Listado de buenas prácticas

GDE Sensors tool: Diseño de una app para la virtualización de prácticas de laboratorio

Segundo accésit al Premio Santander correspondiente al año 2022, concedido por la Cátedra Banco Santander de la Universidad de Zaragoza. Más información en https://catbs.unizar.es/articulos/xv-edicion-premio-santander-a-experiencias-en-innovacion-docente-con-tic-2

Smartphone, Tablet, innovación docente, TIC

Se ha desarrollado una app para Android disponible en abierto para dispositivos móviles denominada GDE Sensors tool. Esta app recoge los datos proporcionados por el acelerómetro y el micrófono del móvil mostrándolos en pantalla y, al mismo tiempo, permitiendo almacenar los datos en un fichero. Asimismo, la app puede realizar en tiempo real diversas operaciones sobre los datos en crudo obtenidos por los sensores tales como: cálculo de su valor medio, estimación de errores, representación en el dominio temporal y frecuencial, valor suavizado, etc.

Por otro lado, la app es capaz de hacer vibrar el móvil o hacerle emitir un sonido a una determinada frecuencia. Analizando cómo varían las señales proporcionadas por estos sensores en diversas circunstancias (acelerando el móvil con un dispositivo externo, haciendo vibrar el móvil, haciendo sonar un sonido...) esta app permite proponer diversas prácticas de laboratorio relacionadas con la mecánica clásica, con la electrónica o con el tratamiento de señales.

Finalmente, como prueba de concepto, se ha propuesto una adaptación de una práctica de laboratorio de la asignatura de Micro y Nano Sistemas, impartida en el Grado en Física, que se podría realizar de manera no presencial gracias al uso de esta app.

Miguel García Bosque

mgbosque@unizar.es

Virtual

Zaragoza

Grado en Física

Micro y Nano Sistemas

2021-22

El objetivo de esta experiencia es facilitar el aprendizaje virtual, abierto e incluso masivo, a través del desarrollo de una app que permita adaptar un gran número de prácticas de laboratorio de asignaturas de ámbito científico-técnico a una modalidad no presencial. Este objetivo se enmarca en el Objetivo de Desarrollo Sostenible 4 (ODS 4), el cual enfatiza la necesidad de ofrecer oportunidades de aprendizaje para todos.

En ese sentido consideramos que esta experiencia ha contribuido notablemente a desarrollar este objetivo, ya que la app diseñada permite realizar un gran número de prácticas de laboratorio de manera no presencial a cualquier persona que disponga de un smartphone, lo cual es algo bastante asequible.

Desde principios de siglo, con la ayuda de la tecnología, la enseñanza en línea ha cobrado cada vez más importancia, haciendo posible el aprendizaje virtual, abierto e incluso masivo. En esta línea, el Objetivo de Desarrollo Sostenible 4 (ODS 4) enfatiza la necesidad de ofrecer oportunidades de aprendizaje para todos. Durante los últimos años, este proceso ha experimentado un gran impulso debido a la pandemia provocada por el COVID 19, que ha obligado a adaptar la docencia a la modalidad no presencial en prácticamente todo el mundo.

Para adaptar la docencia a este nuevo escenario virtual, y tratando de evitar, en la medida de lo posible, una merma en su calidad, han surgido o se han popularizado un gran número de herramientas y recursos informáticos. Algunas de estas herramientas, como Google Meet o las pizarras virtuales, han permitido impartir con bastante éxito la enseñanza basada en la clase magistral, resolución de problemas o tutorías. Sin embargo, ha habido importantes dificultades en la transferencia de las actividades prácticas de laboratorio porque requieren un material específico que los estudiantes no tienen en casa. Este hecho ha sido especialmente relevante en asignaturas de ámbito científico-técnico, ya que a menudo contienen numerosas sesiones de docencia práctica, para las cuales se requiere de una instrumentación muy específica a la que no suele tener acceso la población en general.

Con el fin de paliar estas carencias, se ha desarrollado una app disponible para Android llamada GDE Sensors Tool. El objetivo de esta app es que, utilizando un teléfono móvil, los estudiantes puedan adquirir las competencias asociadas a la realización de las prácticas de laboratorio relacionadas con la mecánica clásica o la electrónica sin necesidad de desplazarse al centro educativo. La app se sirve de los numerosos sensores que incorporan los teléfonos móviles actuales para simular el proceso de adquisición de datos que se haría en el laboratorio así como determinadas etapas del post-procesado.

Como prueba de concepto para evaluar la app, se ha propuesto adaptar una práctica de laboratorio de la asignatura de Micro y Nano sistemas, impartida en el Grado en Física de la Universidad de Zaragoza. En esta práctica, se establecen dos objetivos:

• Cuando un móvil emite un sonido, su altavoz debe vibrar, produciéndose una aceleración en el dispositivo. El primer objetivo de esta práctica es estudiar cómo varía la aceleración del teléfono móvil en sus tres ejes en función de la intensidad (volumen) y frecuencia del sonido emitido.
• Los micrófonos a menudo tienen una respuesta que depende de la frecuencia de los sonidos, es decir, los sonidos que suenan en ciertas frecuencias se detectan más fácilmente que los sonidos que suenan en otras frecuencias. Al mismo tiempo, la respuesta de los micrófonos no siempre es lineal con el volumen de los sonidos captados. Por ejemplo, cuando los sonidos captados por el micrófono están por debajo de un determinado valor de umbral, los micrófonos no pueden captar ninguna señal. El segundo objetivo de esta práctica es estudiar cómo varía la respuesta del micrófono en función de la intensidad y frecuencia del sonido emitido.

