El estado mexicano tiene grandes retos en materia educativa para cumplir con lo establecido en la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos y en el Plan Nacional de Desarrollo (PND) 2019-2024 (DOF, 2019-1). Por ejemplo, en este PND se reconoce el compromiso del gobierno federal de “garantizar el acceso de todos los jóvenes a la educación” con visión al 2024 de “crear empleos suficientes para absorber la demanda de los jóvenes que se estén incorporando al mercado laboral”. Además, el gobierno visualiza que para esa fecha “la nación contará con una fuerza laboral mejor capacitada y con un mayor grado de especialización. Ningún joven que desee cursar estudios de licenciatura se quedará fuera de la educación superior por falta de plazas en las universidades y ninguno estará condenado al desempleo, al subempleo o a la informalidad.”

En este mismo sentido, en julio 2020, se presenta el Plan Sectorial de Educación (DOF, 2020) donde se establece como visión que México debe tener una “educación inclusiva, equitativa y de calidad se posiciona como un pilar fundamental del desarrollo sostenible” para el 2024. Además, se espera que el Sistema Educativo Nacional ofrezca “mayores oportunidades de acceso, permanencia y conclusión de estudios a todos los sectores de la población”.

Un ejemplo de estas oportunidades está englobada en el incremento de la cobertura en todos los tipos, niveles y modalidades educativas. En este sentido, se espera que la cobertura en educación en niños entre 3 y 14 años alcance la cifra de 26 millones de estudiantes activos. La educación media superior se espera que alcance los 6 millones de alumnas y alumnos. Finalmente, se espera una cobertura en la educación superior de 5.5 millones de estudiantes.

Esto significa que la cobertura que el gobierno federal espera en 2024 en el sector educativo es superior a 30 millones de jóvenes. Esta cifra resulta en un reto logístico, operativo y sobre todo tecnológico. A continuación se presenta información contextual sobre el estado que tiene el supercómputo y la comunidad de supercómputo de la Corporación Universitaria para el Desarrollo de Internet (CUDI) y su nivel de preparación para afrontar los retos que surjan en materia transformación digital en materia educativa en México.

Contexto tecnológico en México

En esta sección se presenta una revisión de los programas nacionales que establecen las bases para hacer frente a los retos tecnológicos necesarios para dar soporte al Plan Sectorial de Educación. Se hace un análisis de la Conectividad, Centros de Cómputo Avanzado, Centros de Datos, Ciencia y Tecnología.

Análisis de la conectividad en México.

De acuerdo a la información presentada en 2021 por la CUDI, la conectividad de las instituciones educativas en el territorio mexicano es la que se presenta en la Figura 1 (CUDI, 2021). En esta figura es posible notar, la mayoría de los estados están conectados con anchos de banda suficientes para iniciar un proyecto de conectividad masiva de la población. Las zonas urbanas con mayor densidad están interconectadas con 1 Gbps mientras que las zonas semi-urbanas y rurales con baja densidad de población requerirían de ser incluidas en el plan estratégico de conectividad.

(a)

(b)

Figura 1. (a) Backbone de la red CUDI. (b) Topología de la Red CUDI. Fuente: (CUDI, 2021)

Adicional a la conectividad de CUDI, en agosto de 2019, el gobierno federal mexicano crea la empresa productiva subsidiaria de la Comisión Federal de Electricidad denominada CFE Telecomunicaciones e Internet para Todos (DOF, 2019-2). En el acuerdo por el cual se crea este organismo, en su artículo 2 se menciona que este organismo “tiene por objeto prestar y proveer servicios de telecomunicaciones, sin fines de lucro, para garantizar el derecho de acceso a las tecnologías de la información y comunicación, incluido el de banda ancha e internet”. Además, en el artículo 6 se menciona que para el cumplimiento de su objeto este organismo podrá “conformar una red pública de telecomunicaciones sin fines de lucro, en condiciones de acceso efectivo a la población del país que no cuente con cobertura de dichos servicios”. Además, este organismo debe “promover y facilitar el desarrollo social y económico de la población mediante la prestación de servicios de telecomunicaciones, sin fines de lucro”.

