La propuesta se enmarca principalmente en la línea de trabajo E6. Experiencias docentes en el Metaverso/Realidad virtual, aunque hay elementos en la propuesta relacionados con las líneas E1. Aula invertida y E4. Aprendizaje Basado en Investigación. Se ha definido con línea principal la E6. Ya que se pretenden generar modelos virtuales de rotores (hélices, rotores de aerogenerador, helicóptero, drones) que permitan visualizar al alumnado tanto los movimientos complejos como las distribuciones de acciones (aerodinámicas, gravitatorias, inerciales y de reacción) sobre estos rotores. La experiencia dice que estas estas visualizaciones suponen una dificultad específica para un número importante de alumnos.

La propuesta conecta con la línea E1 (Aula Invertida) ya que propone el uso de los modelos virtuales en un formato de aula invertida tanto en la asignaturas de Tecnología Aeroespacial (TA) y de Aeronaves de Alas Rotatorias (AAR), de 1º y 4º del Grado en Ingeniería Aeroespacial, respectivamente. Los alumnos abordarán fuera del aula el estudio de los aspectos teóricos de la geometría y el movimiento de los rotores y en la clase, en presencia del docente, abordarán el uso de los modelos virtuales para visualizar los aspectos desarrollados en el estudio teórico.

Finalmente, la propuesta conecta con la línea E4, ya que los modelos virtuales se van a utilizar también en las asignaturas Sistemas Eólicos Terrestres y Oceánicos y Helicópteros de 2º curso del master en Ingeniería Aeronáutica, que se desarrollan con una metodología de aprendizaje basado en proyectos con aspectos de aprendizaje basado en la investigación (los alumnos abordan proyectos abiertos sobre el diseño y el análisis de aerogeneradores y helicópteros, con análisis de bibliografía y contextualización de sus resultados con los de otros autores). También se pretenden utilizar los modelos virtuales obtenidos en el desarrollo de los Trabajos Fin de Master especiales sobre sistemas que incorporan rotores, en los que con frecuencia se ha colaboración con la industria y que en varias ocasiones han originado la publicación en congresos y revistas con índice de impacto. Finalmente, la incorporación de los conocimientos generados a las asignaturas de máster citadas, completa el proceso del aprendizaje basado en la investigación [1].

Una de las dificultades fundamentales que encuentran los alumnos de 1er curso del Grado en Ingeniería Aeroespacial (GIA) es la visualización de sistemas dinámicos con movimientos relativos. Un caso emblemático es el estudio de las hélices y los rotores de helicópteros en la asignatura de Tecnología Aeroespacial. En el estudio de estos sistemas los alumnos tienen que tener una idea clara de la representación espacial de los movimientos de las palas (giro, paso, batimiento, arrastre) y de la localización espacial de las acciones aerodinámicas que afectan a las palas o del movimiento relativo del aire respecto a los rotores.

En cursos posteriores, los estudiantes de ingeniería muestran en general altas capacidades en la resolución de problemas, sobre todo de la formulación matemática. Sin embargo, una de las dificultades típicas que suelen manifestar es la integración de conocimiento transversal de distintas asignaturas. Estas dificultades se suelen manifestar con bastante claridad cuando está involucrada la capacidad de razonamiento abstracto, la visión espacial, o cuando se enfrentan a la toma de decisiones en problemas abiertos.

Las asignaturas con una fuerte componente tecnológica utilizan modelos matemáticos teóricos para describir fenómenos físicos. El espectro de modelos físicos es tan amplio como las asignaturas impartidas en los niveles de grado y máster, pudiendo caracterizar desde las acciones externas sobre una estructura a las actuaciones de un vehículo o un subconjunto mecánico.

Cuando la capacidad de visión espacial o de razonamiento abstracto es limitada, la interpretación física de las ecuaciones puede encontrarse bastante condicionada, y en consecuencia, pueden surgir dificultades para interpretar el efecto que los distintos parámetros del modelo ejercen en el modelo físico representado.

Esta situación es evidente en las asignaturas de Aeronaves de Ala Rotatoria de 4º curso del GIA y de Helicópteros y Sistemas Eólicos Terrestres y Oceánicos de 2º curso del Master Universitario en Ingeniería Aeronáutica, donde los estudiantes muestran dificultades de interpretación física de las ecuaciones de la dinámica del rotor, donde se relacionan las acciones aerodinámicas, gravitatorias, inerciales y de reacción con el movimiento complejo de la pala. Parte de esta dificultad reside en la complejidad asociada a visualizar el conjunto mecánico real junto con la evolución temporal de la distribución espacial de las acciones mencionadas sobre las palas de los rotores.

Los proponentes consideran que disponer de modelos virtuales de rotores donde la evolución temporal del movimiento responda a la solución de las ecuaciones de la dinámica estudiadas por los alumnos y que permitan una representación virtual de las distribuciones de acciones sobre los elementos del rotor, puede facilitar enormemente el proceso de aprendizaje de la dinámica de estos sistemas complejos.

El desarrollo de los modelos virtuales de rotores se realizará utilizando un motor de juegos código de abierto (babylon.js para Javascript), con objeto de realizar una experiencia atractiva para el estudiante y accesible desde cualquier dispositivo. Una de las características necesarias para la experiencia es la disposición de distintas cámaras (puntos de vista) para analizar el movimiento dinámico de un rotor. Además, este motor gráfico facilita la exportación de la experiencia para el uso de gafas de Realidad Virtual y la integración de elementos intereactivos que pueden ayudar a captar la atención de los estudiantes.

El presente proyecto se plantea como una propuesta de colaboración de los profesores Alvaro Cuerva Tejero (ACT, TU, coordinador de la propuesta), Oscar López García (OLG, TU) y Cristóbal José Gallego Castillo (CGC, CD), por un lado, con amplia experiencia en la simulación computacional de la dinámica de rotores, y el profesor Sergio Ávila Sánchez (SAS, CD) con amplia experiencia en diseño gráfico en la ingeniería, por otra.

La propuesta cuenta con la participación de investigador en formación Ricardo Fernández de Aldama (FPI de la UPM) con experiencia en la simulación computacional de la dinámica de rotores de aerogenerador y con la investigadora Irene Velasco Suárez (IVS, Ingeniera Aeronáutica por la UPM) que desarrolla su investigación sobre aeronaves no tripuladas de ala rotatoria en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. 

Los profesores ACT, OLG y CGC han participado como coordinadores o miembros del equipo de tres proyectos de innovación educativa (PIE) que han permitido generar las herramientas de simulación computacional que utilizan los alumnos en las asignaturas del MUIA, HE y SETyO así como en los Trabajos Fin de Grado de Diseño Preliminar de un Helicóptero y de Diseño Conceptual de un Aerogenerador y los trabajos fin de grado relacionados con la tecnología de alas rotatorias.

Los profesores OLG y ACT desarrollaron en 2010 los PIEs “Helicópteros y Aeronaves Diversas I” (Coordinador OLG) y “Helicópteros y Aeronaves Diversas II” (Coordinador ACT) y en 2014 los profesores CGC, OLG y ACT desarrollaron el PIE “Desarrollo e implantación de un laboratorio virtual para el aprendizaje en sistemas que incorporan alas rotatorias” (Coordinador CGC). Parte de los resultados de estos tres PIEs fueron presentados en el Foro Internacional sobre Evaluación de la Calidad de la Investigación y la Educación Superior 2015 [2].  

Por otra parte, el profesor SAS ha participado en 2012 en el PIE “Mejora de capacidades viso-espaciales para la representación de objetos”.

Las herramientas de simulación computacional desarrolladas parcialmente en el contexto de los primeros PIEs son HEROES y WTToolBox, están disponibles bajo licencia GPL  http://arya.dave.upm.es/  y, como se ha mencionado, se utilizan sistemáticamente en las asignaturas de TA y AAR (GIA), HE y SETyO (MUIA) asi como en el desarrollo de los TFGs y TFMs relacionados.

La presente propuesta se plantea como continuación del PIE “Desarrollo e implantación de un laboratorio virtual para el aprendizaje en sistemas que incorporan alas rotatorias” (https://innovacioneducativa.upm.es/proyectos-ie/informacion?anyo=2014-2015&id=1716) con el objetivo de avanzar en la representación en entornos virtuales de movimiento de los rotores y las acciones que determinan ese movimiento generando modelos de realidad virtual que faciliten la comprensión de las soluciones de la dinámica de estos sistemas giratorios.

Los profesores proponentes se han formado en diversos aspectos de técnicas docentes innovadora en el Instituto de Ciencias de la Educación (ICE) de la Universidad Politécnica de Madrid (más de 700 horas de docencia reibida en el ICE).

