Desde hace años, ha quedado claro que el enfoque de las enseñanzas universitarias en nuestras Escuelas debería fomentar el pensamiento crítico y la capacidad para abordar problemas de solución abierta, por múltiples procedimientos y empleando técnicas de aprendizaje autónomo, adicionalmente a la simple adquisición de conocimientos concretos. Sin embargo, los alumnos han demostrado tradicionalmente problemas a la hora de resolver planteamientos abiertos, como un paso adicional a la competencia de resolución de problemas. La adaptación de conocimientos y procedimientos aprendidos supone un grado de abstracción importante y demuestra un cierto dominio de la materia por parte de los alumnos, así como habilidades claras en competencias como resolución de problemas, pero, en muchos casos, adolece de una metodología sistemática que garantice su aplicabilidad a otros problemas y se considera que, en los estudios de Máster, se puede lograr incentivar el adquirir otras competencias que amplíen las posibilidades de resolución de problemas de los estudiantes.

Por ello, la preparación para un estudio autónomo y a lo largo de la vida supone la iniciación a la investigación de otros enfoques, y el uso de herramientas y caminos alternativos. Esta investigación pasa por el establecimiento de objetivos y metodología, un estudio y comprensión de aquello ya publicado, bien en libros o en artículos, la búsqueda de enfoques originales que, usando lo estudiado y recopilado pueda dar solución al problema planteado, la aplicación de las nuevas técnicas y la validación crítica de los resultados. Esta investigación, además, si está ligada a temas punteros y actuales supone un punto motivador al ofrecer una visión real del desarrollo de la técnica y de los intereses industriales. En los estudios de Grado, quizá no tenga una cabida tan clara el uso de estas técnicas de investigación con la profundidad con la que se estima que se aplicaría en las titulaciones de Máster. Sin embargo, el contacto con problemas reales favorece que los alumnos encuadren la utilidad de los contenidos que reciben y la investigación que se podría hacer en las asignaturas de Máster podría tener su utilidad en éstas otras. Así, con esta propuesta se pretenden combinar los dos pilares de la actividad de la Universidad: educación e investigación.

De esta forma, este proyecto pretenden establecer sinergias entre asignaturas de diferentes Escuelas y niveles educativos con el fin de trasladar los resultados de técnicas de aprendizaje basado en investigación en asignaturas aplicadas de Máster, técnica en la que introducirá a los alumnos de dos asignaturas como medio para la adquisición de conocimientos y competencias, como ejemplos prácticos en una asignatura de Grado de un carácter más básico y fundamental. De esta forma, la actuación será doble.