Análisis del desarrollo científico y tecnológico en cómputo avanzado.

En los últimos años, la comunidad científica mexicana ha hecho un importante esfuerzo por posicionar al cómputo de alto rendimiento como una herramienta que apoye al desarrollo científico y tecnológico del país. Este esfuerzo ha obtenido un éxito notable e innegable. Algunas dependencias han tenido relación estrecha con equipos de supercómputo mexicanos como el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, la Secretaría de Economía a través del PROSOFT, la Secretaría de Energía a través de los fondos mixtos y sectoriales, el Instituto Nacional de Estadística y Geografía a través de la participación del laboratorio nacional en ciencias sociales en el CIDE (CIDE, 2015), el Protección Civil y laboratorios relacionados con el estudio de los hidrocarburos y sus derivados como el Centro de Tecnología para Aguas Profundas (CTAP) del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP, 2018).

Este apoyo financiero se ha dedicado mayoritariamente a construir edificios que hospedan equipo de cómputo avanzado y para adquirir hardware y software de alto rendimiento. Además, existen diez centros de cómputo de alto desempeño en el territorio mexicano asentados en la CDMX, Estado de México, Puebla, San Luis Potosí, Jalisco, Chiapas, Sonora y Baja California. En estos centros se pueden ejecutar de manera continua algunos proyectos provenientes del gobierno, la industria y la academia. También, se ha notado la presencia cada vez más marcada de empresas dedicadas a las TIC donde se tiene mayor presencia de técnicas para el desarrollo de sistemas computacionales distribuidos o que tienen necesidad del procesamiento o almacenamiento de grandes volúmenes de información. De igual forma, en todo el país podemos notar cómo los distintos sectores comienzan a ver en el cómputo de alto rendimiento una herramienta para poder generar conocimiento útil para toma de decisiones que puede beneficiar la competitividad de las PYMES. Todos estos indicadores nos dan una esperanza de que el tema del cómputo de alto rendimiento está consolidándose en todo el país.

Retos tecnológicos del Plan Sectorial de Educación

En esta sección se presenta un análisis de los objetivos prioritarios del Plan Sectorial de Educación junto con las oportunidades de integración a los planes de desarrollo tecnológico en temas de supercómputo en México.

Objetivo prioritario 1.- Garantizar el derecho de la población en México a una educación equitativa, inclusiva, intercultural e integral, que tenga como eje principal el interés superior de las niñas, niños, adolescentes y jóvenes.

En este sentido, el reto tecnológico consiste en hacer adecuaciones a la infraestructura de tecnología de cómputo y de transmisión de datos ya existente en México para responder a servicios integrales de acceso a la información, simulación, administración digital de la educación y servicios de educación 4.0.

Este reto se traduce también a realizar ajustes a repositorio de documentos digitales de contenido educativo, laboratorios digitales de simulación de experimentos de ciencias básicas como física, química, biología y matemáticas. Este contenido educativo requiere de ser multimedia y multilingüe con acceso permanente y accesible desde cualquier lugar del territorio mexicano.

La accesibilidad y la disponibilidad son características del derecho humano a la educación y en los últimos años han sido asumidas por el estado mexicano como una obligación moral y constitucional. A pesar del gran avance en la cobertura de la educación en nivel básico aún se requieren importantes esfuerzos para ampliarla en los niveles medio y medio superior. Buena parte de las niñas, niños, adolescentes, jóvenes y personas adultas en México no tienen garantizado el acceso a la educación de manera universal, incluyente y equitativa.

Objetivo prioritario 2.- Garantizar el derecho de la población en México a una educación de excelencia, pertinente y relevante en los diferentes tipos, niveles y modalidades del Sistema Educativo Nacional.

