La asignatura “Proyecto de Máquinas”, asociada a la iniciativa Industriales Ingenia, constituye una versión mejorada y ampliada de la asignatura “Proyecto de Máquinas” de 5º curso de Plan 2000 de la titulación de Ingeniería Industrial, especialidad de máquinas. Dicha asignatura ha empleado durante 10 años un enfoque de aprendizaje basado en proyectos, en el que los alumnos vivían el proceso completo de diseño de una máquina, conforme a las metodologías de aprendizaje activo promovidas con la implantación del Espacio Europeo de Educación Superior. Sin embargo, por motivos de tiempo, la vivencia de los alumnos sólo se concentraba en las fases de detección de una necesidad, planificación de producto, diseño conceptual e ingeniería básica, sin llegar a las etapas de fabricación, montaje, ensayo y revisión de diseño, en las que el aprendizaje es muy destacable.

Las asignaturas de tipo “Ingenia” plantean un desafío y nos permitirían cumplir con lo que siempre hemos deseado para diversas asignaturas de nuestra unidad docente: que los alumnos sean capaces de vivir el proceso de desarrollo completo de una máquina, desde su concepción, hasta su puesta en funcionamiento. El hecho de que la asignatura sea anual, permitiría completar la fase de diseño (primer cuatrimestre) con la fabricación de prototipos reales (segundo cuatrimestre), sobre los que realizar ensayos funcionales y analizar las decisiones de diseño tomadas, para discutir posibles mejoras.

Información adicional sobre las experiencias vividas en Proyecto de Máquinas de Plan 2000, en la que los alumnos han diseñado más de 100 ingenios durante los últimos 10 años, se puede encontrar en

https://www.dropbox.com/s/f08q98unuk5zapg/Grupo5_maleta_cargadora.pptx

(enlace a un trabajo realizado por un grupo de alumnos de la asignatura predecesora en el primer cuatrimestre del curso 2013-2014) así como en las imágenes adjuntas a esta propuesta, y en:

-        Munoz Guijosa, J.M., Díaz Lantada, A., Echávarri, J.; Muñoz Sanz, J.L., Chacón Tanarro, E.; Lafont Morgado, P. et al..- “Preparing Mechanical Engineering students for product desgin profesional practice through PBL: Planning and execution of the subject “Product design methodology””. ASME 2011 International Design Technical Conference & Computers and Information Tech Conference.

Por otro lado, la ampliación de contenido y de actuaciones prácticas nos permitirá aplicar numerosas novedades y estrategias de mejora detectadas, tras análisis sistemático de las metodologías de aprendizaje basado en proyectos, ligadas a aspectos de planificación, organización, metodología docente, seguimiento y evaluación, según se detalla en:

-        Díaz Lantada, A.; Lafont Morgado, P.; Muñoz-Guijosa, J.M.; Muñoz Sanz, J.L.; Echávarri Otero, J., Chacón, E.; De la Guerra, E..- “Towards successful project-based teaching-learning experiences in Engineering Education”. International Journal of Engineering Education, 29(2), 2013.

Así pues, la asignatura “Proyecto de Máquinas”, a la que el presente proyecto está íntimamente ligada, está orientada a potenciar la aplicación de conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera, especialmente en relación a temas de Ingeniería Mecánica de Máquinas, empleando un enfoque de aprendizaje basado en proyectos. Los alumnos trabajarán en equipos viviendo el proceso completo de desarrollo de una máquina, desde las fases de detección de una necesidad y de diseño conceptual, hasta la ingeniería de detalle, incluyendo la construcción de prototipos sobre los que analizar las decisiones de diseño tomadas y proponer mejoras. Pretende aportar a los alumnos una metodología sistemática para el desarrollo de máquinas, productos y, en general, para la resolución de problemas reales ligados a Ingeniería Mecánica. Pretende servir también como ejemplo de metodología de cara a preparar a los alumnos para afrontar el futuro desarrollo de sus proyectos fin de carrera con mayores garantías de éxito.

