Desarrollo de la Capacidad Inventiva en un

Desarrollo de la Capacidad Inventiva en un Curso de
Diseño Digital
Norma F. Roffe1
1
ITESM-Campus Monterrey, Departamento de Ciencias Computacionales,
Sucursal de Correos J, Monterrey, N.L, México,
[email protected]
En México menos del 4% de las patentes que se registran por año provienen de
autores mexicanos. Como universidad debemos buscar soluciones a este problema. Al respecto se diseñó y aplicó una metodología para impulsar el proceso creativo, bajo la hipótesis de que con una metodología de apoyo, la inventiva
puede ser desarrollada. Con este motivo a) se rediseñó un curso de Diseño Digital para incorporar la innovación como una habilidad a ser evaluada; b) se
creó una metodología para facilitar el aprendizaje de VHDL, y c) se desarrolló
un método para apoyar el proceso creativo. El curso ha sido impartido en los últimos dos años y los resultados no han sido totalmente satisfactorios. Nuevas alternativas serán exploradas para apoyar la inventiva.
1 Introducción
El Institituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI, 2005) reporta que de las
13000 patentes en promedio que se registran anualmente, sólo 500 corresponden a
autores mexicanos. Esta falta de cultura inventiva aunada a la excesiva facilidad para
importar productos pueden causar que la producción se reduzca a la maquila y que
muchos ingenieros busquen salirse a otros lugares más desarrollados, como de hecho
ya está sucediendo. Para contribuir a la solución de este problema la misión del
ITESM establece que, durante sus estudios, nuestros estudiantes de nivel licenciatura
deben desarrollar habilidades tales como la creatividad y la innovación, así como la
capacidad para emprender negocios. Para apoyar estos objetivos existe el Programa
Emprendedor, que consiste en cursos académicos en los que todo alumno debe inscribirse y en los que los alumnos presentan la propuesta de un producto o servicio a
comercializarse.
Podría esperarse que los alumnos de ingeniería presentaran productos tecnológicos, pero la realidad es que no es así. En general, semestre tras semestre los alumnos
presentan propuestas de empresas de servicios y no empresas generadoras de productos, y mucho menos de productos electrónicos.
Ante la problemática de falta de innovación y creatividad observada en los alumnos es preciso instrumentar estrategias educativas para el desarrollo de estas habilidades.
Con esta motivación y bajo las siguientes hipótesis:
- la habilidad necesaria para inventar dispositivos electrónicos no necesariamente es un talento natural sino que puede ser adquirido
- con una metodología de apoyo, la creatividad y la innovación pueden ser desarrolladas deliberadamente
Con el objetivo de emprender acciones hacia el desarrollo deliverado de la creatividad y la innovación en la creación de productos basados en Electrónica Digital la
autora efectuó las siguientes acciones:
a) rediseñar un curso de Diseño Digital Avanzado en el que los alumnos aprenden a utilizar una poderosa herramienta de diseño e implementación de circuitos para incorporar la creatividad y la innovación como habilidades a ser desarrolladas y evaluadas;
b) crear una metodología práctica para facilitar el aprendizaje de esta herramienta, la cual es un lenguaje para diseño de circuitos digitales. Con esta metodología el curso se enfoca al desarrollo de aplicaciones de la Electrónica Digital,
suponiendo que la herramienta de diseño debe ser asimilada con prontitud dado que el curso en cuestion es un curso integrador, y
c) desarrollar un método para apoyar el proceso creativo.
El curso se ha impartido con este formato en los últimos dos años. Sin embargo la
experiencia ha sido que los productos innovadores que los alumnos han planteado han
sido escasos, en general los alumnos desarrollan variaciones de productos existentes,
por lo tanto, aunque la calidad técnica de los productos desarrollados va en franco
ascenso, su grado de innovación no es relevante, por lo tanto los resultados de la
aplicación de las acciones enunciadas no han sido del todo satisfactorios.
