Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación

1951 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación An alternative way to explain the Non Destructive Testing techniques that use radiation Víctor López Flores ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6319-5971 Universidad de Sevilla Departamento de Ingeniería y Ciencia de los Materiales y del Transporte [email protected] DOI: http://dx.doi.org/10.12795/9788447222865.111 Pp.: 1951-1968 1952 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Resumen En este trabajo se describe la aplicación de un Ciclo de Mejora en el Aula en la asignatura «Ingeniería de calidad y ensayos no destructivos» del Grado en Ingeniería de Materiales. El modelo metodológico propuesto tiene dos partes principales: primero, una parte donde los estudiantes avanzan en el conocimiento de los fundamentos físicos del tema a través de preguntas clave planteadas por el profesor; y segundo, un caso práctico en forma de role-play donde, a través de la interacción con un cliente que acude con un problema ficticio (pero plausible) relacionado, deben ampliar su conocimiento de la parte técnica del tema. El cambio de metodología agradó a los estudiantes y al profesor, aumentando su motivación, y consiguió una gran mejora en los conocimientos de los estudiantes sobre el tema. Palabras clave: Ingeniería de calidad y ensayos no destructivos, Grado en Ingeniería de Materiales, docencia universitaria, desarrollo profesional docente, radiación. Abstract This work describes the application of a teaching improvement cycle in the subject «Quality engineering and non-destructive testing» from the degree in Materials Engineering. The proposed methodological model has two main parts: first, a part where the students improve their knowledge on the physics foundations of the topic through key questions posed by the teacher; and second, a case study in a role-play form where, through the interaction with a client that seeks for help with a related fictional (but plausible) problem, the students must expand their knowledge of the technical part of the topic. The students and the teacher enjoyed the change in the methodology, which motivated them, and a good improvement in the students’ knowledge on the topic was achieved. Keywords: Quality engineering and non-destructive testing, Degree in Materials Engineering, university teaching, teaching professional development, radiation. 1953 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Contexto En esta asignatura, el objetivo es que los alumnos conozcan varios tipos de Ensayos No Destructivos (END) (Hellier, 2020; Bray y McBride, 1992), que son técnicas de caracterización para la detección de defectos en un material sin afectar la utilidad de un sistema o estructura. La forma tradicional en que se dan estas clases es que el profesor asigna a los alumnos los temas del programa (típicamente un tipo de ensayo por cada 2 o 3 alumnos), y se les pide que preparen una presentación sobre el mismo como una clase magistral, tras lo cual él y los compañeros hacen preguntas relacionadas con el tema. Por ello, la asistencia es obligatoria. Dependiendo del número de alumnos, algunos de los temas los imparte el profesor en una clase magistral tradicional. Se evalúa la calidad de la presentación y la capacidad de responder preguntas y de hacerlas cuando no se está presentando. Aunque existe la posibilidad de examen, no se suele celebrar pues suele haber un 100 % de aprobados con las presentaciones. En el momento de este CIMA, todos los alumnos han hecho al menos una presentación. Esto significa que cada uno es un «experto» en al menos uno de los END. Además, esta es una asignatura de último curso, con lo que las bases de física, química y matemáticas que tienen son amplias. En este año hay solo nueve alumnos, lo que facilita la experimentación docente. Diseño previo del CIMA Mapa de contenidos y problemas clave En la figura 1 se presenta el mapa de contenidos (García, Porlán y Navarro, 2017) del tema, que engloba los conocimientos que los alumnos deberían adquirir sobre el mismo. En el centro del mapa está el proceso de la interacción de la radiación con la materia (propiedades físicas del material + interacción con radiación = reacción del material), el corazón del tema. Las zonas de color marcan los conceptos activados por cada pregunta clave. Modelo metodológico posible El modelo metodológico (De Alba y Porlán, 2017) se presenta en la figura 2, y consta de 4 partes, una por cada sesión de clase (S) de las 3 que componen el CIMA, más un trabajo en casa (TC). Este modelo metodológico trata de transferir el protagonismo de su aprendizaje a los estudiantes (Bain, 2005), siendo el profesor más un guía 1954 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Figura 1. Mapa de contenidos. 