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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.
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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
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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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https://www.circuitlab.com
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www.spectrum-soft.com
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