El futuro laboral de los ingenieros se plantea altamente dinámico y con necesidad de una regeneración personal y profesional constante. El dominio de herramientas y competencias de carácter transversal y sobre todo con base innovadora y creativa es fundamental para su desempeño profesional dentro del complejo reto al que se enfrentan. La adquisición de los conocimientos básicos determinados por una cierta formación o grado debe conjugarse con las herramientas necesarias que permitan al estudiante y futuro ingeniero adaptarse a cualquier situación; más allá de salir de la universidad con una formación amplia en materias propias de su carrera, las competencias transversales se postulan como los mejores aliados para conformar a los ingenieros del futuro. Competencias como la innovación, la creatividad, el desarrollo de retos y el trabajo en equipo son algunas de las más relevantes a la hora de plantear cualquier reto docente dentro del marco de la universidad.

La presente propuesta de innovación educativa tiene como finalidad el empleo del aprendizaje basado en proyectos (ABP) para implementar una actividad de formación de carácter transversal entre los alumnos del Grado de Ingeniería de Materiales. El reto o proyecto en torno al cual se desarrollará esta actividad formativa tiene como objetivo el diseño, fabricación, montaje y programación de un drone autónomo. Este proyecto busca generar una fuerte motivación entre los estudiantes, al contener un reto ingenieril que fomente a su vez el desarrollo del trabajo en equipo. Así mismo, dicho proyecto se ha escogido pensando en su uso como canal de enseñanza transversal y multidisciplinar, al integrar dentro de su ejecución una amplia variedad de materias y herramientas útiles para el desempeño de cualquier ingeniero.

La actividad busca la participación de un número elevado de estudiantes de los últimos cursos del Grado de Materiales (alumnos de tercero y cuarto). Por ese motivo, la idea pasa por la formación de equipos de trabajo a modo de reto competitivo. Diversos equipos formados por hasta 4 estudiantes trabajarán sobre el mismo objetivo: diseñar, fabricar y programar un drone para su vuelo de manera autónoma. Se trata de que cada equipo diseñe su propio drone, pudiendo definir bajo su criterio todas y cada una de las fases o tareas. Para ello deben hacer uso de las herramientas y recursos facilitados por el profesorado, siendo ellos los que realicen el diseño que consideren óptimo. El proyecto se puede estructurar o descomponer en varios retos o subtareas, que dentro de cada equipo deben ser asignadas a diferentes miembros. Las tareas sobre las que los equipos deberán trabajar son las siguientes:

• Diseño de la geometría del chasis y selección de material de fabricación. El drone estará limitado en tamaño y peso, por ello los ingenieros deberán proponer una geometría y material para el soporte estructural del drone (chasis), que permita un vuelo estable y aloje a todos los componentes de este sin superar las especificaciones de proyecto. En esta fase, los miembros a cargo del diseño harán uso de herramientas de CAD, selección de material y simulación mediante elementos finitos (FEM) para el análisis del comportamiento estructural. Para la fabricación del chasis, se empleará la tecnología de impresión 3D, para la cual, el Departamento de Materiales cuenta con impresoras de resina y filamento que estarán disponibles para los alumnos participantes.
• Programación de las rutinas de vuelo. En función de las pautas fijadas en las bases del proyecto, el drone deberá realizar una serie de labores de vuelo de manera autónoma. El ingeniero responsable deberá programar estas rutinas en la placa controladora del vuelo. La tecnología que se va a emplear en este proyecto y sobre la que los alumnos programarán el control del vuelo será Arduino, para la que el Departamento de Materiales cuenta con placas para el trabajo de los alumnos.
• Integración de sensores y programación. El drone, operando en vuelo de manera autónoma, deberá equiparse con una serie de sensores para la recopilación de datos del terreno. El ingeniero encargado de esta tarea deberá seleccionar los sensores que considere oportunos y programar su respuesta para la obtención de los parámetros especificados. Al igual que en la tarea previa, los sensores y la tecnología empleados serán Arduino, contando el Departamento con Material para su desarrollo.
• Montaje del drone y coordinación de equipos. El ingeniero encargado de esta tarea debe coordinar todas las tareas anteriores de forma que las distintas partes del proyecto encajen perfectamente. Es responsabilidad suya que el diseño del chasis sea compatible con la integración de los controles de vuelo y sensores. Así mismo, es el encargado del montaje final de todas las partes del drone y de realizar las soldaduras y conexiones necesarias.

