aplicación de la robótica en la integración de ciencias y matemáticas a nivel intermedio dr....
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Aplicación de la Aplicación de la Robótica en la Robótica en la
Integración de Ciencias Integración de Ciencias y Matemáticas a Nivel y Matemáticas a Nivel
IntermedioIntermedio
Dr. Omar E. Meza CastilloDr. Omar E. Meza [email protected]
Departamento de Ingeniería MecánicaDepartamento de Ingeniería Mecánica
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IntroducciónIntroducción
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Nuestra sociedad ha sufrido cambios Nuestra sociedad ha sufrido cambios significativos, profundos y a pasos significativos, profundos y a pasos agigantados desde los años 80s. Se agigantados desde los años 80s. Se atribuye parte de estos cambios, al atribuye parte de estos cambios, al acelerado avance científico y tecnológico.acelerado avance científico y tecnológico. ’’80: Introducción de las Primeras 80: Introducción de las Primeras
Computadoras.Computadoras. ’’90: Aparición de Internet.90: Aparición de Internet. Siglo XXI: Introducción de Medios Masivos Siglo XXI: Introducción de Medios Masivos
de Comunicaciónde Comunicación No obstante, en lo que respecta a la No obstante, en lo que respecta a la
educación, la incorporación de la tecnología educación, la incorporación de la tecnología a los salones de clase ha sido un proceso a los salones de clase ha sido un proceso lento. lento.
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La falta de recursos tecnológicos, así como la La falta de recursos tecnológicos, así como la falta de preparación de los maestros han falta de preparación de los maestros han contribuido a que este proceso sea un desafío contribuido a que este proceso sea un desafío vigente para las instituciones educativas.vigente para las instituciones educativas.
Alemania y Estados Unidos presentan un Alemania y Estados Unidos presentan un descenso en la matricula en las carreras descenso en la matricula en las carreras técnicas, en especial en las ingenierías. El técnicas, en especial en las ingenierías. El motivo es la percepción social de la dureza de motivo es la percepción social de la dureza de estas carreras y su supuestamente aburrido estas carreras y su supuestamente aburrido desarrollo (énfasis en matemáticas y física).desarrollo (énfasis en matemáticas y física).
Esta situación ha llevado a la creación de Esta situación ha llevado a la creación de organizaciones de promoción y difusión de la organizaciones de promoción y difusión de la ingeniería (programas STEM “Science ingeniería (programas STEM “Science Technology Engineering and Mathematics”)Technology Engineering and Mathematics”)
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Muchas de estas iniciativas han decidido Muchas de estas iniciativas han decidido utilizar los utilizar los robotsrobots como medio para como medio para acercar las disciplinas técnicas acercar las disciplinas técnicas inicialmente a los alumnos de educación inicialmente a los alumnos de educación secundaria, pero actualmente a todos los secundaria, pero actualmente a todos los niveles.niveles.
La La Robótica como tecnología para la Robótica como tecnología para la educación educación requiere de un currículo requiere de un currículo integral integral donde las ciencias y las donde las ciencias y las matemáticas se complementen. Esto matemáticas se complementen. Esto permite a los estudiantes entender las permite a los estudiantes entender las relaciones entre los temas objeto de relaciones entre los temas objeto de estudio. estudio.
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¿Por qué introducir la ¿Por qué introducir la robótica en la escuela?robótica en la escuela?
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Porque: Porque:
Permite Permite construir las propias construir las propias representaciones del entorno que nos rodearepresentaciones del entorno que nos rodea, , facilitando un mejor entendimiento del facilitando un mejor entendimiento del mundo real.mundo real.
Anima a Anima a pensar creativamente, analizar pensar creativamente, analizar situaciones y aplicar el pensamiento críticsituaciones y aplicar el pensamiento crítico y o y habilidades para resolver problemas reales. habilidades para resolver problemas reales.
Estimula Estimula la imaginación y creatividad la imaginación y creatividad y y desarrolla de la concentración y habilidades desarrolla de la concentración y habilidades manuales.manuales.
Permite Permite ingresar a la ciencia por la puerta de ingresar a la ciencia por la puerta de la experimentación,la experimentación, además de provocar una además de provocar una inquietud por el razonamiento científico.inquietud por el razonamiento científico.
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Permite Permite dotar al estudiante de un espacio dotar al estudiante de un espacio controlado controlado en donde puede cometer en donde puede cometer errores y estos no generen perjuicio en el errores y estos no generen perjuicio en el propio estudiante.propio estudiante.
