La universidad está siendo testigo durante estos últimos años de los pronunciados cambios generacionales en el nuevo alumnado. Estos cambios se hacen evidentes en la forma de estudiar de los nuevos estudiantes, así como en las tecnologías que emplean para llevar a cabo sus tareas. Además de esto, la situación pandémica vivida durante los últimos dos años ha contribuido sustancialmente al boom de las nuevas tecnologías que los docentes nos hemos visto obligados a poner en práctica en un muy corto periodo de tiempo. Durante este periodo, las asignaturas más afectadas han sido las de un contenido práctico elevado. En concreto, el Departamento de Ingeniería Electrónica (DIE), así como asignaturas de otros departamentos con prácticas de instrumentación electrónica, han observado un gran descenso en las destrezas prácticas de los alumnos que durante la pandemia no pudieron entrar a los laboratorios ni entrenar el uso de los instrumentos, capacidad básica para el desarrollo de estos futuros ingenieros. Muchas de las prácticas simuladas propuestas cubrían parte de los conocimientos que el alumno debía adquirir en las asignaturas, sin embargo, las técnicas y la experiencia de medida con los instrumentos de un puesto de laboratorio no pudieron reproducirse fielmente.

El DIE imparte varias asignaturas donde el manejo de instrumentos es imprescindible para llevar a cabo las prácticas propuestas. Estas asignaturas son, entre otras:

• Fundamentos de Electrónica (FELT) del 2º curso del Grado de Ingeniería Biomédica (GIB)
• Electrónica e Instrumentación Básicas (EINB) del 2º curso del Grado en Ingeniería de Tecnologías y Servicios de Telecomunicación (GITST)
• Circuitos Electrónicos (CELT) del 3er curso del GITST.
• Ingeniería de Sistemas de Instrumentación (ISIN) del 1er curso del Máster Universitario en Ingeniería de Telecomunicación (MUIT).
• Sistemas digitales II (SDG2) del 3er curso del GITST.

En el departamento de Tecnología Fotónica y Bioingeniería (TFB) también imparten asignaturas donde el manejo de la instrumentación electrónica adquiere un papel relevante, por ejemplo:

• Electrónica de Consumo (ELCO) del 4º curso del GITST

Los alumnos deben adquirir práctica en el manejo de estos instrumentos en las asignaturas más básicas de los grados, como EINB y FELT, y aplicar con destreza estos conocimientos en asignaturas de cursos superiores como por ejemplo CELT, SDG2, ELCO o ISIN. Las asignaturas básicas masivas organizan un número de prácticas y horas concreto para que todos los alumnos sean capaces de adquirir este conocimiento. Dado el gran número de alumnos en estas asignaturas, el tiempo asignado resulta escaso para alumnos con mayores dificultades de aprendizaje. Aparte de esto, los alumnos suelen llegar a las prácticas sin haber interiorizado previamente los nuevos conceptos que van a poner en práctica ni los objetivos de las prácticas.

Para cubrir y mejorar la comprensión de los instrumentos básicos de laboratorio, así como las prácticas que llevarán a cabo, se plantea la puesta en marcha de laboratorios con instrumentos virtuales lo más reales posible. Muchos de los softwares de simulación electrónica podrían cubrir la parte del comportamiento de un circuito, sin embargo, el manejo real de los instrumentos para medir la respuesta de estos circuitos sigue sin estar cubierta. Actualmente existe un prototipo básico de laboratorio virtual de electrónica “eLab3D” ofrecido por el Gabinete de Tele-Educación (GATE) dentro de la plataforma UPM[3DLabs] [1]. La experiencia que plantea es una muy realista diseñada con OpenSim ofreciendo una experiencia en realidad virtual. A pesar de ser un buen ejemplo para el empleo virtual de instrumentos sigue siendo una versión inicial básica y no cubriría gran parte de las asignaturas de los grados GIB y GITST. Se pretende por tanto ofrecer una alternativa menos compleja y más flexible de instrumentos virtuales a los alumnos de las asignaturas básicas de electrónica, tanto de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación (ETSIT) como de la UPM. El objetivo es que puedan practicar en cualquier momento el manejo de un puesto de instrumentación básica y mejoren su aprendizaje aprovechando de una forma más eficiente su posterior experiencia en los laboratorios reales.

