Uso de modelación como herramienta para mejorar el aprendizaje en los estudios agrícolas

1. Innovación de la enseñanzauniversitaria en agricultura y recursosnaturales Octubre 15 al 17 del 2013 (Taller C) Uso de modelacióncomoherramientaparamejorar el aprendizaje en los estudiosagrícolas Charles Nicholson Department of Supply Chain & Information Systems Smeal College of Business Penn State University

2. Esquema del Taller • “Aprenderhaciendo” (Platón) • Repaso de conceptosbásicos de un método de modelación • Dinámica de sistemas • 2 estudios de caso • Ciclode nutrientes en un sistema de ganado • Manejo de recursosnaturales en unacuenca

3. Dinámica de Sistemas: Repaso de conceptosbásicos

4. Dinámica de sistemas • Un métododinámico de simulación • Aplicable a un ampliorango de sistemasbiológicos y sociales • El comportamiento del sistemaestá determinado por su estructura • Especificar la estructuraparacomprender el comportamientofuturo • Evaluarintervencionesparalograrmejoresresultados

5. El Procesopara la ModelaciónusandoDinámica de Sistemas • Articular el problema • Comportamiento del “modo de referencia” • Formularunahipótesisdinámica • Estructurareserva-flujo-retroalimentaciónparaexplicar el comportamiento • Formular el modelo de simulación • Probar el modelo de simulación • Examinarpolíticas y prácticasalternativas

6. El “modo de referencia” Articular el problema • Conjunto de gráficosquedemuestra la formulación del problema • Definir variables de interés claves • Definir un horizonte de planificaciónapropiado • Relevanteparacomprender el problema

7. Ejemplo: Población del Perú Fuente: Organización de lasNacionesUnidas

8. Ejemplo: Índiceprecio de alimentos Fuente: Organización de lasNacionesUnidaspara la Alimentación y la Agricultura, 2000 = 100

9. La “hipótesisdinámica” Formularunahipótesisdinámica • La estructura del sistemacausa el comportamientoobservado • Al observar un comportamiento, podemosinferirrespecto a la estructuradominanteque lo genera

10. La “hipótesisdinámica” Formularunahipótesisdinámica • Queremosidentificar los componentes de la estructura • Conceptos de retroalimentación, reservas y flujos • Diagramasy modelos de simulación

11. Comportamientosdinámicos • ¿Cuantostipos (modos) de comportamientosdinámicosexisten? • Se puedehablar de seistipos • Trestiposbásicos, y tresque son combinaciones de estostres

12. 6 comportamientosdinámicos Crecimientoexponencial Búsqueda de la meta (goal-seeking) Oscilación Tresmodosbásicos y combinaciones

13. La “hipótesisdinámica” La estructuracausa el comportamiento • El comportamiento surge sólo de la estructura • Hay un númerolimitado de comportamientosquedescribenmuchossistemas • Si observamos un comportamiento, podemoshacerinferenciasrespectoa la estructuradel sistema

14. Componentes claves de sistemas • Ciclos de retroalimentación • Positivos o negativos • Reservas y flujos • Reservas, flujos y retroalimentación son los componentesestructurales claves del sistema • Crearcomportamientosdinámicos

15. Ciclo de retroalimentaciónpositivo Ciclos de retroalimentaciónpositivos • Incrementaruna variable causa un aumentoadicional • Causa el crecimientoexponencial • “Ciclode refuerzo”

16. Ciclo de retroalimentaciónnegativo Ciclos de retroalimentaciónnegativo • Incrementaruna variable causaunadisminucióncontrarrestanteen la variable • Causadeterioro (disminución) • “Ciclode balanceo”

17. Representacióngráficade la hipótesisdinámica Este sistema simple tiene dos elipses. Estosoperanconjuntamenteparaproducir el comportamiento del sistema. Éstees un Diagrama de CiclosCausales (DCC)

18. Diagramade cicloscausales (DCC) • Esunamanera de representar la estructura de retroalimentación del sistema • Facilita la especificación de unahipótesisdinámica del sistema

19. En un modelocompleto, ¡hay muchos! Éstees un Diagrama de CiclosCausales (DCC)

20. Componentes claves de sistemas • Ciclos de retroalimentación • Positivos o negativos • Reservas y flujos • Reservas, flujos y retroalimentación son los componentesestructurales claves del sistema • Crearcomportamientosdinámicos ✔

21. Estructura del sistema: reservas • Las reservasson acumulaciones • Puedensercontadas en un momento dado • Ejemplo: número de personas en estesalón • Tambiénllamadosestados o niveles • Sólocambian a través de los flujos • Los flujosconstituyen el único factor directoqueafectalasreservas • Muchas variables puedenafectar los flujos

22. Estructura del sistema: flujos • Los flujosse expresancomocantidadesdurante un intervalo de tiempo • Ejemplo: Número de personas queentraronal salón en los últimos 5 minutos • Deben sermedidos a través de algúnintervalo de tiempo • Tambíenllamadostasas

23. Notación de diagramaciónestándar Ejemplo: ¡OJO! Puede haber más de un ingreso o egreso Éstees un Diagrama de Reservas y Flujos (DRF)

24. Cuatrorepresentacionesequivalentes de estructuras de reservas y flujos grifo bañera desagüe Ecuación integral Metáfora hidráulica Diagrama de reserva y flujo Ecuación diferencial Todosquierendecir lo mismo. Cuálusardepende de la audiencia.