Permite Permite la Integración de Ciencias y la Integración de Ciencias y MatemáticasMatemáticas
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La Robótica La Robótica EducativaEducativa
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La La Robótica Educativa Robótica Educativa es un medio de es un medio de aprendizaje, en el cual aprendizaje, en el cual la principal la principal motivación motivación es es el diseño y las construcciones el diseño y las construcciones de creaciones propiasde creaciones propias..
Estas creaciones se dan en primera instancia Estas creaciones se dan en primera instancia de de forma mental forma mental y posteriormente en y posteriormente en forma forma físicafísica, las cuales son construidas con , las cuales son construidas con diferentes tipos de materiales y controladas diferentes tipos de materiales y controladas por un sistema computacional.por un sistema computacional.
El Aprendizaje está íntimamente ligado al El Aprendizaje está íntimamente ligado al hacerhacer. Se trata de una experiencia activa de . Se trata de una experiencia activa de construcción de conocimiento. construcción de conocimiento. Hacer esHacer es: : escribir, diagramar, investigar, probar, escribir, diagramar, investigar, probar, intentar, equivocarse, etc.intentar, equivocarse, etc.
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"Dime algo y lo olvidaré. "Dime algo y lo olvidaré.
Enséñame algo y lo recordaré. Enséñame algo y lo recordaré.
Déjame hacerlo solo y lo Déjame hacerlo solo y lo aprenderé“aprenderé“
Proverbio ChinoProverbio Chino
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Fases de la Robótica Fases de la Robótica EducativaEducativa
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¿Por qué utilizar el Robot LEGO Mindstorms ¿Por qué utilizar el Robot LEGO Mindstorms NXT 2.0 en la Educación como ente NXT 2.0 en la Educación como ente
integrador de las Ciencias y Matemáticas? integrador de las Ciencias y Matemáticas?
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La La Robótica como ente integrador Robótica como ente integrador de las de las ciencias y matemáticas resulta ciencias y matemáticas resulta un medio un medio didáctico excelentedidáctico excelente, dado que permite , dado que permite que el maestro implemente que el maestro implemente una una enseñanza constructivaenseñanza constructiva..
El proyecto MSP21 - Phase III (Math & El proyecto MSP21 - Phase III (Math & Science Partnership for the 21Science Partnership for the 21stst Century Century Elementary and Secundary School Elementary and Secundary School Teachers)Teachers) de la Universidad Interamerica de la Universidad Interamerica de Puerto Rico - Recinto de Bayamón, de Puerto Rico - Recinto de Bayamón, seleccionó el seleccionó el Robot LEGO Mindstorms NXT Robot LEGO Mindstorms NXT 2.02.0 como medio educativo integrador de como medio educativo integrador de las ciencias y matemáticas. las ciencias y matemáticas.
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Este kit ha sido desarrollado de acuerdo a los Este kit ha sido desarrollado de acuerdo a los principios educativos derivados de las teorías principios educativos derivados de las teorías del desarrollo cognitivo de del desarrollo cognitivo de Jean Piaget (1966) Jean Piaget (1966) revisados por revisados por Seymour Papert (1980-1986). Seymour Papert (1980-1986). Este enfoque indica que:Este enfoque indica que:
Es importante establecer un método de Es importante establecer un método de “aprender haciendo”, “aprender haciendo”, con la finalidad de con la finalidad de fomentar la creatividad en los estudiantes, fomentar la creatividad en los estudiantes, permitirles construir un robot por ellos permitirles construir un robot por ellos mismos y programarlos por medio de la mismos y programarlos por medio de la interacción con una computadora. interacción con una computadora. Estas Estas actividades ponen al estudiante en el papel actividades ponen al estudiante en el papel principal de la experiencia y fomentándolo a principal de la experiencia y fomentándolo a tomar el mando de su propio proceso de tomar el mando de su propio proceso de aprendizaje.aprendizaje.
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La introducción de un medio tecnológico a La introducción de un medio tecnológico a un sistema de enseñanza, un sistema de enseñanza, no es garantía no es garantía de que va a mejorar la enseñanzade que va a mejorar la enseñanza. Un . Un sistema educativo es mucho más sistema educativo es mucho más complejo y su eficacia dependerá de complejo y su eficacia dependerá de muchos factores, muchos factores, tales como el medio tales como el medio ambiente educativo, las metodologías ambiente educativo, las metodologías empleadas, de la filosofía de aprendizaje empleadas, de la filosofía de aprendizaje utilizada, de los contenidos de utilizada, de los contenidos de aprendizaje, de la pedagogía utilizada, aprendizaje, de la pedagogía utilizada, etc.etc.