Para poder llevar a cabo el diseño de estos instrumentos y plataformas, se involucrará a alumnos de máster, en particular de la asignatura ISIN, en la que se hace uso de la herramienta Labview para el manejo de los instrumentos reales del puesto. Labview, de la compañía National Instruments, es una potente herramienta para el control virtual de instrumentación y para la adquisición y análisis de datos  [2]. En ISIN los alumnos aprenden técnicas de medidas y diseñan sistema de instrumentación para aplicaciones muy concretas que implican diversos sensores. Muchas veces las aplicaciones virtuales que se les proporcionan suelen estar avanzadas, a falta de algunas modificaciones por su parte, para poder realizar medidas concretas sobre los sistemas reales. Se plantea en este proyecto mejorar la docencia mediante la aplicación del aprendizaje basado en retos más avanzados donde se proponga el diseño virtual completo de cada uno de los instrumentos del puesto. Los mejores diseños se podrán considerar para su aplicación en las plataformas virtuales propuestas y se analizará la mejora en el aprendizaje de esta asignatura.

Este proyecto plantea por tanto el desarrollo de varias líneas de innovación docente y la adquisición de diversas competencias por parte de los alumnos. Se promueve el enfoque didáctico multidisciplinar implicando alumnos de diferentes cursos y asignaturas que participarán en las distintas fases del proyecto.

• Los alumnos de los cursos más avanzados experimentarán un aprendizaje basado en retos mediante el desarrollo de proyectos complejos con el objetivo de diseñar instrumentos virtuales más completos y fieles a una experiencia real. Adquirirán competencias adicionales y se motivarán al estar implicados en estos proyectos reales, que tendrán aplicación directa para otros estudiantes.
• Los alumnos que cursen las asignaturas de electrónica básicas y tengan su primer contacto con los puestos de laboratorio se beneficiarán del uso virtual realista de estos instrumentos para interactuar con los instrumentos y desenvolverse mejor durante sus prácticas en los laboratorios reales. Se espera contribuir a la mejora de resultados de aprendizaje, especialmente de los alumnos con mayor dificultad, mediante estos recursos tecnológicos y la experiencia docente en la realidad virtual.

[1]         “UPM[3DLabs].” https://3dlabs.upm.es/web/laboratoriosOpensim.php

[2]         “¿Qué es LabVIEW? Programación gráfica para pruebas y medidas - NI.” https://www.ni.com/es-es/shop/labview.html

Los objetivos principales de este proyecto son:

• El desarrollo de entornos virtuales que simulen el uso de los instrumentos básicos de los puestos de laboratorio y su combinación con la simulación de circuitos. Se persigue que estas simulaciones sean lo más realista y fieles posible a lo que los alumnos realizarían en el laboratorio. Estos entornos estarán especialmente enfocados a los alumnos que cursen por primera vez asignaturas prácticas de electrónica básica, pero también se ofrecerán a alumnos que necesiten refrescar el manejo de estos instrumentos.
• Involucrar a alumnos más experimentados de las asignaturas del DIE de cursos superiores, principalmente de máster, en el aprendizaje basado en retos mediante su participación en proyectos reales y en sesiones grupales de seguimiento.

Estos objetivos implican el desarrollo de dos claras líneas de investigación: el aprendizaje basado en retos o “Design Thinking” para los alumnos más experimentados, y la experiencia docente en la realidad virtual, que pretende contribuir a la mejora del aprendizaje de los alumnos de cursos inferiores que tengan que emplear los instrumentos básicos: osciloscopio, multímetro, generador de funciones y fuente de alimentación.

Se plantea desarrollar estos entornos e instrumentos virtuales dentro de la asignatura de “Ingeniería de Sistemas de Instrumentación” del 1º curso del MUIT usando la plataforma Labview, poniendo especial énfasis en una interfaz “user friendly” para cada instrumento, que facilite su integración en el montaje de distintas prácticas. Se les ofrecerá estos proyectos a alumnos que deseen mejorar su calificación.

