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Aprendizaje Activo de la Electrónica Reunión de Intercambio de Experiencias en Educación Aprendizaje activo de Electrónica para los alumnos de la clase de Circuitos Integrados. Graciano Dieck Assad José I. Gómez Quiñones M.C. Ing. Ricardo Sotelo Mora Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Monterrey 1 Aprendizaje Activo de Electrónica 2 Abstract Se propone una estrategia para lograr el Aprendizaje Activo de la Electrónica, favoreciendo, el uso de un simulador computacional profesional, como paquete básico de diseño profesional y experimentos rápidos, teóricos para reforzar los principios teóricos de la clase, así como los principios de construcción y operación de circuitos electrónicos. Se diseñaron un conjunto de prácticas y una serie de experimentos rápidos para apoyar el entendimiento de los conceptos teóricos vistos en la sesión presencial. Se discute el método y los resultados que muestra que los estudiantes consideran al Aprendizaje Activo de la Electrónica como un vínculo importante entre teoría y práctica que hace que se muestren más participativos y motivados en el proceso de entendimiento de los conceptos de la electrónica. Palabras Clave Electrónica, Aprendizaje Activo, Simulación de Circuitos Electrónicos. Introducción Desde hace un año se han implementado dos esquemas importantes de aprendizaje activo: simulaciones computacionales usando un paquete profesional de simulación de circuitos electrónicos y experimentos rápidos para reforzar y demostrar los principios teóricos explicados en la sesión presencial. El objetivo de ambos esquemas es buscar que el alumno comprenda los principios teóricos de la clase usando prácticas de simulación computacional y de construcción y operación de los circuitos electrónicos. Esto intenta conectar el estudio de la electrónica con la práctica de la profesión de la ingeniería electrónica [1,2]. Para ello se generaron 5 experimentos rápidos y se desarrollaron 4 prácticas de simulación computacional basadas en Mentor Graphics (MG) y elaboradas también para los cursos previos de Electrónica I y II. Se desarrolló también una encuesta para proporcionar al Aprendizaje Activo de Electrónica 3 instructor una retroalimentación referente a las prácticas y experiencias de los alumnos. A continuación se explican los elementos del aprendizaje activo así como resultados obtenidos. Método Circuitos integrados analógicos (CIA) fue seleccionada para estudiar los efectos del aprendizaje activo en los alumnos ya que es un curso terminal para la secuencia de electrónica analógica y además porque integra las bases para la liga de este tema con los temas de electrónica digital. El curso es tomado por los alumnos de la carrera de IEC (6 sem) [3,4,5]. Para la nueva carrera de ITE, este curso será substituido por el curso de Electrónica Aplicada (6 sem). Además, es posible que algunos alumnos de la carrera ITIC pudieran optar por tomar esta materia como optativa de acentuación. Este curso prepara al alumno para su laboratorio de diseño electrónico. Su tema primordial es el diseño de circuitos usando amplificadores operacionales y otros circuitos integrados analógicos de alta integración. Todo ello para implementar dispositivos de alta función electrónica como filtros activos, convertidores A-D y D-A, Acondicionadores electrónicos, Multiplicadores, Osciladores, Multivibradores y amplificadores de alto rendimiento [3,4,5]. El equipo y material usado para desarrollar las prácticas es el siguiente: 1. Simulaciones usando el paquete de MG [6]. Estaciones de trabajo Sun (Ultra 5 o Sunblade 1500) [7,8] corriendo el paquete MG con: Design Manager para manejo de contenedores de datos y archivos de diseño, Design Architect para capturas esquemáticas de circuitos electrónicos y Accusim II para análisis y diseño de circuitos electrónicos análogos. 2. Experimentos rápidos QE (“Quick Experiments”) para refuerzo experimental. Tablilla prototipo blanca de tiras horizontales y verticales para prototipos de circuitos electrónicos de Aprendizaje Activo de Electrónica 4 16 x 5 cm. Dos baterías de 9 V para proveer voltajes de entre +8 V y -8 V en los circuitos. Cuatro amplificadores operacionales en CI (“Thru hole” de 8 pines) del tipo LM741. Multímetro de bolsillo, resistencias, capacitores, LED´s, potenciómetros y conexiones de diferentes valores y tamaños. El anexo II muestra un diagrama de los elementos usados en los experimentos QE´s. Resultados Se realizó una encuesta entre los alumnos que tomaron el curso durante el semestre de Enero-Mayo del 2005. La encuesta y las tablas de resultados se encuentran al final de este documento en la sección Anexos, los resultados en cuanto a la opinión de los alumnos: 1. La participación de los alumnos es contundente (91.3%), logran comprender mejor los conceptos teóricos sobre amplificadores operacionales (91.3%), conectan la teoría con la práctica (87%), y finalmente casi en forma unánime (87%+13%) sugieren dar seguimiento y continuar con las prácticas del tipo QE para la clase de Circuitos Integrados Analógicos. 