DESARROLLO DE HERRAMIENTAS VIRTUALES PARA LA ENSEÑANZA DE LA TERMODINÁMICA BÁSICA

REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 4, 2006

DESARROLLO DE HERRAMIENTAS VIRTUALES PARA LA ENSEÑANZA DE LA TERMODINÁMICA BÁSICA C. Quiñones, D. Ramirez, Z. Rodriguez, F. Rivera, E. Tovar, G. Vasquez y A. Ramirez Departamento de Ciencias Basicas, Universidad de America, Bogotá, Colombia (Recibido 09 de Sep.2005; Aceptado 20 de Jun. 2006; Publicado 20 de Nov. 2006) RESUMEN Se construyeron herramientas virtuales para ser utilizados como apoyo docente en la enseñanza de la termodinámica básica de carreras de ingeniería de la Universidad de América. Los programas cuentan con una excelente interfase hombre maquina que facilita mucho su uso por parte de alumnos inexpertos en el área y fueron realizados en LabVIEW por estudiantes de semestres superiores de Ingeniería. El impacto de estas herramientas se midió en un curso de 25 estudiantes obteniendo excelentes resultados. Palabras claves: Herramientas virtuales, termodinámica, labview.

ABSTRACT Virtual tools were built to be used as educational support in the basic teaching of the thermodynamics in engineering degree of the Universidad de America. The programs have an excellent human machine interface that facilitates their use a lot on the part of inexpert students in the area and were designed by students of advanced courses of the Engineering. The impact of these tools was measured in a course of 25 students with obtaining excellent results. Key words: Virtual tools , thermodynamics, labview.

1. Introducción La termodinámica es una asignatura de suma importancia que se aplica a campos diversos de la ingeniería y la ciencia lo que la hace ser considerada como una asignatura básica en la formación de científicos e ingenieros [1]. Uno de los principales problemas que suelen tener los estudiantes es aplicar los conocimientos adquiridos a problemas reales por medio de un análisis correcto y minucioso de la situaciones dadas en cada experimento o problema planteado [2]; En otras palabras generalmente la termodinámica se convierte en un problema matemático restando importancia al análisis y la aplicación practica de los resultados obtenidos con dichos cálculos. Las herramientas virtuales que se desarrollaron en este trabajo permiten cambiar este enfoque acercando al estudiante al análisis y la aplicación. 2. Enfoque del desarrollo. Generalmente la termodinámica no es considerada una asignatura sencilla en la educación superior. En gran parte la dificultad radica en los cálculos matemáticos que involucran el desarrollo de los problemas que se plantean en el aula de clase o el laboratorio. De esta manera el problema de la termodinámica no es la termodinámica misma si no las matemáticas que la acompañan. Pero incluso cuando el inconveniente matemático puede ser superado con éxito, el análisis de los resultados y la interpretación de los mismos quedan relegados a un segundo plano si se logra obtener la respuesta “correcta” en términos puramente numéricos. 1423

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Nuestro objetivo es ayudar a solucionar este inconveniente de dos maneras concretamente. En la primera fabricamos programas que facilitan en gran medida los cálculos, aunque de manera expresa evitamos que el alumno desconozca la manera de operar del programa, desde ese punto de vista podemos decir que las herramientas que se fabrican son transparentes al usuario. También tratamos de fomentar el análisis incitando al usuario a no quedarse solamente con el resultado numérico si no que se le pide que tome dediciones sobre el programa con el valor que ha obtenido. Para determinar los puntos mas difíciles se practicó una prueba de diagnostico a 25 estudiantes de diferentes ramas de la ingeniería, algunos de los cuales manifestaron su dificultad previamente o algunos de los cuales se encontraban repitiendo el curso. Sobre los puntos así determinados un grupo de estudiantes de semestres avanzados se centró en el desarrollo de las soluciones. Una vez construidas se practicaron talleres en el aula de clase pero también se permitió el trabajo libre con los programas en horas extra clase. Los resultados a evaluar fueron los siguientes: - Ayuda de las herramientas virtuales al entendimiento o desarrollo de un problema. - Aporte a la compresión general de la termodinámica. - Facilidad de manejo de las herramientas virtuales. - Aceptación por parte de los usuarios finales y opinión general. 3. El lenguaje de programación. Los programas fueron desarrollados en LabVIEW que es un lenguaje grafico de programación cuya configuración permite desarrollar aplicaciones avanzadas en tiempos muy cortos, incluso para personas con muy poca o ninguna experiencia en programación [3,4]. Esta características lo hacen ideal para trabajar en carreras universitarias que no abarcan campos como la programación o la ingeniería de sistemas [5]. Por otro lado la interfase hombre maquina tiene una configuración tal que permite ser manejada fácilmente por personas que desconocen completamente la forma de programar, es decir, el usuario no debe conocer ningún comando en absoluto y el manejo de estas herramientas virtuales se hace de manera completamente intuitiva, en una pantalla con controles e indicadores muy comunes en ámbito de la ingeniería.

