Ricardo Hurtado Rangel^a, Luis E. Murillo Yañez^b, Armando T. Avalos Bravo^c

^a Departamento de Control y Automatización, Instituto Politécnico Nacional, Av. IPN s/n,  Ciudad de México, C.P. 07738, MÉXICO. Correo: riiihurt@yahoo.es

^b Departamento de Formación Profesional Específica, Instituto Politécnico Nacional, Av. Mineral de Valenciana N° 200, Guanajuato, Guanajuato, C.P. 36275, México.

^c Departamento de Ingeniería Química Industrial, Instituto Politécnico Nacional, U.P.A.L.M. Edificio 7, Planta Baja, Ciudad de México, C.P. 07738, México.

Resumen

El presente trabajo, demuestra la importancia del empleo de simuladores pedagógicos en la formación de educandos, mediante un análisis referencial de la fundamentación teórica  y un estudio de campo, basado en una encuesta aplicada  a los alumnos de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización, obteniendo las ventajas y desventajas propuestas por diferentes autores y por los alumnos encuestados.  Obteniendo cuales son los software de simulación más versátiles y utilizados en el área de estudio, así como la variedad que hay en el mercado de uso didáctico e industrial, confirmando que el uso de simuladores, es una herramienta necesaria para el análisis, el diseño de sistemas de diferente índole, comprobando que mejora la formación de recursos humanos en general, y que debería ser una opción para resolver la falta de laboratorios en las escuelas, por cuestiones económicas y de infraestructura.

Introducción.

Los Simuladores son programas didácticos que simulan sistemas y/o aspectos del mundo en entornos interactivos, permitiendo a los estudiantes modificar condiciones y parámetros, para el entendimiento y análisis del mismo [1]. Estos programas aprovechan toda la capacidad de las computadoras, para aprendizaje experimental y por descubrimiento, ya que les permite crear ambientes ricos en situaciones que el usuario debe explorar, creado sus propios modelos de pensamiento, sus interpretaciones con el mundo virtual que son aplicados en el mundo real. Trabajar con sistemas reales, tiene muchas ventajas y beneficios, sobre todo que se utiliza equipo industrial como sería en campo. Sin embargo, requieren de infraestructura (espacio, servicios auxiliares, etc.,…), mantenimiento, personal especializado para su uso, materiales de insumos, mayor consumo de energía, por lo que suele ser caro. Una alternativa es mediante plantas a escala o piloto, se reducen los requerimientos y costos, pero no es suficiente. Por lo tanto, los simuladores educativos se vuelven una solución factible para el aprendizaje, ya que no requiere de insumos, servicios, accesorios y además, se pueden hacer pruebas que con los sistemas reales no se podría, ya sea por limitaciones físicas, seguridad u otra razón.

El uso de simuladores educativos mejora la formación de estudiantes. Obviamente, no es exclusivo de ellos, se podría decir que los puede utilizar cualquiera que requiera una capacitación y/o formación. Les permite desarrollar destreza mental o física a través de su uso y los pone en contacto con situaciones que pueden ser utilizadas de manera práctica. Si son usados en trabajo colaborativo, estimulan el trabajo en equipo al estimular la discusión del tema. En [2], se menciona que:

Se podría considerar que la simulación nace en 1777 con el planteamiento del problema «la aguja de buffon», un método matemático sencillo para ir aproximando el valor del número π a partir de sucesivos intentos. En 1812 Laplace mejoró y corrigió la solución de Buffon y desde entonces se conoce como solución Buffon-Laplace.

