En el campo de la geología y la mecánica de rocas existen diversas técnicas y metodologías para conocer las características del terreno. Una de las más importantes, en relación a la caracterización de macizos rocosos, es la realización de estaciones geomecánicas. Éstas se realizan en campo. Una vez seleccionado un afloramiento rocoso, se toman diversos datos como la orientación de las discontinuidades (es decir, de los planos de rotura que intersecan la roca), la rugosidad de las mismas o la resistencia de la roca. A partir de esta información, se puede, por ejemplo, analizar la seguridad de posibles cuñas inestables en un túnel o en un talud.

La enseñanza de las estaciones geomecánicas se enfrenta al habitual problema de las asignaturas relacionadas con la ingeniería del terreno, como es el de llevar a los alumnos a campo, es decir, de poner al alumno en contacto con la realidad de lo que está aprendiendo. Esto ocurre por la dificultad de organizar estas salidas y por el muchas veces elevado número de alumnos. Aunque a través de los laboratorios típicos de las escuelas de ingeniería civil es posible mostrar a los alumnos el comportamiento de los suelos y las rocas, esto es prácticamente imposible en el caso de las estaciones geomecánicas, donde es muy complicado llevar muestras de roca que permitan analizar aspectos como, por ejemplo, la orientación de las discontinuidades.

Lo anterior hace que la docencia sobre las estaciones geomecánicas (y sobre los parámetros que se obtienen a partir de ellas) se haga habitualmente mediante explicaciones magistrales apoyadas con fotografías. De esta forma, sin embargo, el alumno no aprende a realizar una estación geomecánica y, quizás más importante, no adquiere la sensibilidad sobre los parámetros que se obtienen de dicha estación. Es posible el desarrollo de entornos virtuales donde el alumno puede observar la roca casi como se estuviera en campo. A este respecto, se puede mencionar el proyecto de innovación educativa IE1920.0410 (Practicas de campo - laboratorios virtuales de túneles y mecánica de rocas, AULA-GeoVirtual) en el que participaron varios de los miembros de la presente propuesta. En dicho proyecto se desarrollaron entornos virtuales con la herramienta CoSpaces, en la que los alumnos podían realizar la caracterización de macizos rocosos observando la roca es su localización natural. Sin embargo, dicho proyecto mostró alguna de las limitaciones de los entornos virtuales (al menos, para el desarrollo que se alcanzó en el proyecto), pues el alumno no podía tocar la roca y, por ejemplo, colocar sobre ella una brújula para medir orientaciones o un peine de Barton para medir la rugosidad. (En dicho proyecto estas limitaciones se resolvieron mediante unas imágenes donde directamente se facilitaba al alumno la información necesaria). (Un peine de Barton es un útil con una fila de púas que se adaptan a la superficie de la roca y permite obtener perfiles de rugosidad).  

A raíz de lo anterior, el objetivo fundamental de esta propuesta es desarrollar una metodología que facilite al alumno el aprendizaje de las estaciones geomecánicas mediante la combinación de: (i) la recreación en el laboratorio de un afloramiento rocoso; y (ii) una metodología de aula invertida.

Se ha decidido plantear una metodología de aula invertida porque, por un lado, varios miembros del equipo tienen experiencia en esta modalidad de aprendizaje. Así, destacan los Proyectos de Innovación Educativa IE1617.0405 (Aula Invertida en la Ingeniería del Terreno Asistida por Ordenador) y IE1718.0412 (Aula Invertida para el aprendizaje de herramientas informáticas en el campo de la Geotecnia y las Obras Subterráneas) donde se desarrollaron metodologías y se elaboró material docente que se ha consolidado en la docencia de varias asignaturas del Grado en Ingeniería Civil y Territorial de la ETSI de Caminos. Pero también porque, al plantearse la fase presencial como una actividad de laboratorio, se quiere optimizar el tiempo en el mismo centrándolo en la labor que realiza el propio alumno.

Como es propio del Aula Invertida, la metodología docente propuesta se desarrollará en dos fases: (i) trabajo autónomo del alumno antes de tiempo de clase; y (ii) práctica de laboratorio, con una experiencia lo más cercana a la realidad.

