Diseño de Unidad Didáctica basada en PBL para el estudio ...

Diseño de Unidad Didáctica basada en PBL para el estudio de pórticos

hiperestáticos

Rodrigo Guerrero Peñuela

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica

Bogotá, Colombia

2020

Diseño de Unidad Didáctica basada en PBL para el estudio de pórticos

hiperestáticos

Rodrigo Guerrero Peñuela

Trabajo Final de Maestría presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ingeniería Mecánica

Asesor:

Doctor en Ingeniería Nelson Arzola de la Peña

Línea de Investigación:

Ingeniería de Diseño y Biomecánica

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica

Bogotá, Colombia

2020

A mi esposa e hijos por la paciencia y el apoyo

en este proceso de construcción personal y

profesional.

Agradecimientos

En primera medida agradezco al Ingeniero Nelson Arzola de la Peña, coordinador del

Laboratorio de Diseño de Máquinas y Prototipos, pues sus aportes y orientaciones durante

el desarrollo del trabajo fueron fundamentales a nivel teórico y metodológico. Así mismo la

oportunidad que me ha dado de generar un recurso didáctico para docentes y estudiantes

de los programas de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, aportando recursos técnicos del

laboratorio para su construcción.

También debo hacer mención del apoyo recibido por la Secretaría de Educación Distrital,

entidad con la cual laboro actualmente y a quienes agradezco, pues permitieron ajustar los

espacios laborales con los académicos para generar las condiciones necesarias para

culminar este proceso de formación profesional.

Resumen y Abstract IX

Resumen

Este proyecto se centra en el diseño de una unidad didáctica para tratar temas

relacionados con el análisis de pórticos en condición de hiperestaticidad. Con ello se busca

generar un recurso alterno a las dinámicas de formación tradicional, fundamentando las

actividades en el aprendizaje basado en problemas (PBL), de donde se obtienen principios

como el planteamiento de problemas como directriz del proceso formativo, la

autoformación, el aprendizaje basado en la experiencia y el trabajo grupal. La unidad

didáctica materializa estos conceptos pedagógicos a través de las actividades planeadas,

las cuales giran en torno a una guía didáctica y un banco experimental diseñados para tal

fin. Los procesos formativos llevados a cabo por esta unidad fueron implementados en dos

cursos de pregrado del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la

Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá. Para medir los efectos de este tipo de

actividades pedagógicas, se realizaron evaluaciones en diferentes puntos del proceso

formativo y de diferentes formas. Una de ellas, fue medir el nivel de progreso de los

estudiantes durante el desarrollo de las actividades mediante una prueba inicial y una

prueba de progreso, con lo cual fue posible comparar un estado inicial y un estado

posterior. Los resultados muestran que luego de realizar las actividades propuestas, las

cuales consistieron en plantear un problema de ingeniería, exponer un método de solución

analítico y realizar una práctica experimental en laboratorio, el 74% de los estudiantes

obtuvo una mejoría considerable en los resultados de las pruebas, evidenciando el

beneficio que tiene la implementación de actividades que fundamentalmente fueron

desarrolladas fuera del aula de clase, con un 80% de trabajo autónomo.

Palabras clave: Unidad Didáctica, PBL, Pórticos Hiperestáticos, Diseño de Producto

X Diseño de Unidad Didáctica Basada en PBL

Abstract

This project focuses on the design of a didactic unit to deal with topics related to the

analysis of gantries in hyper static condition. This seeks to generate an alternative resource

to traditional training dynamics, basing activities on problem-based learning (PBL), from

which principles such as problem-solving as a guideline of the training process, self-

training, and based learning are obtained. in group work and experience. The didactic unit

materializes these pedagogical concepts through the planned activities, which revolve

around a didactic guide and an experimental bench designed for this purpose. The training

processes carried out by this unit were implemented in two undergraduate courses of the

Department of Mechanical and Mechatronic Engineering of the National University of

Colombia, Bogotá. To measure the effects of this type of pedagogical activities, evaluations

were carried out at different points in the training process and in different ways. One of

them was to measure the level of progress of the students during the development of the

activities by means of an initial test and a progress test, with which it was possible to

compare an initial state and a later state. The results show that after carrying out the

proposed activities, which consisted of posing an engineering problem, exposing an

analytical solution method and carrying out an experimental laboratory practice, 74% of the

students obtained a considerable improvement in the results of the tests, evidencing the

benefit of the implementation of activities that were fundamentally carried out outside the

classroom, with 80% of autonomous work.

Keywords: Didactic Unit, PBL, Hyper static Portals, Product Design

Contenido XI

Contenido

Pág.

Resumen ............................................................................................................................. IX

Lista de figuras ................................................................................................................ XIII

Lista de tablas ................................................................................................................... XV

Introducción ........................................................................................................................ 1

1. Aspectos Preliminares ................................................................................................ 5 1.1 Descripción del trabajo ....................................................................................... 5

1.1.1 Definición de Unidad Didáctica ............................................................... 6 1.2 Problema............................................................................................................. 7 1.3 Justificación ........................................................................................................ 8 1.4 Objetivos ............................................................................................................. 9

1.4.1 Objetivo General ...................................................................................... 9 1.4.2 Objetivos Específicos .............................................................................. 9

2. Diseño Conceptual ...................................................................................................... 9 2.1 Contextualización ............................................................................................. 10 2.2 Descripción del producto .................................................................................. 11 2.3 Fundamentos .................................................................................................... 12 2.4 Requerimientos de los usuarios ....................................................................... 14 2.5 Análisis funcional .............................................................................................. 16

2.5.1 Rutas funcionales .................................................................................. 18 2.6 Generación de conceptos ................................................................................ 19

3. Diseño de detalle ....................................................................................................... 32 3.1 Estructura Unidad Didáctica ............................................................................. 32

3.1.1 Resultados de aprendizaje .................................................................... 33 3.1.2 Temáticas abordadas ............................................................................ 33 3.1.3 Situación problémica ............................................................................. 34 3.1.4 Proceso evaluativo ................................................................................ 38

3.2 Guía Didáctica .................................................................................................. 40 3.3 Banco Experimental ......................................................................................... 44 3.4 Planeación ........................................................................................................ 51

4. Implementación ......................................................................................................... 52 4.1 Metodología ...................................................................................................... 52

4.1.1 Preparación ........................................................................................... 52 4.1.2 Ejecución ............................................................................................... 54

XII Diseño de Unidad Didáctica Basada en PBL

4.2 Resultados ........................................................................................................ 65 4.2.1 Caracterización de la población estudiantil........................................... 65 4.2.2 Test de Conocimiento............................................................................ 68 4.2.3 Consolidados totales del proceso ......................................................... 76 4.2.4 Encuesta de percepción final ................................................................ 81

5. Conclusiones y Recomendaciones ......................................................................... 84 5.1 Conclusiones .................................................................................................... 84 5.2 Recomendaciones ............................................................................................ 90

Bibliografía ........................................................................................................................ 92

Contenido XIII

Lista de figuras

Pág.

Figura 2-1: Mapa conceptual: Descripción de la necesidad ....................................... 11

Figura 2-2: Producto: Unidad Didáctica ...................................................................... 12

Figura 2-3: Diagrama de caja gris ............................................................................... 16

Figura 2-4: Rutas funcionales ...................................................................................... 18

Figura 2-5: Propuestas para la ruta ejecución ............................................................ 19

Figura 2-6: Propuestas para la ruta orientación .......................................................... 26

Figura 2-7: Propuestas para la ruta medición ............................................................. 28

Figura 2-8 Conceptos finales ruta ejecución .............................................................. 31

Figura 3-9: Tipos de pórticos ....................................................................................... 35

Figura 3-10: Tipos de apoyos ........................................................................................ 35

Figura 3-11: Ejemplo situación problema ...................................................................... 36

Figura 3-12: Portada módulo de presentación .............................................................. 41

Figura 3-13: Portada módulo de exploración ................................................................ 42

Figura 3-14: Portada módulo de simulación.................................................................. 43

Figura 3-15: Portada módulo de experimentación ........................................................ 44

Figura 3-16: Boceto identificación de zonas ................................................................. 45

Figura 3-17: Boceto diseño de detalle ........................................................................... 46

Figura 3-18: Render fijación de pórticos y cargas ......................................................... 47

Figura 3-19: Subsistemas del Banco Experimental ...................................................... 47

Figura 3-20: Varios detalles del Banco Experimental ................................................... 49

Figura 3-21: Montaje Final ............................................................................................. 50

Figura 4-22: Mensaje de invitación a los estudiantes ................................................... 54

Figura 4-23: Pregunta 4 de la prueba inicial ................................................................. 56

Figura 4-24: Pregunta 6 de la prueba inicial ................................................................. 57

Figura 4-25: Montaje y preparación del banco experimental ........................................ 58

Figura 4-26: Activación y calibración de cargas ............................................................ 59

Figura 4-27: Registro de datos ...................................................................................... 60

Figura 4-28: Pregunta 1 de la prueba de progreso ....................................................... 62

Figura 4-29: Pregunta 2 de la prueba de progreso ....................................................... 63

Figura 4-30: Encuesta de opinión .................................................................................. 65

Figura 4-31: Distribución por sexo y edad ..................................................................... 66

Figura 4-32: Distribución por carrera y promedios académicos ................................... 66

Figura 4-33: Distribución por asignatura, avance en el plan de estudios y repitencia . 67

Figura 4-34: Actividades relacionadas con los hábitos de estudio ............................... 68

XIV Diseño de Unidad Didáctica Basada en PBL

Figura 4-35: Diagrama de dispersión para los resultados del test en el curso de

Resistencia de Materiales................................................................................................... 69

Figura 4-36: Promedio para los resultados del test en el curso de Resistencia de

Materiales 70

Figura 4-37: Diagrama de dispersión para los resultados del test en el curso de Diseño

de Elementos de Máquinas ................................................................................................ 70

Figura 4-38: Promedio de los resultados para el test en el curso de Diseño de

Elementos de Máquinas ..................................................................................................... 71

Figura 4-39: Gráfico de caja y bigotes para las calificaciones obtenidas antes y luego

de desarrollar la práctica experimental en el curso de Resistencia de Materiales ........... 71

Figura 4-40: Gráfico de caja y bigotes para la diferencia entre las calificaciones

obtenidas en el curso de Resistencia de Materiales.......................................................... 72

Figura 4-41: Histograma de frecuencias para la diferencia entre las calificaciones

obtenidas en el curso de Resistencia de Materiales.......................................................... 72

Figura 4-42: Gráfico de caja y bigotes para las calificaciones obtenidas antes y luego

de desarrollar la práctica experimental en el curso de Diseño de Elementos de Máquinas

74

Figura 4-43: Gráfico de caja y bigotes para la diferencia entre las calificaciones

obtenidas en el curso de Diseño de Elementos de Máquinas ........................................... 74


obtenidas en el curso de Diseño de Elementos de Máquinas ........................................... 75

Figura 4-45: Comportamiento de los estudiantes frente al desarrollo de la UD........... 77

Figura 4-46: Acumulado en las actividades del curso de Resistencia de Materiales .. 78

Figura 4-47: Acumulado de las actividades en el curso de Diseño de Elementos de

Máquinas 79

Figura 4-48: Diagrama de caja y bigotes porcentaje consolidado por cursos.............. 79

Figura 4-49: Comparación de puntajes con el número de matrículas .......................... 80

Figura 4-50: Resultados de la encuesta de percepción ................................................ 82

Contenido XV

Lista de tablas

Pág.

Tabla 2-1: Requerimientos del docente ......................................................................... 14

Tabla 2-2: Requerimientos del estudiante ..................................................................... 15

Tabla 2-3: Requerimientos del técnico de laboratorio ................................................... 15

Tabla 2-4: Requerimientos de las instituciones educativas .......................................... 16

Tabla 2-5: Descripción de conceptos y funciones ruta ejecución ................................. 21

Tabla 2-6: Descripción de conceptos y funciones ruta orientación ............................... 26

Tabla 2-7: Descripción de conceptos y funciones ruta medición .................................. 29

Tabla 3-8: Descripción del problema ............................................................................. 37

Tabla 3-9: Ítems de evaluación ...................................................................................... 38

Tabla 3-10: Características técnicas del Banco Experimental .................................... 48

Tabla 4-11: Resumen Estadístico para Cal_final - Cal_inicial para Resistencia de

Materiales 73

Tabla 4-12: Resumen Estadístico para Cal_final - Cal_inicial Diseño de Elementos de

Máquinas 75

Tabla 4-13: Comentarios de los estudiantes respecto a las actividades realizadas... 83

Introducción

Dentro de los procesos de formación, el Aprendizaje Basado en Problemas (PBL) se

postula como una herramienta que permite a los estudiantes aplicar y desarrollar

conocimiento generando habilidades para su desarrollo profesional. Las condiciones

generadas por el mundo laboral exigen profesionales que se adapten rápidamente a los

cambios (McMaster, 2006), requiriendo cualidades que pueden ser cultivadas y

desarrolladas desde la academia, para desarrollar habilidades en el análisis y solución de

problemas, para lo cual, es fundamental diseñar estrategias, procedimientos y recursos

didácticos que consoliden estas fortalezas en los futuros profesionales en ingeniería.

Atendiendo necesidades particulares como las prácticas de laboratorio de los programas

de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia, se abordan

temas específicos de análisis estructural, debido a que hay recursos y desarrollos previos

disponibles, entre los cuales se encuentra un banco de pruebas para pórticos, al cual se

le realizan modificaciones de diseño y se implementan, para convertirlo en un dispositivo

pedagógico con el cual desarrollar prácticas experimentales con estudiantes de pregrado,

creando espacios y materiales de apoyo a los procesos de formación en esta área. Éste

proyecto surge de la necesidad de implementar una práctica dirigida en temas de

resistencia de materiales, en la cual los estudiantes puedan explorar configuraciones

típicas de pórticos y analizar allí sus comportamientos mecánicos, debido al interés que

han tenido algunos docentes del área en abordar éstos temas en sus estudiantes,

buscando estrategias para incluir nuevos recursos didácticos sin afectar los contenidos

reglamentarios de su asignatura. Por ello, se tiene como objetivo el diseño e

implementación de una unidad didáctica que materialice la metodología PBL orientada al

estudio de estructuras hiperestáticas tipo pórtico, como recurso didáctico para las

asignaturas de Resistencia de Materiales y Diseño de Elementos de Máquinas. Para

alcanzar esto es necesario direccionar el trabajo en los siguientes aspectos: 1) Establecer

los lineamientos necesarios para el diseño de una actividad académica efectiva basada en

PBL y prácticas experimentales, para la línea de diseño en ingeniería. 2) Configurar un

banco de pruebas para pórticos como dispositivo pedagógico para el desarrollo de la

2 Introducción

práctica educativa. 3) Diseñar la unidad didáctica con las actividades, orientaciones,

procedimientos, la guía experimental y la metodología de evaluación, estableciendo

tiempos de ejecución para cada una de las etapas definidas. 4) Implementar y evaluar los

efectos de la práctica educativa propuesta, identificando fortalezas y debilidades en su

aplicación.

Los cuatro puntos anteriores se encaminan hacia la construcción de un recurso alterno

como apoyo a los procesos de formación tradicional sin alterar la estructura de los cursos

presenciales de la línea de diseño en ingeniería. La unidad didáctica contempla el diseño

de una guía didáctica conformada por cuatro módulos que organiza los contenidos y la

información necesaria para el desarrollo del trabajo autónomo por parte de los grupos de

estudiantes. También considera el rediseño y configuración de un banco experimental, con

el cual es posible realizar pruebas físicas para permitir a los estudiantes obtener

información del comportamiento real de los pórticos. Para la implementación, coordinación

y enlace entre los docentes y estudiantes se tiene previsto el uso de recursos digitales,

tales como el correo electrónico y plataformas educativas virtuales de uso libre. Para la

aplicación de esta unidad, se dispone de un corto tiempo debido a la amplitud en los

contenidos a tratar en los cursos participantes, y a la corta duración de un semestre

académico. Dentro de la invitación realizada a los cursos de Resistencia de Materiales y

Diseño de Elementos de Máquinas, solo dos docentes deciden participar en el proceso,

por lo que es posible trabajar con un número limitado de estudiantes. La unidad didáctica

es aplicada utilizando dos sesiones presenciales, una para hacer la apertura del trabajo y

la segunda para realizar el cierre, lo demás corresponde al desarrollo de actividades

autónomas extra clase, dentro de las cuales deben encontrar la solución a un problema de

ingeniería planteado dentro del ámbito estructural, en el cual deben analizar fuerzas

externas, distribución de fuerzas internas, desplazamientos, deformaciones y esfuerzos,

determinando el comportamiento de un pórtico para el cual se configuran variables como

su geometría, tipos de apoyos y la magnitud y posición de las cargas. La experimentación

permite a los estudiantes obtener información del comportamiento mecánico real de la

estructura, para ser comparada con los resultados obtenidos mediante análisis teórico.

Durante el proceso de implementación de la unidad didáctica, se realizan evaluaciones de

seguimiento a los procesos de los estudiantes, para establecer un indicador que permita

identificar los efectos de este tipo de actividades académicas.

Este trabajo pretende aportar a los procesos de enseñanza – aprendizaje, para promover

la implementación de recursos didácticos complementarios que fomenten el trabajo

Introducción 3

colaborativo y autodirigido, con el fin de consolidar dinámicas distintas en los ambientes

educativos a partir de procesos centrados en el estudiante.

El presente documento está conformado por cinco capítulos distribuidos de la siguiente

manera: El primer capítulo llamado Aspectos Preliminares, contiene los fundamentos que

orientan el desarrollo de éste trabajo. El segundo capítulo denominado Proceso de Diseño,

contiene la metodología implementada para diseñar la unidad didáctica considerándola

como un producto, basándose en la identificación de funciones y las relaciones entre ellas.