25. Conservación de material en reservas y flujos • Los contenidos de una red de reservas-flujos son conservados • La cantidadqueingresa a unareserva se quedaallí hasta susalida (egreso) • El material fluye de unareserva a otra • Se incrementaunareserva en la mismacantidadque la otradisminuye

26. Prueba: ¿Reserva o flujo?

27. Prueba: ¿Reserva o flujo?

28. Prueba: ¿Reserva o flujo?

29. Prueba: ¿Reserva o flujo?

30. Prueba: ¿Reserva o flujo?

31. Prueba: ¿Reserva o flujo?

32. Representacióngráfica de la hipótesisdinámica Éstees un Diagrama de Reservas y Flujos (DRF)

33. Componentes claves de sistemas • Ciclos de retroalimentación • Positivos o negativos • Reservas y flujos • Reservas, flujos y retroalimentación son los componentesestructurales claves del sistema • Crearcomportamientosdinámicos ✔ ✔

34. La “hipótesisdinámica • Las herramientas DCC y DRF indican en representacióngráfica los componentesquepuedencausar el comportamientoobservado • Que se define como “el problema” de interés • Éstaes la hipótesisdinámica

35. El Procesopara la ModelaciónusandoDinámica de Sistemas • Articular el problema • Comportamiento del “modo de referencia” • Formularunahipótesisdinámica • Estructurareserva-flujo-retroalimentaciónparaexplicar el comportamiento • Formular el modelo de simulación • Probar el modelo de simulación • Examinarpolíticas y prácticasalternativas ✔ ✔

36. 2 Ejercicios de Caso • Ilustrar/practicaretapas de esteproceso

37. Ejercicio de caso: ciclosde nutrientes en sistemasganaderos

38. Este ejercicioestaráenfocado en los primeros dos pasos • Articular el problema • Comportamiento del “modo de referencia” • Formularunahipótesisdinámica • Unahipótesispreliminarsobre la estructuraquecausa el(los) comportamiento(s) observado(s)

39. Articular el problema • Identificar el “modo de referencia” • Conjuntode gráficosquedemuestran la formulación del problema • Definirvariables de interés claves • Definir un horizonte de planificaciónapropiado

40. Estudio de caso en dinámica de nutrientes • Reuda et al. (2003) estudió el contenido de nutrientes en el suelo • “capa superior del suelo” hasta 10 cm • Sistema de ganado “doblepropósito” • Carne y leche • Amazonía occidental (Rio Branco) • Anteriormente, bosque tropical húmedo • ¿Cuálesson lasopcionesparala intensificacióndel sistema?

41. Estudio de caso en dinámica de nutrientes Journal of Animal Science. 2003. 81:2923-2937

42. Manejo del sistemadoblepropósito • Forrajeproporciana la mayoría de los nutrientesparaanimales • Brachiariadecumbens • De raícesgrandes • Usomuylimitado de fertilizantes • La quemacada dos años • Controlar de malashierbas

43. Área de estudio de Bertha Rueda

45. Estudio de caso en dinámica de nutrientes • Resultado clave de Rueda: • > 20 años de producción sin disminución en el contenido de nutrientes en el suelo • ¿Indicaque el sistemaessustentable? • En Amazoníaoriental, nutrientesagotadodespués de 5 – 7 años en sistemassimilares • ¿Porqué la diferencia entre regiones?

46. Ejercicio 1: Modo de referencia • Bosquejar el modo de referenciapara la cantidad de nutriente“genérico” en la capa superior del suelo de la AmazoníaBrasileña occidental • Dibujar y nombrar los ejes con cuidado • Justificarsuelección de horizonte de planificación (tiempo) • Bosquejarel modo de referenciapara la AmazoníaBrasileñaoriental

47. Modo de referencia: nutrientes en la capa superior del suelo

48. Modo de referencia: biomasa de pasto

49. La hipótesisdinámica • ¿Cuálestructura de ciclos de retroalimentaciónpuedegenerar el comportamientoobservado? • Un diagrama de cicloscausales (DCC)

50. Diagrama de cicloscausales