Para el trabajo autónomo del alumno se preparará material docente sobre la realización de estaciones geomecánicas. Teniendo en cuenta que existe suficientes referencias bibliográficas al respecto, se elaborará una explicación a modo de apuntes que recoja los aspectos más importantes de las estaciones geomecánicas (parámetros, finalidad…) y un guion práctico que permita saber los pasos fundamentales para su realización y que sirva de plantilla para la práctica de laboratorio (y que seguirá los modelos de plantilla empleados en la práctica profesional). Además, y como aspecto más relevante para esta fase, se elaborará un video que muestre un ejemplo real de cómo se realiza en campo una estación geomecánica. (Los videos disponibles en internet son en su mayoría explicaciones teóricas al estilo de lecciones magistrales, manteniendo las limitaciones de ese tipo de docencia, o explicaciones prácticas, pero únicamente de alguno de los parámetros o equipos utilizados –por ejemplo, sobre cómo se usa el peine de Barton- pero sin abarcar la totalidad de una estación geomecánica).

Para la fase de laboratorio se pretende, como indica el título de la propuesta, simular (en la medida de lo posible) un afloramiento rocoso en el laboratorio. Para ello se recurrirá a la impresión 3D de “muestras de rocas” combinadas con un dispositivo (o base) que permita situar y orientar las muestras en el espacio. A partir de técnicas fotogramétricas (en particular de la técnica SfM -Structure from Motion- que es la que se empleará) se pueden recrear modelos en el ordenador de afloramientos rocosos a partir de fotografías de afloramientos reales. Dichos modelos de ordenador, una vez procesados, se pueden imprimir mediante una impresora 3D.  (El Laboratorio de Geotecnia de la ETSI de Caminos dispone de una impresora 3D además del equipo y los conocimientos para la aplicación de la técnica SfM y el procesado de los modelos). Los modelos impresos (o “muestras de roca”) se situarán sobre una base en la que se podrá fijar la orientación de la muestra recreando un afloramiento real. De esta forma, el alumno podrá interactuar con dichas muestras colocando sobre ella los equipos de medida para tomar las lecturas necesarias y realizar la estación geomecánica. Así, por ejemplo, podrá situar la brújula sobre un plano de discontinuidad para conocer su orientación o colocar el peine de Barton para obtener un perfil de rugosidad.

Una de las ventajas de la metodología propuesta es que se puede disponer de una colección de muestras con características diferentes (que en caso de deterioro se pueden volver a imprimir) y que se pueden orientar en diferentes posiciones, simulando por lo tanto diferentes afloramientos y enriqueciendo el trabajo del alumno.

En esta propuesta participan, además de varios profesores de la Unidad Docente de Geotecnia de la ETSI Caminos de la UPM, profesores de la Facultad de Geología de la Universidad de Oviedo. La razón de esta colaboración está, además de en fomentar la cooperación y el intercambio de ideas entre equipos docentes de diferentes Universidades, en la posibilidad de aplicar la metodología en asignaturas de dos titulaciones que dan mucha importancia a la caracterización del terreno (de los macizos rocoso en este caso) pero con dos enfoques claramente diferenciados (diseño versus caracterización) y que se traduce en alumnos con distinta formación previa e inquietudes.  

Como parte del proyecto de innovación se quiere realizar dos experiencias piloto en la que se aplique la metodología desarrollada. Las asignaturas donde se llevará a cabo esta experiencia serán: Túneles (Máster en Estructuras, Cimentaciones y Materiales de la ETSI de Caminos) y Geotecnia de obras lineales superficiales (Máster en Recursos Geológicos e Ingeniería Geológica de la Facultad de Geología). Ambas asignaturas se desarrollan durante el segundo cuatrimestre del curso académico, lo cual permitirá realizar las experiencias piloto de cara a su presentación en un congreso de innovación docente en la segunda mitad del año 2022. (Como se describe en el Apto. Alcance y Destinatarios, se espera, para los próximos cursos, poder aplicar la metodología en otras 4 asignaturas, mejorada en función de los resultados de las experiencias piloto).  

Debido al limitado número de alumnos en ambas asignaturas (no mayor a 15 en cada una de ellas), todos los alumnos de cada asignatura participarán en la experiencia. Aunque esto hará que no haya un grupo de contraste, el principal objetivo de las experiencias piloto es valorar, tanto por los alumnos como por los profesores, la metodología, su adecuación al proceso de aprendizaje y las carencias que pudiera presentar. Se realizará una prueba previa para valorar el nivel de conocimiento de los alumnos sobre las estaciones geomecánicas. El seguimiento del trabajo autónomo antes de la práctica de laboratorio se hará mediante la herramienta EdPuzzle, donde los alumnos tendrán que ver el video con el ejemplo real y que contendrá preguntas tanto del video como del material escrito (apuntes y plantilla). La práctica de laboratorio incluirá una demostración del profesor, un tiempo para que el alumno practique de manera libre, y un ejercicio evaluable en la que el alumno tendrá que realizar una estación geomecánica. La base orientable y la colección de muestras permitirá individualizar este ejercicio. Unos días después de la práctica de laboratorio se hará una prueba similar a la previa para valorar el aprendizaje. Igualmente, se emplearán cuestionarios para conocer la opinión de los alumnos y de lo profesores sobre la metodología.  