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Nuestra Experiencia en el Nuestra Experiencia en el proyecto MSP21 - Fase IIIproyecto MSP21 - Fase III
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Nuestra Misión:Nuestra Misión:
““Usar los efectos Usar los efectos motivacionales de la robótica motivacionales de la robótica para lograr que los maestros para lograr que los maestros de nivel intermedio integren de nivel intermedio integren
las ciencias y matemáticas en las ciencias y matemáticas en sus clases, de una manera sus clases, de una manera más dinámica y desarrollen más dinámica y desarrollen
una enseñanza constructiva”una enseñanza constructiva”
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Conceptos de Ciencia y Conceptos de Ciencia y Matemática Integrados con Matemática Integrados con
RobóticaRobóticaEstándares de MatemáticasEstándares de MatemáticasEstándares de CienciasEstándares de Ciencias
Los Sistemas y ModelosLos Sistemas y Modelos
Las InteraccionesLas Interacciones
Conservación y CambioConservación y Cambio
La Energía La Energía
La Estructura y La Estructura y los Niveles de la los Niveles de la
Materia Materia
Naturaleza de la Naturaleza de la Ciencia, Ciencia,
Tecnología y Tecnología y SociedadSociedad
GeometríaGeometría
Análisis de Datos y Análisis de Datos y ProbabilidadProbabilidad
AlgebraAlgebra
MedicióMedición n
Numeración y OperaciónNumeración y Operación
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Talleres de RobóticaTalleres de Robótica
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1. Identificar los 1. Identificar los resultados deseados.resultados deseados.
2. Hallar evidencia 2. Hallar evidencia aceptable.aceptable.
3. Planear 3. Planear experiencias de experiencias de aprendizaje e aprendizaje e instrucción.instrucción.
Todos los estudiantes son Todos los estudiantes son matemáticamente competentes, matemáticamente competentes, tecnológicamente educados, y tecnológicamente educados, y capaces de comunicarse claramente.capaces de comunicarse claramente.
Los estudiantes aplican conceptos Los estudiantes aplican conceptos básicos, matemáticos y científicos, básicos, matemáticos y científicos, para resolver y explicar, problemas para resolver y explicar, problemas robóticos.robóticos.
Los estudiantes participan en Los estudiantes participan en situaciones donde deben situaciones donde deben “hacer” “hacer” matemáticas y ciencia, en lugar de matemáticas y ciencia, en lugar de sólo estudiarlas.sólo estudiarlas.
Currículo Robótico de la Academia de RobóticaCurrículo Robótico de la Academia de Robótica
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Engranajes Engranajes BásicosBásicos
Engranajes Engranajes BásicosBásicos
Sensores Sensores BásicosBásicos
Sensores Sensores BásicosBásicos
Diseñar Diseñar un un
Chassis Chassis de Robotde Robot
Diseñar Diseñar un un
Chassis Chassis de Robotde Robot
Medir Medir Fuerza/TorqFuerza/Torq
ueue
Medir Medir Fuerza/TorqFuerza/Torq
ueue
Midiendo Midiendo Velocidad Velocidad RotacionalRotacional
Midiendo Midiendo Velocidad Velocidad RotacionalRotacional
Controlando Controlando RotaciónRotación
Controlando Controlando RotaciónRotación
Medir Medir DistanciaDistancia
ss
Medir Medir DistanciaDistancia
ss
CalculandCalculando o
DirecciónDirección
CalculandCalculando o
DirecciónDirección
Escribir un Escribir un Programa Programa
para para Seguir un Seguir un CaminoCamino
Escribir un Escribir un Programa Programa
para para Seguir un Seguir un CaminoCamino
Conceptos Tecnológicos que Conceptos Tecnológicos que los estudiantes incorporan al los estudiantes incorporan al
diseñar, construir y diseñar, construir y programar robotsprogramar robots
““Entender es Más que Aprender, es aprender Entender es Más que Aprender, es aprender
y saber como aplicar en contexto.” y saber como aplicar en contexto.”