Se pretende preparar a los alumnos para una incorporación al mundo laboral más directa y para que sean capaces de afrontar futuros proyectos profesionales, llevados a cabo por equipos multidisciplinares, con mayores garantías de éxito. Se pretende trabajar especialmente las competencias siguientes: (a) habilidad para aplicar conocimientos científicos, matemáticos y tecnológicos a la ingeniería; (b) habilidad para diseñar y realizar experimentos así como analizar e interpretar datos; (c) habilidad para diseñar un sistema o producto (el proyecto de una máquina) que alcance los requisitos deseados teniendo en cuenta restricciones realistas; (d) habilidad para trabajar en equipos multidisciplinares; (e) habilidad para identificar, formular y resolver problemas de ingeniería; (f) comprensión de la responsabilidad ética y profesional; (g) habilidad para comunicar eficazmente; (h) educación amplia necesaria para entender el impacto de las soluciones ingenieriles; (i) compromiso con el aprendizaje continuo; (j) conocimiento de temas contemporáneos; (k) habilidad para usar las técnicas, destrezas y herramientas ingenieriles modernas; (m) organización y planificación; y (n) creatividad. Por ello, la evaluación de las mismas cobra un papel especialmente relevante de cara al presente proyecto de innovación educativa, puesto que nos permitirá verificar si los objetivos que se persiguen, con la conversión de la asignatura Proyecto de Máquinas de Plan 2000 a la iniciativa Industriales Ingenia del Máster en Ingeniería Industrial, se alcanzan de forma adecuada. Nos servirá también para plantear acciones correctoras de a cursos futuros. Además, las actuaciones llevadas como apoyo a la implantación de “Proyecto de Máquinas” en el Máster de Ingeniería Industrial, servirán también para aportar nuevos ejemplos de cálculo, casos de estudio completos y herramientas adicionales de evaluación a otras asignaturas de nuestra unidad docente como: “Teoría de Máquinas y Mecanismos”, “Diseño de Máquinas I y II” y “Cálculo de Máquinas”. Por lo que el número de alumnos que se beneficiarán de los resultados del presente proyecto es destacable. 

Por tanto, los objetivos que establecemos en el proyecto propuesto son los siguientes:

-  Integrar actividades formativas, relacionadas con los distintos niveles de desarrollo de una nueva máquina (detección de una necesidad, planificación de producto, diseño conceptual, ingeniería básica y de detalle, contemplando aspectos de fabricación y montaje, ensayo, revisión de diseño, puesta en producción y gestión de la vida útil), en la asignatura “Proyecto de Máquinas” dentro del marco Industriales Ingenia.

- Establecimiento de un sistema de evaluación de la experiencia que se centre en la valoración de la adquisición por parte de los alumnos de competencias profesionales, incluyendo: (a) habilidad para aplicar conocimientos científicos, matemáticos y tecnológicos a la ingeniería; (b) habilidad para diseñar y realizar experimentos así como analizar e interpretar datos; (c) habilidad para diseñar un sistema o producto (el proyecto de una máquina) que alcance los requisitos deseados teniendo en cuenta restricciones realistas; (d) habilidad para trabajar en equipos multidisciplinares; (e) habilidad para identificar, formular y resolver problemas de ingeniería; (f) comprensión de la responsabilidad ética y profesional; (g) habilidad para comunicar eficazmente; (h) educación amplia necesaria para entender el impacto de las soluciones ingenieriles; (i) compromiso con el aprendizaje continuo; (j) conocimiento de temas contemporáneos; (k) habilidad para usar las técnicas, destrezas y herramientas ingenieriles modernas; (m) organización y planificación; y (n) creatividad.

-Realización por parte de los profesores de una prueba piloto de las diferentes actividades teóricas y prácticas a llevar a cabo en la asignatura: creemos muy necesaria la realización, por parte de los profesores, del mismo trabajo de fabricación que llevarán a cabo los alumnos. Por otra parte, la ejecución de la asignatura permitirá también detectar las desviaciones entre los niveles de recursos materiales, humanos y temporales planificados y realmente utilizados.

FASE 0: DIFUSIÓN

La fase 0 comienza con la adaptación de la ficha de la asignatura “Proyecto de Máquinas” a un tríptico informativo, con la intención de difundir las nuevas posibilidades que ofrece (y las nuevas responsabilidades que implica) participar en esta asignatura, con respecto a su predecesora en Plan 2000. El resultado de la difusión será una lista preliminar de posibles participantes que nos ayudará a tener, antes de verano, una estimación de posibles participantes y organizar la asignatura en función de la previsión de participantes. Para ello la difusión se realizará en junio-julio.

Por otra parte, se seleccionará a los alumnos becarios del proyecto. Se han mantenido reuniones con varios grupos de alumnos que realizaron la asignatura "Proyecto de Máquinas" en el primer cuatrimestre del curso 2013-2014, en 5º curso de Mecánica-Máquinas de Ingeniero Industrial Plan 2000. Un grupo de 5 alumnos ya ha mostrado interés en colaborar en el proyecto, en particular para la fabricación del producto que desarrollaron en dicha asignatura.

FASE 1: ESTUDIOS PREVIOS Y ESPECIFICACIÓN DE PRODUCTO

Los alumnos se dividirán en grupos de 4 o 5 personas y recibirán un contexto sobre el que trabajar en equipo, ligado al desarrollo completo de distintas máquinas (que irán cambiando curso a curso para mantener la novedad y promover la renovación y mejora continua de la asignatura). Tras estudio adecuado del mercado y de la competencia, inspirándose en patentes, planos y diseños de máquinas similares, los alumnos diseñarán versiones sencillas y de bajo coste, de las distintas máquinas propuestas, generando como consecuencia de la etapa de estudios previos una lista de especificaciones sobre las que trabajar. Se espera que tras esta fase se disponga de una colección de posibles temas de trabajo, a proponer en siguientes cursos académicos.(Septiembre-Octubre). En estas fechas los profesores realizarán, junto al grupo de alumnos becarios, el desarrollo de un prototipo similar al que fabricarán los alumnos de la asignatura.

FASE 2: DISEÑO CONCEPTUAL

Para cumplir con las especificaciones, los alumnos continúan trabajando, estableciendo la función global del sistema, dividiéndola en las sub-funciones principales, encontrando los principios resolutivos para las distintas sub-funciones y, por integración y evaluación, llegando al principio resolutivo adecuado, y, en consecuencia, al concepto de producto. (Octubre-Noviembre).

En esta fase, y a diferencia de la asignatura predecesora, podremos incluir de forma mucho más fiable y amplia las funciones correspondientes a la regulación automática del producto, gracias a las funcionalidades que prestarán los dispositivos tipo Arduino con los que se trabajará. En la asignatura predecesora estas subfunciones eran intencionadamente minimizadas dada la imposibilidad de incluirlas en el proceso de ingeniería básica.

FASE 3: INGENIERÍA BÁSICA

Los alumnos continúan trabajando sobre el concepto de producto para definir geometrías, materiales, principios de accionamiento, transmisión y actuación, con ayuda de herramientas de diseño e ingeniería asistidas por computador, en lo que constituye la ingeniería básica. Los alumnos becarios serán una gran ayuda dada su experiencia con el desarrollo realizado como alumnos de la asignatura predecesora, así como con la fabricación de dicho desarrollo llevada a cabo con los profesores proponentes. (Noviembre-Diciembre).

FASE 4: INGENIERÍA DE DETALLE

Se realiza una optimización final de geometrías y se finaliza el diseño con la selección de elementos comerciales y la preparación de documentación para los procesos de fabricación posteriores (planos o archivos CAD 3D). (Diciembre-Enero).

FASE 5: FABRICACIÓN DE PROTOTIPOS

Los diseños se fabricarán con ayuda de las tecnologías disponibles en el Laboratorio de Desarrollo de Productos y en el Laboratorio de Máquinas y Mecanismos y recurriendo a elementos comerciales, para los que los alumnos también contarán con nuestro patrocinio. (Febrero-Abril).

FASE 6: VALIDACIÓN DE DISEÑO Y PROPUESTAS DE MEJORA

Las distintas máquinas se montarán y ensayarán como apoyo a la validación del diseño y para propuesta de mejoras finales, incluyendo presentaciones finales de los trabajos y debates entre los grupos de alumnos. Las máquinas construidas quedarán a disposición de la unidad docente para futuras prácticas en diversas asignaturas como “Teoría de Máquinas y Mecanismos”, “Diseño de Máquinas I y II” y “Cálculo de Máquinas”. (Abril-Mayo).

