En campos de conocimiento como la informática o electrónica, los enormes avances tecnológicos de las últimas décadas han dado lugar a estandarizaciones tanto de buenas prácticas como de componentes y subconjuntos. Dichos elementos tienen además un bajo coste y tamaño, y se fabrican en grandes series. En ingeniería mecánica, en cambio, los componentes tienen tamaños y pesos varios órdenes de magnitud superiores, lo que obliga a la optimización de peso y coste, existiendo además diferentes principios resolutivos para el mismo problema de diseño, cuya selección depende mucho de las características particulares del problema. Todo ello hace más complicado el establecimiento de soluciones estándar. Esto obliga a la búsqueda continua de soluciones creativas para resolver los problemas de diseño. Por ello, además de la adquisición de conocimientos teóricos, en la enseñanza de la ingeniería mecánica es fundamental la garantía del desarrollo de habilidades relacionadas con el procedimiento de resolución de problemas, como la creatividad, la iniciativa, el aprendizaje independiente, la mejora continua, la garantía de calidad o el trabajo en equipo. 

El Grupo de Innovación Educativa en Ingeniería de Máquinas trabaja activamente desde su creación en la mejora de estos aspectos en el aprendizaje de los alumnos de las diferentes titulaciones impartidas en la E.T.S.Ingenieros Industriales. Cabe destacar los esfuerzos realizados en la implementación de asignaturas centradas en el aprendizaje basado en proyectos, cursos SCORM, la mejora de prácticas de laboratorio y la coordinación de objetivos docentes entre asignaturas, en el marco de 11 proyectos de innovación educativa, que han mejorado de forma objetiva el aprendizaje y la motivación de los alumnos, a la vista de las encuestas y otros estudios realizados y publicados en diversos artículos y ponencias en congresos internacionales (por ejemplo, en la International Journal of Engineering Education y el congreso CDIO). Incluso antes de la formación del GIE, la unidad docente de Máquinas y Mecanismos fue pionera, desde los años 80, en el aprendizaje activo a través de la enseñanza asistida por ordenador. Tres de sus profesores son antiguos alumnos del curso de iniciación a la docencia universitaria del Instituto de Ciencias de la Educación de la UPM, y uno de ellos es antiguo alumno de un MBA de la Universidad de Navarra, siendo por tanto experto en el método del caso.

En la experiencia docente de los profesores miembros del GIE en asignaturas centradas en el aprendizaje basado en proyectos, como "Ingenia - Proyecto de Máquinas" o "Bioingenia" del Mäster en Ingeniería Industrial (05AZ), impartidas a alumnos que en su mayoría proceden del Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, se ha detectado que los alumnos, si bien disponen de unos conocimientos teóricos profundos sobre diseño de máquinas y elementos de máquinas, adquiridos en las asignaturas de grado impartidas por el GIE, tienen algunas carencias en cuanto a la aplicación de dichos conocimientos a problemas reales de diseño de ingeniería mecánica, como los siguientes:

• Selección de motores y otros elementos electromecánicos
• Selección de materiales
• Búsqueda de soluciones de acoplamiento mecánico entre componentes
• Estimación de estados tensionales complejos, como los que se dan en conexiones, transiciones, etc.
• Combinación de diferentes campos energéticos
• Aplicación de criterios dinámicos, de vida útil, de fabricación, ergonomía o seguridad en el diseño
• Visión de la máquina o el producto como conjunto, para aplicación de estrategias de transporte, almacenaje, mantenimiento, operación, o reciclaje.

Con el objetivo de mitigar esta debilidad, pensamos que una alternativa de mejora con gran impacto potencial en el aprendizaje sería

• Intensificar las actividades de aprendizaje basado en casos de aplicación de los conocimientos teóricos,
• sin aumentar el número de créditos de las asignaturas en las que dichos conocimientos se imparten, y
• sin reducir el grado de adquisición de dichos conocimientos teóricos.

