Nuevas Herramientas Educativas:
Sistema Integral de Prácticas de Laboratorio
Asistidas por Computador
 

Francisco Ruiz , Manuel Prieto , Manuel Ortega , José Bravo (*),
Jorge Sanz (**), José Flores (***)
Universidad de Castilla - La Mancha
(*) Grupo de Informática Educativa, Dep. de Informática
(**) Dep. de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
(***) Dep. de Física Aplicada
Teléfono .- 926 - 25 46 10 Fax .- 926 - 25 48 07
Esc. Univ. de Informática. Ronda de Calatrava s/n. 13071
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Palabras claves:

Enseñanza Asistida por Computador, Laboratorio Asistido por Computador, Aprendizaje por Descubrimiento.

Resumen

En este documento se presenta un sistema integral de aprendizaje de las ciencias experimentales basado en computador, que engloba todos los componentes hardware y software necesarios. Frente a los sistemas de simulación, nuestro sistema permite trabajar con experimentos reales realizados en el laboratorio. La arquitectura multiniveles del sistema, separando en cada nivel diversos componentes físicos y/o lógicos abre la posibilidad de utilizar variadas metodologías y técnicas educativas como, por ejemplo, el aprendizaje por descubrimiento, o el aprendizaje cooperativo de un grupo de estudiantes.

1. Introducción.

Si tenemos en cuenta que el proceso educativo tiene un componente fundamental de transmisión de información, resulta evidente el gran potencial de aplicación de la Informática al mundo de la enseñanza. Aunque en este tema se ha avanzado mucho en los últimos años, existen diversas dificultades que están retrasando la utilización real de los computadores en la enseñanza. La mayoría de las causas son sobradamente conocidas (por ejemplo, los costes económicos o la falta de docentes preparados en las nuevas tecnologías); pero existen otras razones que han impedido su extensión en ámbitos de aplicación concretos. Así ocurre en el caso de las experiencias de laboratorio controladas por computador (Qin, Simon, 1990), ya que hoy en día no existen prácticamente sistemas integrales para tal fin. Esto hace que las soluciones sean siempre parciales: software de simulación, o tarjetas de control y medida de ciertas magnitudes físicas.

En este trabajo presentamos un sistema integral para la realización de prácticas de laboratorio, llamado ED-SIPLAC, cuyo objetivo básico es facilitar al docente todo el material necesario para poder realizar con sus alumnos experiencias reales del ámbito de las ciencias experimentales, aunque actualmente nos hemos restringido a las materias de física: campo eléctrico, campo magnético, mecánica, termometría y termodinámica, circuitos de corriente continua y alterna, óptica geométrica, etc. Como resultado de este trabajo se han construido ya varios prototipos y otros están en fase de diseño.

El sistema ED-SIPLAC es de arquitectura modular, de forma que cada uno de los prototipos consta de diversos módulos, algunos de los cuales pueden ser utilizados por más de un prototipo. El hardware y el software construidos se han diseñado para trabajar englobados dentro de dicha arquitectura modular, es decir, cada componente físico o lógico pertenecerá a un módulo. De esta forma, se podrá permitir también a los futuros usuarios (centros de enseñanzas medias) la adquisición de componentes complementarios a los ya disponibles.

Desde el punto de vista de la interacción con el usuario, el sistema está dividido en varios niveles, desde el que realiza el control físico del experimento (el más interno) hasta el que realiza la interacción con el usuario-estudiante (el más externo). De esta forma se puede establecer una estrategia pedagógica adaptada a la situación particular de cada centro de enseñanza. Por ejemplo, podremos realizar el experimento en un minilaboratorio (consistente simplemente de uno de los prototipos y de un PC), y permitir que los estudiantes estudien los resultados del experimento en otro momento o en otro lugar. Podrán visualizar, analizar o sacar conclusiones simplemente disponiendo de otro PC.

2. Arquitectura del Sistema.

Como hemos introducido previamente, el sistema ED-SIPLAC tiene una arquitectura modular, de forma que el prototipo diseñado para cada materia (por ejemplo, Mecánica), consta de varios módulos que pueden ser específicos del prototipo o reutilizables con otros prototipos.

