Elaboración de un espectrómetro casero por estudiantes y como influyen las competencias establecidas por la coordinación de IGFO∗en su funcionalidad Arredondo Garay, Johana Yaredt. Gutiérrez Cázares, Nancy Paola. Jimenez Torres, María del Mar. Martinez Ramirez, Sofia Alejandra. Rivera González, Marco Antonio. Laboratorio de Caracterización Óptica, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías, Universidad de Guadalajara, Jalisco, México. 1 de Abril del 2022. Abstract In the following article the results obtained from 5 homemade spectrometers of different photonics students are analyzed. Three different light sources were observed with the devices made by the students as well as with a mechanical laboratory spectrometer. Based on the results and the process to obtain them, the skills acquired by each student are sampled. Key words— Spectrometer, spectrophotometer, homemade spectrometer, competencies analysis, problem resolution. Resumen En el siguiente articulo se analizan los resultados obtenidos de 5 espectrómetros caseros de distintos estudiantes de fotónica. Se observaron 3 fuentes de luz distintas con los dispositivos realizados por los estudiantes así como con un espectrómetro mecánico de laboratorio. A partir de los resultados y su proceso para obtenerlos, se muestrean las competencias adquiridas por cada estudiante y como repercutió la ausencia de alguna en la funcionalidad de su producto final. Palabras clave— Espectrómetro, espectrofotómetro, espectrómetro casero, análisis de competencias, resolución de problemas. I. cada alumno con la adquisición de las competencias y habilidades, el presente trabajo realiza una recopilación de las mismas en un grupo de estudiantes que cursan sus últimos semestres de la carrera en Ingeniería en Fotónica y las relaciona con la funcionalidad de su decisiones para resolver problemas y darle funcionalidad a un producto final, como en este caso fue elaborar un espectrómetro casero para la materia Introducción El desarrollo de competencias y aprendizajes de los alumnos en curso de una carrera a nivel de licenciatura se presentan en diferentes etapas y situaciones para cada individuo, se espera que los estudiantes egresen con adquisición total de las competencias y habilidades establecidas por la carrera, pero la vida no es una utopía. A partir de la variación que puede existir entre ∗ Ingeniería fotónica, centro universitario de ciencias exactas e ingenierías. 1 Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022 de Laboratorio de Caracterización Óptica. II. La invención del espectrómetro I. Competencias Según Daniel García1 el primer registro de un proto-espectrofotómetro es de 1859; un científico estudiando las características de los gases construyó un equipo para medir las energías absorbentes del CO2 , O3 , HC y vapor de agua, durante el experimento descubrió que los gases completamente incoloros absorbían luz en algunas longitudes de onda, mientas que los otros que no eran incoloros, no la absorbían. En 1935, Arthur C. Hardy del Instituto Tecnológico de Massachusetts obtuvo la primer patente de espectrofotómetro y el primero en registrarlo comercialmente basado en el trabajo de Arthur fue General Electric, al ser el comienzo del uso de esta nueva tecnología su aplicación fue limitada. Las competencias establecidas para IGFO son: 1. Conoce y aplica los conceptos de las ciencias como una herramienta en la solución de problemas de ingeniería. 2. Determina los requisitos fotónicos y ópticos de proyectos asociados a aplicaciones específicas en el área de Ingeniería. 3. Diseña, construye y prueba elementos y sistemas electro-ópticos. 4. Adquiere, procesa e interpreta de forma adecuada los datos y señales generados por medio de la experimentación. 5. Comunica información de manera efectiva y III. Espectro emitido por fuentes de luz precisa en su entorno utilizando lenguaje técnico Los colores espectrales son los colores presentes en apropiado. la luz visible, son colores monocromáticos o colores 6. Realiza proyectos y tareas de acuerdo con espectrales puros. los procedimientos, estándares, regulaciones y Las fuentes de luz pueden y emiten en diferentes longitudes de onda, su espectro es una distribución de principios éticos relevantes. intensidades según cada longitud de onda que contenga, 7. Comprende la estructura, significado y utilidad la intensidad de un color altera como es percibido. de la información financiera para su aplicación y La sensibilidad para percibir las longitudes de onda desarrollo en actividades de Ingeniería. del rango visible pueden depender del individuo 8. Aplica estrategias de desarrollo profesional y y condiciones del contexto donde se observa, pero personal de forma continua para mejorar su estudios experimentales dicen que el color mejor percibido por el ojo humano es el verde y hacia los desempeño. extremos la sensibilidad decae mas o menos como se 9. Organiza y gestiona actividades aplicando muestra en la figura 1. conocimientos, habilidades y su capacidad de trabajo en equipo. El estudiante egresado de la carrera de Ingeniería Fotónica deberá aplicar los principios de leyes que rigen el comportamiento de la luz desde el punto de vista de partículas subatómicas y de ondas, así como sus diversas propiedades y aplicaciones, las cuales podrá utilizar para desarrollar soluciones tecnológicas para enfrentar los retos que se presentan en el mundo actual, tales como mejorar la eficiencia de los procesos de combustión, asegurar las comunicaciones, realizar mejores procedimientos médicos, entre otros. Contar con el desarrollo de las competencias y habilidades garantizan que el egresado pueda enfrentar el mundo laboral y los problemas a resolver relacionados con la optoelectrónica. 