La propuesta persigue una doble vertiente docente. Por un lado, trabajar herramientas útiles para cualquier formación en ingeniería y que por circunstancias no han sido cubiertas en el programa del grado de Ingeniero de Materiales o bien se han tratado de forma muy superficial. Dentro de estas herramientas se pueden enumerar el diseño de piezas a través de programas de CAD, la programación de código, el análisis estructuras a través de programas de elementos finitos, el manejo de nuevas tecnologías como Arduino así como el uso de herramientas apropiadas a la formación en Materiales como son la impresión 3D y la selección de materiales con el software GRANTA. Por otro lado, esta propuesta busca formar y desarrollar a los alumnos en competencias de carácter transversal, muy demandadas en la industria actual, como son la creatividad, la innovación, el trabajo en equipo y la consecución de retos.

El desarrollo de ambas vertientes docentes se realizará a través de las siguientes acciones, que a su vez ilustran las características fundamentales del presente proyecto de innovación propuesto:

1. Desarrollo de un proyecto real, que termine con un producto potencialmente valioso. La realización de un proyecto que se materialice en un producto no solo favorece una alta motivación, sino que permite emplearlo como canal docente para el aprendizaje de las distintas competencias transversales necesarias para la consecución del proyecto.
2. Talleres formativos. A través de sesiones formativas organizadas en una serie de talleres prácticos, los alumnos inscritos en la actividad recibirán formación en las distintas herramientas propuestas.
3. Estructura del proyecto en fases o subtareas. Es parte de la metodología propuesta (ABP) que un determinado proyecto, con cierta complejidad, se subdivida en tareas o fases. La idea es buscar que los alumnos se organicen como lo haría una empresa de ingeniería ante un proyecto real, asignando a cada miembro una tarea específica.
4. Lo anterior busca favorecer el desarrollo del trabajo en equipo. El éxito o consecución del producto final pasa porque los miembros del grupo realicen una adecuada división del trabajo y sean capaces de conjugar con éxito todas las tareas que han realizado de manera estructurada. Esto significa que funcionan como piezas de un engranaje más complejo, teniendo cada miembro del grupo una responsabilidad y una tarea definida del proyecto total. El éxito del proyecto pasa por que todas las tareas se realicen de manera coordinada.
5. Para el desarrollo de la experiencia basada retos, se plantea el uso de la metodología Design Thinking (DT), integrándola como la herramienta para el desarrollo y consecución del reto. Para ello, los alumnos recibirán formación en DT a través de los talleres planteados a lo largo de la actividad innovativa. Por otro lado y aunque la experiencia de innovación se enmarca dentro del aprendizaje basado en retos, la presente propuesta de innovación pretende integrar además otras metodologías innovadoras, como son el aprendizaje basado en investigación y el aula invertida, fomentando o buscando que los alumnos se conviertan en lo actores de generación del conocimiento, facilitándoles recursos para que sean ellos quienes construyan el itinerario que consideren más apropiado dentro de este proyecto educativo.
6. Defensa oral del avance del proyecto. Se plantean sesiones de exposición de los avances de cada equipo, de tal manera que se trabaje la capacidad de exposición y la síntesis de ideas. Estas sesiones buscan además generar un ambiente de creación de ideas y debate entre los distintos equipos de trabajo.
7. Elaboración de un informe del proyecto donde los equipos reflejen apartados evaluables para la tarea: Memoria descriptiva, planos, justificación de la selección del material, cálculos FEM, costes y códigos de programación.
8. Difusión de la actividad a través de redes o herramientas web (blog UPM). Se pretende que los alumnos o equipos publiquen los avances a través de redes sociales, buscando dar difusión a la actividad y fomentando el uso productivo entre estudiantes de estas herramientas de difusión.
9. Posibilidad de desarrollar el proyecto en el marco de un TFG. Esta actividad se puede plantar como un TFG si el alumno lo desea (ver descripción de las FASES más abajo) . Esto facilitaría su integración dentro del currículo formativo del Grado de Materiales a la vez que permitiría al alumno aprovechar dicha actividad dentro del marco de los créditos de TFG.

Una vez implementada, la idea es plantear la actividad a los alumnos de los dos últimos cursos de ingeniería de materiales. Por este motivo, la actividad se estructuraría en dos fases:

FASE 1: Durante la primera fase se ofertará a todos los alumnos de 3º del Grado de Materiales la formación a través de talleres destinados al manejo de distintas herramientas y competencias de marcado carácter transversal. La idea es que todos los alumnos puedan acceder a cursar estos contenidos al no haber restricciones en el número de inscritos. Se busca hacer coincidir el contenido de estos talleres con asignaturas que estén trabajando contenidos similares de tal forma que sirvan en muchos casos de un refuerzo a materias en las que los alumnos encuentran cierta dificultad. Estos talleres se pueden plantear a modo de actividad transversal y se impartirán a lo largo de los dos cuatrimestres del tercer año del Grado. En principio los talleres propuestos son:

• T1. Diseño asistido por ordenador (CAD)
• T2. Arduino y sensores
• T3. Programación (refuerzo de la asignatura de simulación de primer cuatrimestre de 3º del Grado de Materiales)
• T4. Selección de materiales (refuerzo y ampliación de contenidos impartidos en la asignatura de Reciclado)
• T5. Cálculo y modelización estructural mediante FEM (Ampliación de las nociones vistas en las asignaturas de Materiales Compuestos y Mecánica de Materiales 3)
• T6. Impresión 3D
• T7. Design Thinking

Utilizando los conocimientos adquiridos durante los talleres los alumnos interesados podrán, en equipos de 4 personas, realizar una propuesta para un futuro drone; para ello, al final de la actividad (al final de curso) los equipos deberán entregar un informe que recoja una serie de apartados que definan su propuesta. Dichos apartados serán prefijados de antemano por los profesores. Así mismo, cada equipo realizará una defensa oral de su propuesta que será objeto de igualmente de evaluación. Las mejores propuestas podrán acceder a las FASE 2, que será la de diseño y fabricación de su propuesta.

El planteamiento de la FASE 1 en formato competitivo se hace por dos motivos:

• Generar un ambiente de competitividad sana, en la que los alumnos se vean motivados a emplear toda su creatividad para lograr el reto y acceder a la FASE 2.
• Sirve a modo de filtro para poder asignar trabajos de fin de grado a alumnos que realmente estén interesados, pues por limitaciones de tiempo y recursos es inviable poder dirigir todas las potenciales propuestas.

La idea es que el primer año de aplicación de la actividad se seleccionen entre 2 y 4 equipos para pasar a la siguiente fase. Esto se hace por la limitación en la posibilidad de desarrollar TFG para muchos alumnos. En posteriores ediciones, quizá con una experiencia ya acumulada, es posible ampliar el número de alumnos que acceden a la FASE 2.

