Ambiente de desarrollo integrado de
programación híbrida visual/textual integrado con
artefactos robóticos para el aprendizaje la
enseñanza de áreas STEM a través de
programación de computadores
Carlos Alejandro Ruiz Ramírez
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas, Departamento de Ciencias de la computación y de la Decisión Medellín, Colombia
Ambiente de desarrollo integrado de
programación híbrida visual/textual
integrado con artefactos robóticos
para el aprendizaje la enseñanza de
áreas STEM a través de
programación de computadores
Carlos Alejandro Ruiz Ramírez
Tesis o trabajo de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería de Sistemas
Director (a):
Jovani Alberto Jiménez Builes, Ph. D.
Línea de Investigación: Robótica Educativa Grupo de Investigación:
Grupo de Investigación y Desarrollo en Inteligencia Artificial GIDIA
Universidad Nacional de Colombia
Minas, Departamento de Ciencias de la Computación y de la Decisión Medellín, Colombia
Agradecimientos
Se agradece a Colciencias por el financiamiento a través del programa de Jóvenes Investigadores convocatoria 706 de 2016, al ingeniero Jaime Lozano por su valioso apoyo al inicio del proyecto, a los estudiantes de la maestría en enseñanza de ciencias exactas y naturales de la facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín y al profesor del curso Taller Tics 2, el ingeniero Pablo Andrés Ochoa Botache.
Resumen
Esta investigación describe las ventajas del uso de la robótica educativa y realiza la caracterización de algunos lenguajes de programación usados comúnmente en la robótica con propósitos educativos. Se presenta el diseño y la construcción de un entorno de desarrollo integrado basado en computación en nube para la aplicación robótica en ambientes educativos. Este ambiente de desarrollo mezcla la programación gráfica usando notación BPMn y programación textual. Este enfoque permite al estudiante un acercamiento en conjunto a la programación gráfica y a la programación textual, adicional a la ventaja de aprender el uso de una notación estándar que permite el desarrollo de diferentes habilitadas en el modelado de procesos. Los resultados arrojados indican que…
Palabras clave: Robótica educativa, aprendizaje basado en problemas, programación
de computadores, ambiente integrado de desarrollo visual, STEM.
Abstract
This research review some of the advantages of the use of educational robotics and describes some characteristics of the programming languages used in educational robotics. There is presented a programming environment based on cloud computing designed for the application of robotics in educational environments. The programming environment mix graphical programming using BPMn notation and textual programming. This approach allows to the student to make an approach to graphical programming and language to a textual programming languages, in addition to the advantages of learning a standard notation that allows the development of different skills in process modeling.
Keywords: Educational robotic, problem-based learning, computers programming, visual
Contenido
Pág.
1. Robótica educativa ... 5
2. Lenguajes de programación empleados para robótica educativa ... 37
3. Ambiente híbrido visual y textual de desarrollo ... 50
4. Aplicación del entorno de desarrollo ... 72
Lista de figuras
Pág.
Ilustración 1 PCB diseñada por computador a la izquierda y PCB manufacturada y
montada a la derecha. ... 28
Ilustración 2 Robot con diferentes sensores y actuadores instalados ... 29
Ilustración 3 Lego Mindstorms Education EV3 Core Set. Imagen tomada de [32] ... 35
Ilustración 4: Lenguaje de programación Scratch ... 42
Ilustración 5: Entorno de programación de Lego Mindstorm EV. ... 43
Ilustración 6 Esquema de comunicación entre los dispositivos y el servidor ... 51
Ilustración 7 Flujo de programación de robot usando la plataforma... 53
Ilustración 8 Proceso modelado encendido y apagado de un Bombillo LED ... 54
Ilustración 9 Ejemplo de pasos de una actividad ... 54
Ilustración 10 Arquitectura del entorno de desarrollo y componentes que la componen . 56 Ilustración 11 Modelo entidad relación del aplicativo web. ... 57
Ilustración 12 Esquema de preprocesamiento del modelo e integración de código ... 59
Ilustración 13 Arquitectura de la máquina virtual ... 65
Ilustración 14 Arquitectura del despliegue de los servicios en Kubernetes. ... 70
Ilustración 15 Modelo empleado en las pruebas de caja negra realizado a los elementos que componen el lenguaje de programación del entorno de desarrollo. ... 73
Ilustración 16 Resultado de prueba de asignación de variable ... 73
Ilustración 17 Resultado de prueba de operación entre variables ... 76
Ilustración 18 Resultado de prueba del ciclo for ... 77
Ilustración 19 Resultado de prueba del ciclo while ... 78
Ilustración 20 Resultado de prueba de parpadeo de un led de manera programática ... 80
Ilustración 21 Resultado de prueba de parpadeo de un led ... 82
Ilustración 22 Resultado de prueba de encender un led al presionar un botón ... 83
Ilustración 23 Resultado de prueba de robot evasor de obstáculos ... 85
Ilustración 24 Resultado de prueba de robot seguidor de luz ... 87
Ilustración 25 Mapa de calor del comportamiento de los usuarios al interactuar en el modelador ... 92
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1 Publicaciones de robótica educativa en el ámbito colombiano ... 9
Tabla 2 Preguntas de la encuesta de percepción del uso de la robótica en robótica educativa en el contexto colombiano. ... 15
Tabla 3 Listado de colegios e instituciones educativas donde laboran los docentes que dieron respuesta a la encuesta ... 18
Tabla 4 Número de docentes por área del conocimiento. ... 20
Tabla 5 Madurez de aplicación de la robótica educativa en las instituciones educativas 21 Tabla 6 Respuestas a la pregunta sobre las barreras de adopción de la robótica educativa ... 22
Tabla 7 Respuestas a la pregunta sobre las ventajas de adopción de la robótica educativa ... 22
Tabla 8 Valor de Ponderación para los elementos evaluados ... 30
Tabla 9 Comparación de Microcontroladores y tarjetas de desarrollo. ... 31
Tabla 10 Evaluación de los componentes de los microcontroladores y las tarjetas de desarrollo. ... 33
Tabla 11 Ponderación de la evaluación de las tarjetas de desarrollo ... 33
Tabla 12 Elementos constituyentes del modelador gráfico ... 55
Tabla 13 Lista de funciones disponibles para el sistema operativo EV3DEV ... 63
Tabla 14 Lista de funciones internas disponibles para la tarjeta de construcción propia. 63 Tabla 15 Tiempo de Realización de tareas propuestas ... 91
Tabla 16 Resultado de la encuesta de usabilidad ... 92
Tabla 17 operaciones de modificación de pila ... 95
Tabla 18 operaciones de lectura de constantes a pila de operandos ... 95
Tabla 17 operadores matemáticos ... 96
Tabla 17 operadores lógicos ... 96
Tabla 17 operaciones de saltos condicionales ... 97
Tabla 19 operadores funcionales ... 97
Tabla 17 constantes de identificación de tipos de datos ... 99
Tabla 17 operaciones de funciones y procedimientos ... 99
Lista de símbolos y abreviaturas
Abreviaturas
Abreviatura Término
STEM Science, Technology, Engineering and Mathematics
TIC Tecnologías de la información y las comunicaciones
IA Inteligencia Artificial
IoT Del Inglés Internet of Things (Internet de las cosas)
I.E Institución Educativa I.E.R Institución educativa rural
I.E. S Institución de educación superior
SBC Single Board Computer o computador de placa reducida
PCB Printed Circuit Board o Circuito Impreso MHz Megahercio
RAM Random Access Memory ROM Read Only Memory
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
I/O Input/Output
CoC Convention Over Configuration DFS Depth First Search
Introducción
El término inteligencia artificial (IA) como concepto fue introducido por J. McCarthy en 1956 y se describe como el estudio de la simulación del comportamiento de la inteligencia humana, aplicado a las máquinas [1]. La IA normalmente se encuentra definida como una subárea de las ciencias de la computación, pero fundamentalmente es un área que involucra múltiples disciplinas del saber. La IA puede ser aplicada de diferentes maneras en el aprendizaje humano, como por ejemplo para adaptar contenidos, flexibilizar las estrategias de aprendizaje, brindar autonomía a los entornos de enseñanza y aprendizaje, entre otros. En el anterior contexto, el conjunto de técnicas se conoce con el nombre de IA en la educación o también, educación artificial.
Uno de los primeros acercamientos a la inteligencia artificial en educación fue descrita en el libro Mindstorms: Children, Computers, and Powerful Ideas [2], donde se describió cómo el lenguaje de programación Logo y los micro-mundos se convirtieron en un medio que podía ser utilizado por los educadores para apoyar el desarrollo de nuevas maneras de pensar y aprender. El autor mostró como niños de casi cualquier edad puede aprender a programar en LOGO bajo buenas condiciones, con suficiente tiempo y con el uso del computador. Lo propuesto por Papert demostró la importancia y facilidad del uso de computadores en las escuelas para el aprendizaje de nuevos conocimientos [2]. Desde hace varias décadas se evidencia la necesidad y la conveniencia de aplicar las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) en los diversos entornos educativos con el objetico de facilitar los procesos de aprendizaje. tanto de estudiantes como de docentes. Ejemplo de lo anterior es expuesto por Prensky [3], [4] en las investigaciones que realiza sobre las visiones diversas del mundo tecnológico entre los jóvenes de las nuevas generaciones -nativos digitales- y los adultos -inmigrantes
digitales.
Diversos autores sostienen que las generaciones recientes de estudiantes tienen una disposición natural hacia el uso de TIC, por ejemplo, un estudiante con dificultades para
La incorporación de la IA toma aún mayor importancia en la educación del siglo 21, en la que se presenta como desafío el cambio de la manera tradicional de la enseñanza mediante la incorporación del componente tecnológico, lo cual deja como resultados cambios en la forma en cómo se enseña, interactúa y aprende. Consecuentemente existe un incremento de la interdisciplinaridad de la enseñanza en busca de solución de un problema particular. Por lo anterior, la incorporación de herramientas tecnológicas como la robótica en la educación potencia la curiosidad de estudiantes y docentes en el aprendizaje a la vez que se fortalece y se potencia el interés en áreas STEM como matemáticas, programación de computadores, electrónica y física e inclusive otras áreas como desarrollo del lenguaje, historia y literatura [7].
La aplicación de robótica educativa presenta características enmarcada en las corrientes pedagógicas constructivistas, ya que el estudiante opera la creación de su conocimiento a través de un proceso dinámico, participativo e interactivo del sujeto a través de la resolución de problemas.
Para la aplicación de robótica existen en el mercado diversos kits robóticos, diseñados en países con un alto desarrollo económico, sin embargo, los costos que presentan para el mercado colombiano son inaccesibles lo cual limita su adaptación al modelo educativo colombiano [8]. Adicionalmente, no es fácil el uso de ambientes heterogéneos ya que existe una baja inter-compatibilidad entre los kits.
En el desarrollo de esta tesis se planteó la construcción de un entorno de desarrollo integrado de programación textual/visual basado en computación en nube para la enseñanza y aprendizaje de programación de computadores con el uso de artefactos robóticos para el fortalecimiento de las áreas STEM. Se estuvo de acuerdo con las realidades económicas, el cual incluye un conjunto de componentes relacionados que van desde el software para la generación de rutinas hasta alcanzar la ejecución remota en los dispositivos robóticos.
Con el trabajo de investigación se buscó:
Caracterizar y adaptar una notación de modelado de procesos para la construcción de un editor visual y textual de programación que permita configurar rutinas para la ejecución de tareas programadas.
Construir un compilador y múltiples máquinas virtuales que permitan la generación de códigos de operación y ejecución en múltiples plataformas robóticas a partir de la notación definida haciendo uso de tecnologías de computación en nube.
Establecer un protocolo para transferencia de programas e instrucciones a los artefactos robóticos.
Construir un banco de aplicaciones de robótica educativa y validar los resultados del entorno de desarrollo integrado en un ambiente educativo.
Para el desarrollo de la propuesta, se contemplaron las siguientes fases:
Fase de definición del meta-modelo para la programación híbrida visual/textual:
Caracterización y adaptación de una notación de modelado de procesos para la construcción de un editor visual y definir formalmente un lenguaje textual/procedural de programación que permitió configurar rutinas para la ejecución de tareas programadas en los dispositivos robóticos.
Fase de desarrollo y construcción de artefactos: Se realizó la construcción e
implementación de las herramientas de compilación y ejecución donde:
Se caracterizaron y se seleccionaron diversos dispositivos robóticos para ser integrados el en el proyecto que contó con características diferenciadoras y representativas en su segmento de mercado.
Se desarrolló un compilador que permitió realizar un proceso de integración y transformación entre modelo gráfico y el lenguaje de programación con el objeto de generar un lenguaje máquina que sea interpretable por las máquinas virtuales. Se construyeron múltiples máquinas virtuales las cuales permitieron la ejecución
del código máquina de en los diversos dispositivos robóticos definidos.
Se integraron herramientas de depuración de código para la generación de análisis en tiempo real de posibles problemas existentes en la lógica del código desarrollado por el estudiante.
Fase de Desarrollo de un protocolo para transferencia de programas e instrucciones a los artefactos robóticos: Se realizó la definición de un protocolo de
comunicación que permitió transferir información entre el dispositivo robótico y el computador con el objetivo de monitorizar, comunicar y transferir datos entre los dispositivos.
integridad de los datos y los diversos modos de operación e interacción del ambiente visual de desarrollo integrado con diversas plataformas o kits robóticos. Se realizó un proceso de socialización de la plataforma con profesionales de tecnología y educación.
1.
Robótica educativa
Actualmente la tecnología de la información y las comunicaciones (TICs) y los elementos que la componen como el internet, especialmente el internet de las cosas, la inteligencia artificial, la computación en nube, el aprendizaje máquina, la robótica, entre otros; están cambiando de manera significativo y a un ritmo acelerado la manera en cómo las sociedades interactuamos, vivimos, producimos y aprendemos. Los avances en la última década son tales que el impacto esperado de estas tecnologías pasa a considerarse como la cuarta revolución industrial.
Gran cantidad de labores que históricamente han sido desempeñadas por seres humanos, se prevé que progresivamente sean sustituidas por máquinas inteligentes con capacidad de decidir, discernir y actuar en su área de actuación de manera sobresaliente, incluso de manera más acertada que su contraparte humana. Entre las labores que actualmente tienen mayor difusión e interés por los medios de comunicación, puede encontrarse la conducción de vehículos autónomos, las líneas de ensamblajes, el reparto de domicilios, tiendas de mercados totalmente automatizados entre otros; labores principalmente mecánicas. Eventualmente una vez desarrolladas estás tecnologías se abordarán otras tareas que presentan un mayor grado de decisión e incluso puede afirmarse que cualquier labor humana es sujeta a ser reemplazada por una máquina, lo cual hace necesario replantear desde ahora las estructuras económicas que actualmente funcionan en la sociedad para soportar estos cambios. Para lo cual el aprendizaje tanto de la robótica, como el uso de robótica para el aprendizaje se proyecta a la par como elementos fundamentales para el desarrollo de nuevas capacidades que pongan a los ciudadanos al nivel que estos inminentes desafíos presentan.
Este capítulo se desarrolla un resumen desde una perspectiva global para dar paso a un análisis a la situación actual a nivel colombiano y regional.
1.1 Robótica educativa a nivel mundial
La robótica en educación se fundamentan desde diversas teorías del aprendizaje entre ellas: el construccionismo propuesto por Papert [2] y el constructivismo de Piaget [9]. Por un lado, el constructivismo propone que el conocimiento se construye a través de las experiencias previas que permiten producir día a día y en cualquier entorno la construcción del conocimiento [10]. Por otra parte, el construccionismo propone dotar al estudiante de diferentes herramientas que permitan de manera dinámica resolver problemas a partir de la construcción de procedimientos propios, los cuales involucran un proceso activo e iterativo de aprendizaje en interacción con la realidad, es decir, la persona es un actor activo en su propia construcción del conocimiento.
Malec [11] distingue que existe principalmente dos perspectivas de aplicación de robótica en ambientes educativos tanto virtuales como presenciales, la primera es “Enseñanza de la robótica” en la que se busca aprender los fundamentos y el funcionamiento de los robots con el objetivo de construir nuevos dispositivos aplicado en áreas STEM y la “Robótica para educación” en la que se usan robots ya construido y programables para la solución de problemas o uso de robots ya programados para demostrar fenómenos o conceptos sin que el estudiante tenga conocimiento alguno sobre el funcionamiento de la construcción de los robots.
En general, se considera que aparte del fortalecimiento de las áreas STEM la robótica trae ventajas cognitivas, meta-cognitivas, sociales, pensamiento creativo, toma de decisiones, solución de problemas, comunicaciones y trabajo en equipo que son características del siglo 21 [12].
A pesar de que desde la década de los 60s se comenzó a indagar sobre el posible uso de artefactos en ambientes educativos, solo con los avances tecnológicos de las décadas siguientes se comienza a usar la robótica educativa hasta la década de los 80s en el MIT en asocio con la empresa LEGO donde se construyen los primeros kits robóticos comerciales que se comienzan a distribuir mundialmente, abriendo la posibilidad de aplicación de la robótica educativa en diferentes áreas y contextos. A finales de esta misma década se comienza con la competición 6270 en el MIT donde los estudiantes del
curso 2.007 “Introducción al diseño” de esta misma universidad [11] podían aplicar los conocimientos adquiridos en una competencia de robots en la que tenían que resolver una serie de problemas con un conjunto de insumos y partes definidos en el evento [13]. Desde entonces la robótica ha sido usado en diversos niveles educativos que involucran escuelas e instituciones educativas alrededor del mundo.
En general, se considera que la robótica fomenta las capacidades sociales en el estudiante a la vez que son actividades divertidas y que generan entusiasmo. Sin embargo, esto no es suficiente justificación y se requiere demostrar que existe un valor agregado para su uso, ya que la robótica exige esfuerzos y recursos adicionales por parte del docente y las instituciones para su aplicación. Para el 2001, las principales aplicaciones que se les daba a la robótica educativa se encontraban los cursos de diseño, trabajo en equipo, cursos de introducción a la ingeniería eléctrica, introducción a la programación y algunos cursos de ciencias de la computación y de inteligencia artificial [11].
Para el 2013, Alimisis [12] distingue tres enfoques de aplicación de la robótica, el enfoque basado en el currículo donde la enseñanza se encuentra al interior del programa de clase, enfoque basado en proyecto donde existe un grupos de estudiantes buscando solucionar problemas del mundo real y por último un enfoque orientado a objetivos de competencias, similar a la contienda 6270 donde generalmente se plantea un reto el cual debe ser resuelto bajo unos criterios de calificación.
Sin embargo, Alimisis [12] plantea que existen diversos desafíos, especialmente en la zona europea en los que se incluye:
No existe una introducción sistemática de la robótica en el currículo dentro del sistema europeo. Es decir, a pesar de que, en algunos países de la zona europea como en Italia han existido intentos de desarrollar currículos enriquecidos, no existe una estandarización en la forma de enseñar robótica en el área europea. Existe una abundancia de dispositivos tecnológicos en todas partes, pero han
existido problemas para incluir dichas tecnologías al interior de las escuelas, lo que ha provocado que las tecnologías en las escuelas de hoy no soporten las habilidades de aprendizaje del siglo 21.
Las experiencias no están integradas y por lo general su enseñanza se hace al interior de otras asignaturas. Es necesario darle una nueva y amplia perspectiva a la enseñanza de los diversos cursos.
Los kits robóticos facilitan en gran medida la aplicación de la robótica. Sin embargo, gran parte de ellos esconden las dificultades a través del uso de rutinas ya programadas y de las cuales el estudiante no puede observar (caja negra). Aunque en un comienzo facilitan el uso de los kits, terminan por ir en detrimento del alcance y la profundidad del conocimiento adquirido por los estudiantes. El autor menciona que se requiere que los estudiantes se conviertan en constructores más que solo consumidores. Es decir, pasar de un enfoque de caja negra a caja blanca.
A pesar de que existen múltiples trabajos en la literatura que muestran el uso de la robótica, existe una carencia en las mediciones del impacto real de la robótica. Es decir, por lo general los proyectos de robótica se aplican sobre un grupo determinado de estudiantes, sin embargo, no existen grupos de control que permitan comparar de manera cuantitativa el avance de la robótica.
1.2 Robótica educativa en Colombia
Con el objetivo de indagar sobre el estado de la robótica educativa, se han hecho las búsquedas en “Robótica Educativa Colombia”, “Robótica en Educación Colombia”, “Educational Robotics Colombia” en las siguientes tres fuentes de información: “Google Scholar”, “Google”, “IEEE Explorer” y “Science Direct”. Se han seleccionado, como muestran algunos artículos académicos que presentan mejor ranking en estos índices con los siguientes criterios de inclusión: que sean desarrollados en el territorio colombiano, ser enmarcados en un contexto educativo y que finalmente hagan uso de la robótica en el aula de clase. Este análisis se complementa a través de una encuesta electrónica a docentes de diferentes instituciones educativas con el objetivo de descubrir su percepción.
De la búsqueda en los diferentes índices de publicaciones, se encontraron en total 11 documentos que cumplían los criterios anteriormente mencionados. Las fechas de las
publicaciones comprenden entre los periodos del 2009 hasta el 2017. Los artículos se encuentran listados en Tabla 1 Publicaciones de robótica educativa en el ámbito colombiano.
Tabla 1 Publicaciones de robótica educativa en el ámbito colombiano
Título de la Publicación Año
La robótica como herramienta para la educación en ciencias e ingeniería [8]
2009
Uso de la robótica educativa como herramienta en los procesos de enseñanza [14]
2010
Sistema modular de robótica colaborativa aplicado en educación [15] 2011 La robótica como un recurso para facilitar el aprendizaje y desarrollo
de competencias generales [16]
2012
La robótica educativa como instrumento didáctico alternativo en educación básica [17]
2012
Aprendizaje con robótica, algunas experiencias [18] 2013 Estrategia para el desarrollo de aprendizajes en ingeniería basado
en robótica educativa y competitiva: caso Universitaria de Investigación y Desarrollo, UDI [19]
2013
Robots cooperativos, Quemes para la educación [20] 2013 Educación matemática en Colombia, una perspectiva evolucionaria
[21]
2015
A Low-Cost Matlab-Based Educational Platform for Teaching Robotics [22]
2016
Resultados preliminares de la estrategia de uso de dispositivos robóticos en la enseñanza de las matemáticas [23]
2017
A continuación, se presenta un resumen de los trabajos donde además se extraen algunos elementos que se consideraron de interés en el desarrollo de esta tesis.
- La robótica como herramienta para la educación en ciencias e ingeniería:
En el artículo, desarrollado en la ciudad de Medellín [8] se exponen algunos dispositivos que se suelen usar en los ambientes educativos. Sin embargo, expone que estos kits robóticos comerciales son creados por compañías en países desarrollados con niveles y condiciones de vida diferentes a los de las economías emergentes como es la situación
de Colombia. Se sostiene que estos robots tienen limitaciones en el número de piezas y los algoritmos de los sensores que limitan las habilidades creativas y de diseño. Para suplir las deficiencias anteriormente mencionadas, se propuso la construcción del kit educativo Teac2h-RI (Technology, Engineering And science education through
Human-Robot Interaction) el cual está enfocado en la población estudiantil de los grados 10 y 11
de bachillerato y se compone de cuatro agentes robóticos: tres hijos y una madre. Para la fase inicial del proyecto se usó el lenguaje de programación CodeWarrior (basado en C) pero los autores sostienen la intención de generar algoritmos para un uso más sencillo.
- Uso de la robótica educativa como herramienta en los procesos de enseñanza.
Este artículo [14] describen el uso de robótica educativa como medio de estimulación y sensibilización para fomentar el estudio de diversas áreas. Para lograr este objetivo se usa Lego Mindtorms NXT Hardware Developer Kit como robot base en jornadas de sensibilización en tres instituciones educativas de educación básica primaria del municipio de Boyacá.
Se plantearon diversas experiencias educativas de acuerdo con el nivel en que se encontraban los estudiantes de la población objetivo. Para prescolar y primero de primaria se optó por una experiencia matemática en la cual se hicieron secuencias que obedecían a un número y una experiencia de colores la cual modificaba el movimiento del robot de acuerdo con el color de la superficie sobre el cual se desplazaba el robot. Para segundo y tercero se realizó una experiencia basada en geometría en la cual se buscaba dibujar diversas piezas geométricas de diferentes tamaños. Finalmente, para cuarto y quinto de primaria se hizo una jornada de motivación con las mismas prácticas de los grados anteriores haciendo énfasis sobre el funcionamiento de los robots, sus partes y dando a entender el concepto de sistema.
Los docentes manifestaron la falta de capacitación en el manejo de herramientas tecnológicas, por lo que concluyen que es importante capacitarse primero ellos mismos, ya que muestran interés e iniciativa en el complemento de sus clases con estas herramientas tecnológicas.
Este proyecto de investigación desarrollado en la ciudad de Medellín [15], evidencia una continuación del proyecto elaborado en [8]. Los autores inician introduciendo las
dificultades que existen en Colombia para la implementación de dispositivos robóticos, en especial, se analizan los kits robóticos comerciales en aspectos como los costos
asociados a la importación, incompatibilidades con accesorios de otras marca, altos costos de venta, difícil adquisición de los accesorios en el mercado local, limitadas experiencias que pueden desarrollarse con estos robots por la cantidad de piezas que traen y los instructivos prediseñados engorrosos.
Al igual que Teac2h-RI, el proyecto es desarrollado a través del kit RobEd (Robótica Educativa), kit que comprende cuatro agentes robóticos: un robot madre y tres hijos. Los robots tienen la capacidad de evasión de obstáculos a través de sensores y en algunos casos siguen la trayectoria trazada por la madre. Cada dispositivo robótico está compuesto por una tarjeta principal la cual es controlada a través del microcontrolador MC68HC908JK3 que permite por medio de los puertos I/O el uso de accesorios genéricos como sensores y actuadores que se consiguen fácilmente en las tiendas de electrónica locales.
El kit RobEd se implementó en estudiantes de 10º y 11º de las instituciones educativas de la ciudad de Medellín, siendo el principal objetivo el fortalecimiento de habilidades creativas, de aprendizaje y diseño en los aprendices. No se evidencia que al momento de la publicación se hubiera realizado ejercicios prácticos con los estudiantes.
- La robótica como un recurso para facilitar el aprendizaje y desarrollo de competencias generales.
En [16] se muestra la importancia que tiene el uso de la robótica como herramienta de aprendizaje en las aulas de clase. Exponen un programa desarrollado por el programa del gobierno Computadores para educar, donde a través del reciclaje de piezas electrónicas se obtenían insumos para la robótica y se presentan una serie de etapas típicas por las que normalmente se atraviesan al implementar proyectos de este tipo en los salones de clase. Las etapas descritas corresponden son:
Etapa de integración de recursos tecnológicos basados en robótica. La institución educativa cuenta con clubes o talleres de robótica para un grupo limitado de estudiantes o intentan involucrar la robótica a través de algunos proyectos en clase de tecnología.
Etapa de reestructuración en las prácticas pedagógicas, Existe interés en la institución educativa y de los estudiantes por modificar los currículos con el objetivo de incorporar la robótica como parte integral del aprendizaje.
Etapa de instrumentación. Se dispone de diferentes herramientas de software y hardware que permitan la construcción y programación de diferentes prototipos robóticos al interior del aula de clase.
Etapa de definición del uso pedagógico de los recursos tecnológicos. El uso de estas herramientas debe está acompañado de buenas prácticas pedagógicas para que puedan contribuir en los procesos de aprendizaje y la construcción del conocimiento de los estudiantes.
Finalmente se da a conocer un proyecto de apoyo a la robótica educativa en Colombia denominado “Mundo Robótica” el cual buscó involucrar la práctica de la robótica a través de actividades prácticas y recursos de aprendizaje articulados desde una plataforma virtual, los cuales compartían información a través de la web. Además de realizar diversas conferencias y talleres dirigidas a docentes y público en general, en los eventos
Campus Party 2009 y 2010, los profesores aprendieron sobre algunos conceptos de
robótica y los componentes físicos, geométricos y matemáticos involucrados. - Aprendizaje con robótica, algunas experiencias.
En el artículo [19], proyecto desarrollado en la ciudad de Bucaramanga, se buscó a través del análisis de literatura el estudio de diversas experiencias con robótica que permitieron construir un modelo de aplicación de la robótica en la educación básica y secundaria. Apoyado en la visión de Malec [11] y de diversos autores, se muestra que existen principalmente dos enfoques involucrados en el uso de la robótica en el aula de clase. El primer enfoque es el aprendizaje en el que, usando la robótica, el robot se configura como una herramienta que ayuda al estudiante para el aprendizaje de una temática definida. Es decir, a partir de un robot ya construido se realizan ejercicios prácticos que permiten captar la atención del estudiante y facilitan el aprendizaje sin necesidad de que el estudiante tenga conocimientos sobre la programación o la forma en la que está construido el dispositivo. El segundo enfoque involucra la conceptualización de los subsistemas para el aprendizaje, análisis, adaptación, diseño y construcción de robots.
La robótica y el aprendizaje con robótica deben hacer uso de la informática que aporta el conjunto de técnicas y herramientas de software, las cuales pueden ser perfeccionadas a través de software de simulación, laboratorios virtuales, entre otros.
- Estrategia para el desarrollo de aprendizajes en ingeniería basado en robótica educativa y competitiva: caso Universitaria de Investigación y Desarrollo, UDI.
En el artículo [19] se presenta una prueba piloto de inclusión de TICs en los currículos de los colegios públicos y privados del Área Metropolitana de Bucaramanga y con estudiantes de la Universitaria de Investigación y Desarrollo, abordando la robótica educativa desde un aspecto competitivo. La robótica educativa es presentada desde dos enfoques diferentes de acuerdo con el nivel educativo en el que se encuentran los educandos. En el caso de los estudiantes de ingeniería se expone el semillero de investigación de robótica Zion, donde los estudiantes son divididos en tres niveles diferentes y a los cuales son guiados de manera periódica por profesores de acuerdo con el nivel de avance de la carrera y con el objetivo de conseguir el fortalecimiento de las capacidades competitivas de los estudiantes en el área de robótica educativa.
Para el caso de los estudiantes de colegios, desde el semillero y a través de profesionales en la rama de ingeniería apoyan en la estructuración de los currículos y las prácticas a los docentes de los colegios para lograr el objetivo de apoyar la creación o fortalecimiento de sus clubes de robótica, además de la capacitación de los docentes.
- “Robots cooperativos, Quemes para la educación”
Quemes [20] es un proyecto desarrollado por el grupo SIDRe de la Pontificia Universidad Javeriana, con el cual se busca asumir una propuesta pedagógica basada en la motivación a través de robots. Quemes está basado en un sistema multi-agente de robots de bajo costo. Cada robot está compuesto por una unidad central de procesamiento, cuatro sensores infrarrojos, un dispositivo de comunicación XBee, dos ruedas y una pinza, que en conjunto le permiten al robot navegar en un ambiente plano de color blanco y negro compuesto por una grilla de líneas negras.
Las tareas de los robots pueden ser programadas a través de un software llamado Quemes, el cual, por medio de una interfaz gráfica permite definir un flujo de procesos y las respectivas interacciones con otros agentes para lleva a cabo una tarea de manera colaborativa (González, Avila, & Bustacara, 2003)
- “Educación matemática en Colombia, una perspectiva evolucionaria” y
“Resultados preliminares de la estrategia de uso de dispositivos robóticos en la enseñanza de las matemáticas”:
En [21], [23] desarrollados en los municipios de Pereira y Dosquebradas dan muestra de la aplicabilidad de la robótica para la enseñanza de Matemáticas integrado al currículo y sustentado en los pilares disciplinar, tecnológico y metodológico.
El proyecto se desarrolla a través de Robots Lego EV3 que se complementan con la elaboración de una encuesta a docentes de matemáticas y estudiantes de los grados de 7º a 9º permitiendo generar un diagnóstico sobre el desarrollo matemático de estudiantes.
Se encontró que los estudiantes están por debajo del nivel de formación esperado, como media entre uno o dos años, lo cual el autor indaga a cuestionar todo el sistema educativo en especial los modelos pedagógicos, principios didácticos y estrategias metodológicas de la escuela. Este resultado llevó a formular una propuesta en la enseñanza de las matemáticas a partir de tres ejes fundamentales, el primero es el soporte técnico a través de los robots LEGOS que motiva a los docentes y estudiantes, el segundo eje corresponde con una reconceptualización teórica, ya que a pesar de que el docente tenga el conocimiento existan falencias al momento de trasmitirlo y finalmente el tercer elemento es la combinación del saber técnico aprendido con los robots y los conocimientos en matemáticas.
El proyecto aún se encuentra en desarrollo y los resultados solo se presentan en una etapa temprana de todo el proyecto de investigación.
- A Low-Cost Matlab-Based Educational Platform for Teaching Robotics.
En el artículo [22], se presenta el uso de simulación HIL (Hardwae In the Loop) a través de Matlab/Simulink para el control de un brazo robótico con 6 grados de libertad a través de sensores y actuadores, el cual tiene potencial para ser usado al interior del aula de clase y como ejemplificación de la tecnología. Presenta la ventaja de hacer uso de herramientas de bajo costo lo que facilita su replicación en diversos entornos.
Dado que no es posible identificar en los trabajos encontrados una perspectiva actual sobre la percepción del entorno local en la robótica educativa, se creó una encuesta virtual con las preguntas descritas en Tabla 2 Preguntas de la encuesta de percepción del uso de la robótica en robótica educativa en el contexto colombiano.
Tabla 2 Preguntas de la encuesta de percepción del uso de la robótica en robótica educativa en el contexto colombiano.
Cod Pregunta Tipo de
Campo
Posibles Respuestas
1 ¿En cuál institución educativa labora o laboró por última vez? Texto libre 2 Naturaleza de la institución educativa Selección múltiple con única respuesta
Pública, Privada, Mixta
3 Valor de la mensualidad Número 4 Seleccione cuáles niveles educativos se imparten en la institución educativa donde labora actualmente o laboró por última vez
Selección múltiple con múltiple respuesta
Educación Preescolar, Educación Básica Primaria, Educación Básica Secundaria, Educación Media, Educación Superior
5 ¿Cuáles cursos o asignaturas tiene o tuvo a cargo? ¿en qué grados? Texto libre 6 En cuál nivel de madurez de aplicación de Selección múltiple con única
a - No se aplica robótica educativa, ni se cuenta con iniciativas para su
robótica educativa se encuentra la institución educativa en la que actualmente labora o laboró.
respuesta b - Etapa de integración de recursos tecnológicos basados en robótica: la institución educativa cuenta con clubes o talleres de robótica para un grupo limitado de estudiantes o intentan involucrar la robótica a través de algunos proyectos en clase de tecnología.
c - Etapa de restructuración en las prácticas pedagógicas: existe interés en la institución educativa y de los
estudiantes de modificar los currículos con el objetivo de incorporar robótica como parte integral del aprendizaje. d - Etapa de instrumentación: se dispone de diferentes herramientas de software y hardware que permitan la construcción y programación de diferentes prototipos robóticos.
E - Etapa de definición del uso
pedagógico de los recursos tecnológicos: el uso de estas herramientas debe estar acompañado de buenas prácticas pedagógicas para que puedan contribuir en los procesos de aprendizaje y la construcción del conocimiento de los estudiantes. 7 ¿Considera que la robótica educativa puede aportar significativamente en la formación de los Binaria Si, No
estudiantes? 8 ¿Considera que la robótica educativa puede aportar significativamente en la formación del estudiante en las asignaturas que usted imparte? Binaria Si, No 9 Cuáles de los siguientes elementos considera como las mayores barreras en adopción de la robótica educativa (Seleccione dos elementos) Selección múltiple con múltiple respuesta
- Desinterés por parte de los directivos para la adopción de robótica educativa. - Conflictos de interés con el área de tecnología, que frenan los proyectos que involucran tecnología por fuera del curso de informática.
- Las herramientas y dispositivos para usar la robótica son costosos.
- Las herramientas y dispositivos para usar la robótica no se consiguen fácilmente en tiendas.
- Falta capacitación de los docentes para enseñar robótica en el aula de clase.
10 ¿Cuáles de los siguientes elementos considera como las mayores ventajas de adopción de la robótica educativa? (Seleccione dos elementos) Selección múltiple con múltiple respuesta
- La intuición científica y de ingeniería se desarrolla significativamente, la cual está directamente relacionada con la
resolución de problemas. - Potencia las habilidades de investigación y análisis del alumno. - Desarrolla el hábito de alcanzar metas. - Convierte a los individuos en
autodidactas por excelencia.
- Incrementa la habilidad de resolver los problemas mediante estrategias a partir
del razonamiento lógico, analítico y de sentido común. 11 Observaciones o comentarios adicionales sobre la robótica educativa Texto libre
La encuesta sobre la percepción del uso de la robótica educativa fue publicada en línea y fue respondida entre el 22 de septiembre del 2018 hasta el 12 de octubre del 2018. Se les solicitó a los estudiantes del curso Taller TICS 2 de la Maestría en enseñanza de las ciencias exactas y naturales de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín realizar el ejercicio de responderla. Se obtuvieron un total de 26 respuestas válidas.
En Tabla 3 Listado de colegios e instituciones educativas donde laboran los docentes que dieron respuesta a la encuesta, es posible visualizar una caracterización de las instituciones educativas por naturaleza, nivel educativo y nivel de madurez de aplicación de la robótica educativa. Es posible identificar que de los encuestados el 12% (3 instituciones educativas) corresponden a instituciones privadas, en oposición a 88% (23 instituciones educativas) públicas, de las cuales hay una (1) institución de educación superior, 3 instituciones que cuentan con exclusivamente bachillerato (educación básica secundaria y educación media) y 22 instituciones que ofrecen educación Básica primaria y bachillerato.
Tabla 3 Listado de colegios e instituciones educativas donde laboran los docentes que dieron respuesta a la encuesta
Institución Educativa Naturaleza Valor de la Mensualidad
Nivel Educativo
Nivel de madurez I.E Antonio Derka Santo
Domingo
Pública Prescolar, Primaria, Bachillerato
E
I.E Barrio Santander Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
B
I.E Benedikta Zur Nieden Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
CASD José María Espinosa Prieto Pública Prescolar, Primaria, Bachillerato A
Colegio Heraldos del Evangelio
Privada $ 380.000 Primaria, Bachillerato
A
Colegio La Salle Envigado Privada $ 450.000 Prescolar, Primaria, Bachillerato
B
I.E El Tablazo Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
A
I.E Fe y Alegría - La Cima Pública Prescolar, Primaria, Bachillerato
A
I.E Guadalupe Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
A
I.E Horacio Muños Suescún Pública Prescolar, Primaria, Bachillerato
A
I. E. Divina Eucaristía Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
A
I.E.R Ezequiel Sierra Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
A
I.E.R Presbítero Jesús Antonio Gómez
Pública Primaria, Bachillerato
B
I.E.R. La Floresta sede Las Brisas
Pública Prescolar, Primaria, Bachillerato
A
I.E. Arturo Velásquez Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
A
I.E. Cardenal Aníbal Muñoz Duque
Pública Prescolar, Primaria, Bachillerato
A
I.E Federico Carrasquilla Pública Prescolar, Primaria, Bachillerato
B
I.E Jaipera Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
A
I.E Primitivo Leal La Doctora Pública Bachillerato E
I.E Don Matías Pública Bachillerato A
Colegio Marymount Privada $1.899.944 Prescolar, Primaria, Bachillerato
E
Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid
Pública Educación Superior
B
I.E Ramón Múnera Lopera Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
B
I.E Samuel Barrientos Restrepo
Pública Prescolar, Primaria, Bachillerato
A
I.E Villa Flora Pública Prescolar,
Primaria, Bachillerato
A
En el proceso de normalización de datos se definieron diversas áreas del conocimiento, en las que se agruparon las respuestas de los docentes. Las áreas del conocimiento definidas son ambientales, ciencias, física, matemáticas, naturales, química, religión y sociales. En el área naturales se agrupó las asignaturas de biología y ciencias naturales; en el área del conocimiento de matemáticas se agrupó las asignaturas de matemáticas y geometría y finalmente se imputaron 2 respuestas en las que se dio una respuesta general y no era identificable el área del conocimiento.
Tabla 4 Número de docentes por área del conocimiento.
Áreas del conocimiento Número de Docentes que imparten esta asignatura
Ambiental 1 Ciencias 1 Fisica 7 Matemáticas 8 Naturales 13 Química 5 Religión 1 Sociales 1
Como era esperado, la mayor parte de los docentes que respondieron la encuesta se encuentran enmarcados en las áreas de enseñanza de las ciencias exactas y naturales (física, matemáticas y ciencias naturales). Según Tabla 5 Madurez de aplicación de la
robótica educativa en las instituciones educativas es posible identificar que el 57.7% de las instituciones educativas no aplican robótica educativa mientras que el 42.3% aplican robótica educativa de alguna manera, donde únicamente el 11.5% de las instituciones la aplican de una manera madura.
Tabla 5 Madurez de aplicación de la robótica educativa en las instituciones educativas
Nivel de Madurez Número
de IES
% de instituciones
A - No se aplica robótica educativa, ni se cuenta con iniciativas para su implementación
15 57.7%
B - Etapa de integración de recursos tecnológicos basados en robótica. La institución educativa cuenta con clubes o talleres de robótica para un grupo limitado de estudiantes o intentan involucrar la robótica a través de algunos
proyectos en clase de tecnología
7 26.9%
C - Etapa de restructuración en las prácticas pedagógicas. Existe interés en la institución educativa y de los
estudiantes de modificar los currículos con el objetivo de incorporar robótica como parte integral del aprendizaje.
0 0.0%
D - Etapa de instrumentación. Se dispone de diferentes herramientas de software y hardware que permitan la construcción y programación de diferentes prototipos robóticos.
1 3.8%
E - Etapa de definición del uso pedagógico de los recursos tecnológicos. El uso de estas herramientas debe estar acompañado de buenas prácticas pedagógicas para que puedan contribuir en los procesos de aprendizaje y la construcción del conocimiento de los estudiantes.
3 11.5%
El 100% de los encuestados respondieron que consideran que la robótica educativa puede aportar significativamente en la formación de los estudiantes y consideran que puede aportar significativamente en la formación del estudiante en las asignaturas que ellos imparten.
Tabla 6 Respuestas a la pregunta sobre las barreras de adopción de la robótica educativa
Respuesta Número de docentes
que respondieron
% de Respuestas / Numero de
Encuestados
A - Desinterés por parte de los directivos para la adopción de robótica educativa.
7 26.9%
B - Conflictos de interés con el área de tecnología, que frenan los proyectos que involucran tecnología por fuera del curso de informática.
7 26.9%
C - Las herramientas y dispositivos para usar la robótica son costosos.
9 34.6%
D - Las herramientas y dispositivos para usar la robótica no se consiguen
fácilmente en tiendas.
2 7.7%
E - Falta capacitación de los docentes para enseñar robótica en el aula de clase.
23 88.5%
Respecto a la pregunta sobre las barreras de adopción de la robótica educativa casi por unanimidad se encontró que la mayor barrera para adopción de la robótica educativa en el aula de clase es la falta de capacitación de los docentes frente a la temática dada, seguida por los costos de las herramientas y los dispositivos. A su vez consideran los docentes que la robótica potencia las habilidades de investigación y análisis del alumno, e incrementa la habilidad de resolver los problemas mediante estrategias a partir del razonamiento lógico, analítico y de sentido común.
Tabla 7 Respuestas a la pregunta sobre las ventajas de adopción de la robótica educativa Respuesta Número de docentes que respondieron % de Respuestas / Numero de Encuestados
A - La intuición científica y de ingeniería se desarrolla significativamente, la cual está directamente relacionada con la resolución de problemas.
