USO DE HERRAMIENTAS TECNOLÓGICAS PARA EL APRENDIZAJE EXPERIENCIAL Y LA FORMACIÓN INTEGRAL DEL INGENIERO EN EL CAMPO DE LA ELECTRÓNICA

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1 USO DE HERRAMIENTAS TECNOLÓGICAS PARA EL APRENDIZAJE EXPERIENCIAL Y LA FORMACIÓN INTEGRAL DEL INGENIERO EN EL CAMPO DE LA ELECTRÓNICA Ugarte Suárez, Marta F., Terrón María José, Chávarri, Leticia, Padrón Nápoles, Víctor Manuel 1: Departamento Mecánica, Electrónica y Automática Escuela Politécnica Universidad Europea de Madrid c/ Tajo s/n Villaviciosa de Odón, Madrid {marta.ugarte; m_jose.terron; Leticia.chavarri; victor.padron}@uem.es web: Resumen. En este trabajo se expone la experiencia de emplear herramientas tecnológicas en la enseñanza de la Electrónica para facilitar el aprendizaje experiencial y la formación integral de un alumno, creándole hábitos de trabajo útiles para otras asignaturas y su futuro trabajo profesional. Se muestran tanto el hardware como el software básico empleado en las diferentes asignaturas y la importancia de la integración de dichas herramientas con los conocimientos teóricos para proporcionarle una sólida formación del estudiante. Palabras clave: aprendizaje experiencial, learning-by-doing, hands-on, electrónica, simulación, proyecto integrador. 1. INTRODUCCIÓN La enseñanza de las asignaturas de primeros cursos en ingeniería requiere la búsqueda por parte del profesorado de formas de motivar a sus estudiantes para evitar el abandono de las mismas. Una buena forma es hacer que los estudiantes integren lo aprendido en paralelo con la realización de proyectos y prácticas de forma que el estudiante ve el resultado de su aprendizaje más rápidamente fijando más los conocimientos adquiridos y adquiriendo habilidades que en el futuro le serán útiles. Con este marco de fondo nuestra escuela en el curso se organizó como una escuela de ingeniería basada en proyectos (PBES: Project Based Engineering School) (Flores, Lara, & Gaya, 2013). Hasta ahora nos encontrábamos con que nuestros estudiantes aprendían nuestras asignaturas de circuitos y electrónica con un modelo basado en la teoría más la puesta en práctica de los conocimientos teóricos adquiridos mediante la realización de prácticas aisladas de laboratorio o en el mejor de los casos en la realización de pequeños proyectos. El objetivo del trabajo que aquí se presenta es integrar la enseñanza de la teoría, la realización de Prácticas de Laboratorio y los proyectos mediante el uso de un conjunto de placas y software que permiten la simulación, diseño e implementación de los circuitos electrónicos. El proceso de enseñanza-aprendizaje es en este caso experiencial. De esta forma, el aprendizaje parte del experimento y la vivencia del estudiante. El fin

2 es facilitar al estudiante, a través del uso de herramientas tecnológicas avanzadas, la introducción, asimilación y aplicación de los conocimientos teóricos. 2. HERRAMIENTAS TECNOLÓGICAS PARA EL APRENDIZAJE DE LA ELECTRÓNICA En los estudios de ingeniería, y en la universidad en general, la vinculación de la educación con la tecnología ha ampliado las oportunidades para transformar y mejorar los procesos enseñanza y aprendizaje. En los siguientes apartados mostraremos como hemos integrado el uso de herramientas tecnológicas en las siguientes asignaturas: Teoría de Circuitos (TC) Fundamentos de Electrónica (FE) Electrónica Digital y Microprocesadores (EDYM) Electrónica Avanzada (EA) Diseño de Circuitos Asistido por Ordenador (DCAO) Sistemas de Navegación I (SNI) Sistemas de Navegación II (SNII) Potencia e Instrumentación (PI) Másteres (Integra la enseñanza de la Electrónica en los distintos Másteres de nuestra escuela) El objetivo de estas asignaturas es proporcionar al alumnado los conocimientos necesarios en campo de la electrónica y que completen la formación que los estudiantes han de tener. Para ello el alumno ha de adquirir las competencias necesarias, tanto a nivel cognitivo, procedimental-instrumental así como actitudinal, para que quede capacitado en el diseño, cálculo y análisis de circuitos electrónicos y lo que aquí se propone es hacerlo ayudándose de herramientas tecnológicas como las mostradas a continuación. En las siguientes tablas (tablas 1 y 2) se muestran las herramientas tecnológicas utilizadas en cada una de estas asignaturas. ASIGNATURAS Software TC FE EDYM EA DCAO SNI SNII PI Másteres Multisim X X X X X X X Matlab X X X LabVIEW X X X X Quartus-II X X X Arduino X X X Tabla 1. Software utilizado en las enseñanzas de Electrónica. ASIGNATURAS Hardware TC FE EDYM EA DCAO SNI SNII PI Másteres mydaq X X X X X NI6008 X X X Arduino X X X X Placas DE X X X