En este documento se describe en forma general tanto el método de enseñanza de
VHDL como la metodología en que se apoya el desarrollo de nuevos productos. También se relatará las conclusiones a las que se ha llegado y se plantearán alternativas
para continuar en la búsqueda del desarrollo de la creatividad y la innovación en los
estudiantes.
1.1 Desarrollo de habilidades de innovación y creatividad en un curso de VHDL
En el plan de estudios de Ingeniería en Sistemas Electrónicos están ubicados tres
cursos de Arquitectura Computacional en los que se cubre el área de diseño basado en
Electrónica Digital. Los dos primeros se dedican al diseño de circuitos combinacionales y secuenciales. El tercero, Arquitectura Computacional III, corresponde al desarrollo de circuitos utilizando VHDL (VHSIC Hardware Description Language,
VHSIC = Very High Speed Integrated Circuit). Dado que VHDL representa una
extraordinaria herramienta que facilita el diseño y síntesis de circuitos en arquitecturas programables, es posible enfocar el curso de VHDL tanto a aprender esta herramienta como a desarrollar la capacidad de creación de dispositivos electrónicos que
constituyan una innovación, integrando los conocimientos de Electrónica Digital
adquiridos en los cursos previos.
Cabe mencionar que se incluyó como objetivo de este curso el de desarrollar la
creatividad y la innovación bajo el supuesto de que si se expone repetidamente a los
alumnos al requerimiento académico de modificar y crear dispositivos electrónicos,
entonces los alumnos se verán en la necesidad de desarrollar la capacidad de observar
en el medio ambiente, ya sea industrial, de laboratorio o de uso diario, posibles usos y
requerimientos de dispositivos electrónicos no cubiertos con los aparatos que existan
en el mercado.
1.2 Curso en PBL (Problem Based Learning)
A partir de 1994, en el ITESM la comunidad académica ha hecho un gran esfuerzo
por rediseñar sus cursos. El rediseño ha consistido en colocar el material de los cursos
en una plataforma computacional y en incorporarles alguna técnica didáctica.
En particular, el curso de Arquitectura Computacional III (VHDL) se encuentra en
la plataforma de Internet Blackboard, y gira alrededor de problemas abiertos de diseño de circuitos para resolverlos sintetizándolos en el laboratorio en FPGAs de la serie
Spartan de la compañía Xilinix.
De acuerdo al tipo de circuito requerido por el problema, los alumnos refuerzan
tanto su aprendizaje de VHDL como de alguna tema particular de diseño de circuitos,
por estas razones es posible catalogar la técnica didáctica del curso como PBL de
acuerdo a lo planteado en textos clásicos de este estilo de enseñanza-aprendizaje, por
ejemplo (Schwartz, Mennin y Webb, 2000; Boud y Feletti 1997). En PBL se pretende que los alumnos busquen aprender conceptos o bien desarrollar habilidades al
enfrentar el reto de resolver problemas planteados por el profesor y cuyas evaluaciones tengan un peso significativo en la calificación del curso. En esta técnica los problemas deben enfocarse a una aplicación práctica, sin especificar qué conceptos del
curso son los que se requerirán. Las restricciones del problema deben ser de carácter
práctico. En este curso los problemas abiertos se refieren a la creación de dispositivos
electrónicos digitales que respondan a ciertos requerimientos. El profesor sólo plantea
los requerimientos (Roffe, 2004a; Roffe, 2004b).
2 Organización del Curso de VHDL
El curso se desarrolla en el aula y en el laboratorio. Tanto en el aula como en el laboratorio los alumnos resuelven problemas relacionados con la creación de dispositivos.
En el aula se construyen respuestas en el pizarrón y en el laboratorio se resuelven los
problemas sintetizando sus respectivos circuitos. Además, el curso está organizado
por temas. Algunos de los temas son: circuitos basados en unidades de control, circuitos para resolver cálculos aritméticos complejos y arquitecturas programables.
El diseño de este curso ha sido paulatino. A lo largo de los últimos dos años se ha
ido refinando y mejorando.
3 Aprendizaje de VHDL
Dado que VHDL representa una herramienta de desarrollo en este curso, se ha diseñado una estructura de actividades para que su aprendizaje sea rápido y efectivo.
3.1 Estrategia de Aprendizaje de VHDL
La metodología de enseñanza-aprendizaje de VHDL consiste en plantear a los estudiantes ejercicios prácticos que orientan hacia un aprendizaje “incremental”, es decir,
se aprende a definir un componente básico, enseguida se interconecta con otros componentes, luego se añade lógica. De esta manera, el estudiante relaciona el diseño
esquemático de un componente simple con su descripción en VHDL, luego el componente se interconecta con otros y se relaciona su diseño esquemático con su descripción en VHDL. Así, la complejidad de los circuitos va en aumento, y se va volviendo natural su conversión a VHDL.
La meta en el proceso de enseñanza-aprendizaje es lograr un diseño esquemático
con bloques muy generales y que todo el diseño detallado se describa directamente en
VHDL en nivel funcional (o de comportamiento) sin necesidad de hacer explícita
toda la lógica en el diseño esquemático. A lo largo de impartir el curso en el que se
aprende VHDL la experiencia ha demostrado que para cumplir esta meta se requiere
que los estudiantes resuelvan ejercicios muy representativos dirigidos con este enfoque “incremental” hasta que logren describir correctamente circuitos secuenciales en
nivel funcional (o de comportamiento) sin tener que trazar el esquemático completo.
Dando seguimiento a los alumnos con prácticas de laboratorio “claves” es posible
observar si están logrando este objetivo, es fácil dar este seguimiento probando la
síntesis de sus circuitos y revisando su diseño en bloques generales. Si sus circuitos
no funcionan correctamente, deben completar toda la lógica en su diseño esquemático
y describirlo nuevamente en VHDL.
En general la metodología consiste en exponer la implementación de un componente electrónico básico, luego se le pide al alumno construir una aplicación sencilla
con requerimientos específicos basada en ese componente, posteriormente se le pide
añadir funcionalidad a la aplicación. Esta secuencia se repite a lo largo del semestre
con diversos componentes. En el proyecto final se les solicita a los alumnos inventar
una nueva aplicación de la Electrónica Digital que pudiera conventirse en un producto
innovador, mayor detalle de esta estrategia de enseñanza-aprendizaje de VHDL puede
consultarse en (Roffe, 2004a). En general los autores de textos de VHDL como
(Bhasker, 1999; Roth, 1998; Wakerly, 2000) no tienen una metodología de aprendizaje que pueda ponerse en práctica.
4 Metodología para apoyar el desarrollo de la inventiva
La metodología para apoyar el desarrollo de la capacidad inventiva se le expone a los
alumnos y se les pide aplicarla en todo momento, dentro y fuera de clase. Esta metodología consiste en los siguientes pasos:
1. Al observar al mundo, agregue atributos a los objetos, eventos, hechos,
etc. Los atributos pueden ser requerimientos, capacidades, características
físicas, funciones que realizan, etc. Los objetos pueden ser concretos o
abstractos, reales o imaginarios.
2. Establezca relaciones entre objetos o entre atributos y objetos o entre atributos, de tal manera que el mundo observado se convierta en una base de
datos relacional).
3. Añada objetos emergentes que surjan al establecer relaciones entre objetos
y agregue sus atributos.
4. Elabore preguntas (como los “queries” que se realizan para accesar una
base de datos) acerca de si existen otros objetos emergentes que relacionen los atributos de las objetos y de los objetos emergentes.
5. Analice si hay dispositivos electrónicos que satisfagan las características
de los objetos emergentes.
Al internalizar estos pasos como una manera de observar al mundo puede conducir a
imaginar nuevos dispositivos, o bien nuevos usos a dispositivos que ya existan. Esta
metodología sería el equivalente al “método científico” para la creación de aplicaciones electrónicas. Mayor detalle de la metodología puede consultarse en (Roffe,
2005).
La idea de la que parte el diseño del curso es que la necesidad de cumplir el requisito académico de idear dispositivos junto a la utilización de esta metodología pueden
actuar en conjunto para que los alumnos fortalezcan su capacidad de inventiva.