El tercer capítulo llamado Consolidación de la Unidad Didáctica, presenta los productos

finalmente obtenidos como subconjuntos que al integrarse entre sí conforman la unidad

didáctica. El cuarto capítulo llamado Implementación, explica la metodología utilizada en

la aplicación de éste trabajo con los estudiantes, así como también presenta los resultados

obtenidos en éste proceso. Finalmente, en el capítulo cinco se exponen las conclusiones

y recomendaciones generadas en el análisis de los resultados y de la experiencia obtenida

en el trabajo con los estudiantes.

1. Aspectos Preliminares

En este capítulo se mostrarán los aspectos iniciales que fundamentan el desarrollo de este

trabajo, en el cual se contextualiza el proyecto realizado identificando la problemática, la

justificación y los objetivos que orientaron el desarrollo de este trabajo.

1.1 Descripción del trabajo

Como aporte a los procesos formativos de educación superior, el proyecto consolida una

práctica educativa a partir de un recurso didáctico fundamentalmente centrado en el

estudiante, fomentando la construcción de herramientas para la exploración de nuevos

entornos de aprendizaje, siendo un complemento a las estrategias y metodologías

tradicionalmente utilizadas en las instituciones de educación en ingeniería. La propuesta

aborda contenidos específicos de mecánica de materiales con el apoyo de actividades

experimentales como metodología de aprendizaje (Torres, 2008), ya que se dispone de los

recursos y del apoyo para trabajar en esta área. De esta manera los temas corresponden

al estudio de pórticos hiperestáticos los cuales pueden ser tratados en una fase final de un

curso de pregrado o como parte inicial de un curso de posgrado. El diseño de la unidad

didáctica se entiende como la configuración del conjunto de recursos necesarios para que

en su implementación se construyan ambientes educativos. Por una parte, los recursos

pueden ser aspectos metodológicos como el caso de orientaciones, guías y

procedimientos para el desarrollo de actividades. También se consideran los recursos

tecnológicos como el caso del banco experimental y recursos computacionales para

análisis estructural. Por otra parte, “Los ambientes educativos, en general, los entendemos

como el conjunto de circunstancias espaciotemporalmente definidas, donde por la acción

deliberada de los sujetos allí interactuantes, se suceden transformaciones significativas de

tipo actitudinal, cognitivo, axiológico, para las personas y su entorno social” (Rueda y

Quintana, 2013, p.184). Así pues, dentro de estos ambientes se encuentran todas las

condiciones y los componentes básicos para que ocurra la enseñanza y el aprendizaje.

6 Diseño de Unidad Didáctica Basada en PBL

Los Componentes Básicos. Estos se entienden como aquellos elementos

estructurales que conforman el todo llamado ambiente y que, en virtud de su

naturaleza, individualmente considerados y de la calidad de las relaciones entre

ellos, configuran el carácter educativo del mismo. Se distinguen en general tres

tipos de componentes: Los actores, representados en las personas (alumnos,

docentes, directivos, administrativos y personal de servicios) que en cuanto

inmersos en el ambiente cumplen roles determinados en el interior de éstos. Los

dispositivos, que constituyen disimiles mecanismos que, en razón a su disposición

y utilización racional, posibilitan ciertos efectos en términos de productos,

comportamientos, conocimientos, sentimientos, actitudes, etc. Finalmente, se

tienen los Procesos, concebidos como los eventos que se suscitan de la interacción

significativa entre los actores y dispositivos en el interior de los ambientes

educativos (Rueda y Quintana, 2013, p.184).

Por lo tanto, se plantea la articulación de los componentes básicos del ambiente educativo

en ingeniería implementando la metodología PBL como estrategia de aprendizaje para el

estudio de pórticos hiperestáticos.

1.1.1 Definición de Unidad Didáctica

Al hacer referencia al término “Unidad Didáctica”, se está hablando de dos aspectos

complementarios que constituyen un concepto de gran importancia en la enseñanza. Por

un lado, como aspecto específico, se entiende la Unidad como un conjunto de elementos

diseñados para que en su utilización permitan alcanzar determinados resultados,

alimentando y orientando los procesos formativos que han de ser ejecutados por los

actores involucrados en el tratamiento de los temas específicos de interés. Elementos tales

como contenidos, objetivos, actividades, dispositivos y procesos evaluativos entre otros,

aportan cierta dinámica en la configuración de los ambientes educativos. Por otro lado,

como aspecto global, la Didáctica es aquello que posibilita la materialización de los

planteamientos teóricos propuestos, por ejemplo, en los enfoques, modelos y corrientes

pedagógicas. De esta manera es importante aclarar que “la enseñanza se refiere a la

institucionalización del quehacer educativo y su organización alrededor de procesos

intencionales de enseñanza - aprendizaje, siendo la didáctica el saber que tematiza el

7

proceso de instrucción y orienta sus métodos, sus estrategias, su eficiencia, etc.” (Lucio,

1989, p.4).

Desde el desarrollo de este tipo de unidades, es posible generar una directriz para la

realización consecuente del proceso de enseñanza aprendizaje, orientada por alguna

estrategia o método fundamentado en planteamientos teóricos sobre la educación, como

por ejemplo el aprendizaje basado en problemas. La Unidad Didáctica entonces, contiene

la información necesaria para posibilitar las interacciones dentro de un ambiente educativo

y configurar sus procesos de manera que permitan alcanzar intencionalmente

determinados logros, orientados éstos por fundamentos teóricos previamente definidos.

1.2 Problema

Como referente de implementación, en la Universidad Nacional de Colombia dentro de los

Programas de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, una de las cinco líneas de formación

disciplinar se enfoca en el área de diseño mecánico, definiendo un grupo de asignaturas

obligatorias de pregrado como núcleo de formación de los futuros ingenieros. Una parte

del conjunto de asignaturas de diseño en ingeniería mecánica está basada en los

fundamentos de la física mecánica (estática y dinámica) y el análisis del comportamiento

de los materiales bajo diferentes tipos de cargas (resistencia de materiales), conocimientos

con los cuales es posible realizar el diseño de componentes mecánicos (Diseño de

Elementos de Máquinas). En la actualidad los procesos educativos en estos cursos de

formación disciplinar implementan metodologías tradicionales a partir de sesiones

magistrales, dentro de las cuales se han habilitado espacios para el desarrollo de prácticas

de laboratorio gracias al esfuerzo que los docentes han hecho por mejorar los procesos

formativos. El laboratorio de diseño de máquinas y prototipos de ésta institución en el cual

se realizan éstas prácticas experimentales, se ha venido dotando con recursos

tecnológicos diseñados y construidos por estudiantes de posgrado con la orientación de

los docentes del área, quienes han concentrado su interés en generar dispositivos técnicos

con los cuales los estudiantes puedan a través de la experiencia fortalecer sus procesos

de construcción de conocimiento en el área de diseño mecánico. Aunque los dispositivos

y el desarrollo de prácticas son limitados, éste tipo de actividades de experimentación son

esenciales y tenidas en cuenta en los programas académicos de cada semestre. Las

restricciones de tiempo y los amplios contenidos que deben ser tratados durante un

semestre académico, exigen el desarrollo de actividades y prácticas educativas de una


forma concreta y de corta duración como apoyo a los temas tratados en el aula de clase.

Todo ello demanda la implementación de estrategias pedagógicas que orienten el trabajo

extraclase de los estudiantes, fortaleciendo también el desarrollo de nuevos recursos de

laboratorio que permitan la implementación de nuevas prácticas, abriendo el rango de

posibilidades didácticas con las cuales el docente pueda configurar el desarrollo de sus

clases.

1.3 Justificación

Dentro de los cursos de Resistencia de Materiales y Diseño de Elementos de Máquinas,

el análisis de estructuras hiperestáticas, se propone como un recurso complementario para

los ingenieros mecánicos debido a que son estructuras que comúnmente se utilizan en la

industria, para lo cual la experimentación y pruebas controladas sobre diferentes

configuraciones de estas estructuras serían un insumo altamente valioso en los procesos

pedagógicos relacionados con la formación de profesionales enfocados en el desarrollo

tecnológico. Otro aspecto relevante se relaciona con las metodologías utilizadas en los

procesos de enseñanza - aprendizaje en ingeniería, dentro de las cuales el PBL se ha

venido implementado con mayor fuerza durante la última década. Se ha demostrado que

el PBL tiene una gran influencia en la adquisición y retención de conocimiento en el largo

plazo (Yew y Goh, 2016), siendo una metodología que plantea al estudiante una situación

real y concreta que debe ser resuelta desde su campo de acción profesional, permitiendo

la generación de entornos colaborativos, un aprendizaje autodirigido y el desarrollo de

prácticas y reflexiones en torno a la situación planteada (Yew y Goh, 2016). Implementar

dinámicas complementarias en los procesos formativos, puede lograr transformaciones

frente al cómo obtener resultados positivos en el aprendizaje, resaltando que para el

desarrollo de éste proyecto se cuenta con materiales, equipos, capital humano y con un

banco de experimentación en un estado inicial de desarrollo, con lo cual es posible

potenciar prácticas pedagógicas que aporten de manera positiva en el desarrollo de éstas

asignaturas.

9

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo General

Diseñar e implementar una unidad didáctica que materialice la metodología PBL orientada

al estudio de estructuras hiperestáticas tipo pórtico, como recurso didáctico para las

asignaturas de Resistencia de Materiales y Diseño de Elementos de Máquinas.

1.4.2 Objetivos Específicos

Establecer los lineamientos necesarios para el diseño de una actividad académica

efectiva basada en PBL y prácticas experimentales.

Configurar un banco de pruebas para pórticos como dispositivo pedagógico para el

desarrollo de la práctica educativa.

Diseñar la unidad didáctica con las actividades, orientaciones, procedimientos, la guía

experimental y la metodología de evaluación, estableciendo tiempos de ejecución para

cada una de las etapas definidas.

Implementar y evaluar los efectos de la práctica educativa propuesta, identificando

fortalezas y debilidades en su aplicación.

2. Diseño Conceptual

En este capítulo se presenta el proceso de diseño realizado para obtener la Unidad

Didáctica (UD), entendida aquí como un producto con el cual es posible implementar una

práctica educativa como recurso complementario a los procesos de formación tradicional.

A partir de la identificación de la necesidad o problema planteado en el numeral 1.2, se

delimitan las fronteras del trabajo de diseño con el reconocimiento de los requerimientos

extraídos tanto de los usuarios potenciales de la UD, como de los principios del PBL. Otra

fase fundamental durante éste proceso que sumada a la fase de requerimientos, generan

la información necesaria para proponer los conceptos de diseño en una fase posterior, es


el denominado análisis funcional, el cual consiste en realizar un estudio sistémico de la UD

dentro del cual se identifican los principales usuarios que interactúan dentro del proceso

de enseñanza – aprendizaje para determinar información de entrada y salida a través de

las fronteras del sistema, funciones necesarias y sus relaciones para el buen desempeños

de la Unidad. Finalmente se procede con la generación de conceptos definidos como

soluciones parciales a cada una de las variables identificadas en fases anteriores

buscando atender los requerimientos establecidos para éste producto.

2.1 Contextualización

En las instituciones de educación superior orientadas a la formación en ingeniería, una

parte considerable de sus procesos de enseñanza están asociados con el desarrollo de

prácticas formativas que permitan a los estudiantes experimentar mediante el uso de

laboratorios, instrumentos y recursos tecnológicos especializados según su disciplina.

Particularmente los programas académicos relacionados con el diseño mecánico, como la

ingeniería mecánica, mecatrónica, electromecánica y civil, abordan temas de resistencia

de materiales para acercarse al diseño de componentes, siendo de especial interés la

implementación de actividades educativas que permitan al docente orientar el proceso

formativo mediante el planteamiento de situaciones que requieran la participación activa

de los estudiantes en su proceso de construcción y aplicación de conocimiento. Los

pórticos hiperestáticos, dentro del análisis estructural, conforman un tema de estudio

fundamental en la formación de éstos ingenieros; y es allí, donde se requiere la

implementación de nuevos recursos y métodos que complementen los procesos

tradicionales de formación, para que atiendan las limitaciones de tiempo establecidas por

la duración de un semestre académico y por la amplitud de los contenidos y temas a tratar.

Todo esto estructurado por una didáctica que oriente el proceso de enseñanza aprendizaje

para alcanzar los objetivos de formación eficientemente. Como recurso se requiere de un

producto que permita el acercamiento y la experimentación de los estudiantes con las

estructuras hiperestáticas, facilitando la manipulación, la identificación y la medición de

variables físicas como cargas mecánicas, esfuerzos, deformaciones y desplazamientos de

la estructura. Así mismo se requiere de una metodología que permita que las partes de un

ambiente educativo interactúen para establecer una dinámica particular, posicionando al

estudiante como el centro entorno al cual se diseñan y se desarrollan las actividades

didácticas (Fernández & Duarte, 2013). En la figura 2-1, se presenta el mapa conceptual

11

que describe la situación planteada, identificando tres zonas: contextualización,

justificación y problema de diseño; con las cuales se puede identificar de manera sintética

la necesidad o problemática a tratar.

Figura 2-1: Mapa conceptual: Descripción de la necesidad

2.2 Descripción del producto

El problema plantea la necesidad de un recurso tecnológico y la implementación de un

método centrado en el estudiante, que permitan el desarrollo de actividades formativas en

ingeniería a partir de la experimentación en pórticos (Agudelo & García, 2010). Por lo tanto,

se identifica una oportunidad de diseño en la cual se requiere un producto que integre un

método de aprendizaje como el caso del PBL, y un dispositivo para la experimentación en

pórticos. Este producto es denominado Unidad Didáctica (UD) la cual debe estar

conformada, por un lado, de una Guía Didáctica (GD) en la cual se establecen las

orientaciones necesarias para el desarrollo de una práctica basada en PBL y, por otro lado,

de un Banco Experimental (BE) el cual provee de una solución técnica para posibilitar la

experimentación y toma de mediciones sobre los pórticos. Como se muestra en la figura


2-2, con este producto básicamente se propone una dinámica alterna, la cual puede ser

implementada paralelamente con los procesos tradicionales de formación en las escuelas

de ingeniería, para atender las limitaciones de tiempo abordando otros contenidos que

normalmente son omitidos porque no alcanzan a ser tratados dentro del aula. Es así como

el estudiante adquiere un papel primordial en la conformación de un ambiente educativo

basado en la autogestión, pues gran parte de las actividades requieren ser desarrolladas

en espacios alternos al aula de clase, posicionando al docente como orientador de un

proceso de autoformación el cual está cimentado en el aprendizaje basado en problemas,

con la finalidad de alcanzar los objetivos de formación.

Figura 2-2: Producto: Unidad Didáctica

2.3 Fundamentos

El Aprendizaje Basado en Problemas (PBL por sus siglas en inglés), es la metodología que

orienta el desarrollo de la Unidad Didáctica, ya que es un recurso pedagógico de gran

utilidad considerando las características de tiempo y autonomía deseadas en el proceso

de aprendizaje de los estudiantes. Kolmos (2004) afirma:

13

Para todas las instituciones de enseñanza superior, el modelo de enseñanza

basado en problemas resultó ventajoso para el aprendizaje y la adquisición de

competencias de los estudiantes. Respecto al aprendizaje, los estudiantes se

motivan al acceder a unas formas de pedagogía basadas en la resolución de

problemas y en el grupo. Concretamente, se traduce en un tiempo de estudios más

breve para los estudiantes, además de una menor tasa de abandono durante los

estudios. (p.78)

Este tipo de aprendizaje tiene efectos positivos en el desarrollo de habilidades que implican

la aplicación del conocimiento en la resolución de un problema, pero también presenta

desventajas respectos a la amplitud o cantidad de conocimientos que puede adquirir un

estudiante en relación con un área de estudio (Dochy, Segers, Van den Bossche, & Gijbels,

2003).

De forma general, se puede identificar que el PBL está estructurado en el desarrollo de

actividades en pequeños grupos con la participación del docente como orientador o guía

del proceso formativo (Kolmos, 2003).

Para la conformación de esta práctica educativa se extraen algunos principios teóricos

relacionados con el PBL. Kolmos (2003) identifica los siguientes:

1. El aprendizaje basado en la formulación de una problemática, dónde la

problemática es el punto de partida de los procesos de aprendizaje.

2. El aprendizaje autodirigido, resaltando que el objetivo del proceso formativo está

mucho más centrado en el individuo.

3. El aprendizaje basado en la experiencia forma parte de los procesos dirigidos por

los participantes, donde los estudiantes toman como punto de partida sus propias

experiencias o intereses.

4. El aprendizaje basado en el trabajo de grupos, con lo cual también se desarrollan

competencias personales sobre cómo gestionar procesos de cooperación.

Éstos cuatro principios establecen la base para construir la UD, orientando principalmente

el diseño de las actividades y la metodología de trabajo.


2.4 Requerimientos de los usuarios

De acuerdo con la información presentada anteriormente, se requiere de un producto que

permita el desarrollo de actividades académicas experimentales, mediante la

implementación de la metodología PBL como una alternativa a desarrollar paralelamente

con los procesos tradicionales de formación. Los actores que intervienen en este proceso

educativo se identifican como todas aquellas personas que se encuentran relacionadas o

interesadas en la consecución de este producto. Por ello, se definen cuatro categorías

entre las cuales se encuentran los Docentes, los Estudiantes, los Técnicos de Laboratorio

y las Instituciones Educativas.

En las tablas 2-1, 2-2, 2-3 y 2-4, se relacionan las necesidades específicas enunciadas por

los principales actores, las cuales fueron obtenidas mediante indagaciones en relación con

la posibilidad de tener un recurso didáctico para abordar el tema de pórticos y prácticas

experimentales. Esta información posteriormente es interpretada como requerimientos

para ser utilizados en el diseño de la unidad didáctica (Ulrich y Eppinger, 2013),

redactándolos en términos de lo que debe hacer el producto. En la cuarta columna de las

tablas (interpretación), se utiliza la identificación mencionada en el numeral 2.2.

Tabla 2-1: Requerimientos del docente

Actor No.

