Enseñar la Tecnología mediante programas de simulación

Enseñar la Tecnología mediante programas de
simulación
INTRODUCCIÓN
Las aplicaciones de simulación, que proceden del campo de la ingeniería, son
programas informáticos que permiten trabajar en un entorno virtual con entidades
técnicas complejas, como las empleadas en los procesos industriales, como si de un
entorno real se tratase y comprobar su funcionamiento. Estas aplicaciones son muy
numerosas, pero quizá las más conocidas son las que simulan instalaciones de
fluidos, circuitos eléctricos y electrónicos, estructuras resistentes, sistemas digitales o
automatismos neumáticos, por ejemplo.
1. USO INDUSTRIAL Y EDUCATIVO
Estas aplicaciones de simulación suelen recibir la denominación genérica de
laboratorios virtuales y se utilizan para simular procesos industriales. El
conocimiento de las leyes físicas y matemáticas que gobiernan el funcionamiento de
los circuitos, mecanismos y estructuras es lo que permite simular en el entorno virtual
el comportamiento del sistema físico homólogo.
Y, gracias a esta relación directa entre los sistemas técnicos, las leyes y
principios físicos que explican su funcionamiento y los modelos matemáticas que los
gobiernan, los laboratorios virtuales o entornos de simulación son un campo
privilegiado para las actividades multidisciplinares en la enseñanza.
VENTAJAS
Las ventajas de los entornos de simulación o laboratorios virtuales son obvias:
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• Economía: Un laboratorio virtual es mucho más económico que una instalación
real. Los entornos virtuales no ocupan espacio ni utilizan recursos costosos.
Ahorran mucho dinero porque permiten poner a prueba un proyecto técnico o
industrial sobre una maqueta, antes de invertir dinero o de construir
infraestructuras e instalaciones. Para un centro de Secundaria, un programa de
simulación es una forma sencilla y económica de ampliar los recursos
disponibles en los talleres y laboratorios.
•
Abundancia de recursos: A diferencia del entorno real, en el que la
instrumentación es siempre escasa, en el laboratorio virtual disponemos de una
librería de instrumentos prácticamente inagotable: polímetros, osciloscopios,
trazadores, medidores de presión, etc. La instrumentación virtual se comporta
de modo idéntico a la instrumentación real. A menudo, incluso, los
instrumentos virtuales funcionan mejor que los instrumentos reales, porque son
instrumentos ideales que obedecen a las leyes físicas para representar las
magnitudes que miden y están libres de los desajustes debidos al desgaste y a
los efectos parásitos del entorno.
•
Ensayos catastróficos: en un entorno de simulación se puede poner a prueba
el comportamiento de un sistema técnico en situaciones límite, incluso pueden
ensayarse situaciones catastróficas y comprobar el funcionamiento de los
sistemas de protección. Estas simulaciones son una alternativa a los ensayos
destructivos que, en ocasiones, siguen siendo necesarios.
•
Utilidad formativa: Los laboratorios virtuales tienen una aplicación educativa
inmediata, permiten la formación y el entrenamiento del personal técnico a bajo
coste.
ADECUACIÓN AL NIVEL
Muchos de los entornos virtuales utilizados en la industria son muy completos y
complejos, tienen en cuenta multitud de factores y parámetros y son, por lo tanto,
inadecuados para utilizarlos directamente en la enseñanza secundaria.
Sin embargo, hay versiones aligeradas de estos programas para uso educativo.
Es el caso, por ejemplo, de LabView de National Instruments, que se ha adaptado
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para programar robots en el entorno Lego Mindstorms. Afortunadamente, en los
últimos quince años, hemos conocido varios programas de simulación utilizables en
nuestras clases de Tecnología de Secundaria. Sobre todo para ensayar el
comportamiento de los circuitos eléctricos, como Edison o Crocodile.
