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- Puebla, Pue. México.

Por Joaquín Irigoyen, Concepción Pérez. Jenny Ortega y Mather X Mendonza

 

Resumen

Este trabajo comprende una revisión de publicaciones actuales, realizadas sobre la implementación de Arduino en el proceso de enseñanza aprendizaje en la Ingeniería. Este artículo pretende dar un panorama de lo que se ha estado desarrollando a nivel de Ingeniería mediante la aplicación de microcontroladores integrados en placas de desarrollo como Arduino, tanto en Software como en Hardware, de tal forma que pueda brindar al estudiante TSU o de ingeniería, una forma de trabajar con la metodología de aprendizaje basado en proyectos para el desarrollo de prototipos e integrarlos en algunas materias de su carrera para comprender más sus conocimientos de manera práctica.

 

I. INTRODUCCIÓN

Con este documento, buscamos que el alumno TSU o de Ingeniería particularmente de la carrera de Tecnologías de Información, utilice una metodología más participativa y activa, que sea más atractiva para ellos. Las nuevas tecnologías de la educación son una herramienta para fortalecer la enseñanza y el aprendizaje, aumentar las oportunidades para acceder al conocimiento, desarrollar habilidades colaborativas o inculcar valores, entre otros. Si hay algo que ha cambiado nuestra vida y nuestros hábitos en los últimos años han sido las nuevas tecnologías. En esta investigación se pretende encontrar, qué se ha escrito sobre el uso de la tecnología actual en la educación y en particular de la tecnología de Arduino, el cual consiste en un medio económico y sencillo para implementar soluciones tecnológicas de la ingeniería en actividades prácticas mediante una combinación de hardware y software abiertos disponibles para desarrollar soluciones.

En los últimos años, Arduino se ha convertido en una plataforma de creación de prototipos popular, especialmente entre los aficionados y también con fines educativos (Gover, Krishnan, Shoup, & Khanbaghi, 2014). Arduino es probablemente la plataforma de hardware de código abierto (OSHW) de mayor impacto en los últimos años. Su enfoque, basado en la simplicidad de uso, bajo costo y creación de la comunidad, ha hecho de esta plataforma un gran éxito. (Torroja, Lopez, Portilla, & Riesgo, 2015).

Arduino es un microcontrolador inventado por personas que no son ingenieros, sino estudiantes de una escuela de arte en Ivrea, Italia. Es simple pero poderoso, inmensamente popular entre los aficionados de todo el mundo y ampliamente utilizado en la educación STEM. (Wood & Ganago, 2018). Arduino se basa en un marco de código abierto que alienta a las personas de todas las comunidades a compartir sus diseños, dibujos y ejemplos de código. (Huang, 2015). La tecnología Arduino resulta en un sistema de computación con la integración directa de las áreas de hardware y software para el diseño e implementación de soluciones (Tupac-Yupanqui, 2021). Como recurso educativo, tiene muchas aplicaciones, y por ejemplo una de ellas es la programación de robots, que permite trabajar en el aula aspectos como la creatividad, el pensamiento lógico, capacidades organizativas, desarrollo de la psicomotricidad fina, aprendizaje basado en proyectos, resolución de problemas o el fomento del trabajo colaborativo. (Martin, 2017).

El objetivo principal de esta investigación es conocer aquello qué se ha publicado sobre el uso de Arduino en el proceso de enseñanza aprendizaje, especialmente en el área de las ingenierías, y de cómo ha sido de utilidad para el desarrollo de prototipos.