ENUNCIADO

INTERPRETACIÓN

DO

CEN

TE

1 Se requiere de actividades de corta duración

La UD contiene actividades para desarrollar en corto tiempo

2 Es necesario implementar actividades centradas en el estudiante

La UD está basada en metodología de aprendizaje basado en problemas

3 Se requiere minimizar el grado de reprobación de los cursos de resistencia

La UD permite alcanzar los objetivos de aprendizaje

4 Se necesita probar diferentes configuraciones geométricas de pórticos

El BE permite la experimentación de pórticos con diferentes geometrías

5 Se necesitan diferentes tipos de restricciones en los apoyos de los pórticos, permitiendo la hiperestaticidad

El BE contiene varios tipos de apoyos para la fijación de los pórticos

6 Es necesario hacer pruebas con cargas mecánicas estáticas.

Es posible utilizar cargas mecánicas estáticas en el BE

7 Se requiere medir cargas mecánicas, deformaciones y desplazamientos en los pórticos

El BE mide cargas mecánicas, deformaciones y desplazamiento de los pórticos probados

8 Es necesario aplicar cargas mecánicas concentradas en dirección vertical y horizontal

En el BE es posible aplicar cargas mecánicas concentradas en dirección vertical y horizontal

9 Se requiere rigidez y estabilidad en los apoyos de los pórticos

Los puntos de fijación de los marcos al BE son rígidos y generan estabilidad

15

10 Es necesario establecer referentes que permitan comparar resultados físicos obtenidos

El GD presenta modelos comparativos para analizar los resultados físicos obtenidos en la experimentación con el BP

11 Se necesita facilitar la explicación de los fenómenos a estudiar en la práctica

La GD es clara en el desarrollo de los contenidos, facilitando el desarrollo de las prácticas en el BE

12 Es necesario una guía metodológica para el desarrollo de las actividades

La GD implementa una metodología clara y fácil de desarrollar

Tabla 2-2: Requerimientos del estudiante

Cliente No.

ENUNCIADO

INTERPRETACIÓN

ESTU

DIA

NTE

1 Es difícil entender algunos conceptos de resistencia de materiales en clase

La UD aborda conceptos de resistencia de materiales presentando casos directos de aplicación

2 No se dedica suficiente tiempo al desarrollo de actividades extra-clase

La UD contiene actividades complementarias a las sesiones de clase

3 Es importante que los pórticos se puedan manipular fácilmente

Una sola persona puede manipular y controlar el manejo del BE

4 Permitir una instalación y preparación rápida, para tomar la información requerida en corto tiempo

La preparación del BE es fácil y requiere poco tiempo

5 Se desea ver directamente en un marco real cómo se comporta bajo el efecto de diferentes cargas mecánicas

Es posible visualizar directamente los efectos físicos generados en los pórticos al utilizar el BE

6 Se requiere tener un registro fácil de la información de la prueba experimental

El BE permite realizar una lectura rápida de los datos obtenidos

Tabla 2-3: Requerimientos del técnico de laboratorio

Cliente No.

ENUNCIADO

INTERPRETACIÓN

LAB

OR

ATO

RIS

TA

1 Se requiere una fácil manipulación para ajustarlo y configurarlo en el laboratorio

El BE es fácil de ensamblar y configurar

2 Es necesario un desmontaje y montaje rápido para inspección y mantenimiento

El BE permite un acceso rápido para inspección y mantenimiento

3 Es importante utilizar pocas herramientas en la instalación y mantenimiento

El BE usa pocas herramientas para el montaje y mantenimiento

4 Se tiene poco espacio para el desarrollo de las prácticas

El BE ocupa poco espacio

5 Cuando no esté en servicio se requiere minimizar el espacio utilizado para poder transitar en el laboratorio

El BE es compacto cuando no está en servicio


Tabla 2-4: Requerimientos de las instituciones educativas

Cliente No.

ENUNCIADO

INTERPRETACIÓN

INST

ITU

. 1 Se requiere un equipo para procesos de formación e investigación

El BE permite prácticas académicas e investigativas

2 Es fundamental realizar prácticas seguras que no pongan en riesgo a la comunidad educativa

El BE es seguro

En las cuatro tablas mostradas anteriormente se identifican requerimientos tanto de forma

global referidos a la Unidad Didáctica como características más específicas referidas a la

Guía Didáctica y al Banco Experimental.

2.5 Análisis funcional

La creación de la Unidad Didáctica establece qué se va a enseñar y cómo, siendo ésta

actividad de diseño una de las más importantes que puede desempeñar un docente pues

allí se concretan sus ideas y sus intenciones educativas (Perales & Cañal de León, 2000),

Figura 2-3: Diagrama de caja gris

17

Paralelo a éste proceso de creación de un material para el aprendizaje visto desde una

perspectiva pedagógica la cual será tratada en el capítulo 3, se trabaja también desde una

perspectiva de diseño enfocada en la creación de un producto el cual desempeñará una

determinada función, razón por la cual éste es visto como un sistema claramente

delimitado e internamente dotado de una serie de componentes funcionales que al entrar

en contacto entre ellos genera una secuencia de acciones con las cuales se obtiene un

resultado esperado.

Como se muestra en el diagrama de caja gris de la figura 2-3, se determinan los límites del

sistema analizado con las entradas y salidas que permiten el flujo de información al interior

de la Unidad. Dentro del sistema principal se establecen dos subsistemas que

corresponden a la Guía Didáctica y al Banco Experimental. Al interior de éstos se

establecen las rutas de información las cuales están categorizadas de acuerdo con el actor

relacionado con este proceso. La primera ruta identificada como ejecución en líneas de

color verde, corresponde al flujo de información relacionado con las intervenciones del

estudiante en el desarrollo de la Unidad Didáctica, quien es el principal actor de este

proceso formativo. Allí se resalta el orden en el cual deben ocurrir las actividades durante

el proceso formativo. La segunda ruta denominada orientación en líneas de color naranja,

obedece a las intervenciones del docente quien particularmente cumple con la tarea de

coordinar y orientar el proceso emprendido por los estudiantes. Una tercera y última ruta

denominada medición en líneas de color azul, está relacionada con el proceso evaluativo

con el cual es posible identificar el progreso de cada estudiante según los resultados

alcanzados en cada una de las fases. Cada punto de evaluación tiene una salida que

corresponde al registro (R.i) de una valoración cuantitativa con la cual es posible medir el

avance y cumplimiento en los resultados de aprendizaje.

La información de salida, que se genera como resultado de los procesos al interior del

sistema, está relacionada con la generación de experiencias docentes que permitan

alimentar las herramientas didácticas para mejorar el desarrollo de los cursos. Por otro

lado, se busca la construcción de nuevas experiencias en los estudiantes con las cuales

les sea posible ampliar su conocimiento en el área, así como también desarrollar la

habilidad de aplicar este conocimiento en la resolución de un problema. Finalmente se

espera llegar a determinados resultados de aprendizaje establecidos para esta Unidad

Didáctica.


2.5.1 Rutas funcionales

Dentro del trabajo realizado se decidió separar en bloques los recorridos que realizan los

diferentes tipos de información del sistema analizado en la figura 2-3, para facilitar el

proceso de generación de conceptos al abordar el diseño en subsistemas más pequeños

que luego se unificarán en una fase final, así se obtienen las rutas funcionales (figura 2-4).

Con estas rutas se procede a la generación de conceptos o ideas que darán forma al

producto requerido a partir de la esquematización de elementos que cumplen con la

función indicada. Las funciones principales identificadas en cada ruta, que abordan

elementos relacionados con la Guía Didáctica, el Banco Experimental y los Procesos

Evaluativos, indican el direccionamiento del flujo de la información resaltando la manera

en la que debe ocurrir el proceso formativo a cargo de cada individuo. Finalmente, de cada

recuadro identificado en las rutas funcionales debe obtenerse un componente, que al

ensamblarse con los demás dará como resultado la UD.

Figura 2-4: Rutas funcionales

19

2.6 Generación de conceptos

En esta fase se realizan diferentes propuestas que permiten materializar las funciones que

debe desempeñar la UD. Inicialmente se generan diversos bocetos que describen la idea

para posteriormente realizar la selección de un concepto que, de acuerdo con una

verificación de cumplimiento de requisitos, es el más apropiado para ser implementado.

Figura 2-5: Propuestas para la ruta ejecución


La selección y apropiación de una idea final del producto es el resultado de un largo

proceso de evaluación de cumplimientos de requisitos y mejoras iterativas que no serán

presentadas en éste documento debido a lo extenso del proceso, por lo cual solo se

mostraran las diferentes ideas generadas inicialmente y el resultado final al que se llegó.

Siguiendo la secuencia definida para cada una de las rutas mostradas en el numeral 2.5.1,

se generan varias ideas conceptuales que buscan dar solución a cada uno de los

requerimientos funcionales. Para cada una de las rutas en las cuales intervienen diferentes

actores del proceso, se muestra en el mismo orden de secuencia las ideas conceptuales

representadas a través de un esquema o boceto con su respectivo nombre permitiendo

identificar cada concepto en relación con la función que desempeñaría. De igual forma

cada función conserva su identificación a partir de una letra y un número que ha sido

asignado como se mostró en la figura 2-4.

En la figura 2-5 se muestra para cada función codificada con la letra E (que corresponde a

la ruta de Ejecución) y un número de secuencia, se tiene entre una y tres propuestas que

sintetizan la función en un concepto, los cuales a su vez cuentan con un código de

referencia. La secuencia de conceptos que se encuentran entre el intervalo de funciones

desde E4 hasta E12, corresponden a respuestas específicamente de diseño del Banco

Experimental, las demás están relacionadas con la Guía Didáctica y los procedimientos

que deben seguir los estudiantes.

Posteriormente en la tabla 2-5, se presenta un panorama más detallado en el que se

identifica y se describe cada una de las funciones de la ruta ejecución, y frente a cada una

de ellas se muestra el nombre, el código, la representación y la descripción de cada

concepto generado. Este proceso es realizado para las otras dos rutas denominadas

orientación y medición.

21

Tabla 2-5: Descripción de conceptos y funciones ruta ejecución

Descipción Cód. Nom. Cód. Representación Descripción

Secu

enci

al

E1A

En la medida que va

avanzado en las etapas de

la Unidad, va

identificando los recursos

disponibles para su

actividad formativa

Glo

bal

E1B

Al iniciar el desarrollo de

la Unidad se presentan

todos lor recursos

disponibles para

desarrollar su actividad

formativa

Planear

procedimiento

Momento en el

cual el estudiante

debe organizar su

plan de trabajo y

establecer un

objetivo o una

meta

E2

Cent

rado

en

el in

divi

duo

E2A

EL estudiante debe

identificar sus fortalezas y

debilidades para orientar

su trabajo desde lo que

tiene y lo que necesita

para alcanzar las metas de

su trabajo formativo

Info

rmes

E3A

Elaboración de

documentos parciales

dentro de unas normas

generales de presentación,

en el cual reportan el

desarrollo de

determinadas actividades

y los productos obtenidos

Bitá

cora

E3B

Registro cronológico y

consecutivo en un

documento que recopila

todo el desarrollo de la

actividad y los productos

obtenidos

Registrar proceso

Etapa en la cual

se debe registrar

la información

por parte del

estudiane,

respecto a las

actividades

desarrolladas y

los productos

obtenidosE3

RUTA EJECUCIÓN- ESTUDIANTE -

FUNCIÓN CONCEPTO

Identificar

recursos

Manera en la cual

se presenta a los

estudiantes todos

los elementos que

componen la

Unidad Didáctica,

con los cuales

debe desarrollar

su trabajo

E1


Form

ato

de r

esul

tado

s

E3C

Registro en formato

generado para consignar

información puntual que

requiera el docente para

poder identificar los

avances y productos

obtenidos

Ocu

lto

E4A

El material se encuentra

empacado, ordenado y

clasificado por bloques y

relaciones funcionales

Perm

anen

te

E4B

El material esta

organizado en las

superficies del banco y

estan visibles

identificando sus

relaciones y funcionalidad

Des

pleg

able

E4C

El banco despliega unos

contenedores que exhiben

y organizan el material

disponiendolo

inmediatamente para la

práctica

Ensamblar pórtico

Ensamble de los

apoyos a los

pórticos según la

configuración

establecida para

la práctica

E5

Sopo

rte

guía

E5A

Base para sujetar el marco

con el fin de facil itar el

ensamble de los apoyos,

adicionalmente se requiere

una guía para nivelar

todos los apoyos

instalados

Plan

tilla

E6A

Generar una cavidad la

cual se encuentra ubicada

en la zona de referencia y

permite posicionar una

pieza fi jada a la base del

marco, la cual tiene

coincidencia formal con la

cavidad. Estos elemendos

son unidos por una peril la

Identificar

componentes

Primer momento

en el cual el

estudiante se

acerca al banco

de pruebas para

iniciar la

práctica, y dentro

del cual se hace

un

reconocimiento

del material

disponible para la

experimentación.

Allí es importante

identificar

elementos,

relaciones y

funcionalidad de

las partes

E4

Ubicar pórtico

Instalar el pórtico

en la zona de

prueba

posicionándolo y

asegurándolo en

un punto de

referencia

definido

E6

E3

23

Guí

a de

sliz

ante

E6B

Se dispone de un riel

dentro del cual hay un

tornillo que se ajusta a la

base del marco con lo cual

es posible deslizar el

marco hasta l legar a un

tope que define la zona de

referencia, y asegurar la

posición

Regl

a de

sliz

ante

E7A

Es un sistema compuesto

por un carro que se desliza

sobre dos guías y una de

ellas posee una regla para

medir la posisión respecto

a una referencia de origen.

Al definir la posición se

ajusta una peril la que fi ja

al carro en este punto

Agu

jero

s es

tánd

ar

E7B

Se plantea un soporte

compuesto por dos

laterales los cuales poseen

agujeros en serie

igualmente distribuidos

para asegurar un soporte

con tornillos y fi jar la

posición seleccionada

Regl

a de

sliz

ante

E7A

Es un sistema compuesto

por un carro que se desliza

sobre dos guías y una de

ellas posee una regla para

medir la posisión respecto

a una referencia de origen.

Al definir la posición se

ajusta una peril la que fi ja

al carro en este punto

Agu

jero

s es

tánd

ar

E7B

Se plantea un soporte

compuesto por dos

laterales los cuales poseen

agujeros en serie

igualmente distribuidos

para asegurar un soporte

con tornillos y fi jar la

posición seleccionada

Term

inal

E9A

Uso de componentes

roscados y ajuste por

tornillos de los puntos de

anclaje

Ubicar cargas

Ubicar y fi jar los

actuadores con

los cuales se

aplicaran las

cargas sobre el

marco a ensayar.

Se deben tener la

posibil idad de

aplicar cargas

veritcales y

horizontales

E7

Ubicar

instrumentos

Ubicar y fi jar los

instrumentos de

medición

compuestos por

celdas de carga,

comparadores de

carátula y galgas

extensiométricas

E8

Conectar

Realizar el

empalme entre

ductos de aire,

puntos de

conexión eléctrica

y señales de

salida al tablero

de control

E9


Aco

ple

E9B

Uso de acoples rápidos y

ajuste manual de

componentes

Activar operación

Activar el

funcionamiento

del banco al

poner a operar a

los actuadores

desde el tablero

de control

E10

Puls

ador

E10A

Uso de un boton para

activar y desactivar el

funcionamiento

Calibrar

Resetear los

instrumentos e

iniciarlos desde el

punto de

referencia o cero

inicial

E11

Punt

os d

e re

fere

ncia

E11A

Establecer la referencia

inicial para las celdas de

carga, los comparadores y

las galgas

Regi

stro

man

ual

E12A

El estudiante debe

inspeccionar visualmente

los instrumentos y

transcribir la información

a un formato

preestablecido

Aut

omát

ico

E12B

Los instrumentos reportan

directamente las

mediciones generando una

recopilación automática

Generar modelos

Fase en la cual el

estudiante con

ayuda de la Guía

Didáctica, obtiene

los modelos con

los cuales puede

verificar datos

E13

Ingr

eso

de d

atos

en

plan

tilla

E13A

EL estudiante registra los

datos de entrada en una

plantil la que

posteriormente genera los

resultados sore un modelo

preestablecido

Obtener

mediciones

Realizar la toma

de medidias en

cada uno de los

instrumentos

instalados

E12

25

Info

rmes

E3A

Elaboración de

documentos parciales

dentro de unas normas

generales de presentación,

en el cual reportan el

desarrollo de

determinadas actividades

y los productos obtenidos

Bitá

cora

E3B

Registro cronológico y

consecutivo en un

documento que recopila

todo el desarrollo de la

actividad y los productos

obtenidos

Form

ato

de r

esul

tado

s

E3C

Registro en formato

generado para consignar

información puntual que

requiera el docente para

poder identificar los

avances y productos

obtenidos

Sustentar

Presentar ante el

curso el

desarrollo de su

trabajo y los

resultados

obtenidos como

solución al

problema

E15

Situ

acio

nes

oral

es -

Expo

sici

ón

S2C

EL estudiante debe

presentar ante el curso los

resultados de su proceso

de análisis. Con esto es

posible evidenciar el

dominio sobre los temas

tratados en la exposición

Registrar

resultados

Etapa en la cual

se debe registrar

la información

por parte del

estudiane,

respecto a las

actividades

desarrolladas y

los resultados

obtenidos

especificando lo

que se ha podido

alcanzar en el

desarrollo de su

propuesta

E14

Para el caso de la ruta orientación, se evidencia en la figura 2-6 las propuestas

conceptuales, y en su respectiva tabla 2-6 las descripciones de cada una de ellas.


Figura 2-6: Propuestas para la ruta orientación

Tabla 2-6: Descripción de conceptos y funciones ruta orientación


Jera

rquí

a

O1A

A partir de un contenido

principal se puede acceder

a otros contenidos que

dependen de una categoría

general, y a su vez se

pueden tener otras

subcategorías

Line

al

O1B

Es una manera de

presentar un contenido en

el cual se realiza una

lectura lineal o en serie.

