Información Proyectos I.E.



Metodología de aula inversa en los laboratorios de ingeniería química

Coordinador(a): FRANCISCO ISMAEL DIAZ MORENO
Centro: E.T.S.I. INDUSTRIALES
Nivel: Proyecto de GIE coordinado con el Proyecto de Centro
Palabras clave:
  • Competencias transversales
Miembros de la comunidad UPM que lo componen
Nombre y apellidos Centro Plaza Email
JORGE RAMIREZ GARCIA E.T.S.I. INDUSTRIALES L.D. PRF.CONTR.DOCT. jorge.ramirez[at]upm[dot]es
MANUEL RODRIGUEZ HERNANDEZ E.T.S.I. INDUSTRIALES TITULAR UNIVERSIDAD manuel.rodriguezh[at]upm[dot]es
SALVADOR LEON CABANILLAS E.T.S.I. INDUSTRIALES TITULAR UNIVERSIDAD salvador.leon[at]upm[dot]es
FRANCISCO ISMAEL DIAZ MORENO E.T.S.I. INDUSTRIALES L.D. PRF.AYUD.DOCTOR ismael.diaz[at]upm[dot]es
ANGEL SANTOS GARCIA E.T.S.I. INDUSTRIALES TITULAR UNIVERSIDAD angel.santos[at]upm[dot]es
Ramón López García E.T.S.I. INDUSTRIALES PAS ramon.lopezg[at]upm[dot]es
Lineas de trabajo principales en las que incide
  • ETSI Industriales
    • OBJ2: Mejorar los sistemas de evaluación continua y calificación, con especial atención a los sistemas de evaluación integral de competencias
      • Proyectos en relación con la competencia(a):Aplica.Habilidad para aplicar conocimientos científicos,matemáticos,tecnológicos...Coordinación: dos o más asignaturas siendo al menos una de ellas de CC.Básicas y otra de carácter más tecnológico...
    • OBJ6: Integrar la formación y evaluación en competencias transversales aportando nuevas experiencias y criterios al Modelo Propuesto en el marco del Proyecto Transversal (disponible en http://innovacioneducativa.upm.es/competencias-genericas)
      • Actuaciones para la puesta en marcha de las asignaturas INGENIA del plan de estudios del Máster U. Ing.Industrial y, en especial, la mejora de las actividades para fomentar y evaluar las competencias que deben ser cubiertas en esas asignaturas.
Descripción del desarrollo y las fases
OBJETIVOS DEL PROYECTO

Relación con los objetivos del centro.

En relación a los objetivos de centro, este Proyecto de Innovación Educativa (PIE) está perfectamente alineado con los objetivos:

OBJ2: Mejorar los sistemas de evaluación continua y calificación, con especial atención a los sistemas de evaluación integral de competencias.

OBJ6: Integrar la formación y evaluación en competencias transversales aportando  nuevas experiencias y criterios al Modelo Propuesto en el marco del Proyecto Transversal.

En concreto, el presente Proyecto de Innovación Educativa, se enmarca dentro de la Actuación 2 del centro: La puesta en marcha de cambios en la metodología docente o de evaluación dirigidos a implantar o reforzar la adquisición de alguna o varias de  las competencias  transversales que se detallan en la convocatoria de proyectos coordinados  por  la ETSII.

Descripción específica de los objetivos del proyecto

El proceso educativo universitario tradicional se basa fundamentalmente en la transmisión oral  de conocimientos mediante clases magistrales, en las que el estudiante es un mero objeto pasivo, y en la adquisición de habilidades de manera experimental en el laboratorio, donde son guiados por profesores. Sin embargo, la didáctica moderna trata de que el estudiante no sea un simple receptor de contenidos sino que participe activamente en el proceso de enseñanza-aprendizaje (paso del modelo centrado en el profesor al modelo centrado en el alumno, tabla 1), para así adquirir las competencias necesarias para su posterior desempeño profesional. Se trata, por tanto, de  evolucionar desde la evaluación de contenidos, a la evaluación de competencias. Así, el objetivo general del presente proyecto de innovación educativa es la aplicación de nuevas metodologías docentes al ámbito de las asignaturas experimentales de las titulaciones de Grado en Ingeniería Química (GIQ) y Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales (GITI). En concreto, se pretende aplicar la metodología de aula inversa a la docencia de la asignatura “Experimentación en Ingeniería Química II” de los planes GIQ y GITI de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la UPM. No obstante, esta metodología también es aplicable a otras asignaturas con contenido práctico/experimental como “Experimentación en Ingeniería Química III” (GIQ), “Control de Procesos” (GIQ/GITI) u “Operaciones con Sólidos” (MIQ).