Los mejores proyectos de esta asignatura pasarán a la siguiente fase y tras su evaluación, mejora e integración, se pondrán a disposición de las diferentes asignaturas de electrónica básica del DIE y TFB que tengan una carga práctica y en las cuales los alumnos no tengan una amplia experiencia previa en el uso de los puestos e instrumentos de laboratorio. Entre estas asignaturas se encuentra: FELT, EINB, CELT, SDG2 y ELCO.

Para el desarrollo de los entornos e instrumentos virtuales, también se considerarán otras plataformas que puedan resultar necesarias, como por ejemplo la integración de MultiSim con Labview para una simulación avanzada de los diferentes circuitos tratados en las prácticas de laboratorio. Adicionalmente, se contactará con el GATE y los desarrolladores del “eLab3D” para estudiar su posible uso.

Las aplicaciones virtuales que finalmente se obtengan en este proyecto se podrían poner a disposición de todos los alumnos de la UPM dentro del servicio de Escritorio Virtual. Uno de los objetivos que se persigue con esto es el desarrollo sostenible y la reducción de la huella de carbono. La UPM está sufriendo estos meses un gran problema relacionado con el consumo eléctrico. La adquisición de los alumnos de mayor destreza en el uso de los equipos de laboratorio y por tanto una realización más rápida y eficaz de las prácticas de laboratorio podría reducir el tiempo que estos laboratorios masivos mantengan sus puestos encendidos, lo que reduciría drásticamente el consumo eléctrico.

Las mejoras que se pretenden alcanzar con este proyecto se desglosan en función de los alumnos implicados. Para los alumnos de ISIN que se impliquen en el desarrollo de los instrumentos virtuales:

• Motivar a los estudiantes con la participación en estos proyectos reales en los que puedan poner en práctica los conocimientos adquiridos durante la asignatura.
• Estimular el “Design Thinking” de los alumnos que quieran profundizar en la asignatura.
• Desarrollar cada instrumento por separado. Para el grupo de alumnos que decidan llevar a cabo estos proyectos se incorporará un sistema de seguimiento mediante reuniones grupales.
• Desarrollar competencias transversales y útiles para su futuro desarrollo profesional con aplicaciones reales y la presentación de sus proyectos.

En cuantos a los alumnos de cursos inferiores para los que estarán enfocados estos entornos virtuales, se pretende:

• Mejorar el aprendizaje ofreciéndoles la posibilidad de practicar las medidas eléctricas en los puestos de laboratorio haciendo uso de recursos tecnológicos virtuales que simulen de una forma realista un puesto de electrónica básica. Tendrían acceso indefinido a este recurso que podrán usar tanto para preparar las prácticas con antelación para un uso más eficiente del tiempo en el laboratorio real, así como fortalecer los conocimientos adquiridos en estas prácticas.
• Motivar a los alumnos mediante estos recursos multimedia a llevar a cabo un estudio previo para asentar mejor los conocimientos. La gran mayoría de los alumnos que realizan estas prácticas no estudian previamente el guion ni llegan a comprender muy bien los conceptos teóricos que van a poner en práctica.
• Mejorar la destreza de los alumnos al hacer uso por primera vez de un puesto de laboratorio de electrónica básica.

Se plantean cuatro fases principales con las siguientes acciones:

FASE 0: Planteamiento y estudio de la plataforma de desarrollo virtual

• Reunión de todos los profesores participantes en el proyecto.
• Organización de los miembros en dos grupos: profesores implicados en el desarrollo del entorno y los instrumentos virtuales (G1) y profesores implicados en la aplicación de los entornos virtuales para sus prácticas de laboratorio (G2).
• Planteamiento de las fechas para las reuniones de seguimiento.
• Estudio por parte del G1 de las posibilidades de los entornos de desarrollo y todos los recursos necesarios.

Duración: 1 mes (M0)

FASE 1: Desarrollo de los instrumentos virtuales por parte de los alumnos de máster.

• Oferta de los diferentes proyectos para la realización de cada instrumento virtual (osciloscopio, multímetro, generador de funciones, fuente de alimentación) a los alumnos de máster.
• Desarrollo de los proyectos y seguimiento por parte de los profesores del G1.
• Evaluación de las capacidades adquiridas por los alumnos y la posible mejora en su aprendizaje. Comparación con años previos o alumnos que no haya realizado estos proyectos.