FASE 7: EVALUACIÓN DE LA EXPERIENCIA

La evaluación es un aspecto clave para el éxito de la presente propuesta, puesto que pretende potenciar al menos 13 competencias, como apoyo al marco de desarrollo de competencias de la ETSII-UPM, y resulta también un desafío para los docentes responsables, ya que se debe evaluar a unos 25 alumnos, cuyo resultado final es el desarrollo en equipo de una o varias máquinas. 

Es necesaria una estrategia especial para promocionar los dos aspectos clave en la evaluación de experiencias en equipo de aprendizaje basado en proyectos, que son: interdependencia positiva (conseguir que todos los participantes se impliquen en el desarrollo) y exigibilidad individual (discriminar individualmente para evitar asignar una calificación grupal única).

La interdependencia positiva está garantizada por la complejidad del proyecto que puede resultar inviable en caso de que alguno de los componentes de los equipos no colabore. Observaremos a los equipos de forma adecuada y verificaremos la implicación de todos los integrantes. Para posibilitar la exigibilidad individual planteamos una estrategia basada en distintos métodos de evaluación y con un reparto descrito a continuación:

-       Un 30% de la calificación corresponde a la resolución individual de ejercicios entregables al final de diferentes sesiones teórico-prácticas relacionados con aspectos de búsqueda creativa de soluciones, aplicación de fundamentos de ingeniería mecánica a problemas concretos de diseño, empleo de herramientas de diseño, simulación, optimización y fabricación, propuesta de planes de ensayo, análisis de seguridad, propuestas de planes mantenimiento, análisis de impacto ambiental, entre otros.

-       Un 30% de la calificación corresponde a la implicación de los alumnos durante los meses de trabajo en el desarrollo completo de la máquina. Para ello se utilizará una estrategia de co-evaluación en la que los alumnos evaluarán a sus compañeros utilizando plantillas de evaluación sencillas ligadas a las distintas competencias objeto de evaluación. El equipo de docentes resolverá posibles conflictos.

-       Un 30% corresponderá a la evaluación sobre la calidad de las máquinas desarrolladas por parte del equipo de profesores con calificación única por grupo. Para ello se llevarán a cabo estudios sobre las máquinas desarrolladas, se presentarán informes finales y se realizarán presentaciones públicas que ayudarán a maximizar el aprendizaje conjunto. 

-       Un 10% de la calificación corresponde a la superación individual de un test de competencias profesionales, cuya definición se realizará a lo largo del presente proyecto.

La implementación eficaz de dicha estrategia de evaluación precisa de unos recursos de apoyo destacables. Afortunadamente se cuenta con plantillas de evaluación de diferentes competencias transversales fruto de proyectos de innovación educativa y de proyectos institucionales de la ETSII, pero será necesario complementarlas con herramientas adicionales y, a ser posible, con software diverso y recursos “online” adicionales

EvDado que el proyecto que se propone pretende servir de prueba piloto, para ajustar la utilización de los recursos y optimizar el aprendizaje de los alumnos, especialmente en las actividades que se añaden a la asignatura predecesora, las conclusiones más importantes se obtendrán tras la impartición de la asignatura Ingenia "Proyecto de Máquinas" del curso académico 2015-2016. No obstante, su evaluación se realizará mediante los siguientes indicadores adelantados, a computar al final del proyecto:

-Comparación entre los resultados de aplicación de las rúbricas de la asignatura predecesora y las diseñadas en la asignatura propuesta

-Comparación entre los resultados de las rúbricas de la asignatura propuesta con los de las de otras asignaturas Ingenia

-Evaluación del nivel de desarrollo de los prototipos realizados (ensayos superados/ensayos no superados, cumplimiento de requisitos de ciclo de vida)

-Encuestas específicas de satisfacción de los alumnos

-Listado de desviaciones entre la planificación inicial y la experiencia tras la impartición de la asignatura propuesta en el curso académico 2014-2015. Análisis de causas de las desviaciones.

-Plan de acciones correctoras para el curso 2015-2016