Laboratorio Virtual de Física en el área de circuitos de Corriente Continua y Corriente Alterna (página 2)

III. SITUACIÓN PROBLEMÁTICA

3.1. Formulación del Problema

¿Cómo surgieron o nacieron los laboratorios virtuales?

¿Cuáles fueron sus necesidades de los laboratorios virtuales?

¿Qué páginas podemos visitar sobre éstos temas?

3.2. Objetivos

3.2.1. Objetivo General

• Explicar como nacen los laboratorios virtuales.
• Determinar sus necesidades.

3.2.2. Objetivos Específicos

• Determinar su finalidad, en que nos pueden favorecer explicando con ejemplos simples y complejos.

3.3. Justificación

La ventaja principal que trae estudios como este es la implantación de cursos que fortalezcan la instrucción en una Institución de modalidad presencial.

Uno de los beneficios que trae este proyecto no es más que la facilitación de los aprendizajes y el desarrollo de las nuevas tecnologías aplicadas a la instrucción dentro de una institución netamente presencial como lo son los laboratorios Virtuales.

Esta investigación pretende demostrar el avance en tecnología educativa, así como también, la muestra de portales para la realización de cursos conducentes al tema a tratar por este medio, aplicando el estilo mostrado por muchas universidades nacionales y extranjeras que ofrecen pre-grados y postgrados virtuales con éxito.

IV. MARCO DE REFERENCIA DEL PROBLEMA

4.1. Fundamento Teórico

HISTORIA DE LOS LABORATORIOS VIRTUALES

Estos laboratorios comenzaron a desarrollarse en 1997 en el Centro de Investigación Académica de la Universidad Estatal a Distancia de Costa Rica. Si se juzga con base en la información disponible en Internet, fueron de los primeros laboratorios virtuales para enseñanza a distancia a nivel mundial. Cuatro años después, había un proyecto comercial similar, el Virtual Frog Dissection Kit 1.0

(http://www.cs.ubc.ca/nest/magic/projects/hands/home) y tres académicos: Diffusion Proceses Virtual Laboratory (Johns Hopkins University, http://www.jhu.edu/~virtlab/virtlab.html), The Virtual Microscope (University of Winnipeg, http://www.uwinnipeg.ca/~simmons/index.htm). Había también dos proyectos con nivel de realidad virtual, nivel que requiere cascos tipo VR, en Estados Unidos y Canadá (NASA Virtual reality Virtual Object Manipulation, www.nasa.gov y Virtual Hand Laboratory, University of British Columbia, http://www.cs.ubc.ca/nest/magic/projects/hands/home). No sabemos de proyectos similares en América Latina, fuera del de la UNED. En la UNED, el primer bloque se desarrolló durante tres años y correspondió al curso de biología. El objetivo básico no ha cambiado desde entonces: lograr un producto tan bueno como los de los países más avanzados en docencia electrónica, a un costo muy inferior al de ellos, que funcionara casi en cualquier computadora y que solo requiriera programas que son gratuitos en todo el mundo.

LOS LABORATORIOS VIRTUALES HOY

Según las fuentes bibliográficas usadas en este proyecto se realizó un estudio sobre los laboratorios virtuales con un tiempo de seis años; ¿cuál es el estado de los laboratorios virtuales en el mundo? Una búsqueda en Internet (junio 2002) indicó que ha aumentado mucho el número de proyectos semejantes y que la mayoría se refieren al área de la física, aunque también los hay de química y biología.

La mayoría de los laboratorios virtuales de física son pequeñas simulaciones escritas en JAVA, un lenguaje de programación interactivo para multimedios. Ejemplo de los tipos de micro prácticas en física son los de la Universidad Nacional de Colombia

(http://www.unalmed.edu.co/~daristiz/LABFIS/Principal/Labfis.htm), la

Universidad de Oregón (http://jersey.uoregon.edu/vlab/) y un material privado brasileño llamado "Sala de Física"

(http://geocities.yahoo.com.br/saladefisica3/laboratorio.htm).

También se ha desarrollado simulaciones mediante las cuales se modifica los datos en una tabla y se ve la modificación resultante en un esquema, en el Centro Nacional de Información y Comunicación Educativa de Madrid (http://enebro.pntic.mec.es/~fmag0006/Prism200.html).

Un nivel algo más avanzado existe en dos laboratorios en los que se usa sonido e imágenes realistas, en lugar de esquemas: el sintetizador de sonido Tempes de la compañía Virtual Laboratories de Singapur (http://www.vlabs-online.com/) y el "Filtro de polarización" de la red Physicsweb (http://physicsweb.org/vlab/).

Los laboratorios virtuales de química parecen ser escasos. La Universidad de Oxford presenta, de manera gratuita vía Internet, laboratorios virtuales de experimentos químicos que usan animaciones, videos y moléculas que pueden hacerse girar en la pantalla, manipulables en tres dimensiones (http://www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/). El estudiante debe responder a una serie de preguntas, y si lo hace correctamente, tiene acceso a una fotografía de la mesa de trabajo de la cual puede seleccionar compuestos y experimentos para ver videos sobre su uso. En algunas escenas aparecen rótulos de apoyo que explican el procedimiento. Hay además un texto sobre química en formato HTML con problemas y cuestionario.

El nivel más sencillo es el que tiene básicamente un texto y dibujos sin movimiento. Ejemplos de este nivel son el Digital Frog de 1995 (http://www.digitalfrog.com/products/frog.html) y el Laboratorio Virtual de Nutrición de la UNED de 1997 (Monge-Nájera 1998). Digital Frog permite hacer una disección simulada de una rana, evitando los problemas éticos y psicológicos de hacerlo con un animal real. Nuestro laboratorio de nutrición permite "alimentar" una mascota digital o tamaguchi y ver los efectos de la dieta sobre su salud.

En un segundo nivel de complejidad, existen laboratorios que usan animaciones usando el formato GIF, compatible con Internet. Un ejemplo es el Laboratorio Virtual de Reproducción de la UNED de 1997 (Monge-Nájera 1998), en el cual se puede seleccionar organismos para ver una animación que muestra su secuencia reproductiva, incluyendo imágenes de microscopio electrónico. El Laboratorio Virtual de Depredadores y Presas (UNED 2002) permite variar la proporción de organismos en un ambiente y ver el efecto sobre la población.

El tercer nivel corresponde a los laboratorios que usan videos para mostrar prácticas verdaderas. Ejemplos de este nivel son el Laboratorio Virtual de Digestión desarrollado por la UNED en 1997 (Monge-Nájera 1998) y el Digital Frog 2, versión mejorada del ya mencionado, en que además de las imágenes fijas hay videos

(http://www.digitalfrog.com/products/frog.html).

En el cuarto nivel de complejidad están aquellos laboratorios en los cuales se ven pantalla objetos o escenas que pueden ser manipulados por un estudiante. La UNED desarrolló entre 1997 y el 2002 una serie de laboratorios virtuales de este nivel. En el Laboratorio Virtual de Tejidos Humanos, se separa capa de tejidos de un cuerpo humano y se les lleva a un microscopio para verlos ampliados. El Laboratorio Virtual de Ecología permite ubicar organismos en una pirámide ecológica y la computadora indica si se les ha ubicado correctamente. En el Laboratorio Virtual sobre Lepidópteros, se puede manipular un panorama que simula el efecto de girar la cabeza mientras se camina por un bosque. Incluso se puede buscar organismos ocultos en el bosque, solicitar ayuda a la computadora para encontrarlos y obtener información adicional sobre cada uno que se descubra. Laboratorios similares en su nivel son el Virtual Drosophila Project japonés (Kioda y Kitano 1999) y Mouse genetics

http://www.explorescience.com/activities/Activity_page.cfm?ActivityID=39

EL FUTURO DE LOS LABORATORIOS VIRTUALES

Las versiones iniciales de los laboratorios de la UNED se han presentado al público de manera gratuita con fines experimentales (www.uned.ac.cr) y lo mismo puede decirse de casi todos los mencionados hasta aquí.

Incluso el físico taiwanés Fu-Kwun Hwang publicó gratuitamente medio centenar de mini laboratorios virtuales en chino, inglés y español, y ofrece elaborar gratuitamente más laboratorios si se le solicitan.

(http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/fisica/applets/Hwang/ntnujava/indexH.html)

Sin embargo, como los laboratorios virtuales han demostrado su eficacia, es probable que en el futuro se vuelva común su venta mediante versiones protegidas contra copiado. El Digital Frog, que se vende por miles a escuelas secundarias en los Estados Unidos, tiene un precio de $170 la copia, aunque el disco compacto tiene únicamente ese laboratorio (http://www.digitalfrog.com/products/frog.html, julio 2002). En la UNED se ha considerado la posibilidad de vender cada disco compacto en $15-20 por tratarse de una institución sin fines de lucro que opera en un país pequeño.

Fuera del aspecto comercial, se prevé aumentos en la velocidad de procesamiento de la información digital, como BioOpera, el sistema operativo para bloque de computadoras que duplica la potencia y reduce costos al 30 % (Alonso, G. 2002. BioOpera: Grid Computing in Virtual Laboratories

http://www.ercim.org/publication/Ercim_News/enw45/alonso.html

También se espera que la red Internet 2 permita a varios investigadores ubicados en países diferentes realizar pruebas con objetos virtuales que pueden ser tan complejos como un motor de avión mediante una red de bases de datos de alta velocidad

(http://www.internet2.edu/html/virtual_laboratory.html).

DESARROLLO DE PUNTA

Actualmente se está trabajando en niveles aún más cercanos a la realidad virtual, que serán aplicables a los laboratorios virtuales cuando estén disponibles los equipos necesarios para los estudiantes.

Continuando con la secuencia de niveles descrita anteriormente, pero aclarando que acá se entra en tecnología que supera lo actualmente disponible en la UNED, se encuentran los siguientes nivel quinto a ocho.

En el quinto nivel se tienen laboratorios en que la falta de certeza en las mediciones y la variabilidad aleatoria de algunos parámetros limitan el control que tiene el usuario. Para explicar esto se puede usar un símil: en las simulaciones actuales, se puede lanzar una canica digital a un frasco y si se apunta en la dirección correcta, cae dentro. En las futuras, factores como el viento y la oscuridad en la habitación digital afectarán la trayectoria: será más difícil acertar. Estos laboratorios que imitan, por ejemplo, la falibilidad de la puntería humana, están siendo desarrollados en Québec por Marc Couture y Alexandre Francis (VPLab,

http://www.licef.teluq.uquebec.ca/gmec/lvphysique/LVP_EDMEDIA.htm

Algunos de los desarrollos más importantes se han dado en el área de los entretenimientos para adultos, tal vez por su gran potencial comercial, y ha seguido etapas de creciente complejidad.

Aunque todavía se vende una simulación básica de imagen y sonido con poca interactividad similar al nivel tercero o cuarto de los laboratorios ya descritos (e.g. http://www.virtualsexgames.com/), se ha alcanzado ya el sexto nivel, con máquinas que permiten al usuario mirar una imagen y percibir en su piel las sensaciones correspondientes (http://www.vrinnovations.com/), aunque tiene muy poco control sobre la secuencia de eventos.

El séptimo nivel corresponde a la nueva tecnología que permite una interacción con otra persona conectada a la red Internet, usando casco y traje (http://www.cnn.com/2001/TECH/computing/01/19/virtual.sex.idg/).

El octavo nivel, que una vez desarrollado podría permitir una buena relación costo / beneficio en los laboratorios virtuales, se relacionaría con reproducir experiencias mediante implantes eléctricos dentro del cuerpo humano (Jaccoma, R. 2002 Virtual sex is coming. The bad news is it's being developed by the English. http://www.seattleweekly.com/features/0103/tech-jaccoma.shtml). A pesar del enorme potencial de esta tecnología para el campo educativo, su desarrollo es todavía tan preliminar que es difícil juzgar si tendrá uso práctico en este y otros campos.

¿CUANDO SE DEBE USAR LABORATORIOS VIRTUALES?

Si se parte de un prejuicio negativo contra los laboratorios virtuales, puede decirse que las simulaciones o "laboratorios virtuales" son incapaces de reemplazar a la vida real. Obviamente ello es cierto, al menos con los niveles 1o a 7o, pero si el laboratorio real no es posible o conveniente, el laboratorio virtual es bueno como sustituto o al menos para entrenamiento antes de realizar prácticas peligrosas, especialmente si se cuenta con simuladores mecánicos o realidad virtual en lugar de una simple pantalla (http://csd.newcastle.edu.au/control/virtual_labs.html). Como hacen automáticamente algunos cálculos rutinarios liberan tiempo para comprender y como presentan los cambios de manera gráfica facilitan el aprendizaje (http://www.qrg.ils.nwu.edu/ideas/avlidea.htm).

