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Ficha Proyecto I.E. 2018-2019



Gamificación de las prácticas de laboratorio para mejorar la percepción del alumno, su motivación y el aprendizaje conseguido

Coordinador(a): PEDRO JOSE MALAGON MARZO
Co-coordinador(a): JOSE MANUEL MOYA FERNANDEZ
Centro: E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION
Nivel: Nivel 2. Proyectos promovidos por otros colectivos de profesores de la UPM
Palabras clave:
  • Aprendizaje Adaptativo
  • Aprendizaje Basado en Problemas
  • Aprendizaje Experiencial
  • Gamificación
  • Grado
  • Trabajo en Equipo/Grupo
Miembros de la comunidad UPM que lo componen
Nombre y apellidos Centro Plaza *
OCTAVIO NIETO-TALADRIZ GARCIA E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION CATEDRÁTICO UNIVERSIDAD
JAVIER FERREIROS LOPEZ E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
JUAN MANUEL MONTERO MARTINEZ E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
RUBEN SAN SEGUNDO HERNANDEZ E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
ALVARO ARAUJO PINTO E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION L.D. PRF.CONTR.DOCT.
JOSE MANUEL MOYA FERNANDEZ E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION L.D. PRF.CONTR.DOCT.
ANDRES DE SANTOS LLEO E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION CATEDRÁTICO UNIVERSIDAD
PEDRO JOSE MALAGON MARZO E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION L.D. PRF.AYUD.DOCTOR
CARLOS CARRERAS VAQUER E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION TITULAR UNIVERSIDAD
JOSUE PAGAN ORTIZ E.T.S.I. DE TELECOMUNICACION L.D. AYUDANTE
Patricia Arroba García Otro centro de la UPM OTROS NO UPM
Samira Briongos Herrero Otro centro de la UPM OTROS NO UPM
Antonio Méndez Montiel Centro fuera de la UPM OTROS NO UPM
* La plaza que se muestra corresponde a la ocupada en el momento de la convocatoria
(para PDI/PAS de la UPM, en el resto de casos no se especifica).
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

El proyecto consiste en una serie de prácticas de laboratorio usando técnicas de gamificación en el aula para mejorar la percepción de los lenguajes de programación para sistemas embebidos (C, o VHDL) y sus entornos, y el conocimiento por parte del alumno para su aplicación en sistemas empotrados.

1. Introducción

En el Departamento de Ingeniería Electrónica existe el convencimiento de que el impulso de la programación C en dispositivos embebidos es fundamental para mejorar las capacidades del alumnado en el ámbito de la electrónica.

Los---ya no tan nuevos---lenguajes de programación en entornos con sistemas operativos complejos, con sus entornos de rápido desarrollo y obtención rápida de resultados tangibles, hacen que los alumnos vean el lenguaje de programación C como una herramienta difícil, tediosa, obsoleta, y de escasa aplicabilidad. Esto impacta en su interés por asignaturas relacionadas y su predisposición al pronto fracaso.

En asignaturas teórico prácticas de iniciación a estos entornos, los conceptos teóricos se olvidan y los prácticos no calan. Los ejemplos no son prácticos y los alumnos, en sus casas, no son capaces de comprender el porqué de lo que están haciendo. Así, las tareas del alumno, se reducen a pequeños entregables que i) dan poca rienda suelta a su ingenio e imaginación, y ii) su fin tan específico y acotado hace que la detección de copias---que es alta---sea prácticamente indetectable.

2. Implementación

La metodología que en este proyecto se presenta como experimental, está orientada y podrá ser aplicada a cualquier asignatura del departamento con carácter teórico-práctico programación de sistemas empotrados. Muchas veces, en este tipo de asignaturas, los contenidos teóricos no son absorbidos por los alumnos y en la realización práctica hay que rebajar los objetivos, la dificultad, o dar más códigos de partida a los alumnos. Como se comentó anteriormente, esto se debe a que los alumnos no encuentran la unión entre la parte práctica y la teórica, ya que el tiempo empleado en habituarse al entorno de programación, el lenguaje y la implementación en dispositivos, desvirtúa la idea de “clases prácticas para aplicación de conocimientos” y se convierten en sí mismas en clases de “aprender nuevos conocimientos”.

Con la metodología propuesta esto no va a cambiar. Lo que se pretende es que cambie la percepción de la alumno sobre las prácticas, se las tomen más en serio y esto revierta en la mejora de conocimientos teóricos y prácticos.

Todos los alumnos recibirán la misma formación teórica pero se dividirán las clases prácticas en dos grupos. El grupo de control formado por el 67% de los alumnos, y el grupo de estudio con el 33% restante. Los alumnos de ambos grupos harán uso de las mismas herramientas de desarrollo:

1) entorno de desarrollo y programación,

2) dispositivo embebido para programación,

3) hardware periférico común: sensores y actuadores básicos,

pero los del grupo de estudio usarán hardware periférico adicional necesario para cada juego. No obstante, todo el hardware nuevo tendrá la misma interfaz de comunicación que el explicado en clase y usado por el grupo control.

Habrá 3 sesiones de prácticas de 3 horas en laboratorio; cada práctica con unos objetivos temáticos basados en la guía docente de la asignatura. Los objetivos quedarán cubiertos en ambos grupos, pero el grupo de estudio, usando técnicas de gamificación, deberá resolver problemas un poco más complejos.

Grupo control:

Para evaluar el impacto sobre el aprendizaje del alumnado, se dividirá la clase en un grupo control y otro grupo de estudio. Los grupos estarán equilibrados en número y la participación será por voluntad del alumno tras proponérselo. Los alumnos propuestos se eligen de de manera aleatorizada. Ambos grupos reciben las clases de la manera habitual. El grupo de estudio se dividirá en equipos de trabajo que competirán entre ellos como en hackatones. Se espera que su aprendizaje impacte positivamente en la nota final de la asignatura, cuya evaluación es la misma para ambos grupos.

Se elaborarán pequeños cuestionarios que, junto con la nota de clase, servirán para cuantificar los resultados del estudio. Con las encuestas se analizarán los resultados aplicando técnicas estadísticas para comprobar el grado de consecución de los objetivos:

  • Mejorar el aprendizaje de programación C (o VHDL), el uso de máquinas de estado y depuración de código

  • Mejora de la percepción del lenguaje C (o VHDL) entre el alumnado, su entorno, manejo y aplicabilidad

Para ello se realizarán dos encuestas tanto al inicio como a final del curso con fin de cuantificar:

  • El aprendizaje de C (o VHDL) preguntando por los conocimientos básicos de programación en C

  • La percepción del alumno respecto al lenguaje C (o VHDL) respecto a los lenguajes y entornos que ya conocen (Java-Eclipse)

Para tener un estudio significativo se espera una N > 30 en el grupo de estudio e igual o superior en el grupo de control.

3. Aplicación experimental

Aplicado sobre la asignatura de Sistemas Electrónicos (SELC) de segundo curso del Grado de Ingeniería Biomédica, con un total de unos 100 alumnos, se dividirán las prácticas en dos grupos. El grupo de control formado por el 67% de los alumnos, y el grupo de estudio con el 33% restante.

Habrá 3 sesiones de prácticas de 3 horas en laboratorio; cada práctica con unos objetivos temáticos basados en la guía docente de la asignatura. Los objetivos quedarán cubiertos en ambos grupos, pero el grupo de estudio, usando técnicas de gamificación, deberá resolver problemas un poco más complejos.

En el grupo de control los alumnos trabajan en parejas. En el grupo de estudio se permitirán 3 ó 4 alumnos por equipo. Para evitar la descompensación de esfuerzo, se plantea la posibilidad de que de manera anónima los alumnos evalúen a su compañero al finalizar cada sesión.

