La Simulación como Instrumento de Aprendizaje (Evaluación de Herramientas y estrategias de aplicación en el aula) José Manuel Ruiz Gutiérrez Catedrático de Tecnología Eléctrica E. Secundaria I.E.S. Fco. García Pavón TOMELLOSO (Ciudad Real) e-mail:
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La implantación de las técnicas de simulación mediante computadora en el aula es una realidad en los actuales sistemas educativos. La necesidad de poder comprender determinados mecanismos, operadores técnicos y sistemas obliga obliga a utilizar el ordenador ordenador como instrumento para el aprendizaje. Los Los actuales entornos multimediales y las poderosas herramientas de programación gráfica ponen al servicio del profesor y del alumno un instrumento muy valioso. La comunicación hombre máquina mediante interfaces cada vez mas “amigables” permite una interacción muy satisfactoria entre el mundo físico y los entornos de simulación. En esta ponencia se pretende mostrar el estado actual de este campo de la Informática Educativa Educativa a la vez que explicar las ventajas de la simulación, simulación, conceptos como el de “Modelo” y características características de los distintos entornos que nos ofrece ofrece el mercado. Para finalizar se hace un estudio de la evolución de las herramientas herramientas de simulación simulación en los últimos últimos veinte años años y se abunda en los distintos tipos de simuladores simuladores y la oferta real de los distintos proveedores. Palabras clave: Modelo, entorno
gráfico, instrumentación virtual, interface exterior, interface hombremáquina, bloques bloques funcionales, sistemas dinámicos.
1.- Intr Introd oduc ucci ción ón a la la Sim Simul ulac ació ión n en en los los Proc Proces esos os de Aprendizaje A la hora de abordar el currículo formativo de un alumno es preciso tener en cuenta de un modo especial las herramientas didácticas que se van a utilizar para completar las distintas etapas formativas. Una de estas herramientas es la “simulación”. La simulación es una forma de abordar el estudio de cualquier sistema dinámico real en el que sea factible poder contar con un modelo de comportamiento y en el que se puedan distinguir las variables y parámetros que lo caracterizan .
El desarrollo de los medios informáticos en los últimos 20 años ha permitido un avance muy notable en las herramientas tanto software como hardware orientadas a esta disciplina. La simulación y el aprendizaje son dos conceptos muy unidos en el proceso educativo. Bajo el punto de vista puramente instrumental podemos decir que la mayoría de las actividades de aprendizaje siempre están basadas en entidades de simulación: baste a modo de ejemplo la resolución de un sencillo problema de física o el calculo de los valores de un circuito electrónico. En todo momento profesor y alumno están trabajando con hipótesis y supuestos ya que en pocas ocasiones el profesor se sale
del aula y se va con sus alumnos al mundo exterior para explicar y demostrar teoremas, leyes, hipótesis, etc. La simulación esta muy vinculada a la creación y comprensión de los fenómenos . El universo del que formamos parte, tanto en su vertiente natural como artificial está plagado de infinitos modelos que evolucionan en el tiempo (modelos dinámicos) de una manera continua o discreta (modelos continuos y modelos discretos). El estudio y 0
comprensión de estos sistemas dinámicos forma parte del currículo de numerosos materias en los distintos niveles educativos: Educación Secundaria, Bachillerato,
Formación Profesional y Universidad. Asignaturas como Física, Química, Tecnología, Electrotecnia, Sistemas Digitales, Sistemas de Control, Sociología, Estadística, Robótica, etc. Una herramienta de simulación permite abordar el estudio de los sistemas dinámicos mediante el uso de modelos matemáticos que, teniendo en cuenta las distintas variables del sistema, pueden ser probados y evaluados en distintos escenarios. El vertiginoso dinamismo del sistema educativo y de la propia tecnología obliga constantemente a los gobiernos de los países a actualizar sus diseños curriculares y a incorporar materias nuevas planteando objetivos que contribuyan a una formación multidisplinar y siempre de acuerdo con el escenario social del momento. Esta dinámica en el mundo académico obliga a que los profesores y alumnos estemos siempre abiertos a la incorporación de nuevas herramientas didácticas que faciliten el aprendizaje y además estén en sintonía con el desarrollo tecnológico: este es el caso de las herramientas de simulación.
Existen importantes aportaciones teóricas que elevan definitivamente la simulación a la categoría de disciplina. Son numerosas las universidades y centros de investigación que han creado laboratorios y grupos de trabajo exclusivamente orientados al estudio y desarrollo de tecnologías de la simulación. Es por ello que en este Congreso se ha querido introducir este tema para poder crear un debate en torno a este campo y estimular a nuestros profesores y alumnos a utilizar e investigar en esta parcela del conocimiento. Las técnicas de simulación orientadas a los procesos de aprendizaje conforman un frente ampliamente seguido por una buena parte de nuestros docentes, prueba de ello es la expansión tanto de las herramientas comerciales como de los proyectos de investigaciones, tesis y cátedras dedicadas a esta área. El aspecto mediático de esta parcela de conocimiento la hace muy atractiva ya que su uso no sólo se circunscribe a la educación sino que trasciende al campo empresarial y de la gestión. La simulación engloba técnicas y medios informáticos tan variados como la Multimedia, la Inteligencia Artificial, la Dinámica de Sistemas, etc.