 

II. HERRAMIENTAS DE APRENDIZAJE

Una herramienta de aprendizaje es un instrumento diseñado para ser utilizado por los alumnos que proporciona una estructura en donde pueda desarrollar sus habilidades, comportamiento de aprendizaje y/o recopilar y pensar sistemáticamente sobre información clave del tópico a estudiar. Mientras que las herramientas de enseñanza son utilizadas principalmente por el profesorado, las herramientas de aprendizaje son utilizadas principalmente por los estudiantes. Arduino nació en el Interaction Design Institute Ivrea desarrollado por Telecom Italia y Olivetti como una herramienta fácil para la creación rápida de prototipos, dirigida a estudiantes sin experiencia en electrónica y programación. Nació como una herramienta de aprendizaje. Existen Parallax Basic Stamp, Netmedia's BX-24, Phidgets, MIT's Handyboard y otros, que ofrecen funcionalidades similares. Pero Arduino simplifica el proceso de programación con microcontroladores a través de Human Computer Interaction (hci) flexible y que puede ser ejecutada en la plataforma tinkercad, tiene un lenguaje de programación relativamente sencillo para estudiantes noveles pero es suficientemente flexible para usuarios más avanzados. Es multiplataforma y sus placas en sus diferentes versiones, son relativamente económicas. Estos instrumentos de aprendizaje permiten desarrollar las capacidades y habilidades de forma autónoma por los estudiantes.

 

III. PLACA DE DESARROLLO ARDUINO

Arduino es un proyecto de Código Abierto (Open Source) que posee una plataforma de hardware y un IDE (Integrated Development Enviroment). Esta plataforma de hardware está integrada por una variedad de tarjetas programables, de las cuales la más básica y accesible es Arduino UNO, la cual no solo es la tarjeta más accesible desde el punto de vista económico, también es la más usada para fines diversos, edades e intereses (Herger & Bodarky, 2015).

Arduino UNO está integrado por un microcontrolador ATmega318P, con 14 pines digitales de Entrada/Salida, 6 pines de entrada análoga, una memoria flash de 32 Kb, SRAM de 2 KB, EEPROM de 1 Kb, 7-12 V de entrada y una velocidad de reloj de 16 Mhz.

Para facilitar su uso y programación se desarrolló simultáneamente y conjuntamente con la plataforma Arduino, un IDE (o Entorno de Desarrollo Integrado), en el que se usa un lenguaje de programación parecido a C++, basado en el lenguaje Wiring 2. El entorno de desarrollo está basado en Processing 3. El IDE permite editar, compilar y enviar el programa a la plataforma Arduino que se esté utilizando, así como comunicarse vía serie y mostrar los datos en una ventana terminal. La plataforma Arduino se comunica con el IDE mediante un programa cargador (bootloader) precargado en el microcontrolador de la plataforma Arduino. El IDE es software libre y se puede descargar gratuitamente desde el sitio web oficial de Arduino (arduino.cc).

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IV. ARDUINO EN PROYECTOS EDUCATIVOS

Las instituciones educativas han optado por la aplicación de la robótica educativa, ya que es una herramienta útil para impulsar el aprendizaje y la creatividad de los estudiantes en temas relacionados con la tecnología y conceptos abstractos (Martínez & Niño, 2017). En la actualidad, el sector educativo busca desarrollar en los estudiantes competencias en programación, debido a que con ellas los estudiantes logran comprender la estructura, la lógica y el lenguaje de programación empleados por diferentes artefactos o sistemas tecnológicos que funcionan en nuestro entorno (Alvis et al., 2019; Avella et al., 2017). Además, adquirir dichas competencias abre el horizonte a nuevas profesiones requeridas por el mundo globalizado (Barrera et al., 2020; Vargas et al., 2020).
Esta es una recopilación de algunos de los proyectos que se han realizado con Arduino en la educación recientemente. Se enumeran por artículo, no importando el orden:

Mora, en 2019, habla de la elaboración de un robot tipo sumo con piezas desmontables, pensado como material didáctico que facilita el proceso de enseñanza-aprendizaje de conceptos de electrónica y programación en Arduino. En este artículo, menciona que dicho prototipo fue modelado y simulado con los softwares de diseño AutoCad y SolidEdge, con lo que se logró el dimensionamiento de la estructura mecánica del prototipo. Como elemento de control se usó la placa Arduino, con el fin de manipular de manera eficaz los sensores y actuadores que componen el robot. Además, para la construcción del prototipo, se optó por la impresión de piezas en 3D y se verificó que el robot cumpliera con los parámetros de diseño establecidos. El robot desarrollado cuenta con sus guías didácticas para el ensamble mecánico y electrónico, así como con las de programación para su correcto funcionamiento. Por lo tanto, se puede decir que el robot sumo cumple con los requisitos técnicos y pedagógicos para ser empleado como material didáctico. Esta investigación es exploratoria, debido a que se analizará el impacto del prototipo dentro de un ambiente educativo académico para, de esta manera, dar paso a posteriores investigaciones en torno al desarrollo y resultados de este proyecto (MORAN, 2021).

Por su parte, Sanchez en 2014, ve la realización práctica del desarrollo de un prototipo de casa inteligente de bajo costo como una experiencia en el área de la domótica, cuyo objetivo principal es reportar el proceso y la metodología que podrían ser usados por otros grupos que tengan como propósito un proyecto similar. Este reporte incluye fallos y aciertos clave que se tuvieron durante los diferentes procesos: planeación, diseño y ejecución del prototipo.

Como particularidad interesante en este punto del proyecto, los expertos propusieron metodologías de trabajo relacionadas, por lo que se analizaron las ventajas y desventajas de algunas de estas para definir la que se tendría en cuenta finalmente. Luego de discutir diferentes posibilidades bastante interesantes, como por ejemplo, el uso de metodologías rápidas o el uso de metodologías de desarrollo de Software (Jacobson, Booch, & Rumbaugh, 1999), se decidió utilizar una metodología que tuviera una serie de pasos bien definidos y que permitiera trabajar por fases. Además, esta metodología debería tener una etapa de planeación importante en la que se definiera la parte física, es decir, la maqueta, de una manera clara. (SANCHEZ, 2014).

En este otro proyecto, documentado por Garcia en 2021, trata de resolver el problema de que una persona que sufre constantemente de estrés puede llegar a sufrir enfermedades cardiacas, enfermedades de la piel, presión arterial alta e inclusive obesidad. La presente investigación está basada en el desarrollo de un dispositivo para relajación mediante puntos de presión a personas con estrés y ansiedad. Comenta el autor, que se elaboró un estudio bibliográfico sobre puntos de presión en la mano a través de la historia que incluye técnicas más usadas y recomendadas para la eficacia de la relajación. Se usó la metodología comparativa en donde se evaluó la funcionalidad, el costo y la confiabilidad y como resultado de las pruebas, concluye que el dispositivo es un guante que cumple con las expectativas de los pacientes llegando a relajarlos. (GARCIA, 2021).

En el siguiente artículo, Cuero expone el propósito de su investigación cuyo objetivo principal es aplicar la metodología denominada Aprendizaje Basado en Proyectos o ABP a los estudiantes del curso de control digital en la carrera de Ingeniería Electrónica de la Universidad de los Llanos a través del diseño y construcción de prototipos dirigidos al control de sistemas electromecánicos como los que tienen un motor de corriente continua.

El ABP permite el protagonismo en el proceso de enseñanza y aprendizaje del estudiante, y el docente se vuelve un guía del proceso, gracias a los contextos de aprendizaje reales que proporciona la metodología, donde, investigar, realizar el diseño, tomar decisiones y resolver el problema son retos que debe resolver el estudiante para adquirir competencias y habilidades importantes para su construcción profesional (Ausín et al., 2016; Ballesteros et al., 2019).

Cuero, indica que diseñó y aplicó una estrategia de intervención educativa con la taxonomía SOLO, que proporciona un marco estructurado para clasificar los niveles de aprendizaje de los estudiantes.

La aplicación de SOLO determinó que el 68% de los estudiantes alcanzó el nivel de comprensión relacional y el 4% el abstracto extendido. A través de esta experiencia, se percibió que los estudiantes fortalecieron sus competencias del ser, del saber y del hacer al convertirse en los protagonistas de su proceso de formación.

