Simulación de prácticas de laboratorios (VisualLab).
 

García C., Milián I., Perdomo A., Mesa J., Roiz J., Miari E., Pérez H., Trallero C.
INSTITUTO SUPERIOR DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA NUCLEARES. CUBA
Dirección: Quinta los Molinos. Ave Salvador Allende y Luaces
Email: isctn@ceniai.cu, qct@ceniai.cu



Resumen

VisualLab es un sistema que combina la evaluación y simulación de diferentes prácticas de laboratorio de un conjunto de asignaturas que pertenecen a las carreras de Ingeniería y Física, tales como: Termodinámica Técnica, Física Mecánica, Mecánica de los fluidos, y Resistencia de Materiales. Tiene como objetivo, profundizar conocimientos básicos de estas asignaturas de forma dinámica y agradable en el estudiante, fomentar el interés por el dominio de la computación tanto en estudiantes como en profesores, así como de gran apoyo en el trabajo docente-metodólogico. Este sistema, constribuye a enriquecer de manera satisfactoria, la amplia gama de medios técnicos ya existentes, y constituye para la enseñanza un nuevo medio seguro y económico.

Introducción

El surgimiento de las computadoras personales y de los lenguajes de programación, para el desarrollo de aplicaciones, puso en manos de un amplio sector público grandes posibilidades de solución a tareas, que anteriormente eran solo privilegio de un número reducido de técnicos de muy alta calificación.

Dentro de este sector público, la educación se beneficia con la difusión de la computación, pues esta le facilita el cumplimiento tanto de sus objetivos de instrucción como de investigación, en los diferentes niveles de enseñanza.

Precisamente enfocado a la instrucción y como un auxiliar eficaz de la enseñanza se han desarrollado sistemas de simulación a través de los cuales el profesor ilustra y complementa los conocimientos de sus educandos.

Es conocido además que muchas disciplinas en la actualidad utilizan las ventajas de la ilustración práctica, desarrollada a partir de aplicaciones derivadas de los conocimientos teóricos impartidos.

Tal ilustración se realiza utilizando instalaciones industriales reales o instalaciones a nivel de laboratorio. Sin embargo el equipamiento para el montaje de un laboratorio, que cubra un amplio espectro de aplicaciones de determinada disciplina, así como su mantenimiento (reparación, reposición de materiales gastables, renovación y calibración de instrumentos) son en ocasiones muy costosos.

El sistema VisualLab explota las potencialidades de la computación, para la simulación de prácticas de laboratorio.

A esta novedad le son inherentes algunas ventajas como:

1- Posibilidad de simular un espectro muy amplio de prácticas de laboratorio. Teniendo en cuenta, una vez cumplido los requerimientos mínimos de instalación, la cantidad de paquetes de prácticas de que se disponga y la capacidad que tenga el disco duro de la computadora que soporta el sistema.

2- Sensible ahorro económico asociado a la sustitución del equipamiento de los laboratorios tradicionales y a su mantenimiento.

3- Eficaz sistema de enseñanza en el que se simultanéan la ilustración de las prácticas y la evaluación teórico-práctica del educando, utilizando a la vez la computadora como herramienta de control de los resultados obtenidos durante la evaluación.

4- Preparación de la evaluación teórico-práctica del educando enfocada a objetivos específicos diseñados por el profesor.

5- Documentación inmediata de los resultados de las prácticas y evaluaciones.

6- Sistema interactivo con el usuario.

7- Control on-line de las respuestas e incoherencias que se detectan en el uso del VisualLab.

Descripción general del sistema
  • 1: Aspectos Generales
  • VisualLab es un sistema de evaluación y simulación, integrado por diferentes paquetes de prácticas de laboratorio, con el objetivo principal de enriquecer los medios técnicos para el estudio y entrenamiento de los estudiantes.

    La simulación de fenómenos por computadora tiene una importante aplicación en la enseñanza por las ventajas que ofrece, tales como:

    1- La utilización de modelos parciales del mundo real o idealización de condiciones experimentales. 2- Representación visual de situaciones difíciles de implementar en la práctica y que en muchas ocasiones requieren serios y complejos equipamientos u ocasionan graves daños.

    3- Fácil manipulación y uso, así como control de datos y parámetros del proceso.

    4- Estudio e investigación de procesos, profundizando en conceptos y principios generales en un menor tiempo.