Según los resultados obtenidos se propondrá la misma metodología para realizar las prácticas de Electrónica Digital (EDIG) de segundo curso del Grado de Ingeniería de Tecnologías y Sistemas de Telecomunicación, con aproximadamente 400 alumnos, cuyo coordinador también participa en el proyecto.

4. Prácticas de gamificación

En el grupo de control los alumnos trabajan en parejas. En el grupo de estudio se permitirán 3 ó 4 alumnos por equipo. Para evitar la descompensación de esfuerzo, se plantea la posibilidad de que de manera anónima los alumnos evalúen a su compañero al finalizar cada sesión. El siguiente esquema muestra la planificación de la implementación de las prácticas:

Práctica 1

- Objetivo docente: entrada/ salida, PWM

- Días de la semana: 1o y 2o

- Grupo control 1 (33% alumnos): práctica normal (3 horas, por parejas)

- Grupo control 2 (34% alumnos): práctica normal (3 horas, por parejas)

- Grupo de estudio (33% alumnos): gamificación con reto 1 (3 horas, grupos de 3-4)

 

Práctica 2

- Objetivo docente: uso de estructuras, punteros, comunicación serie

- Días de la semana: 1o y 2o

- Grupo control 1 (33% alumnos): práctica normal (3 horas, por parejas)

- Grupo control 2 (34% alumnos): práctica normal (3 horas, por parejas)

- Grupo de estudio (33% alumnos): gamificación con reto 2 (3 horas, grupos de 3-4)

 

Práctica 3

- Objetivo docente: máquinas de estado

- Días de la semana: 1o y 2o

- Grupo control 1 (33% alumnos): práctica normal (3 horas, por parejas)

- Grupo control 2 (34% alumnos): práctica normal (3 horas, por parejas)

- Grupo de estudio (33% alumnos): gamificación con escape room (3 horas, grupos de 3-4)

Para medir el alcance y desarrollar bien los objetivos de cada práctica de gamificación, se contará con el apoyo de Antonio Méndez Montiel, experto en gamificación (https://www.antoniomendezmontiel.com/). Para la ambientación, se contará con la colaboración de actores del grupo de teatro de la ETSIT “No es culpa nuestra”, que ayudarán en la decoración y procedimiento de los juegos. Se grabará con cámaras fijas o ayuda institucional (medios audiovisuales de la ETSIT) el evento, con el fin de analizar posteriormente la jornada y estudiar los puntos fuertes y débiles, así como para tener un registro audiovisual de la propuesta.

Se definen los siguientes juegos:

Práctica 1. Gamificación con reto 1: Torretas con infrarrojo

  • Control de azimut y elevación de una torreta mediante PWM

  • Con infrarrojo, lectura de código enviado por una baliza

  • Gana el equipo que primero encuentre la clave enviada por la baliza

  • La clave se cambia 3 veces para que los segundo y tercer clasificados no copien la solución

 

Práctica 2. Gamificación con reto 2: Hundir la flota

  • Cada equipo dispondrá en el ordenador de un mapa con barcos a los que atacar

  • Con un teclado matricial el alumno propone una celda del mapa

  • Se le devuelve por puerto serie si es acierto (da sobre un barco) o fallo (agua)

  • Gana el que primero destruya todas las flotas

  • Las flotas son distintas en cada ordenador

 

Práctica 3. Gamificación con escape room: Máquina misteriosa

  • Al equipo se le da un código con errores de compilación en una FSM. Deberá arreglarlo

  • Cuando lo ejecuta, mediante serie se le devuelve una clave que descomprime un fichero con otro programa en C

  • El equipo debe averiguar parámetros de una máquina que es una caja negra

  • El equipo envía números mediante teclado matricial y obtiene respuestas numéricas de “una caja negra”

  • Se deben encontrar los parámetros que configuran esa caja negra

  • Gana el equipo que primero lo haga. Se tendrá en cuenta el número de intentos

  • Como ejemplo, una posible caja negra podría ser un filtro Sallen-Key, los parámetros de entrada pueden ser frecuencias, y la respuesta puede ser la ganancia. Los valores a encontrar pueden ser las Rs y Cs de ese filtro.