En cuanto a las competencias cuya adquisición se verá reforzada cabe destacar:

TA (1º GIA):

CG9 - Razonamiento crítico y capacidad de asociación que posibiliten el aprendizaje continuo.

CE10 - Comprender cómo las fuerzas aerodinámicas determinan la dinámica del vuelo y el papel de las distintas variables involucradas en el fenómeno del vuelo.

AAR (4º GIA-VA)

CG9 - Razonamiento crítico y capacidad de asociación que posibiliten el aprendizaje continuo

CE26 - Conocimiento adecuado y aplicado a la Ingeniería de: Los sistemas de las aeronaves y los sistemas automáticos de control de vuelo de los vehículos aeroespaciales.

HE (2º MUIA-AE)

CE-VA-10 - Conocimiento adecuado de los distintos Subsistemas de las Aeronaves y los Vehículos Espaciales.

SETyO (2º MUIA-AE)

CE-VA-4 - Aplicación de los conocimientos adquiridos en distintas disciplinas a la resolución de problemas complejos de Aeroelasticidad.

[1]. Aprendizaje basado en investigación (Guía Básica). Servicio de Innovación Educativa-UPM. Julio de 2020. Universidad Politécnica de Madrid.

[2]. Óscar López García, Álvaro Cuerva Tejero, Irene Velasco Suárez y Cristóbal José Gallego Castillo, Diseño y ejecución de la adaptación a los requisitos del EEES de las enseñanzas en aeronaves de alas rotatorias de la titulación que habilita a la profesión de Ingeniero Aeronáutico en la Universidad Politécnica de Madrid. Foro Internacional sobre Evaluación de la Calidad de la Investigación y la Educación Superior. FECIES, Sevilla, 9-11 Julio, 2015.

El objetivo principal del proyecto es general modelos de rotores en entornos de realidad virtual qe faciliten la comprensión por parte del alumnado, tanto de su movimiento como de las acciones de diverso carácter (aerodinámico, gravitatorio, inercial, reacción) que dan lugar al mencionado movimiento.

Se pretende utilizar las leyes de movimiento y la distribución temporal de acciones simuladas con las toolboxes HEROES y WTToolbox, para implementar visualización en el entorno Babylon de Javascript o herramientas similares de código abierto.

Las actividades se desarrollarán en coordinación con las investigadoras Raquel Martín San Román (CENER) e Irene Velasco Suárez (INTA) con cuyos grupos, los profesores proponentes mantienen colaboraciones sobre sistemas que incorporan rotores.

Además de los aspectos relacionados con la realidad virtual, el uso por parte de los alumnos de los modelos generados por parte de los alumnos se desarrollará en un contexto de aula invertida (TA y AAR del GIA) y de aprendizaje orientado a proyectos y basado en la investigación (HE y SETyO del MUIA).

Con la combinación de las metodologías propuestas en este, se busca como objetivos principales:

• Motivar al estudiante, y estimular su capacidad de análisis y de aprendizaje autónomo.
• Desarrollar destrezas transversales de los estudiantes, y la integración de distintas disciplinas en la interpretación de los resultados.
• Implementar la base de una herramienta abierta que permita su aplicación futura a otras asignaturas del GIA y del MUIA (en particular aquellas en las que están involucrados los profesores proponentes), o la ampliación de la experiencia integrando hardware (gafas de realidad virtual).

Facilitar la interpretación visual de los movimientos complejos de los rotores, así como de las acciones que provocan dicho movimiento, redunda en una mejor comprensión de los resultados de los modelos dinámicos de rotores que predicen las acciones que los afectan y su movimiento. Esto es un paso fundamental en problemas de análisis (como los que han de resolver los alumnos de TA y AAR en el GIA) y problemas de análisis, diseño y optimización (como los que abordan los alumnos de HE y SETyO del MUIA).

Por otra parte, los modelos virtuales que se pretende desarrollar constituyen una herramienta idónea para su difusión en internet y para el uso por parte de alumnado en su aprendizaje autónomo con un alto carácter experiencial.

Los resultados de aprendizaje que se pretende reforzar son

TA (GIA-VA)

RA42 - Conocimiento general de los distintos sistemas propulsivos de los vehículos aeroespaciales.