2. El refuerzo de los alumnos hacia los conceptos fundamentales del curso se logra en forma significativa a través de las QEs si consideramos que un 95.7% (87+8.7) de los alumnos sienten que ya sea medianamente o mucho se da un refuerzo práctico del material visto en clase. Finalmente se muestra que para más de la mitad del grupo, 52.2%, el primer contacto con circuitos integrados se había dado ya en ocasiones anteriores y no en este curso. También observamos que más del 30% de los alumnos consideran que los experimentos de QE fueron su primer contacto con circuitos integrados lineales. Esto significa que debemos de hacer más actividades prácticas de este tipo en cursos previos. Sobre las actividades de simulación de circuitos electrónicos usando MG, los resultados en cuanto a la opinión de los alumnos: Aprendizaje Activo de Electrónica 5 1. La participación de los alumnos es significativa, 82.6% (65.2+17.4), pero es necesario hacer un esfuerzo adicional para que la gran mayoría de los alumnos realice completamente las prácticas. Aquí podemos decir que la ausencia de participación (17.4%) puede haberse producido debido a que estas prácticas no se inician durante el tiempo de la clase, sino que se encargan como trabajo fuera del salón de clase en un salón de estaciones de trabajo y dedicado para este propósito. 2. El refuerzo y apoyo para la comprensión del material se da significativamente con más del 77% (47.8+30.4 y 56.5+21.75), cosa que contribuye substancialmente a que el alumno vea en el simulador una herramienta de análisis y diseño de circuitos electrónicos para la solución de problemas en la ingeniería. Lo que tenemos que procurar es que ese otro grupo, arriba del 20% (21.8 y 21.75), pueda aprovechar estos ejercicios para lograr avanzar en el uso de técnicas computacionales para predecir el comportamientos de los circuitos electrónicos analizados o diseñados inicialmente con papel y pluma. 3. En cuanto al primer contacto, los resultados muestran una división tanto hacia los que ya han tenido experiencia con un simulador profesional (47.8%) como a los que nunca han tenido esta experiencia (43.5%). Creemos que en este sentido, debemos de promover en forma más intensa el uso de simuladores de circuitos electrónicos en cursos previos a CIA. Sobre el entendimiento en el uso del simulador, si el 52.2% del grupo (más de la mitad) percibe que las 4 prácticas les ayudó a comprender el uso de MG en cuanto a la plataforma de diseño análogo, creemos que el trabajo y seguimiento realizado en el curso ha sido bastante bueno. Tenemos que recordar que el primer contacto de un alumno o ingeniero con un paquete tan complicado como MG suele ser intimidante por algunas complicaciones que se dan en el manejo de los contenedores de datos y otros detalles. De nuevo creemos que si el inicio de Aprendizaje Activo de Electrónica 6 los conceptos como “Falcon Framework” de MG [6] y otros detalles como manejo de archivos en UNIX [7,8] se puede dar en cursos previos, podríamos pensar en que ese 26% de alumnos que no entendieron el uso del simulador, habrían tenido mejores resultados en este curso. 4. Finalmente, la sugerencia de aproximadamente el 70% (69.6%) de los alumnos en continuar con las prácticas de MG [5], nos da la confianza de que la iniciación del aprendizaje activo usando los simuladores de circuitos electrónicos de MG esta más que garantizada. Esto ayudará a que nuestros alumnos tengan bases sólidas en cuanto al uso e interpretación de herramientas profesionales para diseño de circuitos electrónicos. Discusión y Conclusiones El aprendizaje activo de la electrónica produce resultados muy satisfactorios en el curso de Circuitos Integrados Analógicos (CIA) que consolida la secuencia de electrónica analógica [3,4,5] para estudiante de ingeniería electrónica (IEC e ITE) en el ITESM campus Monterrey. Los resultados más alentadores son la participación de los alumnos, la conexión de la teoría con la práctica y la comprensión de los conceptos teóricos de la clase. En todos ellos más del 75% de los alumnos participa, conecta y comprende