Acceso a la Electrónica Digital Mediante Herramientas

Acceso a la Electrónica Digital Mediante Herramientas
Didácticas Basadas en el Desarrollo de Dispositivos Propios
Luis Alexánder Jiménez Hernándeza and Manuel Antonio Montero Gaonaa
*Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central, Bogotá D.C., Colombia
Abstract. Using own apparatus for technologies teaching, has become an educational dynamic that facilitates access
for students and teachers to the study fields of electronics and mechanics. Among the main advantages of working
with own devices, we found reduced costs for procurement of components and materials, increasingly inexpensive
and easy to get in local markets, and on the other hand, facilitates the interaction of the students with real problems in
different fields of knowledge, and their scientific principles and solving practical situations. The research project
entitled Design and Implementation Phase of a Prototype for Teaching and Learning Processes with Programmable
Digital Electronic Devices in Technical Specialty Mechatronics, which is developed by the Research Group
Bitciencias in the Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central, from the academic program Instituto de Bachillerato
Técnico Industrial. It consists in its technological component of the development of a device which can improve
student access to digital electronic technologies that are seen in Digital Electronics and Microcontrollers subjects.
They correspond with the subjects of the carreer of Mechatronics Engineering, as part of an articulation plan with
higher education.
Keywords: Educational aids; Laboratory experiments and apparatus; Secondary schools.
Resumen. El uso de dispositivos propios para la enseñanza de la tecnología, se ha convertido en una dinámica
educativa que facilita el acceso de los estudiantes y docentes a campos como la electrónica y la mecánica. Entre las
principales ventajas del trabajo con artefactos propios, se encuentra la de reducir costos para la adquisición de
componentes y materiales, cada vez más económicos y fáciles de conseguir en los mercados locales, y por otra parte,
facilita la interacción de los estudiantes con problemas reales del campo de conocimiento, profundizando en los
principios científicos y resolviendo situaciones de carácter práctico. El proyecto de investigación titulado Etapa de
Diseño e Implementación de Prototipo para Procesos de Enseñanza-Aprendizaje de la Electrónica Digital con
Dispositivos Programables en la Especialidad Técnica Mecatrónica, el cual se desarrolla por el Grupo de
Investigación Bitciencias en la Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central, desde el programa Instituto de
Bachillerato Técnico Industrial. El proyecto consta en su componente tecnológico de la elaboración de un dispositivo
que permita mejorar el acceso de los estudiantes a las tecnologías electrónicas digitales que conforman las asignaturas
Electrónica Digital y Electiva Microcontroladores, correspondientes al programa de Ingeniería Electrónica, en el
marco del plan de articulación con educación superior.
Palabras claves: Ayudas educativas; Aparatos y experimentos de laboratorio, Escuela secundaria.
INTRODUCCIÓN
La especialidad técnica mecatrónica ETM corresponde al programa Instituto de Bachillerato Técnico
Industrial, encaminada a la formación de estudiantes en competencias laborales relacionadas con el campo
técnico aplicado de las empresas del sector mecatrónico en Colombia, así como para facilitar el ingreso a los
estudios de educación superior desde la secundaria técnica [1] en Ingeniería Mecatrónica y áreas afines, como la
Electrónica y la Mecánica. Dicha especialidad fue formulada a partir de campos de conocimiento tradicionales
como la electricidad, la electrónica y la mecánica industrial y automotriz, los cuales correspondían a programas
técnicos anteriores, pero que fueron actualizados para conformar los núcleos temáticos de la ETM [2],
conduciendo con el mismo desarrollo de la Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central ETITC como
establecimiento de educación superior, hacia la articulación de programas técnicos profesionales mediante la
modalidad de ciclos propedéuticos [3].
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En la ETM del bachillerato técnico de la ETITC, se han analizado algunos procesos educativos que podrían
propiciar la aprehensión del saber y el aprendizaje de las tecnologías programables en los cursos de electrónica
digital [4]. También se consideran las ventajas de trabajar con artefactos propios [5], como se ha evidenciado en
trabajos previos con estudiantes de la especialidad [6]. Buscando solución a los problemas señalados, se propone
el desarrollo de un prototipo de herramienta tecnológica que facilite el aprendizaje práctico de la electrónica
digital en estudiantes de la especialidad técnica mecatrónica del IBTI en la ETITC, que también permita
optimizar los tiempos de dedicación de los estudiantes en los temas de los cursos de electrónica, y en función de
la flexibilidad y profundidad de los contenidos de los cursos. Con base en estas consideraciones, se propuso el
proyecto “Etapa de diseño e implementación de prototipo para procesos de enseñanza-aprendizaje de la
electrónica digital con dispositivos programables en la especialidad técnica mecatrónica”, enmarcado en la línea
de investigación Nuevas Tecnologías Aplicadas a la Educación del Grupo de Investigación Bitciencias, el cual
cuenta con reconocimiento y categoría D en COLCIENCIAS. Este proyecto participó y contó con la aprobación
en la convocatoria interna N° 01-2014 Apoyo a Proyectos de Investigación en la ETITC.