Una educación de excelencia tiene muchas interpretaciones dependiendo del contexto, de las herramientas y del análisis exhaustivo del proceso enseñanza-aprendizaje. Sin embargo, en términos técnicos y operativos podemos relacionar este objetivo a la accesibilidad de todos los estudiantes a los mismos contenidos educativos en formato digital con alta resolución y en formatos multimedia con componentes interactivos y personalizados a las realidades regionales y a los contextos de los jóvenes. Adicionalmente, este objetivo demanda el seguimiento del desarrollo de competencias académicas de los jóvenes dirigidas bajo demanda de competencias profesionales establecidas por niveles educativos superiores o por las necesidades de los sectores productivos mexicanos. Esta característica del sistema educativo requiere de un rediseño, unificación y serialización del proceso de enseñanza para relacionar competencias profesionales requeridas por los sectores con la enseñanza en el aula. Esta política de ajuste del proceso de enseñanza debe estar sujeta al concepto del manifiesto ágil (Kent, 2001) donde se propone que los procesos se ajusten a los cambios constantes de los actores participantes en los stakeholders participantes. Esta idea de adelgazar los procesos para que sólo permanezcan los elementos considerados indispensables y estratégicos son ampliamente estudiados por las estrategias como el modelo Lean (Kent B., et.al., 2001; LEI, 2022) entre otros modelos de aseguramiento de la calidad total de los procesos.

Objetivo prioritario 3.- Revalorizar a las maestras y los maestros como agentes fundamentales del proceso educativo, con pleno respeto a sus derechos, a partir de su desarrollo profesional, mejora continua y vocación de servicio.

Valorizar los actores preponderantes de los procesos productivos requiere de la visualización y monitoreo de las actividades de los mismos. En el contexto educativo, el diseño de instrumentos de medición de la productividad, detección oportuna de patrones que incrementen el valor de los profesores puede derivar en herramientas administrativas que garanticen un proceso de enseñanza de calidad. Adicionalmente, las herramientas tecnológicas pueden generar oportunidades de mejora importantes sobre la transformación digital de la enseñanza como el diseño de clases masivas, evaluación nacional automatizada con reactivos aleatorios y generados en tiempo real, la tele-tutoría académica y la formación de equipos de trabajo con miembros distribuidos geográficamente y que tienen objetivos comunes.

Objetivo prioritario 4.- Generar entornos favorables para el proceso de enseñanza-aprendizaje en los diferentes tipos, niveles y modalidades del Sistema Educativo Nacional.

Los entornos favorables en la educación pueden ser definidos como espacios donde se favorezca o facilite el proceso enseñanza-aprendizaje. Existen condiciones operativas y técnicas en México para diseñar estos entornos de manera digital incluso virtual donde se concreten espacios de libre expresión entre los estudiantes quienes comparten ideales, gustos, y contextos similares. Estos espacios digitales y/o virtuales tienen la ventaja de incluir jóvenes de diversas áreas geográficas y que puedan complementar el conocimiento de los estudiantes en el aula. Incluso, el desarrollo de redes sociales con orientación educativa han sido propuestas como herramientas de apoyo a la educación para socializar el conocimiento pero también para fomentar la colaboración y el contraste de pensamiento entre los jóvenes.

Objetivo prioritario 5.- Garantizar el derecho a la cultura física y a la práctica del deporte de la población en México con énfasis en la integración de las comunidades escolares, la inclusión social y la promoción de estilos de vida saludables.

La implantación de estilos de vida saludable requiere de seguimiento personalizado y permanente para garantizar su correcta aplicación entre los jóvenes. No basta con generar manuales operativos o material educativo que proporcione recomendaciones genéricas que puedan derivar en daños a la salud. La condición y el esfuerzo físico deben siempre estar en concordancia con factores contextuales como la alimentación, las condiciones ambientales, las herramientas disponibles, y el desarrollo físico y mental de la persona. Evadir, ignorar o subestimar estos factores puede derivar en daños a la salud generando un retroceso en el objetivo. En este sentido la definición y uso de bases de datos, redes sociales y centros de orientación juvenil digitales que promuevan estilos de vida saludables pueden ser una herramienta ideal para lograr establecer los indicadores requeridos para cumplir este objetivo.