Tradicionalmente, la docencia en los laboratorios de ingeniería química se ha llevado a cabo en tres fases. En la primera de ella, los profesores de la asignatura preparan un guion con los objetivos y descripción de los experimentos a llevar a cabo. Los alumnos disponen previamente de esta documentación, que leen antes de llegar a la sesión del laboratorio, donde llevan a cabo la práctica programada guiados por los profesores. Posteriormente, los alumnos elaboran un informe de las prácticas que los profesores evalúan. De esta manera, el papel desarrollado por los alumnos es bastante pasivo, siendo meros receptores de información, bien teórica o experimental. La escasez de recursos (montajes experimentales) agudiza aún más este hecho, pues produce un efecto dilución, debido a que con bastante frecuencia las prácticas las realizan en grupos de 6-7 personas, siendo la implicación individual de cada alumno muy limitada.

Una forma de mejorar esta situación (pasividad o falta de involucración en la práctica), es aplicar metodologías de “inversión de aula” (flipped classroom). Éstas, consisten en poner a disposición de los alumnos, previamente a las sesiones presenciales, gran cantidad de material de trabajo (libros, reviews, vídeos, tutoriales…) elaborado por los docentes, para que el alumno posteriormente en las sesiones presenciales pueda interactuar y llevar a cabo la tarea asignada de forma autónoma, asesorados y guiados en todo momento por el profesor. De esta forma, se pretende mezclar (blending learning) el conocimiento directo, con el conocimiento constructivista en el que el alumno es el responsable de construir su propio conocimiento. La principal ventaja que se espera de esta metodología aplicada a asignaturas experimentales es la de involucrar al alumno de una forma más activa en las mismas, ya que uno de los aspectos negativos detectados por los profesores ha sido la “desafección” de los alumnos por este tipo de asignaturas, dándoles menor importancia que a las asignaturas de contenido más teóricos. Una ventaja adicional que se pretende conseguir, y que refuerza el proceso de enseñanza-aprendizaje, es una mejor integración del conocimiento teórico con el conocimiento práctico, viendo reflejado en la experiencia los conocimientos previamente adquiridos de forma teórica (learn by doing).Además, se pretende conseguir un mejor aprovechamiento de las horas presenciales en el laboratorio, que se podrían utilizar para trabajar en diferentes tareas de la práctica, resolver dudas o corregir errores.

Así pues, el primer hito para cambiar el enfoque actual de las prácticas de laboratorio es el de generar un repositorio de recursos docentes elaborados o recogidos por los profesores de la asignatura, aprovechando las diferentes plataformas virtuales disponibles en la UPM, con el objetivo de que el alumno pueda realizar posteriormente la experimentación de forma autónoma. El segundo punto,  aún más importante, es la inversión de las propias actividades de experimentación con el objetivo de generar una serie de tareas o proyectos a lo largo de todo el ciclo de las prácticas, de forma que el alumno se involucre de forma más activa en el proceso. Es decir, que los alumnos diseñen, ejecuten y analicen sus propios experimentos. Como se ha comentado anteriormente, uno de los pilares fundamentales del aprendizaje centrado en el alumno es que los estudiantes estén implicados activamente en el proceso de aprendizaje, siendo responsables de sus actividades. Además, una de las competencias básicas establecidas en el Marco de Desarrollo de Competencias de la ETSII, es la competencia DISEÑA en la que se establece que los alumnos en 3º-4º curso han de ser capaces de determinar las necesidades asociadas a un problema ingenieril y a sus restricciones. Uniendo estos dos apuntes, se propone en este proyecto que los alumnos diseñen sus propias actividades prácticas y las lleven a cabo, de tal forma que sean responsables de todo el proceso desde el diseño inicial del montaje hasta el análisis final de resultados. De esta forma, se espera que los alumnos tomen la práctica como propia, mejorando su motivación lo que se espera que se traduzca en un mejor desempeño final.