FASE 2. Durante esta fase, los equipos que hayan superado la FASE 1 desarrollarán el diseño de su propuesta dentro del marco de un TFG. Esta segunda fase se encuadra, por tanto, dentro del cuarto año del Grado de Materiales y va dirigida a los alumnos de cuarto curso que hayan realizado y superado la FASE 1 el año anterior. De esta manera se persigue integrar la presente actividad docente dentro del currículo del grado, facilitando su desarrollo como un TFG e intentando no suponer una carga adicional a la carga docente estipulada. Así mismo, la propuesta de TFG ayuda a reducir uno de los problemas que se suelen encontrar alumnos y profesores del Grado a la hora de encontrar y asignar TFG. Los alumnos no saben en muchos casos cual es la oferta de Trabajos disponible y los profesores no tienen todas las propuestas que desearían para ofertar a los alumnos. De esta manera se pretende crear una bolsa de trabajos en torno al proyecto tecnológico propuesto, permitiendo que un número de alumnos accedan a ella.

El desarrollo tecnológico del proyecto (programación y montaje de componentes, integración de sensores, etc) se realizará en el Departamento de Materiales para lo cual se dispone del material necesario. No obstante, está prevista la adquisición de ciertos componentes para complementar los requerimientos del proyecto. Entre las tecnologías a emplear se citan:

• Impresión 3D para la fabricación del chasis
• Placas Arduino para el control del vuelo
• Programación en Arduino, Python y Matlab para vuelo y manejo de sensores
• Sensores de varios tipos para la recogida de datos en vuelo en función de las tareas a completar y descritas en las bases del proyecto

El objetivo general de este proyecto de innovación es proporcionar a los alumnos una formación en herramientas y competencias de carácter transversal a través del uso de la metodología del aprendizaje basado en retos y el diseño y fabricación de un drone como el canal o vía para trabajar dichos contenidos. Teniendo en cuenta esto, como objetivos específicos de la propuesta se plantean los siguientes:

• Definir de manera estructurada el proyecto a realizar. Esto supone definir muy bien las partes de las que consistirá el proyecto global, estableciendo una serie de tareas parciales que tengan como resultado la consecución del proyecto final.
• Preparación de talleres enfocados a cada una de los retos o tareas parciales y que servirán para trabajar con los alumnos las distintas herramientas y competencias.
• Creación de materiales didácticos para consulta de los estudiantes del Grado. A partir de los talleres se elaborarán presentaciones, videotutoriales y guías de cada una de las herramientas propuestas.
• Creación de un ecosistema de trabajo entre los alumnos de Ingeniería de Materiales de los últimos cursos, a modo de laboratorio o experiencia real previa a su salida al mercado laboral. La idea es que puedan tener contacto con experiencias de diseño y trabajo en equipo muy similares a las que vayan a desarrollar en su futuro.
• Poner la primera piedra para la implementación de un laboratorio de creación, con distintos recursos y materiales tecnológicos donde los alumnos puedan diseñar, probar, ensayar y fabricar.
• Crear un espacio de difusión de ideas, bien a través de redes sociales o plataforma o espacio ligado a la UPM (blog UPM). Fomentar el uso divulgativo de las redes sociales y herramientas web entre los estudiantes.
• Crear un reto de tal forma que el diseño propuesto por los alumnos supere ciertas expectativas planteadas en el mismo.
• Introducción a los alumnos en la metodología Design Thinking como herramienta para el desarrollo de su proyecto

Con la propuesta se pretenden conseguir las siguientes mejoras en la calidad y experiencia docente:

• Desarrollo de competencias de carácter transversal a través de talleres y mediante el uso del aprendizaje basado en retos.
• Favorecer el trabajo en equipo y la correcta distribución de tareas dentro del grupo. Fomentar la coordinación entre los miembros de un equipo para la consecución de resultados.
• Aumento de la motivación entre estudiantes y profesores. El trabajo enfocado a un reto, que tiene como objetivo la fabricación de un producto, mejora la predisposición de los alumnos al aprendizaje de determinadas materias al verlas aplicadas en un proyecto real. Se trata de pasar de la teoría a la práctica. Mejora a si mismo de la motivación de los profesores que pueden encontrar en los alumnos una actitud más proactiva beneficiando la interacción profesor-alumno.
• Se busca que los talleres y el desarrollo del reto sirvan de refuerzo a las materias del Grado de Materiales que tradicionalmente resultan complejas para los alumnos.
• Continuando con lo anterior, se pretende ayudar a que los alumnos interrelacionen conceptos vistos en clase con su aplicación práctica. En ambos casos se busca una mejora de los resultados de aprendizaje.
• Mayor interacción de profesores con los alumnos, al plantearse como una actividad con cierta continuidad dentro del curso.
• Proporcionar a los docentes un canal de trabajo con un marcado carácter ingenieril, que sirva de plataforma para el trabajo de herramientas y competencias transversales
• Orientar a los alumnos en su selección de un Trabajo de Fin de Grado acorde a sus intereses, a través de la formación previa en talleres de tal manera que desarrollen un TFG con mayor criterio y que les proporcione una experiencia de aprendizaje ampliada.
• Resolver problemas en la búsqueda y asignación de TFG entre alumnos y profesores. Actualmente los alumnos no conocen la oferta de trabajos o no saben qué tipo de TFG realizar y los profesores no disponen en muchos casos de un gran abanico de trabajos que ofertar. La idea es crear una bolsa de trabajos de carácter tecnológico que pueden ser asignados a varios alumnos.
• Favorecer la competitividad entre estudiantes, creando un ambiente propicio para la creatividad e innovación
• Enseñar a los alumnos en el uso divulgativo de redes sociales y plataformas web para la difusión y promoción de resultados y para el intercambio de ideas. Orientar las redes sociales hacia usos o actividades de carácter más profesional.

A continuación, se describen las fases relativas a la preparación de estructura y materiales del proyecto para su implementación posterior:

A1-(FEB 2023). Definición de las bases generales del proyecto Drone. En esta fase se establecen los requisitos que ha de tener el proyecto a realizar por los alumnos y se realiza un inventario de recursos disponibles:

• Criterios de diseño y estructura del proyecto (Tareas)
• Materiales a emplear
• Inventario de recursos disponibles y adquisición de recursos necesarios
• Definición de los procedimientos y plazos del proyecto (definición de talleres, formatos, fechas, etc)

A2-(MAR-JUL 2023). Elaboración de talleres, materiales y recursos. Elaboración de un prototipo

• En función de los retos o tareas establecidas en la fase 1 se elaborarán los materiales para los talleres, presentaciones y guiones
• Se valorarán fechas tentativas y duración para su implementación en el curso siguiente (tercer año del Grado)
• Se elaborarán contenidos digitales en función de los contenidos del taller
• Se prepararán tareas a modo de microretos para el seguimiento y evaluación de estudiantes
• A modo de prueba piloto o prototipo, el becario hará un seguimiento de los talleres a medida que se vayan preparando. Esto facilitará un proceso iterativo en la preparación de los contenidos y en su revisión hasta alcanzar la versión final.
• Conjuntamente, el becario deberá diseñar y fabricar su propia versión del drone. Contando con el soporte de los profesores involucrados y con objeto de calibrar la viabilidad de la propuesta técnica.

A3 (SEP-NOV 2023). Implementación de la FASE 1 de la actividad (ver descripción). En esta fase, se impartirán los talleres a los alumnos de 3º del Grado de Materiales. Dado que es una actividad pensada para ser desarrollada durante un curso académico, a fecha de Noviembre de 2023 se habrán implementado la mitad de los talleres planteados. Con este nivel de implementación es factible tener una valoración inicial del alcance del proyecto.

La implementación de la actividad de innovación se realiza en dos fases tal como se ha definido en la descripción general. En cada una de las fases el seguimiento y evaluación se hará de manera distinta, aunque siempre teniendo en cuenta su estructura como metodología de aprendizaje basado en proyectos.

