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Instrumentos Virtuales al servicio de la enseñanza - Aplicaciones en el estudio del espectro ensanchado en la carrera de Telecomunicaciones

Resumen: La ponencia que se somete a consideración tiene como propósito central la valoración de las implicaciones educativas que pueden tener el desarrollo de herramientas interactivas para la enseñanza de las ciencias técnicas, de manera especial los instrumentos virtuales. La ponencia se compone de dos partes fundamentales; una primera que se aportarán algunos elementos conceptuales del uso de los instrumentos virtuales en la enseñanza, y el segundo momento estará dedicado a exponer las experiencias que al respecto se han tenido en el estudio del espectro ensanchado en el departamento de telecomunicaciones de la Universidad de Oriente.
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Autor: Ing. Leonardo Babún Abijana

Resumen:

La ponencia que se somete a consideración tiene como propósito central la valoración de las implicaciones educativas que pueden tener el desarrollo de herramientas interactivas para la enseñanza de las ciencias técnicas, de manera especial los instrumentos virtuales. La ponencia se compone de dos partes fundamentales; una primera que se aportarán algunos elementos conceptuales del uso de los instrumentos virtuales en la enseñanza, y el segundo momento estará dedicado a exponer las experiencias que al respecto se han tenido en el estudio del espectro ensanchado en el departamento de telecomunicaciones de la Universidad de Oriente.

En esta segunda parte se presentan un  conjunto de 5 simulaciones de un sistema de espectro ensanchado con el objetivo de brindar el apoyo necesario a la asignatura Fundamentos de las Comunicaciones III, la cual ha sido una más de las afectadas por la falta de material docente para la imprescindible realización de las prácticas de laboratorio. De esta forma, con el módulo que aquí presentamos, el estudiante puede, de una forma sencilla y flexible, interactuar con las principales prestaciones de la técnica así como hacer mediciones y comparaciones respecto a otras técnicas de modulación directa y llegar a conclusiones importantes que apoyan en gran medida la docencia dentro de la asignatura. De esta forma, se brinda la posibilidad de realizar las prácticas de laboratorio de la asignatura en cuestión, las cuales antes no se realizaban debido a la falta de material docente (material de laboratorio, instrumentos de medición, circuitos integrados), de una forma sencilla y amena aportando además un importante ahorro económico debido a que se hace innecesario el gasto financiero en la compra de equipos, todo esto, sin afectar la calidad de la práctica ya que cada una de las simulaciones trata de ser lo más fiel posible a la práctica y se evitan conceptos de idealización de los parámetros en los esquemas diseñados.

Por ultimo, se avalaron cada una de las ventajas y aportes del trabajo aquí presentados ya que el módulo ha sido utilizado para el desarrollo de las prácticas de laboratorio de la asignatura Fundamentos de las Comunicaciones III (FC III) en el departamento de telecomunicaciones de la Universidad de Oriente, dando magníficos resultados en el desarrollo de conocimientos y habilidades en los estudiantes de 4to  año de la carrera.

 

Introducción:  

Uno de los retos que en el presente siglo se ha planteado en el ámbito educacional es el desarrollo e implementación de estrategias y medios de enseñanza dirigidos a desarrollar habilidades y actitudes perfeccionadas en los estudiantes, a fin de que adquieran competencias que les permitan estar funcionalmente activos en lo profesional y que sean capaces de tomar decisiones que les lleven a resolver genuinamente los problemas de economía, estado y medio ambiente derivados del desarrollo industrial y social de la última parte del siglo XX, lo que demanda del alumno el ejercicio del principio de compartir los recursos y conocimientos de que dispongan, a través de la práctica de aprendizajes colaborativos.

En ese sentido la vinculación de la educación con la tecnología ha ampliado las oportunidades para transformar y mejorar los procesos enseñanza y aprendizaje. En la enseñanza de la ingeniería, especialmente en el área de laboratorios, el problema de la rapidez del cambio tecnológico adquiere especial relevancia y se refiere a lo siguiente: ¿cómo suministrar a los estudiantes experiencias significativas, actualizadas con recursos limitados?

El alto costo de los equipos sigue siendo una limitación, especialmente en los países subdesarrollados. Una solución a este problema es emplear en los laboratorios técnicas de enseñanza y aprendizaje basadas en computadoras personales, en los cuales se reemplacen equipos convencionales por computadoras, instrumentos virtuales y sistemas de adquisición de datos, que permitan a los estudiantes hacer adquisición, procesamiento y control de señales físicas en tiempo real a costos menores.  

 

I. La instrumentación virtual. Una visión pedagógica.    

Desde el punto de vista pedagógico, la utilización de la instrumentación virtual, al igual que los otros sistemas de aprendizaje asistidos por computadora, se apoyan en las teorías contemporáneas del aprendizaje y en los múltiples métodos de enseñanza que de ellos se derivan. Ertugrul[1] afirma que, de acuerdo a las experiencias de enseñanza-aprendizaje que se tienen actualmente en tecnología usando computadoras, éstas se clasifican en cuatro grupos:

  • entrenamiento basado en computadoras
  • aprendizaje asistido por computadoras
  • instrucción asistida por computadoras
  • experimentación asistida por computadora

 Schär y Krueger[2]definen el aprendizaje asistido por computadora como, "diferentes formas de métodos de enseñanza por computadora en los cuales el estudiante tiene a la computadora como un profesor virtual". Aunque la instrumentación virtual, por su mismo concepto, se aplica al diseño de laboratorios soportados en computadoras, desde el punto de vista de aplicaciones de software se desarrollan programas para simular procesos o experimentos, en los cuales el estudiante se encuentra en contacto solo con una computadora en un proceso de aprendizaje.

Schär y Krueger (2000) mencionan igualmente que la simulación interactiva puede demostrar las situaciones que ocurren en el mundo real; es una herramienta flexible, y desde el punto de vista pedagógico, apoya la concepción del aprendizaje constructivista por cuanto está centrada en el alumno como sujeto de su propio aprendizaje, y por lo tanto protagonista de su propia construcción. Señalan también que tal método coloca la iniciativa y el control en las manos de los estudiantes.  

Definitivamente, las mejores posibilidades para aprovechar las ventajas que ofrece la instrumentación virtual se encuentran en la implementación de laboratorios. Los laboratorios virtuales permiten la realización de sistemas de  medición basados en la PC, que hacen posible a los ingenieros, profesores, investigadores y estudiantes resolver problemas de ingeniería o de las ciencias naturales. Así como una hoja de cálculo le permite a un administrador solucionar problemas de administración, la instrumentación virtual es también una solución a los problemas de costos y obsolescencia de los equipos en los

laboratorios.[3]

Reemplazar los instrumentos tradicionales por instrumentos virtuales que se ejecutan en computadoras, permite que las funciones de los mismos vayan a la par del desarrollo de las nuevas tecnologías de las computadoras, cuyos costos siguen una tendencia decreciente. Los laboratorios son un elemento clave en la formación integral y actualizada de un ingeniero. No se puede concebir un ingeniero que no haya realizado prácticas de laboratorio en su trayectoria de formación inicial. Los avances tecnológicos de los últimos años han abierto posibilidades para cambiar la estructura rígida de los laboratorios tradicionales, por una estructura flexible que se apoya en las computadoras, circuitos de acondicionamiento, hardware de adquisición de datos y software. Constituyen todos estos elementos la plataforma sobre la cual se desarrolla la instrumentación virtual.

En este contexto una de las herramientas básicas de la instrumentación virtual lo constituyen las simulaciones. A decir de González Castro[4], la simulación y en consecuencia la virtual, resume toda la teoría relacionada con el proceso en el cual se sustituyen las situaciones reales por otras creadas artificialmente y de las cuales el estudiante debe aprender ciertas acciones, habilidades, hábitos, etc., que posteriormente deberá transferir a la situación de la vida real con igual efectividad. Para este propio autor, la misma intenta romper la diferencia que hay entre el aprendizaje de conceptos en el ámbito teórico y su transferencia a situaciones prácticas. O sea, y como explícitamente lo reconoce, considera la simulación como una actividad en la que el estudiante no acumula información teórica, sino que la lleva a la práctica, con lo cual esta se identifica con el entrenamiento puramente.

Sin embargo, ello es desestimar las potencialidades de la simulación como fuente de obtención de conocimientos. Según Arias[5] La simulación inicia con la modelación de una parte de la realidad, en la que ocurren procesos o fenómenos que por lo general no puede ser estudiados por su velocidad, complejidad, por lo costoso de su estudio por vía experimental, etc. Esta implica, en primera instancia, la construcción de un modelo, que representando lo real, posibilita más fácilmente su estudio. En segundo término, la puesta en funcionamiento del mismo, con lo cual se estudia virtualmente ese proceso o fenómeno, penetrando en su esencialidad. Considerando entonces que el modelo reproduce fielmente las características de la realidad, es posible hacer predicciones, evaluar comportamientos y adquirir conocimientos con relación a la realidad modelada.