Objetivo prioritario 6.- Fortalecer la rectoría del Estado y la participación de todos los sectores y grupos de la sociedad para concretar la transformación del Sistema Educativo Nacional, centrada en el aprendizaje de las niñas, niños, adolescentes, jóvenes y adultos.

El diseño, administración basada en indicadores de calidad de los procesos puede resultar en herramientas estratégicas para la toma de decisiones. Estos indicadores aplicados al sector educativo requiere de tecnología para la captura de los datos relacionados con los indicadores y requiere del procesamiento de estos datos para transformarlos en información que permita tomar decisiones basadas en las tendencias presentadas. Estos procesos de transformación de datos pueden estar basados en análisis matemáticos de los mismos pero también existen herramientas basadas en la inteligencia artificial que puede proponer estrategias de mejora continua y pronóstico de los indicadores.

El supercómputo en la educación

En esta sección se presentan algunos avances de la inclusión del cómputo avanzado y el supercómputo en algunas temáticas relacionadas con la educación. Desde la formación hasta la creación de contenidos, herramientas, procedimientos y disposición de capacidades para ponerlos a disposición de las instituciones educativas.

Formación de jóvenes en cómputo avanzado

En esta sección se hace un recuento de proyectos de promoción del supercómputo en distintas regiones de México con el objetivo de detectar talento joven que desee incorporarse a la comunidad de supercómputo en CUDI y busque formarse en el área a través de los programas educativos y cursos de especialización en supercómputo en México.

Detección y atracción de talento a nivel medio superior.

En México, la formación en supercómputo y cómputo avanzado se realiza principalmente como un conjunto de cursos en programas formales de estudios de posgrado. Si bien, existen algunos cursos en licenciaturas orientados principalmente a la computación distribuida (aplicaciones distribuidas o computación en clúster) generalmente se utilizan conferencias, campamentos de verano y talleres para capacitar a los asistentes en algunos temas específicos y especializados del área. La mayor parte de la capacitación es de menos de 40 horas, no se ofrecen de manera oficial y no certifican habilidades.

En México existen importantes esfuerzos para formalizar el supercómputo en programas académicos de pregrado provenientes de organizaciones civiles que validan la acreditación de programas de estudio. Estas organizaciones proponen la internacionalización de las competencias de los estudiantes a través del control de la gestión administrativa y operativa de estos programas académicos. Hay dos organismos autorizados por el Consejo para la Acreditación de la Educación Superior A.C. (COPAES) para evaluar la calidad de los programas educativos en las instituciones de educación superior en México: (a) CONAIC. Esta organización revisa los siguientes programas de estudio: Ciencias de la Computación, Informática, Ingeniería de Software e Ingeniería Informática (CONAIC, 2018). (b) CACEI. Esta organización evalúa la acreditación de los siguientes programas de estudio: Ingeniería Informática (sistema de información), Ingeniería Informática (hardware) e Ingeniería Informática (software) (CACEI, 2017). Es interesante que ambas organizaciones de acreditación vean al supercómputo como una herramienta importante para ser utilizada en la investigación aplicada. Ambos consideran temas como: big data, computación en la nube, análisis de datos, diseño de microprocesadores, entre otros, como temas importantes a cubrir en los programas de estudio mexicanos.

Al momento de escribir este trabajo, no existe un título académico oficial de grado o posgrado para formar profesionales en HPC o programas nacionales permanentes de capacitación o certificación del personal que ya participa en la comunidad.

Existen esfuerzos en la comunidad de supercómputo para la generación de contenido didáctico y generación de prácticas de laboratorio para que los jóvenes tengan acceso a centros de supercómputo o centros de datos con el objetivo de ejercitar los conceptos teóricos aprendidos en clase.