Mi objetivo principal es mostrar el estado del arte en esta parcela explicando la evolución de las herramientas, la actual oferta y las principales líneas que se están siguiendo de cara la futuro, en ningún caso es un objetivo de este trabajo abordar aspectos teóricos tanto de las herramientas como de las técnicas educativas para implantarlas en el aula, esos temas quedan para un trabajo quizá más exhaustivo.
1.1.- Ventajas de la Simulación La simulación como herramienta de apoyo al estudio presenta numerosas ventajas, si bien es cierto que, como instrumento que es, debe ser bien utilizado. En lo sucesivo, cuando nos refiramos a la simulación, entenderemos ésta bajo el punto de vista de instrumento informático, para distinguirla de otros instrumentos de simulación que no son informáticos y que sin embargo tienen una aplicación muy parecida en los proceso de aprendizaje: Actividades de dramatización, Juegos de “rol”, Practicas de Laboratorio, Resolución de problemas y supuestos prácticos, etc. 1
La Simulación permite entre otras cosas: • • • • •
El Aprendizaje por Descubrimiento. Fomentar la Creatividad Ahorrar tiempo y dinero. La Enseñanza Individualizada La autoevaluación.
El Aprendizaje por Descubrimiento:
Es una forma activa de aprender en la que el alumno es el propio artífice de su aprendizaje. Se sugieren al alumno unas hipótesis y éste las desarrolla buscando las causas y efectos de los distintos fenómenos. Básicamente se trata de que el alumno sea capaz de analizar sistemáticamente los fenómenos y probar el comportamiento de un modelo en distintos escenarios. Los entornos de simulación deben cumplir los requisitos
necesarios para que la interacción alumno-simulador permita este tipo de aprendizaje. El método de aprendizaje ensayo-error es perfectamente compatible con esta dimensión de los sistemas de simulación. Fomentar la creatividad: Es
una de las ventajas de los entornos de simulación. La posibilidad de disponer de “ToolBoxes & Blocksets” (cajas de herramientas y colecciones de bloques-operadores) en los entornos permite la disponibilidad de un laboratorio, taller, o mesa de diseño con la que el alumno pueda no sólo simular modelos que se le den hechos sino que pueda construir los suyos propios. En esta parcela el diseño de máquinas y micromundos es ideal. En este sentido los entornos de simulación han de ser flexibles y multifuncionales . Por definición una herramienta se simulación debe permitir de modo sencillo la edición de diversos escenarios, esquemas o plantas. Su ergonomía debe orientarse al concepto de shell (entorno) en el que convivan distintos modelos funcionales interconectados, editores gráficos, procesadores textuales y numéricos, elementos multimedia, bases de conocimiento, etc., todos al servicio del usuario en un plano de total compatibilidad. Ahorrar tiempo y dinero:
Ninguna de las dos cuestiones es banal en la actualidad educativa de nuestro mundo. Procesar la información no es tarea fácil, y la adquisición, ordenación, tratamiento y análisis de la información son aspectos muy importantes de cara al proceso de aprendizaje. Ya han perdido sentido aquellas teorías de aprendizaje en las que el alumno, por repetición oral o escrita aprendía las lecciones. La cantidad de conocimientos que hay que aprender hace necesario el utilizar técnicas de aprendizaje que aceleren el proceso. La simulación es una de ellas. Sin descartar los procesos constructivos y manipulativos del aprendizaje, la simulación facilita la construcción de los modelos, y el tratamiento repetitivo de los datos . No tiene mucho sentido que el alumno, para representar el movimiento de un objeto tenga que aplicar la fórmula correspondiente para completar una tabla de valores que después representará en unos ejes cartesianos en su cuaderno. Si medimos los tiempos empleados veremos que se ha dedicado una parte importante a un trabajo que para nada es rentabilizado. El computador es capaz de trabajar por nosotros evitándonos los proceso repetitivos de cálculo. El ahorro que reporta el uso de
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herramientas de simulación es evidente ya que sustituimos los equipos de entrenamiento, laboratorios y plantas de ensayo por un entorno virtual . La enseñanza individualizada: Las
herramientas de simulación permiten que el alumno lleve su propio ritmo de aprendizaje y se enfrente de modo individual al proceso de elaboración de sus propias conclusiones con relación a los fenómenos que va a simular. Algunos entornos de simulación prevén el aprendizaje individual realizando una tutorización guiada del aprendizaje de tal manera que incorporan bases de conocimiento en las que el profesor modela el proceso de aprendizaje mediante planes de estudio. La gran ventaja de los simuladores es que el alumno puede repetir cuantas veces quiera la simulación de un mismo fenómeno o proceso hasta que tenga la seguridad de haber captado las ideas. Este planteamiento de la formación es muy positivo ya que el propio alumno es protagonista activo de su propio proceso de aprendizaje. La autoevaluación:
La simulación permite al alumno realizar acciones orientadas a su propia autoevaluación mediante el planteamiento de guiones y cuestionarios orientados al tema que está estudiando . Esta posibilidad ha permitido que se puedan establecer tutorías a distancia y aprendizaje no presencial .