AAR (GIA-VA)

RA270 - Conocimiento, comprensión, aplicación, de la aerodinámica de los rotores, las actuaciones y la estabilidad y controlabilidad de las aeronaves de las aeronaves de alas rotatorias.

HE (MUIA-AE)

RA72 - Conocimiento y aplicación de la simulación computacional del problema de diseño del helicóptero.

SETyO (MUIA-AE)

RA17-Conocimiento, comprensión y aplicación de la aerodinámica de los rotores, las actuaciones y la

controlabilidad de aerogeneradores.

RA20 - Conocimiento y aplicación de la simulación computacional del problema de diseño del aerogenerador.

El proyecto constará de las siguientes fases:

Fase 1 (Feb. 2023. Semanas 1-4): Planificación conceptual detallada del desarrollo del experimento virtual, así como del diseño de las dinámicas que se propondrán a los estudiantes.

Fase 2 (Marzo 2023. Semanas 5-8): Formación inicial de la beca  

• Tiempo formativo del becario en la parte programación y en la parte de formulación teórica.
• Implementación del esqueleto básico del modelo virtual.

Fase 3 (Abril-Junio 2023. Semanas 9-17): Fase de implementación de la beca. Implementación del caso de estudio.

Fase 4 (Junio 2023. Semanas 18-20): Puesta en práctica de experiencia preliminar con estudiantes de TFG de diseño conceptual de aerogeneradores y diseño preliminar de helicópteros.

Fase 5 (Septiembre 2023. Semanas 25-28): Presentación de los estudiantes en contextos de aula invertida (1º y 4º de grado) y contexto de aprendizaje orientado a proyectos y basado en investigación (2º de máster).

Fase 6 (Octubre 2023. Semanas 20-25): Evaluación de la experiencia.

Durante la implementación del proyecto, se realizaría un seguimiento semanal del trabajo asociado a la beca. También se mantendrían reuniones regulares para coordinar las tareas asignadas a los distintos integrantes del proyecto.

Durante la fase de experiencia preliminar 4 (Junio 2023. Semanas 18-20) con estudiantes de TFG se les presentarán los modelos virtuales junto con una encuesta de cara a evaluar la utilidad de los modelos. Los alumnos de TFGs de diseño conceptual de aerogeneradores y diseño preliminar de helicópteros tienen experiencia en diseño de rotores y su criterio a la hora de valorar la utilidad de los modelos virtuales de rotores puede ser muy informativo.

En las asignaturas de 1º y 4º grado se generará un grupo de control que no tendrá acceso a los modelos virtuales en una primera fase. El grupo de control y el resto de alumnos realizarán un test sobre conocimientos adquiridos que será común a todos los alumnos y se analizarán posibles diferencias en el aprendizaje.

En las asignaturas de 2º de máster, durante el desarrollo de los proyectos que los alumnos deben realizar a lo largo del semestre, se les facilitarán los modelos virtuales y se les interrogará sobre la mejoras y complementos que identifican en los modelos virtuales de cara a incrementar su utilidad en las asignaturas de máster HE y SETyO.   

En el proyecto genera dos productos resultantes directos. El primero es el conjunto de modelos virtuales de rotores junto con el material teórico para las asignaturas TA y AAR de grado. En posibles continuaciones del proyecto se abordará el desarrollo de modelos virtuales más complejos y su material teórico asociado para las asignaturas HE y SETyO de máster.

El segundo producto sería una plataforma de desarrollo que permitiría exportar la experiencia a otras asignaturas, teniendo dos candidatas previstas. La primera sería la elaboración de conjuntos mecánicos para la asignatura “diseño gráfico”, con objeto de mejorar la experiencia de aprendizaje de los estudiantes. La segunda sería la utilización del código en pequeñas partes para las clases teóricas de la asignatura “programación gráfica para aplicaciones aeronáuticas”, para fomentar la participación de los alumnos en la implementación de mejoras de los modelos virtuales.

Se daría acceso abierto al código tanto de la plataforma como de los modelos virtuales virtuales. La plataforma previsible será Github.

Se planea difundir la experiencia global en una revista o seminario de innovación educativa.

Se colaborará con el Laboratorio Armado de UAVs del Instituto de Técnica Aeroespacial. Con ambos grupos se mantienen colaboraciones mediante la relización de TFGs en el ámbito de sistemas que incorporan rotores. Estas actividades se pueden ver favorecidas con la disponibilidad de modelos virtuales de rotores.