USO DIDÁCTICO DE LOS SIMULADORES
Pero ¿cuál es la utilidad real de estos programas? ¿Cómo y cuándo deben
utilizarse? El asunto es interesante porque, por una parte, un entorno virtual soluciona
la endémica escasez de medios en los laboratorios y talleres de Tecnología pero, por
otra parte, no sabemos en qué medida el laboratorio virtual puede reemplazar a la
manipulación, a la experiencia física con el entorno.
La experiencia sensorial es imprescindible o, al menos, muy recomendable.
Luego, esos conceptos se ampliarán con sistemas virtuales y la experimentación
repetida en el simulador ayudará a comprender, por ejemplo, la relación existente
entre el número de dientes de un engranaje y el par motor en el eje conducido.
2. PROGRAMAS DE SIMULACIÓN
¿Se puede comprender, de forma efectiva, el funcionamiento de los circuitos
eléctricos en un entorno virtual? Con la electricidad, las posibilidades de experiencia
sensorial son muy limitadas: la electricidad es invisible, inodora, casi una entidad
mágica de la que sólo dan cuenta algunos fenómenos no menos mágicos como el
magnetismo o la electrólisis.
Los profesores solemos explicar las magnitudes y los fenómenos eléctricos
haciendo constantes referencias a otras entidades físicas con las que presumimos una
cierta analogía: la presión, el caudal de agua, la diferencia de nivel en dos vasos
comunicantes etc.
Pero las posibilidades de experiencia sensorial con los circuitos son mínimas:
construir circuitos, con receptores fuertemente sensoriales como bombillas y motores,
y comprobar que funcionan. Pero en cuanto a las magnitudes, que son abstracciones
conceptuales, tenemos que fiarnos de los instrumentos.
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El aprendizaje con circuitos reales es lento. Hay que montar los componentes en
un tablero o una placa protoboard y cablear antes de probar. Y muchas veces el
circuito no funciona: tiene demasiados puntos sensibles, pasan muchas cosas y hay
demasiados factores en juego. Todos los fenómenos que tienen lugar en un circuito,
influyéndose mutuamente, hay que integrarlos en un discurso teórico que es
ciertamente abstracto. Y, muchas veces, los alumnos se desaniman cuando ven que
no funciona, y no saben por qué. ¿Será un mal contacto, las conexiones están
equivocadas o es mi culpa porque no tengo ni idea de esto? Un simulador de circuitos,
en cambio, permite a nuestros alumnos experimentar con la electricidad de un modo
divertido y seguro. No hay límite de instrumentos ni de componentes, no hay que
comprar
nada.
Se
pueden
simular
circuitos
erróneamente
conectados,
las
consecuencias no serán nunca dramáticas.
La eficiencia de los sistemas de simulación por software ha hecho que incluso
en los circuitos electrónicos reales, en los que sus bloques funcionales están
implementados en chips, cada vez más pequeños y soldados mediante la tecnología
SMT en placas de circuito impreso multicapa, las técnicas de medida tradicionales ya
no sean útiles. El ingeniero ya no utiliza polímetros, osciloscopios ni puntas de medida
o sondas para tomar valores de tensión o de impedancia, para luego efectuar sus
cálculos. Ahora, el software de medida está incorporado en el chip y proporciona los
ensayos que permiten comprobar su funcionamiento.
Pero una dificultad específica de la enseñanza de los contenidos relativos a los
circuitos eléctricos es la relativa a la organización espacial. Los componentes de un
circuito tienen, por un lado, una forma física y, por otro lado, una representación
simbólica. La disposición espacial de un circuito eléctrico real, los componentes, sus
terminales y los cables que los conectan y la representación esquemática de ese
mismo circuito, hecho de símbolos y segmentos rectos, es completamente distinta. La
relación entre ambas entidades es una relación puramente lógica que exige una
operación compleja de transferencia. A muchos alumnos les resulta difícil este tipo de
pensamiento. Por eso es preciso encontrar alguna forma práctica de vincular el
aprendizaje con circuitos virtuales y la conexión de circuitos tangibles, con
componentes físicos y cables, para ayudarles a hacer esta transferencia.