Para ello, se propone establecer una  experiencia piloto basada en el diseño e implementación de actividades de aula invertida en las siguientes asignaturas, impartidas por el GIE:

• Teoría de Máquinas y Mecanismos (55001032, Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, 6º semestre, 4,5 ECTS, aproximadamente 500 alumnos)
• Diseño de Máquinas (55000403, Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, 7º semestre, 6 créditos, aproximadamente 120 alumnos)
• Diseño de Máquinas II (55000409, Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, 8º semestre, 6 créditos, aproximadamente 20 alumnos)
• Cálculo de Máquinas (53001203, Máster en Ingeniería Industrial, 3º semestre, 3 créditos, aproximadamente 80 alumnos)
• Vibraciones (53001252, Máster en Ingeniería Industrial, 3º semestre, 4,5 créditos, aproximadamente 20 alumnos)

Consistente en la adaptación de algunos de los recursos existentes para el aprendizaje de algunos contenidos teóricos (entre un 20% y un 30% del total de la asignatura), de modo que sea posible su aprendizaje fuera del aula, así como la generación de nuevos recursos de apoyo para dicho aprendizaje autónomo, y para la evaluación de éste, de modo que el trabajo en el aula pueda estar más centrado en el aprendizaje de estrategias de aplicación de la teoría. Para ello también se diseñarán casos de estudio, que den lugar a discusiones en el aula sobre diferentes alternativas de solución a esos problemas de apliación. Los alumnos deberán haberse reunido por equipos para discutir el caso antes de clase. Todo ello permite también la realización de concursos con impacto en la evaluación, similares a los que se realizan en las asignaturas "Proyecto de Máquinas" o "Bioingenia" lo que constituye una estrategia de gamificación, que también mejora el aprendizaje al aumentar la motivación de los alumnos. Se fomenta también el aprendizaje experiencial, al realizar los alumnos trabajos muy relacionados con la práctica industrial de la ingeniería, en grupos de trabajo, y con la posibilidad de comparar sus soluciones con las que se toman a nivel industrial, en diferentes máquinas disponibles en los laboratorios del GIE. Los alumnos disponen también de las instalaciones del laboratorio de desarrollo de productos y el laboratorio de máquinas y mecanismos, que incluyen diferentes medios de prototipado rápido y un almacén de componentes mecánicos, para la fabricación y comprobación a escala de las soluciones ganadoras. Una ventaja adicional de la metodología de aula invertida mediante casos de estudio es la polivalencia de los casos, los cuales, si están correctamente redactados, puden utilizarse para la enseñanza de múltiples conceptos, en diferentes asignaturas o temas, simplemente cambiando el punto de vista o el foco del análisis. Muchos de los casos de estudio proceden de la experiencia de los miembros del GIE en desarrollos reales de Ingeniería llevados a cabo con grandes empresas. Se desea contar también con la experiencia en materiales de Benito del Río López, profesor del área de ciencia de materiales e ingeniería metalúrgica.

La evaluación de esta experiencia piloto nos permitirá su optimización y ampliación a temas adicionales de las asignaturas, con el objetivo a medio plazo de que la estrategia B-learning alcance el 100% de su contenido.

Con esta misión, proponemos este proyecto de innovación educativa, que consistirá en la elaboración de estrategias y recursos docentes que permitan la adquisición de parte de los conocimientos teóricos fuera del aula, de modo que en el aula se posibilite la realización de ejercicios de aplicación que permitan la discusión de diferentes soluciones propuestas por los alumnos. La Figura 1 muestra la metodología propuesta.

Figura 1. Metodología propuesta

Esto se traduce en el siguiente despliegue de objetivos:

(CONSULTAR EL APARTADO "RECURSOS Y MATERIALES DOCENTES" PARA UNA DESCRIPCIÓN MÁS DETALLADA)

1. Elaboración de una estrategia y recursos docentes para el trabajo de los alumnos en clase:

• 1.1. Elaboración de 8 casos de estudio, así como de las 8 guías de ejecución del caso en clase para el profesor correspondientes

2. Elaboración de una estrategia y recursos docentes para el trabajo de los alumnos fuera de clase:

• 2.1. Reedición de los contenidos teóricos que sirven de base a los casos, para convertirlos en unidades didácticas de autoaprendizaje
• 2.2. Elaboración de 6 vídeos para la mejora del aprendizaje autónomo de los alumnos fuera del aula
• 2.3. Elaboración de 2 simuladores para los casos de estudio

3.- Elaboración de procedimientos de evaluación adecuados a esta nueva metodología

Mediante la aplicación Kahood se diseñarán herramientas de autoevaluación. Estas herramientas podrán ser utilizadas por los alumnos fuera del aula, pero también servirán para la realización de tests de corta duración al inicio de las clases en las que se discutirán los casos de estudio. Esta actividad tendrá un triple objetivo: en primer lugar, permite evaluar de forma continua la adquisición de los conocimientos teóricos por parte del alumno. Adicionalmente, permite controlar la asistencia a clase. Por último, permite aumentar la motivación del alumno al ser parte de la evaluación sumativa de la asignatura.?