2.- Concepto de Modelo. El fundamento de la simulación en cualquiera de sus aplicaciones está íntimamente relacionado con el concepto de modelo. La modelización de cualquier operador o sistema se apoya en la observación de los fenómenos que lo caracterizan, razón por la cual, en la medida que podamos reproducir esos fenómenos y experimentar con ellos, podremos comprender con más claridad el modelo. El estudio del modelo se realizará siempre en orden creciente de complejidad de tal forma que en una primera fase se tendrán en cuenta los aspectos
más relevantes para posteriormente derivar hacia un modelo más perfecto a través de un método de refinamiento. La simulación tiene por objeto conseguir Modelos Válidos para poder comprender mejor un universo determinado facilitando el estudio y el aprendizaje. Todo modelo presentará siempre una estructura similar y en casi todos los casos se tratará como un conjunto de operaciones matemáticas que se podrá representar por una serie de ecuaciones.
El estudio de los modelos casi siempre se realiza en un contexto temporal, es decir la simulación casi siempre se realiza con la variable independiente tiempo si bien esa variable en muchos casos puede tomar otra calificación. La simulación no deja de ser el cálculo iterativo de una serie de valores o la exploración de una “tabla de eventos” en la que se recogen estados de entradas y estados de salidas.
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Los sistemas de simulación pueden clasificase en discretos y continuos en función del tratamiento que se haga de las variables (variables continuas o variables discretas)
Figura 1 En la figura 1 vemos el esquema de lo que podemos calificar como modelo. •
Los estímulos son
•
Las respuestas son
•
Las condiciones internas
•
el conjunto de variables de entrada que representan los valores que podremos modificar. los valores de salida de las variables del mismo nombre en función de los estímulos de entrada, de las condiciones internas y de los parámetros de simulación. son los valores que adoptarán algunas variables en función de las condiciones de entrada y que afectan a las respuestas del sistema, también se les denomina parámetros. La simulación se debe realizar de acuerdo a una serie de parámetros que se encargaran de acotarla: Tiempo de simulación, número de muestras a tomar, etc..
Al conjunto de valores de los estímulos, parámetros de simulación y condiciones internas se le denomina escenario. Los escenarios de un modelo pueden ser
teóricamente infinitos por lo que es importante seleccionar los más relevantes de cara a comprender el fenómeno que simulamos. Si tratamos de simular la caída de los cuerpos sometidos a la acción gravitacional tampoco se trata de realizar el estudio para un número demasiado elevado de atmósferas. Bastará con simular en atmósfera cero (ingravidez), atmósfera terrestre y alguna más de nuestro entorno planetario.
3.- Principales características de un entorno de simulación. La diversidad de aplicaciones de las herramientas de simulación ha permitido el desarrollo de numerosos entornos de simulación adaptados al área de conocimiento en la que se pretenden usar. Es difícil, por ésta cuestión, realizar una clasificación de 4
características comunes a todos los entornos y por lo tanto las que yo incluyo en este trabajo son susceptibles de ampliar o recortar en función del criterio del usuario. Las características comunes y más importantes son a mi juicio: • • • • • • • •
Entorno Gráfico Posibilidad de Conexión con el exterior. Incorporación de módulos de planificación del aprendizaje Posibilidad de conexión con otros programas. Lenguaje de programación gráfica Posibilidad de ampliación de biblioteca de objetos. Interfaces Hombre Máquina. Instrumentación Virtual.
