Aprendizaje basado en problemas y nuevas prácticas de laboratorio en asignaturas de Electrónica para ingenierías
Abstract
Memoria ID2022-039. Ayudas de la Universidad de Salamanca para la innovación docente, curso 2022-2023.
Full text
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ZAMORA Memoria final del Proyecto de Innovación Docente ID2022/039 Aprendizaje basado en problemas y nuevas prácticas de laboratorio en asignaturas de Electrónica para ingenierías Participantes: Beatriz García Vasallo (coordinadora) Elena Pascual Corral Gaudencio Paz Martínez Sergio García Sánchez Área de Electrónica Departamento de Física Aplicada
2 DatosdelProyectodeInnovaciónDocente TÍTULO: Aprendizajebasadoenproblemasynuevasprácticasdelaboratorioen asignaturasdeElectrónicaparaingenierías. REFERENCIA:ID2022/039 PDICOORDINADOR: BEATRIZGARCÍAVASALLO MIEMBROSDELEQUIPO: BEATRIZGARCÍAVASALLO(B.G.Vasallo) ELENAPASCUALCORRAL(E.Pascual) GAUDENCIOPAZMARTÍNEZ(G.Paz) SERGIOGARCÍASÁNCHEZ(S.García‐Sánchez) CENTROENELQUESEHALLEVADOACABOELPROYECTO: ESCUELAPOLITÉCNICASUPERIORDEZAMORA UNIVERSIDADDESALAMANCA DURACIÓN: CURSOACADÉMICO2022/23 FINANCIACIÓN:0€
3 Índice Introducción4 Motivaciónycontextodocente4 Objetivos7 Actuacionesrealizadasyresultados8 ABPenArquitecturadeComputadoresI8 ExperienciaprácticabasadaenDAQ13 Conclusiones17
4 Introducción Motivaciónycontextodocente Laprincipalmotivaciónconlaqueabordamoslainnovacióndocenteeslamejora continuaenladocenciadelasasignaturasdelÁreadeElectrónicaenelámbitodelas ingenieríasimpartidasenlaEscuelaPolitécnicaSuperiordeZamora(EPSZ).Enparticular, nosinteresamejorarlamotivacióndelosestudiantesdelasdiversasmateriasytitulaciones yofrecerlossistemasmásactualizadosposibles.Así,enproyectosanteriores,hemos tratadomúltiplestemas,desdeelaprendizajebasadoenproyectos,elusoygeneraciónde contenidosTICdeelaboraciónpropia,lacomunicaciónatravésderedessociales,etc. Además,habíamosdetectadoqueelesquemadelasasignaturasesrecurrenteporqueestá basadoencriteriosderepartodocente,peropodríasermejoradodemanerapaulatina incluyendometodologíasynuevasprácticasdelaboratorio.Téngaseencuentaquenuestras asignaturastienentresgrandesejessobrelosqueabordamosladocencia:lasclasesde teoría,losseminariosdeproblemasylasprácticasdelaboratorio.Laconexiónentreestas actividadesdependedelametodologíaempleadayesfundamentalparaunacomprensión completadelaasignatura.Tambiénhemostenidoencuentaque,cuandolasasignaturas estánsituadasenlosprimeroscursosdelosplanesdeestudios,sedebeincrementarla motivaciónyfacilitarlaadquisicióndecompetenciascomolaevaluacióndelasdiferentes solucionescircuitalesylaautonomíaenellaboratorio. Enestepresenteproyecto,hemospropuestomejorarelenfoquegeneraldenuestra docenciaintroduciendoenelmayorgradoposiblelastécnicasdeAprendizajeBasadoen Problemas(APB) 1,2,3 yactualizarlasprácticasdelaboratorioconlaintroducciónenellasde SistemasdeAdquisicióndeDatos(DataAcquisitionSystems,DAQ) 4 .Elcontextoenelque nosmovemossesitúa,comohemosmencionado,enlaEPSZ.Enparticular,vamosaabordar lamejoradedosasignaturas:“ArquitecturadeComputadoresI”(1ercurso,2ºcuatrimestre, GradoenIngenieríaInformáticaenSistemasdeInformaciónoGIISI)y“Fundamentosde 1MoralesBueno,P.yLandaFitzgerald,V.,“Aprendizajebasadoenproblemas.Problem‐basedlearning”, Theoria,Vol.13:145‐157,2004. 2ParraCastrillón,J.E.,AmarilesCamacho,M.J.,yCastroCastro,C.A.,“Aprendizajebasadoenproblemas enelcaminoalainnovacióneningeniería”,IngenieríasUSBMed,Vol.7:97‐103,2016 3RodríguezGonzález,C.A.,andFernándezBatanero,J.M.,“AreviewofProblem‐BasedLearningapplied toEngineering”,InternationalJournalonAdvancesinEducationResearch,Vol.3:14‐31,2016. 4https://www.ni.com/es‐es/shop/data‐acquisition.html