1955 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Figura 2. Modelo metodológico. Leyenda I: introducción P: problema clave IA: ideas de los alumnos AC: actividades de contraste CP: caso práctico D: decisión IB: investigación bibliográfica PC: puesta en común C: conclusiones T: teoría 1956 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) en ese camino. En la primera parte, se plantea una clase basada en preguntas clave y subpreguntas encadenadas (Finkel, 2008) para dirigir un debate hacia los conceptos que se necesitan. En la segunda parte, se propone un caso práctico que los estudiantes deben resolver usando esos conceptos. En la tercera, los estudiantes completan el caso práctico ampliando de forma autónoma los conceptos asociados al tema. Estos se ponen en común en la última parte, en un lenguaje lo más sencillo posible (Feynman, Leighton y Hutchings, 1985). Secuencia de actividades Este CIMA comprende varios temas en conjunto: los Ensayos No Destructivos (END) que usan emisión de radiación X, radiación γ (gamma), y neutrones. Aunque estas tres técnicas son diferentes (los neutrones no son radiación, pero se abusará del lenguaje para simplificar), mantienen una base común, con lo que tratarlos conjuntamente y luego compararlos es muy interesante. El CIMA se divide en 4 partes, que corresponden a 3clases/sesiones de 120 min, y un trabajo en casa entre la 2ª y la 3ª sesión. 1. En la primera sesión se repasa y se amplía el concepto de la interacción de la radiación con la materia. Se activa parte del mapa de contenidos (figura 1) a través de 3 de las 4 preguntas clave (las azul, amarilla y roja en el mapa, en ese orden). 2. La segunda sesión consiste en un «caso práctico» en forma de roleplay, donde un cliente (el profesor) presenta a una empresa de END (cuyo comité de expertos son los alumnos) un problema que debe ser resuelto con este tipo de técnicas. 3. En casa, el comité prepara tres presentaciones para explicarle al cliente la actuación que van a hacer. Esta parte activa la 4ª pregunta del mapa de contenidos (la verde), donde para calcular el coste, deben investigar los detalles técnicos sobre el ensayo. 4. En la última sesión la empresa de END le presenta al cliente el procedimiento que van a usar, en lenguaje sencillo (Feynman, Leighton y Hutchings, 1985), sin perder detalles. Luego se genera un debate con los alumnos para comparar las tres técnicas. Finalmente, si queda tiempo, el profesor ampliará el tema con subtemas secundarios en una clase magistral tradicional. Además, hay una sesión de prácticas donde los alumnos realizan un ensayo con rayos X, con lo que toman contacto con equipos y procedimientos cercanos a los reales. Durante el desarrollo de este CIMA, la práctica ya la habían realizado con otro profesor, por lo que no forma parte de este CIMA, aunque es importante que aparezca en el mapa de contenidos. 1957 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Tabla 1. Secuencia de actividades de la Primera Sesión de clase Primera sesión (120 min) S1 – 0. Introducción I 10 min Explico que la clase no será magistral, como tradicionalmente, sino que iré haciendo preguntas e iremos discutiendo para llegar a conclusiones. Introduzco el tema: la interacción de la radiación con la materia. Especifico que hablaremos de 3 tipos (X, γ, n), y que, en cada pregunta, debemos discutir sobre las 3. S1 – 1.1. Pregunta 1 P1 1 min Se plantea la pregunta 1: ¿Cómo afecta un defecto a las propiedades de un material? S1 – 1.2. Discusión de la Pregunta 1 IA ↔ AC 30 min ¿Cómo afecta un defecto a las propiedades de un material? Se hace una discusión sobre este tema. Como es una pregunta del cuestionario inicial, se comienza leyendo algunas respuestas y discutiendo sobre ellas. Para ir guiando a los estudiantes, se plantearán preguntas encadenadas como: ¿Cómo afecta a las propiedades macroscópicas (densidad, resistencia, dureza…)? ¿Cómo afecta a las propiedades microscópicas (estruc. cristalina, composición química)? ¿Como afecta a las propiedades atómicas (configuración electrónica / nuclear…)? El objetivo es relacionar diferentes tipos de defectos con el efecto en las propiedades macroscópicas, y estos con las propiedades microscópicas y las propiedades atómicas (o la media de ellas en el defecto) respecto del material sin defectos, ya que de las últimas depende la interacción con la radiación. Recursos: respuestas obtenidas del cuestionario inicial. Fotografías de diferentes tipos de defectos. Esquemas de estructuras cristalinas (con defectos cristalinos). Tabla periódica. Diagramas de configuración electrónica (niveles energéticos, teoría de bandas). Diagramas de configuración nuclear. Contenidos: (mapa) Material; Propiedades Físicas; Defecto; Cambio de Propiedades Físicas. S1 – 2.1. Pregunta 2 P2 1 min Se plantea la pregunta 2: ¿Qué ocurre cuando la radiación (X, γ, n) incide sobre un material? S1 – 2.2. Discusión de la Pregunta 2 IA ↔ AC 30 min ¿Qué ocurre cuando la radiación (X, γ, n) incide sobre un material? Se hace una discusión sobre este tema. Como es una pregunta del cuestionario inicial, se comienza leyendo algunas respuestas y discutiendo sobre ellas. Se irá comparando los 3 tipos de radiación de forma paralela. Para ir guiando a los estudiantes, se plantearán preguntas encadenadas como: ¿Qué cosas le puede pasar a la radiación incidente (absorción, refracción, dispersión…)? ¿Son relevantes la energía, longitud de onda, intensidad… de la radiación en esos efectos? ¿Cómo afectan las propiedades macroscópicas (densidad, resistencia, dureza…) a lo que le pasa a la radiación incidente?; ¿Cómo afectan las propiedades microscópicas (estructura cristalina, composición química…) a lo que le pasa a la radiación incidente?; ¿Cómo afectan las propiedades atómicas (configuración electrónica / nuclear…) a lo que le pasa a la radiación incidente? ¿Cómo reacciona el material a la radiación? El objetivo es relacionar los efectos que sufre la radiación en los materiales con las propiedades atómicas del material, y su relación con las propiedades microscópicas y macroscópicas. 1958 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Recursos: Esquemas de los efectos que sufre la radiación (absorción, refracción…) en materiales, a escala macroscópica y a escala atómica. Esquemas de reacciones de materiales a la radiación (calentamiento, emisión electrónica…). Esquemas de estructuras cristalinas. Tabla periódica. Diagramas de configuración electrónica (niveles energéticos, teoría de bandas). Diagramas de configuración nuclear. Contenidos: (mapa) Emisión; Interacción; Reacción. S1 – 3.1. Pregunta 3 P3 1 min Se plantea la pregunta 3: ¿Cómo vemos un defecto usando radiación (X, γ, n)? S1 – 3.2. Discusión de la Pregunta 3 IA ↔ AC 30 min ¿Cómo vemos un defecto usando radiación (X, γ, n)? Se hace una discusión sobre este tema. Como es una pregunta del cuestionario inicial, se comienza leyendo algunas respuestas y discutiendo sobre ellas. Se irán comparando los 3 tipos de radiación discutidos en la pregunta 2 en cada paso de forma paralela y viendo como afectan a distintos tipos de defectos planteados en la pregunta 1. Al haber discutido ya cómo afecta la radiación a la materia, estas relaciones deben comenzar a «encajar». Para ir guiando a los estudiantes, se plantearán preguntas encadenadas como: ¿Qué diferencia hay entre las propiedades macroscópicas / microscópicas / atómicas del material en el defecto y fuera de él?; ¿Cómo afecta de diferente estas propiedades a la radiación incidente?; ¿Cómo detectamos esa diferencia?; ¿Cómo transformamos la reacción de un material a la radiación en algo que podamos ver/detectar/medir? El objetivo es relacionar el cambio de las propiedades macroscópicas → microscópicas → atómicas (o la media de ellas en el defecto) respecto del material sin defectos, y ver cómo esto hace que la radiación y el material reaccionen de forma diferente. También se intentará llegar a que la reacción de otro material a la radiación se puede usar como detector. Recursos: Esquemas de los tipos de efectos que sufre la radiación (absorción, refracción, dispersión…) en los materiales, a escala macroscópica y a escala atómica. Esquemas de reacciones de materiales a la radiación (calentamiento, emisión electrónica, fluorescencia…). Esquemas de estructuras cristalinas. Tabla periódica. Diagramas de configuración electrónica (niveles energéticos, teoría de bandas). Diagramas de configuración nuclear. Contenidos: (mapa) Interacción; Reacción; Detección; Interpretación. S1 – 4. Conclusiones I 10 min Se realiza un resumen de la sesión, extrayendo las ideas principales. Estas ideas se piden a los alumnos y se aprueban por consenso. Se busca la respuesta más precisa y correcta de las 3 preguntas. Recursos: una pizarra (real o virtual) Contenidos: todos los anteriores 1959 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Tabla 2. Secuencia de actividades de la Segunda Sesión de clase Segunda sesión (120 min) S2 – 0. Preparación previa Le envío un anuncio a los alumnos donde les explico en qué va a consistir la clase: va a haber un caso práctico, ellos deben discutir qué ensayo o ensayos son los adecuados, y deben proponer el método de actuación. Les pido que tengan lista la bibliografía que tienen del trabajo que ya han hecho, y les proporciono bibliografía adicional donde aparecen los ensayos con radiación y neutrones que se pueden usar en el caso. Recursos: la bibliografía propia y la proporcionada. S2 – 1. Introducción I 10 min Recordamos cómo va ser la clase, igual que en el anuncio, y me aseguro que tengan la bibliografía proporcionada disponible. Recursos: la bibliografía propia y la proporcionada. S2 – 2.1. Exposición del caso práctico CP ↔ IA 15 min Comienza el role-play: en la primera reunión, el cliente expone su problema, pero con un nivel de detalle no óptimo, pues él en principio no sabe qué información se necesita para saber qué tipo de ensayo es el adecuado. El problema estará diseñado para que tenga que ser dividido en 3 subproblemas, donde cada uno necesitará para ser resuelto uno de los 3 ensayos del tema (X, γ, n), pero además es posible que necesite otro ensayo de los ya dados durante el curso. El comité le plantea las preguntas necesarias para ir delimitando el ensayo adecuado. Se genera una interacción cliente-comité para obtener los detalles necesarios. Esto completa el caso práctico. Recursos: El cliente lleva fotografías y esquemas para ayudar al comité en la descripción del problema, en forma de presentación PPT. Necesita medios para la presentación. S2 – 3. Discusión para descubrir qué ensayo es adecuado IA ↔ AC 40 min Una vez que el comité cree tener la información necesaria, acaba la reunión y comienzan a discutir entre ellos para ver qué ensayo elegir. Como el problema propuesto se divide en 3 subproblemas, y para hacer más fluido el debate y el posterior trabajo, se divide a los alumnos en grupos de 3. Se les dará a escoger una de las subdivisiones del problema para que lo analicen. El profesor irá pasando por los distintos grupos. Frecuentemente se darán cuenta de que les falta algo de información sobre el sistema que tienen que ensayar, por lo que «llaman al cliente» y le piden más información (es decir, consultan con el profesor). Como cada subproblema está diseñado para solo uno de los ensayos funcione, estas consultas al cliente deben tener resultados negativos (Actividad de Contraste-AC). También debe ocurrir que cuando comienzan a proponer algún ensayo, otro compañero recuerda cuál es el aspecto que hace que ese ensayo no sea posible (de nuevo AC), o si ninguno se da cuenta y entonces van claramente por una ruta equivocada, entraría el profesor llamando la atención sobre ello y reconduciendo la discusión. Recursos: bibliografía e internet. Contenidos: (mapa) Material; Propiedades Físicas; Defecto; Cambio de Propiedades Físicas; Interacción; Reacción. 1966 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Tabla 5. Niveles de respuesta y evolución de cada estudiante en el cuestionario de ideas Estudiante Pregunta 1 Pregunta 2 Pregunta 3 Pregunta 4 Mejora I F M I F M I F M I F M 1 2 3 +1 2 3 +1 1 3 +2 2 3 +1 +5 22 4 +2 1 1 +0 1 3 +2 2 3 +1 +5 31 3 +2 3 4 +1 3 4 +1 2 3 +1 +5 41 3 +2 3 3 +0 3 4 +1 2 3 +1 +4 52 4 +2 0 3 +3 1 3 +2 1 2 +1 +8 62 4 +2 1 1 +0 1 3 +2 2 3 +2 +6 72 3 +1 4 4 +0 1 3 +2 2 3 +1 +4 83 4 +1 4 4 +0 2 3 +1 3 4 +1 +3 93 4 +1 2 3 +1 2 4 +2 2 4 +2 +6 Vale la pena destacar a dos estudiantes. El número 5 tiene una mejora muy amplia. Sus respuestas iniciales estuvieron siempre en nivel bajo. Quizá por responder apresuradamente y sin mucho interés: de hecho, las preguntas eran cortas y vagas. En el cuestionario final parece que se esforzó más y, con mayor margen para mejorar ha conseguido una puntuación alta. En el caso justamente contrario, el estudiante 8 tenía en general respuestas de nivel alto en el cuestionario