3 PBoard X X X X X X X myrio * X Tabla 2. Hardware utilizado en las enseñanzas de Electrónica. Pasamos a continuación a describir cada una de estas herramientas para poder entender cómo se han integrado en el aula. MULTISIM es una de las herramientas más populares a nivel mundial para el diseño y simulación de circuitos eléctricos y electrónicos. Esta herramienta proporciona avanzadas características que permiten ir desde la fase de diseño a la de producción (National Instruments, 2014). La diferencia entre este simulador y otros del mercado, con respecto a la formación de Ingenieros, radica en su interfaz usuario que es sencilla e intuitiva, no requiriendo tiempo adicional para su aprendizaje (Gil & Fernández, 2010). Contiene una de las mayores librerías de componentes reales de la industria. Cada componente cuenta con los números de código de los fabricantes, parámetros eléctricos, símbolos para la captura esquemática, y huellas para la realización del circuito impreso. MyDAQ es una tarjeta electrónica de reducidas dimensiones con comunicación USB que puede ser utilizada como un laboratorio real portátil, diseñada para la experimentación práctica en cualquier entorno. Una sola tarjeta proporciona ocho Instrumentos Virtuales de Laboratorio. Sus ventajas fundamentales de cara a la enseñanza, son su fácil manejo, sus reducidas dimensiones y su bajo coste. MyDAQ (National Instruments, 2014) es usado para mejorar el aprendizaje de los estudiantes en circuitos y electrónica, medidas mecánicas, procesamiento de señales y más. NI6008 en una tarjeta de adquisición de datos de fácil aplicación al desarrollo de sistemas controlados por ordenador y de bajo coste compatible con los software que habitualmente se usan. Arduino es un conocido nombre en la enseñanza de la Electrónica bajo el que se esconden tres cosas: a) Un hardware libre de bajo coste; b) Un software libre que permite programar en C/C++ usando multitud de bibliotecas para las tareas más utilizadas; y finalmente c) Una comunidad virtual con miles de desarrolladores y entusiastas que comparten códigos, experiencias y proyectos. Matlab-Simulink se utiliza ampliamente en el mundo académico, científico industrial para el análisis y simulación fundamentalmente. Aunque permite obtener de forma automática código para algunas plataformas (procesadores y FPGA). LabVIEW es un lenguaje de programación gráfico e intuitivo. Es un estándar en la investigación y la industria que permite la adquisición, el procesado y visualización de señales e imágenes y obtener resultados de forma rápida utilizando y fiable. Quartus-II es una herramienta docente para el diseño y simulación de circuitos sobre FPGA. Las placas DE son placas que contienen FPGA de ALTERA y otros circuitos como memorias estáticas y dinámicas, convertidores de audio (CODEC), interfaces de video, interfaces USB, etc. Pueden soportar el desarrollo de procesadores soft (basados en VHDL o Verilog) así como sistemas operativos Linux.