Por eso, los simuladores de circuitos idóneos para su uso en la enseñanza
Secundaria deben estar orientados a este propósito, disponer de utilidades básicas de
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análisis y medida de magnitudes. Las aplicaciones más potentes de este tipo (como
Multisim de National Instruments, eSpice o Pspice), utilizadas en los trabajos
profesionales de ingeniería o en los estudios de nivel universitario, son inadecuados
para nuestro propósito. El uso del simulador ha de ser intuitivo y sencillo. Es deseable
que la representación de los componentes y del circuito sea realista y que,
simultáneamente, en la misma pantalla, aparezca la representación esquemática del
circuito y sus símbolos. Veamos algunos de los muchos simuladores de circuitos que
cumplen estos requisitos:
* Crocodile Clips:
Es un producto de la empresa británica Crocodile Clips Inc., que fabrica
muchos otros productos interesantes de software para la enseñanza: Crocodile
Science Player (para simular fenómenos físicos), Crocodile Technology 3D (con el
que se pueden simular no sólo circuitos, sino también mecanismos, programación de
microcontroladores y diseño de placas de circuitos impresos, e incluso la versión
Elementary viene con un buen lote de hojas de trabajo ya elaboradas, en las que se
presentan los principios básicos de la corriente eléctrica y los circuitos.
* Edison:
Es un software propietario de la empresa húngara DesignSoft, dirigido a
estudiantes que se inician en electricidad y electrónica. La misma empresa produce un
excelente programa, llamado Tina, de diseño y análisis de circuitos electrónicos.
Edison está distribuido en español. Tiene una interfaz de usuario efectiva, en el
que se representan simultáneamente el circuito y sus componentes en perspectiva
caballera, su esquema y la pantalla de los instrumentos dedicados al análisis de la
señal.
* RCSim:
Es un simulador de circuitos muy elemental. Dispone de una librería muy
limitada en la que hay componentes resistivos, fuentes de tensión y de corriente y
cables para hacer las conexiones. Permite el diseño del circuito directamente en
pantalla mediante selección del componente y ubicación en la hoja de dibujo.
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Cuenta con instrumentos de medición que muestran los valores de voltaje y
corriente mientras se ejecuta la simulación. Este programa es de libre distribución,
puede descargarse desde este enlace y utilizarse sin restricciones.
*Qucs:
Finalmente, aunque desborda los requisitos de simplicidad para la simulación de
circuitos en Secundaria, no me resisto a dar noticia de la existencia de Qucs. Quite
Universal Circuit Simulator es un interesante proyecto de software libre para la
simulación de circuitos mediante una interfaz gráfica de usuario. Con Qucs se puede
construir un circuito virtual y simular su funcionamiento con corrientes elevadas y
pequeñas y el comportamiento del ruido. Una vez terminada la simulación, pueden
verse los resultados en una ventana de presentación.
Aunque las versiones listas para su descarga son aún incompletas, me parece un
proyecto muy ambicioso, a juzgar por las primeras versiones disponibles para su
descarga y por los objetivos fijados por sus autores: simulación de circuitos en
continua y en alterna, análisis a partir de los parámetros S de sus componentes,
análisis de ruido y de régimen transitorio. Su desarrollo está enfocado a plataformas
GNU/Linux y, como ellos dicen, sin dedicar esfuerzos especiales para que sea
soportado por otros sistemas operativos, aunque ha sido compilado con éxito y
ejecutado en Solaris, NetBSD, FreeBSD y otros.
Resumen
Dado que en muchas ocasiones no disponemos de recursos necesarios en
Tecnología, podemos recurrir a programas de simulación que, al menos virtualmente,
puedan acercar al alumnado a la realidad.
Palabras claves
Simulación; recursos; profesores; formación; economía.
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