Herramientas interactivas para la enseñanza en ingeniería: entornos de simulación y laboratorios virtuales. Perspectivas y limitaciones.

González Mónica L.12, Casas Guillermo A.23

1 UNITEC, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de La Plata

2 Universidad Nacional de Quilmes

3 Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata

dispos@ing.unlp.edu.ar, gcasas@unq.edu.ar

Eje del trabajo: ¿Cómo seleccionar, diseñar y desarrollar un ambiente educativo con

tecnologías digitales?

Tipo de trabajo: Ensayo

Resumen Actualmente, los sistemas educativos mundiales impulsan la incorporación de recursos

derivados de las nuevas tecnologías de la información y la comunicación como herramientas

facilitadoras del aprendizaje. La potencialidad de estos recursos, sus posibilidades de

interacción en tiempo real junto con interfaces gráficas de alta resolución, su capacidad de

simulación de objetos y procesos usando modelos de alta calidad de representación

matemática, justifican el empleo de los mismos como complementos educativos de alto valor

didáctico. La incorporación y uso de herramientas tecnológicas modifica los procesos

internos de pensamiento del alumno constituyendo nuevas formas de mediación educativa.

Aplicados a la enseñanza en Ingeniería en Electrónica, Automatización y Control, estos

recursos configuran nuevas herramientas que complementan la enseñanza tradicional, y son

de gran valor para el desarrollo de habilidades y competencias. Existe una amplia variedad

de sistemas desarrollados y aplicables a la ingeniería basados en modelos dinámicos de

simulación. Se caracterizan por analizar, interpretar y predecir el funcionamiento de los

sistemas en función de las variables que rigen su dinámica, modificando la respuesta según

se modifiquen los parámetros que definen el modelo representado. En situaciones difíciles

de ensayar en laboratorios reales son muy buenas herramientas para construir laboratorios

virtuales. Se discuten algunos de estos recursos analizando sus perspectivas y limitaciones.

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Abstract Currently, global education systems incorporating resource boost from new information

technologies and communication as facilitators of learning tools. The potential of these

resources, their ability to interact in real time with high-resolution graphical interfaces,

simulation ability of objects and processes using high quality models of mathematical

representation, justify the use of these as high value educational supplements teaching. The

incorporation and use of technological tools modifies internal thought processes of the

student building new forms of educational mediation. Applied to education in Electronics,

Automation and Control Engineering, these resources constitute new tools that complement

traditional teaching, and are of great value for the development of skills and competencies.

There is a wide variety of systems developed and applied to the dynamic model-based

engineering simulation. Characterized by analyze, interpret and predict the performance of

the systems in terms of the variables that govern the dynamics, modifying the response as

modified parameters that define the model represented. In difficult situations of actual

laboratory testing are excellent tools for building virtual laboratories. We discuss some of

these resources analyzing their prospects and limitations.

Palabras claves: Herramientas interactivas, laboratorio virtual, applets educativos,

simulación de circuitos, PC1D.

Introducción

Actualmente, los programas mundiales de formación de ingenieros tratan de incluir, desde

una formación temprana, el desarrollo de habilidades y competencias, la innovación, la

creatividad y la resolución de problemas cercanos a la vida profesional. Por ello, los diseños

curriculares modernos se enfocan hacia la integración teoría-práctica, la enseñanza situada

o experiencial, la formación metacurricular orientada al desarrollo de habilidades cognitivas,

comunicativas o específicas de determinados dominios disciplinares junto con la

incorporación de ejes transversales al currículum: desarrollo sustentable, ecología, ética,

etc.

Situar al alumno en estos contextos de aprendizaje impone cambios al modelo tradicional de

enseñanza, centrado en la transmisión de información con fuerte base teórica, hacia un

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modelo más flexible centrado en el alumno y apoyado en actividades formadoras e

integradoras de los conocimientos. Bajo este paradigma es importante generar ambientes

de aprendizaje centrados en la formación práctica. Las prácticas de laboratorio constituyen

herramientas esenciales para fortalecer la estructura cognitiva del alumno al proponer

actividades, y utilizar instrumentos y recursos, que permiten el contacto con el mundo real.