• Por un lado, se generarán los materiales apropiados para poder fomentar esta formación mediante investigación en 2 asignaturas del Máster Universitario en Ingeniería Mecánica (Tecnologías de Vehículos Industriales y Especiales y Sistemas Integrados de Fabricación) que se imparte en la ETS Ingenieros Industriales. Estas asignaturas se imparten durante el segundo semestre y, aún entando enfocadas a ámbitos diferentes como son los vehículos de carretera y los sistemas automáticos de producción, comparten elementos comunes como las técnicas de percepción del entorno de vehículos y máquinas, las herramientas de mapeo y los algoritmos de guiado y toma de decisiones, aspectos sobre los alumnos deberán trabajar. Son, además, ámbitos de gran relevancia en investigación en la actualidad al tratarse temáticas punteras y actuales. Este hecho se estima que facilita la motivación de los alumnos hacia un trabajo de indagación para llegar a las soluciones de los problemas prácticos que se les propongan. La actividad se estructura de la siguiente forma:
  • Se propondrá a los alumnos una introducción al método científico de investigación, así como sobre la difusión de los resultados.
  • A continuación, cada grupo de alumnos contará con un guion introductorio del problema en cuestión objeto de estudio, así como referencias a fuentes donde lograr una mayor información.
  • Sobre esa basa, los alumnos deberán cubrir las fases propias de todo proceso de investigación, desde el análisis del estado inicial de la técnica, la propuesta de soluciones y el planteamiento de su validación. Las temáticas girarán alrededor del desarrollo de algoritmos de percepción, posicionamiento, guiado y toma de decisiones.
  • La actividad culminará con la aplicación de los resultados del trabajo de investigación a datos reales, con el fin de validar los algoritmos y desarrollos llevados a cabo, y su discusión crítica.
  • Puesto que el número de alumnos no es excesivamente grande en ninguna de las asignaturas (por lo general, inferior a 40), la actividad se plantea para ser realizada en grupos de 3-4 estudiantes con un seguimiento por parte de los profesores en tutorías específicas.
  • Por último, los trabajos de investigación más destacados tendrán la posibilidad de ser presentados en el marco de la jornada de divulgación científica que se organiza anualmente en el marco de la asignatura “Organización, Desarrollo y Participación en eventos de difusión científica”, asignatura de competencias ofertada en el Máster Universitario en Ingeniería Industrial, en calidad de ponencias invitadas.
• Por otra parte, las soluciones serán aplicaciones prácticas que serán empleadas en la asignatura Robótica impartida en el primer cuatrimestre del Grado en Ingeniería de los Computadores de la ETS Ingeniería de Sistemas Informáticos. Esta asignatura resulta mucho más generalista, pero se considera que los ejemplos tangibles y las sesiones prácticas que se deriven de los trabajos de las otras asignaturas deberían redundar en una mayor motivación y un conocimiento más profundo de los conceptos abordados al apreciar la aplicabilidad a casos reales. También, se plantearán, en base a las mismas temáticas, actividades cortas que fomenten una introducción a la metodología de investigación, aunque de forma muy dirigida. La actividad se estructura de la siguiente forma:
  • Se propondrá a los alumnos el análisis de artículos científicos relacionados con la asignatura. Estos artículos estarán relacionados con proyectos de investigación desarrollados anteriormente, y sus conceptos deben ser susceptibles de ser implementados vía software. Las áreas temáticas serán: control y percepción.
  • Se proporcionará a los alumnos una base de datos de ejemplos de varias situaciones de navegación de robots móviles para ser utilizada como punto inicial para realizar la validación de los trabajos desarrollados por los alumnos
  • Se proporcionará a los alumnos diversos entornos de simulación realistas del ámbito de la robótica para dar soporte a la implementación de los trabajos desarrollados.
  • La actividad culminará con el desarrollo de un informe con los resultados del trabajo realizado con los datos reales, con el fin de valorar los algoritmos y desarrollos llevados a cabo, así como su discusión crítica.
  • Puesto que el número de alumnos no es excesivamente grande, la actividad también se plantea para ser realizada en grupos de 3-4 estudiantes con un seguimiento por parte de los profesores en tutorías específicas.

Adicionalmente, se estudiarán las medidas para poder aprovechar la experiencia para diferentes cursos académicos sin recaer en la repetición de actuaciones, pero manteniendo el objetivo y los contenidos sobre los que los alumnos deban trazar su aprendizaje basado en investigación.

Se establecerán sinergias con las líneas de investigación del Instituto Universitario de Investigación del Automóvil (INSIA), principalmente, con aquellas más vinculadas a los sistemas de percepción y los sistemas de control de vehículos en el ámbito de los vehículos autónomos y conectados, en las que están involucrados varios de los profesores de la actual propuesta. Estas líneas de trabajo incluyen tanto estudios más fundamentales de exploración innovadora como aplicaciones más cercanas a los intereses de las empresas del sector (por ejemplo, aplicaciones de vehículos automatizados para el cumplimiento de ciertos trabajos o maniobras específicas). En concreto, las experiencias que se plantearán estarán basadas, aunque no de forma exclusiva, en los desarrollos y resultados de los siguientes proyectos:

• “Drive-By-Wire para el teleguiado de vehículos convencionales en misión de prospección anticipada del terreno y conducción preprogramada a través de waypoints. REMOTE-DRIVE”
• “Guiado Automatizado para Sistema de transporte dual. AUTOMOST”
• “Integración de sistemas cooperativos para vehículos autónomos en tráfico compartido: unidad de control inteligente”
• “Tunnel Autonomous Driving. TUNNELAD”
• “Desarrollo de tecnologías i4.0 para la digitalización de los puertos españoles por medio de la logística altamente automatizada (Smart Digital Ports). ESTIBA+2022”
• “AUTO-BUS: Operación Autónoma de Autobuses Urbanos dentro de un depósito para Repostaje, Lavado, Taller y Parking.”
• “Sistema de arbitraje distribuido para conducción cooperativa conectada y autónoma en entornos complejos. Servicios cooperativos y conciencia situacional”

De esta forma, las temáticas aplicadas de investigación se orientarán hacia las siguientes, no siendo limitante esta relación.

• Percepción del entorno mediante tecnología LiDAR
• Percepción desde la infraestructura mediante tecnología LiDAR
• Reconstrucción virtual del entorno y posicionamiento del elemento móvil en el mismo (posicionamiento GNSS, SLAM, etc)
• Aumento de la conciencia situacional del entorno viario a partir de fusión de la información
• Algoritmos de control de vehículos autónomos
• Estrategias de gestión de vehículos conectados para la mejora de la eficiencia del tráfico
• Mapeado y posicionamiento simultáneo basado en LiDAR en entornos interiores
• Algoritmos de planificación de trayectorias
• Planificación de tareas para gestiones logísticas en industria
• Integración de robótica móvil y colaborativa para procesos de fabricación flexible
• Navegación de vehículos autónomos y robots

También se destaca el enfoque altamente multidisciplinar al estar involucradas dos Escuelas de perfiles diferenciados como son la ETS Ingenieros Industriales y la ETS Ingeniería de Sistemas Informáticos.

Por último, las actividades de investigación o iniciación a la misma podrán valer como punto de partida para la realización de Trabajos Fin de Grado y Máster, con una mayor profundización en aspectos o aplicaciones concretas.

Este proyecto no supone la continuación de ningún otro PIE, aunque sí viene a ahondar en experiencias previas como los proyectos “Desarrollo y puesta en práctica de un plan de prácticas comunes para asignaturas impartidas en centros diferentes”, “Planteamiento de un plan de prácticas comunes en asignaturas de grado y master impartidas en diferentes Escuelas para promover un enfoque multidisciplinar” y “Evaluación de competencias interdisciplinares mediante planes de prácticas comunes en asignaturas de grado y master en diferentes Escuelas utilizando métodos enseñanza/aprendizaje activos” donde se planteó la colaboración entre profesores de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y la Escuela Universitaria de Informática, el proyecto “Experiencias docentes para el fomento de la capacidad de proporcionar soluciones abiertas y creativas a problemas de Ingeniería” donde se iniciaba a los alumnos en el proceso de diseño de una investigación para adquisición de los conocimientos de una asignatura y “Mejoras docentes para el fomento más eficaz de las competencias Experimenta y Entiende los impactos” en el que se fomentaba el trabajo experimental para el análisis crítico de resultados, fruto de un trabajo de investigación previo. En concreto, dichos proyectos fueron difundidos por diversas vías como el artículo

• Jiménez, F., Naranjo, J. E. (2010) “Multidisciplinary practicals in satellite navigation systems in road vehicles for subjects taught in different Engineering Schools”. International Journal of Engineering Education, Volumen 26, nº 1, pp 126-135

y diversas comunicaciones en congresos como el Congreso Universitario de Innovación Educativa en las Enseñanzas Técnicas, EDULEARN, INTED, así como en las secciones de educación y formación de congresos de enfoque técnico como el Congreso de Ingeniería del Transporte y el Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica.

El objetivo principal de la experiencia es promover un enfoque multicisciplinar basado en investigación entre asignaturas de diferentes niveles educativos y diferentes Escuelas.

