AUTOR:

Beatriz Padín Romero / Elena Poncela Blanco

CENTRO:

Colexio M. Peleteiro (Santiago de Compostela)

EMAIL:

beatrizpadin@peleteiro.com

DESCRIPCIÓN:

Introducción

En el laboratorio de Física y Química los estudiantes desarrollan habilidades fundamentales relacionadas con la medida y el análisis de los datos. Pero, en el momento en que salen de clase, se encuentran rodeados de aparatos de medida digitales cuyo uso lleva asociado una serie de conceptos que les son desconocidos: señales analógicas y digitales, curva característica de un sensor, conversión analógico-digital, frecuencia de muestreo, ruido en las medidas... Estos conceptos, que son básicos para el funcionamiento de dispositivos como los sensores de luz que regulan el brillo de la pantalla del móvil o los detectores de partículas del CERN, no se trabajan en el aula de Física y Química por diversas razones: tiempo disponible, material necesario o formación del profesorado, entre otras. Sin embargo, dada la importancia que otorgamos a una formación completa e integrada en el campo científico, los departamentos de Física y Química e Informática de nuestro centro hemos diseñado una actividad interdisciplinar para alumnos de Bachillerato en la que los estudiantes trabajan en el aula de Tecnología, y de manera completamente práctica, diversos conceptos relacionados con los instrumentos de medida. Con esta actividad, además de preparar a los estudiantes para enfrentarse al uso de herramientas digitales, conseguimos que las aportaciones de la ciencia y la tecnología se beneficien mutuamente.

Breve descripción de la actividad

El título “El mundo analógico transformado en ceros y unos” resume el hilo conductor de la actividad: analizando cómo funcionan los aparatos de medida que transforman las señales analógicas del mundo real en señales digitales se trabajan diversos conceptos relacionados con los instrumentos de medida; como culminación de la actividad, los alumnos construyen un termómetro digital de bajo coste que posteriormente podrán utilizar en la toma de medidas en diversas actividades de laboratorio.

La actividad, que se ha desarrollado a lo largo de cinco sesiones en el aula de Tecnología, se ha estructurado en tres bloques. El primer bloque consiste en una introducción básica a los instrumentos de medida. A lo largo de una sesión se lleva a cabo una actividad de indagación en la que se tratan aspectos generales sobre los instrumentos de medida. Dado que en esta primera parte no se abordan cuestiones tecnológicas, la introducción se puede trabajar también en el aula de Física y Química de manera independiente aunque no se lleve a cabo el resto de la actividad. El segundo bloque trata conceptos básicos sobre señales y sensores. Durante dos sesiones se trabaja la transformación de las señales analógicas en digitales así como diversos conceptos relativos a los sensores, que se aplican de manera práctica al sensor de temperatura TMP36 que se utilizará en el prototipo. El tercer y último bloque, dedicado al montaje y la programación del termómetro digital, se desarrolla a lo largo de dos sesiones, aunque se puede dedicar más tiempo en función de la profundidad con que se quiera tratar la programación y construcción del prototipo.

Low floor, high ceiling, wide walls

Esta actividad se ha diseñado teniendo en cuenta los principios de “low floor, high ceiling, wide walls” de Papert y Resnick. Por un lado, se trata de una actividad de fácil acceso para todos los estudiantes (low floor), ya que no necesitan tener conocimientos previos sobre los conceptos trabajados sino que se les proporciona en todo momento el andamiaje que necesitan para poder progresar. A su vez, está abierta a una exploración más profunda por parte de aquellos alumnos con más inquietudes (high ceiling): pueden mejorar la programación del sensor, pueden conseguir prototipos más sofisticados (añadiendo una pantalla para mostrar la temperatura y construyendo una carcasa impresa en 3D), etc. A mayores, se pueden utilizar otros sensores en lugar del sensor de temperatura, otros microcontroladores u otros lenguajes de programación, es decir, se puede adaptar a la realidad de cada centro o a las preferencias de los alumnos (wide walls).

Contenido

Bloque 1: Introducción a los instrumentos de medida

El primer bloque se plantea como una actividad de indagación. Se presenta a los alumnos el siguiente reto:

“El departamento de Física y Química del centro escolar convoca un concurso público para la adquisición de material de laboratorio. En concreto, se desean comprar instrumentos para medir la temperatura para su uso en diferentes prácticas de laboratorio. Después de analizar las aplicaciones y las especificaciones técnicas requeridas, ¿qué aparatos de medida son los más indicados?”