5 Electrónica”(2ºcurso,1ercuatrimestre,GradoenIngenieríaMecánicaoGIMECyDoble GradoenIngenieríadeMaterialeseIngenieríaMecánicaoGIMAT‐GIMEC). “ArquitecturadeComputadoresI” 5 esunaasignaturabásicade6ECTSqueforma partedelamateria“Computadores”yqueespreviaa“ArquitecturadeComputadoresII”, queseimparteenel2ºcurso.Entrelosobjetivosquesecontemplanenestaasignatura, encontramos:(i)conocerlosdiferentessistemasdecodificaciónpararepresentarla informaciónencircuitosdigitalesymanejodelosprincipiosdelálgebradeBoole,(ii) implementarenellaboratoriodediferentescircuitosdigitales,(iii)analizarydiseñar circuitoscombinacionalesysecuenciales,dondeseincluyeelconocimientodelosprincipios deloscircuitosaritméticosdigitales,(iv)conocerlosdistintostiposdememoriasutilizados enaplicacionesinformáticas,y(v)diseñoyutilizacióndecircuitosconversoresdeseñales analógicasadigitales(A/D)yviceversa(D/A).Esimportanteque,altérminodeesta asignatura,losestudiantesseancapacesderelacionarlosdistintoscircuitosdigitales estudiadosconsupapelenlaorganizaciónyarquitecturadeuncomputador.Enelpresente proyectosetratarádeplantearlosobjetivosdelaasignaturaenformadeproblemasque debansersolucionadosydiscutidosporlosestudiantescomopartedelaorganizaciónde unsistemacomputador.Lasolucióndelosproblemasnoesúnica,pueshaydiferenteforma tantodeenfocarloscomodeoptimizarlos,porloquelarealimentaciónengruposde estudiantesesfundamentalparasucomprensión,ydeahíquetécnicascomoAPBseantan valoradas.Enestaasignatura,suelehaberaproximadamente60estudiantesmatriculados. Ladivisiónengruposdeseminariosestápermitidaapartirde50alumnos,perodebidoala habitualfaltadeasistencia,particularmenteapartirdelamitaddelcurso(cuandola evaluacióncontinuadeotrasasignaturasempiezaapresionar)normalmenteserealizanlos seminariosengrupoúnico.Dehecho,lafaltadeasistenciaesunodelosproblemasmás gravesenlasasignaturasdeElectrónicaen1ºcursodeGIISI.Porotraparte,ladivisión habitualdegruposdeprácticasserealizainicialmentedividiendolatotalidaden2grupos de30alumnos.Estos30alumnosasistenacadasesióndeprácticasdelaboratorioasistidos por2profesoresyengruposreducidosdeunmáximode3alumnos.Latemporizaciónde lasprácticasdelaboratoriohadeserprevistaconsuficienteantelaciónalcomienzodel cursoylacoordinaciónentrelosprofesoresesfundamental.Enelpresentecursoacadémico sehadejadoatráselmodelode3prácticaspresencialesasistidasporsimuladoresquehan formadopartedelosúltimosañostraslasrestriccionespresencialesdebidasalCovid.Así, hemosrecuperadoelmodeloanteriorde6prácticaspresencialesenlasquelapresenciadel 5https://guias.usal.es/node/167385
6 simuladorquedareducidaenbeneficiodelaimplementacióndirectadelcircuito, aprovechandoalmáximolascapacidadesdelLaboratoriodeElectrónicaenlaEPSZ. “FundamentosdeElectrónica” 6 esunaasignaturaobligatoriade6ECTSquese imparteenel2ºcursodelGradoenIngenieríaMecánica.Laasignaturaestáencuadrada dentrodelbloquecomúndelaRamaIndustrial.Losobjetivosdeestaasignaturaabarcanla ElectrónicaAnalógicaylaDigital.Entrelosprimeros,encontramos:(i)conocerlas propiedadesdelosmaterialessemiconductores,(ii)utilizardispositivoselectrónicosbásicos (diodos,transistores,dispositivosoptoelectrónicosydispositivosdepotencia)y(iii)conocer elfuncionamientodelamplificadoroperacionalysusaplicaciones.Aestapartedela asignaturalecorresponden4prácticasdelaboratorio.Entrelossegundos,encontramos:(iv) implementarenellaboratoriodiferentescircuitosdigitales,(v)analizarydiseñarcircuitos combinacionalesysecuencialesy(vi)adquirirexperienciadetrabajodelaboratorio (utilizacióndeosciloscopios,fuentesdealimentación,generadoresdeseñal,componentes ysistemasdemontaje).Aestaparte,lecorresponden3prácticasdelaboratorio.Como observamos,lasegundapartedeestaasignaturaestárelacionadacon“Arquitecturade