El objetivo fundamental del Proyecto de Innovación es desarrollar una metodología (de Aula Invertida + Práctica de Laboratorio) que facilite el aprendizaje de los alumnos de las estaciones geomecánicas. De manera concreta se pretende:

• Elaborar el material necesario, tanto para el trabajo autónomo del alumno como para el trabajo en el laboratorio, que permita aplicar la metodología.
• Posibilitar que un grupo de estudiantes en dos Escuelas/Facultades distintas desarrolle la metodología propuesta.
• Evaluar la incidencia de la nueva metodología en el proceso de enseñanza-aprendizaje.
• Divulgar la experiencia desarrollada en un congreso o jornada de Innovación Docente.

Teniendo en cuenta los objetivos resaltados en las bases de la convocatoria, este Proyecto de Innovación pretende: 

• Mejorar los resultados de aprendizaje de los estudiantes con mayor dificultad y diversidad de nivelación, mediante la metodología de Aula Invertida que permite que el alumno, durante su trabajo autónomo, avance al ritmo más adecuado para él.
• Contribuir a la mejora de los sistemas de evaluación continua, mediante la incorporación de una metodología activa de aprendizaje y evaluación.
• Favorecer la motivación de los estudiantes mediante un aprendizaje más experiencial y el empleo de recursos tecnológicos de carácter innovador, como las nuevas técnicas de caracterización remota y diseño 3D (otorgando así una visión moderna sobre las ventajas e inconvenientes que aportan estas nuevas tecnologías frente a los métodos convencionales).
• Promover un enfoque multidisciplinar mediante la colaboración de equipos docentes de diferentes universidades y especialidades.

La principal deficiencia observada en el aprendizaje de las estaciones geomecánicas es que, a pesar de que los alumnos sí adquieren la comprensión de qué es una discontinuidad y de los parámetros que intervienen en su clasificación (y como estos afectan al diseño de una obra) no saben como se adquieren estos datos y como son (como varían) estos datos en la realidad. Esto se ha observado, por ejemplo, en trabajos fin de grado, cuando se les pedía a los alumnos que realizasen una estación geomecánica y era necesario una formación específica de cómo se tomaban esos datos y como se trataban. O en trabajos de asignatura, en los que los alumnos valoraban incorrectamente algunas de los parámetros que intervienen en la caracterización de los macizos rocosos (y que se obtienen de una estación geomecánica).

Por lo tanto, este proyecto de innovación trata de dar respuesta a esta deficiencia haciendo que el alumno realice por sí mismo una estación geomecánica y entre en contacto, en la medida de lo posible, con la realidad de lo que está aprendiendo.  

El proyecto se desarrollará en las siguientes 5 fases:

Fase 1: Elaboración del material para el trabajo autónomo del alumno

Esta fase implica las siguientes tareas:

• Elaboración de un documento resumen sobre estaciones geomecánicas y del guion de laboratorio.  
• Elaboración de un video con la realización de una estación geomecánica. Para ello: (i) se planificará una salida a campo donde se realizará y grabará una estación geomecánica; (ii) se editará el video para hacerlo más atractivo al estudiante. (Se dispone de una licencia del programa Camtasia con la que se han editado los videos de los proyectos IE1617.0405 y IE1718.0412 antes mencionados). 

Fase 2: Elaboración del material para la práctica de laboratorio

Esta fase implica las siguientes tareas:

• Captación de 2 afloramientos rocosos reales mediante la técnica fotogramétrica SfM. Se aprovechará la salida a campo antes indicada para realizar fotografías de 2 afloramientos rocosos de tal forma que se puedan modelizar en el ordenador. 
• Impresión de los modelos en impresora 3D.
• Construcción del dispositivo para la colocación de las muestras.

Fase 3. Implementación de la metodología en dos asignaturas

Como se ha indicado se realizarán dos experiencias piloto en las asignaturas de Túneles (ETSI de Caminos, CC y PP) y Geotecnia de obras lineales superficiales (Facultad de Geología) para valorar la metodología y disponer de una aplicación práctica para su presentación en un congreso de innovación docente.