De forma específica, los objetivos perseguidos por la experiencia son diferentes en función de la asignatura:

• En las asignaturas de Máster:
  • Introducir a los estudiantes en las técnicas de aprendizaje mediante investigación, estableciendo una metodología sistemática de forma organizada que conduzca al establecimiento y validación de una solución a un problema concreto a partir del estudio del estado de la técnica y la propuesta de alternativas. Es decir, se busca fomentar en los alumnos que reconozcan la investigación como medio para la adquisición de nuevo conocimiento y reforzar el adquirido y que sean capaces de encontrar recursos fuera de la disciplina y el entorno de trabajo del problema en sí.
  • Establecer una metodología de aprendizaje basado en investigación en 2 asignaturas de ámbitos diferentes (Tecnologías de Vehículos Industriales y Especiales y Sistemas Integrados de Fabricación) que comparten un núcleo tecnológico común.
  • Fomentar la extensión de la metodología de aprendizaje basado en investigación a otras asignaturas
• En la asignatura de Grado:
  • Plantear la extrapolación de los resultados de las actividades de investigación previas a una asignatura de Grado (Robótica) de otra rama de la Ingeniería como ejemplos ilustrativos y prácticas.
  • Introducir a los estudiantes en la metodología de investigación para fomentar el análisis crítico de razonamientos y resultados.
• En ambos casos:
  • Aumentar la motivación de los alumnos en las 3 asignaturas mediante herramientas docentes alternativas y adaptadas a los niveles educativos, proporcionando una visión cercana a temáticas actuales y presentes en las empresas de diversos sectores.
  • Trasvasar las prácticas de investigación de los profesores al entorno del aula para fomentar el uso de las metodologías científicas entre los estudiantes para la búsqueda de soluciones a problemas.
  • Involucrar a los alumnos en las temáticas de investigación fundamental y aplicada que se desarrollan en INSIA y que son extrapolables a otros ámbitos tecnológicos.
  • Presentar casos de estudio multidisciplinares complementarios entre diferentes áreas de conocimiento.

La experiencia de los profesores involucrados en esta propuesta apunta a la dificultad de motivación de los alumnos en asignaturas de enfoque generalista o excesivamente teórico. Adicionalmente, trabajos previos en materia de innovación educativa han mostrado las carencias de los alumnos para afrontar enfoques abiertos a problemas, los cuales, aunque inicialmente son más motivadores, acaban poniendo de manifiesto la tendencia de las enseñanzas a la resolución de problemas de solución cerrada y, muchas veces, camino único. Si bien este último enfoque puede ser más razonable para ciertas materias de primeros cursos, las asignaturas de Máster se prestan a enfoques más abiertos, más cercanos a la investigación. Por ello, con esta experiencia se persigue dotar a los alumnos de herramientas para que exploren la materia como lo haría un investigador, encargándose de intentar dar solución a problemas reales y tangible y adquirir los conocimientos y competencias fijadas para las asignaturas a través de esa investigación. Estas actuaciones se modularán en función del nivel educativo, Grado o Máster. Por otra parte, en la asignatura de Grado, se pretende ofrecer un punto motivador con experiencias y resultados actuales de los conceptos abstractos explicados, así como una vía de realización de prácticas y ejercicios aplicados en base a la investigación realizada en las otras materias. Por ello, la mejora de la calidad se enfocaría según las siguientes vertientes:

Asignatura de Grado:

• Incremento de la motivación ante el estudio de casos reales multidisciplinares de investigación y desarrollo aplicado.
• Introducción a la metodología de investigación y a problemas reales.
• Fomento del análisis crítico de soluciones y establecimiento de estrategias de validación y comprobación de los resultados

Asignaturas de Máster:

• Formación en el método científico de investigación para establecer metodologías horizontales aplicables para abordar problemas de solución abierta.
• Realización del proceso científico completo desde el estudio del problema hasta la validación de la solución como medio para la adquisición de conocimientos nuevos.