Los módulos más habituales son (ver figura 1):

  • Cubeta de experimentación: Es una cubeta tridimensional donde se realizan los experimentos. Las medidas realizadas siempre son en el espacio 3D, y se podrán visualizar, animar, manipular o procesar en 3D.

  • Figura 1. PC con el sistema ED-SIPLAC.



     

  • Robot móvil: Común a varios prototipos. Es un robot capaz de moverse por el espacio 3D de la cubeta de experimentación. Los mecanismos que permiten su movimiento se acoplan en dicha cubeta.
  • Sensores móviles: Dependiendo de cada prototipo, el robot móvil incorpora un sensor para realizar las medidas correspondientes.
  • Sensores fijos: En otros prototipos donde no se utiliza el robot móvil, se emplean sensores fijos que se acoplan en la cubeta.
  • Tarjeta de control del robot: Construida como parte del proyecto, ha sido microprogramada para permitir desde el PC controlar completamente la actividad del robot móvil.
  • Tarjetas de control de sensores: En los prototipos en que no se utiliza el robot móvil, se han construido otras tarjetas que controlan los sensores utilizados
  • Software de control: Es el encargado de permitir al experimentador (profesor o alumno) interactuar con el sistema y controlar el experimento que desea realizar.
  • Software de análisis: Diseñado en un entorno completamente visual y gráfico, permite visualizar en 3D o 2D, animar (repetición temporal), y calcular o representar magnitudes físicas.
  • Otros complementos: Para cada prototipo se dispone de material complementario necesario según la naturaleza de los experimentos a realizar. Por ejemplo, para las experiencias de campo eléctrico se dispone de una pila electrolítica encajable en la cubeta de experimentación; para las experiencias sobre ondas se dispone de cuerpos de diversas formas y tamaños para estudiar las interferencias, etc.
  • 1.1 Ejemplo de Prototipo: ED-Mecánica.

    El prototipo ED-Mecánica permite realizar experiencias en el campo de la mecánica, basadas en el análisis del movimiento de uno o varios cuerpos (móviles). Para ello se utilizan técnicas de detección por ultrasonidos (Flores, 1993). El sistema consta de los siguientes componentes modulares:

    a) Cubeta de experimentación: En este caso hace simplemente funciones de armazón para soportar todo el material utilizado.

    Figura 2. ED-Mecánica: Tarjetas de control de ultrasonidos.



     

    d) Software de Análisis y Control: Por la naturaleza de las experiencias, se han integrado en un solo componente los dos citados con anterioridad. El control consiste simplemente en establecer algunas condiciones del experimento (nº de medidas, nº de móviles, tiempo, etc) e indicar al sistema de control el momento de su comienzo. El software de análisis nos permitirá que los alumnos aprendan sobre la experiencia concreta. Las posibilidades educativas se comentarán mas adelante.

    Figura 3. Complementos de ED-Mecánica: carrito móvil.



    Los resultados de los experimentos se pueden almacenar en un archivo y reproducir completamente con posterioridad. Se han incluido opciones de visualización en 2D y 3D estáticas y dinámicas (animación) de la posición espacial de los móviles; así como de las magnitudes físicas relacionadas: velocidad, aceleración, ecuación del movimiento, etc (ver figura 4).

    El software ha sido diseñado con una estructura en niveles funcionales, de forma que cada nivel desempeña ciertas tareas y se comunica con los niveles adyacentes de manera coherente con la estructura modular ya comentada. Los desarrollos se han realizado en ensamblador, C o Visual Basic dependiendo de su funcionalidad, y principalmente en base al mayor o menor nivel de abstracción respecto de la máquina con el que se trabaja.

    3. Facilidades Educativas.

    Las características del sistema ED-SIPLAC descritas anteriormente permiten ofrecer al profesor nuevos recursos educativos que pasamos a comentar.
     
     

    Figura 4. ED-Mecánica: Interfaz de usuario gráfico y analítico.



