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desarrollo de experiencias didácticas
Experiencia didáctica en una carrera de
Ingeniería Electrónica. Actualización
de los contenidos del área digital.
por R. Corti1, R. Martínez1, E. D´Agostino2 y E. Giandoménico1
Resumen
En este artículo se describe una experiencia didáctica basada en las modificaciones
que se implementaron a partir de 2001, en el área digital de la carrera de Ing.
Electrónica de la Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura de la
Universidad Nacional de Rosario (FCEIA/UNR). Los cambios consistieron en la
introducción de contenidos relacionados con dispositivos programables en campo
(FPGA) y lenguajes de descripción de hardware (HDL). Se explica porqué surgió la
necesidad de realizar estas modificaciones, la metodología utilizada para
implementarlas y la evaluación que se realizó de las mismas. Finalmente se exponen
las conclusiones alcanzadas y los planes a futuro, encaminados al mejoramiento de
la enseñanza en el área.
Abstract
A didactic experience based on modifications introduced since 2001 in the Digital
Area of the Electronic Engineer career in the Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura of the Universidad Nacional de Rosario (FCEIA / UNR) is shown
in this paper. The main changes were based in the introduction of themes related
with Field Programmable Gated Arrays (FPGA) and Hardware Description Languages
(HDL). The reasons to need the modifications, the implementation methodology
and the evaluation we made are explained here. Finally, the conclusions achieved
and the future plans towards improving the teaching skills in this area are exposed.
1. Introducción
La ingeniería electrónica, al igual que otras disciplinas de fuerte contenido tecnológico, produce avances acelerados en la incorporación de novedosas tecnologías, que a su vez, son motoras de otras. Esta evolución tanto del
hardware como del software, hace que al mismo tiempo que se incorporan nuevos recursos técnicos se desechen
anteriores. De esta manera, el ciclo de vida útil de algunos instrumentos puede ser muy corto (3-5 años), por lo que
se hace necesaria la revisión y actualización constante de los contenidos a abordar en las carreras relacionadas.
Los autores son docentes de la carrera Ingeniería Electrónica
de la Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura
de la Universidad Nacional de Rosario.
Dirección de contacto: [email protected]
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En el año 1996 se reformuló el plan de la carrera de Ingeniería Electrónica de la
Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura de la Universidad Nacional de
Rosario (FCEIA/UNR). En ese momento, se estableció una duración teórica de la carrera
de 5 años, con materias semestrales, cuyas currículas fueron redefinidas con el fin de
actualizarlas y adecuarlas (Electrónica, 2005). La preocupación, siempre presente en el
colectivo de la planta docente, de seleccionar los contenidos del programa de estudio
más significativos y definir la metodología de enseñanza más apropiada, encontró eco
en la nueva iniciativa, con la definición de áreas temáticas en la carrera. Las áreas
curriculares permiten una coordinación vertical de las unidades conceptuales a abordar
y constituyen un ámbito muy adecuado para el encuentro de los docentes y la discusión
de las problemáticas específicas de cada una (Lafourcade, 1996).
En el nuevo plan de estudios, el área digital quedó constituida por tres asignaturas de carácter obligatorio, Digital I, Digital II y Digital III, correlativas entre sí,
ubicadas en semestres consecutivos (del 5º al 7º). A partir del primer dictado de las
nuevas currículas en 1998/1999, comenzaron a realizarse reuniones periódicas de
docentes del área, a las que se invitaba además, de acuerdo con la problemática a
tratar, a docentes de asignaturas relacionadas. En estas reuniones se identificaron
debilidades, y se adoptaron soluciones consensuadas, que comenzaron a
implementarse a partir del año 2001.
En este artículo analizaremos las modificaciones implementadas en el área digital
de la siguiente manera: en 2) plantearemos la situación general del área, las debilidades encontradas, y las soluciones propuestas. En 3) analizaremos la primera etapa
de modificaciones implementada a partir de 2001, detallaremos la evaluación que se
realizó de la misma, y de qué forma influyó en el curso de acción proyectado. En 4)
describiremos la segunda etapa de modificaciones implementada a partir de 2005, y
analizaremos la evaluación realizada. Finalmente, en 5) y 6) comentaremos las conclusiones generales obtenidas a partir de la experiencia realizada y los planes a
futuro que de ellas se desprenden.