El esquema en el planeamiento de la experiencia, así como su mantenimiento en cursos sucesivos, viene condicionado por la ubicación de las asignaturas involucradas en el proyecto (las 2 asignaturas de Máster están encuadradas en el segundo cuatrimestre y la de Grado en el primero).

Actividades transversales:

• Coordinación de profesores de diferentes Escuelas y Departamentos (febrero-noviembre 2022)
• Difusión del proyecto (septiembre-noviembre 2022)

Asignaturas involucradas: Tecnologías de Vehículos Industriales y Especiales y Sistemas Integrados de Fabricación (Master Universitario de Ingeniería Mecánica) - Segundo cuatrimestre curso 2021-22

• Preparación de documentación de formación en metodología científica (febrero 2022)
• Definición de casos de estudio y preparación de documentación de partida para proceso de investigación (febrero 2022)
• Desarrollo de experiencia en asignaturas de Máster, incluyendo los pasos del método científico de investigación y el seguimiento del progreso mediante tutorías (marzo-mayo 2022)
• Preparación de datos reales para validación de soluciones de los alumnos (abril 2022)
• Presentación de resultados de trabajos de investigación (mayo 2022)
• Evaluación de la experiencia y propuestas de puntos de mejora (junio 2022)
• Informe de valoración de la experiencia (julio 2022)

Asignatura involucrada: Robótica (Grado en Ingeniería de los Computadores) - Primer cuatrimestre curso 2022-23

• Preparación de ejemplos prácticos reales para la asignatura de Grado a partir de los desarrollos en las asignaturas de Máster (julio – septiembre 2022)
• Desarrollo de experiencia en asignaturas de Máster (septiembre-diciembre 2022)
• Evaluación de la experiencia y propuestas de puntos de mejora (noviembre 2022 – aunque se extenderá hasta el fin del semestre fuera del ámbito del proyecto)
• Informe de valoración de la experiencia (noviembre 2022 - aunque se extenderá hasta el fin del semestre fuera del ámbito del proyecto)

La valoración de la experiencia se medirá en dos planos: cualitativo y cuantitativo. En cualquier caso, se intentará valorar, tanto la adquisición de conocimientos como competencias transversales como trabajo autónomo, trabajo en equipo, análisis crítico, resolución de problemas y aprendizaje a lo largo de la vida. 

• En el primer caso, se analizará la percepción de los alumnos de las 3 asignaturas mediante encuestas al final del cuatrimestre de impartición. Estas encuestas serán específicamente preparadas sobre la experiencia. Además, aunque en las asignaturas de Máster no es usual contar con alumnos que no hayan superado la materia el curso anterior si siguieron el curso entonces, en el caso de la asignatura de Grado sí se produce esa situación por lo que se valorará la percepción de estos estudiantes y si ha mejora la valoración de la metodología docente frente al enfoque tradicional actual.
• En cuanto a la valoración cuantitativa de resultados, resulta compleja la comparación de resultados de calificaciones de la asignatura de forma global, pero sí se analizará el desempeño de los estudiantes en las actividades de investigación (puntales en la asignatura de Grado y más amplias en las de Máster) que se han planteado. Resulta fundamental en este punto la identificación de carencias y dificultades encontradas por los alumnos que se enfrentan a una metodología de aprendizaje no interiorizada con anterioridad, ya que supone un feedback esencial para la adaptación de la experiencia en cursos sucesivos. Para ello, se aprovecharán las herramientas y rúbricas ya establecidas en experiencias previas desarrolladas por los profesores para la valoración de metodologías para resolución de problemas de solución abierta. 

Resultados transversales:

• Documento sobre metodología científica que será presentado y entregado a los alumnos de Máster para encauzar los pasos que deben ir acometiendo.
• Documento sobre buenas prácticas para difundir el conocimiento fruto de la investigación y como incluir dicha difusión dentro de la metodología de investigación.
• Documento recopilatorio de casos de estúdio.