     
     

    a) Bibliotecas de experimentos:
    La posibilidad de almacenar los resultados de los experimentos, y la disponibilidad del software de análisis para su posterior estudio por el alumno, le permiten al profesor crear bibliotecas de experimentos. El estudiante podrá tener a su disposición colecciones de experimentos sobre cada tema, que podrá reproducir, visualizar y analizar con un simple PC en cualquier momento.

    Los datos manejados son reales, ‘no se corresponden con una simulación’, por lo que tendremos un valor añadido adicional. El alumno se encontrará exactamente con la misma situación que si estuviese en el laboratorio realizando realmente la experiencia.

    En el caso de experimentos que supongan algún tipo de riesgo o molestia; se pueden evitar estos problemas ya que no es necesario que el alumno esté presente en el momento de su realización. Igualmente, se pueden obviar los problemas debidos a una duración demasiado grande o demasiado pequeña que no hace factible la observación humana directa.

    b) Aprendizaje por descubrimiento:
    Los sistemas de enseñanza dirigida tipo tutoriales han estado sometidos a una crítica basada en una revisión global del proceso de aprendizaje, de forma que el estudiante pasa a ser un agente activo en el proceso de adquisición de conocimiento. Para ello, existen diversos entornos de aprendizaje por descubrimiento (de Jong, 1993): Hipertextual, Asociación de Conceptos, Micromundos, Simulaciones, y Modelizaciones.

    El sistema ED-SIPLAC permite utilizar ideas del entorno de las Simulaciones. Al igual que las simulaciones, reproducimos con el computador un sistema real. La diferencia es -fundamentalmente- que la reproducción es precisa y fiel y no se basa en una aproximación, aunque en ambos casos es necesario realizar una modelización de la realidad (leyes físicas que rigen el experimento). Por tanto, nos podemos basar en los estudios conocidos sobre el aprendizaje con simulaciones por computador (de Jong, 1991).

    Con ED-SIPLAC el estudiante recibe información (de forma numérica o gráfica) sobre el experimento. Las reglas y leyes que rigen el dominio de conocimiento del experimento se ofrecen parcialmente al alumno, de forma que se le incita a inferir nuevas características del citado dominio. Por tanto, el entorno motiva a que el estudiante desarrolle actividades constructivistas (Jonassen, 1991).

    En resumen, podemos decir que con este sistema integral para experimentación en laboratorio se puede potenciar de forma muy eficiente el proceso de descubrimiento científico por parte del estudiante, mediante la estrategia de experimentación (Kulkarni, Simon, 1988).

    c) Trabajo Colaborativo:
    La arquitectura modular del sistema y, especialmente, el diseño por capas o niveles del software, permite plantearse posibilidades de trabajo colaborativo entre grupos de alumnos.

    El trabajo colaborativo provee un entorno particularmente rico para el aprendizaje por parte de los estudiantes del dominio de conocimientos de micromundos con computador (Singer, Behrend, Rochelle, 1988). Muchos expertos han propuesto que el aprendizaje ocurre cuando los estudiantes tienen que explicar, desarrollar, o justificar sus ideas a otros. El sistema ED-SIPLAC permite que los estudiantes trabajen en un ambiente colaborativo, de modo que los estudiantes se comunican sus ideas en orden a coordinar sus actividades hacia objetivos comunes.

    La posibilidad de reproducción exacta de un experimento (en realidad deberíamos decir, de los resultados de un experimento) posibilita dos maneras de realizar el aprendizaje cooperativo:

  • Un grupo de estudiantes trabajan juntos interactuando con un único PC sobre un experimento concreto.
  • Varios estudiantes trabajan por separado, cada uno con su PC independiente, pero estudiando y analizando exactamente el mismo experimento.

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    d) Aprendizaje a Distancia:

    El sistema ED-SIPLAC permite que ciertos módulos se estén ejecutando en máquinas diferentes del PC que realmente controla y ‘ejecuta’ el experimento. Este hecho nos permite incorporar la posibilidad de aprendizaje a distancia, entendiendo por tal la separación del estudiante y el profesor en el espacio y/o el tiempo (Perraton, 1988); aunque en nuestro caso, debemos tener en cuenta el hecho de que el lugar físico de la experimentación puede estar separado a la vez del alumno y del profesor.