ComputadoresI”,quehemosdescritoanteriormente.Elnúmerodeestudiantes matriculadosenestaasignaturaes,aproximadamente,30,esdecir,lamitadde “ArquitecturadeComputadoresI”,loqueaefectosprácticossetraduceenunamejor comunicaciónconlosestudiantesnosoloenlasprácticasdelaboratorio(dondeesfácil establecerdichacomunicaciónporladivisiónengrupos)sinotambiénenlasclasesdeteoría yenlosseminariosdeejercicios. Cabeseñalarquelosconocimientospreviosquetienenlosalumnosacercadela Electrónicasonmuybásicosenambasasignaturas.Enelcasode“Arquitecturade ComputadoresI”,losestudianteshancursadolaasignatura“Física”enel1ercuatrimestre, queconcluyeconlaexplicacióndelfuncionamientodepuertaslógicasbásicasyestá relacionadaconlaprimerapartede“FundamentosdeElectrónica”.Debidoasussimilitudes, hemosplanteadoenelpresenteproyectoinnovacionesqueafectansobretodoa “ArquitecturadeComputadoresI”,peroquesonfácilmenteadaptablesa“Fundamentosde Electrónica”. 6https://guias.usal.es/node/167794
7 Objetivos ElobjetivoprincipaldeesteproyectohasidolaaplicacióndelametodologíaABPyla introduccióndenuevasprácticasdelaboratoriobasadasensistemasDAQenasignaturas impartidasporelÁreadeElectrónicadelDepartamentodeFísicaAplicadadelaUniversidad deSalamanca.Enparticular,nosreferimosalassiguientesasignaturas: ArquitecturadeComputadoresI(1ercurso,2ºcuatrimestre,GIISI) Lanovedadmássignificativadenuestrapropuestaconsisteenlaaplicacióndela metodologíadeABPenestaasignatura.Paraello,sehandiseñadoproblemas estructuradoresrelacionadosconlaElectrónicaDigitalqueenglobanvariascompetencias quelosestudiantesdebenadquirir.Tambiénsehainvertidoelesquematemporalseguido hastaahoraencuantoateoría,seminariosyprácticas.Asimismo,algunassoluciones circuitalesbasadasenunDAQ,recursodegraninterésporsuportabilidadyversatilidad, hansidoanalizadasysehaelegidounaexperienciamagistralconcretaparacomprobarsu viabilidad. FundamentosdeElectrónica(2ºcurso,1ercuatrimestre,GIMECyDobleGradoGIMAT‐ GIMEC) HemoscomprobadoqueesfactibleyrecomendabletrabajarconsistemasbasadosenDAQ, yaquepuedeseradaptadocomogeneradordefuncionesyosciloscopioportablespara aplicacionesfueradelaboratorio.Porsuversatilidad,esterecursoesgeneralizableaotras asignaturasdeElectrónicadeotroscursosygrados.Puestoquelasfechasderesoluciónde losproyectosdeinnovacióndocentesuelensituarseenelmesdenoviembreyesta asignaturaseimparteenelprimersemestre,lanuevaexperienciaprácticahasidodiseñada yensayadaen“ArquitecturadeComputadoresI”enelcurso22/23,aunque,comoseha mencionado,laadaptabilidaddelsistemaparalasprácticasdeElectrónicaAnalógicade “FundamentosdeElectrónica”enelcurso23/24hasidoverificada. Paravisibilizarestasprácticasdocentes,enunprimermomentoseincluyócomo objetivolapresentacióndelosresultadosenelVIICongresoInternacionalVirtualen InvestigacióneInnovaciónEducativa(CIVINEDU) 7 enseptiembrede2023.Lafechalímite paraelenvíodeabstractsesel7deseptiembrede2023.Actualmente,estamostrabajando enlaelaboracióndelresumenquepodríaserpresentadoenestaconferenciaencasode 7https://www.civinedu.org/
8 encontrarfinanciación(enelpresenteproyectonofueconcedidaningunaayuda económica). Debidoalafaltadefinanciacióndelpresenteproyecto,nuestroslogrosprincipales estánsituadosenelescenariodelABPadaptadoa“ArquitecturadeComputadoresI”, mientrasquelasprácticasdelaboratoriobasadasenDAQhansidorestringidasa demostracionesrealizadasenelaulaalasquetuvieronaccesotantoalaformade programacióncomoalaimplementacióncircuitallosalumnosasistentes.Lainnovaciónfue implementadadeestaformaporlaprevisióndeasistenciadeestudiantesyporqueelaula reuníalascondicionesadecuadasparalademostración. Actuacionesrealizadasyresultados ABPenArquitecturadeComputadoresI DiseñodelametodologíaABP Comohemosmencionado,lanovedadmetodológicamássignificativadeeste