2. Situación del área y debilidades identificadas
A partir de la reformulación de la carrera de Ingeniería electrónica, las asignaturas del área digital cubrían los temas a abordar de la siguiente forma:
Digital I: Álgebra de Boole, sistemas combinacionales y secuenciales. Algunos
dispositivos de lógica programable (PAL, PLA y PROM). Modelización de sistemas secuenciales con Redes de Petri. Controladores Lógicos Programables (PLC)
(Digital I, 2001).
Digital II: Constituida por dos grandes bloques conceptuales (Digital II,2001):
1. Diseño de sistemas digitales partiendo de unidades funcionales integradas.
Método constructivo.
2. Arquitectura básica de microprocesadores ejemplificada a través del dispositivo 80186 (Intel) y programación asociada (lenguaje assembler).
Digital III: Su currícula se basa en aplicaciones orientadas a control, basadas en
procesadores con sus interfases (Digital III, 2005).
En las reuniones de área, se realizó un análisis de sus contenidos a partir del cuál
quedaron en evidencia dos debilidades:
a) Lógica programable (LP): Los dispositivos de LP, en sus distintas tecnologías y posibilidades, habían cobrado una relevancia creciente en el área digital a
nivel mundial. Era (y es) un hecho, que la tecnología de fabricación de circuitos
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integrados se orientaba hacia la muy alta escala de integración y la programación de hardware, mediante los nuevos dispositivos LP. En particular, eran especialmente interesantes los Arreglos de Puertas Programables en Campo (FPGA).
Sin embargo, este tema sólo se trataba brevemente en Digital I, y sus contenidos
versaban sobre dispositivos LP elementales.
b) Lenguajes de descripción de Hardware (HDL): El crecimiento espectacular
en los niveles de integración, posibilitó la implementación de sistemas electrónicos cada vez más complejos, muchos de ellos alocados en un solo chip. Esto
hizo necesaria una revisión y actualización de las metodologías de diseño disponibles, que se orientaron hacia los HDL y las herramientas de Automatización
del Diseño Electrónico (EDA), que los soportan. Ninguna de las materias del
área trataba estos temas.
La opinión de los docentes se veía reforzada por los informes de ACM
(Association for Computing Machinery), e IEEE (Institute of Electrical and Electronics
Engineers) referidos a diseños curriculares relacionados con las TIC (Tecnologías
de la Información y Comunicaciones), que recomiendan la introducción de nuevos
contenidos que contemplen los dos aspectos antes mencionados (ACM, 2005)
(IEEE, 2004) (McGettrick et al., 2003).
Por otra parte, la asignatura Digital II tenía una importante dificultad: El trabajo
práctico de simulación de un diseño con bloques MSI (mediana escala de integración), ligado al primer módulo temático de la materia, se implementaba con un software desarrollado por la cátedra bastantes años antes. Este software había resultado de gran utilidad en su momento, pero con el paso del tiempo había quedado
desactualizado, y no lograba estar a la altura de las herramientas de soporte al
diseño de uso habitual.
Como consecuencia se elaboró un plan de modificaciones que incluía las siguientes etapas:
1º Etapa: Incorporación en Digital II de un capítulo referido a dispositivos FPGA.
Se disponía de una herramienta EDA3 de libre distribución, para diseño y simulación orientada a estos dispositivos, aportada por docentes que habían realizado un curso de especialización, dictado por la empresa Xilinx en el Instituto
Tecnológico de Monterrey de México, en 1999. A partir de este evento, nuestra
Facultad ingresó al Programa Universitario de la empresa referida4, lo que permitió gestionar posteriormente la donación de otros recursos. El ambiente de desarrollo incluía el flujo de diseño por esquemáticos, que permitía llevar a cabo los
prácticos de aplicación del método constructivo con bloques MSI. De esta
forma los temas de diseño con bloques funcionales y dispositivos FPGA quedaron íntimamente relacionados en la nueva currícula. Esta propuesta resultaba
muy conveniente pues, por un lado comenzaba a salvar las deficiencias temáticas del área, y por otro, intentaba solucionar las dificultades de Digital II referidas a la implementación del práctico de simulación, antes mencionadas.
2º Etapa: Incorporación al área de una asignatura optativa, enfocada a la metodología de diseño basada en HDL, con un marcado sesgo tecnológico y práctico, orientado a la implementación de diseños en laboratorio. Esto requería ampliar los recursos disponibles en laboratorio del área, fundamentalmente respecto a la disponibilidad de placas de desarrollo que permitieran de manera efectiva,
la realización de las prácticas previstas.
En paralelo con estos cambios se estableció la necesidad de capacitación de los
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docentes en los nuevos temas. Por lo tanto se decidió poner en marcha la realización de seminarios internos y fomentar la participación de los docentes en
cursos de formación.