    5- Trabajo interactivo del usuario con el software.

    Para obtener el sistema, se diseño y creo un nuevo ambiente sobre Windows con la combinación de técnicas de computación como la programación visual, la simulación y el procesamiento de imágenes. Para esto se utilizó la programación orientada a eventos del Visual Basic (vs.3.0) unido al desarrollo de DLL escritas en lenguaje Pascal y C para implementar algoritmos de modelos más complejos.

    El sistema VisualLab ha sido estructurado siguiendo las experiencias en la preparación de prácticas de laboratorio de un claustro de profesores, en el que se acumulan muchos años de trabajo y su diseño ha sido enriquecido con la aplicación de los más modernos procedimientos docente-metodológicos

    Las prácticas de laboratorio computarizadas están diseñadas especialmente para cumplir con las exigencias, en relación con sus aspectos prácticos, de los programas de un conjunto de asignaturas de las carreras de Ingenería y Física, aún cuando su alcance podría extenderse hacia otros niveles y áreas de la educación. Las mismas se agrupan por paquetes de acuerdo a la asignatura, como por ejemplo: Termodinámica, Física Mecánica, Resistencia de Materiales y Mecánica de los Fluídos.

    Cada paquete tiene un promedio de ocho prácticas y está acompañado por un material o documento específico, donde para cada práctica, se explican los objetivos de la misma, marco teórico, descripción del equipo a utilizar, el método experimental e indicaciones para el registro de datos y análisis de resultados.

    El sistema de forma general primeramente está constituído por un módulo de control y ejecución. Aquí se maneja la acreditación de profesores, el registro de estudiantes por profesor, protección contra el acceso no autorizado a través de palabras claves, la creación y modificación de las bases de preguntas para la evaluación, así como el registro de los resultados de las pruebas realizadas por los estudiantes en los cuales, entre otras aspectos, quedan plasmados errores de operación de equipos, que ocurren durante la ejecución del experimento. Desde el registro de estudiantes, se manda a ejecutar, tanto el cuestionario, como la parte instrumental de la práctica de laboratorio.

    Cada laboratorio está integrado por un módulo que evalúa conocimientos teóricos específicos, requeridos para la realización de la prueba experimental y el módulo que evalúa la parte práctica asociado a otras opciones que facilitan la realización de cálculos y gráficos, así como el registro de datos y resultados necesarios para la elaboración de un informe final.

    A todos los módulos y paneles principales está asociado un sistema de ayuda on-line que ofrece VisualLab. El usuario podrá auxiliarse del mismo para vencer dificultades en el manejo del sistema, realizar consultas y adquirir un amplio conocimiento de su tratamiento.

  • 2: Estructura del módulo configurador del sistema
  • Una vez instalado el sistema el usuario debe conocer que el VisualLab está conformado por: 1- Un módulo configurador que se encarga del control del acceso profesor y/o alumno a los diferentes módulos restantes.

    2- Otros módulos asociados directamente a la realización de las prácticas de laboratorio.

    El módulo configurador brinda niveles de seguridad y protección de la información. En la Figura 1 se muestran las opciones del menú principal que controlan el acceso al sistema.
     
     

    Figura 1. Menú principal del sistema
     

    En la Figura 2, se describe la estructura general del módulo configurador.


    Figura 2 Diagrama de la estructura del módulo configurador del sistema.


    La .Acreditación de profesores. es el primer paso que debe tener en cuenta el profesor. El proceso de acreditación consiste en la inscripción de un conjunto de datos por el profesor. Estos datos son indispensables para la configuración de las prácticas. El profesor, si no se ha inscrito antes, entra a través de un diálogo su nombre y su palabra clave. Si ya lo hizo, se localiza y entra la palabra clave para luego acceder a la configuración de su base de datos.

    El profesor es el encargado de configurar su base de datos y cambiarla siempre que así lo desee. Esta contiene :

    Con la opción Acceso de alumnos los estudiantes acceden al sistema conociendo el nombre de su profesor. Luego se buscan en la lista de los estudiantes y entran su palabra clave. En la ventanaque representa el estado del estudiante se podrá selecionar y ejecutar una práctica de acuerdo al estado de la misma. Si el estado de la práctica es No está realizada se ejecutará la parte de la evaluación teórica, si el estado es Fundamento teórico concluido se ejecutará la parte de la evaluación instrumental.

