Los simuladores pedagógicos como herramienta para el aprendizaje de la tecnología

483 Los simuladores pedagógicos como herramienta para el aprendizaje de la tecnología Ángel Salaverría, Luis F. Ferreira, Luis M. Menéndez, Jacinto González, Enrique Mandado Instituto de Electrónica Aplicada Pedro Barrié de la Maza, jtpsagaa@sp.ehu.es Resumen En este trabajo se presenta una nueva metodología de enseñanza de las tecnologías basada en la utilización de un sistema integrado que incluye recursos hipermedia, instrumentación virtual de bajo coste y una plataforma de enseñanza en Internet para llevar a cabo las tutorías y los ejercicios de autoevaluación. Una de las herramientas básicas del sistema integrado descrito es un simulador pedagógico que posee una interfaz de usuario intuitiva y fácil de utilizar y no exige una etapa previa de aprendizaje. Además proporciona el enlace necesario entre los conceptos teóricos y las prácticas de laboratorio. Para llevar a la práctica el concepto de simulador pedagógico se ha desarrollado uno para la Electrónica que utiliza instrumentos simulados para facilitar el aprendizaje del manejo de los instrumentos de laboratorio. Dicho simulador permite también la realización de prácticas destructivas que no pueden ser realizadas en un laboratorio real. Palabras Clave Aprendizaje asistido por computador, Electrónica, Simulador pedagógico, Tecnología horizontal. INTRODUCCIÓN Durante los siglos XIX y XX, especialmente durante este último, el conocimiento científico fue transformando las técnicas y las fue convirtiendo en tecnologías que combinan procedimientos fácilmente asimilables, por ser intuitivos, con otros que implican una formación mucho más difícil de adquirir [1] [2]. Los procesos de aprendizaje de materias de naturaleza tecnológica deben facilitar el desarrollo de habilidades y destrezas, es decir, deben proporcionar al alumno unos conocimientos prácticos que le permitan realizar operaciones específicas relacionadas con el campo profesional en el que se forme. En el proceso clásico de enseñanza de las tecnologías se analizan en primer lugar los conceptos teóricos mediante libros, apuntes, clases magistrales, etc. y a continuación se realizan actividades prácticas en un laboratorio real. Este tipo de enseñanza no utiliza todas las posibilidades que en la actualidad presenta el aprendizaje basado en la utilización del computador como herramienta educativa y además es difícil de implantar a distancia. Hoy en día la simulación de circuitos constituye un paso obligado en cualquier metodología de diseño. Los simuladores han evolucionado muy rápidamente junto a los modelos de componentes de todo tipo, lo que, unido a la evolución de los computadores sobre los que se ejecutan, han hecho de la simulación una herramienta muy eficaz y por lo tanto imprescindible para el aprendizaje de las diferentes tecnologías. Sin embargo, los simuladores existentes en el mercado no son herramientas adecuadas para llevar a cabo las primeras fases del aprendizaje porque: Su interfaz gráfica de usuario es complicada lo que hace necesario que el alumno dedique un elevado número de horas a aprender su manejo. Están orientados al diseño y no al análisis y utilizan en general modelos reales de los diferentes componentes empleados. Necesitan grandes recursos del computador en el que se ejecutan. No permiten al usuario comprobar el nivel de los conocimientos que adquiere. Además, los simuladores disponibles no están enlazados con los conceptos teóricos y no contribuyen a la formación del alumno para que pueda afrontar con garantía de éxito el laboratorio real. Por otra parte también existen en el mercado sistemas de instrumentación virtual [3] [4] que permiten la realización de prácticas de laboratorio. Estos sistemas utilizan una tarjeta de adquisición de datos añadida al computador, y un programa que se encarga de controlar la adquisición, procesar la información, y mostrarla en la pantalla del computador con un formato similar al de un instrumento de medida tradicional. En muchos casos su elevado coste hace que no constituyen una solución adecuada para la formación de técnicos. En la actualidad existen en el mercado sistemas educativos que incluyen diversos recursos (tutoriales, simuladores, instrumentos virtuales, etc.) y constituyen soluciones parciales a la enseñanza de diversas tecnologías. No obstante, en general, los diferentes recursos no se relacionan entre sí y por ello no son apropiados para las primeras fases del aprendizaje. NUEVA METODOLOGÍA DE APRENDIZAJE DE TECNOLOGÍAS De acuerdo con lo expuesto en el apartado anterior, un sistema efectivo de aprendizaje de una tecnología determinada debe combinar los conceptos teóricos de la misma con un simulador orientado al análisis y con las prestaciones que ofrece la instrumentación virtual. Se debe considerar también el papel