Los entornos gráficos
son aquellos que aprovechando las posibilidades de los modernos sistemas operativos y lenguajes de programación facilitan al usuario la posibilidad de trabajar con imágenes gráficas de alta resolución y representación gráfica. La incorporación de sistemas como Windows 95-98-NT, etc. Ha facilitado el avance en este campo de tal manera que las herramientas de simulación pueden gozar de ventajas hasta ahora inalcanzables en máquinas de propósito general y gran público. El uso del ratón y la incorporación de los menús iconográficos son un valor añadido muy importante a los entornos de simulación. La posibilidad de conexión con el exterior de
una herramienta de simulación es un paso muy importante en el sentido de acercar los modelos simulados a la realidad física. La oferta de productos hardware orientados a la adquisición de datos es muy amplia y está posibilitando el hecho de que los simuladores tengan módulos de adquisición de datos que vuelcan sobre el entorno datos de campo medidos en el laboratorio, la maqueta, etc.. Existen, por otra parte simuladores que adquieren los datos de bases de datos, o sistemas de almacenamiento de información. En cualquier caso las posibilidad de recoger datos del exterior es una manera de acercarnos a escenarios de simulación reales y ésta es una importante cualidad de un buen simulador . La incorporación de módulos de planificación del aprendizaje en
una herramienta de simulación permite una mayor dimensión pedagógica de la herramienta ya que en este caso se esta facilitando la conducción del aprendizaje. Estos módulos pueden ser entre otros: Planificadores de ejemplos, Sistemas de averías guiadas, y Tutores inteligentes. En este sentido las técnicas de simulación han evolucionado mucho, sobre todo si tomamos en consideración aquellas primeras herramientas tipo EAO (Enseñanza Asistida por Computador) que poseían una estructura absolutamente rígida. Las técnicas de Inteligencia Artificial aplicadas a la enseñanza han promovido el desarrollo de entornos muy poderosos que integran auténticos Lenguajes de autor dentro de entornos de simulación coordinados por un Sistema Experto Planificador. Posibilidad de conexión con otros programas: Sabemos
que la aparición de Windows en el mundo de la informática ha traído como consecuencia el desarrollo de las técnicas de intercambio dinámico de datos y la incorporación de estándares de gestión de funciones y librerías escritas en diversos lenguajes. Estas técnicas las debe aprovechar
al máximo un entorno de simulación en lo que se refiere a: Manejo de imágenes gráficas 5
(formatos BMP, JPG, etc.), compatibilidad de objetos OLE, Compatibilidad con objetos de tecnología ActiveX, compatibilidad con objetos OPC (Ole for Process Control) y actualmente compatibilidad con entornos orientados a Internet (Objetos y aplicaciones Java, HTLM, etc..). Las herramientas de simulación sobre todo aquellas que son de carácter más general incorporan tecnologías orientadas a la programación gráfica . Se trata de poder elaborar un proyecto de simulación utilizando objetos gráficos (bloques) que puedan enlazarse configurando un esquema de bloques Lenguajes de Programación Gráfica:
perfectamente jerarquizado por categorías que normalmente tendrá asociado una o varias pantallas de objetos gráficos que mostrarán la información en la fase de simulación. Este es el caso de herramientas como LabView, Visual Dessigner, Diadem,
Winfac, etc.. Estas técnicas son muy útiles para facilitar el proceso de creación de una simulación permiten la identificación de las distintas funciones del entorno mediante los iconos correspondientes a cada objeto. Los objetos al ser activados despliegan ventanas de parametrización que permiten configurar sus funciones tanto matemáticas como gráficas. La posibilidad de separar en dos fases la simulación: Esquema de bloques funcionales y Pantallas de presentación de resultados es muy importante de cara a facilitar el manejo de la herramienta. Ésta ventaja es muy importante en los entornos ya que permite a los usuarios crear sus propios bloques funcionales e incorporarlos en sus propias librerías de objetos con el fin de adaptar la herramienta a su campo de trabajo. Las técnicas pueden ser muy variadas y van desde el uso de Posibilidad de ampliación de Bibliotecas:
editores propios o encapsuladores de objetos a la elaboración de macros y scrips en un lenguaje propio o en un lenguaje convencional este es el caso de herramientas como
WinLab, VisSim, LabWindows, Matlab, HP-VEE, etc. Interfaces Hombre-Máquina: El
término HMI / MMI (Human machine Interface) ha sido acuñado en los últimos años para calificar una de las características más importantes de los sistemas de supervisión, control , diseño y simulación. El deseo de acercar el computador al hombre y de conseguir un mayor dialogo y ergonomía con los proceso de control ha fructificado en la aparición de entornos gráficos que mediante sinópticos de las plantas y procesos permiten hacerse una idea baste exacta de la ubicación de los operadores técnicos implantados así como de los flujos de información en los procesos. Estas interfaces incorporan objetos gráficos a los que se les “dota de vida” en función del estado o valor de las variables a las que se les asocia. Los atributos de un objeto gráfico pueden ser su tamaño, color, movimiento, etc .
La realización de una simulación en muchos casos lleva consigo el uso de instrumentos (generadores de señal, osciloscopios, analizadores lógicos, analizadores de espectro, etc.). Los entornos más modernos incorporan módulos que simulan perfectamente estos y otros instrumentos, de tal manera que el Instrumentación Virtual:
alumno puede realizar la medición de señales o su análisis utilizando el computador como un instrumento . La emulación se realiza tanto en el aspecto externo (carátulas y
elementos de gobierno) como en la propia funcionalidad (atenuadores de señal, moduladores, rectificadores, etc.).