Particularizando en carreras de Ingeniería en Electrónica, Automatización y Control, la

experimentación por medio de la manipulación de componentes y dispositivos, la

construcción de circuitos, la prueba y verificación de su funcionamiento con diversos

instrumentos de medición, constituyen una parte fundamental en la formación de los futuros

ingenieros. La realización de esta práctica educativa suele presentar inconvenientes que

impiden cumplir con los objetivos propuestos. La calidad de las prácticas de laboratorio

suelen verse afectadas por factores espaciales, económicos y/o temporales. Los cursos muy

numerosos, la falta de la infraestructura de equipamiento adecuada o los horarios

disponibles para el uso de las instalaciones limitan el número de prácticas posibles. Un

problema adicional se presenta cuando las experiencias son riesgosas para los participantes

o en el instrumental a utilizar. Otro inconveniente es la limitación al número de experimentos

o al tipo de las modificaciones que sobre ellos pueden realizarse, si los cambios y las

correspondientes mediciones deben hacerse sobre un sistema real. En estos casos, la

simulación de las experiencias de laboratorio resulta una alternativa interesante para

superar los inconvenientes anteriores.

La simulación es un recurso tecnológico-informático que crea un espacio de mediación entre

la realidad y el desarrollo de modelos o teorías en distintas ramas del conocimiento

científico. La manipulación de estos modelos, desde los más sencillos a los más complejos,

facilita la adquisición de conocimientos tanto conceptuales como procedimentales. La

mayoría de los programas de simulación analizan por medio de un modelo físico-matemático

fenómenos o mecanismos con operaciones de cálculo numérico y algún tipo de visualización

gráfica. Estas características constituyen sus ventajas como recurso didáctico. El alumno

puede trabajar en la construcción del modelo, la experimentación sobre un modelo ya hecho

y la manipulación del mismo cambiando sus parámetros, obteniendo y verificando los

resultados alcanzados. Para complementar la experiencia puede validar la precisión del

modelo simulado contrastando los resultados con los obtenidos en una experiencia de

laboratorio real. En la realización de estas actividades se ponen en juego distintos recursos

cognitivos: formulación de hipótesis, análisis y comparación de datos, resolución de

problemas, etc., propiciando la construcción del conocimiento y el autoaprendizaje.

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Existe una amplia variedad de recursos educativos y aplicaciones de software disponibles

para la recreación de experiencias de laboratorios en ambientes virtuales. Todos estos

recursos están disponibles para su uso on-line o descarga para ser usado en la PC del

usuario, a través de Internet. Se describirán algunos ejemplos.

1- Applets educativos y animaciones

La utilización de los dispositivos electrónicos en diferentes aplicaciones requiere la

comprensión de los procesos físicos que ocurren en los semiconductores que forman dichos

componentes. Esta temática exhibe una fuerte base teórica de contenidos muy abstractos

por lo que suele generar dificultades en la comprensión de estos fenómenos por parte del

alumno, siendo las experiencias de laboratorio afines muy complejas de implementar.

Para familiarizar a los alumnos con las propiedades físicas de los semiconductores, se

presenta una alternativa metodológica basada en la incorporación a las actividades prácticas

de herramientas de resolución numérica y visualización gráfica interactiva, apoyadas en

desarrollos de software libre basados en Applets Java. La tecnología basada en Applets de

Java permite generar recursos educativos para ser ejecutados desde cualquier explorador

de Internet. Su funcionamiento sólo requiere conexión a Internet y la instalación de la

máquina virtual Java, que se descarga en forma gratuita. Posee características de un buen

software educativo: facilidad de uso e instalación, versatilidad, calidad de contenidos,

interactividad, facilidad de navegación, adecuación al usuario potenciando el desarrollo de

un aprendizaje significativo.

Estas herramientas permiten representar por medio de animaciones interactivas los

procesos físicos involucrados en el comportamiento de los semiconductores y obtener

resultados modificando parámetros físicos y geométricos del dispositivo que pueden

confrontarse con resultados teóricos. Son muy adecuadas para incorporar como estrategias

docentes que ayuden a mejorar la calidad del proceso de enseñanza en esta temática

particular.

Se describe un Applet aplicado al estudio del comportamiento físico-estadístico de los

semiconductores que permite encontrar la variación de la concentración de portadores, el

nivel de Fermi y la función densidad de estados en semiconductores, ayudando a la

comprensión conjunta de estos fenómenos de una manera visual e interactiva. Presenta en

forma gráfica la función matemática que determina la concentración de electrones y huecos

en un semiconductor a partir de las relaciones:

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Estas ecuaciones vinculan la densidad de estados de energía gc(E) y gv(E) en las bandas

de conducción y de valencia, respectivamente, con la función estadística de Fermi que

establece la probabilidad de ocupación o vacancia de un estado de energía, Figura 1.

Moviendo, a través del botón Ef, la posición del nivel de Fermi se observan las variaciones

sobre los gráficos sin necesidad de resolver las ecuaciones. El botón de desplazamiento

“Temperature” permite la variación de la temperatura sobre un amplio rango.