4. Conclusiones
La experiencia en los dos años en el que se ha impartido el curso en este estilo indica
que en general los alumnos primero superan el reto de describir circuitos en VHDL y
posteriormente se ocupan de desarrollar su creatividad. Para algunos alumnos, la
asimilación de la herramienta de de diseño es más rápida que para otros, así que algunos nunca llegan a la etapa de preocuparse por imaginar un producto innovador y en
sus proyectos sólo agregan funcionalidad a productos existentes.
Sin embargo, el método para aprender VHDL ha resultado muy efectivo. La efectividad se ha medido en términos de la proporción de alumnos que presentan un proyecto final funcionando. Antes de cambiar el estilo del curso, la tasa de proyectos
finales funcionando era del 50%. Este semestre, en Mayo de 2005, el 95% de los
alumnos entregaron un proyecto funcionando, algunos con características innovadoras, como algunos juegos de video novedosos, aunque en general hacen variaciones
de ideas ya existentes.
La cantidad de alumnos que han cursado esta materia en los dos últimos años ha
sido alrededor de 160 alumnos de los cuales sólo tres equipos han generado proyectos
innovadores, lo cual clasifica este proyecto como no exitoso al no cumplir con el
objetivo de generar nuevas aplicaciones de la Electrónica Digital. Un problema inherente al diseño del curso es la evaluación ya que sucede que algunos alumnos cumplen bien con el contenido del curso pero no implementan ideas innovadoras y es
difícil penalizar esta situación, porque podrían presentar implementaciones muy buenas de productos existentes. Por otra parte, ideas innovadoras pueden tener diseños
muy simples y productos existentes pueden tener diseños complejos, así que los criterios de evaluación se complican cuando la rúbrica consiste en evaluar la inventiva.
5 Capitalización
El diseño de este curso ha sido muy efectivo con respecto al aprendizaje de VHDL
pero no ha sido del todo satisfactorio en lo que respecta a la creación de productos.
Pueden estar ocurriendo uno o más de los siguientes factores:
a) La penalización por falta de inventiva no ha sido la suficiente.
b) Los alumnos dan más importancia al aprendizaje de VHDL que a la creación
de productos.
c) Cuando se domina la aplicación de la herramienta VHDL ya es demasiado tarde (es ya el final del semestre) y no queda tiempo para idear nuevos productos.
Para buscar el logro del objetivo perseguido, desarrollar la inventiva, se está planeando un nuevo experimento que constará de la formación equipos interdisciplinarios con alumnos de perfiles más creativos en diseño de productos que apoyen a los
alumnos de Electrónica Digital en el área de la inventiva y por otra parte se harán
talleres de diseño de productos electrónicos independientes de los cursos curriculares
para aislar el desarrollo de la inventiva con el contenido de un curso del plan de estudios.
Referencias
1. Bhasker, J. (1999) VHDL Primer. 3rd edn. Prentice Hall, Upper Saddle Rivwer, N.J.
2. Boud, D. & G. Feletti. (1997) The challenge of problem-based learning, London, U.K.:
Kogan Page.
3. Roth, Ch. (1998) Digital Systems Design Using VHDL. Boston Ma: PWS Publishing
Company.
4. Roffe, Norma F. (2004a). An Effective Teaching-Learning Method in VHDL for devising
Electronic Applications. Publicado en Memorias de ReConfig, International Conference on Configurable Computing and FPGAs. Colima, Co.: Editorial de Universidad
de Colima.
5. Roffe, Norma F. (2004b). Creating Innovative Products Teaching Learning Approach.
Publicado en Memorias de ALE 2005 Conference. Amsterdam, Ho.: University of
Amsterdam Press.
6. Wakerly, J.(2000) Digital Design Principles & Practices. USA: Comparing Object Encodings. 3rd edn.
7. Schwartz, P., S. Mennin & G. Webb (2000). Problem based learning: Case studies, experience and practice, Stylus Publishing, LLC: Sterling, Va.