La investigación concluye, planteó la integración del aprendizaje basado en proyectos con el modelo orientado a prototipos como herramienta de fortalecimiento del proceso de enseñanza aprendizaje de los sistemas de control digital. (Cuero, 2021).

 

V. ARDUINO Y SISTEMAS OPERATIVOS EMPLEADOS EN EL DESARROLLO DE PROYECTOS

En lo que respecta al empleo de Arduino para programar, este dispositivo, utiliza un IDE o Entorno de Desarrollo de Software, para su programación, compilación y la carga del código a su microcontrolador. Este IDE, es compatible con múltiples sistemas operativos, como Windows, Linux o Mac.

A continuación se muestran diversas tablas donde se aprecia la compatibilidad del IDE con diversos sistemas operativos y lenguajes de programación.

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VI. ARDUINO Y LAS TENDENCIAS EN EL IOT Y LA INDUSTRIA 4.0

Después de años de tasas de crecimiento altas y sostenidas, la pandemia y la recesión económica afectaron a los mercados de Iot y microcontroladores, El gasto empresarial de IoT creció un 12% en 2020 y se esperaba que en el 2021 el gasto aumentará en un 24% en el primer trimestre 2022 incrementando hasta un 50% interanual. Sin embargo, esto ha sido sólo en las empresas pioneras e innovadoras en el ramo; los niveles de adopción de Iot se están acelerando según [IoT Analytics] como la principal tendencia año actual 2022 principalmente impulsada por las operaciones inteligentes de proyectos de IoT en Asia - Pacifico por ello se empieza a denotar una brecha de adopción de IoT entre las empresas líderes y las rezagadas. Empresas como Qualcomm informaron un crecimiento interanual del 83% en su segmento de IoT y Silicom Labs hizo crecer su negocio de IoT en un 39% interanual. Esta tendencia refleja que hay una demanda latente sobre los profesionales en este ramo, la segunda tendencia en auge es sobre los casos de uso como la implementación de mejora de automatización de operaciones o procesos industriales, la mejora del rendimiento de activos en las plantas, mantenimiento predictivo/ pronóstico tiempo de inactividad de equipo, son las más populares mientras que hay un rezago en Smart City, Smart Houses y Smart Factory.

Se clasifica el uso de tecnologías IOT en supervisión remota de activos (solo lectura), por ejemplo monitoreo continuo, tiempo real y remoto de activos para las líneas de embotellado de latas y PET, Supervisión y Control Remoto de Activos (lectura y escritura). Es una extensión de lectura, pero con la modalidad de escritura e incluida en el control de los activos y para amortizar un parámetro de alarma. Gestión de flotas de vehículos (seguimiento/localización) dentro de la cadena de suministro. Seguimiento de ubicación o geo-localización del activo, para la optimización de rendimiento de activos / plantas. APM mejora la confiabilidad y disponibilidad de los activos físicos de la planta. Gestión y Control de calidad a través de visión artificial u otros datos de sensores, en las que se pueda detectar problemas de calidad en tiempo real durante las operaciones. Monitoreo del estado de mercancías en tránsito. Supervisar las condiciones de los bienes es esencial para las industrias farmacéuticas o de alimentos y de bebidas. Mantenimiento predictivo para pronosticar la vida útil restante de los activos y garantizar que se reparen antes de que fallen son soluciones que intersectan IA y el mantenimiento. Finalmente el seguimiento y localización in situ, la disponibilidad de sensores y rastreadores de bajo costo hará que sea fácil y relativamente barato rastrear bienes y herramientas en sitios de construcción, puertos, edificios y fábricas. Estas tendencias de aplicaciones de microcontroladores en iot junto con elementos imprescindibles de conectividad revolucionan las aplicaciones que los ingenieros están adoptando en la industria 4.0. La adopción está dividida por el momento en operaciones inteligentes, cadena de suministro inteligente, productos conectados y transporte conectado.