    Desde este punto de vista, vamos a tener dos tipos de máquinas:

  • PC-servidor: un PC con el sistema ED-SIPLAC completo para poder realizar las prácticas de laboratorio (experimentos).
  • PC-cliente: un PC con el módulo de análisis de ED-SIPLAC, es decir, con el software que le permite al usuario analizar y visualizar los resultados de un experimento.
  • Por medio de un sistema de comunicación entre los PC’s, por ejemplo, una red local o un módem, se puede hacer que el PC-cliente obtenga los resultados de un experimento realizado en el PC-servidor. Esta funcionalidad posibilita dinámicas de trabajo como la siguiente: El profesor realiza un experimento en el laboratorio utilizando el PC-servidor, los estudiantes pueden observarlo (o no) visualmente y posteriormente trabajar con los resultados de dicho experimento, cada uno en su PC-cliente conectado por medio de una red local con el PC-servidor.

    4. Conclusiones y líneas de trabajo.

    En este trabajo hemos presentado las características de un sistema integral de prácticas de laboratorio asistidas por computador (ED-SIPLAC) construido con una arquitectura modular, tanto en sus componentes físicos (hardware) como lógicos (software). Esta característica, junto con un software diseñado por niveles o capas -en cuanto a su utilización o interacción con el usuario- le ofrece al docente una herramienta pedagógica para realizar las experiencias de un laboratorio de ciencias experimentales utilizando nuevas posibilidades didácticas: bibliotecas de experimentos, aprendizaje por descubrimiento, trabajo colaborativo y aprendizaje a distancia.

    Las posibles líneas de ampliación y mejora del sistema son las siguientes:

    NOTA de los autores:

    El sistema ED-SIPLAC está siendo desarrollado en base a un proyecto de investigación y desarrollo entre EDIBON S.A. (Madrid) y la Universidad de Castilla - La Mancha, con financiación del Fondo Nacional de Investigación y aprobación de la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT). El proyecto tiene vigencia desde 1994 a 1996.

    Referencias:

    Fernández-Castro, I.; Díaz-Ilarraza, A.; Verdejo, M.F.(1993): Architectural and Planning Issues in Intelligent Tutoring Systems. En Journal of Artificial Intelligence and Education, vol. 4, nº 4, pgs. 357-395. American Asociation for Computer in Education.

    Flores, J. et al (1993): Experiencias didácticas de cinemática y dinámica en el espacio tridimensional con seguimiento por ultrasonidos. En Enseñanza y Tecnología, nº 1, pgs. 44-47. Asociación para la Difusión de la Informática Educativa.

    Jonassen, D.H. (1991): Objetivism versus constructivism: Do we need a new philosophical paradigm. ETR & D, nº 39, pgs. 5-14.

    de Jong, T. (1991): Learning and instruction with computer simulations. En Education & Computing, nº 6, pgs. 217-229.

    de Jong, T.; van Joolingen, W.; Pieters, J.; van der Hulst, A. (1993): Why discovery learning so difficult? And whatr can we do about y?. EARLI conference, Aix-en-Provence.

    Kulkarni, D. & Simon, H.A. (1988): The processes of scientific discovery; The strategy of experimentation. Cognitive Science, nº 12, pgs. 139-175.

    Qin, Y. & Simon, H.A. (1990): Laboratory replication of scientific discovery processes. Cognitive Science, nº 14, pgs. 281-312.

    Perraton, H. (1988): A theory for distance education. En Distance Education: International perspectives, pgs. 34-45. D. Sewart, D. Keegan & B. Holmberg (Ed.). Routledge, New York.

    Singer, J.; Behrend, S.D.; Rochelle, J. (1988): Children’s collaborative use of a computer microworld. En Proceedings of the CSCW’88, pgs. 271-281, ACM.

    Verdejo, M.F.; Abad, M.T. (1991): Human-Human Communication in an open distance learning environment. En Proceedings of the 8th International Conference on Technology and Education.