Fase 4. Difusión de los resultados

Como se describe en detalle en el Apto. Material Divulgativo se han previsto las siguientes actividades para difundir el proyecto:

• Presentación del trabajo en un congreso de innovación docente.
• Presentación del proyecto en página web.
• Difusión del proyecto en redes sociales.

Fase 5. Elaboración de memoria final del proyecto

En esta fase se elaborará la memoria final del PIE de acuerdo a las bases de la convocatoria.

La siguiente tabla muestra estas Fases con las actividades que las componen, así como los miembros del equipo de trabajo que desarrollarán cada una de ellas.

Miembros del equipo:

RGL: Ramiro García Luna; JGG: Jesús González Galindo; JGGC: José Gregorio Gutiérrez Chacón; RJR: Rafael Jiménez Rodríguez; LJB: Luis Jordá Bordehore; CLF: Carlos López Fernández; JPA: Jesús Page Antequera; LAPG: Luis Alberto Pando González; SSD: Salvador Senent Domínguez.  

Para comprobar la evolución del proyecto y realizar el seguimiento se han establecido un calendario y una serie de hitos. Cada uno de estos hitos, con una fecha concreta, establece un resultado tangible que se puede comprobar y por lo tanto verificar el progreso del proyecto. Será el coordinador el encargado de verificar el cumplimiento de los hitos y realizar el seguimiento de las tareas contactando quincenalmente con cada uno de los integrantes según avance el proyecto

El calendario previsto es el siguiente:

Los hitos previstos para verificar el cumplimiento del cronograma son los siguientes:

• Hito 1    Fecha: 28 de febrero. Resultado: documento descriptivo y guion sobre estaciones geomecánicas.
• Hito 2    Fecha: 14 de marzo. Resultado: reportaje fotográfico y video de la salida a campo.
• Hito 3    Fecha: 18 de abril. Resultado: video editado sobre realización en campo de una estación geomecánica.
• Hito 4    Fecha: 18 de abril. Resultado: generación de 1 modelo de ordenador.
• Hito 5    Fecha: 2 de mayo. Resultado: impresión de 1 modelo en la impresora 3D.
• Hito 6    Fecha: 2 de mayo. Resultado: base para la colocación y orientaciones de los modelos.
• Hito 7    Fecha: 4 de julio. Resultado: informes sobre la aplicación de la metodología en la ETSI de Caminos y en la Facultad de Geología
• Hito 8    Fecha: 25 de julio. Resultado: resumen con los resultados de las encuestas y de las pruebas realizadas.
• Hito 9    Fecha: 12 de septiembre. Resultados: artículo sobre la aplicación de la metodología.
• Hito 10 Fecha: 10 de noviembre. Resultado: memoria del Proyecto.

Entre estos hitos, se debe destacar el segundo, puesto que representa la salida a campo, necesaria para la realización del video y la toma de datos a partir de los cuales se generarán los modelos y se imprimirán las muestras de roca. Por otro lado, la aplicación práctica se debe realizar durante el curso académico y antes de los exámenes finales, por lo que es necesario tener preparado en mayo el material imprescindible para realizar la práctica de laboratorio: una muestra 3D impresa y la base para su colocación.

Se prevé, como mínimo, una reunión de todo el equipo al inicio del proyecto, una segunda a mediados de abril para analizar el estado del proyecto y la aplicación de la metodología, y una tercera al terminar el proyecto para valorar el trabajo hecho.

Como se ha indicado en la descripción de la propuesta, para valorar la metodología se realizarán cuestionarios de satisfacción tanto a los alumnos como a los profesores. Asimismo, se realizarán pruebas antes y después de la experiencia piloto para valorar su incidencia en el aprendizaje, además de la prueba evaluable durante la realización de la práctica de laboratorio.

Material para el trabajo autónomo del alumno:

Como en toda metodología de Aula Invertida se elaborarán los recursos necesarios para que los alumnos puedan estudiar de manera autónoma el contenido de la materia. De manera concreta se pretende elaborar:

• Un documento resumen, a modo de apuntes, sobre las estaciones geomecánicas (parámetros, equipo, aplicaciones…)
• Un guion con los pasos para la realización de una estación geomecánica, que sirva tanto para la realización de la práctica de laboratorio como para que los alumnos lo puedan utilizar en su práctica profesional.
• Un video educativo con un ejemplo real, en campo, de la realización de una estación geomecánica.