inicial, con lo que su margen de mejora era pequeño, lo que se ha traducido en un salto pequeño en sus niveles de mejora. Evaluación del CIMA Cuestiones a mantener y cambios a introducir En general este CIMA ha sido muy estimulante tanto para los alumnos como para mí. Tengo la sensación de que el mapa de contenidos y las preguntas clave están bien diseñados y se pueden mantener. Sin embargo, hay cosas que se deben mejorar. Por ejemplo: — El diseño de las preguntas del cuestionario. Traté que fueran iguales al del mapa de contenidos, pero tendría que haberlas reescrito para que fueran más específicas y con más contexto. Tal como están generan respuestas vagas o generales. El análisis del cuestionario creo que no da suficiente información. — En el debate de la primera sesión, creo que fue excesivamente dirigido por mí, tratando de que se siguiera la línea de pensamiento que 1967 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) yo tenía prevista. Hubiera sido mejor dejar más libertad. Quizá esto se pueda ir corrigiendo con la experiencia. — La gestión del tiempo no fue óptima. Mientras que en la primera clase estuve corto de tiempo, ya que el debate no siempre era muy fluido, la segunda dejó quizá demasiado tiempo de trabajo autónomo a los estudiantes. Incorporaciones a la práctica docente habitual El sistema de plantear las preguntas y dirigir el debate con las preguntas encadenadas, es muy interesante para ciertos temas en ciertas asignaturas. Es verdad que hay que diseñarlo bien, y no se puede improvisar, porque si no puede ser un gran fracaso y una pérdida de tiempo. También creo que este método ganará mucho con la experiencia del profesor. El cuestionario ayuda a iniciar el debate con las propias preguntas. El método del caso práctico igual, aunque creo que es menos versátil que el anterior (se puede aplicar en menos temas/asignaturas). Ambos se pueden usar en conjunto, como en este CIMA, o por separado, con lo que se puede adaptar a las distintas circunstancias. Principios didácticos para el futuro Gracias al desarrollo de este CIMA ahora tengo herramientas que me permiten componer un modelo didáctico diferente al tradicional. Este modelo se centrará en las preguntas: las preguntas clave o preguntas activadoras de contenido. Tal como he experimentado, esas preguntas son el corazón del modelo. Sirven para activar los contenidos, dirigir el método, recabar las ideas y para evaluar a los estudiantes y a mí mismo. En las asignaturas de ciencias, estas preguntas son parte de la disciplina, por lo que solo hay que buscarlas (Martínez-Tejada, 2018; Álvarez-Molina, 2019). Están en el centro de ese triángulo que hemos visto tantas veces. Las preguntas son la puerta que debemos enseñar a los alumnos, y que ellos deben cruzar por sí mismos. Sin embargo, no es trivial conocer cuáles son las preguntas adecuadas. Para saberlo, hay que hacer un gran esfuerzo de síntesis, de destilación de cada tema. Afortunadamente tenemos la herramienta para conseguirlo: el mapa de contenidos. Estas herramientas las usaré siempre que sea posible, porque habrá obstáculos, de los internos y de los externos, que habrá que superar con paciencia y experiencia. 1968 Una forma alternativa de explicar los Ensayos No Destructivos que usan radiación Víctor López Flores Esta obra se distribuye con la licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0.) Referencias bibliográficas Álvarez-Molina, R. (2019). Una metodología investigativa para enseñar Magnetostática. En R. Porlán y E. Navarro (Coord.), Ciclos de mejora en el aula año 2019: experiencias de innovación docente de la Universidad de Sevilla (pp. 42-64). Sevilla: Instituto de Ciencias de la Educación. Universidad de Sevilla. Bain, K. (2005). Lo que hacen los mejores profesores universitarios. Valencia: Universitat de València. Bray, D.E. y McBride, D. (1992). Nondestructive testing techniques. NASA STI/Recon Technical Report A, 93, 17573. De Alba, N. y Porlán, R. (2017). La metodología de enseñanza. En R. Porlán (Coord.), Enseñanza universitaria. Cómo mejorarla (pp. 37-54). Madrid: Morata. Feynman, R.P., Leighton, R. y Hutchings, E. (1985). «Surely You’re Joking, Mr. Feynman!»: Adventures of a Curious Character. New York: WW Norton & Company. Finkel, D. (2008). Dar clase con la boca cerrada. Valencia: Universitat de València. García, E., Porlán, R. y Navarro, E. (2017). 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