OBJETIVOS DEL PROYECTO

El objetivo principal es mejorar la comprensión del alumno de los conocimientos de programación para entornos embebidos mediante técnicas de gamificación que repercutan en una comprensión mejor de la base teórica y soltura en la práctica. Como objetivo paralelo se pretende mejorar la percepción de este tipo de lenguajes (C, o VHDL) y sus entornos de programación.

Se pretende:

  • Crear un entorno de prácticas basado técnicas de gamificación mediante retos y escape rooms, fácilmente replicable en varias asignaturas del departamento  

  • Medir la mejora de los conocimientos del grupo de estudio comparativamente con el grupo control

  • Medir la percepción sobre el lenguaje de programación y el entorno en el grupo de estudio comparativamente con el grupo control

  • Mejorar las habilidades de los alumnos en cuanto a ingenio para resolver problemas aplicando los conocimientos adquiridos en la asignatura y colaboración con otros compañeros

Además:

  • Elaborar una memoria en la que se recoja cómo ha de ser la implementación, material y organización, para poder ser replicable

  • Captar el interés de los alumnos hacia temas relacionados con el Departamento de Ingeniería Electrónica

  • Introducir al alumnado en el mundo de los hackatons, en los que tienen que trabajar en equipo, con tiempo acotado, con recursos que les acaban de enseñar para resolver un problema

CONTRIBUCIÓN A LA MEJORA DE LA CALIDAD

Este proyecto pretende mejorar la calificación de los alumnos en asignaturas teórico-prácticas con programación en sistemas embebidos. Las mejoras a la calidad educativa del alumno se consigue mediante:

  • Aplicar técnicas mixtas de: gamificación, aprendizaje basado en retos y entorno colaborativo

  • Mejora de habilidades como el pair programming

  • Pequeños grupos de trabajo colaborativo para resolver tareas concretas de un proyecto con aplicación real, real-simulada

  • Reconocimiento en base a objetivos conseguidos → recompensas Moodle + premios en material fungible relacionado con la asignatura

ALCANCE Y PÚBLICO OBJETIVO AL QUE SE DIRIGE

Titulación/es Grado:

Titulación/es Máster:
Nº de Asignatura/s: 2
Centro/s de la UPM:
  • E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
  • FASES DEL PROYECTO Y ACCIONES QUE SE VAN A DESARROLLAR
    1. Definición del problema del juego y desarrollo.
      Con la ayuda de un alumno becado (nov18-feb19):Diseño de la metodología y pruebas.

      1. Definición de métricas a evaluar

      2. Desarrollo e implementación del entorno de trabajo para alumnos

      3. Desarrollo e implementación de ejemplos

      4. Redacción de memoria y manual

      5. Elaborar temporización de cada juego

      6. Elaboración de encuestas

    2. Implementación
      En una asignatura del 2º semestre: separar a los grupos control y de estudio (feb19-jul19):

      1. Desarrollo de 3 prácticas en horario de clase

      2. Pasar encuestas a alumnos

      3. Recopilación audiovisual y divulgación

      4. Evaluación y clasificación. Asignación de reconocimientos Moodle

    3. Análisis
      Tras la finalización del curso (sep19-nov19):

      1. Evaluación estadística de los resultados

      2. Análisis y conclusiones

      3. Entrega de deliverables

      4. Resultados y publicidad

    RECURSOS Y MATERIALES DOCENTES

    El material a utilizar será fungible para embebidos de bajo coste con uso de microcontroladores y que faciliten la integración con entornos de pruebas, simulación, etc. Se usarán placas Pinguino que se usan tanto en la asignatura SELC como en IEIN (también del departamento) para la programación baremetal de C, y que incentivan al alumnado a continuar con proyectos open source. Estas placas implementan un microcontrolador de la familia PIC32 e interfaz para comunicación con periféricos (en otras asignaturas del departamento como ISEL, se usan plataformas basadas en el conocido ESP8266 integrados en placas de bajo coste como la placa Wemos).