Con la implementación de la metodología que propone esta experiencia, se obtienen diferentes mejoras en la calidad del proceso enseñanza-aprendizaje:

• Se mejora la adquisición de conocimientos y habilidades relacionados con la aplicación de los conocimientos teóricos a problemas complejos de integración de soluciones en ingeniería: se pretende que los alumnos hayan tenido la oportunidad de realizar un número mayor de trabajos de resolución de problemas de integración y síntesis, así como de crítica de soluciones existentes, lo que además implica un conocimiento teórico más extenso sobre el diseño en ingeniería mecánica.
• Se mejora la adquisición de competencias de trabajo en equipo e intervenciones en público: los alumnos deberán obligatoriamente formar equipos de trabajo para la preparación del caso y su discusión en clase. Parte de la evaluación grupal dependerá de las intervenciones en clase de los alumnos, para proponer o criticar constructivamente soluciones u objeciones propuestas por otros grupos.
• Se tiene un mayor control de las actividades del alumno fuera del aula, al disponer de información sobre las pruebas de autoevaluación realizadas y planificar parte de su trabajo individual.
• Se motiva a los alumnos mediante las actividades de gamificación: al plantearse concursos de soluciones, con carácter de evaluación sumativa. Adicionalmente, en las asignaturas "Teoría de Máquinas y Mecanismos" y "Cálculo de Máquinas" se premiará a los grupos ganadores de cada caso con la fabricación de su solución en las instalaciones de prototipado rápido de la División de Ingeniería de Máquinas.
• Se motiva al profesor, al deber conducir las discusiones, la resolución de los problemas, e intervenir en la crítica de alternativas de diseño, diferentes cada año.
• Se pueden detectar más precozmente alumnos con rendimiento por debajo de la media, para faciliterles material adicional, proponerles tutorías o ponerles en contacto con alumnos con rendimiento por encima de la media.
• Los alumnos llegan con más habilidades a las asignaturas de máster, en particular a las asignaturas "Ingenia", lo que permite mejorar su rendimiento particular, así como el rendimiento global de dichas asignaturas.
• Se fomenta el carácter generalista de la ingeniería industrial, al mejorar el aprendizaje de los alumnos que no cursarán las especialidades de ingeniería mecánica, cuyo único conocimiento sobre máquinas es adquirido en las asignaturas "Teoría de Máquinas y Mecanismos" y "Cálculo de Máquinas"
• Se fomenta la asistencia continuada a clase, dado el carácter de evaluación sumativa de las pruebas de autoevaluación en el aula.
• Se fomenta el aprendizaje en inglés con la versión en lengua inglesa de los casos y los vídeos generados.

Pretendemos implementar la experiencia en las siguientes asignaturas, todas ellas impartidas en la ETSI Industriales. Consideramos que el impacto es relevante, dada la cantidad de alumnos a los que alcanza, así como la diversidad de éstos (más de 700 alumnos diferentes al año, 600 de ellos en asignaturas no relacionadas con especialidades de ingeniería mecánica).

• Asignatura "Teoría de Máquinas y Mecanismos" (55001032), Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, troncal, 6º semestre, 4,5 ECTS, aproximadamente 500 alumnos.
• Asignatura "Diseño de Máquinas" (55000403), Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, obligatoria especialidad Ingeniería Mecánica, 7º semestre, 6 ECTS, aproximadamente 120 alumnos.
• Asignatura "Diseño de Máquinas II" (55000409), Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, optativa especialidad Ingeniería Mecánica, 8º semestre, 6 ECTS. Aproximadamente 20 alumnos.
• Asignatura "Cálculo de Máquinas" (53001203), Máster en Ingeniería Industrial, troncal, 3er semestre, 3 ECTS. Aproximadamente 100 alumnos.
• Asignatura "Vibraciones" (53001252), Máster en Ingeniería Industrial, obligatoria especialidad Ingeniería Mecánica, 3er semestre, 6 ECTS. Aproximadamente 20 alumnos.