El empleo de la simulación en el proceso de formación de profesionales tiene sus particularidades, dadas en la explotación de simulaciones que modelen actividades de aplicación, preferiblemente incluyendo la presencia de instrumentos virtuales, funcionamiento de circuitos, dispositivos, procesos productivos, etc., con vistas a potenciar una actuación de los futuros profesionales acorde a los requerimientos de su futuro contexto laboral.

Respecto a la contrastación experimental tradicional, la simulación ofrece las siguientes ventajas:

·         Ofrece la posibilidad de repetir, en condiciones idénticas y a partir de su modelación, procesos y fenómenos, algo difícil de lograr en condiciones reales, y por tanto, estudiar sistemáticamente sus comportamientos hasta lograr los objetivos deseados. Se optimiza así el proceso de aprendizaje.

·         Elimina los riesgos que siempre se presentan en la interacción con la realidad, tanto para dispositivos, instrumentos, etc., como para los estudiantes; con lo que se crea confianza en ellos para implicarse en el estudio de esa realidad.

·         Permite la realimentación inmediata, pues los efectos que se logran en el funcionamiento del sistema, fenómeno o proceso que se simula, como resultado de introducir modificaciones en determinados parámetros, resultan inmediatos; lo que permite corregir la actuación del estudiante en cada momento.

·         Cuando se utiliza la simulación con el objetivo de sistematizar la realización de acciones que caracterizan la actuación del sujeto en cierto contexto, ayuda a optimizar dicha actuación.

La simulación, por tanto, se constituye en procedimiento, tanto para la formación de conceptos y construcción en general de conocimientos, como para la aplicación de éstos a nuevos contextos a los que, por diversas razones, el estudiante no puede acceder desde el contexto metodológico donde se desarrolla su aprendizaje. Desde el punto de vista metodológico, a pesar de las potencialidades para ejecutar acciones orientadas a la consecución de determinados fines, la simulación se identifica como procedimiento metodológico, y no como método propiamente, por varias razones:

·         La modelación de la realidad que tiene lugar como resultado de la simulación, no constituye un elemento determinante para penetrar en la esencia de la misma y llegar a conocerla: es necesario el empleo de procedimientos que la complementen metodológicamente, y alcanzar entonces los objetivos planificados.

·         Como muchos de los simuladores no son diseñados con fines didácticos, su contextualización debe realizarse por medio de acciones colaterales que debe realizar el profesor para que su explotación esté en correspondencia con objetivos, contenidos, métodos, etc., del contexto educativo donde se emplean. Es necesaria una "reconstrucción" pedagógica de los mismos.

·         La interacción que éstos propician con la realidad que se modela en los mismos, por lo general, es personal, de aquí que sea necesario el diseño de tareas que permitan la interacción entre los estudiantes.

Como se ha expresado anteriormente, la simulación puede utilizarse como procedimiento, tanto para la formación de conceptos, como para la sistematización de conocimientos e instrumentaciones. En el primer caso, su objetivo fundamental es la actualización de conocimientos, a partir de las exigencias de esa parte de la realidad modelada; en el segundo, la sistematización de instrumentaciones, tomando como referente los invariantes instrumentales que caracterizan la actuación de los profesionales de ese contexto

 

II. Instrumentalización virtual para el estudio del espectro ensanchado en la asignatura Fundamentos de las Comunicaciones III.  

Para facilitar la comprensión del tema relacionado con el espectro ensanchado y su implementación práctica se diseño un conjunto de simulaciones de un sistema de espectro ensanchado, cada una con sus características propias. Esto permitió brindar el apoyo necesario a la Fundamentos de las comunicaciones III, la cual ha sido una más de las afectadas por la falta de material docente para la imprescindible realización de las prácticas de laboratorio.

A través de estas simulaciones el estudiante puede, de una forma sencilla y flexible, interactuar con las principales prestaciones de la técnica así como hacer mediciones y comparaciones respecto a otras técnicas de modulación directa y llegar a conclusiones importantes que apoyan en gran medida la docencia dentro de la asignatura. De esta forma, se brinda la posibilidad de realizar las prácticas de laboratorio de la asignatura en cuestión, las cuales antes no se realizaban debido a la falta de material docente (material de laboratorio, instrumentos de medición, circuitos integrados), de una forma sencilla y amena aportando además un importante ahorro económico debido a que se hace innecesario el gasto financiero en la compra de equipos, todo esto, sin afectar la calidad de la práctica ya que cada una de las simulaciones trata de ser lo más fiel posible a la práctica y se evitan conceptos de idealización de los parámetros en los esquemas diseñados.  