Las animaciones forman otro grupo de herramientas de software de aplicación específico

que pueden utilizarse con fines educativos. Como los Applets, se caracterizan por un alto

nivel de interactividad y calidad gráfica. Pueden clasificarse en activas, si se reproducen

automáticamente, o inactivas, si el usuario debe activarlas. Permiten representar en forma

sencilla el funcionamiento de objetos, procesos, maquinarias, sistemas físicos, etc., difíciles

de interpretar por otros medios. Las Figuras 2 a) y b) muestran animaciones del

funcionamiento de sistemas de automatización presentado por Kuka Industrial Robots. Esta

empresa ofrece la descarga gratuita de software (KUKA.Sim Viewer y KUKA.Sim

Components) para utilizarlas en la fase de planificación de la automatización de un proceso

industrial. Estos programas reproducen el funcionamiento de sistemas robotizados

industriales, http://www.kuka.be/main/products/.

Figura 1

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2- Software de simulación para modelado en una dimensión de una celda solar PC1D El software PC1D desarrollado en el “Photovoltaic Special Research Centre” de la

“University of New South Wales” en Sydney, Australia, resuelve por métodos numéricos las

ecuaciones que gobiernan el funcionamiento de una estructura semiconductora en un

dominio unidimensional, formada por una o más regiones cuyas características son

definidas por el usuario a partir de una interfaz que permite ingresar el valor de cada

parámetro. Es muy usado por la comunidad científica que investiga y desarrolla Celdas

Solares. Modeliza la estructura en una dimensión coincidiente con el camino óptico de la

energía lumínica que incide en la celda y que penetrando en ella genera los portadores

colectados por los contactos.

Dada la facilidad de utilización, el manejo de las variables y la interfaz gráfica para visualizar

resultados es muy adecuado para su uso como complemento educativo.

PC1D permite estudiar las particularidades que introducen los contactos mediante la

modificación de la velocidad de recombinación superficial, y regular la rugosidad de la

superficie que modifica la absorción de la energía luminosa. Se pueden incluir sucesivas

reflexiones internas en ambas caras del dispositivo para incrementar el camino óptico de los

fotones y aumentar los pares de portadores generados por la incidencia de radiación

luminosa. Por medio de la interfaz gráfica se visualizan diversas curvas en función del

tiempo así como en función del espacio para realizar un análisis en régimen estacionario.

Aplicado a la celda solar el programa informa sobre los valores de Tensión de Circuito

Abierto (Voc), Corriente de Cortocircuito (Isc), y Potencia Óptima, que permiten comparar

diferentes estructuras. La posibilidad de visualizar diferentes procesos físicos en la

estructura: distribución de portadores, variación del campo eléctrico interno, diferencia de

potencial, densidades de corriente, etc., permite inducir cómo la modificación de las

dimensiones físicas, características de portadores o contaminación de cada región

Figura 2 a) Figura 2 b)

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semiconductora afectan al comportamiento macroscópico, resultados de difícil tratamiento

matemático y de experimentación. Con la ayuda del programa PC1D el alumno podrá

visualizar de manera sencilla las consecuencias de los cambios en las características y

dimensiones de la estructura modelizada, reforzando su comprensión sobre los fenómenos

físicos internos y su repercusión sobre las variables eléctrica externas.

La Figura 3 muestra la pantalla principal con una descripción básica de las secciones de que

permiten elegir las características. La Figura 4 ilustra la potencialidad del programa usado

con fines didácticos. La Celda “diseñada” se corresponde con los parámetros de la Figura 3.

Modificar las dimensiones de la celda y la contaminación de las zonas observando la

variación de la corriente de cortocircuito y la tensión de circuito abierto es un excelente

ejercicio para el alumno, imposible de realizar en una experimentación real.

DEVICE: Incluye información sobre área de superficie

frontal, tipo de textura de superficie, acumulación de

carga en la superficie, reflectancia para las dos

superficies exteriores y los datos acerca de la

reflectancia óptica interna, ubicación y descripción de

los contactos. Haciendo doble clic en cualquiera de los

parámetros del dispositivo se abren ventanas que le

permiten realizar cambios al usuario.

REGION: Datos de las diferentes capas del dispositivo.

Cada región puede ser de distinto material. Se

especifican valores de banda prohibida, movilidad,

constante dieléctrica y parámetros de recombinación.

Cada región se especifica por su espesor, perfil de

dopado u dopaje de fondo, etc.

EXCITATION: Incluye el modo de excitación: equilibrio,

estado estacionario o temporal, la temperatura y datos

sobre las fuentes externas: valores nominales y

resistencia interna. Puede hacerse un barrido en

tensión para determinar la característica I-V.