Line

al c

on je

rarq

uía

O1C

Es una combinación de las

dos formas presentadas

anteriormente, en la cual

dentro de las diferentes

categorías o niveles se

encuentra información en

la cual debe hacerse una

lectura linealmente

predetermianda

FUNCIÓN

RUTA ORIENTACIÓN- DOCENTE -

CONCEPTO

Presentar

estructura

Maneras como le

es presentado los

contenidos al

docente y cómo él

puede acceder a

la información de

la Unidad

Didáctica

O1

27

Red

O1D

Permite un recorrido libre

por los contenidos

presentados estableciendo

una ruta particular según

los intereses del usuario

Seleccionar

módulos

Momento en el

cual el docente

escoge los

contenidos a ser

desarrollados por

el estudiante

O2

Inte

grar

info

rmac

ión

O2A

Los elementos

seleccionados deben

organizarse y presentarse

en forma de paquetes

(módulos), para

posteriormente ser

asignados a los

estudiantes

Prov

isió

n de

pro

blem

as

cate

gori

zado

s

O3A

Disponer de un listado de

problemas tipo de acuerdo

a los temas centrales de la

Unidad Didáctica, para

poder hacer una selección

y si es necesario ajustar

especificaciones y

variables

Plan

tilla

par

a la

conf

orm

ació

n de

pro

blem

as

O3B

Disponer de una

estructura base que

permita orientar la

construcción de diversos

problemas de acuerdo a

las temáticas y

requerimientos

particulares de formación

Impl

icito

O4A

Plantear retos al

estudiante indicando

condiciones y

requerimientos (situación

planteada como un caso

de una labor profesional),

sin hacer referencia

directa al método

didáctico util izado (PBL)

Expl

icito

O4B

Hacer conciente al

estudiante del

compromiso y la

responsabilidad en su

proceso de formación

autónoma, presentando al

método (PBL) como una

alternativa, acordando

compromisos

Plantear problema

Debe generarse

una situación o

problema

alrededor del cual

el estudiante

desarrollará su

proceso formativo

abarcando los

temas indicados

por el docente

O3

Vincular

estudiantes

Presentación de la

actividad por

parte del docente

a los estudiantes,

estableciendo

compromisos y

problemas a

resolver

O4

Presentar

estructura

Maneras como le

es presentado los

contenidos al

docente y cómo él

puede acceder a

la información de

la Unidad

Didáctica

O1


Patr

ón d

e co

mpa

raci

ón

O5A

Establecer un referente o

una medida de

comparación para definir

si se ha cumplido o no con

la condición esperada

Tam

iz d

e cl

asifi

caci

ón

O5B

Determinar categorías o

porcentajes de

cumplimiento de

condiciones para generar

una clasificación de todos

los aspectos

inspeccionados

Inspeccionar

proceso

Etapa en la cual el

docente realiza un

seguimiento a las

actividades

desarrolladas y a

los resultados

generados por los

estudiantes,

realizando

mediciones sobre

éstos aspectos

para establecer o

verificar el

cumplimiento de

requisitos

especificados en

las etapas

O5

Finalmente, en la figura 2-7 y su respectiva tabla 2-7, se muestran los planteamientos

realizados para la ruta medición, en la cual se llevará a cabo el proceso de evaluación de

las actividades, con lo cual será posible medir el rendimiento de la Unidad respecto al

proceso de aprendizaje.

Figura 2-7: Propuestas para la ruta medición

29

Tabla 2-7: Descripción de conceptos y funciones ruta medición


Ejer

cici

os p

ráct

icos

(téc

.) -

Aná

lisis

de

caso

s (in

st.)

M1A

Éste método plantea un

ejercicio en el cual el

estudiante debe analizar y

plantear una solución

para una situación a

través de la aplicación de

su conocimiento y sus

experiencias

Prue

ba e

scri

ta o

bjet

iva

-

Sele

cció

n

M1B

Es una evaluación en la

cual se plantean

preguntas sobre un tema y

se presentan multiples

opciones de respuesta,

para identificar el nivel de

conocimiento sobre los

contenidos evaluados

Situ

acio

nes

oral

es -

Dia

logo

M1C

Discusión entre el docente

y los estudiantes entorno

a un tema, para evidenciar

que tanto se conoce del

tema tratado

Insp

ecci

ón

M2A

Se observa detenidamente

la práctica permitiendo a

los estudiantes que

relalicen todos los

procediemitos, haciendo

una lectura previa de la

guía

Preg

unta

s

M2B

Realizar pregunatas

previo a cada

procedimiento que deben

realizar los estudiantes en

el manejo del banco

experiemental

FUNCIÓN

RUTA MEDICIÓN- INSTITUCIÓN -

CONCEPTO

Evaluar estado

inicial

Obtener

información

relacionada con

los conocimientos

y habilidades del

estudiante previos

a la actividad

como insumos

fundamentales

para la

configuración de

los procesos de la

Unidad Didáctica.

Es importante en

igual medida

considerar en esta

parte los intereses

y espectativas del

estudiante al

cursar este tipo de

asignaturas

M1

Evaluar práctica

Se busca

reconocer el nivel

de comprensión y

apropiación de la

situación

analizada, para

obtener un

referente de como

inicia el proceso

del estudiante en

el momento de

realizar la

práctica

M2


Evaluar progreso

Identificar el nivel

de comprensión

del tema

trabajado, y la

aplicación de los

conceptos en la

resolución de un

problema

M3

Prue

ba e

scri

ta o

bjet

iva

-

Sele

cció

n

M1B


cual se plantean







Obs

erva

ción

sis

tem

átic

a -

Esca

la d

e va

lora

ción

M4A

Para aplicar ésta

herramienta de

evaluación es necesario

estar cerca del desarrollo

de las diferentes etapas de

la actividad de formación,

con lo cual es posible

evidenciar

comportamientos

Situ

acio

nes

oral

es -

Dia

logo

M1C

Discusión entre el docente

y los estudiantes entorno

a un tema, para evidenciar

que tanto se conoce del

tema tratado

Ejer

cici

os p

ráct

icos

-

Aná

lisis

de

caso

s

M1A








experiencias

Ejer

cici

os p

ráct

icos

-

Aná

lisis

de

caso

s

M1A








experiencias

Prue

ba e

scri

ta o

bjet

iva

-

Sele

cció

n

M1B


cual se plantean







Evaluar estado

final

Obtener

información

relacionada con

los conocimientos

y habilidades del

estudiante

posteriores a la

actividad como

indicadores

fundamentales del

aporte de la

Unidad Didáctica

M5

Evaluar resultados

Identificar los

resultados y

establecer los

logros del proceso

alcanzados por el

estudiante frente

a la solución

propuesta a la

problemática

planteada al

inicio

M4

31

Prue

ba e

scri

ta -

Ejer

cici

o

inte

rpre

tativ

o

M5A

Es una prueba en la cual

se util izan gráficos, tablas

o figuras, con las cuales

se entrega información al

estudiantes para que

responda diferentes

preguntas relacionadas a

una temática

Finalmente, como referente del proceso de selección se muestra en la figura 2-8 los

conceptos finales con los cuales se procede a trabajar la fase de diseño de detalle, los

cuales determinarán las características del producto.

Figura 2-8 Conceptos finales ruta ejecución

Esta sección del documento se concentró en identificar detalladamente las características

funcionales del producto hasta lograr definir como debe operar y de qué manera hacerlo

posible. En la siguiente sección se mostrarán los detalles finales que consolidan el

producto que se espera denominado Unidad Didáctica.


3. Diseño de detalle

Luego de elaborar diversas propuestas para cada una de las funciones identificadas para

la Unidad Didáctica a través de diferentes rutas funcionales como se mostró en el capítulo

anterior, se procede a trabajar en detalle en cada uno de los subsistemas que componen

la UD, con lo cual es posible consolidar el producto que ha sido identificado como solución

a la problemática estudiada. Por ello, toda la información generada en los procesos de

diseño se concentra en tres aspectos: la estructura de la Unidad Didáctica, el Material

contenido en la Guía Didáctica y los Recursos del Banco Experimental, con lo cual es

posible implementar los procesos de enseñanza aprendizaje deseados en torno al tema

de pórticos.

3.1 Estructura Unidad Didáctica

En este punto se detallan los aspectos relevantes con los que debe cumplir el producto de

acuerdo a los principios del PBL descritos en el numeral 2.3, así como también los

requerimientos identificados y los conceptos generados en el capítulo anterior.

Entre los elementos fundamentales que estructuran el producto se identifican: Resultados

de aprendizaje, en los cuales se define lo que se espera que el estudiante alcance en su

proceso formativo. Contenidos temáticos, dentro del cual se delimitan los temas que se

desarrollarán durante la aplicación de diferentes actividades. Situación problémica,

corresponde a la identificación de un problema en torno al cual los estudiantes trataran las

diferentes temáticas en busca de una solución. Proceso evaluativo, en el cual se

especifican los diferentes momentos evaluativos y los aspectos a tener en cuenta para su

ejecución. Es importante resaltar que, en cada uno de éstos elementos estructurales

descritos a continuación, se encuentran implícitos los cuatro principios del PBL descritos

anteriormente, resumidos así: 1. El aprendizaje basado en la formulación de una

problemática, 2. El aprendizaje autodirigido, 3. El aprendizaje basado en la experiencia, y

4. El aprendizaje basado en el trabajo de grupos. Así mismo aparecen aspectos

relacionado con las rutas funcionales y los conceptos generados en la fase de diseño

inicial.

33

3.1.1 Resultados de aprendizaje

Para el área de formación en la línea de diseño en ingeniería, entorno al estudio de

pórticos, se definen los siguientes resultados en términos de objetivos a cumplir en el

proceso de aprendizaje:

OBJETIVO GENERAL

Comprender el comportamiento mecánico de pórticos bajo el efecto de cargas

concentradas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Explorar métodos de solución para la condición de hiperestaticidad en pórticos.

Realizar diagramas de fuerzas internas de los elementos del pórtico.

Identificar estados de esfuerzos, deformaciones y desplazamientos en la

estructura.

Evidenciar mediante experimentación el comportamiento real de la estructura.

Fomentar el trabajo en equipo y el aprendizaje autodirigido.

Desarrollar las actividades propuestas en un tiempo límite de dos semanas.

3.1.2 Temáticas abordadas

A continuación, se relacionan los temas propuestos para ser desarrollados dentro de las

asignaturas relacionadas con la línea de diseño en ingeniería:

1. Estudio de cargas. Identificación de fuerzas internas y externas en la estructura.

a. Método de las fuerzas. Proceso analítico para determinar la distribución de

fuerzas normales, cortantes y momentos flectores en los elementos del

pórtico.

b. Recurso computacional. Uso de software libre para identificar la distribución

de cargas en la estructura.

2. Representación gráfica de fuerzas. Obtención de la distribución de fuerza

normal, cortante y momentos flectores, representadas gráficamente como

funciones de la longitud de cada elemento del pórtico (Beer, Johnston, DeWolf, &

Mazurek, 2010).


3. Desplazamientos y deformaciones. Estudio de la deformación de la estructura y

obtención de los desplazamientos de los nodos del pórtico.

a. Curva elástica. Método analítico para obtener la deformación de los

elementos, a partir de la función de momento.

b. Recurso computacional. Uso de software libre para obtener

desplazamientos y deformaciones.

4. Análisis de esfuerzos. Identificación de zonas críticas en la estructura y obtención

de esfuerzos máximos.

a. Esfuerzos combinados. Estado de esfuerzos identificando los posibles

esfuerzos normales y cortantes por efectos de las cargas presentes en los

puntos de análisis

b. Recurso computacional. Uso de software libre para obtener estado de

esfuerzos.

5. Pruebas de laboratorio. Prácticas experimentales relacionadas con el manejo

instrumental para medir los efectos de cargas mecánicas en configuraciones

particulares de pórticos.

Las temáticas tratadas pueden ser vistas en detalle en los anexos de los módulos de la

Guía Didáctica.

3.1.3 Situación problémica

Para la identificación de una situación problema la cual debe ser analizada y resuelta por

los estudiantes (Serna & Polo, 2013), se dispone de un conjunto de variables que, al ser

combinadas con sus diferentes opciones, generan distintos problemas posibles con los

cuales los estudiantes pueden acercase al análisis estructural de pórticos. Todas estas

variables dependen de los recursos disponibles en el laboratorio y del material con el cual

se realizan las prácticas experimentales, generando diversas configuraciones con las

cuales el docente puede proponer diferentes situaciones a los grupos de trabajo dentro de

sus cursos.

Las variables consideradas son las siguientes:

1. Geometría del pórtico. Se dispone de tres pórticos planos con diferentes

geometrías los cuales fueron diseñados con anterioridad al desarrollo de este

35

proyecto y se disponía de este material para la construcción de la Unidad Didáctica.

Estas configuraciones son mostradas en la figura 3-9.

Figura 3-9: Tipos de pórticos

2. Tipos de apoyos. Se dispone de tres tipos de apoyos para el estudio en dos

dimensiones. El primero es un empotramiento el cual restringe tres grados de

libertad. El segundo es una rótula el cual restringe dos grados de libertad, Y

finalmente se dispone de un patín con el cual solo se restringe un grado de libertad.

Los tres tipos de apoyos están representados en la figura 3-10.

Figura 3-10: Tipos de apoyos

3. Magnitud de cagas. Las cargas aplicadas corresponden a fuerzas concentradas

que serán ejecutadas por actuadores neumáticos, con los cuales se puede tener

un rango de cargas entre 5 a 30 kg-f.

4. Posición de las cargas. Otra variable importante corresponde a la ubicación de la

carga concentrada las cuales pueden desplazarse horizontal o verticalmente a lo

largo de las columnas o de las vigas del pórtico.


A través de la configuración de estas variables se pueden identificar diferentes

situaciones problema, las cuales pueden ser asignadas de forma paralela a varios

grupos de estudiantes de un mismo curso, llevándolos a obtener diferentes resultados

según las características seleccionadas para cada situación.

Figura 3-11: Ejemplo situación problema

Como ejemplo se muestra una de las posibles configuraciones para una situación

problema, representada en la figura 3-11, la cual especifica dimensiones, elementos,

nodos, tipos de apoyos y cargas. En la tabla 3-8, se describe el enunciado del problema

y se determinan diferentes valores para cargas y posiciones generando cuatro

situaciones distintas para una misma configuración de pórtico y apoyos, con lo cual

37

cuatro grupos de estudiantes de un mismo curso podrían trabajar en el desarrollo de

una problemática, pero con valores diferentes de variables (cargas y posiciones), lo

que genera diferentes respuestas en los análisis. Las dimensiones del pórtico

corresponden a las características reales de las estructuras disponibles en el

laboratorio para el desarrollo de los ensayos experimentales.

Tabla 3-8: Descripción del problema

P1 P2 h f

1 0,15 0,13

2 0,22 0,263

3 0,285 0,263

4 0,37 0,395

El equipo de diseño debe elaborar un informe en el cual

soporte la solución análitica del pórtico, el análisis con

un recurso computacional y una prueba de laboratorio.

Con estos tres recursos debe elaborar conclusiones

respecto a las resultados obtenidos, el diseño del pórtico

y elaborar sugerencias para mejorar el desempeño de la

estructura.

Para la configuración establecida, es

necesario determinar las fuerzas internas

en los elementos y encontrar el

desplazamiento máximo del nodo D, para

determinar un factor de seguridad por

deformación considerando que el

desplazamiento horizontal permisible para

este nodo es de 3 mm.

Adicional al proceso anterior, es

fundamental conocer puntos críticos

debido al efecto de las fuerzas internas y

determinar allí un factor de seguridad por

esfuerzos.

El apoyo tipo patín, debe considerarse

como un elemento de la estructura con las

mismas características del material pero

posee una iniercia 30 veces mayor a la

inercia de la barra cuadrada del pórtico.

PROBLEMA

Cuadrado 15 mm

E 65 Gpa

Límite elástico 110 Mpa

No.

Carga Posición

[kg-f] [m]

Planteamiento

20

17

14

10

Caracterírticas

Material Aleación de aluminio

Sección

El grado de complejidad del problema que se desee configurar, depende directamente del

tipo de selección que se haga en los apoyos. Esto es debido a que al seleccionar apoyos

que restringen más o menos grados de libertad sin alterar la estabilidad de la estructura,

aumentan o reducen respectivamente las incógnitas que requieren ser halladas en el

proceso de análisis de fuerzas, generando grados de hiperestaticidad o indeterminación

(Villareal, 2009), que pueden requerir procesos de análisis más extensos al momento de

establecer la distribución de fuerzas internas en toda la estructura.


3.1.4 Proceso evaluativo

De acuerdo con el análisis realizado en el capítulo anterior, se presentan cinco momentos

relacionados con la evaluación con el fin de establecer el proceso de avance de los

estudiantes y el cumplimiento de los resultados de aprendizaje, y desde allí poder medir el

rendimiento de la misma Unidad Didáctica (UD).

Para los cinco momentos se definen los siguientes procesos evaluativos:

1. Test Inicial. Valoración inicial del estado de conocimientos previos de los

estudiantes frente a los temas a desarrollar en la UD.

2. Práctica experimental. Seguimiento al proceso de los estudiantes en el desarrollo

de la práctica experimental, en la cual deben realizar el montaje, calibrar y tomar

mediciones del comportamiento de la estructura bajo cargas concentradas.

3. Test de Progreso. Valoración posterior al inicio de actividades, con el fin de medir

el nivel de progreso frente a los conocimientos adquiridos durante el desarrollo de

la UD.

4. Informe Final. Elaboración de documento en el cual los estudiantes reportan el

proceso de análisis, la solución al problema y las conclusiones a las que llegaron

frente a las dificultades presentadas en su proceso.

5. Sustentación. Exposición oral del grupo, en la cual socializan el desarrollo de su

trabajo, y en dónde es posible evidenciar el nivel de dominio y comprensión del

tema.

