Tiempo, Clima y Energía en un marco de aprendizaje práctico

Tiempo, Clima y Energía

en un marco de aprendizaje práctico

y Francisco José Olmo Reyes

Departamento de Física Aplicada. Facultad de Ciencias. Universidad de Granada, Avda. Fuentenueva s/n. 18071 Granada, España

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Abstract. Este trabajo se basa en los resultados del proyecto de innovación docente Tiempo, Clima y Energía en un marco de aprendizaje práctico, financiado por la Universidad de Granada. En él se desarrollaron prácticas y problemas prácticos para las asignaturas relacionadas con la Meteorología y Climatología en soporte informático, que potenciaran el aprendizaje y autoaprendizaje: Se trató de abordar una mejora de la docencia práctica de estas asignaturas y de crear un marco de aprendizaje dinámico en el que el desarrollo de destrezas vía el análisis de casos reales fuese el motor formativo. La mayor parte de estas prácticas y problemas están basados en el análisis de datos, usando recursos informáticos, a realizar en las aulas de informática, e integradas en las páginas web de las asignaturas de Meteorología y Climatología y de Energía y Medio Ambiente (Licenciatura de CC. Ambientales), y de Meteorología Física (Licenciatura de Física). La realización de problemas y ejercicios programados permite suplir las carencias de los alumnos de CC. Ambientales en la resolución de ejercicios numéricos. Otra ventaja es el aprendizaje de técnicas de trabajo habituales en la vida profesional, tratamiento de la información y acercamiento a las técnicas profesionales propias de los meteorólogos y ambientólogos.

Keywords: Docencia práctica, Meteorología y Climatología, CC. Ambientales. Uso del ordenador.

1 Introducción

El proyecto de innovación docente “Tiempo, Clima y Energía en un marco de aprendizaje práctico” es continuación del proyecto “Aprendizaje autónomo de las disciplinas relacionadas con la Física en Ciencias Ambientales”. El objetivo primario de éste, fue la elaboración de guías de estudio y de cuestionarios de autoevaluación de los conceptos teóricos de las asignaturas Meteorología y Climatología y Energía y Medio Ambiente, troncal y optativa respectivamente de la Licenciatura de CC. Ambientales, que quedaron implementados en las páginas web de estas asignaturas, realizadas dentro del marco de este mismo proyecto.

Los objetivos de este proyecto se centraban más en la adquisición de conocimientos que en la adquisición de destrezas y actitudes. Sin embargo, el proceso

de aprendizaje no se reduce a la mera transmisión de información, sino que pretende generar destrezas que enriquezcan al alumno de cara a su futuro profesional, así como fomentar actitudes que debe tener todo universitario hacia el conocimiento en general y hacia el conocimiento científico en particular. Esto nos llevó a presentar el proyecto “Tiempo, Clima y Energía en el marco de un aprendizaje práctico”, cubriendo los objetivos formativos relacionados con la adquisición de destrezas y actitudes. El principal objetivo del mismo fue elaborar un conjunto de prácticas y problemas prácticos programados para estas asignaturas en soporte informático, con el fin de potenciar el aprendizaje y autoaprendizaje de estas materias: “lo oyó, y lo olvidó, lo vio y lo creyó, lo hizo y lo aprendió” (Confucio), tratando no sólo de abordar una mejora de la docencia práctica de estas asignaturas, sino de crear un marco de aprendizaje dinámico para las mismas en el que el desarrollo de destrezas vía el análisis de casos reales fuera el motor formativo.

La implantación de los planes de estudios actuales se hizo inspirada por un deseo no sólo de transmitir un conocimiento teórico, sino también de potenciar un aprendizaje práctico, que facilitará la adquisición de destrezas y procedimientos útiles en un desarrollo profesional posterior. El nuevo esquema del Espacio Europeo de Educación Superior va más lejos en el sentido de introducir el concepto de autoaprendizaje y de las actividades académicas dirigidas [1]. En este sentido, este proyecto pretende sentar las bases del aprendizaje práctico de estas asignaturas en un contexto en el que el alumno tenga disponibilidad de un conjunto de recursos que favorezcan la autoformación, si bien el objetivo no es suplir las prácticas en su horario establecido; se trata de completar y mejorar éstas y además facilitar el trabajo personal del alumno.