decisivo que el aprendizaje a distancia está llamado a jugar en la formación de los técnicos tanto a nivel de pregrado como de postgrado y formación continua. Hasta ahora, los sistemas desarrollados para el aprendizaje a distancia se han limitado a las áreas del conocimiento que no implican la necesidad de adquirir experiencias prácticas. Ello es debido a la dificultad de dotar al estudiante de los medios materiales (hardware) necesarios para adquirir los conceptos y experimentar su implementación real. El elevado coste de los equipos didácticos existentes [5] combinados con instrumentación virtual hace que no puedan ser utilizados para el aprendizaje individual a distancia y por ello sólo se utilizan en los laboratorios de los centros de enseñanza presencial y a veces se presentan a través de Internet con escaso rendimiento docente. Por todo ello la enseñanza de las tecnologías se debe basar en la actualidad en la utilización de sistemas integrados que posean recursos hipermedia ejecutables en el computador personal del alumno (Figura 1). Dichos sistemas deben incluir: Un tutorial o libro electrónico con los conceptos teóricos relacionados con la tecnología en cuestión. Simuladores que faciliten la asimilación de los conceptos teóricos y establezcan una unión entre éstos y los sistemas reales. Instrumentación virtual de bajo coste que permita al alumno la experimentación con sistemas reales. La integración en una plataforma de enseñanza en Internet a través de la que se realicen las tutorías y en la cual el alumno puede ampliar contenidos y realizar autoevaluaciones. Una llave electrónica hardware que proteja la propiedad intelectual del sistema, por ejemplo, a través del puerto USB. Libro electrónico Instrumentación virtual Simulador con instrumentación FIGURA 1 METODOLOGÍA DE APRENDIZAJE DE UNA TECNOLOGÍA SIMULADORES PEDAGÓGICOS Para superar las limitaciones de los simuladores indicadas en la introducción se ha desarrollado el concepto de simulador pedagógico cuyas principales características son: Posee una interfaz de usuario intuitiva y fácil de utilizar. USB LLAVE ELECTRÓNICA Sistema Adquisición/ Generación datos Internet CIRCUITOS REALES 484 Posee instrumentación simulada cuyo manejo es muy parecido al de los instrumentos utilizados en un laboratorio. Está orientado al análisis en lugar de al diseño de sistemas. Utiliza modelos reducidos de los componentes. Está enlazado con los conceptos teóricos y diseñado en función de ellos. Utiliza los recursos imprescindibles del computador. Posee capacidad de autoevaluación. Su ejecución se puede iniciar a partir de cualquier otra aplicación. Es modular y flexible para ampliar sus prestaciones. El diagrama de bloques genérico de un simulador pedagógico se representa en la figura 2. 1 2 SISTEMA N EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN FIGURA 2 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SIMULADOR PEDAGÓGICO LOS SIMULADORES PEDAGÓGICOS EN LA ENSEÑANZA DE LA ELECTRÓNICA I. La Electrónica como tecnología compleja La Electrónica estudia los circuitos y sistemas que representan información mediante señales eléctricas, la memorizan para una posterior utilización y la procesan, es decir, realizan con ella las transformaciones adecuadas [6]. El tamaño de los circuitos y sistemas electrónicos se ha reducido de manera drástica mediante su introducción en un bloque único de silicio, lo que dio lugar a los circuitos integrados monolíticos. Por otra parte el aumento de la complejidad de los productos y procesos industriales ha hecho que en ellos se tenga que medir, controlar y transmitir a distancia numerosas variables. Esto ha convertido a la Electrónica en una tecnología horizontal [7] que más que tener una finalidad en sí misma constituye un apoyo a las demás porque eleva su rendimiento y permite establecer estrategias empresariales imposibles de implantar sin la ayuda de equipos electrónicos de los que el computador es el más significativo. Debido a ello es necesario formar técnicos que sean capaces de introducir la Electrónica en los productos y en los procesos de las empresas industriales, para lo cual deben adquirir los conocimientos básicos de Electrónica independientemente de la especialidad en la que tengan capacidad de diseño.