Sin embargo, el que cada grupo de alumnos pueda llevar a cabo su propia práctica según la hayan diseñado es una utopía, debido a la restricción de recursos materiales. En especial, la instrumentación necesaria para la medida de variables de proceso procesos químicos así como los equipos necesarios, son generalmente costosos y de alta complejidad de montaje y puesta en marcha, lo que conllevaba que el mismo montaje tuviera que ser utilizado por todos los grupos (incluso durante muchos cursos). Sin embargo, en los últimos años se ha popularizado una comunidad de open hardware que ha permitido la generación de microcontroladores de bajo coste denominados Arduino, junto con instrumentación muy sencilla de adaptar y barata, que se pueden utilizar como sistema de entrada/salida de información. Estos microcontroladores, permiten de una forma fácil la adaptación de instrumentos de medida de variables de proceso como temperatura o caudal y la actuación sobre elementos como resistencias calefactoras o electroválvulas, con gran cantidad de ejemplos ilustrados y tutoriales disponibles en la red. De esta forma a los alumnos se les proporcionarían los sensores básicos junto con los microcontroladores y el resto de equipo de proceso para que ellos diseñen y pongan en funcionamiento la práctica.

Como experiencia piloto, se ha diseñado una actividad donde se trabaje entorno totalmente seguro con agua como único compuesto y donde los equipos sean robustos y trabajen en condiciones suaves (temperaturas inferiores a 60 ºC y presión atmosférica). Dicha actividad consiste en el diseño de una práctica para medir coeficientes globales de transmisión de calor en un cambiador de calor de carcasa y tubos y en un cambiador de placas y marcos. Los equipos disponibles son de acero, de un tamaño pequeño, que los hacen resistentes y relativamente fáciles de manejar. De esta forma, la labor de los alumnos consiste en el diseño y puesta en marcha del mapa de tuberías, instrumentación necesaria, valvulería, diseño del controlador para el tanque de agua y sistema de impulsión requerida (bomba), como se esquematiza en la figura 2. No obstante, la idea futura es implantar poco a poco esta metodología en otras asignaturas, en las que los alumnos vayan diseñando y poniendo en marcha diferentes equipos de complejidad creciente.

Además, con la actividad propuesta se pretende trabajar y evaluar una serie de competencias de acuerdo al Marco de Desarrollo de Competencias de la ETSII, lo cual se puede resumir en:

·         c) DISEÑA: Que sepan determinar las necesidades asociadas al problema de ingeniería y las restricciones que afectan al diseño.

o   ¿Cómo? Si han sabido diseñar todos los componentes del sistema de acuerdo a las restricciones económicas, técnicas, medioambientales y de seguridad èEn el informe 1 se solicitará un diseño del sistema para medir el coeficiente global de intercambio de calor de un cambiador de calor de carcasa y tubos. No existe rúbrica

·         d) TRABAJA EN EQUIPO: Que los alumnos participen aportando sus conocimientos y habilidades para alcanzar el objetivo común. Han de ser capaces de ordenar, incorporar y conciliar las contribuciones individuales.

o   ¿Cómo? è Se harán tutorías donde el profesor asignará roles y medirá el desempeño de los alumnos y su participación de cara al objetivo común. Existe rúbrica del MDC.

·         k) USA HERRAMIENTAS: En la práctica se utilizarán potencialmente gran número de herramientas para modelizar el sistema y hacer el diseño y simulación de equipos de proceso y control. Entre otros: Aspen Plus, Matlab, Simulink, Excel, Wiring (programación de microcontroladores)…

o   ¿Cómo? En la memoria final del trabajo, donde detallen las herramientas utilizadas para cada cometido.

·         b) EXPERIMENTA: Tienen que ser capaces de realizar un experimento siguiendo u procedimiento y analizar la consistencia entre los datos recopilados y los valores esperados.

o   ¿Cómo? Midiendo si han sido capaces de medir satisfactoriamente los experimentos conducentes al objetivo de la práctica y si encuentran la conexión con el conocimiento teórico è En informe final mediante la rúbrica del Marco de Desarrollo de Competencias (MDC).

Referencias

Freed J. E., Huba M. E. (2000), Learner-centered assessment on college campuses: Shifting the focus from teaching to learning. Needham Heights, MA: Allyn &Bacon.

Wilson D., Cohort H. F. (2012), The Flipped Classroom, disponible en iTunes (https://itunes.apple.com).

 

Proyección de futuro

El proyecto tiene una clara continuidad al ser aplicado a los nuevos grados en Ingeniería Química e Ingeniería en Tecnología Industriales, con el objetivo de darle mayor amplitud en el futuro. Si los recursos económicos lo permiten, la idea es pasar de un grupo piloto en el curso 2015-2016 a todo el grupo de alumnos matriculados en el curso 2016-2017. Además, no se cierra la posibilidad a, si el trabajo con microcontroladores e instrumentación de bajo coste es exitoso a plantear una asignatura tipo INGENIA para el Máster en Ingeniería Química donde los alumnos pudieran diseñar y construir un proceso químico completo a escala laboratorio-piloto.

FASES DEL PROYECTO

FASE 1 (mes 1-mes 2): Diseño de la actividad. Inventario detallado de todas las herramientas, accesorios y equipos necesarios. Simulaciones de controladores utilizados para el calentamiento de agua y de la dinámica del sistema.

RESULTADOS: Generación de documentación.

 

FASE 2 (mes 2-mes 3): Realización de un dossier documentado donde se incluyan:

·         Documentación relativa al manejo y programación de microcontroladores Arduino con medidores y actuadores.

·         Hojas de datos de equipos disponibles (bombas, medidores, válvulas…).

RESULTADOS: Generación de documentación.

 

FASE 3 (mes 4-mes 8): Construcción y puesta en marcha de la instalación en diferentes configuraciones. Libro de proceso.

RESULTADOS: Planta físicamente construida. Generación de documentación.

 

FASE 3 (mes 8): Selección de grupo/s piloto para realizar la actividad en el segundo semestre del curso 2014/2015. Se reparten los roles dentro de cada grupo para evaluar durante el resto de fases la competencia TRABAJA EN EQUIPO.

 

FASE 4 (mes 8- mes 9): Diseño de las instalaciones de los grupos piloto (trabajo en aula colaborativa). Evaluación de la competencia DISEÑA y USA HERRAMIENTAS mediante la evaluación del primer informe: diseño preliminar de la instalación. Del trabajo en aula se tendrá una primera parte de la evaluación de la competencia TRABAJA EN EQUIPO.

RESULTADOS: Resultados de la evaluación de competencias.

 

FASE 5 (mes 9- mes 10): Montaje y puesta en marcha de la instalación. Trabajo en el laboratorio. Evaluación de la competencia TRABAJA EN EQUIPO.

RESULTADOS: Resultados de la evaluación de competencias.

 

FASE 6 (mes 10- mes 11): Obtención de datos experimentales. Evaluación de la competencia EXPERIMENTA mediante la evaluación del informe final.

RESULTADOS: Resultados de la evaluación de competencias.

 

FASE 7 (mes 11- mes 12): Medición de las competencias TRABAJA EN EQUIPO y EXPERIMENTA al resto de grupos de la asignatura.

RESULTADOS: Resultados de la evaluación de competencias. Comparación de resultados con el grupo piloto. Memoria final del proyecto.

 

FASE 8 (>mes 12): Difusión de los resultados. Participación en congresos de innovación educativa, preferiblemente del ámbito de ingeniería química y/o publicación de un artículo en revista de innovación educativa.

RESULTADOS: Asistencia al congreso. Contribución científica.

EVALUACION DEL PROYECTO

La evaluación del proceso enseñanza-aprendizaje se llevará a cabo mediante rúbricas (bien las existentes en el Marco de Desarrollo de Competencias de la ETSII o generando rúbricas propias cuando éstas no estén disponibles). Con este procedimiento se enumeran los criterios de evaluación de las diferentes tareas en las que consiste la práctica. Se elaborará una escala descriptiva para tal cometido. Algunos de los elementos observables que se juzgarán serán la participación de los alumnos, la discusión entre ellos, el liderazgo o la integración en el trabajo grupal.