En este sentido la Universidad Veracruzana ha desarrollado material didáctico para la enseñanza del supercómputo dirigido principalmente para los programas de pregrado así como para la educación media superior. En la Figura 2 se presenta evidencia fotográfica de los eventos de promoción del supercómputo en el estado de Veracruz.

Figura 2. Programa de atracción de jóvenes talento en temas de cómputo avanzado en escuelas de nivel medio superior.

Interacción de profesores y estudiantes en temas de cómputo avanzado.

Los procesos de capacitación son una parte esencial en la implantación de políticas de calidad total en organizaciones. La integración de los programas de formación docente pueden beneficiarse del supercómputo como una herramienta de formación y práctica de conceptos teóricos disponible de manera permanente. Con la formación docente se debe desarrollar habilidades de detección y atención de necesidades de los estudiantes pero también se debe mejorar la disponibilidad, acceso, y uso de herramientas tecnológicas de alto rendimiento que faciliten la labor docente. En otras palabras, se requiere de un proceso de educación digital para el correcto uso de la infraestructura tecnológica del país. Esta infraestructura debe estar fortalecida y sustentada por equipos de alto rendimiento computacional y con conectividad de alta disponibilidad que permitan procesos de capacitación permanente, acceso a recursos de alta calidad, y resolución. Además, se espera que los procesos de capacitación consideren el acceso a análisis de casos y descripciones de buenas prácticas dependiendo de los contextos de cada profesor y de los distintos tipos de estudiante que puedan tener presente en el aula.

En este sentido, el Instituto Politécnico Nacional ha elaborado material didáctico para la enseñanza de arquitectura de computadoras de alto rendimiento. Este material ha sido presentado en un plan piloto de enseñanza logrando la capacitación de más de cincuenta estudiantes del programa educación de ingeniería en tecnologías computacionales de la Universidad Veracruzana. En la Figura 3 se muestra evidencia fotográfica de los eventos de capacitación.

Es importante reconocer la colaboración entre ambas instituciones para permitir que tanto estudiantes del programa de posgrado en ciencias de la computación den un curso a nivel licenciatura. De igual forma, permitir que estudiantes de licenciatura visiten las instalaciones del Laboratorio de Microtecnología y Sistemas Embebidos del CIC-IPN.

Figura 3. Entrenamiento de estudiantes de la Universidad Veracruzana realizada por estudiantes del CIC – IPN.

Planeación académica participativa

Un aspecto importante de la planeación estratégica es la adecuación de los objetivos a los lineamientos y a las realidades regionales. Esta adaptación permite un enfoque inclusivo, ajustes razonables, adecuaciones culturales y medidas específicas que se requieran en los contenidos y metodologías relacionadas con la educación.

En este sentido, desde el 2014 a la fecha, la Universidad Veracruzana en conjunto con el Laboratorio de Microtecnología y Sistemas Embebidos del CIC-IPN han realizado múltiples adecuaciones y actualizaciones a los contenidos temáticos de los cursos relacionados con el cómputo avanzado en el programa de estudios de ingeniería en tecnologías computacionales que se imparte en la Universidad Veracruzana. Estos encuentros académicos permiten realizar los ajustes a los contenidos temáticos y permiten la inclusión de los estudiantes en los procesos de rediseño de contenidos educativos. En la Figura X se presenta evidencia fotográfica de las sesiones de rediseño curricular y planeación estratégica para la enseñanza de arquitectura de computadoras a nivel medio superior y a nivel licenciatura.

Figura 4. Reuniones de coordinación entre estudiantes y profesores de la UV y el IPN para orientación en supercómputo.

Diagnósticos con información nominal y georreferenciada

El análisis de datos de información relacionada con la educación puede resultar en una tarea computacionalmente demandante. La detección oportuna de patrones de aprobación, ausentismo, abandono de los estudios y su afectación a la calidad educativa resultan en tratamiento de información estratégica como también lo son indicadores como desigualdad social, alimentaria, educativa, económica, cultural, laboral y tecnológica, desagregada por género y edad. Estos indicadores pueden generar información relevante para la planeación efectiva.