proyectohasidoeldesarrollodelABPen“ArquitecturadeComputadoresI”.Elprimerpaso fuelainversiónenlaestructuradelaasignatura,quesehabasadoeneldiseñode problemasestructuradoresquehansidoexpuestosalprincipiodelostemasenlosquese estudiaelanálisisyeldiseñodecircuitoscombinacionalesycircuitossecuenciales.Para esto,serealizóunarevisiónexhaustivadeloscontenidosjuntoconunaactualizacióndelas diferentesprácticasdelaboratorioyseelaboróuncalendariodeactividades(sesionesde teoría,seminariosyprácticasdelaboratorio)parafacilitarlacoordinaciónentrelos profesoresqueintervienenenladocenciadeestaasignatura.Cabeseñalarqueeste calendarionoestácerradoyexisteciertaflexibilidadparapermitircambios(porejemplo,si algunodelosprofesoresdebeasistiraalgunaconferencia,etc).B.G.Vasalloesresponsable delateoríaydeungrupodeLaboratorio,mientrasqueE.PascualyS.García‐Sánchezson responsablesdeotrogrupodeLaboratorio.G.Pazintervinoenlaprogramaciónporque, aunquenoformapartedelprofesoradodelaasignatura,realizóeldiseñodelapráctica basadaenDAQquesedescribeenlasiguientesección.S.García‐Sánchezfueincluidoenel proyectodesdequeseincorporóalÁreadeElectrónicaenseptiembrede2022.Cabeseñalar que,porrazonesdeequilibriodocentealolargodelcurso,otroprofesorfueresponsable delosseminariosdeproblemasydeprácticasdeLaboratorio,perosuinclusiónenel
9 presenteproyectonofueposibleyaqueestadocenciafueasignadaconposterioridadala fechaenlaquesepodíanhacercambios(haciaenerode2023). Elplanteamientodelosenunciadosdelosproblemasestructuradoresestuvo disponibleparaserpresentadoencadatema,aliniciodel2ºcuatrimestre(finalesdeenero de2023).Deestaforma,despuésdeunaintroducciónalaElectrónicaDigital,estos problemasjustificarondostemasdelaasignatura.EnlosejerciciosdeElectrónicaDigitalno existeunasoluciónúnicay,además,éstapuedealcanzardiferentesgradosdeoptimización. Cadaestudiantedebetrabajardeformaindividualenestasolución,aunquedebetambién apoyarseeneltrabajoengrupo(tantoenseminarioscomoenellaboratorio).Debidoala dificultadqueplantealaevaluacióndelasdiferentessolucionesysuprocesodeobtención, dichaevaluaciónseincluyótambiéncomotarea.Tantoenlassesionesdeteoríay seminariosenelaulacomoenlasprácticasdelaboratorio,sefomentóeldiálogoconlos estudiantesparaevaluardemaneraadecuadaelprocesodesolucióndelosejercicios propuestosylosdiseñoscircuitales. Implementaciónenlaasignatura Enlostemascentralesdelaasignaturasehanincluidoproblemasestructuradoresque facilitanlaadquisicióndelascompetenciasrelacionadasporpartedelosalumnos.Estos temassonlosrelacionadosconcircuitoscombinacionalesysecuencialessíncronos,que constituyenelnúcleocentraldelaasignatura.Enconcreto,losproblemasenlosquesebasa estapartedelaasignaturafueronpresentadoscomosigue. Elproblemaprincipaldelaasignaturaeslacomprensión,porpartesydeforma razonada,deunsistemacomputador.EnlaarquitecturahabitualdevonNeumann,existen 3elementosfundamentalesqueconstituyenelsistema:elsistemadeCPU(UnidadCentral deProcesamiento),elsistemadememoriayelsistemadeentrada/salida,todosellosunidos mediantebusesdecomunicacióndedatoseinstrucciones.ParaqueelsistemadeCPU,que eselqueocupalapartecentraldeldiseño,funcioneadecuadamente,debeestarcentrado encircuitosaritméticosquerealicenenelmenortiempoposiblelascuentasquetendrán lugarenlaUnidadAritméticoLógica(ALU),perotambiénhandeexistircircuitosque, realizandooperacionessecuencialescomoelregistrodedatos,deformaquesuactividad dependedelvalordelasentradas,perotambiéndelestadoanterior.Enparticular,los circuitossecuencialessíncronosrealizanestafunciónsiguiendoelritmotemporalmarcado porpulsosdereloj.Tambiénlapartedememoriaestáincluidaenlaasignatura,yhabráque diferenciarquétiposdememoriasebasanensistemascombinacionalesyquétiposse basanenelementosdememoriaestudiadosenloscircuitossecuenciales.