Figura 1. En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques y el panel frontal de una de las herramientas virtuales desarrolladas en este trabajo. El programador es quien construye el diagrama de bloques que contiene el flujo de datos y las estructuras de programación que permiten el funcionamiento del programa. Por su parte el usuario puede desconocer completamente la estructura de programación e interacciona únicamente con el panel frontal. 1424

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Finalmente y a diferencia de muchos programas para la docencia, este es un lenguaje que cuenta con una amplia aplicación industrial de manera que tanto usuario como programador se entrenan en un ambiente que probablemente encontraran en su futuro a nivel de investigación, desarrollo o aplicación industrial en control y adquisición de datos [6]. 4. Descripción de la aplicación. Además de las características previamente expuestas las herramientas virtuales han sido diseñadas para que puedan proveer toda la ayuda necesaria para el correcto e inequívoco manejo del programa. Para lograr esto se introdujo un sistema de instrucciones y tareas en cada herramienta virtual así como un sistema de ayuda general y un sistema de ayuda localizada al cual se puede acceder por medio del menú “pop up” que aparece al hacer click derecho sobre cualquier elemento del panel frontal. Entre las aplicaciones desarrolladas se encuentran las dos que aquí hablaremos en consideración a la extensión de este artículo. La primera aparece en la figura 1 y es llamada Ecuaciones Cúbicas de Estado.VI. En el programa el usuario encontrará tres de las principales ecuaciones cúbicas de estado: Van Der Waals, Rendlich-Kwong y Peng-Robinson. Al seleccionar cualquiera de estas opciones, el usuario debe buscar la información de la sustancia pura que esta trabajando en las tablas de propiedades y constantes y luego ingresarla en la casilla correspondiente. Seguidamente debe ingresar la presión y la temperatura a la cual se encuentra el sistema, para que el programa realice los cálculos correspondientes junto con la información anterior para así poder obtener el volumen del gas y liquido por mol de sustancia, de manera más precisa para que el usuario pueda dedicarse al análisis de los resultados sin detenerse en los cálculos matemáticos. El propósito de este programa es que los estudiantes puedan trabajar con diferentes valores de presión y temperatura de una misma sustancia obteniendo diferentes volúmenes, para que luego, estos puedan seleccionar las mejores condiciones teniendo en cuenta los recursos termodinámicos.

Fig. 2.

La aplicación que aparece en la figura 2 es llamada tablas termodinamicas.VI. El programa le permite al usuario calcular las propiedades termodinámicas en cualquiera de las tres fases en que una sustancia pura se encuentre, líquido comprimido, líquido-vapor y vapor sobrecalentado. Para poder determinar en que fase se encuentra la sustancia, el usuario debe ingresar al menú: que tablas debo utilizar?, indicando primero cuales propiedades conoce del sistema, para después compararlas con las presentadas en las tablas termodinámicas. Después, el usuario debe dirigirse al menú de acuerdo a los resultados obtenidos (bien sea líquido vapor o líquido comprimido-vapor sobrecalentado), en este debe seleccionar nuevamente las propiedades que conoce y luego leer de tablas la información que se pide e ingresarla. 1425

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El programa inclye un menú llamado regresiones que le permite al usuario escoger que clase de interpolaciones (lineales, logarítmicas y exponenciales) debe utilizar entre diferentes parejas de propiedades. Luego de ingresar la información el programa realiza los cálculos para hallar las diferentes propiedades características del sistema que se esta trabajando. 5. Resultados Los programas fueron evaluados por medio de pruebas de conocimientos que se practicaron a los estudiantes antes y después de participar en el curso. También se realizaron encuestas de aceptación que permitían a los estudiantes opinar de manera anónima acerca del trabajo con los programas. Estas evaluaciones permitieron determinar que las herramientas docentes desarrolladas tuvieron un impacto positivo en los alumnos. Las características de los programas permitieron además que muchos de los alumnos dedicaran más tiempo extra clase a trabajar en termodinámica lo que nos hace concluir que los programas facilitan el estudio y resultan amenos para los estudiantes. Después de trabajar con las herramientas virtuales los estudiantes se mostraron mas dispuestos al análisis de situaciones aplicadas y correlacionaron mas estrechamente diferentes conceptos termodinámicos. A partir de este trabajo se inicio una línea de desarrollo enfocada a distintos campos de las ciencias básicas tanto en simulación y ayuda docente como en el área de laboratorio. Conclusiones Se construyeron herramientas de apoyo docente en el área de la termodinámica utilizando LabVIEW, estas herramientas cubrieron distintos campos de la termodinámica básica y se diseñaron con el propósito de aumentar la capacidad de análisis de los estudiantes frente a aplicaciones prácticas de conocimientos teóricos. Las herramientas virtuales desarrolladas permiten un desarrollo intuitivo de tareas propuestas que pueden ser de utilidad tanto para un neófito como para un experto en esta área de la ciencia. Agradecimientos: Este trabajo fue financiado por la División de investigación de la Universidad de América. REFERENCIAS [1] J. Smith et al, Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química. Ed. McGraw Hill. México. 2002 [2] Y. Cengel et al, Termodinámica. Ed McGraw Hill, México. 2002 [3] P. Orgen et al, Laboratory Interfacing Using the LabVIEW Software Package. J. Chem. Educ, 73, 1996, 1115 [4] R. Gostowski et al. Teaching Analytical Instrument Design with LabVIEW. J. Chem. Educ, 73, 1996, 1103 [5] M. Drew Steven et al, Integration of National Instruments´LabVIEW Software into the Chemistry Curriculum. J. Chem. Educ, 73, 1996, 1107 [6] A. Muyskens, V. Samuel, W. Thomas, M. Gray et al, Acquisition in the Chemistry Laboratory Using LabVIEW Software. J. Chem. Educ., 73, 1996, 1112

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