Se hacen grupos (de 2-3 alumnos), de manera que cada grupo representa a una empresa de distribución que quiere presentar una oferta para hacerse con la adjudicación del contrato de suministro del material. Las aplicaciones y especificaciones técnicas se recogen en un documento que se les entrega a los alumnos. Durante 15-20 minutos analizan el pliego de condiciones y preparan su oferta, que deben presentar siguiendo el modelo suministrado. Pasado este tiempo se procede a la lectura pública de las ofertas. Los estudiantes hacen preguntas a los demás grupos, que deben defender sus propuestas respectivas. El profesor guía la discusión para focalizarla en los conceptos pertinentes: ventajas e inconvenientes de los termómetros analógicos frente a los digitales, diferencia entre resolución y precisión de un instrumento de medida, implicaciones medioambientales de su elección, etc. Después de poner en común las propuestas y discutirlas, se escoge la oferta ganadora de manera consensuada entre todos los grupos. Por último, el profesor presenta la siguiente parte de la actividad: dado que el precio de los termómetros digitales es en general bastante elevado, vamos a construir nuestro propio termómetro digital de bajo coste.

Enlace al pliego de condiciones.

Bloque 2: Conceptos básicos sobre señales y sensores

El bloque 2 comienza con una reflexión: un termómetro mide la temperatura, que es una señal analógica; sin embargo, los instrumentos digitales solo entienden de señales digitales, es decir, de ceros y unos. Por tanto, para poder construir un termómetro digital es imprescindible entender primero las dos piezas clave en las que se basan los dispositivos de medida digitales: los sensores y la conversión analógico-digital.

Dado que el sensor es el primer elemento en la cadena de medida de un instrumento digital, se comienza explicando qué es un sensor y se presenta el sensor de temperatura TMP36 que se utilizará en la construcción del termómetro digital. Aquí se les plantea un reto a los alumnos: deben buscar en internet la hoja de datos del sensor con el objetivo de recabar toda la información necesaria para su uso (cómo se conecta, cuál es el rango de medidas, cómo es la curva característica…). Opcionalmente, se puede utilizar un polímetro para verificar de manera práctica la relación existente entre la temperatura y el voltaje de salida del sensor.

Una vez que el sensor ha transformado la temperatura en voltaje, pasamos a analizar cómo esta señal eléctrica, que sigue siendo analógica, se transforma en una señal digital. Con un sencillo ejercicio, que los estudiantes resuelven en papel, se trabajan los conceptos de muestreo, cuantificación y codificación, que son la base de la conversión analógico-digital. Al hacerlo de esta manera surgen de manera natural las nociones de frecuencia de muestreo y resolución del conversor. Además, se pone inmediatamente de manifiesto el error de cuantificación inherente al proceso de convertir una señal analógica en digital, lo que ayuda a desmitificar la perfección que parecen ofrecer los instrumentos digitales.

 

Bloque 3: Construcción de un termómetro digital de bajo coste

Tras haber introducido conceptos fundamentales sobre los sensores y la conversión analógico-digital, llega el momento de pasar a la acción. El trabajo en este tercer bloque consiste en el montaje, programación y prueba del termómetro digital.

En cuanto al hardware, se ha utilizado el siguiente material:

• Sensor analógico de temperatura TMP36.
• Placa Raspberry Pi Pico.
• Placa de pruebas y cables de conexión para montar el circuito.

Para programar el sensor se escogió MicroPython —Python para microcontroladores— como lenguaje de programación y se usó el entorno de programación Thonny. MicroPython nos pareció la elección más conveniente para avanzar desde la programación por bloques hasta un lenguaje textual, ya que los alumnos tenían cierta experiencia programando con Python. Es importante destacar que el desarrollo de la actividad no depende de la elección de este mismo hardware o lenguaje de programación, sino que se puede adaptar a otras placas de desarrollo (Arduino, micro:bit u otra similar) y a diferentes lenguajes (textuales como Arduino o, incluso, lenguajes por bloques), en función de las características y la disponibilidad de cada centro.

A pesar de ser un bloque totalmente práctico, los alumnos se tropiezan con ciertos desafíos matemáticos por el camino que, aunque son conceptualmente sencillos, suponen un cierto esfuerzo: cómo expresar matemáticamente la relación de proporcionalidad entre el valor bruto medido por el sensor y el voltaje, o cómo obtener la ecuación de la recta que proporciona el voltaje en función de la temperatura a partir de las características obtenidas de la hoja de datos del sensor.