El proyecto se divide en 8 paquetes de trabajo, uno por cada actividad de aula invertida que se desea implementar. Cada una de estas actividades incluye los recursos a generar para el trabajo del alumno fuera del aula (guías didácticas, vídeos, herramientas de simulación, herramientas de evaluación), y los recursos a generar para el trabajo del alumno en el aula (texto del caso de estudio, guía para el profesor). Si bien se pretende que la el trabajo desarrollado en cada paquete de trabajo de lugar a casos de estudio lo más polivalentes posible, para la correcta ejecución de proyecto se compartimentará el trabajo de cada uno, eligiendo su disposición temporal en función del cuatrimestre en el que se imparte la asignatura afectada. De este modo, se pretende también disponer de información sobre la implementación lo antes posible. La Tabla 1 muestra el cronograma (y la estructura de descomposición) del proyecto. Los entregables de cada paquete de trabajo se muestran en el apartado "Recursos y materiales docentes"

1. En cuanto a recursos docentes para el trabajo de los alumnos en el aula:

• 1.1. Elaboración de los siguientes casos de estudio, así como de las guías de ejecución del caso en clase para el profesor:
  • ?1.1.1. "El problema de la distribución de la potencia del motor a las cuatro ruedas en un coche de rally", para el tema "Trenes epicicloidales" de las asignaturas "Teoría de Máquinas y Mecanismos" y "Cálculo de Máquinas" y para los temas "Mecanismos articulados tridimensionales" y "Ruedas dentadas" de la asignatura "Teoría de Máquinas y Mecanismos".
  • 1.1.2. "¿Cómo regular la velocidad de trabajo de un grupo turbogenerador de una central nuclear?", para los temas "Volantes de inercia" y "Reguladores" de la asignatura "Teoría de Máquinas y Mecanismos".
  • 1.1.3. "Fallo de una turbina de central hidráulica", para el tema "Uniones atornilladas" de la asignatura "Diseño de Máquinas I".
  • 1.1.4. "Lubricación de engranajes de reductora", para el tema "Lubricación" de la asignatura "Diseño de Máquinas I".
  • 1.1.5. "El fallo de la motoniveladora de 6 ruedas" para el tema "Transmisiones sinfín-corona" de la asignatura "Diseño de Máquinas II"
  • 1.1.6. "Problema de ruido y vibraciones excesivas en multiplicadora de aerogenerador", para el tema "Fallos en transmisiones por engranajes" de la asignatura "Diseño de Máquinas II"
  • 1.1.7. "La regulación de la precisión de un reloj automático", para el tema "Resortes" de la asignatura "Cálculo de Máquinas".
  • 1.1.8. "El colapso del puente de Tacoma", para los temas "Sistemas de varios grados de libertad" y "Análisis modal" de la asignatura "Vibraciones".

2. En cuanto a recursos docentes para el trabajo de los alumnos fuera del aula:

• 2.1. Reedición de los contenidos teóricos que sirven de base a los casos, para convertirlos en unidades didácticas de autoaprendizaje
• 2.2. Elaboración de vídeos para la mejora del aprendizaje autónomo de los alumnos fuera del aula
  • 2.2.1.1 y 2.2.1.2. "Funcionamiento de trenes de engranajes diferenciales" y "Juntas Cardan", para el caso 1.1.1.
  • 2.2.2. "Regulación automática de máquinas", para el caso 1.1.2.
  • 2.2.3. "Uniones atornilladas", para el caso 1.1.3.
  • 2.2.3. "Diseño de resortes", para el caso 1.1.7.
  • 2.2.4. "Resonancias, transmisibilidad y modos de vibración", para el caso 1.1.8.
• 2.3. Elaboración de simuladores para los casos de estudio
  • 2.3.1. Elaboración de una herramienta de cálculo de lubricación de engranajes, para los casos 1.1.4., 1.1.5. y 1.1.6.
  • 2.3.2. Elaboración de una herramienta de cálculo dinámico matricial simplificado, para el caso 1.1.8.