16 Fig.5.CircuitoimplementadoparalaexperienciaprácticabasadaenDAQ. Fig.6.VistageneraldelaulaunavezacabadalaexperienciaprácticabasadaenDAQ. Resultadosyevaluacióndelapropuesta Elpuntofuertedelaexperienciallevadaacaboes,comoentodaslasdemostraciones prácticas,quelosestudiantespuedencomprobarporsímismoslasexplicacionesteóricas, demaneraqueestáspuedensermásfácilmentecomprendidasyasimiladas.Dehecho,una delasventajasdeexplicarlateoríaconunademostraciónqueseiniciaalprincipiodela claseyseconcluyealfinalofrece,además,laventajadelaamenidadenlasexplicacionesy lacuriosidadquepuedederivarenunincrementodelamotivación. Elprincipalpuntodébildetectado,basadoprincipalmenteenlafaltaderecursos propiosquepuedanserutilizadosdeformacontinuadaenlaEPSZ,eslaimposibilidadde quelosestudiantestenganeltiemposuficientecomoparafamiliarizarseconestossistemas. Laintroduccióndeprácticasdelaboratorioengruposmedianosopequeñosestásujetaala obtencióndeunafinanciaciónadecuada.Encualquiercaso,unavezcomprobadalabuena acogidaquetuvolaexperiencia,sepretendesoslayaresteinconvenienteincluyendoeste
17 sistemauotrossimilaresquepermitanunamejorconexiónentrelasexplicacionesteóricas ylarealidad. Concusiones Losobjetivosprincipalesdeesteproyectohansidolaaplicacióndelametodología ABPylaintroduccióndenuevasprácticasdelaboratoriobasadasensistemasDAQenla asignatura“ArquitecturadeComputadoresI”(1ercurso,2ºcuatrimestre,GIISI).Los resultadosdelaúltimapartetambiénsonaplicablesalaasignatura“Fundamentosde Electrónica”(2ºcurso,1ercuatrimestre,GIMECyDobleGradoGIMAT‐GIMEC).Debidoala faltadetiempoydefinanciación,losobjetivossolohansidoadquiridosparcialmente,no obstante,existenconclusionesmuysignificativasquepermitenlamejorafuturadenuestra prácticadocente. ElprincipalinteréstantodelatendenciaametodologíascomoAPBaplicadasa asignaturasdeingenieríascomolaactualizacióndelasprácticasdelaboratorioeslabuena acogidaentrelosestudiantesentérminosdemotivacióny,también,decomprensiónde conceptoscomplejos.Enparticular,unodelosprincipalesproblemasqueencontramosen lasasignaturasbásicasdeGIISIesfaltadeasistenciaalasactividades,problemaquese agravaamedidadeavanzaelcurso.Poreso,mejorarlamotivaciónporlamateriay amenizarlasexplicacionesteóricasesnuestropropósitocursotrascurso.Hemos comprobadoconesteproyectodeinnovacióndocentequelaconsecucióndeesteobjetivo esposiblemediantelastécnicasempleadas.Comoyahemosseñalado,aunquehemos intentadotenderaunametodologíaplenamenteABP,estasólohapodidollevarseacabo deformaparcialyesnuestroobjetivofuturolaaplicacióntotaldeestatécnica. Porotrolado,larenovacióndelasprácticasdelaboratorioconsistemasnovedosos esnecesariaparaquelosfuturosingenierostrabajenconlossistemasmásactuales.Eneste caso,elpuntodébileslafaltaderecursoseconómicosquepermitanrealizarlodeunaforma operativa.Dadalaimportanciadesoslayarestepunto,intentaremossolicitarfuturos proyectosdeinnovacióndocenteparaseguirmejorandocomoprofesoresdeElectrónicaen ingenierías.