Una vez montado y programado el dispositivo, se muestran por pantalla los valores medidos por el sensor. En este punto los alumnos se encuentran con algo que les resulta sorprendente: en lugar de obtener un valor estable, aparece una cierta oscilación en los valores medidos de la temperatura. Este hecho, producido por las inevitables interferencias electromagnéticas en los dispositivos electrónicos, hace caer de nuevo el mito sobre la perfección de los instrumentos de medida digitales. Para disminuir el ruido en la medida los alumnos encuentran una solución sencilla: toman varios valores y calculan la media, con lo que consiguen estabilizar las medidas. Ya tenemos, por fin, un prototipo perfectamente funcional.

Conclusiones

Aunque en la actividad se trabajó con un sensor de temperatura, los alumnos adquirieron unos conocimientos y desarrollaron una habilidades que podrán aplicar posteriormente a otro tipo de proyectos en los que se utilicen instrumentos de medida digitales.

Es de destacar lo implicados que estuvieron los estudiantes en el desarrollo de la actividad y la buena valoración que hicieron de ella. Ha sido también una actividad muy satisfactoria para las profesoras implicadas: ver a los alumnos esforzándose por resolver por sí mismos los retos planteados en lugar de esperar pasivamente a recibir la solución ha resultado muy estimulante y gratificante.

Para finalizar, listamos las competencias clave que se trabajaron en el desarrollo de esta actividad.

Competencia en comunicación lingüística:

• Leer de manera comprensiva un documento administrativo sencillo, interpretando adecuadamente las instrucciones.
• Extraer la información relevante de las hojas de especificaciones y catálogos técnicos.
• Argumentar los motivos por lo que se ha escogido un instrumento frente a otro.
• Defender oralmente su oferta ante las preguntas de sus compañeros.

Competencia plurilingüe:

• Consultar fuentes online en inglés.
• Trabajar vocabulario técnico en inglés.

Competencia matemática y en ciencia, tecnología e ingeniería:

• Trabajar de manera aplicada términos de metrología, como rango de la medida, diferencia entre resolución y precisión del aparato de medida, etc.
• Analizar las ventajas y los inconvenientes de los sistemas de medición analógicos frente a los digitales.
• Determinar qué instrumento es técnicamente suficiente para una aplicación concreta, evitando el sobredimensionamiento tecnológico.
• Considerar el ciclo de vida del producto, teniendo en cuenta el mantenimiento y el desecho del material.
• Transformar el sistema de numeración decimal en binario.
• Obtener la ecuación de una recta a partir de su gráfica.
• Aplicar la relación de proporcionalidad entre el valor bruto medido por el sensor y el voltaje correspondiente.
• Montar circuitos sencillos con un sensor y un microcontrolador usando una placa de pruebas.
• Escribir programas sencillos en MicroPython.
• Aplicar métodos sencillos para conseguir minimizar el ruido en las medidas.

Competencia digital:

• Buscar información online utilizando fuentes fiables para encontrar la hoja de datos del sensor o la documentación de la placa.

Competencia personal, social y de aprender a aprender:

• Afrontar los problemas de manera crítica y resolverlos de forma independiente.
• Elegir la mejor opción usando datos objetivos aunque el resultado vaya en contra de las ideas preconcebidas.
• Transferir conocimientos de la física y las matemáticas a aplicaciones concretas y reales.
• Integrar la lectura y la expresión oral en el trabajo científico.
• Reconocer el carácter multidisciplinar de la ciencia.

Competencia ciudadana:

• Entender que los recursos de una institución son limitados y que su gestión debe basarse en criterios de eficiencia, transparencia y objetividad.
• Valorar la importancia de establecer criterios de baremación justos para evitar el favoritismo o la compra de material inadecuado.
• Considerar el impacto medioambiental que puede tener el uso de los dispositivos de medida.

Competencia emprendedora:

• Familiarizarse con conceptos legales y administrativos básicos, como los concursos de contratación.
• Equilibrar el coste y las prestaciones de los dispositivos considerados para presentar una oferta competitiva y viable.

ENLACE:

DESCARGA:

https://aciertas.org/wp-content/uploads/taller-sensor-temperatura-TODO.pdf