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4.- Campos de Aplicación en el Aula o laboratorio. Los campos de aplicación de las herramientas de simulación son muy diversos pero entre los más importantes citaremos los siguientes: • • • • • •
Simulación de Procesos, Circuitos y Sistemas Control de maquetas Adquisición de Datos y medidas de Variables físicas. Entorno de Entrenamiento con Operadores Técnicos. Laboratorio Virtual. Interacción con el medio externo.
A la hora de estudiar el comportamiento de un sistema o modelo son numerosos los campos en los que podemos pensar, sin embargo la mayor parte de los entornos de simulación están orientados a las tecnologías: Eléctrica, Electrónica, Mecánica, Neumo-hidraúlica, Robótica y Control de Procesos Industriales. No incluyo aquellas herramientas orientadas a la Dinámica de Sistemas, que configuran una parte especial y por otro lado muy importante en el campo de la simulación, pero que de momento no es tema de estudio en los niveles educativos a los que estamos refiriéndonos.
Los entornos de simulación orientados a procesos, circuitos y sistemas normalmente aportan un conjunto de herramientas que permiten la confección de un esquema en el que intervienen los operadores básicos más importantes en el ámbito para el que este pensada la aplicación : por ejemplo si se trata a de un simulador de circuitos neumáticos se incluirán cilindros, válvulas, tuberías, manómetros, presostatos, etc. En ocasiones el simulador podrá conectarse a una maqueta de practicas a través de uno de los puertos del PC o mediante una tarjeta de adquisición de datos . Es el caso de las maquetas y entrenadores en los que se montan los circuitos e instalaciones en un bastidor y mediante sondas se leen los valores de las variables y se procesan en el PC permitiendo así mismo la representación gráfica de los valores así como la confección de sinópticos en pantalla. De forma parecida actúan los sistemas de entrenamiento y simulación aplicables en el laboratorio, son unidades compuestas por un equipo de adquisición de datos que se comunica con la aplicación y permite la interacción con la práctica que se esta realizando. Son equipos muy útiles para el registro de variables físicas como la luz, temperatura, presión, ph, etc. Si a un entorno como el anterior le sumamos los sensores y transductores reales para la realización de medidas tendremos un equipo completo en el que podremos interactuar con operadores técnicos reales convirtiendo de este modo el PC en un auténtico equipo de supervisión y control.
Cuando la herramienta de simulación esta dotada de una buena interfaz gráfica se puede llegar a conseguir un auténtico “ laboratorio virtual” con el que poder entrenar a los 7
estudiantes de un modo completo, tal es el ejemplo de los entrenadores de robótica en los que se pueden realizar diseños de sistemas mecánicos completos e insertarlos en una cadena de montaje para posteriormente realizar una simulación de un trabajo de ensamblado, almacenaje, soldadura, mecanizado, etc.. En éste tipo de aplicaciones es precisa la colaboración de un entorno CAD que permita , por ejemplo, el trabajo en 3D. En general las aplicaciones de simulación pueden llegar a ser realmente complejas y permitir todo tipo de trabajos de entrenamiento. Cuando disponemos de un sistema de adquisición de datos, unos sensores y además de una planta en forma de maqueta podemos establecer una plataforma completa para realizar el entrenamiento de los alumnos. Éste es el caso, por ejemplo, de una cadena CIM para entrenamiento en robótica, en la que se dispone de pequeños robots, cintas transportadoras, clasificadores de piezas y hasta pequeñas máquinas de mecanizado, mediante la cual podemos estudiar todos los pasos que se deben seguir para producir una pieza o objeto manufacturado. 4.2.-
Sistemas de Conexión del Software con el Mundo Físico
Los sistemas de conexión del software de simulación con el exterior pueden realizarse de las siguientes formas:
Figura 2 Tarjetas de Adquisición de Datos. Autómatas programables PLC • Entrenadores (puerto RS232 o Paralelo) • Redes de Datos y Buses • Internet (protocolo TCP/IP) • La conexión de los computadores a través de la red Internet permite el hacer uso de “recursos compartidos” a distancia así como el desarrollo de tutorías a distancia. •
5.- Principales Bloques Funcionales en un Entorno de Simulación. La implementación de una herramienta de simulación requiere el estudio detenido del campo en el que se va a dedicar pero en cualquier caso existen una serie de “ Bloques 8
Funcionales” que, por ser comunes a la mayoría de los entornos, vamos a enumerar. Un bloque funcional responderá siempre al concepto de “operador básico” en el contexto del campo de simulación de que estemos hablando . Los bloques funcionales se
interconectan unos con otros formando una malla de objetos que se asociará al modelo que deseamos simular. La información fluirá de unos a otros bloques realizándose a lo largo del tiempo los cálculos necesarios para poder evaluar el modelo. Los bloques en algunos casos están asociados a procedimientos de representación gráfica o a protocolos de comunicación de datos tanto a nivel interno (OLE, DLL, etc.) como externos (intercambio con hardware externo). Algunos tipos de bloques funcionales típicos son: •