MÉTODOS
La propuesta metodológica se enmarca en el paradigma cualitativo, estipulando finalidades de tipo
exploratorio, en relación con el diseño y construcción de un prototipo, y de tipo descriptivo, acerca de la
incidencia de uso del prototipo y las condiciones de acceso y aceptación de la tecnología por parte de los
estudiantes y docentes. La investigación se plantea de tipo cuasiexperimental con series articulado mediante
estudio de casos múltiples, con base en grupos colaborativos de docentes y estudiantes. Para la recopilación de
información se plantea el uso de cuestionarios con los participantes de los grupos.
El proyecto se encuentra actualmente en la etapa exploratoria, en la cual se ha profundizado en la metodología
y contenidos propios de los cursos de electrónica digital ofrecidos por la institución tanto en nivel de educación
secundaria técnica a grados 9º, 10° y 11° en la ETM, como en las asignaturas de educación superior en Ingeniería
Mecatrónica correspondientes al tema. Se han podido identificar entre los principales aspectos del proceso de
enseñanza-aprendizaje de los circuitos digitales, temas tales como: fundamentos de compuertas lógicas, técnicas
de análisis y diseño en circuitos de lógica combinatoria, aplicaciones prácticas de circuitos digitales básicos [7,
8], sistemas embebidos, sistemas digitales programables junto con sus arquitecturas y técnicas de programación
[9, 10], y aplicaciones digitales relacionadas con el campo de la mecatrónica [11] y la robótica práctica [12].
Por otra parte, se han planteado varios requisitos del diseño del prototipo, en función de los contenidos
temáticos mencionados de las asignaturas de electrónica digital, considerando también la facilidad de acceso a la
tecnología por parte de los estudiantes, reflejada en términos del uso rápido y aplicado de los principios de los
circuitos digitales a través de una herramienta didáctica, permitiéndole superar obstáculos que se presentan en los
montajes prácticos (como en protoboard), y que al mismo tiempo los estudiantes estén en capacidad de
reproducirlos como artefactos que puedan ser empleados para el aprendizaje autónomo.
(a)
(b)
FIGURA 15. Ejemplos de tecnologías empleados para el aprendizaje del tema de sistemas programables, en ambos casos
basados en plataformas móviles para la enseñanza de robótica práctica: (a) Caso de Kit Mindstorm del fabricante Lego; (b)
Montaje de prueba de integración de elementos mecatrónicos en un dispositivo propio desarrollado por estudiantes de la
ETM.
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RESULTADOS
Como resultados de esta investigación en desarrollo se puede contar, inicialmente con los análisis temáticos y
metodológicos de la enseñanza de la electrónica digital, y con los avances en el diseño del prototipo,
referenciados como de diseño electrónico, programación y simulación. Acerca del diseño electrónico, se ha
planteado el uso de arquitectura digital basada en microcontrolador Microchip. Estos dispositivos son conocidos
por la sigla PIC (Programable Interface Controller) y se ha determinado su uso en el proyecto por motivos tales
como: disponibilidad en el mercado local, dispositivo programable de bajo costo, multiplicidad de fuentes de
información de programación y proyectos, y la familiaridad de los estudiantes con el uso de circuitos integrados
en encapsulado DILP.
Otras tecnologías se encuentran disponibles, tales como las FPGA’s (Field Programmable Gate Array) y los
sistemas Arduino, pero estos se consideran para la enseñanza de las tecnologías digitales en nivel avanzado,
principalmente para el desarrollo de proyectos especializados, y no como dispositivos adecuados en el proceso de
introducción para estudiantes alrededor de los temas de electrónica digital, en el cual se considera el uso de
arquitecturas más simples y de fundamentos de conexiones básicas. No obstante, así como los sistemas Arduino
son reconocidos por ser plataformas de recursos abiertos de software y hardware [13], con este proyecto de
investigación se pretende alcanzar estas características en torno al ámbito educativo, de manera que puedan ser
empleados en procesos de enseñanza-aprendizaje facilitando la disponibilidad de material didáctico y
pedagógico, como los planes curriculares, textos de metodología, códigos fuente de programación para el
microcontrolador, diagramas eléctricos para desarrollar circuitos impresos, etc.
Adicionalmente, se ha preferido trabajar en el uso de PIC´s dada su arquitectura computacional tipo RISC
(Reduced Instruction Set Computing), en comparación con otros fabricantes de microcontroladores y
procesadores basados en arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer), tales como Freescale e Intel.
Entre las ventajas de la arquitectura RISC, orientadas a facilitar la enseñanza de las tecnologías digitales
programables desde el uso de dispositivos electrónicos para el procesamiento de datos, se encuentran: mayor
velocidad por instrucción, sencillez de las instrucciones, mayor facilidad para la comprensión de la relación
ciclos/instrucción [14]. Por otra parte, se busca que el desarrollo y uso del producto tecnológico propio construido
entre docentes y estudiantes, así como la arquitectura del microcontrolador que se emplee, faciliten la
accesibilidad a los recursos de enseñanza-aprendizaje, superando dificultades dadas por las condiciones
personales de los aprendices, en parte debido a su corta edad cronológica en relación con la complejidad del tema
de la electrónica digital, así como por la falta de conocimientos previos en otros temas base para su comprensión,
como lo son la lógica matemática y el análisis de circuitos. En este caso, no se considera como situaciones de
discapacidad que afecten el acceso a dichos recursos [15], sino como una etapa que se considera temprana con
respecto a los desarrollos cognitivo y biológico de los estudiantes.
CONCLUSIÓN
En la etapa en que se encuentra desarrollada la investigación, se pueden señalar los siguientes avances:
En la enseñanza de la electrónica digital como temática relacionada con la mecatrónica, resulta importante
trabajar los fundamentos teóricos de operaciones lógicas, junto con el conocimiento de su aplicación práctica a
través de circuitos electrónicos como las compuertas y los microcontroladores, vinculando los temas mediante
ejemplificaciones concretas. También resulta conveniente para el proceso de aprendizaje que los estudiantes
puedan plantear por ellos mismos diferentes usos de la tecnología digital, los cuales conducen al montaje de
circuitos que requieren cierto grado de rigurosidad y habilidad técnica, pero que en el análisis teórico se resuelven
fácilmente. A partir de lo anterior, se plantea como requisito de diseño del prototipo, contemplar la posibilidad de
hacer más sencillo el uso de un aparato que permita a los estudiantes llegar más rápidamente a resultados de las
actividades prácticas y a la resolución de los problemas propuestos por el docente.
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(a)
(b)
FIGURA 2. Avances en el diseño del prototipo: (a) Diseño electrónico y simulación en el programa ISIS de Proteus; (b)
Líneas de código para integración de periféricos en el programa PICC.
También se puede mencionar que se ha adelantado la principal parte del diseño electrónico y de
programación, empleando herramientas de software de desarrollo de proyectos basados en microcontrolador. En
el diseño se han integrado los principales elementos de los contenidos de las asignaturas de electrónica digital, de
manera que estén disponibles en la elaboración del prototipo para continuar a la siguiente etapa de la
metodología, de carácter descriptivo acerca del uso del prototipo con estudiantes en actividades prácticas de los
cursos, período en el cual se plantea la realización de un protocolo de pruebas funcionales del aparato, y un
posterior proceso de validación como herramienta didáctica para apoyar el aprendizaje de los temas.
REFERENCIAS
12. “Ley
115,
Ley
General
de
Educación”,
feb.
8,
1994.
[En
línea].
Disponible:
http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/ Norma1.jsp?i=292#FichaDocumento. [Acceso: agosto 30, 2013].
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Conciencia Tecnológica, no. 8, pp. 27-37, 2010.
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15. L. A. Jiménez, “Procesos educativos de la especialidad técnica mecatrónica. Una asociación entre el aprendizaje
significativo y la resolución de problemas”, en Sistematización de Experiencias Educativas en la Escuela Lasallista, N. A.
Murcia, Ed. Bogotá: Oficina de Comunicaciones del Distrito Lasallista de Bogotá, 2014, pp. 257-274.
5. L. A. Jiménez, “Enseñanza de la tecnología basada en cursos de robótica práctica: proyectos educativos con lego y con
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6. L. A. Jimenez, “Renovación curricular en robótica: Cursos y logros. Una experiencia del Instituto de Bachillerato Técnico
Industrial – ETITC”, Letras Conciencia Tecnológica, no. 10, pp. 17–23, 2011.
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8. E. Mandado y Y. Mandado, Sistemas Electrónicos Digitales, 9ª ed., México: Marcombo-Alfaomega, 2008.
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