FASE 1. Talleres impartidos durante el tercer curso del Grado de Ingeniero de Materiales. Las acciones de seguimiento y evaluación en esta fase serán:

• Registro de asistencia a cada uno de los talleres
• Entrega y evaluación de micro-retos asociados a cada taller
• Elaboración de un informe con una propuesta de proyecto de Drone
• Defensa oral (Presentación y discusión) de su propuesta

El informe y defensa de la propuesta contendrá, entre otros apartados, una memoria descriptiva, planos de diseño, selección de material y justificación, breve análisis numérico y estructural (FEM), evaluación de costes y códigos de programación.

Todas estas actividades serán evaluables y computarán para la puntuación final de la FASE 1. Dado que se fija esta actividad con carácter competitivo, los equipos de mayor puntuación podrán acceder a la FASE 2.

FASE 2. Diseño, fabricación y programación de un Drone. Esta actividad se pretende enmarcar dentro del esquema de un TFG. Las acciones de seguimiento y evaluación en esta fase serán irán muy ligadas a este factor. Aparte, se dará a esta fase una estructura de reto entre los equipos participantes, de tal manera que los productos finales resultantes del proyecto serán evaluables por un jurado.

• Informe de avance intermedio
• Defensa de avance intermedio
• Defensa propia del TFG

De cara a evaluar la experiencia de los alumnos con esta nueva actividad se realizarán encuestas de satisfacción tras finalizar cada una de las fases. Así mismo se evaluará el grado de participación de los alumnos en la actividad tanto con el número de inscritos como con la evolución de asistencia a talleres y participación durante todo el curso.

De cada una de las fases propuestas saldrán los productos resultantes siguientes:

FASE 1. Talleres

• Guiones con el contenido docente a tratar en cada taller
• Presentaciones utilizadas en los talleres
• Video tutoriales específicos de determinados contenidos
• Los alumnos en esta fase deberán realizar un informe de su propuesta de diseño, así como una presentación para su defensa y discusión. Dicho informe contendrá, entre otros apartados, una memoria descriptiva, planos de diseño, selección de material y justificación, breve análisis numérico y estructural (FEM) y evaluación de costes.
• Creación de un espació web asociado a la actividad y con intención de alcanzar a toda la comunidad UPM, donde se alojen los contenido producidos en los talleres así como productos resultantes.

FASE 2. Diseño y fabricación

• Prototipos y versiones definitivas de los drones fabricados
• Informes de avance intermedio de los alumnos
• Presentaciones de avance intermedio
• Documento de TFG
• Desarrollo de un laboratorio de diseño y creación. Actualmente se cuenta con una pequeña sala de impresión 3D y material de Arduino y sensores integrados dentro del laboratorio de instrumentación del Departamento de Materiales. Este podría ser el germen de un proyecto más enfocado a la presente propuesta.

Como material divulgativo asociado a la actividad de innovación se plantea:

• La elaboración de un artículo que presente las acciones y resultados en el ámbito educativo, enfocado a revista de innovación educativa.
• Creación de un entorno web por definir (blog UPM, página web de la actividad,…) con objeto de publicar el material docente generado en la FASE 1 así como para ilustrar las etapas de cada uno de los proyectos que participen en el reto.
• Posibilidad de realizar una sesión de concurso (algo parecido a un “DEMO DAY”), dentro de la ETSI de Caminos, en donde los participantes compitan con su diseño para ver cual acomete el reto planteado (definido por los requerimientos de diseño y funciones a cumplir por el drone)
• Elaboración de videos de desarrollo de los proyectos para publicar en los monitores de la ETSI de Caminos

Una vez puesto en marcha, se plantea integrar a varias de las asignaturas del grado de materiales dentro del proyecto. Una de las fortalezas de este es que puede resultar una herramienta potente para reforzar el trabajo de los alumnos en estas asignaturas sirviéndoles de apoyo con aquellas materias que les resultan especialmente complejas. Son además asignaturas que se imparten durante el tercer curso del Grado lo cual encaja con la planificación planteada en este documento.