desde medianamente hasta totalmente usando las prácticas QEs [5] o las que involucran el paquete MG [6]. Ya que hay alumnos no interactuaron ya sea con un simulador o con un circuito integrado antes del 6° semestre, se pretende que muchas de estas actividades de aprendizaje se puedan incorporar en cursos previos como Electrónica, Electrónica I o Electrónica II. Una vez que estas actividades se puedan sembrar en cursos previos, podemos cosechar resultados en CIA a través de prácticas mucho más avanzadas y con circuitos electrónicos más complicados [3]. Aprendizaje Activo de Electrónica 7 Finalmente, creemos necesario que las prácticas ya sea QEs o MGs se inicien en el salón de clase para integrarlas al programa de actividades de la clase e indicar la importancia que estas tienen para la consecución de las metas y objetivos del curso. Es importante aclarar que para la impartición de cursos de electrónica debe existir siempre ese ingrediente teórico-práctico para conectar los conceptos abstractos de los dispositivos electrónicos con la herramienta de simulación para resolver los modelos en forma más precisa y para lograr medir y comparar los dispositivos reales con los cálculos de pluma y papel. Capitalización Se recomienda ampliamente el uso de esta metodología en cursos del área de Electrónica en todos los niveles, de acuerdo a los resultados de las encuestas, los estudiantes se muestran muy motivados a realizar los QEs [5] y a continuar con las prácticas de MGs, además consideran estas dos alternativas como instrumentos que facilitan la comprensión de los temas propios del curso. Un curso de electrónica avanzada con un simulador profesional que cuenta con librerías exhaustivas de dispositivos electrónicos, otorga al alumno la posibilidad de crear sistemas electrónicos de excelente nivel y con desempeños comparables y aplicables al mundo real. Recomendaciones Para lograr buenos resultados en el Aprendizaje Activo de la Electrónica se hacen las siguientes recomendaciones: • Capacitación por parte de los instructores o profesores del área de electrónica en el uso de un simulador computacional. • Realización de un conjunto de experimentos que relacionen los temas del curso, QEs y MGs, donde se engloben los aspectos teóricos, prácticos y de simulación para ser aplicados en el curso que se está impartiendo (tanto los QEs como los Aprendizaje Activo de Electrónica 8 MGs están a disposición de los instructores interesados en implementar esta metodología). Referencias [1] J. Zull, The art of Changing the brain, Editorial Stylus, Sterling Virginia, 2002 [2] B. L. Erickson, D. W. Strommer, Teaching college freshmen, Jossey-Bass. S. Francisco 1991. [3] S. Franco, Design with operacional amplifiers and analog integrated circuits, McGraw Hill, 3rd edition, 2002. [4] P. Allen and D. Holberg, CMOS analog circuit design, Oxford, 2nd. Edition 2002. [5] G. Dieck Assad, Analog Integrated Circuits, Course Blackboard database, Fall 2004 and Spring 2005, ITESM campus Monterrey, 2005. [6] Mentor Graphics Corporation, Tutoriales para el Falcon Framework Environment, Práctica 1: Captura de diseños analógicos, ITESM campus Monterrey, 2001. [7] P. Walter, Manual de administración del sistema Solaris, McGraw Hill, España 2002. [8] P. Walter, Manual de referencia del sistema Solaris 9, McGraw Hill, España 2003. Aprendizaje Activo de Electrónica 9 ANEXO I. Encuesta y tablas de resultados La muestra fue de 23 alumnos quienes contestaron las siguientes preguntas: A. Preguntas relacionadas con actividades experimentales del tipo QE. a. ¿Participaste activamente en las actividades QE? b. ¿Sobre las QEs, te ayudaron a reforzar los conceptos teóricos estudiados en clase? c. ¿Sobre las QEs, te ayudaron a comprender la operación práctica de los dispositivos electrónicos? d. ¿Fueron las actividades QE tu primer contacto con circuitos integrados? e. ¿Crees que las actividades QEs te permiten conectar los conceptos teóricos con la realidad? f. ¿Sugieres continuar con este tipo de actividades en este y otros cursos de electrónica? B. Preguntas relacionadas con actividades de simulación usando Mentor Graphics. a. ¿Participaste activamente en las prácticas de simulación usando MG? b. ¿Sobre MG, te ayudaron las simulaciones en reforzar los conceptos teóricos estudiados en clase? c. ¿Sobre MG, te ayudaron las simulaciones a comprender la operación práctica de los dispositivos electrónicos? d. ¿Fueron las simulaciones con MG tu primer contacto con paquetes profesionales de simulación de circuitos electrónicos? e. ¿Crees que las prácticas de MG te ayudaron a comprender