12 46.2%
B - Potencia las habilidades de investigación y análisis del alumno.
22 84.6%
C - Desarrolla el hábito de alcanzar metas. 8 30.8% D - Convierte a los individuos en
autodidactas por excelencia.
10 38.5%
E - Incrementa la habilidad de resolver los problemas mediante estrategias a partir del razonamiento lógico, analítico y de sentido común.
20 76.9%
De los resultados obtenidos en la encuesta es posible concluir que más de la mitad de las instituciones educativas no se aplica robótica en las aulas de clase a pesar de que los docentes perciben a la robótica educativa como una herramienta que puede aportar de manera significativa en la formación del estudiante, tanto en el currículo como en las asignaturas que ellos imparten. Las causas para la baja adopción las perciben principalmente en la falta de capacitación de los docentes para impartir la robótica, los costos de los dispositivos y la dificultad de acceso a las herramientas. Los docentes perciben que la robótica potencia las habilidades de investigación y análisis del alumno e incrementa la habilidad de resolver los problemas mediante estrategias a partir del razonamiento lógico, analítico y de sentido común.
Dado que no existe una muestra representativa de colegios privados no es posible a nivel local concluir la diferencia que existe entre las instituciones privadas con respecto a las instituciones públicas en materia de adopción de la robótica en el aula de clase.
1.3 Plataformas de robótica educativa
Los artefactos y los requisitos necesarios varían de acuerdo con el nivel educativo de los estudiantes y a la aplicación o enfoque que se le va a dar al interior de las aulas de clase.
En las aplicaciones tradicionales se puede encontrar normalmente un computador que sirve para programar y controlar remotamente, y un dispositivo electrónico que ejecutará las rutinas y realizará acciones determinadas. Sin embargo, esto puede variar a solo requerirse un robot, no necesariamente programable. Hasta robots construidos de múltiples partes configurados como un sistema complejo con el objetivo de realizar tareas de alto grado de dificultad.
Al realizar una inspección en los catálogos de tiendas de electrónica locales con mayor presencia en el mercado (Electrónicas I+D y Suconel), puede distinguirse que existen dos macro grupos de plataformas para robótica educativa. Las más básicas y de precio reducido que presentan bajo nivel de personalización, sin capacidad de programación vía software y cuyo funcionamiento se basa en piezas prediseñadas y actuadores simples que realizan en conjunto una tarea particular (carros solares, robots caminantes, prototipos de aviones, entre otros), las cuales suelen presentar costos muy bajos (a partir de COP 10.000 o 3USD) o pueden encontrarse un macro grupo de plataformas más avanzadas, de mayor costo y que poseen una alta capacidad de personalización y programación como los kits provistos por la empresa Lego Mindstorm que pueden alcanzar altos precios (COP 1’500.000 o 500 USD) y las tarjetas de desarrollo como Arduino o los Single Board Computer (SBC) como las Rasperry PI y BeagleBone (COP 150.000 o 30 USD). Por la naturaleza de este trabajo solo se considera el segundo macro grupo ya que se requiere que los dispositivos puedan ser programados.
En general, en los kits robóticos educativos se cuentan con algunas características básicas en común como son el almacenamiento de rutinas en una memoria interna, el microprocesador para la ejecución de las rutinas, alguna interfaz de comunicación cableada o inalámbrica, la capacidad de programación mediante un lenguaje de programación visual o textual y la capacidad para interactuar con el mundo exterior mediante sensores y actuadores conectados a través de puertos (motores, servomotores, sensores de luz, sensores de sonido, sensores ultrasónicos, entre otros [24]).
Con el objetivo de tener una mayor cobertura, dentro del macro grupo de plataformas robóticas avanzadas se han agrupado las plataformas robóticas programables, en tres subgrupos, entre ellos:
Kits robóticos educativos. Incluyen un conjunto de piezas prediseñadas, una serie de actuadores y sensores que pueden unirse entre sí con el objeto de realizar tareas específicas. Estos sensores y actuadores normalmente son fabricados por la misma empresa del kit y por motivos comerciales cuentan con una baja compatibilidad a sensores genéricos lo cual aumenta significativamente los costos. Ejemplo de estos kits son los presentados por la compañía Lego con su línea Mindstorm.
Tarjetas de desarrollo. En este grupo se incluyen tanto las tarjetas de desarrollo prediseñadas como los SBC, las cuales están compuestas por una tarjeta que presenta capacidades de programación e incluyen puertos de entrada y salida. Al momento de la compra no incluyen sensores, actuadores o periférico que puedan ser usados para aplicar la robótica, aunque por su construcción se les pueden integrar gran variedad de sensores genéricos, incluyendo los sensores de bajo costo. Sin embargo, se requiere de conocimientos básicos de electrónica para su aplicación. En esta categoría pueden encontrarse la gama de Arduino, la tarjeta Raspberry PI, la tarjeta BeagleBone.
Plataformas robóticas realizadas a la medida. Hacen uso de uno o varios microcontroladores a través de placas diseñadas a la medida, para la solución de problemas dentro del aula de clase. A pesar de ser más flexibles que los otros grupos nombrados, se requiere de un conocimiento intermedio o avanzado en electrónica para el diseño y la fabricación de la tarjeta de circuito impreso (PCB), lo cual hace que sea poco frecuente en la educación primaria o secundaria y más frecuente en ámbitos universitarios.
Con el objetivo de definir los dispositivos robóticos sobre los cuales será compatible el entorno de desarrollo integrado se definieron las características mínimas:
Posibilidad de transferencia de información binaria (Código ejecutable) al dispositivo mediante algún estándar cableado o inalámbrico como conexión Bluetooth, 802.11, puerto serie o paralelo como el Bus Serial Universal (USB). Capacidad de almacenamiento y procesamiento suficiente para la interpretación
del código transferido mediante un ambiente virtualizado.
Tener entradas disponibles con capacidad de medir variables externar a través de sensores para la detección de obstáculos, detección de fronteras, establecimiento
de posición o detección de condiciones externas que presenten relevancia en la educación secundaria.
Poseer puertos o buses de salida para el uso de motores y servomotores para facilitar el desplazamiento del robot en el ambiente.
Capacidad para adicionar nuevos sensores y actuadores de manera sencilla.
1.3.1 Selección de plataformas para implementación del
ambiente de desarrollo
Para la realización del proyecto se escogió un dispositivo de cada grupo definido. Es decir, se seleccionó un kit comercial de robótica educativa, una tarjeta de desarrollo y se hizo uso de una plataforma robótica construida a la medida basada en un microcontrolador. Los aspectos por evaluar de las plataformas son:
Disponibilidad en el mercado local, es decir, que se puedan adquirir físicamente en la ciudad de Medellín.
Tamaño de memoria flash que permite almacenar rutinas para ser posteriormente ejecutadas por el microcontrolador. Si existe un mayor tamaño de memoria flash, es posible ejecutar tareas de mayor complejidad.
Tamaño de memoria EEPROM la cual permite almacenar de manera persistente datos de la aplicación para ser utilizados durante múltiples corridas.
Tamaño de la memoria RAM que se encargada de almacenar los datos de la aplicación de manera temporal durante la ejecución de instrucciones. De la cantidad de memoria RAM depende el tipo y el número de variables y la cantidad de llamadas apiladas a funciones.