En la UNED los laboratorios virtuales son opcionales en algunos cursos, y tanto la versión virtual como la tradicional con laboratorios reales tienen suficiente matrícula.

REQUISITOS DE LOS LABORATORIOS VIRTUALES

Kappelman (2002) presenta los requisitos de un buen laboratorio virtual:

1.- Ser auto contenido

2.- Ser interactivo

3.- Combinar imágenes bidimensionales y tridimensionales

4.- Tener animación tridimensional, video y sonido

5.- Incluir ejercicios (cuya calificación puede ser enviada automáticamente al Docente)

6.- Instalación automática

7.- Que la navegación no sea necesariamente lineal

8.- Posibilidad de guardar notas sin necesidad de procesador de textos Externo.

9.- Un buscador.

Analizando los laboratorios de la UNED, se nota que los más antiguos cumplían solo los requisitos 1, 2, 3, 5 y 7. Los más recientes tienen casi todas, faltando únicamente los puntos 8 y 9. Para el caso de la UNED, ninguno de ellos parece necesario, pues ningún estudiante ha indicado la necesidad de hacer notas en el laboratorio mismo, y un buscador es poco útil debido a que cada laboratorio es pequeño.

CORRIENTE ALTERNA

Se denomina Corriente alterna (CA ó AC en inglés) a la corriente eléctrica que cambia repetidamente de polaridad. Esto es, su voltaje instantáneo va cambiando en el tiempo desde 0 a un máximo positivo, vuelve a cero y continúa hasta otro máximo negativo y así sucesivamente. La corriente alterna más comúnmente utilizada, cambia sus valores instantáneos de acuerdo con la función trigonométrica seno, de ahí se denominación de corriente alterna senoidal.

A continuación se muestra la forma de onda de esta corriente:

Las líneas de transmisión son dependientes del flujo o intensidad de corriente y no del flujo de energía, por lo que si mediante un transformador elevamos el voltaje hasta altos valores (alta tensión), la misma potencia puede ser distribuida a largas distancias con bajas intensidades de corriente y por tanto con bajas pérdidas. Una vez en el punto de utilización o en sus cercanías el voltaje puede ser de nuevo reducido para su uso doméstico de forma segura.

CORRIENTE CONTINUA

Es la corriente eléctrica que fluye siempre en el mismo sentido. El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz, tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente.

Para medir la intensidad de la corriente se utiliza el amperímetro. Éste se instala siempre en un circuito de manera que por él circule toda la corriente, es decir, en serie.

4.2. Antecedentes del problema

El presente trabajo surgió como propuesta de investigación por parte de nuestro asesor de curso, con la finalidad de investigar y encontrar una mayor aprehensión del curso por parte de los alumnos.

El presente proyecto de investigación por ser un tema nuevo, nos encontramos con escasa información, la cual nos dificulta para su ejecución de este proyecto, la gran mayoría de información encontrada es de páginas Web, esperamos sea asequible a todas aquellas personas que desean aprender algo más, sobre todo a aquellos estudiantes universitarios.

V. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

IX. CONCLUSIONES

• Se precisa la idea de que esta herramienta informática, como medio que favorezca el aprendizaje en el contexto del laboratorio, sea utilizada antes y después del proceso de medición, enriqueciendo las hipótesis que elabora el estudiante sobre la solución de la situación problemática. Por tal razón, el seguimiento de la misma, permitirá ampliar su visión sobre el sistema de conocimientos, y a su vez, garantizará el adecuado vínculo entre el modelo físico y la realidad.

X. BIBLIOGRAFÍA

Enciclopedia Encarta 2005. Microsoft Corporation

http://www.google.com.pe

http://www.altavista.com

http://colos.fcu.um.es/TICEC05/TICEC05/56_564.pdf.

http://rbt.ots.ac.cr/public/evolab6.doc

Autor:

César Ochoa Saavedra.