Aplicación de la Robótica en la Integración de Ciencias y Matemáticas a Nivel Intermedio Dr. Omar E. Meza Castillo Departamento de Ingeniería Mecánica

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Introducción 2

 Nuestra sociedad ha sufrido cambios significativos, profundos y a pasos agigantados desde los años 80s. Se atribuye parte de estos cambios, al acelerado avance científico y tecnológico. ’80: Introducción de las Primeras Computadoras. ’80: Introducción de las Primeras Computadoras. ’90: Aparición de Internet. ’90: Aparición de Internet. Siglo XXI: Introducción de Medios Masivos de Comunicación Siglo XXI: Introducción de Medios Masivos de Comunicación  No obstante, en lo que respecta a la educación, la incorporación de la tecnología a los salones de clase ha sido un proceso lento. 3

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  La falta de recursos tecnológicos, así como la falta de preparación de los maestros han contribuido a que este proceso sea un desafío vigente para las instituciones educativas.  Alemania y Estados Unidos presentan un descenso en la matricula en las carreras técnicas, en especial en las ingenierías. El motivo es la percepción social de la dureza de estas carreras y su supuestamente aburrido desarrollo (énfasis en matemáticas y física).  Esta situación ha llevado a la creación de organizaciones de promoción y difusión de la ingeniería (programas STEM “Science Technology Engineering and Mathematics”) 4

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Muchas de estas iniciativas han decidido utilizar los robots como medio para acercar las disciplinas técnicas inicialmente a los alumnos de educación secundaria, pero actualmente a todos los niveles.  La Robótica como tecnología para la educación requiere de un currículo integral donde las ciencias y las matemáticas se complementen. Esto permite a los estudiantes entender las relaciones entre los temas objeto de estudio. 5

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 6

7 ¿Por qué introducir la robótica en la escuela?

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Porque:  Permite construir las propias representaciones del entorno que nos rodea, facilitando un mejor entendimiento del mundo real.  Anima a pensar creativamente, analizar situaciones y aplicar el pensamiento crítico y habilidades para resolver problemas reales.  Estimula la imaginación y creatividad y desarrolla de la concentración y habilidades manuales.  Permite ingresar a la ciencia por la puerta de la experimentación, además de provocar una inquietud por el razonamiento científico. 8

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Permite dotar al estudiante de un espacio controlado en donde puede cometer errores y estos no generen perjuicio en el propio estudiante.  Permite la Integración de Ciencias y Matemáticas 9

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón La Robótica Educativa 10

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  La Robótica Educativa es un medio de aprendizaje, en el cual la principal motivación es el diseño y las construcciones de creaciones propias.  Estas creaciones se dan en primera instancia de forma mental y posteriormente en forma física, las cuales son construidas con diferentes tipos de materiales y controladas por un sistema computacional.  El Aprendizaje está íntimamente ligado al hacer. Se trata de una experiencia activa de construcción de conocimiento. Hacer es: escribir, diagramar, investigar, probar, intentar, equivocarse, etc. 11

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 12 "Dime algo y lo olvidaré. Enséñame algo y lo recordaré. Déjame hacerlo solo y lo aprenderé“ Proverbio Chino

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 13 Fases de la Robótica Educativa

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 14 ¿Por qué utilizar el Robot LEGO Mindstorms NXT 2.0 en la Educación como ente integrador de las Ciencias y Matemáticas?

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  La Robótica como ente integrador de las ciencias y matemáticas resulta un medio didáctico excelente, dado que permite que el maestro implemente una enseñanza constructiva.  El proyecto MSP21 - Phase III (Math & Science Partnership for the 21 st Century Elementary and Secundary School Teachers) de la Universidad Interamerica de Puerto Rico - Recinto de Bayamón, seleccionó el Robot LEGO Mindstorms NXT 2.0 como medio educativo integrador de las ciencias y matemáticas. 15

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 16

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 17

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Este kit ha sido desarrollado de acuerdo a los principios educativos derivados de las teorías del desarrollo cognitivo de Jean Piaget (1966) revisados por Seymour Papert ( ). Este enfoque indica que: Es importante establecer un método de “aprender haciendo”, con la finalidad de fomentar la creatividad en los estudiantes, permitirles construir un robot por ellos mismos y programarlos por medio de la interacción con una computadora. Estas actividades ponen al estudiante en el papel principal de la experiencia y fomentándolo a tomar el mando de su propio proceso de aprendizaje. Es importante establecer un método de “aprender haciendo”, con la finalidad de fomentar la creatividad en los estudiantes, permitirles construir un robot por ellos mismos y programarlos por medio de la interacción con una computadora. Estas actividades ponen al estudiante en el papel principal de la experiencia y fomentándolo a tomar el mando de su propio proceso de aprendizaje. 18