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Capacitación del Capacitación del MaestroMaestro
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Aplicación del Robot en Aplicación del Robot en ClaseClase
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Actividades Actividades IntegradorasIntegradoras
Entre Agosto 2012 y Mayo 2013 los maestros de Nivel Intermedio del Proyecto MSP21, que participaron de los Talleres de Robótica, desarrollaron un conjunto de Actividades Integradoras que ahora forman parte de un Compendio que esta disponible y de libre acceso en página de MSP21:
http://msp21.bayamon.inter.edu/http://msp21.bayamon.inter.edu/logros.htmllogros.html
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Actividades Integradoras
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Actividades Integradoras
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Actividades Integradoras
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Actividades Integradoras
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Actividades Integradoras
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Actividades Integradoras
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CINEMÁTICAMOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME [MRU]
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EstándaresEstándares
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Posición, Velocidad y Aceleración Posición, Velocidad y Aceleración En cinemática se estudia cómo se En cinemática se estudia cómo se
mueve un objeto. Ese objeto puede ser mueve un objeto. Ese objeto puede ser un coche, un pájaro, una nube, una un coche, un pájaro, una nube, una galaxia, etc. galaxia, etc.
El movimiento de un objeto significa El movimiento de un objeto significa para la física, saber dónde está, qué para la física, saber dónde está, qué velocidad tiene, y si esta velocidad velocidad tiene, y si esta velocidad cambia o es todo el tiempo la misma. cambia o es todo el tiempo la misma.
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Posición, Velocidad y Aceleración Posición, Velocidad y Aceleración El lugar donde está el objeto que está El lugar donde está el objeto que está
en movimiento, se llama en movimiento, se llama PosiciónPosición..
La rapidez que tiene el objeto que está La rapidez que tiene el objeto que está en movimiento, se llama en movimiento, se llama VelocidadVelocidad..
Si la velocidad del objeto aumenta o Si la velocidad del objeto aumenta o disminuye, se dice que tiene disminuye, se dice que tiene AceleraciónAceleración..
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Espacio Recorrido (∆X)Espacio Recorrido (∆X) El lugar donde el objeto está, se llama El lugar donde el objeto está, se llama
posición. La distancia que el objeto posición. La distancia que el objeto recorre al ir de una posición a otra, se recorre al ir de una posición a otra, se llama llama espacio recorridoespacio recorrido. .
Observe que posición y espacio Observe que posición y espacio recorrido recorrido NONO son la misma cosa. son la misma cosa.
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Espacio Recorrido (∆X)Espacio Recorrido (∆X) Estableceremos:Estableceremos:
XXoo = posición inicial (lugar de donde el = posición inicial (lugar de donde el objeto salió). objeto salió).
XXff = posición final (lugar a donde el = posición final (lugar a donde el objeto llegó). objeto llegó).
∆∆X X = espacio recorrido (= = espacio recorrido (= XXff – X – Xoo).).
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Tiempo transcurrido o Intervalo Tiempo transcurrido o Intervalo de tiempo (∆t)de tiempo (∆t) El intervalo de tiempo ∆t es el tiempo El intervalo de tiempo ∆t es el tiempo
que el objeto estuvo moviéndose.que el objeto estuvo moviéndose.
El ∆t “Delta t” puede ser 1 segundo, El ∆t “Delta t” puede ser 1 segundo, 10 segundos, 1 hora, etc. 10 segundos, 1 hora, etc.
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Tiempo transcurrido o Intervalo Tiempo transcurrido o Intervalo de tiempo (∆t)de tiempo (∆t) Estableceremos:Estableceremos:
ttoo = instante inicial (tiempo en el cual = instante inicial (tiempo en el cual el objeto salió). el objeto salió).
ttff = instante final (tiempo en el cual el = instante final (tiempo en el cual el objeto llegó). objeto llegó).
∆∆t t = espacio recorrido (= = espacio recorrido (= ttff -- ttoo).).
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Velocidad en el Movimiento Velocidad en el Movimiento RectilíneoRectilíneo La velocidad es la razón entre La velocidad es la razón entre ∆X∆X/ / ∆t∆t. .
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Pendiente de una Recta (Línea de Pendiente de una Recta (Línea de mejor ajuste)mejor ajuste) y= mx + b, donde del grafico podemos y= mx + b, donde del grafico podemos
calcular m ~calcular m ~∆X∆X/ / ∆t∆t. .
Donde:Donde:
m: pendientem: pendiente
b: interceptob: intercepto
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Calcular la Velocidad de una Bola de Calcular la Velocidad de una Bola de GolfGolf
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Calcular la Velocidad de una Bola de Calcular la Velocidad de una Bola de GolfGolf
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Calcular la Velocidad de una Bola de Calcular la Velocidad de una Bola de GolfGolf
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Calcular la Velocidad de una Bola de Calcular la Velocidad de una Bola de GolfGolf
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Calcular la Velocidad de una Bola de Calcular la Velocidad de una Bola de GolfGolf
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TiempoTiempo
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Integración de ConceptosIntegración de Conceptos Ciencias:Ciencias:
Robot como avance tecnológico, Robot como avance tecnológico, velocidad.velocidad.
Matemáticas:Matemáticas: Medición, media aritmética, Medición, media aritmética,
pendiente.pendiente.
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ObjetivosObjetivos Objetivo Conceptual:Objetivo Conceptual:
Calcular la velocidad de un objetoCalcular la velocidad de un objeto
Objetivo Procedimental:Objetivo Procedimental: Medir la distancia recorrida por el objeto.Medir la distancia recorrida por el objeto. Cambiar unidades de pulgadas a centímetros.Cambiar unidades de pulgadas a centímetros. Medir el tiempo de recorridoMedir el tiempo de recorrido Calcular la velocidad [∆X/ ∆t o la pendiente]Calcular la velocidad [∆X/ ∆t o la pendiente]
Objetivo Actitudinal: Objetivo Actitudinal: Apreciar y reconocer la necesidad de usar un Apreciar y reconocer la necesidad de usar un
sistema de medición de distancia, así como el sistema de medición de distancia, así como el tiempo.tiempo.
Trabajar en armonía con sus compañeros de Trabajar en armonía con sus compañeros de mesa.mesa.
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MaterialesMateriales
1.1. Robot LEGO MindstormsRobot LEGO Mindstorms
2.2. CronómetroCronómetro
3.3. Cinta MétricaCinta Métrica
4.4. Hoja de TrabajoHoja de Trabajo
5.5. CalculadoraCalculadora
6.6. Bolas de GolfBolas de Golf
7.7. Rampa de cartonRampa de carton
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ProcedimientoProcedimiento1.1. Formar grupos de Formar grupos de
trabajo (4 o 5 trabajo (4 o 5 estudiantes)estudiantes)
2.2. Construir una rampa de Construir una rampa de cartóncartón
3.3. Construir el sistema Construir el sistema para medir intervalos para medir intervalos de tiempode tiempo
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ónSensor de tacto 1 activa el cronómetroSensor de tacto 1 activa el cronómetro
Sensor de tacto 2 desactiva el cronómetroSensor de tacto 2 desactiva el cronómetro
El tiempo de muestra en pantallaEl tiempo de muestra en pantalla
4.4. Programar el sistema (NXT Brick) para medir intervalos Programar el sistema (NXT Brick) para medir intervalos de tiempo.de tiempo.
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5.5. Preparar el área de trabajo marcando la distancia de Preparar el área de trabajo marcando la distancia de salida en pulgadas (ver figura) y preparar el cronómetro salida en pulgadas (ver figura) y preparar el cronómetro – NXT Brick.– NXT Brick.
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6.6. Soltar la bola de golfSoltar la bola de golf
7.7. Anotar en la tabla, los tiempos.Anotar en la tabla, los tiempos.
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8.8. Repetir los pasos (4 al 6) unas 5 veces para Repetir los pasos (4 al 6) unas 5 veces para cada distancia (diferente posición).cada distancia (diferente posición).
9.9. Cambiar las unidades de pulgadas a metros.Cambiar las unidades de pulgadas a metros.
10.10.Calcular la velocidad, para las mediciones.Calcular la velocidad, para las mediciones.
11.11.Calcular la media aritmética, de los tiempos y Calcular la media aritmética, de los tiempos y velocidades (tabla I).velocidades (tabla I).
12.12.Construir el gráfico velocidad vs tiempo y Construir el gráfico velocidad vs tiempo y calcular la pendiente.calcular la pendiente.
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Análisis de Resultados – AssessmentAnálisis de Resultados – AssessmentTabla : Velocidad de la Bola de GolfTabla : Velocidad de la Bola de Golf
Experimento Tiempo [Segundos] Velocidad V[m/s]
35 pulgadas = [ ] metros12345
Media Aritmética 15 pulgadas = [ ] metros
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Media Aritmética 5 pulgadas = [ ] metros
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Media Aritmética
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Graficar: Distancia vs. TiempoCalcular ∆X/∆t del gráfico y comparar con el valor de la
velocidad experimental
Distancia [m]
Tiempo [s]
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ReferenciasReferencias
1.1. NXT programs.com: a free web resource for NXT programs.com: a free web resource for building and programming building and programming http://www.nxtprograms.com/
2.2. The NXT STEP - Lego Mindstorms NXT BlogThe NXT STEP - Lego Mindstorms NXT Blog http://www.thenxtstep.blogspot.com/
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¿Preguntas?¿Preguntas?
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GRACIASGRACIAS