Además la Electrónica es una tecnología compleja [8] porque está constituida por un conjunto de componentes básicos y de subsistemas de complejidad creciente que conllevan la adquisición de habilidades prácticas, lo que la convierte en una tecnología idónea para la utilización de la metodología de enseñanza propuesta. Entre los simuladores de Electrónica destacan, por su amplia difusión Orcad [9], Multisim [10] y Micro-Cap [11]. Varios libros de electrónica incluyen versiones de evaluación limitadas, así como ejemplos de los circuitos que se estudian en ellos [12] [13] [14]. Pero todos estos simuladores carecen de las características necesarias para que el alumno realice con éxito la aplicación de sus conocimientos teóricos al laboratorio real. En la actualidad se pueden encontrar soluciones parciales a la enseñanza de la Electrónica, como por ejemplo simuladores para la enseñanza de la Electrónica Digital [15] que aunque son útiles presuponen un conocimiento avanzado de los conceptos teóricos. S GENERADORES S DE MEDIDA 485 llevado a desarrollar un conjunto de simuladores pedagógicos para el aprendizaje de los principales conceptos de sus diferentes áreas. En la figura 3 se representa el diagrama de bloques genérico de un simulador pedagógico para la enseñanza de la Electrónica. Los simuladores pedagógicos constituyen una herramienta de fácil manejo que no exige una etapa previa de aprendizaje. Además, los circuitos electrónicos que se estudian están cuidadosamente seleccionados y la interacción está controlada para que el alumno asimile los conceptos básicos. En la figura 4 se representa un simulador pedagógico de un circuito sencillo en el que el alumno puede cambiar el valor de los componentes (resistencias) del circuito y medir la caída de tensión en uno de ellos utilizando un polímetro. La modificación del valor de un componente se realiza mediante el ratón a través de un interfaz sencillo con flechas hacia arriba y hacia abajo, mucho más intuitivo que el de los simuladores orientados al diseño. Por otro lado, dicha modificación se realiza de acuerdo con los valores normalizados de los componentes y, en el caso de las resistencias, se muestra sobre su cuerpo el código de colores correspondiente (Figura 5). ELEMENTOS DE ENTRADA CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ELEMENTOS DE SALIDA FIGURA 5 DETALLE DE RESISTENCIAS VARIABLES CON CÓDIGO DE COLORES FIGURA 3 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SIMULADOR PEDAGÓGICO PARA LA ENSEÑANZA DE LA ELECTRÓNICA Los simuladores pedagógicos complementan la enseñanza teórica y pueden simular los principales circuitos tanto de la Electrónica Analógica como de la Electrónica Digital. Los simuladores de Electrónica Analógica poseen una interfaz con los principales instrumentos de laboratorio utilizados para su análisis: fuente de alimentación, generador de funciones y osciloscopio. Antes de comenzar a trabajar con el circuito, el FIGURA 4 SIMULADOR PEDAGÓGIGO DE UN CIRCUITO ELECTRÓNICO BÁSICO II. Simuladores pedagógicos de circuitos electrónicos La experiencia del Instituto de Electrónica Aplicada Pedro Barrié de la Maza en la enseñanza de la Electrónica le ha FIGURA 6 SIMULADOR PEDAGÓGIGO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA

486 usuario debe poner en marcha todos los instrumentos, de forma similar a lo que tiene que hacer en el laboratorio real. En la figura 6 se representa un simulador pedagógico de Electrónica Analógica que analiza un circuito restador realizado con un amplificador operacional. Los instrumentos simulados tienen una interfaz que reproduce fielmente la de los instrumentos reales del laboratorio (Figura 7), y se utilizan de manera similar para que el usuario se acostumbre a su manejo y se prepare rápidamente para utilizarlos en el laboratorio. unión P-N (diodo) cuando se polariza directamente y no se utiliza una resistencia limitadora de corriente. Cuando el objetivo de la práctica es difícil de observar en el laboratorio. En la figura 9 se representa el cambio del punto de funcionamiento de un transistor al modificar la temperatura ambiente. Cuando la realización de la práctica supone un peligro real para el alumno (como por ejemplo, en Electrónica de Potencia). FIGURA 7 DETALLE DE UN OSCILOSCOPIO SIMULADO UTILIZADO EN EL SIMULADOR PEDAGÓGICO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA LA SIMULACIÓN COMO LABORATORIO La utilización de los simuladores pedagógicos no sólo proporciona el enlace necesario entre la teoría y el laboratorio real sino que lo sustituye con ventaja en determinadas situaciones: Cuando la práctica de laboratorio puede provocar la destrucción de los componentes. En la figura 8 se representa una práctica que muestra la destrucción de una FIGURA 9 MODIFICACIÓN DEL PUNTO DE TRABAJO DE UN TRANSISTOR CON LA TEMPERATURA CONCLUSIONES El aumento de la capacidad de los computadores personales y de los sistemas de adquisición de datos permite la implementación de sistemas integrados para facilitar el aprendizaje de las tecnologías complejas. Una de las principales herramientas de un sistema educativo integrado es un simulador pedagógico que se caracteriza por poseer una interfaz de usuario fácil de utilizar que enlaza los conceptos teóricos con las prácticas de laboratorio y además en determinadas circunstancias sustituye a estas últimas. Los simuladores pedagógicos aplicados a la enseñanza de la Electrónica preparan al alumno para utilizar los instrumentos en el laboratorio y elevan de esta forma el rendimiento del proceso educativo. AGRADECIMENTOS Este trabajo ha sido subvencionado por la Xunta de Galicia a través del proyecto PGDIT02SIN34001CT. REFERENCIAS [1] Russell B. The scientific Outlook. George Allen and Unwin Ltd. London 1949. Versión española: La perspectiva científica. Capítulo VI: "Comienzos de la técnica científica". Ed. Ariel. 1969. [2] Dessauer F. Streir um die Technik. Verlag Josef Knecht. 1958. Versión española: Discusión sobre la técnica. Ediciones Rialp, S.A. 1964 FIGURA 8 SIMULACIÓN DE LA DESTRUCCIÓN DE UNA UNIÓN P-N [3] Dehne T. "Virtual Instruments will adapt to changing needs", Electronic Design, vol. 41, nº 1, 1993. [4] Foster K. R. "Software Tools. Virtual Instruments take firm hold". IEEE Spectrum, Enero 1998.

[5] Lucas-Nülle Training Systems. Multimedia Desktop Lab para electrotecnia y electrónica. 2003. [6] Mandado, E., Fernández López J. "La innovación tecnológica en las organizaciones" Cap. 1: "Técnica, ciencia, tecnología e innovación". Ed. Thomson Learning Paraninfo. 2003. [7] Mandado E., "La innovación tecnológica en las organizaciones". Cap. 7: "La innovación tecnológica mediante la introducción de la electrónica en los productos industriales". Ed. Thomson Learning Paraninfo. 2003. [8] Brockman J.M., "Complex Systems and Emergent Technologies", Report of the Center forintegrated Design Seminar, June 29, 1998. [9] Orcad. Cadence. www.orcad.com. www.cadence.com. [10] Multisim. Electronics Workbench. www.interactiv.com. [11] Micro-Cap. www.micro-cap.co.uk. [12] Sedra, A., Smith, K. "Microelectronic Circuits" (4th Edition). Oxford University Press. 1998. 487 [13] Neamen, D. "Electronic Circuits Analysis and Design" (2nd Edition). McGraw Hill. 2000. [14] Floyd, T. "Electronic Fundamentals" (4th Edition). Prentice Hall, 2001. [15] Donzellini G., Ponta D. "A learning enviroment for digital electronics". Libro Actas sexto Congreso de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica (TAEE). 2004.