El supercómputo permite optimizar los procesos de análisis masivo de datos mediante el tratamiento tradicional explotando las características de la supercomputadora pero también el supercómputo permite la aplicación de heurísticas matemáticas bio-inspiradas para conseguir resultados tentativos en tiempos razonables, incluso en tiempo real.

En la Universidad Veracruzana se han desarrollado algoritmos computacionales que implementan técnicas heurísticas y de la inteligencia artificial para hacer tratamiento de datos georeferenciados para análisis de concentración de personas por zona geográfica. Además, se tienen herramientas para el análisis de datos basados en inteligencia de negocios con Data Warehouses para la concentración de la información y Data Marts para el análisis específico de datos.

Tutoría académica a distancia y/o automatizada

La tutoría académica es un proceso interno en las instituciones educativas donde un tutor académico da seguimiento a la trayectoria escolar de un estudiante durante su tránsito por la institución. Uno de los objetivos de la tutoría académica es orientar a los jóvenes sobre su perfil profesional y apoyarlos en la toma de decisiones de cursos, especializaciones u otras actividades operativas como los horarios de clases, asesoría en trámites administrativos, etc.

En este sentido, el supercómputo ha resultado ser una herramienta propicia para apoyar el proceso de tutoría académica en su versión digital. En este sentido la Universidad Veracruzana ha desarrollado algoritmos computacionales para brindar un servicio de tutoría académica basada en la inteligencia artificial para detectar patrones de trayectoria académica de jóvenes que tienen un contexto similar a un jóven en particular. Con este software se busca apoyar a los estudiantes en encontrar casos de trayectorias escolares exitosas partiendo del mismo contexto regional. Este software está actualmente en etapa de pruebas técnicas y en proceso de ajuste tecnológico.

Educación 4.0 con servicios de cómputo en la nube.

El término cómputo en la nube se asocia a un conjunto de tecnología computacional que permite a los usuarios acceder a través del internet a hardware, software, archivos, datos desde cualquier lugar del mundo y en cualquier momento, sin la necesidad de conectarse a un ordenador personal o servidor local.

El cómputo en nube permite la reducción de costos con infraestructura al compartir hardware y software. Además, reduce el espacio que ocupa la tecnología computacional al permitir que más de un servidor pueda ser ejecutado en el mismo equipo de cómputo. De igual manera, permite centralizar la información y hacerla disponible al usuario. Facilita el trabajo remoto al permitir conexiones de usuarios desde cualquier ordenador, notebook, tablet o smartphone, desde que estén conectados a Internet.

En la Universidad Veracruzana se ha desarrollado un conjunto de máquinas virtuales usando el software VirtualBox que tiene como objetivo brindar software libre para aplicar conceptos de supercómputo y cómputo avanzado. Al momento, se tienen seis laboratorios virtuales: (1) Ciencias básicas. Este laboratorio virtual tiene software libre para ejercicios de matemáticas, física, química. (2) Desarrollo del software. En este laboratorio se tiene aplicaciones para apoyo de la ingeniería del software y programación orientada a objetos, programación Arduino, programación en lenguaje ensamblador MIPS, x86, RISC-V. (3) Administración. En este laboratorio se tiene software para la documentación de proyectos, Diseño de proyectos, administrador de proyectos. (4) Análisis de datos. Este laboratorio tiene software para la ingeniería del conocimiento, minería de datos, sistemas distribuidos, clasificación de datos. (6) Finalmente se tiene un laboratorio para la simulación de redes de datos.

Todos estos laboratorios están pensados para ser ejecutados en ambientes de cómputo en la nube con servidores de alto rendimiento. Esto quiere decir que la tecnología computacional asociada al supercómputo también puede ser utilizada directamente en el proceso enseñanza-aprendizaje sin que esto represente en un sobrecosto operativo o que se requiera de nuevo equipo de tecnología computacional.

Participantes en la elaboración del documento:

Dr. Alfredo Cristóbal Salas