Instrumentos Virtuales al servicio de la enseñanza

1. Resumen
3. La instrumentación
   virtual. Una visión
   pedagógica
4. Instrumentalización
   virtual para el estudio del espectro ensanchado en la
   asignatura Fundamentos de las Comunicaciones
   III
5. Bibliografía

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 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 Kruegerdefinen 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.

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, 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 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:

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

• 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.

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

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

• 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:

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

• 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

Modulación convencional

Para SS3 SS

Modulación convencional

Para SS4

SS

Modulación convencional

Para SS 5

SS

Modulación convencional

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

• 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.
• Schar, S G, y Krueger, H (2000): Using New Learning
  Technologies with Multimedia.
  IEEE.
• Chacón Rugeles, Rafael (2002): La
  instrumentación virtual en la enseñanza de la
  ingeniería electrónica, en Acción pedagógica, vol. II,
  no.1/2002.
• Gonzales Castro, V. (1990). Teoría y
  práctica de los medios de enseñanza. Editorial
  Pueblo y Educación. La Habana.
• Arias Labrada, Leandro: La simulación
  computarizada en el proceso de enseñanza aprendizaje de
  electrónico. En www.ilustrados.com

Ing. Leonardo Babún Abijana

Universidad de Oriente

Facultad de Ingeniería
Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones