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Módulos de electrónica y robótica

Material pedagógico complementario de electrónica para clases de transición en semillero de ciencia y nivel básico de escuela de robótica y electrónica del gimnasio campestre

Marzo 14, 2016

Autores

José Cuida
Docente Escuela de Formación Robótica y Electrónica
[email protected]

Francisco Escobar
Docente
[email protected]

Resúmen

En este proyecto se diseñó y construyó la primera fase de un kit de electrónica para que los estudiantes de Transición, del Semillero de la Ciencia, y del nivel básico de la Escuela de Formación de Robótica y Electrónica tengan una mejor comprensión de sus conceptos básicos. El kit posee unas conexiones claras que evitan realizar errores de conexión como cortos circuitos. También se diseñó un código de colores que facilita al estudiante entender y armar cada uno de los módulos propuestos. Una encuesta aplicada a los estudiantes mostró una mayor facilidad y rapidez al armar los circuitos con el kit desarrollado, frente a los elementos que normalmente se utilizan para estas clases.

Introducción

En la actualidad existen varias empresas que producen kits pedagógicos para que los estudiantes puedan acceder de una forma más tangible y práctica a los conocimientos científicos, razón por la que algunos colegios lo han implementado en sus programas curriculares y debido a que la actividad experimental es un proceso clave para la enseñanza y aprendizaje (Carrascosa, 2006). Usar múltiples tipos de ayudas como audiovisuales, impresos,recursos multisensoriales y tecnológicos facilitan un determinado aprendizaje (Feo, 2010).
 
Proyectos como La robótica como herramienta para la educación en Ciencias e Ingeniería (González, 2009), Implementación de una nueva estrategia metodológica “kit de experiencias interactivas y divertidas de química con buen arte y arte con buena química” en estudiantes de sexto a octavo grado” (Osorio yCabrera, 2012) y Estrategias didácticas para la enseñanza de la biología molecular y la biotecnología, en estudiantes de educación media (Said, Acevedo, Urzúa, Cifuentes y  Sepúlveda, 2013) son la prueba de que este tipo de recursos multisensoriales facilitan el aprendizaje de una manera práctica basada en la experimentación. En Colombia la Pontificia Universidad Javeriana ha realizado proyectos implementando ambientes virtuales de aprendizaje como los juegosde Rol (Rodríguez, Lozano, Castaño y Díaz, S.F.).
 
Este proyecto pretende diseñar, construir y aplicar un kit enfocado en electrónica y robótica para ser utilizado con estudiantes de transición de Semillero de la Ciencia y nivel básico de la Escuela de formación de Robótica y Electrónica.
 
Adicionalmente, se incorpora una cartilla que incluye conceptos y ejercicios para una mejor comprensión de la clase. También se quiere evaluar el desempeño de los estudiantes a los cuales se enseña con y sin el kit para mostrar las fortalezas y debilidades del proyecto.
 

Metodología

Para este proyecto se utilizó una metodología empírico analítica, ya que se delimito un problema y a partir de este se realizó la búsqueda de la información pertinente para suplir estas necesidades.
 
Con dicha información se realizaron los diseños y pruebas necesarias para verificar la validez de la hipótesis.
 

Marco teórico

En la actualidad se ha venido cambiando la educación de los jóvenes mediante el uso de materiales pedagógicos de laboratorio, que facilitan el aprendizaje de conceptos teóricos mediante prácticas con elementos diseñados específicamente para temáticas como química, física,electrónica, etc.

Tomando como ejemplo la física tenemos que a nivel comercial están los kits de Physics Pro de la empresa Thames & Cosmos, en donde con material de laboratorio se estudian temáticas de estática, dinámica, fluidos, energía, oscilación, hidráulica y neumática y en donde con dichos experimentos y modelos se valida cada una de las lecciones aprendidas.

Dentro del área de circuitos y mecánica los más conocidos son:

Lego Mindstorms: reconocida plataforma de la empresa LEGO que se caracteriza por ser modular y su posibilidad infinita de armar cualquier modelo. Se caracteriza por un brick programable al cuál se pueden conectar múltiples sensores y motores.
 