4 PBoard o Proto-Board son las clásicas placas de montaje de circuitos. myrio es una novísima placa de National Instruments que permite a los estudiantes el desarrollo de sistemas complejos de forma rápida y fiable utilizando las mismas herramientas de desarrollo que se utilizan en la industria y la investigación. Permite el uso de FPGAs, de Sistemas Operativos en Tiempo Real y la comunicación utilizando redes locales en sistemas distribuidos. Además de estas herramientas en la realización de las prácticas y proyectos se emplean fuentes de alimentación, multímetros, osciloscopios, generadores de funciones y componentes electrónicos. Figura 1. Herramientas hardware utilizadas junto con múltiples sensores 3. METODOLOGÍA DE APRENDIZAJE UTILIZANDO HERRAMIENTAS TECNOLÓGICAS. La metodología empleada en algunas de estas asignaturas (Ver tabla 1 y 2), en las que se emplean las herramientas antes referidas se inicia con una fase experimental. Por ejemplo, en la asignatura de Fundamentos de Electrónica (de 1º curso) se combinan el simulador MULTISIM, el laboratorio portátil MYDAQ y los equipos tradicionales de laboratorio para investigar (experimentar, vivenciar, leaning-by-doing, hands-on) las características fundamentales de cada dispositivo aprovechando la gran habilidad de los

5 estudiantes en el manejo de los programas, la atractiva interfaz usuario del programa y lo atractivo del manejo de tarjetas electrónicas o equipos reales. El alumno tiene la oportunidad de interactuar, reflexionar y aprender, participando de forma activa en el proceso educativo (Gil Martín & García Barneto, 2006; Casadei Carniel, Cuicas Avila, Debel Chourio, & Alvarez Vargas, 2008; López Ruiz, 2011). La simulación se muestra como una herramienta de enorme importancia para la comprensión del funcionamiento de los circuitos electrónicos ya que permite verificar el funcionamiento de circuitos para los que, por su complejidad, es muy difícil su estudio teórico con lápiz y papel. Para terminar de asimilar los conceptos teóricos, los estudiantes realizan los montajes prácticos y la verificación de los circuitos diseñados, de esta forma profundizan en los componentes electrónicos utilizados en los diseños, así como los instrumentos electrónicos que van a encontrar en un laboratorio. Una vez que el alumno llega a conocer el comportamiento del dispositivo mediante dicha simulación se procede al análisis teórico y a la justificación teórica de los resultados mediante la aplicación de un modelo simplificado del dispositivo. Estos modelos simplificados pueden encontrarse en cualquier libro de Electrónica, o en los apuntes que el profesor le proporciona. Estos modelos permiten tener una primera apreciación del funcionamiento de un dispositivo, mientras que el simulador permite obtener un análisis más realista al utilizar modelos más complejos. Algunas prácticas se realizan con un guión abierto, no se detalla una secuencia de pasos obligatorios. Si no se utiliza una guía con objetivos generales y sugerencias. La práctica transcurre de forma interactiva, flexible y dinámica. No todos los estudiantes logran los objetivos de la misma forma, aunque demanda del profesor un trabajo previo mucho más exhaustivo y una selección de los temas y ejemplos que la haga atractiva al estudiante y le lleve de forma eficiente al aprendizaje de los principios, conceptos y técnicas de trabajo. En el transcurrir de la práctica se le proporcionan elementos nuevos, herramientas, bibliografía y métodos de análisis según los van necesitando. Es la necesidad interior de los alumnos lo que les hace incorporar elementos nuevos y obtener resultados más allá de los objetivos iniciales. El alumno percibe además que está rentabilizando al máximo su tiempo de dedicación en el laboratorio docente de la asignatura al ver como integra la práctica, la simulación y la teoría, siendo la valoración de los alumnos en el curso pasado y en el actual altamente positiva con la experiencia. El desarrollo de esta metodología basada en el empleo de herramientas tecnológicas de actualidad permite al alumno al finalizar la asignatura realizar un proyecto integrador, aplicando sus conocimientos y los de otras asignaturas, que además de afianzar la confianza en sí mismos, fomenta la creatividad y el desarrollo de otras competencias transversales claves para su carrera profesional, tales como el trabajo en equipo y la realización de proyectos lo más cercanos a su actividad profesional. Los proyectos propuestos son aplicaciones reales como pueden ser, en el caso de las asignaturas de 1º curso: Sistema de alarma sonora de incendios con sensor de temperatura. Detector de densidad de humo. Detector de fuerza muscular. Detector de presencia. Detector de distancia mínima. Detector de humedad en la tierra. Detector magnético para protección de vivienda. Detector de Dióxido de carbono.