En los años 40 la aparición de los primeros computadores de propósito general como el ENIAC [3] y  el trabajo de Stanislaw Ulam, John Von Neumann y otros científicos para usar el método de Montercarlo en computadoras y solucionar problemas de difusión de neutrones en el diseño y desarrollo de la bomba de hidrógeno, sentaron las bases para la rápida evolución del campo de la simulación [4]. Por lo tanto, se comienza a cubrir la brecha entre los métodos  precomputadora  y  los algoritmos numéricos  programados, aplicados a la ingeniería química. Teniendo, por  ejemplo,  el libro de  Lapidus (1962).  En 1974 aparece el primer  simulador de procesos químicos,  (el FLOWTRAN) [4]. Otros ejemplos de simuladores en el campo de procesos de propósito generales son: Aspen Plus y Speedup (de Aspen Technology, USA), Pro II (de Simulations Sciences, USA), Hysys (de Hyprotech, Canada), Chemcad (de Chemstations, USA), etc. [5]. Y actualmente la simulación presta un invalorable servicio en casi todas las áreas posibles, algunas de ellas son: Procesos de manufacturas, Plantas industriales, Sistemas públicos, Sistemas de transportes, Construcción, Diseño, Educación, capacitación entre otros.

Metodología

Este estudio se pretende mostrar la importancia que se tiene  hoy en día, el uso de simuladores en casi cualquier ámbito y/o área de conocimiento para la formación de recursos humanos, así como fomentar  el uso e inclusive el desarrollo y el diseño de nuevos simuladores como una herramienta fundamental en la educación y como parte de las alternativas de las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC). Considerando lo anterior, para demostrar la importancia del empleo de los simuladores y que tanto impacta en la formación de los estudiantes, este trabajo ha iniciado con un estado del arte genérico, donde se resaltan algunos antecedentes, que han dado la pauta y demuestran la importancia de su uso, así como de sus fundamentos poniendo especial atención a las ventajas y desventajas más importantes de acuerdo a algunos autores citados. Posteriormente, se hace un análisis de algunos resultados ya mostrados por otros autores y/o trabajos que tienen que ver con el tema, para que finalmente, mediante una investigación de campo, basado en una encuesta a un grupo de estudiantes que están por concluir su carrera, se pueda contrastar lo investigado para comprobar la hipótesis aquí planteada, dejando además algunas recomendaciones.

Fundamentación

La simulación es conveniente cuando; no existe una formulación matemática con solución analítica; existe un modelo matemático, pero es difícil obtener una solución; no existe el sistema real; los experimentos son imposibles debido a impedimentos económicos, de seguridad, de calidad o éticos; el sistema evoluciona muy lentamente o muy rápidamente. Es una de las herramientas más poderosas disponibles para los responsables en la toma de decisiones, tales como ingenieros, diseñadores, analistas, administradores y directivos, para diseñar y operar sistemas complejos [6]. Una de las funciones principales de los simuladores en educación es el apoyo a docentes en la transferencia de conocimiento [7].

Entre las ventajas de los simuladores se pueden citar [8]:

• Se pueden ensayar nuevos diseños y esquemas sin comprometer recursos adicionales de implementación.
• Se puede usar para explorar nuevos procedimientos, reglas de decisión, estructuras administrativas y organizacionales, etc., sin interferir con la situación actual
• El fin es emular la realidad.
• Posibilidad de equivocaciones sin riesgos de provocar un accidente.
• Toma de decisiones en escenarios reales.
• Representaciones de escenarios futuros.
• Se pueden detectar cuellos de botellas en flujos de materiales o información y probar nuevos procedimientos que mejoren tal situación.
• Desarrollo de la lógica.
• Entrenamiento de adaptación frente al cambio.
• Intercambio de roles, lo que provoca cambio de actitudes.

También en [8] se presentan las etapas de un  proceso de simulación:

Implican: a) la definición del problema (objetivos, preguntas a resolver), b) la planificación del proyecto (personal, equipos y software  disponibles), c) la definición del sistema (límites y restricciones del problema), d) la formulación conceptual del modelo (diagramas de boques o flujos), e) el diseño experimental preliminar (nivel de abstracción, tipos de datos que se necesitan), f) la definición de los datos de entrada (recolectar los datos necesarios), g) la traducción del modelo (traducir el modelo en el lenguaje computacional),  h) la verificación y validez del modelo (comprobar el funcionamiento del modelo y su comparación con datos reales), h) el diseño final del experimento (diseñar las pruebas según la pregunta buscada), j) la experimentación (correr el programa y realizar los análisis de sensibilidad), k) el análisis de los resultados (inferir las conclusiones), y l) la documentación (informar los resultados).