Posee varias posibilidades de duplicación y programación con múltiples softwares. Usado en instituciones educativas a nivel mundial, en torneos de robótica, clases especializadas de ingeniería y de uso entusiasta
 
Snap Circuits Kits: plataforma comercial de electrónica básica en donde se trabajan los conceptos de conexiones y uso de elementos discretos de la  electrónica; se caracteriza por la designación y enmarcación de cada uno de sus componentes a conectar.

Littlebits kit: plataforma comercial de electrónica en donde se trabajan los conceptos de conexiones y uso de elementos discretos de la electrónica. Con una característica que lo hace único y es su conexión mediante imanes los cuales determinan si la conexión se puede hacer o no evitando que los componentes sean colocados erróneamente, además de una posibilidad de trabajar con plataformas comerciales reconocidas como Arduino.
En la tabla 1 se pueden ver las comparaciones de algunos de estos productos. Se observa que este tipo de material exige una inversión alta para una institución educativa y que dependiendo de los conceptos que se quieran trabajar hay unos que sirven más que otros. Por esta razón se busca que el Gimnasio Campestre desarrolle un material que tenga las mejores características de cada uno de ellos, que ayude a los niños a reconocer de los conceptos mecánicos y electrónicos que se trabajan en la clase.
 

Desarrollo del pryecto

Circuitos eléctricos

Con éste proyecto se buscó diseñar un kit con los siguientes temas:
  • Circuitos en serie: Configuración de conexión en la que los terminales de los se conectan secuencialmente, esto significa que es la conexión de salida de un dispositivo que se conecta a la de entrada del siguiente (figura 4).

  • Circuitos en paralelo: Conexión donde los nodos de entrada de todos los dispositivos conectados coinciden entre sí, al igual que los nodos de salida (figura 5).

  • Componentes discretos simples: Elementos con sólo un componente pasivo (resistor, condensador, etc.) o activo (transistor o válvula de vacío), en vez de un circuito integrado. Típicamente se refiere a dispositivos semiconductores
    (figura 6).

  • Sensores simples: Sensores que representan un cambio de voltaje con la variable que están midiendo (figura 7).

  • Actuadores simples: Generalmente motores DC, los cuales se componen de un embobinado que al tener una corriente, producen una fuerza electromagnética la cual mueve el eje (figura 8).

Teniendo en cuenta estas temáticas, se creó un material pedagógico y didáctico que facilitara lo anteriormente mencionado, para lo cual se tuvieron en cuenta los siguientes puntos:

  • Códigos de colores: Se definieron colores con los que se lograran diferenciar los módulos y las conexiones, esto con el fin de enseñar y recordar a los usuarios que deben realizar las conexiones con los colores correspondientes.
  • Conexiones: Para evitar conexiones erróneas y cortos en los circuitos se diseñaron conexiones para que solo exista una forma de unión, de modo que en caso tal de que se intente realizar una conexión incorrecta sea mecánicamente imposible.
  • Fabricación: Se construyeron los circuitos necesarios para proceder a la manufactura de los PCB (Printed Circuit Boards) que después fueron recubiertos con carcazas de acrílico con el código de color anteriormente nombrado.
  • Cartilla: Se diseñó una cartilla de acompañamiento para los estudiantes que ayudara en la guía de los ejercicios para los estudiantes en clase.

Desarrollo esquemático del material

Se propuso una conexión modular para el acople entre ellos y se colocaron los elementos en un orden específico para que interconectarán los nodos del circuito. Se debe iniciar con un módulo de alimentación que podrá ser alimentado
mediante baterías (figura 9). Este módulo tiene un color azul con dos terminales los cuales serán la alimentación positiva y tierra.

Para las conexiones se diseñaron regletas en las cuales las terminales positivas tienen una regleta macho y las terminales negativas una regleta hembra, asegurando que siempre se conecten de acuerdo al primer módulo de alimentación (figura 10).

Adicionalmente se dispone de unos módulos amarillos denominados OUT que tienen una conexión en paralelo. A continuación se presentan dos ejemplos de dichos módulos con OUT en un Led y en un motor DC (figura 11).

De igual forma se podrán realizar ciertas conexiones en serie con regletas OUT diseñadas específicamente para una conexión en serie (figura 12).

Si se desea realizar más conexiones en serie existirán mini extensores para los terminales positivos y negativos (figura 13).

También se diseñaron unos módulos naranja que indicaran INPUTS, es decir entradas o sensores (figura 14)

Conexiones entre los módulos

De acuerdo a lo anteriormente explicado, se mostrará cómo van a ser las conexiones de los módulos.
Conexión de Regletas a módulos: Una parte esencial del proyecto consiste en enseñar a los usuarios a realizar las conexiones de manera correcta.

Como se muestra en la figura 15, debido a que los pines están diseñados para que encajen con sus regletas específicas, no es posible realizar una conexión errónea evitando daños por cortos circuitos.

Ejemplos con circuitos básicos

A continuación se muestra una conexión de módulos con su respectivo esquema para visualizar como sería un ejercicio de circuitos con el material pedagógico propuesto:
En la figura 16 se puede observar un circuito básico en donde hay una fuente y un elemento discreto (en este caso un LED).

Esta conexión de módulos puede verse diagramada en el siguiente esquemático (figura 17).

En la siguiente conexión se puede ver un INPUT en serie, en este caso un interruptor al mismo circuito anterior (figura 18).

Como se puede observar en la figura 18 realizar las conexiones con los módulos es rápido, seguro y sencillo. Sin embargo, hay circuitos más complejos los cuales requieren ayuda del docente y de un material extra para ser trabajados, por esta
razón se decidió hacer una guía (cartilla) la cuál va a ilustrar ciertos circuitos y módulos a usar.

Todos los gráficos de los componentes electrónicos se sacaron de la biblioteca del software FRITZING.

Diseño de los módulos

Para la creación de los módulos se decidió implementar el diseño por vectores para posteriormente realizar la exportación a un software de cortes láser. El material usado fue acrílico por su costo y facilidad en la manufactura. Adicionalmente se diseñó el layout de PCB (circuito impreso) para cada módulo.

Diseño de circuitos:

A continuación se presenta una explicación detallada de cada módulo con su esquema del PCB correspondiente: Módulo de poder: Encargado de dar el voltaje necesario al resto de circuitos, contiene un LED indicador de poder y un regulador de voltaje necesario para la aplicación (figura 19).

  • Módulo de LED en paralelo: Contiene un elemento discreto denominado LED o diodo emisor de luz, con su resistencia de protección y una configuración en paralelo (figura 20).

 

  • Módulo de LED en serie: Contiene un elemento discreto denominado LED o diodo emisor de luz. Posee su resistencia de protección. Su configuración es en serie, siendo similar a la conexión de regletas positivas y negativas (figura 21).

  • Módulo de motor: Contiene un motor DC (Corriente continua) con un variador de voltaje el cual sirve para variar la velocidad (cambio de voltaje) del motor mediante un potenciómetro (figura 22).

  • Módulo de interruptor en serie: Contiene un pulsador de tipo ON/OFF para cortar o activar la energía en el circuito (figura 23).

  • Módulo de potenciómetro en serie: Contiene un potenciómetro de 10k conectado a los pines central y de un extremo para variar resistencia en el circuito (figura 24).

 

  • Módulo de fotorresistencia en serie: Contiene una fotorresistencia para variar resistencia en el circuito mediante el cambio de luz.
  • Módulo de conexión negativa y positiva: Permiten la conexión de los extremos negativos y positivos del circuito, se diferencian por sus pines que cambian en macho y hembra para evitar la mala conexión del circuito (figura 25).