La mayor parte de estas prácticas y problemas diseñados en este proyecto están basados en el análisis de datos reales, usando recursos informáticos, como pueden ser hojas de cálculo, o programas en Fortran o Visual Basic, desarrollados por los profesores implicados, o en software específico, que se realizan en las aulas de informática, y posteriormente se han integrado en las páginas web de las asignaturas de Meteorología y Climatología y de Energía y Medio Ambiente, desarrolladas en el anterior proyecto docente.

La realización de este tipo de problemas y ejercicios programados permite suplir las carencias que presentan los alumnos de CC. Ambientales en la resolución de ejercicios numéricos. Otra potencial ventaja es el aprendizaje de técnicas de trabajo habituales en la vida profesional (hojas de cálculo), tratamiento de la información y acercamiento a las técnicas profesionales propias de los meteorólogos y ambientalistas

2 Descripción del proyecto de innovación

El laboratorio de Física de la Atmósfera cuenta con diversos dispositivos de medida de variables meteorológicas: sensores de presión, temperatura y humedad, anemómetro veleta, pluviómetro, varios sensores de radiación solar. Con el fin de potenciar el uso didáctico de estos aparatos se instaló un servidor informático del que los alumnos pueden obtener los datos meteorológicos en tiempo real para su análisis,

esto supone una motivación para los alumnos que pueden conectar y explicar los valores de estas variables meteorológicas con el tiempo real percibido.

Se han implementado varias prácticas basadas en el análisis de estos datos. Las prácticas se completan en algunos casos con problemas programados, por ejemplo relativos al cálculo de temperaturas, índices de humedad, estudio del efecto Foehn, cálculo del viento geostrófico, del gradiente y térmico, temperaturas de equilibrio radiativo ([2], [3]).

La lista de las prácticas diseñadas para las asignaturas relativas a la Meteorología es la siguiente:

A. Prácticas sobre radiación:

A.1 Análisis de la radiación solar y del balance radiativo. B. Prácticas de Termodinámica atmosférica:

B.1 Medida y análisis de temperatura y humedad:

B.2 Sondeo aerológico: Estudio de la estabilidad, índices de estabilidad y niveles de condensación.

B3. Efecto Foehn.

C. Prácticas de Dinámica Atmosférica

C.1 Análisis de la presión atmosférica. Corrección y reducción a nivel del mar. C.2 Estudio de mapas sinópticos: Frentes y cálculo del viento en superficie y altura.

D. Prácticas sobre Climatología y Cambio Climático ([4],[5])

D.1 Experimentos con modelos climáticos de balance de energía: sensibilidad climática. Retroalimentaciones. Condiciones de equilibrio.

D.2 Mecanismos de cambio climático y evolución temporal.

Se hizo fundamental la puesta a punto del servidor de datos para la recogida, gestión y disponibilidad en tiempo real de los datos. El servidor de datos es un ordenador con Windows Server, programado con rutinas que recogen de forma automática la información medida por los diversos dispositivos del Laboratorio de Física de la Atmósfera, previamente recolectados por un datalogger, y de las imágenes (previamente tratadas) del satélite Meteosat, cuya recepción también gestiona el grupo de Física de la Atmósfera. A modo de ejemplo, en la Figura 1 se muestra la utilidad diseñada para visualizar las imágenes de satélite, que forma la base de la práctica C2.

Este ordenador es también el soporte de las páginas web de las asignaturas, cuyo formato establece un acceso restringido a los alumnos, así como la posibilidad de un tratamiento más personalizado con cada uno ellos. Se ha usado la plataforma Moodle, con un esquema más versátil de presentación de los contenidos. Esta plataforma ofrece la posibilidad de establecer el uso restringido de los alumnos, aportando a los profesores información concerniente sobre el uso que los mismos hacen de las páginas web, y que en el futuro podría permitir la generación de ejercicios y recursos individualizados para cada alumno. La dirección de este servidor web es http://caribdis.ugr.es .

Fig. 1. Aspecto del visor de imágenes Meteosat en el que se basa la práctica C2.

3 Descripción de las prácticas

Las prácticas A1 y B1 analizan los datos medidos por los sensores de radiación, temperatura y humedad. Los datos se promedian en intervalos de 5 minutos, generándose ficheros Excel con varios días de datos. La idea es que los alumnos puedan estudiar las variaciones diarias de estas variables y dentro de un mismo conjunto de datos pueda distinguir varias situaciones meteorológicas. Se realizaron una serie de guiones de las prácticas, encaminados a facilitar el análisis de estos datos mediante la hoja de cálculo Excel. La elección de esta herramienta se hizo fundamentalmente por ser una de las más extendidas y comunes. Los guiones siguen un esquema clásico en cuanto a formato, incluyendo un fundamento teórico, breve resumen de contenidos ya explicados en clase. Se realizó un guión base explicando el manejo de la hoja Excel, siendo la primera práctica el motor explicativo de la misma. Dentro del carácter formativo de estas prácticas, merece la pena destacar que el alumno no sólo aprende a escribir una fórmula en Excel, sino también cómo para extraer información es necesario filtrar los datos mediante criterios físicos (no se ha

abordado aquí la corrección de inhomogeneidades y el tratamiento de los datos espurios) y la visualización de los mismos.

La práctica B2, se dedica al estudio de un sondeo aerológico, siendo la práctica con más contenido físico-matemático. Los datos de nuevo se dan en un fichero Excel, los alumnos tienen que calcular una serie de parámetros explicados en clase, analizando entre otros, la estabilidad de estratificación y la formación de cúmulos. Esta práctica de ordenador se complementa con un tratamiento gráfico del sondeo aerológico, usando los diagramas tipo emagrama, tradicionalmente usado en los servicios de meteorología, y que hasta la fecha eran el núcleo central de las prácticas de la asignatura. Posteriormente comentaremos algunas limitaciones en la realización de esta práctica.

La práctica B3 es en realidad un ejercicio programado sobre el efecto Foehn. El efecto Foehn es el paradigma del problema de Termodinámica de la Atmósfera, resumiendo los procesos fundamentales que puede sufrir una parcela de aire, de ahí su importancia. El diseño del mismo se ha hecho usando animaciones Flash. Los parámetros iniciales pueden ser cambiados, con la posibilidad de generar múltiples ejercicios. El alumno debe responder a las preguntas realizadas, dándole pistas sobre la solución si lo requiere.

La práctica C1 usa los mismos datos que la práctica B2. Se trata aquí de que los alumnos usen diversas formulaciones para el cálculo de la presión reducida al nivel del mar. De nuevo los cálculos de hacen mediante la hoja de Excel.

La práctica C2 se basa en el estudio de imágenes de satélite Meteosat. Consta de un visor de imágenes (Figura 1), incluido en el servidor web de la asignatura, con el cual los alumnos pueden analizar la evolución atmosférica durante las últimas 24 horas, con una sucesión de imágenes en intervalos de 15 minutos. La práctica va encaminada a que los alumnos identifiquen y caractericen las masas de nubes, los frentes y su dinámica, al menos de forma cualitativa. Estas imágenes, combinadas con mapas de isobaras en superficie y de isohipsas en altura, obtenidos de la página web del INM, permiten cálculos sencillos sobre el viento y la realización de predicciones meteorológicas sobre la Península Ibérica (en realidad se examinan los mapas de predicción, ya que son más sencillos de interpretar, y por tanto más pedagógicos, que los obtenidos a partir de medidas).

La práctica de climatología D1 consiste en el manejo de un modelo climático de balance de energía unidimensional (MBE), diseñado e implementado por los profesores del proyecto. Para ello nos hemos basado en el modelo MBE incluido en el libro de Casas y Alarcón (que a su vez es una adaptación de un modelo del libro de Henderson y Sellers), usado de forma experimental el curso pasado. Hemos realizado una implementación en Visual Basic de las ecuaciones de balance radiativo en las que se basa el modelo, introduciendo aspectos y mejoras no contempladas en el MBE de Casas y Alarcón (por ejemplo el estudio de los tiempos de respuesta, de los cambios temporales de la temperatura media mundial y de la cuantificación del efecto de las retroalimentaciones) así como la posibilidad de importar y exportar datos y de guardar las salidas del modelo en un fichero Excel para su posterior representación gráfica. Se han redactado un total de 17 ejercicios prácticos tanto para estudiar la sensibilidad del modelo ante cambios en los parámetros de entrada como para estudiar los diversos mecanismos de cambio climático (variaciones en la emisión solar, cambios en las propiedades reflexivas del suelo, cambios en la concentración de gases

de efecto invernadero, etc.), que son la base de la práctica D2. La Figura 2 muestra a modo de ejemplo una de las posibles interfaces implementadas en este programa del MBE