Las evaluaciones se realizan en diferentes momentos del desarrollo de las actividades de

la UD, como se mostró en el diagrama de caja gris de la figura 2-3 en el cual se especifican

las funciones y el flujo de información del producto que se está diseñando. A cada

momento evaluativo se le asigna un peso, con lo cual es posible establecer una escala

cuantitativa y generar un puntaje que al ser sumado al final del proceso constituye el

porcentaje de cumplimiento alcanzado por el estudiante con lo cual es posible determinar

el nivel de cumplimiento de los resultados de aprendizaje de la UD.

En la tabla 3-9 se especifica el peso de cada evaluación, y se realiza una descripción de

los ítems considerados en cada punto.

Tabla 3-9: Ítems de evaluación

39

Proceso Ítems de evaluación Peso Descripción

Clasificación del pórtico de acuerdo al grado de

indeterminación1

Identificación de fuerzas externas en un pórtico 1

Grado de indeterminación de un pórtico 1

Grado de indeterminación de un pórtico 1

Sistema equivalente para representar un pórtico

hiérestático1

Análisis de fuerza cortante a partir de los diagramas de

momentos flectores1

Análisis de fuerza normal a partir de los diagramas de

momentos flectores1

TEST

INIC

IAL

[7%

]Prueba con siete

preguntas de selección

multiple con única

respuesta. Las preguntas

estan relacionadas con

diferentes situaciones y

configuraciones de

pórticos.

Cumplimiento 2

Claridad de la situación a analizar 2

Identificación y ajuste de variables 2

Toma de datos 2

Trabajo en equipo y asignación de funciones 2

Efectos de fuerzas internas y externas en la

indeterminación del pórtico1

Estabilidad en sistemas equivalentes 1

Definición de incógnita hiperestática 1

Representación gráfica de momentos flectores obtenida

por el método de las fuerzas1

Cálculo de coeficientes de flexibilidad según el método

de las fuerzas1

Distribución de carga normal en los elementos del

pórtico 1

Análisis de fuerza cortante a partir de los diagramas de

momentos flectores1

Identificación de puntos críticos para analizar

esfuerzos1

Presentación y organización 5

Cumplimiento de los contenidos 8

Procedimientos y resolución del problema 10

Análisis de resultados 12

Conclusiones 10

Claridad de la problemática analizada 6

Procedimiento implementado por el grupo para llegar

al resultado6

Integración de la información obtenida con los

métodos de solución6

Discusión sobre los resultados obtenidos 6

Aportes generados en el análisis de los resultados 6

100 Logros del procesoPuntaje Total

INFO

RM

E FI

NA

L

[45%

]SU

STEN

TACI

ÓN

[30

%]

Documento escrito, en el

cual deben presentar la

solución análitica por el

método de las fuerzas, el

uso de una herramienta

computacional y los

datos experimentales.

Presentación oral,

mostrando los

resultados obtenidos,

resaltando el proceso

realizado por el grupo.

Solcialización de las

conclusiones y

sugerencias de mejora.

PRÁ

CTIC

A

EXPE

RIM

ENTA

L

[10%

]

TEST

DE

PRO

GR

ESO

[8%

]

Observación de la

interacción del grupo de

estudiantes con los

recursos de laboratorio

Prueba con ocho

preguntas de selección

múltiple con única

respuesta. Las preguntas

estan relacionadas con

una única configuración

de pórtico.


Otro aspecto de gran importancia relacionado con el proceso evaluativo corresponde a la

aplicación de una encuesta inicial en la cual se pretende recolectar información sobre las

características poblacionales con las cuales se trabajará la UD, para obtener información

para el análisis de desempeño de los cursos participantes. Al final también es aplicada una

encuesta de percepción para identificar las fortalezas y las debilidades de la UD, según el

punto de vista de los estudiantes.

3.2 Guía Didáctica

Este producto corresponde a un documento conformado por cuatro módulos que contienen

las orientaciones y los temas a desarrollar durante el tiempo que dura la implementación

de la Unidad Didáctica. Esta guía aborda los cuatro principios del PBL los cuales

fundamentan la construcción de éste material didáctico, pero se puede decir que está

fuertemente relacionada con el principio de aprendizaje autodirigido, pues los módulos de

la guía conforman un documento orientador en el proceso de aprendizaje que el estudiante

desarrollará fuera del aula de clase.

Los módulos corresponden a una secuencia de información contenida en documentos

diagramados, que permite direccionar el trabajo autónomo de los estudiantes en cada una

de las etapas de desarrollo en su proceso formativo. A continuación, se describe cada uno

de ellos:

1. Módulo de Presentación.

En este documento de seis páginas, se describe en que consiste la Unidad

Didáctica con sus respectivos objetivos de aprendizaje. Posteriormente se plantea

la metodología con la cual se va a trabajar, presentando los recursos que serán

utilizados a lo largo del proceso. Finalmente se muestran algunas consideraciones

respecto a la implementación de este tipo de actividades, como recursos alternos

a las metodologías tradicionalmente utilizadas en el aula de clase.

La figura 3-12, muestra el diseño base elaborado para diagramar todos los módulos

de la Guía Didáctica. Este diseño gráfico es utilizado como portada de la Unidad

Didáctica en el inicio de este módulo.

41

Figura 3-12: Portada módulo de presentación

2. Módulo de Exploración.

En este documento de 24 páginas, se hace una presentación sobre qué son los

pórticos, usos y aplicaciones y cuando ocurre la hiperestaticidad. Una gran parte

del documento se centra en presentar el método de las fuerzas, siendo un proceso

analítico para resolver la hiperestaticidad en pórticos o en estructuras en general.

La explicación del proceso se da mediante el desarrollo de un pórtico elemental de

bajo grado de complejidad. Al finalizar este módulo, se presenta un ejemplo de un

problema similar al que los grupos de estudiantes deben resolver.

El objetivo final de este análisis es el poder obtener las representaciones gráficas

de la distribución de fuerzas normales, fuerzas cortantes y momentos flectores en

los elementos que componen la estructura, así como también las reacciones en los

apoyos. Posteriormente se procede a realizar el análisis de esfuerzos, para el cual

deben identificarse puntos críticos o zonas que presenten combinaciones de

esfuerzos altos para poder evaluar este comportamiento con las características de

resistencia del material. También es necesario obtener las deformaciones y

desplazamientos de los nodos para posteriormente compararlos con un

comportamiento real en el laboratorio. La figura 3-13, muestra el diseño de portada

elaborado para el módulo.


Figura 3-13: Portada módulo de exploración

3. Módulo de Simulación.

En este caso se presenta un recurso computacional diseñado en Matlab, el cual

implementa el método matricial para resolver la hiperestaticidad. En este

documento de 24 páginas, se muestra cómo resolver cualquiera de los tres tipos

de pórticos en sus posibles combinaciones mediante el uso del script diseñado para

tal fin, en el cual deben interpretar un conjunto de vectores de salida generados por

el programa, en los cuales se obtienen las fuerzas en coordenadas locales de los

diferentes nodos de la estructura. Con esta información es posible generar los

diagramas de fuerzas y momentos en los elementos de manera manual, realizando

un procedimiento que es explicado en éste módulo a través de tres ejemplos

modelo.

43

Figura 3-14: Portada módulo de simulación

4. Módulo de Experimentación.

Es un documento de 14 páginas, que presenta el banco experimental con todos

sus implementos para el desarrollo de la práctica de laboratorio. Lo primero que se

realiza es la identificación de las partes, los controles y los instrumentos de

medición, luego se explica el procedimiento de montaje del pórtico para que el

equipo de trabajo pueda realizar la instalación con las características definidas para

el problema asignado. Finalmente, se expone cómo debe realizarse la activación

del sistema neumático para aplicar cargas con el previo posicionamiento de los

actuadores, para luego registrar los datos obtenidos mediante la lectura de los

instrumentos de medición.

En la práctica diseñada, es posible medir la magnitud de las cargas aplicadas

mediante celdas de carga instaladas en los extremos de los actuadores, también

los desplazamientos que presenta la estructura en algunos puntos que pueden ser

seleccionados por los estudiantes, los cuales son medidos mediante comparadores

de carátula. Finalmente, en cada uno de los pórticos se han instalado dos galgas

extensiométricas con las cuales es posible medir las micro deformaciones en zonas

específicas, con lo cual se puede estimar el valor del esfuerzo en esos puntos

aplicando la ley de Hooke.


Figura 3-15: Portada módulo de experimentación

3.3 Banco Experimental

Corresponde al recurso de laboratorio configurado para realizar prácticas experimentales,

implementando las variables descritas en el numeral 3.1.3. De acuerdo con los conceptos

propuestos en el capítulo 2, se procede a unificar y consolidar la propuesta para el Banco

Experimental. Para ello, se toman los siguientes recursos disponibles en el laboratorio, los

cuales se han obtenido en procesos académicos anteriores desarrollados por estudiantes

de la universidad en el desarrollo de otros procesos formativos. Se mencionan los

siguientes:

Estructura soporte.

Tres pórticos fabricados en aluminio cuadrado de 3/8”.

Diseño de soportes para anclar pórticos a la estructura.

A partir de estos elementos, se procede a configurar, diseñar y fabricar todos los

subsistemas que componen el Banco Experimental para que cumpla con la funcionalidad

descrita en el capítulo 2. Para ello se tienen en cuenta todos los requerimientos funcionales

45

y los requerimientos encaminados a la facilidad de montaje y el mínimo uso de

herramientas, con el objeto de minimizar los tiempos de desarrollo de la práctica. En la

figura 3-16, se muestra la identificación de zonas en las cuales pueden ejecutarse las

funciones de este producto (Tjalve, 2015). En la figura 3-17, se expresa gráficamente

algunos detalles de la manipulación que se espera de los pórticos y los elementos

necesarios para el montaje previo a la toma de mediciones.

Figura 3-16: Boceto identificación de zonas


Figura 3-17: Boceto diseño de detalle

El desarrollo del diseño se concentra en la zona de fijación del pórtico, el posicionamiento

de las cargas y la zona de almacenamiento de los implementos para la práctica, siendo

éstos, los aportes que este proyecto deja a los desarrollos que se habían realizado con

anterioridad.

La figura 3-18, muestra con más detalle el resultado al que se llegó en torno al

posicionamiento de los actuadores neumáticos y los comparadores de caratula mediante

el desplazamiento de carros que se deslizan por una guía, los cuales se fijan mediante el

aprisionamiento de dos placas por medio de un perno solidario a una perilla. El mismo

sistema de fijación por perillas, es utilizado en el ajuste de los pórticos a la estructura del

banco mediante la utilización de un perfil estándar de aluminio estructural. Este sistema de

fijación disminuye el tiempo de instalación y no requiere el uso de herramientas para

realizar el ajuste de los elementos de montaje.

47

Figura 3-18: Render fijación de pórticos y cargas

Figura 3-19: Subsistemas del Banco Experimental


Finalmente se llega a tres subsistemas que componen la totalidad del Banco Experimental.

Como se muestra en la figura 3-19, el primer subsistema es denominado Banco

Experimental y es la zona principal donde se realiza el montaje de los pórticos y los

instrumentos para las mediciones. El segundo subsistema es el Tablero de Control

Neumático, a partir del cual es posible controlar los dos actuadores neumáticos para variar

la magnitud de las cargas aplicadas. El tercer subsistema corresponde a las unidades de

medición de carga y deformaciones, siendo estos equipos los que reciben una señal

eléctrica de los sensores y la convierten en una medida la cual puede ser leída en el tablero

digital.

En la tabla 3-10 se presentan las características técnicas del Banco Experimental.

Tabla 3-10: Características técnicas del Banco Experimental

No. Caracterírticas Valores

1 Dimensiones de pórticos planos Ancho máx. 525mm, Alto máx. 573mm

2 Rango de carga 5kg-f mín - 30kg-f máx

3 Presión de entrada 9,5 bar mín, para carga máxima

4 Resolución de comparadores 0,01mm

5 Resolución para deformaciones 10^-6 ε

6 Resolución regla posición de carga 0,005m

7 Resolución indicador de carga 0,1 kg

8 Cantidad de cargas puntuales 2 cargas de igual magnitud

9 Cantidad de comparadores 2

10 Cantidad de galgas extensiométricas 2

11 Tipos de pórticos 3 configuraciones geométricas

12 Tipos de apoyos 3 (patín, rótula, empotramiento)

El Banco Experimental cuenta con la posibilidad de aplicar dos cargas concentradas, las

cuales pueden ser ubicadas de manera vertical y horizontal en los elementos externos del

pórtico. Se cuenta con dos reglas indicadoras de posición de carga vertical y con una

horizontal. Es posible ubicar dos comparadores de caratula en diferentes sitios del pórtico

para medir los desplazamientos de los puntos definidos, tanto para medir desplazamientos

verticales como horizontales.

Por situaciones técnicas de instalación, las galgas extensiométricas se ubican

predefinidamente en zonas características de los pórticos, siendo esta ubicación una

constante para el desarrollo de cualquier práctica con los pórticos tipo con los que se

cuenta. Para ello se tienen dos galgas por pórtico con las cuales se obtendrá información

relacionada con la micro deformación en la zona especificada con anterioridad.

49

Figura 3-20: Varios detalles del Banco Experimental

En la figura 3-20, se especifican algunos detalles relacionados con la funcionalidad de

ciertas zonas del Banco Experimental, con las cuales los estudiantes interactúan de una

manera más frecuente durante el desarrollo de las prácticas. Como primera medida se

destaca la zona de fijación de los pórticos diseñada con perillas o discos de fijación que

permiten un apriete y liberación de los soportes del pórtico sin el uso de herramientas. Un

sistema similar es utilizado en los carros de carga y comparadores los cuales se deslizan

a lo largo de una guía y son fijados a través de los mismos discos. Estos carros pueden

ser posicionados vertical y horizontalmente según se requiera, ubicando las perillas hacia

el interior o exterior de la estructura, dependiendo de la necesidad y la funcionalidad en el

momento de posicionar las cargas. En la parte posterior se tiene una base para ensamble

de pórtico, siendo un soporte para sostener el pórtico en el momento de ser ensamblado

con los apoyos seleccionados, facilitando la manipulación de los elementos de montaje.


Figura 3-21: Montaje Final

El montaje final mostrado en la figura 3-21, se encuentra ubicado en los laboratorios de

Diseño de Máquinas y Prototipos de la Universidad Nacional de Colombia en la sede

Bogotá. Se dispone de un espacio y recursos con los cuales se sugiere realizar prácticas

con un máximo de tres estudiantes, para facilitar el desarrollo de las actividades y sobre

todo para permitir un adecuado manejo del dispositivo didáctico por parte de todos los

estudiantes participantes.

51

3.4 Planeación

La Unidad Didáctica está estructurada para ser desarrollada de manera autónoma por

parte de un grupo de estudiantes a los cuales deben analizar una situación problémica, la

cual debe ser resuelta en un corto periodo de tiempo. Cada grupo recibirá las orientaciones

y los recursos necesarios para el buen desarrollo de la actividad. Los aspectos a tener en

cuenta para la aplicación de esta actividad basada en PBL son los siguientes:

1. Cursos a los cuales se dirige: las temáticas tratadas requieren que los

estudiantes participantes se encuentren cursando la asignatura Resistencia de

Materiales o Diseño de Elementos de Máquinas. Adicionalmente, el trabajo está

enfocado en la línea de diseño en un avance medio del programa en ingeniería,

permitiendo implementar ésta Unidad en cursos superiores a los ya mencionados.

2. Implementación y duración de la actividad: se propone que, dentro del semestre

académico de 16 semanas, esta actividad sea aplicada en la semana 10 para ser

finalizada en la semana 12. Inicialmente se estima que los estudiantes cuenten con

dos semanas de desarrollo autónomo y una semana para consolidación de informe

y resultados, con lo cual finalmente sustentarán.

3. Implementación: se propone una fase inicial en la cual se busca crear expectativa

del trabajo a desarrollar mediante el envío de información que genere un cierto

grado de interés y curiosidad por la actividad. Luego mediante una sesión

presencial se explicará la actividad y se indicaran las condiciones de esta, para que

luego los grupos de trabajo inicien su proceso entorno a la búsqueda de una

solución a la problemática identificada. Finalmente, los estudiantes darán a conocer

sus resultados y avances a través de los distintos recursos evaluativos definidos

con anterioridad.

4. Implementación

En este capítulo se muestra el proceso de implementación de la Unidad Didáctica llevado

a cabo con dos cursos del programa de Ingeniería Mecánica, con los cuales se obtuvo

información respecto a éste material didáctico diseñado como recurso alterno.

A continuación, se detallará cada una de las actividades realizadas en el marco de la

implementación de la UD, durante el segundo semestre del año 2019 en la Universidad

Nacional de Colombia sede Bogotá.

4.1 Metodología

Al contar con la totalidad del material diseñado para la práctica pedagógica, se realiza una

serie de procedimientos para ejecutar la Unidad Didáctica. Éste trabajo de implementación

inicia con una fase de preparación, en la cual la UD se vincula a algunos cursos de la línea

de formación disciplinar en el programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional

de Colombia. Luego en una fase de ejecución, se procede a realizar las actividades con

los estudiantes, orientando el trabajo a través del material y los recursos habilitados,

asignando espacios para asesorías. De forma paralela a la fase de ejecución, se realiza el

proceso evaluativo con el cual es posible realizar un seguimiento por estudiante, para

determinar el estado de avance en su proceso formativo, y de allí obtener datos que

permitan identificar las ventajas y desventajas de este tipo de actividades alternativas. A

continuación, se realiza una descripción detallada de cada una de las fases desarrolladas

durante la implementación de la Unidad Didáctica para el estudio de Pórticos

Hiperestáticos.