  • Extensores: Permiten la conexión en serie de mas módulos diseñados de tipo serie (figura 26)

Diseño de vectores para cortes láser

Con base en los anteriores diseños de circuitos en PCB se realiza una exportación en PDF a tamaño 1:1 para realizar la importación en un software de diseño por vectores.
Se obtienen los siguientes vectores guía (figura 27):

A partir de estos vectores se diseñan los cortes láser para los determinados colores de acrílicos de acuerdo a los módulos.

Se escogieron los siguientes colores para los módulos (tabla 2).

La selección de colores para cada módulo busca establecer una ayuda visual para los usuarios y facilitar así el aprendizaje de cómo va a ser la conexión.

Los cortes láser se diseñan en milímetros, con un acrílico de espesor de 3mm para el corte.

Resultados

Kit modular: De acuerdo al diseño anterior se obtuvieron los módulos del kit vistos en la figura 29.

Cada conexión, sea macho o hembra, equivale a un nodo en un circuito real. De color azul encontramos el módulo de poder el cual cuenta con dos baterías AA que equivalen a un total de 3 voltios, un LED indicador de que efectivamente hay poder y las regletas correspondientes. De color rojo encontramos los módulos de conexión positiva que poseen conector macho y equivalen a un cable de conexión. De color negro van los módulos de conexión negativa, los cuales poseen conectores hembra y equivalen a un cable de conexión. De color amarillo hay dos módulos diferentes: el primero es el módulo de LED, el cual consta de un led emisor de luz (diodo), e internamente tiene sus resistencias correspondientes de acuerdo al voltaje del circuito. El segundo es el módulo de motor, el cual consta de un moto-reductor a 100 RPM y 1 kg*cm.

Finalmente encontramos dos módulos naranja. El primero es un módulo de pulsador que corta la conexión que lleva, y el segundo es el módulo de fotorresistencia, el cual posee una resistencia variable por luz. Ambos módulos poseen
conector macho.

Cartilla: La cartilla consta de una introducción a elementos electrónicos, una introducción a circuitos en serie y en paralelo, y una serie de ejercicios, que al ser ejecutados, permite que los estudiantes entiendan conceptos básicos y realicen más combinaciones de las que allí presentaron en los ejercicios, teniendo una definición clara y tangible del concepto estudiado.

Pruebas con estudiantes: Para la prueba piloto se tomó un número de diez estudiantes con y sin conocimientos de electrónica y se hizo el siguiente experimento:

  1. Se escoge un circuito básico y se brinda al estudiante los componentes que normalmente se usan en el laboratorio para construir el circuito.
  2. Se espera un tiempo sin dar ninguna instrucción (manteniendo siempre bajo supervisión en el estudiante).
  3. Se contabiliza el tiempo que tarda el estudiante en completar la prueba, si no la completa se toma nota.
  4. Se entrega al estudiante los módulos con los cuales se arma el circuito escogido.
  5. Se espera un tiempo sin dar ninguna instrucción (manteniendo siempre bajo supervisión al estudiante).
  6. Se contabiliza el tiempo que tarda el estudiante en completar la prueba, si no la completa se toma nota.
  7. Se aplica el cuestionario con las siguientes preguntas:

¿ Disfrutaste trabajar con el kit?
¿ Entiendes que hacer con las piezas del kit?
¿ Te gustaría una clase con este kit?
Adicional el evaluador califica las siguientes preguntas:
¿ El estudiante completó la prueba sin el kit?
¿ El estudiante completó la prueba con el kit?
¿ El estudiante tardó menos de un minuto para entender las piezas del kit?

Con base en el anterior estudio se obtienen los siguientes resultados:
Se tomó una población al azar de estudiantes entre transición y bachillerato a quienes se aplicó como test las anteriores preguntas.
Los resultados obtenidos se observan en la figura 30:

Los resultados de los estudiantes fueron:

  • Todos los estudiantes que trabajaron con el kit, lo hicieron mejor que los que usaron los elementos normales de electrónica.
  • La mayoría de los estudiantes que utilizaron el kit preferirían usarlo en las clases.
  • Los estudiantes que no utilizaron el kit no terminaron el circuito.
  • Solo un estudiante logró completar con el kit en menos de un minuto.

Adicionalmente se le aplicó la prueba a 3 docentes quienes pertenecen uno al área de artes, uno al área de ciencias y un docente externo de las Escuelas de Formación.

Los resultados obtenidos fueron:

En general todos los docentes disfrutaron y entendieron trabajar con el kit. Adicionalmente, los docentes recomiendan el uso del kit para aplicarlos en las clases.
Ningún docente completó la prueba sin el kit, mientras que con el kit todos lo lograron. Finalmente, solo un docente logró completar la prueba en menos de un minuto.

Conclusiones

Luego de diseñar y construir los módulos y aplicar la encuesta se obtienen las siguientes conclusiones:
El kit posee un diseño llamativo para los estudiantes que facilita la incorporación de este a las clases mencionadas en los objetivos.
El kit posee unas conexiones claras que evitan realizar errores de conexión, como cortos circuitos, los cuales pueden ocasionar accidentes de ser mal manipulados.

El código de colores facilita al estudiante entender y armar cada uno de los módulos que se diseñaron.
En general tanto profesores como estudiantes prefieren usar el kit en las clases, ya que entienden rápidamente como armar los circuitos y evitan errores.
La cartilla es una herramienta adicional que ayuda al docente en clase, pues cada estudiante realiza los ejercicios propuestos y el docente aclara las dudas y conexiones que se deban hacer.
Las combinaciones que se pueden hacer con las piezas actuales cubren la teoría de los conceptos sobre circuitos en serie y en paralelo.
Es un kit de precio asequible que puede continuar su desarrollo. Sin embargo, se pueden hacer mejoras en cuanto a las conexiones para que no solo sean “obvias” para las personas que las usan, sino que también sean más fáciles de conectar
como una conexión magnética, u otro tipo de terminales electrónicos.
Se espera continuar con una nueva fase de desarrollo buscando nuevos materiales para circuitos, conexiones y manufactura.

Lista de referencias

Carrascosa, J, (2006). Papel de la actividad experimental en la educación científica. Cuba.
Feo, R, (2010). Orientaciones básicas para el diseño de estrategias didácticas. [Fecha de consulta: 29/05/2015] http://www.tendenciaspedagogicas.com/Articulos/2010_16_13.pdf.
González, J, (2009). La robótica como herramienta para la educación en Ciencias e Ingeniería. Medellín - Colombia. Revista Iberoamericana de Informática Educativa, Numero 10, Julio - Diciembre 2009.
Osorio, A. y Cabrera L, (2012). Implementación de una nueva estrategia metodológica “kit de experiencias interactivas y divertidas de química con buen arte y arte con buena química” en estudiantes de sexto a octavo grado. Universidad Tecnológica
de Pereira. [Fecha de consulta: 29/05/2015]. http://repositorio.utp.edu.co/dspace/handle/11059/3044
Rodríguez, E., Lozano F., Castaño B.y Díaz D, (S.F.). Aplicaciones pedagógicas del Juego de rol en la Educación Virtual: Una experiencia en el contexto del Examen de Estado. Bogotá D.C. [Fecha de consulta: 29/05/2015].http://edutec.rediris.es/Revelec2/revelec23/ro_lo_cas_di/Rodriguez_Lozano_Castano_Diaz-%20EDUTEC.pdf.
Said, A., Acevedo, E., Urzúa, B., Cifuentes V. y Sepúlveda D, (2013). Estrategias didácticas para la enseñanza de la biología molecular y la biotecnología, en estudiantes de educación media. IX Congreso. Internacional Sobre Investigación en Didáctica de las Ciencias. [Fecha de consulta: 29/05/2015]. http://congres.manners.es/congres_ciencia/gestio/creacioCD/cd/articulos/art_451.pdf.
 

Este documento fue tomado de www.revistaelastrolabio.com

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