RESULTS: Muestra valores de la simulación realizada

Figura 3

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3- Laboratorios virtuales y análisis de fallas por simulación en circuitos electrónicos

El laboratorio virtual se fundamenta en el uso de un programa o software específico que

permite recrear ambientes similares al de un laboratorio real. Para el caso particular de

circuitos electrónicos existen muchas aplicaciones que permiten el armado del circuito

eléctrico y sus componentes, manipulación de instrumentos, obtención numérica y

visualización gráfica de resultados, almacenado digital para procesamiento posterior con

programas de graficación más complejos y bases de datos permitiendo realizar experiencias

similares a las de un laboratorio tradicional. Es muy amplia la variedad de programas cuyas

características son compatibles con entornos de simulación de circuitos eléctricos como

laboratorios virtuales. La mayoría utiliza aplicaciones con entornos gráficos orientados a

modelos, no siendo necesario tener, a priori, amplios conocimientos de la resolución

numérica del problema, permitiendo que el usuario preste atención a la topología y

comportamiento del circuito que está analizando.

El principio más importante para la selección del programa es operar con modelos de

calidad y confiables para representar los componentes circuitales. Se prefiere los

desarrollados bajo el estándar SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit

Emphasis), inicialmente programa de código abierto realizado en la Universidad de Berkeley

en 1970. Actualmente, varias empresas presentan programas comerciales o libres

desarrollados a partir del SPICE original. Una limitación en el uso de los paquetes

comerciales es su elevado costo; hay versiones de costo reducido para uso académico o

estudiantil, y versiones evaluativas (“demos”), suficientes para el entrenamiento de alumnos

en experiencias de laboratorio básicas. Algunos programas permiten “conectar” en el

“circuito” bajo prueba instrumentos de medición virtuales o representar el circuito en 3D,

Figura 4

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aumentando la aproximación a la realidad. La Tabla I muestra algunos de estos programas

que permiten al usuario crear y probar proyectos de diseño de circuitos electrónicos. El

circuito se genera a partir de un editor de esquemas mediante una interfaz gráfica basada

en los símbolos de los componentes, seleccionados de bibliotecas de modelos propios del

software así como de fabricantes de componentes. Finalizado el esquema circuital se puede

realizar un chequeo de las conexiones para detectar fallos.

Tabla I

Software Sistema Operativo Licencia Nivel Instrumentos virtuales

LTSpiceIV Windows/XP/Vista/7 Versión libre Medio No

TopSpice 8 Windows/XP/Vista/7 Si/ Demo Medio No

TINA 9 Windows/XP/Vista/7 Si/ Prueba 30 días Medio Si

Microcap 10 Windows/XP/Vista/7 Si/ Demo Medio No

Cadence 16.6 Windows/XP/Vista/7 Si/ Demo Medio, Avanzado No

Multisim 11 Windows/XP/Vista/7 Si/ Prueba 30 días Medio, Avanzado Si

CircuitLab Windows/XP/Vista/7 On-line Básico No

Visual Spice Windows/XP/Vista/7 Si/ Demo Medio, Avanzado No

AIM-Spice Windows/XP/Vista/7 Si/ Demo Medio, Avanzado No

sPlan 7.0 Windows/Vista/7/8 Si/ Demo Básico No

SIMetrix Windows/XP/Vista/7 Si/ Demo Básico No

Los resultados de la simulación permiten visualizar, con una excelente resolución gráfica,

formas de onda de tensión y de corriente en puntos elegidos del circuito. Algunos programas

permiten exportar los resultados en formato de tipo Excel para su posterior procesamiento,

y/o elaborar el diseño de la plaqueta sobre la cual se montará el circuito una vez depurado.

La posibilidad de simular instrumentos virtuales con alta calidad de presentación y facilidad

de uso los hacen muy adecuados para realizar laboratorios virtuales. La Figura 5 a) y b) y la

Figura 6 a) y b) muestran dos proyectos de trabajo final de materia realizados por alumnos

del curso de Dispositivos Electrónicos A, FIUNLP. Dicho proyecto corresponde al diseño de

un Sistema optoelectrónico para accionar una carga de corriente continua. Dentro de las

actividades se debía simular el circuito desarrollado depurando los posibles errores para

luego construir un prototipo y analizar las diferencias. Este procedimiento minimiza las

posibilidades de fallos al construir el circuito.