6 Al finalizar cada uno de los proyectos propuestos, el alumno muestra su funcionamiento en el laboratorio a los profesores implicados en las diversas asignaturas. Por otro lado, se le pide que haga una exposición oral del proyecto realizado mostrando las simulaciones realizadas e incluso, en ocasiones, algún video del funcionamiento real del mismo. 4. CONCLUSIONES Los estudiantes (y los profesores) son conscientes de que los circuitos electrónicos tienen cada día una vigencia comercial de menor tiempo y se quedan obsoletos rápidamente. El uso de herramientas de simulación electrónica en las distintas fases de desarrollo de los circuitos les facilita una adaptación más rápida a estos cambios. De esta forma, el futuro ingeniero aprenderá además a manejar correctamente distinto software de simulación que le permita adaptarse a la evolución tecnológica. Hasta hace poco, la mayoría de nuestros estudiantes solían restringir sus estudios a los apuntes y problemas que les proporcionaba el profesor de la asignatura y a realizar colecciones de problemas propuestos en exámenes de convocatorias anteriores. En este sentido, la simulación electrónica combinada con la teoría y la práctica ayuda a los estudiantes al estudio y comprensión del funcionamiento de los distintos circuitos electrónicos. Se produce como consecuencia una integración profunda entre los conocimientos teóricos que han de adquirir nuestros estudiantes y el uso de herramientas avanzadas utilizadas en el mundo profesional. El empleo de las herramientas tecnológicas a través del aprendizaje experiencial (learning-by-doing, hands-on) ayuda a disminuir el gap o distancia entre los conocimientos teóricos y su aplicación para la solución de problemas y diseño de sistemas más cercanos a su actividad profesional. El uso de estas herramientas y la experimentación previa de los conocimientos permite al alumno obtener una visión distinta, atractiva y eficiente en el proceso de aprendizaje. Facilita la autonomía del alumno en la comprobación, simulación y diseño de los circuitos y sistemas electrónicos. Se ha comprobado además que los tiempos de realización de las prácticas han mejorado notablemente. En el mismo tiempo que se tardaba en realizar una práctica con el método tradicional se realizan ahora aproximadamente un 20% más de contenidos, pudiendo dedicar el tiempo necesario para la comprensión plena de la teoría relacionada con las prácticas realizadas. La utilización de las aplicaciones reales en los proyectos integradores realizados por nuestros estudiantes es uno de los aspectos más valorados por los mismos, siendo frecuentes, a lo largo de la realización de los mismos, los comentarios ilusionantes que demuestran la motivación de los alumnos. Por último, las preguntas realizadas por los profesores a los alumnos durante la presentación de los proyectos demuestran una mayor compresión y asimilación profunda de la teoría. REFERENCIAS Casadei Carniel, L., Cuicas Avila, M., Debel Chourio, E., & Alvarez Vargas, Z. (2008). La Simulación como herramienta de aprendizaje en Física. Actualidades Investigativas en Educación, 8(2), Flores, V., Lara, P., & Gaya, C. M. (2013). Project Based Engineering School, Una escuela conectada con un mundo profesional sostenible. X Jornadas

7 Internacionales de Innovación Universitaria, (págs ). Villaviciosa de Odón. Gil Martín, M. R., & García Barneto, A. (2006). Entornos constructivistas de aprendizaje basados en simulaciones informáticas. REEC: Revista electrónica de enseñanza de las ciencias, 5(2), Gil, I., & Fernández, R. (2010). Potenciación del aprendizaje autónomo en electrónica analógica mediante el simulador MULISIM. CIDUI: COngreso Internacional de Docencia Universitaria e Innovación. Barcelona. López Ruiz, M. Y. (2011). La simulación como método de enseñanza. Recuperado el 10 de mayo de 2014, de Scribdt: SIMULACION-COMO-METODO-DE-ENSENANZA National Instruments. (2014). Multisim. Recuperado el 10 de Mayo de 2014, de National Instruments. (2014). MyDAQ. Recuperado el 1 de mayo de 2014, de