4.1.1 Preparación

En esta fase se realiza un acercamiento con los docentes del área de diseño vinculados al

departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica. Inicialmente se hace una

53

presentación a los docentes explicando el proyecto y las actividades propuestas para ser

trabajadas con los cursos durante un tiempo estimado de dos semanas. De allí un docente

del curso de Resistencia de Materiales y un docente del curso de Diseño de Elementos de

Máquinas, deciden participar asignado un espacio en sus programas de asignatura, para

tratar el tema de pórticos hiperestáticos. Posteriormente se establecen los siguientes

acuerdos:

1. La actividad de pórticos realizada por los estudiantes tendrá una calificación, que

hará parte de la evaluación final de cada uno de los cursos participantes. Esto con

el fin de generar un mayor compromiso de los estudiantes frente a las actividades

propuestas.

2. La Unidad Didáctica será aplicada a partir de la semana 10 del semestre, asignando

una sesión presencial de la asignatura para iniciar, y una sesión presencial para el

cierre de actividades.

3. El 80% de las actividades corresponden a un desarrollo autónomo extra-clase, para

lo cual se asignarán espacios para tutorías o asesorías por parte del autor de éste

proyecto.

4. Las actividades se realizarán en equipos de trabajo.

5. Al finalizar las actividades se debe generar un reporte de progreso por estudiante

para obtener la calificación total de la actividad de pórticos.

Posteriormente se procede a informar a través de un correo electrónico, a todos los

estudiantes de los dos cursos participantes sobre el inicio del trabajo relacionado con la

temática de pórticos. En la figura 4-22, se muestra el volante diseñado para tal fin. En el

mismo mensaje se envía un vínculo a la encuesta inicial, con la cual se busca establecer

algunas características de la población estudiantil.

Luego de que los estudiantes han participado en la encuesta, reciben la invitación vía

correo electrónico para inscribirse en la plataforma educativa EDMODO, la cual es utilizada

como recurso para orientar y administrar los contenidos y actividades diseñadas para la

UD. A través de esta herramienta virtual, se comparten los documentos, se indican las

actividades, se determinan las fechas de ejecución y tiempos de entrega, y se aplica la

prueba inicial y el test de progreso, para que todos los participantes trabajen bajo las

mismas condiciones. Mediante el uso de esta plataforma es posible realizar un seguimiento

de la participación de los estudiantes y el nivel de actividad durante el espacio de tiempo


habilitado para los trabajos, además de ser un recurso para solucionar inquietudes y

plantear comentarios respecto a las publicaciones realizadas.

Figura 4-22: Mensaje de invitación a los estudiantes

4.1.2 Ejecución

Esta fase comprende todo el proceso participativo de los estudiantes, el cual empieza con

el desarrollo de la sesión inicial y finaliza con la sustentación de los grupos de trabajo. De

todo este proceso se obtiene un listado identificando el progreso alcanzado por cada

participante con el cual se genera una calificación final de la actividad de pórticos

hiperestáticos.

A continuación, se enumera la secuencia de actividades realizadas en esta etapa:

55

1. Sesión inicial.

Para cada uno de los cursos se realiza una sesión inicial, en la cual se hace una

breve presentación de la Unidad Didáctica identificando el objetivo general de

aprendizaje, y los principios que fundamentan el PBL. Se procede con una

introducción a pórticos identificando sus usos en la vida profesional, para luego

explicar cómo obtener el grado de indeterminación o hiperestaticidad, con lo cual

se inicia el estudio del método de las fuerzas, como recurso analítico para resolver

este tipo de estructuras. Al finalizar el contenido teórico, se indican las condiciones

de trabajo para desarrollar la UD, como la conformación de grupos, el uso de la

plataforma virtual (Márquez, López & Pichardo, 2008), el tiempo de dedicación

extra-clase y la valoración cuantitativa para tener en cuenta en la asignatura, entre

otros. Finalmente se establece el cronograma con fechas y horas para las entregas,

indicando los porcentajes de evaluación y los entregables requeridos. En esta

sesión se establecen grupos de trabajo y se verifica la participación previa en el

desarrollo de la encuesta inicial y la inscripción en el curso dentro de la plataforma

Edmodo. A finalizar esta sesión, los estudiantes deben participar en la plataforma

virtual y revisar las publicaciones para orientar su trabajo, pues a partir de este

instante el trabajo se fundamenta en un proceso autodirigido en el cual el grupo

establece su propia ruta para resolver el problema propuesto. De manera aleatoria

a cada uno de los grupos conformados se le asigna un problema como el mostrado

en la tabla 3-8.

2. Prueba inicial.

Esta prueba inicial busca identificar los conocimientos previos de los estudiantes

relacionados con la temática de pórticos, con el objetivo de establecer un referente

con el cual poder comparar el nivel de progreso durante el desarrollo de las

actividades de la UD. Se publica una prueba de 7 preguntas relacionado con los

siguientes aspectos:

Clasificación del pórtico de acuerdo con el grado de indeterminación

Identificación de fuerzas externas en un pórtico

Grado de indeterminación de un pórtico de ejemplo 1

Grado de indeterminación de un pórtico de ejemplo 2

Sistema equivalente para representar un pórtico hiperestático


Análisis de fuerza cortante a partir de los diagramas de momentos flectores

Análisis de fuerza normal a partir de los diagramas de momentos flectores

En las figuras 4-23 y 4-24 se muestran dos de las siete preguntas diseñadas para

este test.

Figura 4-23: Pregunta 4 de la prueba inicial

57

Figura 4-24: Pregunta 6 de la prueba inicial

3. Práctica experimental.

Los grupos de tres estudiantes asisten al laboratorio para realizar el montaje y

tomar datos de la configuración de pórtico asignada en su problema. Esta

información obtenida en la práctica la deben utilizar como referente para corroborar

sus desarrollos teóricos y computacionales y obtener conclusiones a partir de esto.

La práctica debe ser programada y solicitada por el grupo con una semana de

anticipación, adicionalmente deben leer el Módulo de Experimentación con


anterioridad para desarrollar su práctica eficientemente en un tiempo de una hora.

En las figuras 4-25, 4-26 y 4-27 se muestran algunos de los grupos de trabajo.

Figura 4-25: Montaje y preparación del banco experimental

59

Figura 4-26: Activación y calibración de cargas


Figura 4-27: Registro de datos

61

Los aspectos evaluados durante el desarrollo de esta práctica son los siguientes:

Cumplimiento

Claridad de la situación a analizar

Identificación y ajuste de variables

Toma de datos

Trabajo en equipo y asignación de funciones

4. Test de progreso.

Luego de dos semanas de actividades y trabajo autónomo, se aplica la prueba de

progreso con el cual se busca identificar el nivel de conocimiento alcanzado por

cada estudiante en el desarrollo de los temas de pórticos hiperestáticos, en

comparación con los resultados obtenidos en la prueba inicial. Se publica una

prueba de 8 preguntas relacionado con los siguientes aspectos:

Efectos de fuerzas internas y externas en la indeterminación del pórtico

Estabilidad en sistemas equivalentes

Definición de incógnita hiperestática

Representación gráfica de momentos flectores obtenida por el método de

las fuerzas

Cálculo de coeficientes de flexibilidad según el método de las fuerzas

Distribución de carga normal en los elementos del pórtico

Análisis de fuerza cortante a partir de los diagramas de momentos flectores

Identificación de puntos críticos para analizar esfuerzos

En las figuras 4-28 y 4-29, se muestran dos de las ocho preguntas diseñadas para

esta prueba.

Así como en la prueba inicial, la prueba de progreso es presentada de forma virtual

a través de la plataforma educativo Edmodo. Éstas pruebas son publicadas y

habilitadas durante un periodo de tres días, permitiendo una única entrega por

estudiante con un tiempo límite de desarrollo de 30 minutos para la prueba inicial y

45 minutos para el test de progreso.


Figura 4-28: Pregunta 1 de la prueba de progreso

63

Figura 4-29: Pregunta 2 de la prueba de progreso

5. Informe final.

Para la consolidación del informe final se asignó un espacio de una semana

posterior a las dos semanas principales de desarrollo autónomo. El informe es

cargado a la plataforma virtual dentro de unas fechas estipuladas con las siguientes

características:

a) Análisis teórico por el método de las fuerzas

b) Análisis haciendo uso de un recurso computacional


c) Resultados experimentales

d) Conclusiones respecto a los resultados obtenidos, y al diseño del pórtico

analizado

e) Sugerencias para mejorar el diseño de la estructura

Los aspectos evaluados del informe son los siguientes:

Presentación y organización

Cumplimiento de los contenidos

Procedimientos y resolución del problema

Análisis de resultados

Conclusiones

Es importante aclarar que, durante el desarrollo de las dos primeras semanas se

asignaron espacios para tutorías y asesorías de manera presencial. Así mismo,

mediante los canales de comunicación virtual como la plataforma educativa y el correo

electrónico, se atendieron dudas de todo tipo.

6. Sustentación.

Con esta actividad se cierra la fase de ejecución. Allí el grupo de estudiantes

socializa sus resultados y explica el proceso desarrollado con el cual lograron

solucionar el problema planteado. Para ello, se dispuso de un espacio de 20

minutos por grupo, dentro del cual se realizan preguntas evidenciando el dominio

de la temática. Los aspectos evaluados en la sustentación son los siguientes:

Claridad de la problemática analizada

Procedimiento implementado por el grupo para llegar al resultado

Integración de la información obtenida con los métodos de solución

Discusión sobre los resultados obtenidos

Aportes generados en el análisis de los resultados

En un corto tiempo al finalizar la sustentación, se aplica una encuesta de cierre en la

cual se busca una evaluación de su ejercicio de aprendizaje y una valoración de la

UD por parte de los estudiantes. En la figura 4-30, se muestra el formato diseñado

para tal fin.

65

Figura 4-30: Encuesta de opinión

4.2 Resultados

La Unidad Didáctica para el Estudio de Pórticos Hiperestáticos, fue implementada a un

curso de Resistencia de Materiales con 24 estudiantes inscritos en la asignatura, y a un

curso de Diseño de Elementos de Máquinas con 21 estudiantes inscritos. La información

será presentada de la siguiente manera: características de la población estudiantil,

indicadores de los test de conocimiento, los consolidados totales del cumplimiento

alcanzado por los estudiantes en todo el proceso, y finalmente los resultados obtenidos en

la encuesta de percepción realizada al finalizar las actividades.

4.2.1 Caracterización de la población estudiantil

La información para esta caracterización fue obtenida a través de una encuesta virtual

realizada a los dos cursos antes de ejecutar la sesión inicial, con la cual se iniciaban las

actividades relacionadas con el estudio de pórticos hiperestáticos.

Entre los dos cursos se tiene un total de 45 estudiantes inscritos siendo la cantidad

potencial de participantes, de los cuales solo 43 iniciaron el proceso formativo propuesto,

realizando la encuesta inicial y la posterior inscripción a la plataforma educativa Edmodo.

De esos 43 estudiantes la distribución por sexo y edades se muestra en la figura 4-31.


Figura 4-31: Distribución por sexo y edad

Se identifica que el 53% de los estudiantes se encuentran en un rango de edad entre los

20 y los 22 años, y un 26% entre los 23 y los 25 años. También se puede evidenciar que

solo el 16% de la población son mujeres y su mayoría se encuentra en el rango de edad

entre los 17 y los 22 años.

Otros aspectos corresponden al tipo de ingeniería que se encuentran cursando y el

promedio académico con el que cuentan actualmente los estudiantes.

Figura 4-32: Distribución por carrera y promedios académicos

Como se muestra en la figura 4-32, dentro de estas asignaturas predominan los

estudiantes del programa de ingeniería mecánica con un 74%. El promedio académico

1

20

11

1 33 3 10

5

10

15

20

25

entre 17 y19 años

entre 20 y22 años

entre 23 y25 años

entre 26 y28 años

mayor de28 años

Grupos de Edades

Hombre

Mujer

10

15

7

3

6

2

0

5

10

15

20

3.0 y 3.4 3.5 y 3.9 4.0 y 4.4

Programas y Promedios

Ingeniería Mecánica

Ingeniería Mecatrónica

67

como un indicador del rendimiento de los estudiantes en el transcurso de su carrera, en el

cual el máximo valor posible es 5.0, presenta una distribución del 30% en el intervalo de

3.0 a 3.4, un porcentaje del 49% en el intervalo de 3.5 a 3.9, y un 21% en el intervalo de

4.0 a 4.4.

En la figura 4-33, se considera una distribución de los estudiantes identificando la

asignatura que se encuentran cursando, el nivel de avance en el plan de estudios de la

carrera que cursan y si el estudiante se encuentra repitiendo o no la asignatura actual.

Por una parte, se puede establecer que, de los 23 estudiantes del curso de Resistencia de

Materiales, 6 son repitentes; mientras que en el curso de Diseño de Elementos de

Máquinas con 20 estudiantes ninguno se encuentra repitiendo la asignatura. Otro aspecto

que se puede evidenciar en el curso de Resistencia de Materiales es que 13 de 23

estudiantes tienen un avance en el plan de estudios entre el 40% y el 59,9%, y en el curso

de Diseño de elementos de Máquinas 11 de 20 estudiantes tiene un avance entre el 60%

y el 79.9%.

Figura 4-33: Distribución por asignatura, avance en el plan de estudios y repitencia

En la figura 4-34, se muestra el conjunto de actividades que los estudiantes realizan con

más frecuencia en relación con sus hábitos de estudio, entre las cuales las lecturas y

1

8

11

6

11

12

3

0

2

4

6

8

10

12

es igual omayor al 80%

esta entre el40% y el59.9%





Diseño de Elementos de Máquinas 1(2017258)

Resistencia de Materiales (2017277)

Avance en el Plan de Estudios

NO ESTA REPITIENDO

SI ESTA REPITIENDO


ejercicios de manera individual, la consulta de textos especializados, y la consulta de sitios

web y tutoriales en línea son las que más se realizan dentro de este grupo de estudiantes.

Figura 4-34: Actividades relacionadas con los hábitos de estudio

4.2.2 Test de Conocimiento

Estos test corresponden a dos pruebas aplicadas a los estudiantes que desarrollaron la

Unidad Didáctica al inicio y en una fase intermedia. Las preguntas de los dos test abordan

los mismos temas con la diferencia de que la prueba 2 presenta un mayor grado de

dificultad. Así es posible establecer una comparación entre dos estados relacionados con

10

39

16

29 29

5

10

4

7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Total

Hábitos de Estudio

Cuenta de 9.1. Grupos de estudio enla Universidad

Cuenta de 9.2. Lecturas y ejerciciosde manera individual

Cuenta de 9.3. Asesorías y tutoríascon docentes y monitores

Cuenta de 9.4. Consulta de textosespecializados

Cuenta de 9.5. Consulta de sitiosweb y tutoriales en línea

Cuenta de 9.6. Cursos virtuales

Cuenta de 9.7. Plantea problemaspara buscar soluciones

Cuenta de 9.8. Plantea proyectospara generar aleternativas desolución

Cuenta de 9.9. Prácticas delaboratorio

69

el conocimiento de los estudiantes frente a las temáticas tratadas en el desarrollo de las

actividades. De igual forma se busca identificar el nivel de aprendizaje que han alcanzado

los participantes durante el proceso formativo realizado con la UD. De allí se espera que

los estudiantes demuestren una mayor comprensión del tema para poder determinar que

éste tipo de propuestas son un recurso complementario a las dinámicas tradicionales que

aporta positivamente a los procesos de aprendizaje basados en la resolución de

problemas, la autoformación, la experimentación y el trabajo en grupos.

Los resultados del curso de Resistencia de Materiales y del curso de Diseño de Elementos

de Máquinas es presentado por separado para poder identificar características con las

cuales se pueda realizar un análisis sobre los alcances logrados en cada uno.

En la figura 4-35, se muestran los resultados de las pruebas obtenidos en el curso de

Resistencia de Materiales. De 23 estudiantes que iniciaron el proceso solo 16 presentaron

tanto la prueba inicial como la prueba de progreso, permitiendo así realizar la comparación

entre las dos fases del proceso de aprendizaje. De los 16 estudiantes 13 obtienen una

mejoría en la calificación obtenida en la prueba de progreso respecto a la prueba inicial,

sin embargo, de éstos solo 10 estudiantes obtienen una calificación aceptable por encima

de 3.0.

Figura 4-35: Diagrama de dispersión para los resultados del test en el curso de

Resistencia de Materiales

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Curso Resistencia de Materiales

TEST INICIAL[N/5,0]

TEST DE PROGRESO[N/5,0]


La mejoría en los resultados obtenidos en las dos pruebas es evidente, aunque es

importante considerar que las calificaciones obtenidas no corresponden a un nivel superior.

Como se puede ver en la figura 4-36, el promedio de calificaciones obtenidas en el test

inicial está cercano a 2.1, mientras que para el test de progreso es de 3.2, aumentando en

una unidad la diferencia en el promedio de los resultados de las pruebas para el curso de

Resistencia de Materiales.

Figura 4-36: Promedio para los resultados del test en el curso de Resistencia de

Materiales

Para el caso del curso de Diseño de Elementos de Máquinas, de los 20 estudiantes

participantes 18 presentaron las dos pruebas. Como se muestra en la figura 4-37, 17 de

los 18 estudiantes mejoraron su calificación respecto a la prueba inicial. De los estudiantes

que mejoran su calificación 15 obtienen una calificación superior a 3.0.

Figura 4-37: Diagrama de dispersión para los resultados del test en el curso de Diseño

de Elementos de Máquinas

2,11

3,20

0

2

4

Promedio de TEST INICIAL Promedio de TEST DE PROGRESO


-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Curso Diseño de Elementos de Máquinas

TEST INICIAL[N/5,0]

TEST DE PROGRESO[N/5,0]

71

Como se muestra en la figura 4-38, el promedio de calificaciones en la prueba inicial para

el curso de Diseño de Elementos de Máquinas es de 2.4, frente a un promedio en el test

de progreso de 4.0 aproximadamente. Lo cual refleja una mejoría considerable en los

resultados con una diferencia cercana a un punto y medio, alcanzando en los resultados

del segundo test un rendimiento alto para este grupo.

Figura 4-38: Promedio de los resultados para el test en el curso de Diseño de Elementos

de Máquinas

Finalmente se realiza una prueba de comparación entre los resultados obtenidos en los

test por cada curso, para establecer si la diferencia entre la prueba inicial y final es

significativa estadísticamente. Primero revisaremos los resultados del curso Resistencia

de Materiales.