Por lo que puede ser no sencillo el desarrollo y uso de simuladores, por lo que  puede generar algunos inconvenientes o desventajas, de acuerdo a [9]:

• Es importante llevar un programa o control en su aplicación ya que entre la teoría sobre el tema y llevarlo a la práctica con efectividad, requiere tiempo el cuál puede provocar no cumplirse o retrasarse en el programa de estudio.
• Se requiere de la utilización de más de una computadora ya que su uso es de recomendación individual.
• Para obtener estimaciones más exactas y para minimizar la probabilidad de tomar una mala decisión se tienen que hacer un gran número de ensayos en cada simulación y repetir toda la simulación un gran número de veces. Para problemas más complejos, un gran número de repeticiones puede requerir cantidades significativas de tiempo de cómputo.
• Como toda tecnología en su uso se requiere de una capacitación tanto del maestro para que este pueda servir de multiplicador hacia sus alumnos y sobre todo en conocimiento de la existencia de los mismos Software.
• Puede haber Software de simuladores que no estén actualizados, lo que el alumno puede caer en errores.

En [6], se señala que el uso de simuladores en la educación es relevante porque disminuye la posibilidad de cometer errores durante la práctica profesional. Por otro lado, en la carrera de Ingeniería en Control y Automatización (ICA) se han desarrollado varias tesis de nivel licenciatura con temas referentes a la simulación y control de procesos industriales, como se muestra en [10], [11] y [12].

Estudio de campo.

Para hacer el estudio de campo, se han seleccionado dos grupos del último de la carrera ICA, de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), perteneciente al Instituto Politécnico Nacional (IPN). El criterio que se utilizó, es que los estudiantes están al final de su formación profesional, por lo tanto,  tienen más elementos que compartir de acuerdo a su experiencia en el uso de simuladores para su preparación.

Las preguntas que se plantearon a ambos grupos son: ¿Qué es un simulador?, ¿Menciona que simuladores conoces?, A lo largo de la carrera en que materias utilizaste un simulador para tu formación y ¿cuáles son?, ¿Qué ventajas y desventajas observas al utilizar simuladores de acuerdo a tu experiencia? y ¿Piensas que al utilizar simuladores educativos mejoras tu formación profesional? (Si/No ¿Por qué?). Esto con el fin, primero de saber que tan familiarizados están con el término y el concepto, tener un panorama general de los simuladores que conocen, cuáles han sido los que han utilizado y finalmente cuál es su impresión acerca de ellos.

Con la información investigada y con los datos adquiridos de las encuestas, se tomó un muestreo (10 estudiantes de cada grupo), se comparó y se hizo un análisis de la información para reportar los resultados, recomendaciones  y concluir con el trabajo.

Resultados.

De acuerdo a la respuesta de los estudiantes, todos tienen una noción clara de lo que es un simulador, se mencionaron hasta 31 programas para simulación, de los cuales los 5 más conocidos en ICA son Matlab, Tia Portal, Proteus, SolidWorks y Automation Studio. Es importante aclarar que de todos los programas mencionados, no todos son simuladores propiamente, algunos son software de desarrollo y otros son industriales con hardware de aplicación. Sin embargo, casi todos incluyen herramientas para simulación.

La encuesta también arroga cuales son los programas más versátiles ya que se utilizan en más unidades de aprendizaje como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1. Software para simulación que más se utilizan en unidades de aprendizaje de ICA.

Las unidades de aprendizaje que utilizan más variedad de programas para simulación son Control de Máquinas y Electrónica. Con respecto a las ventajas que predominan entre los estudiantes para el uso de los simuladores se tiene que:

• Se puede diseñar, probar y poner en práctica la teoría, para conocer el comportamiento del sistema antes de ser implementado, sin que se tenga el equipo físicamente.
• Se ahorra tiempo y dinero, ya que los simuladores no requieren materia prima, mantenimiento de equipo, consumo de energía, cuando el equipo físico es costoso, etc.
• Los simuladores marcan los errores y fallas en el sistema, dan información de los materiales y equipos requeridos, antes de su implementación y puesta en marcha.
• Se puede ejecutar el programa las veces que sea necesario, no hay equipo y persona que se ponga en riesgo, por lo que es seguro y rápido.

