación de datos ha sido objeto de investigación constante durante los últimos treinta años. Las numerosas variantes de estos entornos se basan en principios comunes. La red de dependencias que conecta los observables se registra como una familia de definiciones. Semánticamente, estas definiciones se asemejan a las de las celdas de una hoja de cálculo, donde los cambios en los valores de los observables del lado derecho se propagan modificando el valor del observable del lado izquierdo de forma conceptualmente indivisible. Las dependencias en estas redes son acíclicas, pero también reconfigurables: redefinir un observable puede introducir una nueva definición que altere la estructura de dependencias. Los observables integrados en el entorno incluyen escalares, elementos geométricos y de visualización en pantalla, que pueden elaborarse mediante estructuras de listas multinivel. Una dependencia se representa típicamente mediante una definición que utiliza una expresión funcional relativamente simple para relacionar el valor de un observable con los valores de otros observables. Estas funciones se han expresado tradicionalmente mediante fragmentos de código procedimental sencillo, pero las variantes más recientes de entornos para la creación de construcciones permiten expresar relaciones de dependencia mediante familias de definiciones contextualizadas adecuadamente. El creador puede interactuar con una construcción redefiniendo observables existentes o introduciendo nuevos observables de forma abierta y sin restricciones. Esta interacción desempeña un papel crucial en la actividad experimental que sustenta el desarrollo incremental de la construcción. Se pueden introducir acciones desencadenadas para automatizar el cambio de estado: estas acciones realizan redefiniciones en respuesta a cambios específicos en los valores de los observables.

En la Figura 1, identificar «la computadora» como el medio en el que se crea la interpretación puede resultar engañoso. El término COMPUTADORA no se limita a referirse a un potente dispositivo computacional. Al realizar interpretaciones, el énfasis principal recae en el amplio potencial de interacción y percepción que la computadora posibilita al utilizarse junto con otras tecnologías y dispositivos. La principal motivación para desarrollar el Modelado Empírico es ofrecer una explicación satisfactoria de la computación que integre estas dos funciones complementarias de la computadora. Los principios mediante los cuales James y Dewey buscaron conciliar las perspectivas sobre la agencia basadas en la lógica y la experiencia desempeñan un papel crucial en el logro de esta integración.

El doble rol del ordenador implícito en la Figura 1 es de gran relevancia para las aplicaciones informáticas contemporáneas. En este sentido, el modelado empírico puede considerarse un fundamento para una visión más amplia de la informática. Esta perspectiva se refleja en numerosas publicaciones sobre modelado empírico en temas como la tecnología educativa , el diseño asistido por ordenador y el desarrollo de software. La formulación de interpretaciones también se ha propuesto como una técnica adecuada para respaldar el constructivismo, tal como lo concibió Seymour Papert , y para cumplir con las garantías de «construcción» identificadas por Bruno Latour .

La máquina de Turing proporciona el fundamento teórico del papel del ordenador como dispositivo computacional: puede considerarse como un modelo de «una mente que sigue reglas». Las aplicaciones prácticas del modelado empírico hasta la fecha sugieren que la construcción de interpretaciones es idónea para respaldar el papel complementario que el ordenador puede desempeñar en la orquestación de experiencias enriquecedoras. En particular, en consonancia con la postura filosófica pragmática de James y Dewey, la construcción de interpretaciones puede cumplir una función explicativa al ofrecer explicaciones contingentes para la experiencia humana en contextos donde no se pueden invocar reglas computacionales. En este sentido, la construcción de interpretaciones puede considerarse como un modelo de «una mente que da sentido a una situación».

Del mismo modo que la máquina de Turing es una herramienta conceptual para comprender la naturaleza de los algoritmos, cuyo valor es independiente de la existencia del ordenador, los principios y conceptos del modelado empírico pueden tener relevancia genérica como marco para reflexionar sobre la construcción de significado sin referencia específica al uso de un ordenador. La contribución del análisis de la experiencia humana de William James al concepto de modelado empírico puede considerarse una prueba de ello. Por consiguiente, los principios del modelado empírico pueden ser una forma adecuada de analizar diversas formas de modelado empírico que no se basan en ordenadores. Por ejemplo, es plausible que el análisis en términos de observables, dependencias y agencia que se aplica a la interacción con hojas de cálculo electrónicas también sea apropiado para las hojas de cálculo manuales que las precedieron.

El modelado empírico ha sido impulsado desde principios de la década de 1980 por Meurig Beynon y el Grupo de Investigación de Modelado Empírico en Ciencias de la Computación de la Universidad de Warwick .

El término «Modelado Empírico» (ME) se adoptó para este trabajo desde aproximadamente 1995 para reflejar la base experimental del proceso de modelado en la observación y la experimentación. Desde finales de la década de 1980, se ha desarrollado continuamente software especializado que da soporte a los conceptos centrales de observable, dependencia y agencia (principalmente a cargo de estudiantes de investigación).

Los principios y herramientas del modelado empírico han sido utilizados y desarrollados por cientos de estudiantes en cursos, proyectos y tesis de investigación. El módulo de pregrado y maestría «Introducción al modelado empírico» se impartió durante muchos años hasta el curso académico 2013-14, cuando Meurig Beynon y Steve Russ (autores de este artículo) se jubilaron. Existe un extenso sitio web [1] que contiene material de investigación y docencia, con una amplia colección de publicaciones revisadas por pares y actas de congresos.

El término «construcción» se utiliza desde principios de la década de 2000 para referirse a los artefactos o modelos elaborados con herramientas electromagnéticas. El término se adaptó del uso que le dio David Gooding en el libro «Experiment and the Making of Meaning» (1990) para describir las ideas emergentes y provisionales que se formaron en la mente de Faraday y que quedaron registradas en sus cuadernos, mientras investigaba el electromagnetismo y fabricaba los primeros motores eléctricos en el siglo XIX.

La principal actividad práctica asociada con EM, la de "hacer interpretaciones", fue objeto de un proyecto Erasmus+ CONSTRUIT! (2014-2017)[2].