Para llevar a cabo esta práctica, se ha programado en la app un experimento en el que el altavoz del móvil emite automáticamente sonidos consecutivos en varias frecuencias y varios volúmenes mientras, al mismo tiempo, captura y guarda en un archivo las señales obtenidas por el acelerómetro y el micrófono. De esta forma, los estudiantes realizarán un proceso de adquisición de datos similar al que se realizaría en un laboratorio. Posteriormente, los alumnos deberán realizar un tratamiento y post-procesamiento de datos análogo al que se llevaría a cabo en una práctica presencial.

Para llevar a cabo el desarrollo de la app, se ha utilizado el entorno de desarrollo integrado oficial para la plataforma Android (Android Studio). Como lenguaje de programación, se ha utilizado Kotlin, el cual es un programa de alto nivel nombrado por Google como lenguaje oficial para Android.

Gracias al uso de estas tecnologías se ha podido desarrollar la app, la cual consideramos que es una herramienta eficaz y novedosa en el proceso de aprendizaje en el proceso de aprendizaje de diversas asignaturas de ámbito científico-técnico.

Si bien el uso de dispositivos móviles para la docencia ha sido propuesto y utilizado previamente en otras experiencias previas, a través de esta experiencia se ha desarrollado una app completamente novedosa y con numerosas funcionalidades, que permitirá dar a los dispositivos móviles un uso mucho más amplio. A continuación, se resumen las principales características de la app para destacar la innovación introducida.

En la Figura 1a, se muestra una captura del menú principal de la app. Como se puede ver, la aplicación tiene solo cuatro menús desplegables diferentes (acelerómetro, micrófono, altavoz y vibrador), lo que la hace muy fácil de usar. Además, para facilitar el uso de esta aplicación, cuando el usuario mantiene presionada una opción durante unos instantes, muestra un cuadro de ayuda que explica detalladamente su funcionalidad (Figura 1b). Finalmente, la aplicación tiene dos opciones adicionales (Experimento: frecuencia y Experimento: volumen). A continuación, se muestra una breve descripción de cada menú desplegable y cada opción:

Figura 1a. Menú principal de la app

Figura 1b. Menú principal de la app

Acelerómetro muestra la señal captada por el acelerómetro en los tres ejes (x, y, z). También es capaz de extraer varios parámetros como su valor medio, su Transformada Rápida de Fourier (FFT), la diferencia entre el valor medido y el valor medido inicialmente, etc. (Fig.2a). También permite capturar las señales capturadas (o los demás parámetros relacionados) durante un tiempo determinado, guardando las medidas en un fichero.

Micrófono muestra la señal captada por el micrófono. También es capaz de extraer varios parámetros como su valor medio, su Transformada Rápida de Fourier (FFT), la diferencia entre el valor medido y el valor medido inicialmente, etc. (Fig. 2b). También permite capturar las señales capturadas (o los demás parámetros relacionados) durante un tiempo determinado, guardando las medidas en un fichero.

Altavoz hace al teléfono emitir un sonido a una frecuencia y volumen elegido por el usuario.

Vibrador hace vibrar el móvil.

Experimento: frecuencia hace un barrido a diferentes frecuencias, guardando las señales capturadas por el acelerómetro y el micrófono en un fichero.

Experimento: volumen hace un barrido a diferentes frecuencias y volúmenes, guardando las frecuencias y volúmenes capturados por el acelerómetro y el micrófono en un fichero.

Figura 2a. Señales capturadas por el acelerómetro

Figura 2b. Señales capturadas por el micrófono

Para evaluar los resultados de aprendizaje y comprobar si los alumnos adquieren las competencias asociadas a las prácticas de laboratorio, se realizará una comparación de los resultados obtenidos en diferentes pruebas evaluativas de años anteriores que recojan los conceptos presentados en las prácticas de laboratorio. Finalmente, se analizarán los resultados de las encuestas cumplimentadas por los alumnos y se compararán con los resultados obtenidos en cursos anteriores para determinar el nivel de satisfacción de los alumnos con este tipo de prácticas y proponer posibles mejoras.

Por otro lado, la app está disponible de manera gratuita para todo el mundo en Play Store y es de código abierto, lo que permite a los estudiantes o cualquier otra persona interesada descargarla, utilizarla, ver cómo está programada y sugerir mejoras a través de los propios comentarios de la Play Store.

Si bien esta experiencia ha requerido de un considerable trabajo para poder desarrollar la app así como para proponer una forma de adaptar una práctica de laboratorio de la asignatura de Micro y Nano Sistemas a una modalidad no presencial, el trabajo necesario para sostener la actuación en futuros cursos será mucho menor.

Este trabajo futuro se centrará principalmente en labores de mantenimiento de la app tales como garantizar que esta siga funcionando en versiones posteriores de Android, solucionar posibles errores o introducir pequeñas mejoras. En definitiva es relativamente sencillo continuar con esta actuación a lo largo de otros cursos.

Aunque inicialmente esta app se probará en la citada práctica de la asignatura de Micro y Nano Sistemas, consideramos que puede ser utilizada para adaptar un gran número de prácticas de diversas materias de ámbito científico-tecnológico. Una posibilidad interesante es la realización de varios experimentos relacionados con la mecánica clásica. Para ello, se puede mover el móvil con diferentes tipos de movimientos (movimiento circular, movimiento rectilíneo uniforme, caída libre, etc.) y comprobar cómo varían las aceleraciones en los tres ejes en cada uno de estos movimientos.

En futuros cursos, se planea continuar esta experiencia planeando nuevas prácticas de laboratorio concretas en otras asignaturas de ámbito científico-técnico y, en caso de ser necesario, realizar alguna actualización de la app para añadir nuevas funcionalidades.