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  La introducción de un medio tecnológico a un sistema de enseñanza, no es garantía de que va a mejorar la enseñanza. Un sistema educativo es mucho más complejo y su eficacia dependerá de muchos factores, tales como el medio ambiente educativo, las metodologías empleadas, de la filosofía de aprendizaje utilizada, de los contenidos de aprendizaje, de la pedagogía utilizada, etc. 19

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 20 Nuestra Experiencia en el proyecto MSP21 - Fase III

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Nuestra Misión: “Usar los efectos motivacionales de la robótica para lograr que los maestros de nivel intermedio integren las ciencias y matemáticas en sus clases, de una manera más dinámica y desarrollen una enseñanza constructiva” 21

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 22 Conceptos de Ciencia y Matemática Integrados con Robótica Estándares de Matemáticas Estándares de Ciencias Los Sistemas y Modelos Las Interacciones Conservación y Cambio La Energía La Estructura y los Niveles de la Materia Naturaleza de la Ciencia, Tecnología y Sociedad Geometría Análisis de Datos y Probabilidad Algebra Medición Numeración y Operación

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Talleres de Robótica Identificar los resultados deseados. 2. Hallar evidencia aceptable. 3. Planear experiencias de aprendizaje e instrucción. Todos los estudiantes son matemáticamente competentes, tecnológicamente educados, y capaces de comunicarse claramente. Los estudiantes aplican conceptos básicos, matemáticos y científicos, para resolver y explicar, problemas robóticos. Los estudiantes participan en situaciones donde deben “hacer” matemáticas y ciencia, en lugar de sólo estudiarlas. Currículo Robótico de la Academia de Robótica

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 24 Engranajes Básicos Sensores Básicos Diseñar un Chassis de Robot Medir Fuerza/Torque Midiendo Velocidad Rotacional Controlando Rotación Medir Distancias Calculando Dirección Escribir un Programa para Seguir un Camino Conceptos Tecnológicos que los estudiantes incorporan al diseñar, construir y programar robots “Entender es Más que Aprender, es aprender y saber como aplicar en contexto.”

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 25 Capacitación del Maestro

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 26 Aplicación del Robot en Clase

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 27

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Actividades Integradoras  Entre Agosto 2012 y Mayo 2013 los maestros de Nivel Intermedio del Proyecto MSP21, que participaron de los Talleres de Robótica, desarrollaron un conjunto de Actividades Integradoras que ahora forman parte de un Compendio que esta disponible y de libre acceso en página de MSP21: 28

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 29 Actividades Integradoras

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 30 Actividades Integradoras

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 31 Actividades Integradoras

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 32 Actividades Integradoras

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 33 Actividades Integradoras

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 34 Actividades Integradoras

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 35 Actividades Integradoras

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 36 Actividades Integradoras

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón CINEMÁTICA MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME [MRU] 37

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Estándares 38

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Posición, Velocidad y Aceleración En cinemática se estudia cómo se mueve un objeto. Ese objeto puede ser un coche, un pájaro, una nube, una galaxia, etc. En cinemática se estudia cómo se mueve un objeto. Ese objeto puede ser un coche, un pájaro, una nube, una galaxia, etc. El movimiento de un objeto significa para la física, saber dónde está, qué velocidad tiene, y si esta velocidad cambia o es todo el tiempo la misma. El movimiento de un objeto significa para la física, saber dónde está, qué velocidad tiene, y si esta velocidad cambia o es todo el tiempo la misma. 39

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Posición, Velocidad y Aceleración El lugar donde está el objeto que está en movimiento, se llama Posición. El lugar donde está el objeto que está en movimiento, se llama Posición. La rapidez que tiene el objeto que está en movimiento, se llama Velocidad. La rapidez que tiene el objeto que está en movimiento, se llama Velocidad. Si la velocidad del objeto aumenta o disminuye, se dice que tiene Aceleración. Si la velocidad del objeto aumenta o disminuye, se dice que tiene Aceleración. 40

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Espacio Recorrido (∆X) El lugar donde el objeto está, se llama posición. La distancia que el objeto recorre al ir de una posición a otra, se llama espacio recorrido. El lugar donde el objeto está, se llama posición. La distancia que el objeto recorre al ir de una posición a otra, se llama espacio recorrido. Observe que posición y espacio recorrido NO son la misma cosa. Observe que posición y espacio recorrido NO son la misma cosa. 41