Duración: 3 meses (M1 a M3)

FASE 2: Integración en aplicaciones virtuales completas y pruebas.

• Selección de los mejores proyectos y realización de las mejoras necesarias.
• Integración en aplicaciones virtuales completas que permitan tanto simular los circuitos de distintas prácticas como su medida con los instrumentos virtuales desarrollados.
• Pruebas de las aplicaciones por parte de los profesores tanto del G1 como G2.
• Preparaciones vídeos tutoriales para su manejo.

Duración: 3 meses (M4 a M6)

FASE 3: Distribución de las aplicaciones virtuales desarrolladas entre los cursos prácticos de electrónica.

• Seleccionar el mejor medio para permitir el acceso a las aplicaciones por parte de los alumnos.
• Presentar los vídeos tutoriales.
• Hacer un seguimiento del aprendizaje de los alumnos que usen el entorno.
• Encuestas a los estudiantes para que valoren la experiencia y estudio de estas encuestas.

Duración: 4 meses (M7 a M10)

Se realizará un seguimiento en función de los distintos hitos alcanzados. Se plantean los siguientes puntos clave:

-H1: Organización de los miembros participantes y selección de los mejores entornos de desarrollo.

-H2: Selección de los alumnos de ISIN del 2º cuatrimestre  para el desarrollo de los instrumentos virtuales. Diferentes parejas se encargarán de cada instrumento.

-H3: Presentación de los proyectos por parte de los alumnos de ISIN y evaluación de la mejora en su aprendizaje. Reunión profesores G1.

-H4: Integración de los mejores proyectos en aplicaciones completas.

-H5: Pruebas de las aplicaciones virtuales por parte de profesores de G1 y G2. Reunión para decidir si hay necesidad de mejoras.

-H6: Selección de las mejores plataformas para el acceso a las aplicaciones por parte de los alumnos de cursos prácticos de electrónica.

-H7: Evaluación de las mejoras en las destrezas prácticas de estos alumnos.

Los resultados se evaluarán en base a las mejoras de aprendizaje adquiridas por los alumnos y a la valoración de sus experiencias. Se compararán las calificaciones de las prácticas con las de años anteriores.

El producto resultante más relevante se espera que sea un entorno virtual sencillo que represente fielmente el manejo de los instrumentos de un puesto de electrónica básica y, además, permita de una forma flexible integrar diferentes prácticas propuestas en distintas asignaturas. Los destinatarios finales serán los alumnos de asignaturas prácticas de electrónica que tomen por primera vez contacto con puestos de instrumentación o que necesiten refrescar sus conocimientos.

Se desarrollarán vídeos tutoriales sobre su manejo, así como guiones con instrucciones.

Estos productos pueden resultar de gran utilidad para otros planes de estudio de la UPM que incluyan asignaturas de electrónica básica con carga práctica. Tendría por tanto un alto potencial de transferencia dentro y fuera de la UPM.

El entorno desarrollado se presentará dentro del espacio Moodle de las asignaturas de electrónica junto con los vídeos y las instrucciones para su manejo. Los alumnos de estas asignaturas tendrán así la posibilidad de usarlo en cualquier momento y durante todo el desarrollo de las asignaturas.

Igualmente, la descripción del proyecto y los resultados obtenidos se recogerán en una presentación final para todos los profesores interesados de la UPM.

Se plantea la presentación del proyecto y sus resultados, en 2 artículos de divulgación docente:

1. Descripción del entorno virtual desarrollado.
2. Presentación de los resultados de aprendizaje de los alumnos que hayan hecho uso del entorno.

Está previsto también difundir el entorno desarrollado a través de las noticias de la UPM.

• Dirección de los departamentos DIE y TFB para coordinar las reuniones de profesores.
• Gabinete de Tele-educación (GATE) de la UPM. Se solicitará su apoyo tanto para evaluar el uso del “eLab3D”, así como para la posible incorporación de las aplicaciones virtuales desarrolladas dentro del Escritorio Virtual de la UPM.
• Instituto de Ciencias de la Educación (ICE). Se consultará la posibilidad de integrar en su oferta cursos para el manejo de los entornos desarrollados.