    Para el desarrollo de esta actividad se necesitará implementar y probar un entorno de trabajo en el que los alumnos puedan trabajar. Material necesario:

    • Laboratorio docente con ordenadores y entorno de programación MPLAB

    • Dispositivos embebidos Pinguino con microcontrolador PIC32

    • Elementos hardware adicionales como periféricos

    • Material de atrezzo para las ambientaciones

    • Objetos impresos en 3D tanto para ambientación de las prácticas como para premiar a los ganadores

    Recursos humanos:

    • Profesores para la elaboración de las propuestas de juegos de la asignatura

    • Profesores para resolver dudas y guiar durante el juego

    • Alumno becado para el montaje de las ambientaciones y pruebas de los juegos

    • Colaboración con el grupo de teatro de la ETSIT “No es culpa nuestra” para la ambientación de la práctica 3: “Escape Room”

    SEGUIMIENTO Y EVALUACION

    A fin de realizar una presentación final completa, se tomarán fotografías del proceso y se elaborará un manual de manejo y uso. Los deliverables durante

    * la Fase 1 de “Definición del problema del juego y desarrollo” serán:

    • Fotografías del material elaborado para las prácticas

    • Manual explicativo y de uso que permita hacerlo replicable en otros cursos
       

    * la Fase 2 de “Implementación” serán:

    • Material audiovisual de la escenificación y del alumnado realizando las prácticas

    • Resultados de las pruebas de competición

    Las encuestas realizadas al inicio y al final de la asignatura serán contrastadas, además, con la calificación obtenida en la asignatura. Se realizará un estudio estadístico de los resultados para la elaboración de un artículo de innovación docente en una revista del área de innovación.

     

    PRODUCTOS RESULTANTES
    • Escenarios de pruebas: plataforma Pinguino y elementos hardware y software necesarios

    • Memoria de preparación de los juegos y manuales de uso para poder ser replicados con facilidad

    • Artículo en revista del área de innovación docente

    MATERIAL DIVULGATIVO

    El material divulgativo que se generará será el siguiente:

    • En la página web del Departamento de Ingeniería Electrónica (www.die.upm.es) se emitirán periódicamente noticias sobre la evolución del proyecto y los logros/hitos que se vayan alcanzando.

    • En la plataforma github.com se generará un repositorio privado con el código fuente para facilitar el montaje otros años, aunque varíe el equipo docente, y para poder invitar a los miembros de la comunidad educativa que estén interesados en implantar las prácticas en asignaturas equivalentes

    • Artículo en revista del área de innovación docente comentando los resultados obtenidos

    COLABORACIONES

    A lo largo del proyecto se pretende colaborar con las siguientes unidades:   

    • Dirección del Departamento de Ingeniería Electrónica para coordinar las reuniones de profesores y poder acceder a la información de gestión docente disponible en dicho departamento

    • GATE:     Gabinete de Tele-educación. Se solicitará su apoyo para el uso de herramientas tecnológicas (por ejemplo la plataforma Moodle)

    • Grupo de audiovisuales de la ETSIT: para documentación audiovisual de las actividades

    • Grupo de teatro “No es Culpa Nuestra” para ambientación de los entornos en las actividades

    • Se contará con la participación de Antonio Méndez Montiel (https://www.antoniomendezmontiel.com/), profesor de primaria y miembro activo en el ámbito de la innovación educativa. Reconocido en el mundo de las nuevas técnicas de enseñanza, su proyecto más relevante es el juego de gamifiación Math Royale (CC) (http://quintohumanitas.wixsite.com/mathroyale). Se contará con su colaboración a modo de guía y consultor con amplia experiencia en la innovación educativa en la elaboración de las prácticas de juego.