Fig. 2. Interfaz del menú del programa MBE. Dentro de este menú, se puede acceder a los distintos parámetros para modificarlos. En el submenú Opciones, la opción “calcular”, presenta los resultados una vez que se hayan modificado las variables pertinentes.

4 Conclusiones

De forma general, consideramos que esta experiencia ha supuesto un enriquecimiento y mejora sustancial de la docencia práctica de las asignaturas directamente implicadas, Meteorología y Climatología, Meteorología Física y Energía y Medio Ambiente. La mejora no sólo afecta al número de prácticas, sino que ha supuesto una modernización de las mismas y un acercamiento a herramientas de trabajo comunes como son las hojas de cálculo, tratamiento de datos, etc., sin renunciar a la profundización de los aspectos físicos de los problemas tratados. Así, los principales beneficiarios de este proyecto son los alumnos de estas asignaturas, que pasan a tener una mayor variedad y calidad de las prácticas, lo cual también redunda en una mejor compresión y aprendizaje de toda la asignatura.

El esquema de prácticas y ejercicios elaborados podría ser útil para otras muchas asignaturas. En primera aproximación parte de estas prácticas podrían ser la base de otras nuevas para las asignaturas de Física Ambiental tanto de la Licenciatura de CC. Ambientales como de la de Físicas. También pueden ser útiles como complementos a

formación de postgrado, por ejemplo, para los cursos de doctorado y máster relacionados con estas disciplinas.

Aunque no se ha diseñado ningún tipo prueba evaluadora de la experiencia docente, si que tenemos algunos indicadores que nos pueden servir para evaluar la misma. Así, en la asignatura de Meteorología y Climatología ha aumentado el número de alumnos que han asistido a las prácticas de ordenador y que han entregado posteriormente los informes de las mismas y ha aumentado el número de alumnos que ha superado una prueba específica sobre el sondeo, siendo en general las notas de dicha prueba más altas que en años anteriores. En los exámenes, se incluyó un problema sobre el efecto Foehn, con resultados mucho mejores que los obtenidos años anteriores. En general, en la evaluación de los alumnos, se ha apreciado un mayor número de aprobados y un aumento de la nota media obtenida

Actualmente se está implantado el nuevo esquema educativo impuesto por el Espacio Europeo de Educación Superior. Dentro de este esquema se prevé una reducción de la enseñanza presencial y un aumento de las tareas dirigidas, en la que el alumno tiene que tener una actitud más activa en el proceso de aprendizaje. Creemos que en este nuevo ámbito será muy importante la disponibilidad de recursos didácticos como los generados en esta acción de innovación docente, recursos que puedan ser empleados por los alumnos de forma individual e independiente, con accesos cada vez más fáciles como es el de una página web. Sería conveniente en el futuro ampliar el número de prácticas y ejercicios con el fin no sólo de completar los aspectos teóricos tratados, sino también para hacer posible una enseñanza más individualizada y recursos de evaluación del trabajo personal de cada alumno.

Agradecimientos. El proyecto de innovación docente “Tiempo, Clima y Energía en

un marco de aprendizaje práctico” fue subvencionado por la Universidad de Granada (Vicerrectorado de Planificación, Calidad y Evaluación Docente).

Referencias

1. Junta de Andalucía. Informe sobre experiencias piloto para la implantación del Espacio Europeo de Educación Superior y el ECTS. (2003).

2. Aguado, E y J.E. Burt. Understanding weather and climate, Prentice Hall, New Jersey. (1999).

3. Ahrens, C.D. Meteorology today: an introduction to weather, climate and the environment. West, Minnesota. (1994).

4. Henderson-Sellers, A. y K. McGuffie. Introducción a los modelos climáticos. Omega, Barcelona. (1990).