3. Implementación y evaluación de la 1º Etapa en la asignatura Digital II
Para implementar la primera etapa propuesta, se realizaron las siguientes tareas:
a) Revisión de contenidos temáticos: Había cierta superposición de temas con
materias anteriores, debida a los cambios recientes en el plan de la carrera. Se
deseaba evitar un crecimiento excesivo de contenidos, y lograr el tiempo suficiente para los nuevos tópicos a incluir.
b) Definición del alcance y profundidad de los temas a incluir en el programa:
Se buscaba que el conjunto de nuevos conocimientos, fuera coherente y se
pudiera establecer una relación clara con otros temas relacionados ya existentes
en la asignatura.
c) Elaboración de material didáctico: Para apoyar el trabajo de alumnos y docentes.
3.1. Revisión de contenidos temáticos
Se realizaron reuniones con docentes de asignaturas previas y se analizó el
material bibliográfico que disponían. Se llegó a la conclusión de que parte del primer
capítulo del programa de Digital II, sobre representación de datos, quedaba cubierto
por otras asignaturas de la carrera. Por lo tanto, se redujo el tiempo dedicado a ese
tema, refiriendo a los alumnos a la bibliografía y las clases de consulta, en caso de
resultar necesario. De esta forma se logró liberar clases y se estimó que era posible
incorporar los nuevos temas propuestos si se definía correctamente su alcance.
3.2. Definición del alcance y profundidad de los temas a incluir en el
programa
Para llegar a una correcta definición, se realizaron una serie de tareas previas:
•
•
•
Revisión bibliográfica.
Análisis de currículas de asignaturas del área digital de otras universidades.
Discusión con docentes que habían realizado cursos de capacitación en el tema.
A partir de estas tareas y conociendo el tiempo disponible, se establecieron los
contenidos que se incluyeron como un nuevo capítulo del programa analítico de la
asignatura (Digital II, 2001). Además, por el sesgo tecnológico de la materia, se
decidió trabajar sobre una familia concreta de dispositivos FPGA5, y desarrollar el
tema tratando de lograr una íntima relación entre la teoría y la práctica con un
importante peso del trabajo en laboratorio basado en las facilidades de simulación
del ambiente EDA.
3.3. Desarrollo de material didáctico
Considerando la bibliografía analizada, y pensando en facilitar la tarea de alumnos y docentes se desarrolló el siguiente material didáctico (Digital II, 2001):
•
•
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Una presentación gráfica: Se desarrolló con el fin de exponer las distintas
tecnologías y arquitecturas de los dispositivos programables en campo. Esto
permitía presentar los puntos esenciales del tema de forma más clara y rápida.
Un tutorial sobre el manejo del ambiente de diseño: La modalidad de tutorial
se basó en ejemplos de complejidad creciente completamente desarrollados
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•
y con pantallas ilustrativas. Se evaluó que era una forma muy adecuada de
encarar el trabajo con el ambiente EDA, porque estimulaba al alumno a resolver problemas por sí mismo y a interiorizarse del uso de una herramienta de
software que se esperaba seguir utilizando en asignaturas posteriores.
Problemas de laboratorio: Se elaboró una plancha de problemas teniendo
en cuenta los objetivos cognitivos de la materia. Para la realización de los
trabajos prácticos se estableció una metodología de trabajo basada en grupos de 2 o 3 alumnos. Se proyectó que cada grupo encarara un problema de
diseño y propusiera una solución para corregir y mejorar con apoyo de los
docentes en consulta. Finalmente el grupo debía defender el diseño logrado,
y presentar un informe con los resultados obtenidos.
3.4. Evaluación de los cambios introducidos
Si bien la evaluación de los docentes que tuvieron a su cargo las clases sobre
los nuevos temas fue satisfactoria, era necesario medir el impacto de los cambios
sobre el alumnado. Con este fin, se diseñó una encuesta muy breve de carácter
anónimo, y se solicitó a los alumnos que la completaran.
3.4.1. Definición de la población
La población sobre la que se realizó la encuesta, abarcó a los alumnos que
cursaron la asignatura en el 2º semestre de 2001 y que habían cumplido todas las
instancias de los nuevos temas:
•
•
Realización y evaluación del nuevo trabajo práctico.
Primer parcial de promoción que incluye los temas de la encuesta.
La población censada resultó de 53 alumnos, inferior a la cantidad de alumnos
inscriptos a la asignatura (aproximadamente 120). La diferencia se basa en la disminución de alumnos cursantes luego de las evaluaciones.
3.4.2. Formulario de encuesta utilizado
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Implementación práctica de los diseños: En 2001 no había ninguna posibilidad
de dar respuesta a este reclamo. Recién a fines de 2003 y durante 2004 se recibieron placas de uso académico para el laboratorio. En 2004 y 2005 se realizaron
demostraciones de la implementación de algún ejemplo, basadas en las placas
recibidas en donación.
Es importante destacar que estos reclamos de los alumnos reforzaron la iniciativa de comenzar con una asignatura optativa de fuerte contenido tecnológico y
práctico orientada al trabajo en laboratorio. La misma inició en 2005, y la experiencia
realizada se resume en la sección siguiente.
4. Implementación y evaluación de la 2º Etapa con la incorporación
de una materia optativa
Entre los años 2003 y 2004 se llega a disponer de 8 placas de desarrollo donadas
por el Xilinx University Program del que participaba FCEIA. Este hecho, permitió la
implementación de Laboratorio de Diseño Digital (LDD) como materia electiva a
partir del año 2005. En el primer año de dictado, se inscribieron 12 alumnos y en el
segundo año los inscriptos fueron 24.
La asignatura electiva LDD se ubica en el 10º cuatrimestre de la carrera. En ella se
desarrollan a nivel práctico los conocimientos adquiridos en las asignaturas troncales
de las áreas Digital y Circuital. La materia, de un fuerte perfil tecnológico, se desarrolla alrededor de diversas prácticas en las que el alumno tiene la ocasión de enfrentarse con el diseño de un sistema digital de complejidad media-alta con dispositivos
lógicos programables en campo y la utilización de herramientas EDA para diseño de
alto nivel, abordando cada una de las fases de la metodología de diseño y las
técnicas específicas de diseño asistido por computadora (CAD).
4.1. Definición de la currícula
Para encarar esta tarea se revisó material bibliográfico, se consultó sobre currículas
de asignaturas del área digital de otras universidades, y se pidió asesoramiento a
docentes con experiencia en diseño curricular. Los puntos centrales del diseño
logrado son (LDD, 2005):
Objetivos: Que el alumno incorpore conocimientos conceptuales, metodológicos
y actitudinales en el diseño de sistemas digitales utilizando dispositivos lógicos
programables, desarrolle juicio crítico y flexible y adquiera capacidad y destreza
para el análisis y solución de la problemática planteada en el diseño. También se
espera que sea capaz de utilizar la metodología de diseño basada en lenguajes
de descripción de hardware (HDL) y las técnicas actuales del diseño digital
asistido por computadora.
Contenidos conceptuales: El permanente avance tecnológico impone flexibilidad y dinamismo en la estructura curricular de la asignatura a fin de mantener
actualizados los contenidos que se ponen en juego, de tal forma que los que se
enumeran a continuación -que fueron abordados durante el año 2006– están
siendo revisados para el cursado del próximo año. Las principales líneas temáticas tratadas fueron: Introducción a los circuitos integrados de aplicación específica (ASICs) y a los dispositivos lógicos programables en campo (FPGA).
Arquitectura de la familia de FPGA Spartan. Herramientas de desarrollo: ISE
Foundation de Xilinx, Placa de desarrollo académico XSA-50 de XESS. Lenguaje
de descripción de hardware VHDL, estilos de descripción y elementos sintácticos
básicos. Metodología de diseño jerárquico, máquina de estados finita. Simula-
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lidad de implementar físicamente proyectos de distinta naturaleza en las placas de
desarrollo, se propone relacionar la materia LDD con otras asignaturas de los últimos años de la carrera para plantear proyectos conjuntos. Asimismo, estos
emprendimientos podrían constituir la base del proyecto final de carrera7 de los
alumnos que resulten interesados en la propuesta.
7. Notas
1
2
3
4
5
6
7
Docente del área digital de Ingeniería Electrónica (FCEIA/UNR)
Docente del área informática de Ingeniería Electrónica (FCEIA/UNR)
Xilinx Foundation Series v 1.5 (Student Edition).
La participación en este programa también permitió acceder a las aplicaciones profesionales tanto del ambiente de desarrollo Foundation como la versión posterior ISE
Foundation, cuyas licencias no eran de libre distribución y no podían ser entregadas
a los alumnos.
La familia XC4000E, de la empresa Xilinx.
En Ingeniería Electrónica la asistencia a clases no es obligatoria.
El Proyecto Final de Carrera es una asignatura de características integradoras.
7. Bibliografía
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