    En el módulo Configurador de preguntas el profesor podrá crear o .modificar diferentes bases de preguntas para la evaluación teórica del estudiante.

    La opción Cambio de claves permitirá.cambiar la clave del administrador del sistema y además la clave de entrada al módulo configurador de preguntas .

  • 3: Otros módulos del sistema.
  • A continuación se muestra la estructura de otros dos módulos importantes del sistema:
     


    Figura 3. Esquema de otros módulos importantes del sistema.


    La evaluación de los estudiantes sobre la práctica de laboratorio está dividida, de manera general, en dos partes fundamentales:

    Estas partes están estrechamente ligadas debido a que la segunda evaluación solo se realiza si el estudiante cumplió los requisitos impuestos por el profesor en la primera, a menos que el profesor decida que el estudiante no realice la evaluación teórica, al cambiar el estado de la práctica en su configuración.

    Cuando se ejecuta el módulo Evaluación teórica el estudiante responde un cuestionario de preguntas que constituye un examen de los conocimientos fundamentales de la asignatura y de la práctica en sí. Si la evaluación teórica se considera concluida, de acuerdo a un porciento de puntos dados por el profesor, entonces el estudiante puede ejecutar el módulo Evaluación práctica.

    Para ello el estudiante visualizará el diagrama del laboratorio correspondiente (Figura 4), y una vez iniciada la práctica podrá simular su funcionamiento realizando las acciones posibles sobre los elementos. Este funcionamiento se rige por la secuencia de su técnica operatoria, la que se supone ya conocida y estudiada por el estudiante.
     
     

    Figura 4. Diagrama de una práctica de Termodinámica (Ebullición).


    Durante la evaluación el estudiante podrá detener el proceso y podrá hacer mediciones en los instrumentos, así como guardar estas mediciones en un cuaderno para un posterior informe. Durante la práctica o al concluirla se puede utilizar el cuaderno para hacer cálculos, gráficos, guardar las conclusiones y experimentos así como imprimir estos datos. Los errores , las acciones y los resultados se almacenan en un fichero para una posterior evaluación del profesor.

    Conclusiones

    Un nuevo ambiente de trabajo ha sido diseñado para facilitar las tareas, a los usuarios de simulación interactiva de laboratorios, lo cual ayuda a favorecer la comprensión de fenómenos y conceptos importantes, además de combinar simulación-evaluación de laboratorios. El software realizado cumple con las características siguientes:

  • Carácter integrador. Al integrar el proceso evaluativo (cuestionarios que evalúan al estudiante) con la simulación práctica de los laboratorios.
  • Cáracter interactivo.
  • Reproducción visual y animación de los fenómenos.
  • Versatilidad. Permite crear o modificar los cuestionarios o base de preguntas de cada práctica a conveniencia del docente, pudiendo construir juegos diferentes para cada serie.
  • Réplica a solicitud del cliente y previo análisis de factibilidad. Cambios en los equipos como consecuencia de avances tecnólogicos, o la modelación de nuevas instalaciones.
  • Simulación de procesos en condiciones límites, a las que no pueden ser sometidos los equipos reales, e inclusive evidenciar fenómenos que no pueden visualizarse, si ocurren dentro de los recintos herméticos o inaccesibles en las instalacines físicas.
  • Carácter económico y práctico. Exigen una inversión mucho menor, respecto a los desembolsos requeridos para el montaje de un laboratorio real.
  • Carácter conceptual y de principios básicos. Medio didáctico dirigido fundamentalmente a enseñar y profundizar conceptos.
  • Bibliografía.
    Alonso, M. y E. J. Finn. Física Vol I Mecánica. Publimex S. A. Mexico 1984.

    Portuondo, R. y M. Pérez. Mecánica. Pueblo y Educación. La Habana. 1983.

    Portuondo, R. Procesamiento de datos experimentales. Pueblo y Educación. La Habana. 1988.

    V. A. Kirillin, V. V. Sichev, A.E. Sheindlin,.Termodinámica Técnica. Editorial Mir. Moscú. Segunda Edición.

    D. Halliday. R. Resnick. Física para Estudiantes de Ciencias e Ingeniería. Edición Revolucionaria.

    Pidd,M, Wiley John & Sons. Computer Simulation in manamgement science,1984.

    Rosko, Wesley Addison. Digital Simulations of Phisical Systems, 1985.