Diseño y uso de cuadernillos digitales interactivos para fomentar el aprendizaje activo y el desarrollo de competencias en Mecánica Computacional

Breve descripción de la práctica

El área de Mecánica Computacional del programa de Ingeniería Civil de la Universidad Eafit, busca desarrollar competencias para la solución de problemas ingenieriles de base mecánica, a partir de metodologías de simulación computacional y, a la vez, promover el uso del pensamiento computacional para abordar problemas complejos de ingeniería.

Esta innovación consiste en el desarrollo e integración de una herramienta de simulación numérica y su aplicación en la creación de experiencias que propicien el aprendizaje activo de los elementos curriculares de las asignaturas del área. Tales experiencias se logran mediante la creación de cuadernillos digitales interactivos (Notebooks de Jupyter) y el uso de estrategias como la clase invertida y las actividades de autoexplicación.

Los cuadernillos permiten integrar la mecánica del medio continuo y el pensamiento computacional a través de diferentes actividades, propias de cada materia, para ser usados dentro y fuera del aula. Ejemplo de ello son las simulaciones en tiempo real, que permiten recrear los elementos conceptuales propios de los modelos físicos en estudio, profundizar en los aspectos numéricos requeridos para la solución de problemas y entender los alcances y limitaciones de la ingeniería basada en simulaciones.

Estas competencias permiten formar ingenieros acordes con las tendencias de la ingeniería a nivel mundial. La inclusión de simulaciones en las actividades de aprendizaje permite disminuir los niveles de abstracción inherentes a los elementos conceptuales fundamentales de la mecánica del medio continuo. La innovación se diseñó de acuerdo con los lineamientos de la teoría de aprendizaje cognitivo. A la vez, los ambientes de aprendizaje combinan elementos del constructivismo y de la teoría de la carga cognitiva.

Palabras clave que definan la práctica

Mecánica computacional, simulación numérica, preparación experiencial.

Objetivo general

Desarrollar habilidades computacionales en los estudiantes del programa de Ingeniería Civil, utilizando estrategias basadas en evidencias.

Personas, áreas o procesos beneficiados con la práctica

Procesos de aprendizaje de estudiantes de Ingeniería.

Problema o necesidad que originó la práctica

Los docentes de la Universidad Eafit de las diferentes asignaturas del área de Mecánica Computacional (Mecánica del Medio Continuo, Modelación Computacional e Introducción al Método de los Elementos Finitos) identificaron tres obstáculos en el alcance de los objetivos de aprendizaje de los estudiantes: (i) altos niveles de abstracción en los contenidos, (ii) disparidades en los niveles de alfabetismo computacional de los estudiantes y (iii) falta de acceso a herramientas de simulación numérica.

De este modo, la asignatura Mecánica del Medio Continuo introduce nuevos conceptos que requieren niveles de abstracción altos, como los conceptos de punto material, deformación unitaria y tensor de tensiones. Estas características hacen que la asignatura constituya un reto de aprendizaje que ha generado tasas de cancelación y pérdida de hasta del 70 %. Este bajo rendimiento y el carácter transversal del área, implica también debilidades en la formación en otras áreas de la carrera. Además, los retos que enfrentan los estudiantes en cursos como Mecánica del Medio Continuo pueden aumentarse cuando se integran elementos de las ciencias computacionales.

Proceso de identificación del problema o la necesidad de la práctica

Como punto de partida de la presente práctica, se tomaron casos similares en los que se ha demostrado que los ambientes de aprendizaje integradores del modelado matemático y computacional en contextos disciplinarios pueden favorecer el aprendizaje de los estudiantes, siempre y cuando se manejen las posibles sobrecargas cognitivas en los alumnos (Magana, Falk, y Reese 2013; Vieira et al. 2017).

Para abordar el problema, se conformó un equipo de trabajo compuesto por profesores pertenecientes al área académica del problema, profesores pertenecientes a líneas de investigación en Educación en Ingeniería (Eafit y Universidad del Norte) y profesores de otras áreas de la ingeniería, pero ajenas al área fundamental del problema (Eafit).

Inicialmente, se hizo un diagnóstico de los principales obstáculos encontrados por los estudiantes y profesores de las materias del área, particularmente de la asignatura Mecánica del Medio Continuo. Esta etapa se desarrolló con la colaboración de los docentes de cada una de las asignaturas durante el semestre 2018-2. Esta información, recolectada a través de entrevistas, fue posteriormente compartida con el equipo de trabajo. Como resultado de esta socialización, los docentes expertos en Educación en Ingeniería identificaron el modelo pedagógico a adoptar y recomendaron lecturas y ejercicios de pedagogía a los profesores del área de Mecánica Computacional, con el fin de que identificaran los elementos requeridos de la teoría de aprendizaje cognitivo. Esta etapa de “capacitación” en Educación en Ingeniería se extendió por un periodo aproximado de 3 meses. Paralelamente, se realizaron actividades de implementación del simulador por elementos finitos SolidsPy.

Relación del problema identificado y la práctica como alternativa de solución a este

La innovación consiste en el diseño, implementación y despliegue de una transformación curricular que incluye un conjunto de modelos computacionales basados en el método de los elementos finitos, a través de cuadernillos digitales interactivos, utilizando prácticas pedagógicas basadas en evidencias.

Estos cuadernillos, se asemejan a las notas de clase tradicionales, pero con la integración de elementos interactivos para visualización, simulación y experimentación numérica en el aula y en tiempo real.

El simulador se implementó en Python, que es de código abierto, y tiene un diseño modular que permite la creación de diferentes experiencias y actividades de aprendizaje de acuerdo con los objetivos y alcances de los diferentes temas y asignaturas.

Las experiencias de aprendizaje resultantes, permiten combinar la enseñanza de conceptos teóricos de la mecánica del medio continuo (u otra disciplina) con herramientas de modelamiento y simulación numérica diseñadas para promover el aprendizaje activo, con el andamiaje necesario para facilitar el aprendizaje y de fácil distribución a los estudiantes.

Estos ambientes de aprendizaje pueden usarse para abordar problemas conceptuales, de modelación o de simulación. Las experiencias de aprendizaje fueron construidas siguiendo la teoría de aprendizaje cognitivo. Esta teoría propone la integración de cuatro dimensiones con el fin de asistir a los estudiantes en el aprendizaje de conceptos complejos y en la adquisición de habilidades específicas: contenido, método, secuenciación y sociología.

Resultados esperados en el desarrollo de la práctica

Con esta práctica, se pretende promover un aumento de la autoeficacia académica de los estudiantes, al mismo tiempo que se promueven iniciativas prácticas para observar una mejoría en sus resultados académicos y su persistencia hasta el final del semestre.

Asimismo, se busca generar grupos dispuestos a proponer soluciones a problemas de programación aplicados Por otro lado, teniendo en cuenta los factores innovadores de la práctica, se espera consolidar una propuesta pedagógica replicable, la cual ponga al estudiante en el centro de su proceso de aprendizaje a lo largo de actividades experienciales que vinculen la teoría computacional con los principios de la ingeniería civil.