Figura 4-39: Gráfico de caja y bigotes para las calificaciones obtenidas antes y luego de

desarrollar la práctica experimental en el curso de Resistencia de Materiales

2,42

3,99

0

1

2

3

4

5

Promedio de TEST INICIAL Promedio de TEST DE PROGRESO

Diseño de Elementos de Máquinas 1 (2017258)

Gráfico Caja y Bigotes

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Cal_final

Cal_inicial


En la figura 4-39, se puede visualizar la distribución de los resultados de las pruebas en

un estado final correspondiente a las notas obtenidas en el test de progreso, y en un estado

inicial correspondiente a las notas obtenidas en el test inicial. Para el conjunto de datos

finales es evidente el desplazamiento hacia la derecha mostrando mejores calificaciones

en las pruebas de progreso.

Figura 4-40: Gráfico de caja y bigotes para la diferencia entre las calificaciones obtenidas

en el curso de Resistencia de Materiales

En la figura 4-40, se muestra la diferencia entre las calificaciones finales e iniciales del

curso Resistencia de Materiales, mostrando resultados positivos en la mayoría del conjunto

de datos lo cual permite inicialmente reconocer que existe una mejoría en los resultados

del test de progreso.


obtenidas en el curso de Resistencia de Materiales

Gráfico de Caja y Bigotes

-1,4 -0,4 0,6 1,6 2,6 3,6 4,6

Cal_final-Cal_inicial

Histograma

-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4


0

1

2

3

4

5

frecuencia

73

La figura 4-41, presenta los resultados para las diferencias entre las calificaciones

obtenidas en las dos pruebas del curso Resistencia de Materiales, con lo cual es posible

acercarse al tipo de distribución que se tiene mediante la estimación de parámetros.

Tabla 4-11: Resumen Estadístico para Cal_final - Cal_inicial para Resistencia de

Materiales

Cantidad 20

Promedio 0,735

Desviación Estándar 1,49465

Coeficiente de Variación

203,3%

Mínimo -1,4

Máximo 3,7

Rango 5,1

Sesgo Estandarizado 0,436518

Curtosis Estandarizada -0,573602

En la tabla 4-11, se presentan los datos estadísticos con los cuales se determina que la

diferencia entre las calificaciones de los dos test para el curso Resistencia de Materiales

presenta distribución normal, ya que el sesgo y la curtosis se encuentran dentro del

intervalo -2 ≤ estadístico ≤ 2.

Se procede a realizar la prueba de hipótesis para establecer la probabilidad de que la

media de las diferencias sea positiva, con lo cual se puede establecer dentro de un

intervalo de confianza que si existe la mejoría en los resultados para este curso:

Prueba de Hipótesis para Cal_final-Cal_inicial Resistencia de Materiales

Media Muestral = 0,735

Mediana Muestral = 0,6

Desviación Estándar de la Muestra = 1,49465

Prueba t

Hipótesis Nula: �̅� = 0,0

Hipótesis alternativa: �̅� > 0,0

Estadístico t = 2,19919

Valor - P = 0,02022


Se rechaza la hipótesis nula para alfa = 0,05.

La prueba-t evalúa la hipótesis de que la media de Cal_final - Cal_inicial es igual a 0,0

versus la hipótesis alterna de que la media de Cal_final - Cal_inicial es mayor que 0,0.

Debido a que “valor – P” para esta prueba es menor que 0,05, se puede rechazar la

hipótesis nula con un 95,0% de confianza.

Para el caso del curso Diseño de Elementos de Máquinas, se tienen los resultados que se

muestran a continuación.

Figura 4-42: Gráfico de caja y bigotes para las calificaciones obtenidas antes y luego de

desarrollar la práctica experimental en el curso de Diseño de Elementos de Máquinas

En la figura 4-42, se puede visualizar la distribución de los resultados de las pruebas en

un estado final correspondiente a las notas obtenidas en el test de progreso, y en un estado

inicial correspondiente a las notas obtenidas en el test inicial. Para el conjunto de datos

finales es evidente la mejoría en las calificaciones en la segunda prueba para la mayoría

de los estudiantes de la muestra.

Figura 4-43: Gráfico de caja y bigotes para la diferencia entre las calificaciones obtenidas

en el curso de Diseño de Elementos de Máquinas

Gráfico Caja y Bigotes

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Cal_final

Cal_inicial

Gráfico de Caja y Bigotes

-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5


75

En la figura 4-43, se muestra la diferencia entre las calificaciones finales e iniciales del

curso Diseño de Elementos de Máquinas, mostrando resultados positivos en un alto

porcentaje de los estudiantes de éste curso, lo cual permite inicialmente reconocer que

existe una mejoría en los resultados del test de progreso.


obtenidas en el curso de Diseño de Elementos de Máquinas

La figura 4-44, presenta los resultados para las diferencias entre las calificaciones

obtenidas en las dos pruebas del curso Diseño de Elementos de Máquinas, con lo cual es

posible acercarse al tipo de distribución que se tiene mediante la estimación de

parámetros.

Tabla 4-12: Resumen Estadístico para Cal_final - Cal_inicial Diseño de Elementos de

Máquinas

Cantidad 18

Promedio 1,57222

Desviación Estándar 1,18163

Coeficiente de Variación

75,2%

Mínimo -0,5

Máximo 4,4

Rango 4,9

Sesgo Estandarizado 1,06541

Curtosis Estandarizada 0,522618

En la tabla 4-12, se presentan los datos estadísticos con los cuales se determina que la

diferencia entre las calificaciones de los dos test para el curso Resistencia de Materiales

Histograma

-0,8 0,2 1,2 2,2 3,2 4,2 5,2


0

2

4

6

8

frecu

enci

a


presenta distribución normal, ya que el sesgo y la curtosis se encuentran dentro del

intervalo -2 ≤ estadístico ≤ 2.

Se procede a realizar la prueba de hipótesis para establecer la probabilidad de que la

media de las diferencias sea positiva, con lo cual se puede establecer dentro de un

intervalo de confianza que si existe la mejoría en los resultados para este curso:

Prueba de Hipótesis para Cal_final-Cal_inicial Diseño de Elementos de

Máquinas

Media Muestral = 1,57222

Mediana Muestral = 1,4

Desviación Estándar de la Muestra = 1,18163

Prueba t

Hipótesis Nula: �̅� = 0,0

Hipótesis alternativa: �̅� > 0,0

Estadístico t = 5,64508

Valor - P = 0,000014

Se rechaza la hipótesis nula para alfa = 0,05.

Debido a que “valor – P” para esta prueba es menor que 0,05, se puede concluir con un

95,0% de confianza que la media de las diferencias es mayor que cero.

De acuerdo a los resultados en los dos grupos, es evidente la mejoría que presentan en la

prueba final los estudiantes, luego de haber realizado las actividades propuestas y la

respectiva práctica experimental en el laboratorio.

4.2.3 Consolidados totales del proceso

Estos consolidados se obtienen al evaluar la totalidad de los ítems descritos en el capítulo

anterior en la tabla 3-9. Estos valores muestran el porcentaje alcanzado por cada

estudiante en el desarrollo de las actividades propuestas en la UD.

Para presentar estos resultados, es importante identificar la cantidad real de estudiantes

que finalizan el proceso de aprendizaje orientado por la Unidad Didáctica. La figura 4-45,

77

muestra como primera medida la cantidad total de estudiantes oficialmente inscritos en las

asignaturas con las cuales se implementó la UD, determinando la cantidad máxima de

potenciales participantes. El segundo dato corresponde a la cantidad de estudiantes que

luego de recibir la invitación a su correo, deciden iniciar el proceso formativo realizando la

encuesta inicial y la inscripción en la plataforma virtual. Finalmente, se muestra la cantidad

de estudiantes que terminan el proceso formativo, realizando parcial o totalmente las

actividades propuestas, siendo éstas las que obtienen una valoración cuantitativa sobre

los entregables evaluados en las diferentes fases del proceso formativo. Se puede

establecer que más del 80% del total de los estudiantes inscritos en los cursos

participantes, culminaron parcial o totalmente el proceso de autoformación dirigido.

Figura 4-45: Comportamiento de los estudiantes frente al desarrollo de la UD

En el transcurso de las dos semanas de ejecución, en las cuales los estudiantes

desarrollan actividades auto formativas, se avalúan cinco aspectos entre los cuales está la

prueba inicial, la práctica experimental, la prueba de progreso, el informe y la sustentación.

Adicional a esto se otorga un estímulo de máximo cinco puntos a los estudiantes que,

durante todo el proceso han participado activamente realizando preguntas a través de los

medios dispuestos para ello, asistiendo a las tutorías y cumpliendo con los tiempos

establecidos para la entrega de actividades, demostrando así su interés en el desarrollo

de la UD. Al sumar todos los puntos alcanzados en cada ítem, se obtiene un máximo de

21 20 18

24 2320

0

10

20

30

40

50

Inscritos en el curso Inician proceso Finalizan proceso

Cantidad de estudiantes


Diseño de Elementos de Máquinas 1 (2017258)


100 unidades que corresponden al nivel alcanzado en su proceso formativo por cada

estudiante de forma individual y grupal.

Como se evidencia en la figura 4-46, en el curso de Resistencia de Materiales del total de

veinte estudiantes que culminan el proceso se puede establecer cuatro categorías

respecto a los porcentajes alcanzados. La primera corresponde a los estudiantes que no

superan los 20 puntos entre los cuales hay siete (35%). En la segunda categoría hay cinco

estudiantes (25%) que tienen un puntaje menor o igual a 60 pero superior a 20. En un

tercer grupo hay 5 estudiantes (25%) con puntaje menor o igual a 80 pero superior a 60.

Finalmente hay 3 estudiantes (15%) con puntaje superior a 80.

Figura 4-46: Acumulado en las actividades del curso de Resistencia de Materiales

Para el caso del curso Diseño de Elementos de Máquinas, se muestran los resultados en

la figura 4-47. De los 18 estudiantes que culminaron el proceso, hay un solo estudiante

(6%) que tiene un puntaje inferior a 20, debido a que no presenta los entregables dentro

de los plazos establecidos. En un segundo grupo hay dos estudiantes (11%) con puntaje

menor o igual a 80 pero superior a 60. Un último grupo cuenta con 15 estudiantes (83%)

los cuales tienen puntajes superiores a 80.

La figura 4-48, muestra una comparación de los resultados obtenidos por cada uno de los

cursos. Para el caso del curso Resistencia de Materiales los puntajes están más dispersos

teniendo un límite superior de 88.6. El 75% de los datos presentan puntajes menores o

iguales a 67.7 puntos. La media del total de los datos es de 49.2 puntos. Los resultados

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Consolidados curso Resistencia de Materiales

TEST INICIAL[7/100]

TOTAL PRÁCTICA EXPERIMENTAL[10/100]

TEST DE PROGRESO[8/100]

TOTAL INFORME[45/100]

TOTAL SUSTENTACIÓN[30/100]

Interés y participación[5/5]

79

obtenidos en el curso de Diseño de Elementos de Máquinas muestran puntajes más

centralizados presentando un dato atípico en 17.3. Omitiendo el valor atípico se establece

que la totalidad de los datos se encuentran por encima de 76.5 puntos, con una media de

85.5 puntos. En este curso se cuenta con un estudiante que logra el máximo puntaje

posible en las actividades. El rendimiento alcanzado por los estudiantes de este grupo es

superior respecto a los resultados logrados por el curso de Resistencia de Materiales.

Figura 4-47: Acumulado de las actividades en el curso de Diseño de Elementos de

Máquinas

Figura 4-48: Diagrama de caja y bigotes porcentaje consolidado por cursos

0

50

100

150

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Consolidados curso Diseño de Elementos de Máquinas

TEST INICIAL[7/100]

TOTAL PRÁCTICA EXPERIMENTAL[10/100]

TEST DE PROGRESO[8/100]

TOTAL INFORME[45/100]

TOTAL SUSTENTACIÓN[30/100]

Interés y participación[5/5]


Por otra parte, es importante discutir sobre las notables diferencias presentadas en los

logros alcanzados por los dos cursos participantes. Si evidenciamos los resultados

mediante el porcentaje total acumulado obtenido por estudiante durante el desarrollo de

todas las actividades, como se muestra en la figura 4-46, en el curso Resistencia de

Materiales por lo menos el 75% de los participantes tienen rendimiento inferior a 70 puntos,

mientras que en el curso Diseño de Elementos de Máquinas por lo menos el 75% de los

participantes tienen rendimiento superior a 80 puntos. Para identificar qué tipo de

característica de la población estudiantil puede estar influenciando estos resultados,

primero se define una escala para clasificar los puntajes obtenidos con los siguientes

intervalos:

SUPERIOR: 80 ≤ Puntos ≤ 100

BÁSICO: 60 ≤ Puntos < 80

INFERIOR: 0 ≤ Puntos < 60

Cada grupo de datos es cruzado con las siguientes características de la población

mencionadas en el capítulo anterior:

Edad

Número de matrículas realizadas

Porcentaje de avance en créditos

Promedio académico

Al correlacionar cada grupo de puntajes con las características poblacionales descritas

anteriormente, solo el número de matrículas realizadas presenta una relación directa con

el rendimiento obtenido en los distintos grupos, las demás características poblacionales

parecen no tener influencia directa en los resultados.

Figura 4-49: Comparación de puntajes con el número de matrículas

0

2

4

6

8

ALTO BÁSICO INFERIOR

Correlación entre puntajes obtenidos y número de matrículas

5

6

7

8

9

10

81

Como se muestra en la figura 4-49, los estudiantes que han realizado un mayor número

de matrículas presentan los mayores puntajes. Por ejemplo, el 50% de la población tiene

puntajes altos y han realizado entre siete y diez matrículas. Para el caso de los puntajes

básico e inferior, el 27% de la población se encuentra en éste rango de puntaje y tienen

entre cinco y seis matrículas.

4.2.4 Encuesta de percepción final

La encuesta de percepción es realizada al finalizar la sustentación con cada uno de los

estudiantes que asistieron a esta actividad final. Se aplicaron un total de 30 encuestas con

ocho preguntas, las cuales debían evaluar entre una escala de 1 a 5, siendo 1 la mínima

valoración o peor condición y 5 la máxima o mejor condición. Como se muestra en la figura

4-50, los puntajes obtenidos en las preguntas 1 y 5 tienen una valoración alta con

unanimidad. En el caso de la pregunta 2, respecto al tiempo asignado a las actividades, la

opinión está dividida con un 43% que lo valora con una puntuación baja y un 57% con

puntuación alta. Respecto a la evaluación de los recursos y el material didáctico de la

pregunta 6, se tiene que un 23% de los estudiantes lo evalúan con un puntaje medio bajo

y el restante con una puntuación alta.


Figura 4-50: Resultados de la encuesta de percepción

En la tabla 4-13 se muestran los comentarios realizados por los estudiantes en la parte

final de la encuesta, en los cuales expresan libremente sus opiniones respecto a las

actividades realizadas y también comparten sus sugerencias, con el objeto de mejorar este

tipo de trabajos didácticos en la formación en ingeniería.

0 5 10 15 20 25

1. ¿Considera que la Unidad de pórticos hiperestáticosfue útil en su proceso formativo?

2. ¿El tiempo asignado para el desarrollo de lasactividades fue el adecuado?

3. ¿La metodología de trabajo fue motivante y estimulóel trabajo autodirigído?

4. ¿Las actividades cubrieron sus expectativas eintereses?

5. ¿Las orientaciones del docente fueron claras yoportunas?

6. ¿Los recursos y el material didáctico (plataforma,guías, banco experimental, etc) fueron suficientes para

lograr los objetivos de aprendizaje?

7. ¿Cuál es su nivel de satisfacción frente a estametodología de aprendizaje?

8. ¿Cuál es su nivel de satisfacción frente a losresultados obtenidos en su proceso formativo?

Valoración Final de los Estudiantes

5 4 3 2

83

Tabla 4-13: Comentarios de los estudiantes respecto a las actividades realizadas

No. Comentarios

1

Pienso que es un tema muy complicado para aprenderlo en una sesión presencial y con

tanto componente autónomo se encontraron muchas dificultades encontrando

información sobre el tema al intentar estudiarlo de manera autónoma y el tiempo me

pareció limitado para la complejidad del tema

2Un poco más de explicación teórica respecto al método de las fuerzas, con más ejercicios

o ejemplos estaría bien. La información es algo escasa para el aprendizaje autónomo

3 El material apartado debería tener más ejemplos de aplicación del método

4 Una clase adicional para verificar el conocimiento posterior a la práctica

5 Realizar éste módulo al inicio del semestre

6 Sería mejor poder dedicarle más tiempo a la teoría

7

Creo que hubiese sido útil un poco más de explicación con respecto al método de las

fuerzas pués (en mi caso) siento que no fue suficiente. El banco experimental esta muy bien

equipado

8Dar como ejemplo de referencia más de un ejercicio resuelto, o uno de mayor complejidad

ya que en el ejemplo no se evidencian muchas posibles dificultades

9 Tener aportes audiovisuales (videos)

10 Programa de verificación mas detallado

11Intentar util izar la plataforma de la universidad moodle para desarrollar los quices y

mantener un canal de comunicación

12Explicar un poco más tal vez con un ejemplo más complejo el método de fuerzas en el

material de soporte

13 El banco de pruebas es una herramienta muy útil para el aprendizaje universitario


5. Conclusiones y Recomendaciones

En el desarrollo de este proyecto que aborda la metodología de aprendizaje PBL y temas

específicos de análisis estructural, se acude al diseño de producto como una herramienta

que permite unificar conceptos del área de la educación con aspectos técnicos de la

ingeniería, para edificar nuevos recursos como aporte a los procesos de formación en las

instituciones de educación. Estos procesos o metodologías de diseño permitieron el

desarrollo de productos didácticos especializados (Banco Experimental y la Guía

Didáctica), con los cuales fue posible orientar los procesos ocurridos dentro del ambiente

educativo de los cursos participantes en este trabajo.

