En el ámbito educativo la enseñanza presencial ha sido de forma tradicional la más usada, pero en tiempos recientes y dados los cambios en el entorno, la educación virtual es una tendencia mundial. En este sentido, las herramientas virtuales como Moodle, videos, laboratorios virtuales, entre otros, son de gran apoyo para la educación. En este trabajo se muestra el diseño de dos laboratorios virtuales del Instituto Tecnológico Superior de Purísima, que cuenta con 19 laboratorios, para sus seis carreas. Dados los constantes cambios sociales y ambientales en los últimos años, se ha visto en la necesidad de generar nuevos medios de aprendizaje y uso de tecnologías. Por lo que desarrollar un laboratorio virtual para el Departamento de sistemas automotrices permitirá mejorar el desempeño de docentes y estudiantes.

Palabras clave: laboratorio virtual, ambiente simulado, enseñanza, laboratorio remoto.

In the educational context, face-to-face teaching has been traditionally the most used, but in recent times, and given the changes in the environment, virtual education is a global trend. In this sense, virtual tools such as Moodle, videos, and digital laboratories, among others, are a great support in education. This work shows the design of two virtual laboratories at the Instituto Tecnologico Superior de Purísima, which has 19 laboratories, for its six majors. Given the constant social and environmental changes in recent years, it has been necessary to generate new means of learning and uses of technologies. Thus, developing a virtual laboratory for the Automotive Systems Department will improve the teachers and students’ performance.

Keywords: virtual laboratory, simulated environment, teaching, remote laboratory.

Actualmente en el Instituto Tecnológico Superior de Purísima se cuenta con 19 laboratorios, para sus seis carreas. Cada laboratorio cuenta con diferentes equipos, máquinas, módulos, etcétera. Dichos laboratorios están a disposición para el estudiantado y profesorado en temporada escolar; sin embargo, los materiales y dispositivos son limitados. Dados los constantes cambios sociales y ambientales en los últimos años, se ha visto en la necesidad de generar nuevos medios de aprendizaje y uso de tecnologías.

Las herramientas digitales forman parte de la industria y ámbito académico en problemas administrativos principalmente. En investigaciones recientes^{1, 2} se propone el uso de herramientas digitales con fines educativos. Los ambientes digitales o laboratorios virtuales tienen una gran aceptación debido a su diseño visual y animación, permitiendo una simulación de un ambiente real.

En diversas investigaciones^{3, 4} el desarrollo de ambientes virtuales ha permitido mejorar diferentes rubros tales como:

• Interés del alumnado por las prácticas de laboratorio³.
• Aprendizaje adquirido por parte de alumno².
• Cumplimiento de temarios en tópicos prácticos.
• Complemento en asignaturas teórico prácticas carentes de laboratorios⁵.
• Mejorar la relación con la educación virtual⁶.

El alcance de este proyecto está en generar un laboratorio virtual, para el apoyo didáctico de diferentes materias de prácticas de ingeniera. Lo anterior permitirá coadyuvar en la educación que actualmente se tiene en el Instituto Tecnológico Superior de Purísima, en la carrera de ingeniería en Sistemas Automotrices.

Documentar los elementos básicos de un laboratorio virtual del departamento de sistemas automotrices, que permita acceder en línea a los recursos de la escuela, para la formación académica del alumnado.

En el contexto actual el acceso presencial a los laboratorios se vio mermado por la pandemia. Además, debido a la capacidad de cada uno de estos laboratorios, se convierte en una tarea compleja dar atención a todo el estudiantado en clases regulares, esto se puede ver como área de oportunidad, para generar un ambiente que permita generar un modo de interacción laboratorio-estudiantes.

Con el fin que estos laboratorios se vean aprovechados y utilizados, en este trabajo se pretende establecer la base para crear un entorno virtual en el que se pueda utilizar el equipo de forma remota y, de esta manera, contar con una herramienta virtual que permita interactuar con todos los objetos dentro de un laboratorio. En este sentido, el crear entornos virtuales ha resultado de gran ayuda en esta nueva realidad, donde tenemos que limitar la cantidad de personas que interactúan en un espacio determinado.

El proceso de enseñanza es un tema complicado de estandarizar y en ocasiones ha generado diferentes conflictos entre docentes, estudiantes e institución. En el caso particular donde el estudiante se ve afectado en su aprendizaje, principalmente por la falta de clases-prácticas, por tal motivo es necesario plantear soluciones que sean de pertinencia tecnológica y pedagógica.

Para relacionarse con el lenguaje de los ambientes virtuales es importante definir los siguientes conceptos⁷:

• Instrumento virtual: modelo del sistema que permite acceso a los recursos reales o simulados. Dicho sistema tiene todas las capacidades de proceso, sensores y controles almacenados en una computadora.
• Instrumento remoto: dispositivo virtual o físico que permite la comunicación en red y su función es permitir la comunicación a distancia de los dispositivos físicos o simulados.
• Laboratorio remoto: entorno físico que es operado por un sistema real, donde se pueden acceder y controlar datos a través de la red.
• Laboratorio virtual: entorno simulado que contiene dispositivos, procesos, etcétera, almacenado en un servidor o diferentes computadoras. Es posible acceder al laboratorio mediante la red o en línea. Además, se puede definir también que es un entorno que engloba la funcionalidad de un laboratorio remoto y virtual. Es posible acceder a éste de manera remota y por red.

Se define como el lugar o aula donde se encuentran diferentes máquinas, sensores, materiales, etcétera, que permiten el desarrollo de prácticas, éstas pueden ser desde la elaboración de modelos experimentarles, hasta productos para su comercialización⁸.

Se define como un sistema computacional que pretende emular o simular un laboratorio tradicional. En el desarrollo de estos sistemas se utilizan Flash, JavaScript, entre otros programas. En ellos es posible crear una cantidad n de sesiones de usuarios para que trabajen de forma simultánea. Uno de los primeros emuladores popularizado en el área de la computación fue el desarrollado por CISCO, con su programa Packet Tracer.

Los laboratorios virtuales han sido una herramienta de apoyo para las clases-prácticas, frecuentemente utilizadas en ámbitos universitarios. Centros universitarios de gran renombre como el MIT (Massachussets Institute of Technology)⁹, Cambridge y Leipzing, han obtenido resultados favorables en el aprendizaje de sus estudiantes.

Entre las ventajas de utilizar laboratorios virtuales como apoyo para complementar el aprendizaje práctico están la flexibilidad y facilidad de acceso, lo anterior permite explorar nuevos escenarios y situaciones, que en la vida real serían complicados de diseñar. Un laboratorio virtual se espera que sea robusto, seguro y basado en modelos matemáticos, que permitan que su confiabilidad y manejo sea mucho más sencillo.

Existen diferentes modelos en el estado del arte que han reportado resultados favorables para el diseño de laboratorios virtuales¹⁰. La propuesta que aquí se plantea consta de dos componentes importantes: la parte de diseño del edificio y el diseño o escáner de los objetos y máquinas de cada laboratorio. De forma general la metodología de diseño del sistema inteligente es la siguiente¹¹:

Figura 1. Metodología de trabajo. Fuente: elaboración propia.

1. Requerimientos. En esta etapa se analizaron los laboratorios que son los necesarios o indispensables para la impartición de clases, en cuyos casos tener uno virtual es de suma importancia.
2. Diseño. En esta etapa se realizó el diseño de cada uno de los laboratorios a escala. Se utilizó software de Inventor para la simulación de motores, y SolidWorks para el diseño de los laboratorios.
3. Implementación. En esta etapa se realizan las animaciones a los elementos de los laboratorios, como pueden ser máquinas, motores, etcétera. En esta etapa se diseñaron los laboratorios, junto con algunas máquinas dentro de ellos.
4. Pruebas. En esta etapa se montan todas las animaciones en un servidor local de la escuela, para que las y los estudiantes puedan acceder a ellas.

En esta sección se describe a detalle el diseño de algunos edificios de laboratorios, primero los diseños estructurales de los edificios y los elementos de la primera etapa.

El enfoque se implementó en Solidworks, Inventor y Unity para los diseños de laboratorios y piezas. Los experimentos se ejecutaron en una computadora con procesador Intel Xeon® E-2146 CPU con 3.50 Hz, 16 GB de RAM y sistema operativo Windows 10 Pro.

En el Instituto Tecnológico Superior de Purísima del Rincón se tienen dos laboratorios para las distintas carreras. El laboratorio B cuenta con:

• Electrónica y metrología
• Manufactura
• Química General
• Ingeniería de métodos
• Materiales
• Control y Robótica
• Neumática

Este se puede ver en la simulación en la Figura 2. En el inciso a) se aprecia una vista lateral del edificio B, donde se pueden observar las ventanas y puertas principales. En el inciso b se puede observar una vista superior de edificio, donde se muestran los diferentes salones, en la parte superior se muestran los salones de redes, laboratorios de computación, entre otros. En el inciso c se muestra la vista isométrica superficial del laboratorio con el tejado y, finalmente, en el inciso d, la vista isométrica superficial del edificio.

Figura 2. Diseño de los laboratorios del Edificio B. Fuente: elaboración propia.

El edificio F tiene los siguientes laboratorios:

• Sistemas de manufactura
• Sistemas Automotrices
• Autotrónica
• Almacén

El edificio F se puede ver en la simulación en la Figura 3. Los incisos a y b muestran vistas isométricas del laboratorio por la parte de las rampas. Mientras que el inciso c es una vista del edificio desde dentro y la imagen d es una vista interna del edificio.

Figura 3. Diseño de los laboratorios del Edificio F. Elaboración propia

Como parte de la carrera de Sistemas Automotrices se pretende realizar un entorno virtual que permita en un futuro interactuar con vehículos de diferente tipo de motor. Hasta este momento, en los alcances se hizo una base de datos con diseños CAD (diseño asistido por computadora) de diferentes modelos de automóviles, lo que ayudó a formar una base de datos, que se resume en la Tabla 1.

Tabla 1. Descripción de las especificaciones de los automóviles. Fuente: elaboración propia.

Nota: Los modelos son CAD y por lo tanto tienen diferentes medidas.
Algunos modelos son a escala y se decidió dar la longitud del modelo en CAD, no la real.

Un ejemplo de modelo de automóvil en CAD se puede observar en la Figura 4. El inciso a) es una vista frontal del automóvil, donde se observa el parabrisas y las luces. En el inciso b se observar una vista trasera; en el c, la vista superior; finalmente, el inciso d es la vista lateral. Cabe mencionar que este tipo de presentación se repite para los 21 modelos mencionados en la Tabla 1.

Figura 4. Diseño de automóviles. Fuente: elaboración propia.

Un ejemplo de los motores se puede ver en la Figura 5. En el inciso a) se muestra una vista lateral del motor, donde se pueden observar algunos componentes como el sistema de enfriamiento. En el inciso b, se observa una vista superior del motor. En los incisos c y d se muestran las vistas isométricas del motor.

Figura 5. Diseño de Motor.

Dentro de las dificultades que se encontraron fue el dar los efectos adecuados a cada edificio. Además, de apegarse a la distribución de los objetos correspondiente, cabe mencionar que todavía se están diseñando algunas de las partes más importantes del laboratorio.

Se logró diseñar ambos laboratorios en su estructura de manera exitosa y con las diferentes secciones requeridas. Además, se generaron algunos componentes que serán la base para la interacción entre docentes y estudiantes, con lo que será posible generar nuevos medios de aprendizaje con el uso de las tecnologías. Los laboratorios virtuales permitirán mejorar el desempeño de las y los docentes y del alumnado.

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2. CONDE-GONZÁLEZ, M.A.; Rodríguez, F. J.; Fernández.González, D.; Rodríguez-Sedano, F.; Guerrero-Higueras, A. M. y Fernández, C. SUFFER–SimUlation framework for education in robotics. [En línea] In: Eighth International Conference on Technological Ecosystems for Enhancing Multiculturality, pp. 14–17. Octubre de 2020. [Fecha de consulta: 17 de mayo de 2023]. https://dl.acm.org/doi/10.1145/3434780.3436702
3. ROSADO, L. y Herreros, J. R. Nuevas aportaciones didácticas de los laboratorios virtuales y remotos en la enseñanza de la Física. En: Recent Research Developments in Learning Technologies. 2005, 1, pp. 1–5. ISBN: 978-84-609-5994-6
4. OSORIO, J. R. Guía de laboratorio virtual para la simulación y control de movimientos de un brazo robótico. Cartagena, Colombia. Universidad Antonio Nariño. 2021.
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