•
• •
•
• • •
Generadores de Estímulos. - Señales binarias (Pulsadores, interruptores, etc.) - Señales analógicas (senoidales, triangulares, etc.) Funciones Matemáticas. - Operadores Booleanos - Operadores analógicos - Operadores de Control Funciones de tratamiento de la Señal. Representación gráfica de valores de salida. - Trazador xy - Trazador 3D - Instrumento de panel - Barras gráficas Funciones de tratamiento de ficheros. - Lectura/escritura de tablas - Manejo de ficheros de Excel, Acces, etc Funciones Multimedia. Funciones de Temporización. Funciones de tratamiento de datos externos - Tarjetas de adquisición. - Autómatas Programables - Entradas RS232
La mayor parte de estos bloques tienen asociados una serie de parámetros que el operador podrá modificar de acuerdo con la necesidad de su aplicación. En algunos simuladores los bloques funcionales se convierten en bloques de componentes, de tal manera que lo que el alumno tiene es una paleta de operadores eléctricos, electrónicos, neumáticos, etc., con los que realiza su esquema., disponiendo así mismo de bloques genéricos como los enumerados y que se utilizarán para visualizar resultados o para generar estímulos, ver figura 4.
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6.-
Fases en la realización de una actividad de Simulación.
A la hora de plantear una actividad de simulación con una herramienta es preciso realizar una serie de pasos que permitan llevar a cabo la actividad con buenos resultados. A modo de sugerencia y en base a mi propia experiencia con alumnos paso a enumerar los pasos siguientes. Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø
Elección de un modelo básico, fácil y sencillo. Estudio de los distintos operadores técnicos básicos. Análisis de los parámetros de Entrada/salida Estudio Funcional del modelo Modelización del sistema teniendo en cuenta los flujos de datos presentación Implementación del modelo con una herramienta Simulación en distintos escenarios Valoración de resultados.
y su
La utilización de herramientas de simulación en el aula es preciso que se sistematice por parte del profesor y que antes de ponerla al servicio de los alumnos estos hayan recibido la instrucción necesaria tanto en el terreno que se quiera aplicar como en el conocimiento de la propia herramienta. Las tareas de simulación deben empezar utilizando modelos fáciles de comprender e incluso de los que se conozcan sus resultados y comportamiento, de este modo se empezará por realizar simulaciones de pequeños sistemas, modelos o circuitos que sean rápidos de diseñar. Conviene así mismo conocer los distintos operadores que se van a manejar: sus parámetros de configuración, sus variables de entrada y salida y la función que van a realizar.
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A la hora de realizar el estudio de un modelo conviene tener claro el flujo y la naturaleza de los datos, ello nos permitirá saber interpretar los resultados . El uso de herramientas de simulación no garantiza el éxito en el aprendizaje si no se parte de un conocimiento de la materia que se está abordando y además en ningún caso se recomienda el uso de entornos de simulación inadecuados para el nivel en el que se está impartiendo una materia. Los entornos más potentes suelen estar recomendados
para niveles de estudios superiores. La elección de los escenarios de simulación, una vez construido el modelo, es muy importante, y de ella va a depender su comprensión. Un escenario debe estar siempre dimensionado de acuerdo con la realidad y siempre dentro de uno marco posibilista .
7.-
Evolución de las Herramientas de simulación.
En este apartado se pretende hacer un somero análisis de la evolución de los entornos y herramientas de simulación, apreciando los grandes cambios que han existido en la forma de concebir y utilizar las distintas herramientas. Sin lugar a dudas ha sido la evolución de los entornos y lenguajes de programación la que ha generado el mayor impulso para que evolucione este campo de la informática .
La incorporación de los nuevos medios gráficos y multimedia a dado lugar a un notable avance. Para una clasificación podemos distinguir tres grandes etapas o generaciones: 1ª Generación
Herramientas:
ðAplicaciones EAO ðAplicaciones en Basic, Pascal, Logo, etc..
Características: • • • •
Aplicaciones con Escasas posibilidades gráficas. Baja interactividad con el alumno. Escenarios de simulación rígidos. Estimulan poco la creatividad.
2ª Generación
Herramientas:
ðAplicaciones realizadas con multimedia en entorno Windows
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Neobook, Toolbook, Director, Macromedia, etc..
ðAparecen aplicaciones específicos para simulación Características: •
• • •
Incorporan elementos gráficos y una gran variedad de objetos (botones, sliders, meters, trazadores, etc.) Permiten la incorporación de Scrips, Macros, etc. Se pueden realizar actividades de autoevaluación Se pueden diseñar distintos itinerarios en función del proceso de aprendizaje del alumno.