el uso del simulador de circuitos electrónicos? Aprendizaje Activo de Electrónica 10 f. ¿Recomiendas continuar con este tipo de actividades de simulación en este y otros cursos de electrónicos? Las siguientes dos tablas resumen los resultados de las encuestas: Tabla 1: Sobre las actividades experimentales del tipo QE Opinión de alumnos medianamente Mucho o en Poco o nada extremo Participó 91.3% 8.7% 0 Reforzó 87% 8.7% 4.3% Comprendió 91.3% 8.7% 0 Primer contacto 34.8% 13% 52.2% Conectó 87% 13% 0 Sugiere continuar 87% 13% 0 Nota: el tamaño de la muestra es 23 alumnos tomando la clase E-M 2005 Tabla 2: Sobre las actividades de simulación con MG Acción Opinión de alumnos Mucho o en extremo medianamente Poco o nada Acción Participó 65.2% 17.4% 17.4% Reforzó 47.8% 30.4% 21.8% Comprendió 56.5% 21.75% 21.75% Primer contacto 47.8% 8.7% 43.5% Usó de simulador 52.2% 21.7% 26.1% Sugiere continuar 69.6% 30.4% 0 Nota: el tamaño de la muestra es 23 alumnos tomando la clase E-M 2005 Para el curso de CIA se programaron y efectuaron las siguientes prácticas de simulación usando el sistema de Mentor Graphics (MG) y QE (“Quick Experiments”) 1. Introducción a UNIX y Design Manager 2. Captura esquemática usando Design Arquitect. 3. Análisis de frecuencia y transitorio de un filtro activo usando amplificadores operacionales 4. Análisis de un Macromodelo de un amplificador con retroalimentación de corriente (CFA) para determinar la respuesta a la frecuencia de la configuración. Aprendizaje Activo de Electrónica 11 5. QE-01. Aplicaciones elementales de los amplificadores operacionales (“Zero and Span Circuits”) 6. QE-02. Aplicaciones de la retroalimentación negativa (“The Instrumentation Amplifier”) 7. QE-03. Conversión V-I y I-V (“A V-I and I-V floating current loop conversion”) 8. QE-04. Filtros activos y osciladores (“Sallen Key low pass filters and Wein bridge oscillators”) El anexo II del artículo describe una de las prácticas QE que mencionamos arriba. La práctica está en inglés debido a que el grupo de CIA ha sido impartido en inglés desde hace ya dos años. Aprendizaje Activo de Electrónica 12 ANEXO II. Práctica típica del tipo QE E-863: ANALOG INTEGRATED CIRCUITS: QUICK EXPERIMENT SESSIONS QE-01: Elementary Op Amp Applications, date:___________________ Team names:________________,__________________,_______________ NOTE: Results of this experiment must be reported in Discussion Board ZERO AND SPAN CIRCUITS Zero and span circuits are one of the fundamental applications used in electronic instrumentation to normalize signals coming from transducers and sensor devices. The interfacing process from variable sensing devices to the dynamic range voltage of A-D converters require of precise devices that could be calibrated using a zero control pot and a gain control pot. The following quick experiment will help in visualizing this elementary operation. Design, build, calibrate and test a zero and span device to perform the following conversion: V o S Vzero= 0.65 V Vi Use the LM741 chip as shown below. To generate the offset use the 100 K potentiometer with R2/R1 ratio of 1/10 to increase the sensitivity of the zero calibration. For Vi use a DC varying source obtained with the 50 K potentiometer. Finally, use a configuration as follows: Inverting Vol Summing Inverting taje follower 1 LM-741 2 (Vn-) - 3 (Vp+) + [Vee, Negative bias] 4 Figure 1: IC-Pin diagram of the LM-741 Amplifier to 8 7 [positive bias, Vcc] 6 [Output, Vo] 5 Aprendizaje Activo de Electrónica 13 ANEXO II: Plataforma experimental para desarrollo de QE´s Aprendizaje Activo de Electrónica 14 ANEXO III: Práctica QE-04, informe realizado por un alumno de CIA Circuit description: In this quick experiment, we represented a telecommunication system. We used two wein bridge oscillators, one is supposed to be de signal we are sending in our channel, and the other one is the noise added to the signal. So, First of all we designed the wein bridge for 3.2kHz ( channel signal) and 32khz (noise signal). After having the two signals we added both signals with a summing amplifier. In the output of the summing amplifier we discovered that our original signal was distorted, it was because of the addition of the noise signal. In order to recover the original signal we used a Sallen Key Low pass filter with a cut-off frequency of 16kHz, where the noise was eliminated. The process we followed: First we designed the wein bridge oscillator with an approximate frequency of 3.2kHz, as shown in the schematic. The calculations were made using the next equations: f = 1 1 R= 1 = = 497Ω 2πfC (2π )(3.2k )(.1μ ) 2πRC Then we compared the desired frequency with the experimental frequency using an oscilloscope, the obtained value was 2.8kHz. For the second wein bridge oscillator we used the same circuit, the only difference was that we changed the capacitor value by a magnitude of ten. So, the expected value was 32kHz and experimentally we obtained 26kHz. The next step was to add both signals using a summing amplifier, with a desired gain of -1. To accomplish that requirement we let all the resistors to have the same value. In the output using an oscilloscope we saw that the signal of 2.8 kHz was distorted. The output signal is useless unless it is noise free. The solution to this, was to employ a SallenKey Low pass second order filter with a cut-off frequency at 16Khz. Due to the limited resistor and capacitor values, the closest cut-off frequency we obtained was 15.91Hz. Finally, at the output of the filter we discovered our original –noise free– signal. The calculations were made according to: ω0 = 1 1 1 = = 99.4Ω R= 2πfC (2π )(16k )(.1μ ) RC ω0 = 2πf Aprendizaje Activo de Electrónica 15 Circuit Schematic & Simulation: Aprendizaje Activo de Electrónica 16 Aprendizaje Activo de Electrónica 17 Comparative tables: Theoretic: Measurements F1 F2 Fo Hz 3.2k 32k 3.2k Measurements F1 F2 Fo Hz 2.8k 26k 2.75k Measurements F1 F2 Fo Hz 3.143k 31.15k 3.17k Experimental: Simulation: Conclusions: This practice was particularly useful because we could see and test multiples approaches to the operational amplifier. We built two oscillators with different frequency, a summing device and a low pass filter, all using the same operational amplifier. We were able to observe the limits of the operational amplifier when we use it like an osilator, because we saw on the oscilloscope that the signal coming out the oscillator was not perfectly like a sine wave, the output signal was limited by the operational amplifier. I think that in the future the use of operational amplifier would be necessary, so it’s very handy to know the uses and limits of the common operational amplifier. Aprendizaje Activo de Electrónica 18 ANEXO IV: Prácticas usando MG: Informe realizado por un alumno de CIA Electronic engineers are very often facing problems that involve the analysis of a complex circuit. For those specific cases where human analysis is too tedious and time taking, we employ computers. Computers can include a large amount of parameters and produce more accurate results. Some powerful tools employed in circuit analysis are: Design Architect (used to build circuits) and AccuSim (used to simulate those circuits). Both of them are utilizes included in Mentor Graphics–. Mentor Graphics is also known as Falcon Framework and it runs under UNIX. I had to learn the basics of UNIX in order to create and simulate the practice circuit. UNIX and Windows are somehow similar, both of them use windows to separate different tasks, they use similar menu interfaces and also both have a similar directory structures. Moving around this new operating system wasn’t that hard. Once I used Design Architect and AccuSim, I found out that the interfaces are quite similar to other simulation environments (Pspice, Workbench, Multisim). The biggest difference and great advantage that Mentor Graphics has over other simulators is the large amount of libraries (components) and the variety of analysis that it can perform (DC, AC, transient, frequency analyses). Practice #1 required to build a circuit using Design architect, building the circuit wasn’t very difficult, the components were found easily. The figure below shows the screen: Aprendizaje Activo de Electrónica 19 Up to this point the simulation wasn’t required, I practiced by placing diverse components, and changing its attributes (Resistors values and Tags). Practice #2 required more work; first of all I had to capture a more complex circuit, afterward I had to accomplish several analyses, such as: Frequency response, and time response. Also I changed the model components and made topological changes to the circuit. The next figure shows the Frequency response analysis. At this point, I employed a useful feature included in most simulators: A cursor which shows the values for Voltage magnitude and Phase magnitude at the corresponding frequency value. Finally, I can conclude that these practices were very instructive; I learned the basics of an operating system which I had never used before. Also I got familiarized with a very powerful Design and Simulation program that hopefully in the future will facilitate any system analysis.