1 Figura 1: Sensibilidad del ojo humano al espectro visible R. D. García. Instrumentos que revolucionaron la química: La historia del espectrofotómetro, (2018). 2 Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022 II. III. Encuestas Metodología I. Materiales Los alumnos utilizaron distintas formas de aprendizaje para concebir el diseño y posición de cada elemento, así mismo diferentes habilidades para armar el sistema y llegar al mismo objetivo. Entre todos los integrantes del equipo crearon y contestaron las siguientes encuestas. ¿Cómo consiguieron concluir su espectrómetro de manera eficiente? Opciones de respuestas: La actividad para evaluar las competencias y habilidades del grupo de estudiantes, consistió en realizar un espectrómetro casero únicamente con materiales determinados previamente por la profesora: • Rejilla de difracción • 2 Navajas para afeitar 1. Preguntando al profesor • Cinta aislante 2. Preguntando a compañeros • Tijeras 3. Experimentando prueba y error 4. Investigando en internet • Cilindro de cartón o caja de cartón 5. Intercambio de ideas Para la generación y toma de espectros del muestreo fueron necesarias 3 diferentes fuentes de luz ¿Que cualidades le atribuyes a la eficiencia de los seleccionadas por el grupo de estudiantes: espectrofotómetros caseros en comparación al sistema de referencia? Se compararon los espectros del 1. Lampara LED espectrómetro casero con los de referencia y cada alumno determinó su efectividad de acuerdo con los siguientes parámetros: 2. Lampara de Neón 1. Franjas del espectro claras. 3. Lampara de Mercurio 2. Facilidad para hacer la lectura. 3. Estabilidad del diseño. II. Métodos Los alumnos diseñaron un espectrómetro con los materiales ya mencionados, esta experiencia fue realizada sin un instructivo, así los alumnos tuvieron que averiguar si mismo como realizar este espectrómetro. Ya construido se les pidió observar un espectro de luz natural (luz solar) para confirmar su funcionalidad. Una vez con el resultado esperado, todos los integrantes del grupo en el laboratorio experimentaron y capturaron el espectro de las diferentes lamparas (LED, Neón, Mercurio) con cada uno de los espectrómetros casero y con el espectrómetro mecánico del laboratorio crearon sus referencias. Los espectros de estas lamparas se observaron con el medio aislado de fuentes de luz ajenas al experimento. Por medio de un sistema de posicionamiento donde 1 es el mayor y 5 el menor funcional cada alumno calificó cada espectrómetro casero. A partir de los resultados obtenidos se le pidió a cada alumno auto-examinara su proceso de elaboración y reconociera las competencias con las que cuenta. III. Resultados I. Espectrómetro Mecánico de Laboratorio En la figura 2 se muestran los espectros obtenidos con el espectrómetro profesional brindando la referencia para los datos esperados. 3 Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022 Figura 4: Espectro de emisión con espectrómetro casero de sujeto 1 y 3 respectivamente: Lampara LED Figura 2: Espectros de emisión con espectrómetro profesional: Lampara de mercurio, neón y LED respectivamente. En cada espectro luminosas sus rangos totalmente definidas complicación su tipo de de emisión de las fuentes de longitud de onda están y permite identificar sin fuente proveniente. Figura 5: Espectro de emisión con espectrómetro casero de sujeto 4 y 5-6 respectivamente: Lampara Neón Los espectros captados por los sujetos 2, 3 y 4 muestran una definición de rangos de longitud de onda claras y definidas, mientras que el de los sujetos 1, 5 y 6 difícilmente se distingue el espectro que los conforma. II. Espectrómetros caseros Las figuras 3, 4 y 5 son algunos de los espectros de emisión de las tres fuentes, captados por los espectrómetros de los alumnos. III. ¿Cómo consiguieron realizar su espectrómetro de manera eficiente? Los resultados de la encuesta (cuadro 1) que contestaron los alumnos, la herramienta de solución de problemas "Preguntando a compañeros"fue las mas popular, dejando en segundo lugar a .Experimentando prueba y error.eIntercambio de ideas". Las opciones "Preguntando al profesor.eInvestigando en internet"se Figura 3: Espectro de emisión con espectrómetro casero de descartaron. sujeto 2: Lampara Mercurio 4 Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022 Sujeto 1 2 3 4 5 6 Metodo 1 Metodo 2 Preguntando a compañeros Intercambio de ideas Preguntando a