Cada una de las simulaciones está encaminada a demostrar una característica fundamental de la técnica del espectro ensanchado, cada una de las cuales han sido estudiadas por el método de conferencias dentro de la asignatura por lo que constituyen una herramienta valiosa para el desarrollo del conocimiento y aprendizaje del tema ya que  brinda al estudiante la posibilidad, de una forma creativa según el nivel de cada estudiante, de hacer cambios de parámetros dentro de cada sistema dándole mucha facilidad y flexibilidad al aprendizaje y al trabajo del profesor.  

El desarrollo de cada práctica puede ser apoyado por preguntas de entrada que ubiquen al estudiante en el tema que se tratará aunque en general el diseño da libertades al profesor, incluso brinda la facilidad de dedicar más de una práctica al tema, desarrollar tareas extraclase entre otras posibilidades.  

En general, el uso de la computadora brinda ventajas adicionales pues permite la integración del estudiante aun más al uso de la computadora, el cual es uno de los principales objetivos del departamento docente y además brinda seguridad a la integridad de la práctica pues el profesor cuenta siempre con los ficheros originales de cada simulación.  

Cada una de las simulaciones, como ya se dijo, esta encaminada a demostrar al estudiante específicamente una de las ventajas del SS estudiadas en clase y de esta forma apoyar el plan decente de la disciplina. Sobre la base de este propósito se diseñaron los siguientes esquemas:      

Ø       SS1: Simulación de 2 canales de SS para verificar importancia de las secuencias ensanchadoras

 

Ø       SS2: Simulación de dos canales de CDMA y dos de modulación directa (MD) para verificar que la efectividad de CDMA esta en el SS debido a su posibilidad de acceso múltiple.  

Ø       SS3: Simulación de un canal de SS y otro MD para verificar efectividad de SS frente a ruido provocado.

 

Ø       SS4: Simulación de un canal de SS y otro MD para verificar efectividad de SS frente a la multitrayectoria.  

 

Ø       SS5: Simulación de un canal de SS y otro MD para verificar la no efectividad de SS frente a ruido de banda ancha.  

 

Para dar una completa terminación a nuestro trabajo anexamos una serie de simulaciones hechas en el Simulink-Matlab que vienen a apoyar los fundamentos teóricos del espectro ensanchado aquí presentados y a demostrar por qué es esta una herramienta efectiva para la enseñanza de FC III

Todas las simulaciones se han hecho representando un sistema de acceso múltiple por división de códigos (CDMA) y demuestran en cada caso las ventajas del SS, primero dentro del propio sistema (ya que es SS lo que lo hace eficiente) y luego frente a otras modulaciones convencionales.

 

·         DOS CANALES DE SS.  

En esta primera simulación (SS1) demuestra la importancia de la no correlación entre los códigos ensanchadores dentro de los sistemas de acceso múltiple que utilizan SS. Para una primera simulación de un total de 1000  bits transmitidos, con secuencias ensanchadoras Walsh 1 y Walsh 2 (son secuencias que se utilizan en la practica y diseñadas para que la correlación entre ellas sea cero) se obtiene una tasa de error (bits erróneos/bits Tx)  para cada canal de:  

Canal

1

2

B/Tx

1001

1001

B/Error

0

0

Tasa

0

0

 Si en ambos canales se utiliza la misma secuencia de ensanchamiento, la correlación entre los usuarios será aproximadamente 1 por tanto se interfieren:  

Canal

1

2

B/Tx

1001

1001

B/Error

221

259

Tasa

0.2208

0.2587

   

·         UN CANAL SS vs MODULACIÓN DIRECTA  

Para este caso hemos diseñado 4 simulaciones donde queremos demostrar que:

·         La eficiencia de CDMA se basa en la utilización de SS (SS2).

·         La técnica de SS es eficiente contra ruido de banda estrecha o interferencia provocada(SS3).

·         La técnica de SS es eficiente contra efecto multitrayectoria (SS4).

·         La técnica  de SS no es eficiente contra ruido de canal de banda ancha (SS5).  

Cada una de las simulaciones aporto el siguiente resultado.

Para SS2.