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Espacio Recorrido (∆X) Estableceremos: Estableceremos: X o = posición inicial (lugar de donde el objeto salió). X o = posición inicial (lugar de donde el objeto salió). X f = posición final (lugar a donde el objeto llegó). X f = posición final (lugar a donde el objeto llegó). ∆X = espacio recorrido (= X f – X o ). ∆X = espacio recorrido (= X f – X o ). 42

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Tiempo transcurrido o Intervalo de tiempo (∆t) El intervalo de tiempo ∆t es el tiempo que el objeto estuvo moviéndose. El intervalo de tiempo ∆t es el tiempo que el objeto estuvo moviéndose. El ∆t “Delta t” puede ser 1 segundo, 10 segundos, 1 hora, etc. El ∆t “Delta t” puede ser 1 segundo, 10 segundos, 1 hora, etc. 43

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Tiempo transcurrido o Intervalo de tiempo (∆t) Estableceremos: Estableceremos: t o = instante inicial (tiempo en el cual el objeto salió). t o = instante inicial (tiempo en el cual el objeto salió). t f = instante final (tiempo en el cual el objeto llegó). t f = instante final (tiempo en el cual el objeto llegó). ∆t = espacio recorrido (= t f - t o ). ∆t = espacio recorrido (= t f - t o ). 44

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Velocidad en el Movimiento Rectilíneo La velocidad es la razón entre ∆X/ ∆t. La velocidad es la razón entre ∆X/ ∆t. 45

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón  Pendiente de una Recta (Línea de mejor ajuste) y= mx + b, donde del grafico podemos calcular m ~∆X/ ∆t. y= mx + b, donde del grafico podemos calcular m ~∆X/ ∆t. Donde: Donde:  m: pendiente  b: intercepto 46 b m

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Calcular la Velocidad de una Bola de Golf 47

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Calcular la Velocidad de una Bola de Golf 48

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Calcular la Velocidad de una Bola de Golf 49

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Calcular la Velocidad de una Bola de Golf 50

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón Calcular la Velocidad de una Bola de Golf 51 Tiempo

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 52  Integración de Conceptos Ciencias: Ciencias:  Robot como avance tecnológico, velocidad. Matemáticas: Matemáticas:  Medición, media aritmética, pendiente.

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 53  Objetivos Objetivo Conceptual: Objetivo Conceptual:  Calcular la velocidad de un objeto Objetivo Procedimental: Objetivo Procedimental:  Medir la distancia recorrida por el objeto.  Cambiar unidades de pulgadas a centímetros.  Medir el tiempo de recorrido  Calcular la velocidad [∆X/ ∆t o la pendiente] Objetivo Actitudinal: Objetivo Actitudinal:  Apreciar y reconocer la necesidad de usar un sistema de medición de distancia, así como el tiempo.  Trabajar en armonía con sus compañeros de mesa.

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 54  Materiales 1.Robot LEGO Mindstorms 2.Cronómetro 3.Cinta Métrica 4.Hoja de Trabajo 5.Calculadora 6.Bolas de Golf 7.Rampa de carton

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 55  Procedimiento 1.Formar grupos de trabajo (4 o 5 estudiantes) 2.Construir una rampa de cartón 3.Construir el sistema para medir intervalos de tiempo

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 56

Sensor de tacto 1 activa el cronómetro Sensor de tacto 2 desactiva el cronómetro El tiempo de muestra en pantalla 4.Programar el sistema (NXT Brick) para medir intervalos de tiempo. 57

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 5.Preparar el área de trabajo marcando la distancia de salida en pulgadas (ver figura) y preparar el cronómetro – NXT Brick. 58

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 59 6.Soltar la bola de golf 7.Anotar en la tabla, los tiempos.

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 60 8.Repetir los pasos (4 al 6) unas 5 veces para cada distancia (diferente posición). 9.Cambiar las unidades de pulgadas a metros. 10.Calcular la velocidad, para las mediciones. 11.Calcular la media aritmética, de los tiempos y velocidades (tabla I). 12.Construir el gráfico velocidad vs tiempo y calcular la pendiente.

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 61  Análisis de Resultados – Assessment Tabla : Velocidad de la Bola de Golf ExperimentoTiempo [Segundos]Velocidad V[m/s] 35 pulgadas = [ ] metros Media Aritmética 15 pulgadas = [ ] metros Media Aritmética 5 pulgadas = [ ] metros Media Aritmética

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 62 Graficar: Distancia vs. Tiempo Calcular ∆X/∆t del gráfico y comparar con el valor de la velocidad experimental Distancia [m] Tiempo [s]

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 63  Referencias 1.NXT programs.com: a free web resource for building and programming 2.The NXT STEP - Lego Mindstorms NXT Blog

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 64 ¿Preguntas? Comentarios

MSP21 Universidad Interamericana - Bayamón 65 GRACIAS