Tanto el video como los documentos quedarán a disposición de la comunidad educativa de la Universidad. El video como material principal y los dos documentos como anexos. Además de en el repositorio de la UPM, donde ya se han publicado el material elaborado en los proyectos anteriores, el video se publicará en el canal de Youtube de la Unidad Docente de Geotecnia de la ETSI de Caminos (https://www.youtube.com/channel/UCGdXS-lBTrGiTtbjirfy69w/videos) facilitando como anexo al propio videos los dos documentos.

Considerando el material disponible actualmente en Internet, sí parece interesante el video con un ejemplo práctico de cómo se realiza una estación geomecánica, por lo que probablemente tenga interés tanto académico como profesional. (Cabe destacar que otros videos disponibles en el canal de Geotecnia han atraído cierto interés, con preguntas de profesionales de otros países, principalmente desde Sudamérica). 

Material para la realización de prácticas de laboratorio:

Como se ha indicado, se pretende que el alumno sea capaz de realizar una estación geomecánica en el laboratorio, de tal forma que sea él quien realice las mediciones necesarias como si estuviese en campo. En consecuencia, se quiere recrear (aunque sea parcialmente) un afloramiento rocoso en el laboratorio. Para ello se elaborarán los siguientes materiales:

• Muestras impresas de roca: debido a la dificultad que conlleva tomar muestras de roca y llevarlas a laboratorio (así como su manejo en el laboratorio) se ha previsto realizarlas mediante impresión 3D. A partir de las captaciones de la realidad mediante la técnica fotogramétrica Structure from Motion se elaborarán modelos de ordenador para su impresión en la impresora 3D.  Se pretende elaborar al menos 2 modelos, que representarán afloramientos en dos tipos de rocas de más y de menos calidad geomecánica.
• Base para la colocación y orientaciones de los modelos reales: se trata de un dispositivo que permitirá orientar la muestra en el espacio para simular diferentes orientaciones de las juntas de un macizo rocoso de tal forma que se pueda practicar el uso de la brújula.

Las modelos de ordenador de las muestras de roca estarán disponibles en el repositorio de la Universidad, de tal forma que otras Escuelas puedan acceder a ellas, imprimirlas y usarlas.

Se han previsto tres actividades para dar a conocer el Proyecto de Innovación:

1. Presentación del trabajo en un congreso o jornada de Innovación Educativa. Uno de los objetivos del proyecto es realizar una publicación en un congreso o jornada sobre Innovación Docente. A este respecto, se cuenta con experiencia en este tipo de publicaciones. Así, los anteriores proyectos desarrollados por los miembros del equipo han dado lugar a publicaciones (http://dx.doi.org/10.26754/CINAIC.2017.000001_030; http://dx.doi.org/10.21125/iceri.2018.1069; http://dx.doi.org/10.26754/CINAIC.2019.0066). Teniendo en cuenta que el proyecto se desarrollará durante 2022 y que no habrá congreso CINAIC (se realizan en años impares), probablemente se trate de presentar la experiencia en el congreso ICERI.
2. Presentación en la página web de la Unidad Docente. La Unidad Docente de Geotecnia de la ETIS de Caminos dispone de un espacio dentro del sitio web de la Escuela (http://www2.caminos.upm.es/Departamentos/imt/Geotecnia/geotecnia.html). Se incluirá información sobre el Proyecto de Innovación, mostrando el material elaborado y los resultados obtenidos, de un modo similar al realizado en el proyecto IE1617.0405 (http://www2.caminos.upm.es/Departamentos/imt/Expresion_grafica/UD_EG_AulaCAD.html).
3. Difusión del proyecto a través de redes sociales. Varios de los profesores que participan en el proyecto disponen de perfil en LinkedIn, en los que se incluirán una entrada con el Proyecto de Innovación. Igualmente, se publicará en la cuenta de Twitter de la Unidad Docente de Geotecnia (@GeotecniaICCP) que cuenta actualmente con más de 5000 seguidores.

Además de lo anterior, y como se ha realizado en los años previos, se estará abierto a participar en seminarios o jornadas de intercambio que se organicen en el contexto de nuestra universidad, ya sea durante la realización del Proyecto o en años posteriores.

No están previstas otras colaboraciones más allá de la indicada entre la ETSI de Caminos y la Facultad de Geología de la Universidad de Oviedo para el desarrollo del proyecto.