3ª Generación
Herramientas:
ðEntornos y lenguajes gráficos. Visual Basic, Delphi, Java, etc..
ðSe crean herramientas de simulación que constituyen por si mismas entornos.
Características: • • • • • • •
Se introducen entornos que incorporan conexión con el exterior. Gestión plena de recursos multimedia Aplicaciones de aprendizaje a distancia. Técnicas de aprendizaje y acción tutorial inteligente. Protocolos de comunicación TCP/IP Incorporación de técnicas de programación orientadas a objetos Incorporación de técnicas OLE y ActiveX
12
8.-
Tipos de simuladores
En el cuadro aparece una clasificación de los simuladores más conocidos en función de las aplicaciones a las que están destinados y el nivel educativo en el que se recomienda su uso. Tipo
Electricidad Básica Electrónica Básica Electricidad-Mecánica Electrónica
Genérico Adq. Datos Control
Electro-Neumática SCADA Instrumentación Robótica
Herramienta
Edison Multimedia Logic Crocodile Clips Eñectronics WorkBench Tina CircuitMaker MicroCap V VisSim MATRIXx MATLAB Visual Designer DasyLab IAS WinFAC Diadem Automation Studio Lokoout LabView HP VEE Workspace
Nivel
ESO y Bachillerato ESO, FP ESO, FP Bachillerato, FP, Universidad FP, Universidad FP, Universidad FP y Universidad Universidad Universidad Universidad Universidad FP, Universidad Bachillerato, FP FP, Universidad Universidad FP, Universidad Universidad Universidad Universidad FP, Universidad
En el cuadro anterior se han reflejado algunas herramientas de las muchas que existen en el mercado. He omitido aquellas que han quedado obsoletas o de las cuales los creadores no han realizado actualizado sus versiones desde hace más de dos años. La idoneidad o no de una herramienta para un tipo de segmento educativo es una cuestión bastante relativa y es cierto que en los últimos años los suministradores de herramientas más sofisticadas han puesto a disposición de las instituciones académicas versiones educativas, de evaluación o de estudiante a unos precios realmente muy asequibles, por lo que a pesar de las bajas economías de estas instituciones, en muchos casos se pueden conseguir herramientas muy potentes por precios realmente interesantes.
8.1.- Proyecto Servive: Herramienta SimQuest Existen algunos proyectos desarrollados o en vías de desarrollo orientados a la confección de herramientas de simulación que recogen aspectos muy novedosos e interesantes en este campo. Uno de estos proyectos ha desarrollado la herramienta SimQuest, orientada al “aprendizaje por descubrimiento” desarrollada como proyecto Europeo “ Proyecto Servive”, de 13
ámbito internacional en el que participan varios países bajo la coordinación de la Universidad de Twente. Entre otros países España participa con dos instituciones la Universidad de Murcia y el Centro de Calculo Bosco (institución Salesiana) de Zaragoza. La herramienta en la actualidad esta en su versión 2.5 incorpora tecnología orientada a objetos y está realizada con VisualWorks que es un entorno de programación basado en Smalltalk. Se ha realizado para poder trabajar en Windows y en Mac. y es una interesante aplicación que conjuga las posibilidades de un lenguaje de autor con un entorno de simulación .
Figura 6 En realidad esta herramienta es algo más que una herramienta de simulación, es una herramienta de aprendizaje que incorpora entre otras cosas simulación. Por su carácter universitario y de experimentación plantea interesantes metodologías y estrategias que bien se pueden extrapolar a otros ámbitos y proyectos, representando en este momento una línea interesante de trabajo. SimQuest consta de cuatro grandes partes que a su vez suponen cuatro fases en el desarrollo de una aplicación: Interface, Modelo, Explicaciones y Tareas. En el esquema se pueden ver los cuatro módulos. La interface es
el conjunto de pantallas y elementos gráficos que se van a utilizar en el proyecto y en el que se integran objetos tales como objetos gráficos (push butons, sliders, termometros, Dials, gauges, etc), animaciones, videos, etc.. El modelo
será el conjunto de ecuaciones y operadores que representan el comportamiento matemático del sistema, la herramienta permite el uso de macros ya escritas que ahorran trabajo. El módulo de explicaciones
incorpora las acciones que permitirán al alumno recibir instrucciones y consejos para poder llevar a buen término la simulación, los eventos serán recogidos en función de las contestaciones que el alumno de a las preguntas que se le puedan formular o de las acciones que lleve a cabo cuando esté realizando una tarea. Estas explicaciones se podrán realizar en forma de sonidos, imágenes, videos, animaciones, etc. El módulo Assignments
(tareas o asignaciones) permite la construcción de experimentos basados en el modelo que hemos creado y haciendo uso de las interfaces que hemos definido. Éstas tareas pueden ser: Ejercicios, prácticas, cuestionarios, etc., orientados a la exploración del dominio o campo de aplicación en el que se este realizando la práctica.