Para las asignaturas de Máster:

• Repositorio de temáticas de problemas actuales susceptibles de su estudio mediante investigación, junto con documentación preliminar de introducción a cada uno de ellos.
• Base de datos reales de los casos de estudio que podrán servir para validación de los desarrollos.
• Repositorio de código y algoritmos desarrollados durante la experiencia

Para la asignatura de Grado:

• Repositorio de ejemplos de casos prácticos (desarrollado a partir de los trabajos en las asignaturas de Máster) y aplicación a datos reales.
• Guías de manejo de diversos entornos de simulación
• Descripción de los diversos benchmark para entrenamiento de sistemas de percepción.

En cuanto a los recursos transversales, los dos primeros documentos son totalmente transversales y son válidos para cualquier área de conocimiento. Por ello, pueden ser empleados en cursos de formación como los impartidos en el Instituto de Ciencias de la Educación (ICE). El tercero pretende ser una guía marco para el establecimiento de casos como ejemplos para asignaturas relacionadas con la Robótica, el Control Automático, la Automatización de Procesos o los medios de transporte autónomos. Los repositorios se integrarán en la documentación disponible para los alumnos en las plataformas de tele-enseñanza como Moodle.

Se plantea difundir el trabajo desarrollado en la experiencia mediante 2 vías fundamentales:

• Artículo en revista incluida en JCR como, por ejemplo, International Journal of Engineering Education
• Presentación en congreso sobre temática de innovación docente

De igual forma, los profesores están abiertos a cualquier difusión interna en UPM para mostrar los resultados al resto de la Comunidad por la vía que se estime oportuna: noticia en página web, participación en simposios, etc.

Aunque no se encuentra dentro de los objetivos prioritarios de la propuesta, se explorarán vías de transferencia externa a la UPM mediante iniciativas como la activa en el Foro de Ingeniería de los Transportes que ha planteado un espacio de intercambio de experiencias docentes en materias relacionadas con los vehículos y transportes, en dos ramas, la civil y la industrial, que sería la de aplicación en este caso.  

Por último, se hará mención al proyecto en la página web de INSIA y la web del grupo de investigación de Ingeniería de Fabricación.

En el proyecto intervienen profesores de dos Escuelas, ETS Ingenieros Industriales y la ETS Ingeniería de Sistemas Informáticos, pertenecientes a áreas de conocimiento muy dispares. Esta multidisciplinaridad se considera un valor añadido de la propuesta ya que se trasvasan enfoques de unas áreas a las otras, enriqueciendo los enfoques y los casos de aplicación planteados.

Adicionalmente, se cuenta con la colaboración del Instituto Universitarios de Investigación del Automóvil (INSIA) y su aportación en temáticas de investigación aplicables y extrapolables a las diferentes asignaturas involucradas en la experiencia. Además de contar con una dilatada experiencia en proyectos de investigación de los que se pueden extraer los caos prácticos para el estudio por parte de los alumnos, se cuenta con medios materiales e instrumentación para la adquisición de datos reales sobre los que trabajar e implementar soluciones por parte de los alumnos. Estos medios incluyen sistemas de posicionamiento por satélite, unidades inerciales, sensores LiDAR para percepción del entorno y vehículos automatizados con arquitectura de percepción y control abierta basada en ROS2 en los que es posible la incorporación de nuevos algoritmos para su validación.

Estos medios se complementan con los disponibles en la Unidad de Fabricación en la ETSII que cuenta con un AGV sensorizado con LiDARs y capacidad de toma de decisiones autónomas para la gestión de tareas logísticas y de transporte en interiores y un robot colaborativo que puede trabajar en conjunción con el AGV dentro de las instalaciones de Fabricación, simulando un entorno industrial real.

A partir de los dos ámbitos anteriores se generarán los repositorios de datos reales a partir de los que se puedan definir los casos de uso, tanto para las tareas de investigación de los alumnos de las dos asignaturas de Máster, como para la presentación de escenarios de aplicación en la asignatura de Grado en la que se harán aplicaciones de los conocimientos impartidos a situaciones y usos reales.