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4- Objetos de aprendizaje y Repositorios

El grupo Wisconsin Online Resource Center define los objetos de aprendizaje como:

“pequeñas piezas que pueden ser incluidas en una actividad de aprendizaje, lección, unidad

o curso y que son autocontenidos y adaptables para usar en múltiples ambientes de

aprendizaje y en varias disciplinas”. Se pueden clasificar y catalogar ubicándolos en sitios

denominados repositorios de objetos, los cuales existen en gran número en la web. Pueden

ser actualizados, combinados, referenciados y sistematizados. Tecnológicamente, se

caracterizan por las propiedades de reutilización y adaptabilidad. Pedagógicamente, deben

cumplir con el propósito de facilitar los procesos de enseñanza y aprendizaje, y pueden

incluir algún tipo de evaluación.

Los contenidos se presentan en varios niveles de profundidad, siendo el docente a quien

corresponde seleccionar el más adecuado según la propuesta educativa y el grupo de

alumnos. Un principio de taxonomía se muestra en la Figura 7.

Figura 5 a) Figura 5 b)

Figura 6 a)

Figura 6 b)

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El uso de la iconografía, texto, uso de espacio y simetrías afectan la comunicación del

contenido cuando no tienen un diseño óptimo. Como ejemplo de recursos educativos

aplicados a Ingeniería en Electrónica, Automatización y Control puede citarse MERLOT

(Multimedia Educational Resource for Learning online and Teaching). Presenta una

importante biblioteca digital de uso libre, disponible en la web, formada por 40340 materiales

educativos, de los cuales 399 son aplicables a Ingeniería. No todos los recursos disponibles

pueden considerarse objetos de aprendizaje ni tienen la misma calidad, presentación y nivel

educativo. En la página de selección de cada material hay una descripción básica por medio

de la cual se puede evaluar la pertinencia del recurso. Las Figuras 8 a) y b) muestran dos

recursos que permite obtener de forma interactiva el valor de la resistencia de un resistor por

medio del código de colores señalado por las bandas marcadas en el cuerpo del

componente.

En el primero (http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/resistor/), haciendo clic en la

barra deslizante se cambia el valor de la resistencia. También se puede cambiar el valor por

medio del multiplicador y la tolerancia de fabricación. Se simula el flujo de carga observando

que éste disminuye a medida que aumenta el valor de la resistencia del dispositivo.

Presenta un vínculo a un tutorial explicativo sobre las propiedades físicas y eléctricas del

resistor.

El recurso de la Figura 8 b) es un objeto de aprendizaje desarrollado en Flash que explica,

brevemente y con ejemplos, el código de colores utilizado para identificar los valores de la

resistencia eléctrica. Incluye una sección práctica que permite una simple evaluación,

http://inside.lambton.on.ca/custom/learning_object_repository/resistor3.html.

Figura 7

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Conclusiones

La utilización de recursos educativos basados en herramientas de software on-line o

descargables desde Internet se presenta como una alternativa metodológica interesante

para la formación de los alumnos de ingeniería en la resolución de problemas y aprendizaje

basado en proyectos. La realización de laboratorios virtuales constituye una poderosa

herramienta como actividad extendida al trabajo en el aula posibilitando otras propuestas

educativas y abriendo nuevas perspectivas para la experimentación, sin límites espaciales y

temporales, proporcionando además una optimización de recursos y costos. El diseño

adecuado de estas experiencias permitirá fortalecer el desarrollo de competencias y

desempeños necesarios para la práctica profesional del futuro ingeniero. Será la

planificación del docente la responsable de generar las estrategias adecuadas que

optimicen el uso de estos recursos, motivando y ampliando la capacidad creativa del

alumno.

Bibliografía y enlaces asociados Área Moreira, M. (1999), "Los materiales en los procesos de diseminación y desarrollo del

currículum", en: Diseño, desarrollo e innovación del currículum, Síntesis, Madrid.

Área Moreira M. (2004), Los medios y las tecnologías en la educación, Cap. 3

Barberá, E. y Badia, A. (2005), El uso educativo de las aulas virtuales emergentes en la

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Gros B., “Del software educativo a educar con software”, en:

http://www.quadernsdigitals.net/articuloquaderns.asp?IdArticle=3743

Figura 8 a) Figura 8 b)

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Moral M. E., Cernea D. A. (2005),”Diseñando Objetos de Aprendizaje como facilitadores de

la construcción del conocimiento”, en: http://www.uoc.edu/symposia/spdece05/pdf/ID16.pdf

Prendez Espinosa, Ma. P., Martínez Sánchez F., Gutiérrez Porlán I. (2008), Producción de

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Pérez Sanz, J., (2005), “Las enseñanzas en laboratorios“, en “Formación de Ingenieros:

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