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9.-
Elementos comparativos para una Clasificación:
En éste apartado se recogen una serie de criterios que pueden servir para establecer un comparativo de herramientas orientadas a la simulación y con ello poder realizar una investigación de recursos disponibles. La mayoría de las herramientas que se ofrecen en el mercado en la actualidad cumplen una buena parte de estos requisitos, si bien algunos de ellos están reservados a entornos más profesionales. No se han incorporado criterios de orden pedagógico en la tabla por ser estos muy diversos y propios de cada nivel educativo en el que analicemos la herramienta.
Criterios Comparativos Generador de código Operaciones con Vectores Admisión de código de usuario Aceptación de BMP en su bloques y fondos Jerarquía de modelos Bloques de representación gráfica Adquisición de datos
Módulos de Fuzzy Logic Módulos de Redes Neuronales Encapsulación de objetos Aceptación de tecnología ActiveX Aceptación de objetos OLE Modularidad Ampliación de librerías
La posibilidad de incorporar conexión con el exterior y trabajar con unidades de adquisición de datos resulta muy interesante y da mucho juego en aquellas disciplinas en las que se estudien sistemas u operadores técnicos de naturaleza mecánica, eléctrica, neumática, etc. Así mismo es muy importante la posibilidad de trabajar con lenguajes de programación gráfica y el intercambio de objetos OLE y ActiveX, ya que de este modo la herramienta gana en flexibilidad.
10. Principales corrientes de investigación en materia de simulación. Por los trabajos presentados últimamente a Congresos y Encuentros entre expertos tanto Universitarios como del mundo de la empresa se están realizando trabajos muy importantes tratando de unificar cuatro grandes campos: Inteligencia artificial, Técnicas de simulación, Multimedia e Internet . La inteligencia artificial aporta soluciones relativas a: La representación del conocimiento, la elaboración de técnicas de inferencia sobre bases de conocimiento, resolución de problemas, realización de tutores inteligentes, resolución de problemas etc..
Las técnicas de simulación se desarrollan buscando algoritmos matemáticos que agilicen los cálculos y sobre todo incorporan las tecnologías orientadas a objetos de los modernos lenguajes de programación con el fin de crear prototipos flexibles, ampliables y de código exportable.
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Los elementos y tecnologías multimedia facilitan la creación de entornos altamente productivos en lo que se refiere a la comunicación hombre-máquina, tendiendo cada vez más al uso de plataformas de trabajo altamente ergonómicas.
El uso de redes tanto “ intranets semiprivadas” como la propia “ red internet” esta cambiando sustancialmente la filosofía de los entornos de aprendizaje y por ,o tanto de las herramientas de simulación. De este modo se esta hablando de entornos de “aprendizaje colaborativo” de interfaces multiusuario y en definitiva se esta pensando en “campus virtuales de aprendizaje universal”. El desarrollo de las tecnologías informáticas facilitará sin duda la apertura de nuevos proyectos. Posiblemente nunca se llegue a definir un sistema completo de aprendizaje informático dado que las tecnologías de base están constantemente avanzando.
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11. Cuadros de Herramientas de Simulación El siguiente cuadro muestra un resumen de herramientas en las que figuran datos de fabricante, plataforma y costo aproximado.
Nombre
Fabricante-distribuidor
Versión/Plataforma
Costo Vers. Educ.
WinLab Pro Visual Designer DasyLab32 WorkBench WinFAC 96
8
Graf Electronik Systeme GmbH 8 Inetelligent Instrumentation 8 Dasytec Daten Sysetem Technik GmbH 8 Strawberry Tree, Inc. y Dasytec GmbH 8 Ingenieurbüro Dr. J. Kahlert. Http:// www.kahlert.com
V:2.98 Win3.1 v:3.0 Win3.1/Win95 v:4.0 Win95/NT V:2 Win3.1
---------------600 US$ 800 US$ 2.250 DM
DIAdem
8
GFS mbH
[email protected] 8 Com Pro-Hard&Software Vertriebs GmbH http:// www.com-pro.de 8 HEM Data Corporation 8 Com Tec GmbH
V:3.0 Win3.1/Win95
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FAMIC Technologies 2000 Inc. http://www.automationstudio.com Spectrum Software http://www.spectrum-soft.com © National Instruments http:// www.natinst.com © National Instruments http:// www.natinst.com Hewlett Packard http:// www.hp.com © Visual Solutions Inc. http:// www.vissim.com © Integrated Systems, Inc. © The MathWorks, Inc. http:// www.mathworks.com
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Bibliografía: ♦
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