Eina virtual per a l’anàlisi cinemàtica de mecanismes



En aquest treball es presenta una eina virtual que s’utilitza en l’assignatura de teoria de mecanismes, de segon curs del grau d’enginyeria mecànica de la Universitat de Lleida, i que permet l’anàlisi cinemàtica d’un mecanisme pel mètode gràfic. Té per finalitat incentivar d’una manera atractiva l’ús del mètode gràfic com a ajuda en la resolució analítica de problemes. La seva implementació està motivada per la dificultat que tenen els estudiants en l’ús i en la interpretació gràfica de magnituds vectorials.

Desenvolupament

 

Introducció

 

Els professors de l’Àrea d’Enginyeria Mecànica de la Universitat de Lleida constaten, cada any d‘una manera més evident, una doble problemàtica en relació a les magnituds vectorials. En general, els alumnes tenen dificultats en l’ús d’aquestes magnituds i a la vegada presenten poc interès per interpretar-les gràficament. Aquests problemes es posen de manifest especialment en l’assignatura «teoria de mecanismes» de segon curs dels graus en enginyeries de la branca industrial.

Per això es pretén desenvolupar una eina que sigui atractiva per a l’alumnat, que el convidi a utilitzar els mètodes gràfics per a fer el plantejament dels estudis i interpretar-ne els resultats. Alhora, aquesta ha de ser una eina d’autoaprenentatge, que guiï els estudiants al llarg del procés.

Objectius

 

L’objectiu d’aquest treball és el desenvolupament d’una nova eina gràfica interactiva per a l’autoaprenentatge d’anàlisis cinemàtiques de mecanismes. Aquesta eina vol ser un complement a l’eina CAD. No es busca la capacitat de resoldre qualsevol configuració amb exactitud, sinó incidir especialment en el procés de la metodologia gràfica i en l’ordre dels passos que cal seguir. La finalitat de l’eina que es presenta és incentivar l’ús dels mètodes gràfics, per part dels estudiants, paral·lelament i com a ajuda a la resolució analítica dels problemes.

Metodologia

 

L’eina desenvolupada és una aplicació informàtica que s’executa via web i que ajuda l’estudiant a l’hora de fer el plantejament gràfic de l’anàlisi cinemàtica d’un mecanisme. Permet fer diversos exercicis interactius d’anàlisi cinemàtica implementats en suport informàtic executable des de qualsevol ordinador, tauleta gràfica o telèfon intel·ligent.

A continuació s’expliquen l’eina i la metodologia d’ús proposada, alhora que es mostra un exemple d’exercici on s’aplica.

Cada exercici es basa en un problema amb un enunciat clàssic (figura 1), amb la particularitat que la geometria del mecanisme recolza en una matriu de punts definits per una quadrícula. Els vectors i les direccions dels moviments també es defineixen en base als punts d’aquesta quadrícula. D’aquesta manera s’aconsegueix simplificar el tractament numèric i gràfic dels problemes i al mateix temps es manté l’interès i la dificultat conceptual com en qualsevol altre mecanisme. D’altra banda, això permet diferenciar clarament entre possibles punts per a indicar les respostes al conjunt de qüestions que es plantegen. Òbviament, aquests exercicis també es poden resoldre gràficament sobre el paper, però el fet de presentar-los en un format electrònic interactiu, sobre una plataforma universal, permet que la resolució sigui guiada pas a pas i també facilita la construcció gràfica, de manera que l’alumne es pot centrar en com resoldre conceptualment el problema.

Un exemple de solució es té a la figura 1, en la qual ja hi ha dibuixades totes les direccions de velocitats i els vectors necessaris per a dur a terme l’estudi demanat. Amb l’eina desenvolupada es vol arribar al mateix resultat final, però guiant l’estudiant pas a pas.

En iniciar un exercici, l’aplicació mostra l’enunciat i l’esquema cinemàtic a escala del mecanisme (figura 2).

Seguidament es van mostrant un conjunt de preguntes, que van apareixent en l’ordre escaient per tal de facilitar el desenvolupament (requadre blau en la figura 3). L’estudiant va responent gràficament sobre l’esquema fent un o dos clics sobre els punts definits per la quadrícula.

Si la resposta és correcta, apareix un missatge de color verd i el programa permet continuar i avançar a la pregunta següent (figura 4). Si és incorrecta, apareix un missatge, en aquest cas de color vermell, indicant que la resposta no és correcta i el programa permet tornar-ho a provar (figura 5).

Una vegada respostes totes les preguntes correctament, apareix un missatge de color blau indicant que l’exercici s’ha acabat (figura 6).

Avaluació i resultats

 

El professorat implicat en el desenvolupament d’aquesta eina està satisfet amb el resultat assolit pel que fa a la interfície de l’aplicació i el considera molt adequat perquè l’estudiant pugui millorar el seu grau d’aprenentatge d’una manera autònoma però alhora guiada i amb una interfície agradable per a ell.

Els estudiants que l’han utilitzat mostren un alt grau de satisfacció amb l’experiència, tot i que cal incidir en el fet que, en no tractar-se d’una tasca obligatòria i esser aquest el primer curs que s’implanta, el nombre de comentaris i opinions rebuts dels estudiants és reduït.

Impacte / Sostenibilitat

 

Pel fet que es tracta d’una assignatura troncal en els graus d’enginyeria industrial, el nombre d’alumnes potencials per a utilitzar aquest recurs és força rellevant. Al mateix temps, aquests tipus d’exercicis virtuals interactius es poden utilitzar també en altres assignatures en què la resolució vectorial és també imprescindible i, per tant, el nombre potencial d’alumnes pot ser molt alt.

Finalment, pel fet que l’aplicació és bàsicament gràfica, el poc text que hi ha és bastant senzill de traduir a altres idiomes, la qual cosa la fa accessible als estudiants d’altres llegues, d’altres universitats o que estiguin d’intercanvi a les nostres universitats catalanes.

Línies futures / Noves oportunitats

 

Amb aquesta eina es pretén diversificar i ampliar el nombre d’exercicis disponibles en l’aplicació. Això es farà en paral·lel als enunciats dels mateixos problemes que els estudiants poden resoldre en el paper, analíticament i també fent les representacions gràfiques ells mateixos.

També s’està plantejant que l’aplicació registri l’usuari, el nombre d’exercicis executats i el nombre d’intents que ha fet en cada pregunta fins a assolir el valor correcte. D’aquesta manera, el professorat pot tenir una certa informació dels avenços i de les dificultats amb què es troben els estudiants i pot incidir més a l’aula en aquests punts.

Conclusió

 

De moment no es poden treure gaires conclusions definitives a partir dels resultats obtinguts, atesa la baixa mostra de participants, el reduït nombre d’exercicis disponibles i pel fet de ser el primer curs d’implementació de l’eina. No obstant això, en general, es pot dir que l’acceptació ha estat bona i creiem que serà força útil i interessant.

Referències bibliogràfiques

Alaeddine, N.; Parsaei, H.; Kakosimos, K.; Guo, B.; Mansoor, B. «Teaching Innovation with Technology to Accelerate Engineering Students’ Learning». 122nd ASAEE Annual Conference & Exposition, Seattle (EUA), 14-17 juny 2015, p. ID 11797.

Bedford, A.; Fowler, W. (1996). Mecánica para Ingeniería. Dinámica. Boston: Addison-Wesley Iberoamericana.

Beer, F. P.; Johnston, E. R. (1998). Mecánica Vectorial para ingenieros. Dinámica. Nova York: McGraw Hill.

Chowdhry, A.; Sieler, K.; Alwis, L. (2014). «A Study of the Impact of Technology-Enhanced Learning on Student Academic Performance». Journal of Perspectives in Applied Acadèmic Practice, 2 (3), p. 3-15.

Lima, R. M.; Andersson, P. H.; Saalman, E. (2017). «Active Learning in Engineering Education: a (re)introduction». European Journal of Engineering Education, 42 (1), p. 1-4.

Myszka, D. (1998). Machines and Mechanisms. Applied Kinematic Analysis. Nova Jersey: Prentice Hall.

Imatges

Figura 1: Enunciat del problema a resoldre i solució del desenvolupament per mètodes gràfics



Figura 2: Visulització de l'enunciat i de l'esquema del mecanisme en l'eina virtual



Figura 3: Preguntes de cada pas (en color blau) i respostes indicades sobre la matriu de punts)



Figura 4: Missatge de resposta correcta



Figura 5: Missatge de resposta incorrecta



Figura 6: Missatge d'exercici acabat



  • Universitat / Facultat
    Universitat de Lleida (UdL)
    Escola Politècnica Superior
  • Tipus
    Eines i aplicacions
  • Equip de treball / Contacte

    Martí Comellas, Joan Roca, Miquel Nogués i Ingrid Martorell.

    Contacte: Joan Roca (jroca@diei.udl.cat)

    En col·laboració amb l'Àrea de Suport i Assessorament a l'Activitat Docent de la Universitat de Lleida.

  • Any
    2018