CDMA

Canal

1

2

B/Tx

1001

1001

B/Error

0

0

Tasa

0

0

 

Modulación convencional

Canal

1

2

B/Tx

1001

1001

B/Error

221

259

Tasa

0.2208

0.2587

   

Para SS3                                                        SS

Canal

1

2

B/Tx

1001

-

B/Error

0

-

Tasa

0

-

   

Modulación convencional

Canal

1

2

B/Tx

1001

-

B/Error

175

-

Tasa

0.1748

-

   

 Para SS4 SS

Canal

1

2

B/Tx

1001

-

B/Error

0

-

Tasa

0

-

Modulación convencional

Canal

1

2

B/Tx

1001

-

B/Error

99

-

Tasa

0.0989

-

Para SS 5 SS

Canal

1

2

B/Tx

1001

-

B/Error

32

-

Tasa

0.03197

-

 Modulación convencional

Canal

1

2

B/Tx

1001

-

B/Error

37

-

Tasa

0.03696

-

 

CONCLUSIONES  

Con el desarrollo de este trabajo se ha podido corroborar la trascendencia de los instrumentos virtuales como apoyo a la docencia, de especial relevancia para las ciencias técnicas y naturales, no sólo por los beneficios que reportan ante el déficit de materiales sino porque además desarrolla las destrezas de los estudiantes para la adquisición de nuevas habilidades y el perfeccionamiento de sus competencias profesionales. Desde el punto de vista pedagógico apoya la concepción del aprendizaje constructivista por cuanto está centrada en el alumno como sujeto de su propio aprendizaje, y por lo tanto protagonista de su propia construcción de conocimientos.

Sin duda alguna, la aplicación del módulo de simulaciones elaborado en el departamento de telecomunicaciones, en el campo del desarrollo de la asignatura FC III, es muy importante pues brinda al estudiante una amplia gama de posibilidades de trabajo debido a su flexibilidad y cantidad enorme de prestaciones en cuanto a cambios de parámetros y esquemas dentro de cada simulación, esto sin dudas viene a dar respuesta a una necesidad del departamento  ante la gran escasez de recursos para realizar las prácticas de laboratorio.

El aporte económico que brinda este proyecto es considerable ya que permite el desarrollo de las prácticas de laboratorio de la asignatura FC III sin que se tenga que recurrir en gastos para la compra de instrumentos de medición y material en general para el desarrollo de la misma.

De esta forma, no se detiene y ni siquiera se afecta el desarrollo docente del estudiante por la falta de material para las prácticas, el cual actualmente no existe en cantidad suficiente en el departamento, y se logran buenos resultados en el nivel de conocimientos de estudiante.

 

BIBLIOGRAFÍA  

Ø       Ertugrul, n. (2000). Towards Virtual Laboratorios: a Survey of Lab-VIEW-based Teaching/Learning Tools and Future Trenes. (Special Issue: LabVIEW Applications in Engineering Education). International Journal of Engineering Education.

Ø       Schar, S G, y Krueger, H (2000): Using New Learning Technologies with Multimedia. IEEE.

Ø       Chacón Rugeles, Rafael (2002): La instrumentación virtual en la enseñanza de la ingeniería electrónica, en Acción pedagógica, vol. II, no.1/2002.

Ø       Gonzales Castro, V. (1990). Teoría y práctica de los medios de enseñanza. Editorial Pueblo y Educación. La Habana.

Ø       Arias Labrada, Leandro: La simulación computarizada en el proceso de enseñanza aprendizaje de electrónico. En www.ilustrados.com

   


[1] Ertugrul, N. (2000). Towards Virtual Laboratories: a Survey of Lab-VIEW-based Teaching/Learning Tools and Future Trends [Special Issue: LabVIEW Applications in Engineering Education]. International Journal of Engineering Education, (16), 5-14.  

[2] Schär, S. G., y Krueger, H. (2000). Using New Learning Technologieswith Multimedia. IEEE Multimedia, 7(3), 40-51.  

[3] Chacón Rugeles, Rafael: La instrumentación virtual en la enseñanza de la ingeniería electrónica, en Acción pedagógica, vol. 11, no. 1 / 2002.

[4] González Castro, V. (1990). Teoría y práctica de los medios de enseñanza. Editorial Pueblo y Educación. Ciudad de La Habana.  

[5] Arias Labrada, Leandro: La simulación computariza en el proceso de enseñanza aprendizaje de electrónica. En www.ilustrados.com

 

Universidad de Oriente

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones

Ing. Leonardo Babún Abijana.

Email: leobabun@yahoo.es

babun@fie.uo.edu.cu

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