A continuación, se discuten aspectos relacionados con el diseño de los componentes

fundamentales de ésta Unidad Didáctica, las experiencias obtenidas mediante el uso de

éstos recursos diseñados, la respuesta a éste tipo de actividades alternas por parte de los

estudiantes y la percepción que tienen ellos frente a éstos procesos formativos.

5.1 Conclusiones

Inicialmente es importante mencionar los recursos diseñados para soportar y orientar el

proceso formativo propuesto en ésta Unidad Didáctica. Por un lado, el banco experimental,

que generó gran expectativa y motivación en el desarrollo de las actividades, es un recurso

que al haber implementado dentro de su proceso de desarrollo el análisis funcional

derivado de la metodología de diseño de producto, incluyó diversos requerimientos tanto

de orden técnico como estético favoreciendo la interacción de los estudiantes. El prototipo

que fue rediseñado a partir de un modelo anterior, se consolidó bajo la premisa de

minimizar los tiempos de una práctica experimental basada en un desarrollo autónomo,

por lo que la distribución de los componentes del banco, la identificación de los elementos

para la práctica y la facilidad de montaje, fueron características relacionadas

85

morfológicamente en las partes constitutivas de los subsistemas funcionales, facilitando al

estudiante la identificación de los componentes, el ensamble, el ajuste y fijación de piezas

de montaje. La distribución, la forma, la señalización y los colores del banco y sus partes,

favorecieron la conformación de un espacio de aprendizaje agradable y atractivo para

manipular y construir el experimento con las características asignadas en el problema que

se encontraban resolviendo. Otro aspecto didáctico de gran importancia que facilitaba la

comprensión de conceptos tratados en la UD, es la observación de los desplazamientos

de los nodos del pórtico de forma directa en el momento de aplicar las cargas en el banco

experimental, evidenciando el comportamiento mecánico de la estructura el cual era

contrastado directamente con los valores que se leían en los instrumentos de medición.

Esta situación era posible debido a las características mecánicas del material utilizado en

los pórticos, el cual permitía deflexiones en el rango de los milímetros, siendo percibidas a

simple vista.

En cuanto al uso del banco experimental se encontraron algunas situaciones relacionadas

con las mediciones obtenidas. Por un lado, la calibración de la carga a través de los

actuadores neumáticos debía realizarse manualmente a través de la regulación de la

presión de aire desde el registro del banco de controles, lo que impedía obtener un valor

de magnitud de carga exacto, presentando variaciones del orden de las décimas de kg-f

por debajo o por encima de la requerida. Por otra parte, el sistema de ensamble de los

tipos de apoyo (soporte patín, rótula y empotramiento) con el pórtico, se realizaba a partir

de un extremo roscado en las columnas del pórtico, el cual se introducía en un agujero

roscado que hacía parte del soporte que se fijaba a tierra. Ésta interfaz y su cambio de

geometría en la sección del pórtico generó efectos en los resultados que se obtenían

teóricamente respecto a los resultados experimentales. Estas situaciones y su efecto en el

proceso formativo, fueron tomadas como una ventaja para profundizar en los detalles que

no eran tenidos en cuenta por los estudiantes en el momento de realizar sus análisis

teóricos, aportando sugerencias con las cuales los grupos pudieran ajustar sus modelos

teóricos para acercar sus resultados a los obtenidos realmente en la experimentación. Pero

muy pocos estudiantes lograron perfeccionar su trabajo a ese nivel de detalle, debido a las

limitaciones de tiempo, dejando plasmado en las conclusiones que elaboraban de su

trabajo esta situación como evidencia de la comprensión de lo ocurrido y como debía ser

tratado para disminuir los errores en los resultados, generando una reflexión inicial en los

grupos de trabajo, quienes proponían a manera de recomendaciones lo que se debía

realizar para describir con mayor precisión el comportamiento del pórtico, evidenciando allí


de manera positiva el nivel de comprensión y dominio de la temática alcanzado luego de

la experimentación.

La Guía Didáctica como parte de los recursos diseñados, corresponde al soporte gráfico y

textual con el cual los estudiantes obtenían bloques de información y contenidos a través

de módulos, los cuales tenían una secuencia y eran entregados en la medida que se

avanzaba en el proceso formativo. Durante el trabajo de diseño de éste recurso, se enfatizó

en la unificación, secuencia y modularidad de la presentación de los contenidos a través

de la diagramación y el diseño gráfico. Éste material permitió una orientación oportuna en

las primeras fases de la implementación de la UD, pues generó gran expectativa al mostrar

una estrategia constructiva y formativa en la cual el estudiante es quien gestiona su ruta

de aprendizaje. En la fase intermedia, de acuerdo con cómo lo expresan los estudiantes

en sus comentarios, el material no brindaba información suficiente para poder abordar con

mayor detalle los problemas que debían solucionar; pues los ejemplos mostrados para

explicar el método de las fuerzas, como recurso de análisis teórico, eran muy elementales

respecto a los que ellos debían resolver. Esto obligó a que ellos buscaran más recursos y

ejemplos principalmente a través de internet, y por otro lado solicitaran nuevos espacios

de tutorías con el docente para hacer claridad del método, tardando más tiempo en el

desarrollo de su trabajo de análisis y resolución del problema. En la fase final relacionada

con la experimentación y el uso del banco, el módulo 4 en el cual se presentaba

información del manejo, ensamble y toma de datos en la práctica, se fortaleció en el uso

de imágenes explicativas y detalles funcionales que alimentaron y facilitaron la práctica

experimental, generando las condiciones necesarias para dirigir de manera independiente

su experiencia en el laboratorio. En general la guía diseñada, se consolidó como asistente

del proceso de autoformación siendo un enlace fundamental que mantenía el vínculo entre

los estudiantes, los productos esperados y las actividades propuestas para alcanzar los

resultados de aprendizaje.

Para mantener la continuidad durante todo el proceso, fue necesario establecer un puente

de comunicación para fortalecer las rutas de ejecución que emprendían los grupos de

trabajo. Estos enlaces entre docentes y estudiantes se crearon a través de las

comunicaciones por correo electrónico, la plataforma educativa Edmodo y por espacios de

tutorías en horarios específicos previamente establecidos; ya que de acuerdo a los

lineamientos derivados de los principios del PBL (entre los cuales están el planteamiento

de una problemática como directriz del proceso formativo, al aprendizaje autodirigido, el

aprendizaje experiencial y el trabajo grupal), la autogestión del proceso formativo se

87

consideraba el más crítico debido a que las dinámicas instituidas en los procesos de

formación tradicional, no están centradas en el estudiante. Estas comunicaciones

fundamentalmente virtuales, fueron altamente efectivas en cuanto a informar las

actividades, protocolos y entregas. Por otra parte, fueron poco eficientes para atender las

dudas relacionas con las temáticas y métodos de análisis estructural, ya que la

interlocución de los estudiantes a través de estos medios para resolver sus inquietudes fue

muy baja.

Este tipo de propuesta didáctica, que se ejecutó en paralelo a las temáticas que venían

trabajando los cursos de Resistencia de Materiales y Diseño de Elementos de Máquinas,

fue una situación atípica para los docentes y estudiantes, pues no se encontraba incluida

en los programas de las asignaturas y el 80% de las actividades propuestas ocurrían fuera

del aula bajo la responsabilidad del grupo de estudiantes; aunque la naturaleza de la

misma permitió generar una dinámica diferente y alterna, causando el mínimo de

afectación al desarrollo de los programas académicos de cada asignatura, considerando

que era una carga académica adicional para los participantes.

En su mayoría los estudiantes que participaron en la implementación de ésta unidad,

pertenecen a los programas de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, con un rango de

edades entre los 20 y 25 años, quienes han alcanzado por lo menos el 50% de avance en

su plan de estudios. Éstos estudiantes presentan un rendimiento medio con promedios

académicos por debajo de 4,0. Para éstos cursos un aspecto relevante que permitió el

inicio, la continuidad y la finalización de este proceso de formación autónoma en un 84%

de los participantes, es la valoración del proceso a través de una calificación que variaba

entre el 1% y el 10% de la nota final de la asignatura, siendo una importante motivación

para dedicar el tiempo y esfuerzo que extracurricularmente se demandaba. La Unidad

Didácticas de Pórticos entonces, entra en el panorama de los estudiantes como una

herramienta que les permite orientar su proceso de construcción de conocimiento en esta

área, siendo ellos quienes definen la ruta durante la cual articulan sus experiencias, para

dar respuesta al problema de ingeniería que ha sido propuesto como el horizonte dentro

del cual se delimitan los contenidos a tratar. La práctica experimental se identifica como

otro aspecto que atrae a los estudiantes al desarrollo de las actividades; además de ser

un recurso pedagógico fundamental basado en la experiencia, generó gran expectativa al

ser presentada en la clase presencial que se realizó al inicio de las actividades, acercando

a 38 de 43 estudiantes que inician el proceso.


El tiempo de aplicación de la práctica experimental tardó en promedio 60 minutos, espacio

en el cual debían realizar el montaje, desmontaje y la toma de datos reportados en los

instrumentos de medición dispuestos para cada fin. La distribución y el uso eficiente del

corto tiempo disponible por grupo, fue posible debido a la preparación previa que debían

realizar los estudiantes mediante la revisión del documento guía (Módulo de

Experimentación), y a la facilidad en la instalación de los elementos de configuración en el

laboratorio, para lo cual era necesario el uso de un solo tipo de herramienta. La disposición

de todos los elementos para la práctica, así como su organización y su almacenamiento

dentro de la estructura principal del Banco Experimental, también favoreció la interacción

de los estudiantes con este dispositivo didáctico de manera fluida e intuitiva, permitiendo

establecer relaciones rápidamente entre los objetos disponibles, respecto a su

configuración y ensamble, al estar previamente referenciados de forma gráfica en la Guía

Didáctica.

Los resultados obtenidos en las evaluaciones periódicas realizadas durante el desarrollo

de la UD por cada uno de los cursos muestran grandes diferencias respecto a los niveles

alcanzados en el rendimiento por estudiante. Como primera medida se pueden ver los

resultados obtenidos comparativamente en los dos test aplicados para medir el avance en

el dominio de las temáticas tratadas, como un indicador de la efectividad de la Unidad

Didáctica. Si miramos el curso de Resistencia de Materiales (figura 4-35), el 81% de los

estudiantes obtuvo un puntaje mayor en la segunda prueba, distribuidos de la siguiente

manera: el 12% obtuvo un puntaje bajo con calificación inferior a 3.0; el 50% alcanzó un

puntaje aceptable con calificaciones superiores a 3.0; y el 19% alcanzó puntajes altos con

calificaciones mayores a 4.0. Revisando el curso de Diseño de Elementos de Máquinas

(figura 4-37), el 94% obtuvo un puntaje mayor en la segunda prueba, distribuidos de la

siguiente manera: el 11% obtuvo un puntaje bajo con calificación inferior a 3.0; el 33%

alcanzó un puntaje aceptable con calificaciones superiores a 3.0; y el 50% alcanzó

puntajes altos con calificaciones mayores a 4.0. Si se unifican los dos cursos y se revisa

el total de estudiantes que presentaron los dos test, se tiene que de 34 estudiantes 25

(74%) obtuvieron un puntaje aceptable o superior en la segunda prueba, evidenciando la

mejoría en los resultados luego de avanzar en el desarrollo de la Unidad Didáctica. Por tal

razón, en términos generales se puede establecer que este tipo de ejercicio académico

autodirigido tiene un efecto positivo en los procesos formativos, pues el aprendizaje basado

en la experiencia y en la formulación de problemas, permiten en el corto plazo la

89

asimilación y el dominio de conceptos teóricos que, al ser implementados en una

experiencia de laboratorio, conforman la semilla que dará como fruto el desarrollo de

habilidades profesionales futuras.

Como segundo aspecto, los resultados obtenidos en los puntajes acumulados, lleva a

plantear dos situaciones derivadas del análisis realizado a cada uno de los cursos, en el

cual se identifican estudiantes que han cursado mayor número de semestres, siendo éstos

quienes obtienen los mejores puntajes. Por un lado, el grado de madurez alcanzado por

los estudiantes es mayor en semestres superiores y se ve reflejado en la capacidad de

autogestión de su proceso formativo, permitiéndoles desarrollar todo tipo de actividades

de una manera independiente, adaptándose rápidamente a cambios en las metodologías

de aprendizaje. Por otra parte, el dominio de diferentes conceptos teóricos relacionados

con las temáticas tratadas es superior, pues han avanzado en mayor medida en los

contenidos de la línea de diseño en ingeniería, permitiéndoles una mayor solvencia en la

resolución de la problemática al tener experiencias previas en el campo de acción y

habilidades desarrolladas para el manejo de las temáticas específicas. El curso de Diseño

de Elementos de Máquinas es un curso al cual llegan los estudiantes luego de haber

aprobado el curso de Resistencia de Materiales, siendo una asignatura para semestres

superiores y en la cual se evidencian los mejores puntajes obtenidos dentro de este

proceso formativo, por las condiciones ya descritas.

Al finalizar el proceso formativo y evidenciar los logros como resultado de un trabajo de

autogestión, los estudiantes opinan sobre la importancia de éste tipo de actividades dentro

de su aprendizaje como ingenieros. El conjunto de estudiantes considera de manera

unánime que la Unidad Didáctica fue de gran utilidad en su proceso de aprendizaje, pues

les aportó herramientas con las cuales les fue posible construir conocimiento a partir de la

experiencia. Por otro lado, lo relacionado al tiempo asignado para el desarrollo de las

actividades, fue muy cuestionado pues consideran que es muy corto para lograr los

resultados esperados. Aquí es importante mencionar que la intensidad horaria de

dedicación en la universidad para un estudiante promedio esta entre 30 y 48 horas

semanales, tiempo que deben distribuir entre la asistencia a clases y el desarrollo de

trabajos fuera de clase, por esto adicionar un conjunto de actividades les exige administrar

de mejor manera el tiempo de estudio para poder cumplir en todas sus asignaturas y

compromisos; pero a pesar de ello, más de la mitad de los estudiantes logró superar ésta

dificultad, cumpliendo a cabalidad con lo requerido en las actividades propuestas.


Las expectativas y la motivación son dos aspectos que los estudiantes consideran que

fueron generados a lo largo del trabajo, y que este tipo de actividad los encamina

positivamente. La labor del docente como orientador fue recibida positivamente y

considerada como una labor oportuna, debido al acompañamiento realizado durante la

implementación y al soporte generado desde los recursos virtuales y el material

condensado en la guía didáctica. Finalmente, los estudiantes evalúan de manera positiva

el nivel de satisfacción frente a la metodología de trabajo y frente a los resultados obtenidos

en su proceso formativo.

5.2 Recomendaciones

Para las condiciones dadas en instituciones que aplican procesos de formación

tradicionales no centradas en el estudiante, es fundamental implementar procesos de

enseñanza – aprendizaje que fomenten las habilidades de autogestión y autoaprendizaje,

y una manera de hacerlo es diseñando actividades periódicas de corta duración que

favorezcan la transición hacia nuevos entornos educativos, con dinámicas específicas que

tiendan a la construcción de experiencias que generen espacios de reflexión en cuanto

exijan la aplicación del conocimiento en la resolución de problemas, y alimenten la

inquietud encaminada a superar continuamente las barreras generadas por el

desconocimiento de un tema de manera personal, herramientas con las cuales un

profesional se forma continuamente en la experiencia.

Es importante dentro de la experiencia docente, implementar este tipo de actividades

desde los niveles iniciales de formación de los ingenieros, teniendo en cuenta el grado de

independencia y libertad dentro del proceso de aprendizaje de los estudiantes, pues como

se muestra en los resultados de este trabajo, una misma actividad diseñada para una

temática específica, con los mismos parámetros de aplicación, generó respuestas

diferentes en dos niveles de formación distinta. Por tal razón sin abandonar los niveles de

formación inicial, para obtener mejores resultados en los procesos es necesario delimitar

en mayor o menor medida la magnitud de las actividades independientes que requieran de

las decisiones de los estudiantes para el desarrollo de los contenidos.

La estructura de la Guía Didáctica diseñada en éste trabajo sirve de modelo, el cual puede

ser utilizado para el diseño de actividades futuras en las cuales se requiera trabajar

contenidos relacionados con la línea de diseño en ingeniería, permitiendo a los docentes

91

aplicar actividades paralelas de desarrollo autónomo basadas en la experimentación, para

profundizar en temas de una asignatura, que de otra forma no podría tratar durante el

semestre. Éste tipo de herramientas didácticas en los procesos de enseñanza aprendizaje,

además de complementar contenidos, construyen y fortalecen habilidades encaminadas a

la aplicación del conocimiento.

De acuerdo a la experiencia obtenida en el manejo de los contenidos teóricos que abordan

métodos de solución, es necesario vincular y ampliar el menú de posibilidades con el cual

sea posible direccionar al estudiante en la búsqueda de ejemplos, videos, textos, etc., con

lo cual se disminuya el tiempo en el desarrollo en los procesos de recolección y análisis de

la información.

Implementar éste proceso formativo como una estrategia para atender las deficiencias en

el aprendizaje de los estudiantes, puede favorecer el rendimiento académico en los cursos

de la línea de diseño en ingeniería pues se ha demostrado su capacidad para facilitar la

comprensión de conceptos técnicos y teóricos durante el desarrollo de pequeñas

experiencias. Es necesario como línea de formación, que los docentes de diseño

compartan sus experiencias en el campo didáctico y experimental, que identifiquen los

dispositivos con los que se cuenta en los laboratorios de las áreas respectivas, y que éste

tipo de trabajos sean socializados en espacios de construcción académica, para que así

se consolide el conjunto de recursos necesarios con los cuales cada docente pueda

diseñar y construir sus propias prácticas pedagógicas, encaminadas a atender las

condiciones particulares de cada curso y población con la que se encuentre trabajando.

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