Si bien es cierto existen muchas plataformas de desarrollo de hardware abierto, los microcontroladores conocidos como Arduinos se han convertido en el ambiente de prototipado más usado a nivel global (Leung, 2012). A nivel industrial ya aparecen casos exitosos reportados, como la puesta en marcha de una impresora industrial de etiquetas plásticas controlada totalmente por cinco Arduinos (Romano, 2013), o la actualización con Arduinos de una máquina cuyas tarjetas obsoletas no se conseguían en el mercado (MAAC, 2012). Por otra parte, y atacando una debilidad señalada como la interconexión con otros dispositivos, la compañía Annikken (Piasim Corporation, 2014) ofrece el shield de conexión bluetooth para controlar, monitorear, guardar datos en cualquier dispositivo móvil con el sistema operativo Android o IOS. Asimismo, el control o monitoreo a través de internet se realiza de forma muy sencilla usando el Arduino Yun y las bibliotecas de Temboo (Temboo, 2013), que permiten publicar en tiempo real datos en Facebook, Twitter o tablas de datos y curvas en Plotly (Plotly es una herramienta científica basada en la WEB, para importar datos y genera gráficas de tendencias, líneas de ajuste, graficas de barra, etc.).

Otra tendencia marcada para la utilización de los Arduinos consiste en realizar la adquisición de datos y el preprocesamiento en el sitio, con enlaces inalámbricos a otros dispositivos, sin embargo, para esto se requiere mayor potencia de procesamiento. En este sentido, Intel incursiona desarrollando el Arduino llamado Galileo (Arduino, 2014c), que tiene un procesador Intel de 32 bit, que corre a 400 MHz, con 256 Mega Byte de memoria de trabajo, redes ethernet de 100 Mbits, mini-PCI y memory card de 32 Giga bytes, capacidades de sobra suficientes para realizar labores de automatización, adquisición y preprocesamiento de datos, etc. (Murillo, Soto 2014).

 

VII CONCLUSIONES

En la carrera de TI de la Universidad Tecnológica de Puebla, enseñar ciencias básicas y materias técnicas de la especialidad tanto en Técnico Superior Universitario como en Ingeniería, se convierte en un compromiso y reto docente frente al rápido avance tecnológico que vivimos, al encontrar las herramientas que permitan a los estudiantes sentirse actualizados y al mismo tiempo cautivar la atención, interés y motivación de sus capacidades para que logren ser participativos en el proceso enseñanza aprendizaje, considerando los nuevos planes y programas de estudio recientes, y a la vez contemplando que algunos de ellos presentan dificultades académicas, familiares, económicas y de salud, así como otros factores. Como muestra este trabajo, la inclusión de herramientas TIC en la educación TSU e ingeniería, es particularmente atractiva y conduce a mejores resultados de aprendizaje para nuestros jóvenes. Consideramos a la tecnología Arduino como una plataforma ideal e incluso un eje central para que los estudiantes desarrollen sus conocimientos de manera participativa, constructiva y creativa.

Además, este trabajo permite a los estudiantes aplicar desde la práctica conocimientos teóricos básicos y de especialidad TI para poder acceder al aprendizaje profundo, que impacte en las experiencias encontradas en la industria en donde desempeñan sus estadías, pero sobre todo la ventaja de utilizar materiales baratos, de código abierto y fácil de hacer. Creemos cada vez más que la forma de producir mejores TSU e ingenieros en la Carrera de TI, es llevarlos a través de la práctica de observar el proceso a través de la recopilación, seguimiento y control de variables utilizando una herramienta poderosa, novedosa y práctica como Arduino.

 

REFERENCIAS

[1] Agatolio, F., Moro, M. (2017). A Workshop to Promote Arduino-Based Robots as Wide Spectrum Learning Support Tools. In: Merdan, M., Lepuschitz, W., Koppensteiner, G., Balogh, R. (eds) Robotics in Education. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol 457. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-42975-5_11.

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[13] https://iot-analytics.com/iot-adoption-trends/

[14] https://iot-analytics.com/top-10-iot-use-cases/

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