Velocidad de operación del reloj interno el cual es asociado al límite de instrucciones que pueden ser ejecutadas por unidad de tiempo por el microcontrolador. Una velocidad del reloj alta normalmente implica un mayor número de operaciones matemáticas y de control por unidad de tiempo.
Puertos de entrada y salida digitales disponibles que permiten controlar sensores y actuadores externos. Los puertos digitales solo pueden tener dos estados y está relacionado con el voltaje de operación del microcontrolador.
Puertos analógicos disponibles y su resolución en BITs. Los puertos análogos cuentan con un conversor análogo digital (ADC) que permiten convertir un voltaje de entrada a un valor digital. La precisión de los puertos análogos está determinada por la resolución del conversor análogo digital.
Número de canales PWM que permiten generar ondas cuadradas que resultan de utilidad para controlar la velocidad de los componentes periféricos, como la velocidad de giro de un motor o la intensidad de luminosidad de un diodo emisor de luz (LED).
Interfaces de comunicación disponibles. Las interfaces de comunicación permiten el envío y la recepción de información desde el microcontrolador a otros componentes electrónicos como sensores, otros microcontroladores o computadores.
Capacidad para comunicación directa a través de un puerto USB. Gracias a la popularidad del puerto USB, la comunicación a través de este bus facilita el uso de la plataforma.
Precio. Se tiene como objetivo una plataforma de costo reducido lo que implica la selección de piezas que se ajusten al presupuesto.
Al realizar la revisión de los listados de productos disponibles en las tiendas electrónicas de Suconel (http://suconel.com) y Electrónicas I+D (https://didacticaselectronicas.com), se encontró que para el caso de las plataformas robóticas disponibles en el mercado local eran:
Lego Mindstorms. BIOLOID Premium Kit.
Y las tarjetas de desarrollo disponibles encontradas son: Arduino.
Raspberry PI. BeagleBone Black.
1.3.2 Plataforma robótica realizada a la medida
Para el proyecto se usó una tarjeta de construcción propia elaborada en el trabajo dirigido de grado en pregrado llamado “Plataforma Robótica como apoyo al proceso de
apoyo al aprendizaje”. Este proyectó fue desarrollado a partir del microcontrolador PIC 18F4550, cuyo costo ronda los 4.26 USD.
El microcontrolador se configuró para funcionar a una velocidad de operación de 20MHz y viene encapsulado en un paquete DIP40 o DIP44. Cuenta con 256 bytes de memoria EEPROM, 32KB de memoria flash de aplicación y 2KB de memoria RAM, soporta auto programación que facilita la actualización del firmware. Cuenta además con 13 canales análogo-digitales con una resolución de 10 bits, incluye un módulo USB por lo cual no se requiere de hardware adicional. Por su facilidad de uso este microcontrolador ha sido ampliamente usado en múltiples proyectos de robótica [25], [26].
Ilustración 1 PCB diseñada por computador a la izquierda y PCB manufacturada y montada a la derecha.
La tarjeta de control cuenta con 6 I/O analógicas, 14 I/O digitales que facilitan la conexión de múltiples sensores y actuadores, un botón de reinicio y un botón para la carga de rutinas y programable para cumplir alguna función en específico. Se complementó la construcción con un puente H L293D, que permite controlar el movimiento del robot a través de dos ruedas diferenciales sin necesidad de hardware adicional.
Ilustración 2 Robot con diferentes sensores y actuadores instalados
1.3.3 Tarjeta de desarrollo
En la inspección realizada de las tiendas electrónicas presentes físicamente en la región se encontró que se ofrecían para la venta la tarjeta SBC Rasperry PI 2 Model B, Arduino UNO R3 y BeagleBone Black.
El Raspberry Pi Model B es un computador de placa reducida (SBC) y bajo costo desarrollada en Reino Unido por la fundación del mismo nombre. Fue creado con el objetivo de estimular la enseñanza de las ciencias de la computación en las escuelas. La tarjeta Raspberry PI 2 Model B es la segunda generación de esta tarjeta y cuenta con un procesador ARM de cuatro núcleos a 900MHz, 1 GB de RAM, 4 Puertos USB, 26 puertos digitales de entrada y salida, puerto HDMI, puerto Ethernet, salida de audio y slot para tarjeta microSD. Tiene la capacidad para correr sistemas operativos completos como varias distribuciones de Linux o Windows 10, lo que la hace que la tarjeta sea muy flexible para el aprendizaje de diferentes lenguajes de programación. Su costo ronda 35USD o 150.000 pesos colombianos. Sus capacidades pueden ser ampliadas usando el puerto USB para la conexión de periféricos como módulos Bluetooth o redes inalámbricas de la familia 802.11 [27].
El Arduino Uno, es una placa electrónica que se acompaña de un ambiente integrado de desarrollo que permite el control de sensores y actuadores. La versión 3 de la placa Arduino Uno se basa en el microcontrolador AtMega328p que funciona a una frecuencia de 16MHz a través de un oscilador externo. Cuenta con 32KB de memoria flash de los
cuales se usan 0.5KB para el Bootloader, posee 2KB de memoria SRAM y 1 KB de memoria EEPROM, 14 pines digitales de entrada y salida, 6 de los cuales pueden ser usados para generar PWM e incluye 6 puertos análogos. Se estima que para el 2013 se habían vendido más de 700 mil placas oficiales. Sin embargo, por la característica de ser una paca libre, esta cifra puede ser mucho mayor ya que se desconoce el número de placas genéricas vendidas [28]
La tarjeta BeagleBone Black es una plataforma de desarrollo de bajo costo (SBC) similar a la Raspberry PI, soportada por la comunidad para desarrolladores y hobistas. Funciona bajo GNU/Linux y tiene la característica de iniciar el sistema operativo en menos de 10 segundos. Es compatible con una variedad de sistemas operativos como Debian, Android, Ubuntu, entre otros. Tiene capacidad de comunicación a través de los puertos USB, Ethernet, HDMI, entre otros [29].
Para la selección de tarjeta de desarrollo se realizó una valoración ponderada de acuerdo a las características de las tarjetas como velocidad de reloj, memoria flash, memoria EEPROM, memoria RAM, número de puertos de entrada y salida, número de canales PWM, número de canales análogos, resolución de los puertos análogos, número máximo de reescrituras de la memoria, interfaces de comunicación, modo de conexión por USB y el precio. Estas características se pueden ver en Tabla 9 Comparación de Microcontroladores y tarjetas de desarrollo. El factor de ponderación usado se puede evidenciar Tabla 8 Valor de Ponderación para los elementos evaluados y el resultado se puede apreciar en Tabla 11 Ponderación de la evaluación de las tarjetas de desarrollo. El valor de ponderación usado fue construido de acuerdo al criterio propio y en miras de beneficiar los elementos que permitan integrarlo más fácilmente al entorno de desarrollo construido.
Por la calificación obtenida la SBC Raspberry PI 2 fue selecciona como herramienta tecnológica encargada del procesamiento de datos y ejecución de tareas para el kit robótico. Sin embargo, al compartir tantas características en común es posible adaptar fácilmente el entorno de desarrollo a la tarjeta BeagleBone Black.
Valor de Ponderación
Velocidad de operación del reloj 5
Memoria Flash de Aplicación 5
Memoria EEPROM 2
Memoria Ram 5
Numero de Puertos de Entrada y Salida 6
Número de Canales PWM 4
Número de canales Análogos y su resolución 6
Número máximo de reescrituras de la memoria flash 7
Interfaces de Comunicación 7
Precio 10
Modulo USB 6