compañeros Experimentado prueba y error Preguntando a compañeros Experimentado prueba y error Experimentado prueba y error Intercambio de ideas Preguntando a compañeros Intercambio de ideas Preguntando a compañeros inferior de la figura 4 con más claridad y detalle, seguido por el espectro de la parte superior de la figura 5, este fue generado con el producto final del sujeto 4. El resto de los espectrómetros se determinaron inestables por el cartón utilizado (muy delgado) para la construcción. El cuadro 1 muestra que la mayoría de los estudiantes optaron por preguntar a otros compañeros como primer método y el intercambio de ideas/experimentación prueba y error como segunda herramienta. Esto se relaciona totalmente con las competencias 1, 4 y 8 donde el cuadro 3 demuestra que los seis sujetos coincidieron de forma positiva con base a los puntos establecidos por esas competencias. Los sujetos 1, 2 coinciden con la ausencia de la novena competencia y los sujetos 5 y 6 de la segunda competencia. La carencia de la competencia 9 y 2, se relacionan con la baja capacidad para gestionar actividades y sistemas con las habilidades con las que si cuentan, también muestran la falta de autocrítica para determinar los requisitos básicos del producto funcional. Analizando los datos obtenidos de las encuestas sabemos que a pesar de que no todos los alumnos pudieron realizar un espectrómetro capaz de conseguir franjas legibles, todos los alumnos entendieron el principio de operación básico del dispositivo por lo que el enfoque de aprendizaje en el desarrollo de un espectrómetro casero ayuda a los estudiantes en la adquisición y rectificación de sus conocimientos en su área de estudio. Cuadro 1: Resultados de encuesta 1 IV. Eficiencia de los espectrómetros Las votaciones para las cualidades de la funcionalidad de los espectrómetros se muestran en el cuadro 2, sólo 2 sujetos consiguieron obtener las 3 cualidades que describen a un espectrómetro casero funcional. Como posicionamiento definitivo del producto final se consideró la moda de acuerdo al numero que cada alumno le otorgó. Lugar 1 2 3 4 5 Sujeto 3 4 2 1 5-6 Características Presentó franjas claras, la lectura fue fácil y el sistema si fue estable. Presentó franjas claras, la lectura fue fácil y el sistema si fue estable. Presentó franjas claras, la lectura no fue fácil pero el sistema si fue estable. Presentó franjas claras pero la lectura no fue fácil y el sistema no era estable Las franjas no fueron claras, la lectura no fue fácil y el sistema no fue estable. Cuadro 2: Posicionamiento y cualidades funcionales de los espectrómetros caseros V. Competencias presentes de cada sujeto Las competencias con las que los alumnos creen contar se muestran en el cuadro 3. Competencia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Sujeto 1 Si Si No Si No Si No Si No Sujeto 2 Si No Si Si No Si Si Si No Sujeto 3 Si No Si Si No Si Si Si No Sujeto 4 Si Si Si Si No No No Si Si Sujeto 5 No No Si Si Si No No Si Si Sujeto 6 Si No Si Si Si Si No Si Si V. Agradecimientos Agradecemos los útiles comentarios de la Dra. Citlalli Almaguer Gomez, que han mejorado notablemente la calidad de este manuscrito. Referencias [1] J Buie. Evolution of UV-Vis Spectrophotometers. Lab Manager, 4, 24-25 (2011). Cuadro 3: Competencias con las que si creen contar los integrantes del grupo de observación La encuesta fue de auto-inspección, confiamos en la [2] R Simoni, R Hill, M Vaughan, H Tabor. A classic instrument: The Beckman DU spectrophotometer ética y la autocrítica de cada integrante del grupo de and its inventor, Arnold O. Beckman. J. Biol. alumnos. Chem., 278(49), 79-81 (2003). IV. Conclusiones Por las variaciones de construcción y calidad del [3] A Hardy. History of the design of the recording material de cada espectrómetro, la forma proyectada spectrophotometer. J. Opt. Soc. Ame., 28(10), de su espectro fue diferente. Esto es más notorio en el 360-364 (1938). espectro inferior de la figura 5 debido a que la cavidad del sistema era cilíndrica y no rectangular como el resto, [4] Board on Physics and Astronomy, Division on lo cual, deformó su proyección. Engineering and Physical Sciences (BPADEPS). Instrumentation for a better tomorrow: proceedings El espectrómetro realizado por el sujeto 3 fue el of a symposium in honor of Arnold Beckman. que obtuvo mejores resultados mostrando el espectro 5 Laboratorio de caracterización óptica, vol. 1, no. 1, abril 2022 Washington, Estados Unidos; National Academies [6] "¿Si el espectro de luz visible es de 380 a 750 nm, el ojo humano no ve absolutamente Press (2006). nada en ondas cuya longitud sea cercana a [5] Universidad de Guadalajara. Ïngeniería estos valo..."Quora. https://es.quora.com/ Fotónica | Portal de Programas Educativos Si-el-espectro-de-luz-visible-es-de-380-a-\ de Pregrado". Inicio | Portal de Programas 750-nm-el-ojo-humano-no-ve-absolutamente-\ Educativos de Pregrado. http://www. nada-en-ondas-cuya-longitud-sea-cercana-a-\ pregrado.udg.mx/Centros/Temáticos/CUCEI/ estos-valores-Como-por-ejemplo-370-o-760nm. ingenieria-fotonica/objetivos 6