Las desventajas que más se mencionaron son:

• No existe, un acercamiento con los componentes físicos, lo que hace que no se conozcan las conexiones y errores físicos, derivado de ello, el uso de simuladores debe ser complementario.
• Generalmente, se trabaja con condiciones ideales, lo que podría no asegurar el correcto funcionamiento del sistema.
• Se pierde la práctica en cuanto a la realización de cálculos y habilidades físicas en la operación de los sistemas.
• Las configuraciones pueden llegar a ser complejas, se requiere capacitación, licencias y actualizaciones.

Prácticamente todos los estudiantes encuestados dicen que si les ayudo a mejorar su formación el uso de simuladores, como se ve en la gráfica de la Fig. 1, de los cuales el 25% no está del todo convencidos resaltando algunas de las desventajas mencionadas y que debería de ser una herramienta complementaria a su formación.

Figura 1. Estudiantes de ICA que opinan que el uso de simuladores mejoró su formación profesional.

Las encuestas muestran información que se puede utilizar para analizar otras cuestiones. Por ejemplo, para invertir en laboratorios virtuales basados en simuladores, se puede pensar, en los programas que son más versátiles porque son más rentables ya que se utilizan en más unidades de aprendizaje, se puede homologar el uso de simuladores en las unidades de aprendizaje conociendo cuales se utilizan más. En caso de tener la necesidad de diseñar un simulador, de acuerdo a lo resultados, la plataforma de desarrollo que se recomienda es Matlab, debido a que es más conocido y utilizado, lo cual facilitaría su uso.

Conclusiones.

Con los antecedentes se mostró la importancia del uso de simuladores, ya que han permitido resolver problemas sencillos hasta complejos como el desarrollo de la bomba de hidrogeno, sin contar las innumerables aplicaciones industriales, hasta lo que hoy sucede en el ámbito educativo. Los simuladores son herramientas TIC que ayudan, en la solución de problemas y en la toma de decisiones, como operar y diseñar sistemas complejos entre otros. Con respecto al interés de este trabajo es un apoyo a los docentes en la transferencia de conocimientos.

Se tienen muchas ventajas para considerar el uso de simuladores en la formación de estudiantes, algunas relevantes son: para el ensayo de nuevos diseños y/o procedimientos; pueden emular la realidad; reducen riesgos de todo tipo seguridad, salud, etc.; son útiles para entrenamiento de personal. Por otro lado, el desarrollo y uso de simuladores requiere de ciertas etapas que pueden llevar consigo ciertos inconvenientes: como la necesidad de cierta infraestructura; formación de personal especializado para su uso; actualizaciones de hardware y software debido a la evolución de las tecnologías. Sin embargo, haciendo un análisis de los pros y contras, existen más beneficios ya que desde el punto de vista educativo disminuyen las posibilidades de cometer errores en la práctica profesional, mejoran la seguridad, costos y proporcionan mayores posibilidades de desarrollo con respecto a los sistemas reales.

Finalmente, se conoció la variedad de software simulación que se conoce y se utilizan en ICA,  las etapas que se necesitan para desarrollar un simulador y las recomendaciones, para mejorar este documento y para analizar otras situaciones en el empleo de simuladores y de acuerdo a mi experiencia en el área de ingeniería dentro sector público, donde generalmente el equipamiento y mantenimiento de un laboratorio suele ser muy costoso, o muchas veces no se puede tener por la reducción de presupuestos o simplemente no se considera porque no está en la prioridad. Donde, los equipos son muy limitados para la cantidad de alumnos que se tienen, ya son obsoletos, no se surten los insumos, no se tiene personal calificado para mantenimiento y muchos problemas más. Los simuladores no son solo una alternativa, también se vuelven una necesidad, además de los beneficios en el aprendizaje que se tienen.

Agradecimientos

Se agradece cordialmente a la COFAA y a la ESIME del Instituto Politécnico Nacional, por el apoyo brindado, para la realización, presentación y divulgación del trabajo.