3.- En cuanto a la elaboración de procedimientos de evaluación adecuados a esta nueva metodología

• 3.1. Para la asignatura "Teoría de máquinas y mecanismos": en esta asignatura se dispone de más de 500 preguntas tipo test, fruto de un proyecto de innovación educativa anterior, que cubren todo el temario. Serán introducidas en la aplicación de evaluación las correspondientes a los temas objeto del proyecto, y se ampliará el número de preguntas disponibles en dichos temas.
• 3.2. Para los temas objeto del proyecto en la asignatura "Diseño de máquinas I", se dispone de problemas con múltiples enunciados y de varios niveles de dificultad, que serán introducidas en la aplicación de evaluación.
• 3.3. Para los temas objeto del proyecto en la asignatura "Diseño de máquinas II" se crearán preguntas de evaluación tipo test, y se introducirán en la aplicación de evaluación.
• 3.4. Para los temas objeto del proyecto en la asignatura "Cálculo de Máquinas" se crearán preguntas de evaluación tipo test, y se introducirán en la aplicación de evaluación.
• 3.5. Para los temas objeto del proyecto en la asignatura "Vibraciones", se dispone de aproximadamente 100 preguntas tipo test, que serán introducidas en la aplicación de evaluación.

Con objeto de garantizar la correcta evolución del proyecto y mantener bajo control la evolución temporal, se realizarán las siguientes actividades:

Gestión del proyecto:

• Reuniones periódicas del director del proyecto y el coordinador de la asignatura objeto del paquete de trabajo que se está ejecutando con los becarios del proyecto, para determinación de objetivos, control de seguimiento y corrección de errores.
• Reuniones semanales del director del proyecto con el coordinador de la asignatura objeto del paquete de trabajo que se esté ejecutando para comprobación de los recursos creados.
• Reuniones mensuales de todos los miembros del GIE para seguimiento de los recursos creados, corrección de errores y discusión de mejoras.
• Establecimiento de carpetas compartidas en red para que todos los miembros del GIE tengan acceso a los recursos generados y en generación
• Los becarios del proyecto tendrán a su disposición en todo momento a los alumnos estudiantes de doctorado integrados en éste, que son antiguos alumnos de todas las asignaturas objeto del proyecto, para consultas puntuales.

Medición de resultados:

• Nivel de obtención de recursos (se espera un grado de cumplimiento del 100%)
• Control de la evolución del nivel de satisfacción de los alumnos mediante encuestas específicas (a diseñar) y encuestas estándar de satisfacción con el profesorado y la asignatura
• Control de nivel de utilización de la aplicación de evaluación
• Análisis de la evolución de las calificaciones

Evidencias de logro:

• Ver la lista de entregables del proyecto en el apartado "Recursos y materiales docentes"

El apartado "Recursos y materiales docentes" describe los 22 productos resultantes del proyecto. Todos los recursos didácticos creados serán de libre acceso en la plataforma Moodle. Se realizará además una versión en lengua inglesa de los casos de estudio y los vídeos, también de libre acceso en Moodle.

Se pretende dar una difusión adecuada a los resultados del trabajo, dado que pensamos que puede ser de utilidad no sólo para los alumnos, sino también para empresas en el sector de la ingeniería mecánica y otras instituciones de enseñanza superior. Por ello, proponemos la siguiente difusión de los resultados:

• Los recursos generados serán de libre acceso en Moodle
• Se enviará un resumen de la actividad, sus resultados y las lecciones aprendidas al International Journal of Engineering Education, revista en la que el GIE ha publicado numerosos artículos, y editado varios volúmenes monográficos. Esta revista suele tardar unos 3 meses en enviar el resultado de la revisión del trabajo enviado.
• Se enviará un trabajo a la 14th International CDIO conference, 2018 (en la edición 2017, tercera a la que se asiste, a la que el GIE ha enviado dos aportaciones, la fecha límite para envío de resúmenes fue el 15 de noviembre de 2016, y la fecha límite de envío de textos completos el 30 de enero de 2017).

Para la toma en consideración de los materiales en los casos de estudio, se desea la colaboración de Benito del Río López, profesor del Departamento de Física Aplicada y de Ingeniería de Materiales (ETSI Industriales), que colabora frecuentemente con nosotros como experto en materiales en diferentes proyectos de investigación.