Sensores de bajo coste en el laboratorio de Física
Sensores, sensores, sensores...
Vivimos rodeados de sensores. Puertas que se abren automáticamente ante nosotros. Farolas que se encienden cuando hay poca luz. Pantallas táctiles que responden a los movimientos de nuestros dedos. Estaciones que nos informan de la calidad del aire que respiramos. Coches que realizan multitud de tareas de forma automática…
Todos estos ejemplos funcionan básicamente de la misma manera: un sensor detecta los valores de una propiedad del mundo físico (movimiento, luz, temperatura, concentración de un gas…) y los transforma en señales eléctricas, que son enviadas a un microcontrolador. El microcontrolador procesa estas señales y manda a los dispositivos de salida —los actuadores— las órdenes pertinentes para que actúen de la manera programada. Este ciclo sensor-microcontrolador-actuador se repite una y otra vez, de manera que la respuesta obtenida se adapta siempre al estímulo recibido por el sensor.
Un microcontrolador no es otra cosa que un ordenador en miniatura que ejecuta el programa que tiene cargado en memoria. Para comunicarse con el exterior disponen de pines de entrada, que se conectan a los sensores para detectar el mundo físico, y pines de salida, que se conectan a los actuadores para obtener el resultado programado. Normalmente los microcontroladores utilizados en aplicaciones didácticas están montados en una placa controladora que incluye otros componentes, como los circuitos de alimentación, comunicación o protección. Como ejemplo de placa controladora está la placa Arduino (https://www.arduino.cc/):
Sensores de bajo coste en la clase de Física
Gracias a placas controladoras como Arduino, el uso y la programación de sensores es sencillo y económicamente asequible, lo cual, unido a la gran variedad de sensores disponibles, hace sumamente atractiva su utilización en contextos educativos. En esta actividad proponemos aprovechar los beneficios didácticos que ofrece el uso de sensores junto con la placa Arduino en la clase de Física de ESO y Bachillerato.
En primer lugar proponemos el uso de los sensores como una herramienta muy versátil con la que el profesor puede ilustrar conceptos físicos o mostrar relaciones entre magnitudes de manera práctica, y con la que los alumnos pueden tomar medidas en la realización de actividades prácticas. Los alumnos entran así en contacto con esta tecnología y, en muchos casos, descubren qué se esconde detrás de los sensores que utilizan a diario.
Pero su uso educativo no se debe limitar a su mera utilización como aparato de medida. Si queremos que nuestros alumnos sean tecnológicamente competentes, debemos fomentar que sean creadores, y no únicamente consumidores, de tecnología. Un paso hacia la consecución de este objetivo es hacer que ellos mismos diseñen y monten los circuitos de conexión del sensor y programen el comportamiento del microcontrolador. Con ello también se intenta añadir un factor motivador en el alumnado: son los propios alumnos los que han “fabricado” los aparatos de medida, y esto les hace implicarse más en su uso y en el análisis de los resultados obtenidos.
Niveles de implementación
Atendiendo a la gran diversidad de realidades en las aulas (disponibilidad de material y tiempo, posibilidad de cooperación con otras asignaturas y profesores, conocimientos previos del profesorado y del alumnado, etc.), las actividades propuestas pueden alcanzar distintos niveles de implementación:
Implementación | Descripción |
Nivel 1: Preparación | El profesor monta los circuitos y programa los sensores, y muestra a los alumnos su funcionamiento. Los alumnos utilizan los sensores para tomar datos en las actividades de laboratorio y hacen modificaciones menores en los programas o los circuitos para adaptarlos a las necesidades específicas de cada proyecto. |
Nivel 2: Principiante | Los alumnos montan circuitos sencillos en la placa de pruebas y escriben programas básicos de lectura de los sensores. La presentación de los resultados se hace a través de un ordenador conectado a la placa Arduino |
Nivel 3: Avanzado | Los alumnos añaden funcionalidades al proyecto: los valores brutos medidos por el sensor se transforman en otras magnitudes más significativas, y se añaden elementos y dispositivos de salida que permitan utilizar el sensor de manera autónoma, sin necesidad de tenerlo conectado a un ordenador. |
Nivel 4: Maker | Los alumnos hacen el montaje definitivo del circuito en una placa perforada y le añaden una cubierta impresa en 3D. |
Objetivos de aprendizaje
Además de los objetivos curriculares correspondientes a la asignatura de Física, con esta actividad se pretende que los alumnos alcancen los siguientes objetivos de aprendizaje:
Aplicar la tecnología a las prácticas de laboratorio de Física.
Diseñar y producir objetos tecnológicos adaptados a unas necesidades específicas.
Planificar el trabajo de manera organizada y eficiente.
Analizar críticamente el trabajo realizado para introducir mejoras.
Seleccionar fuentes de información fiables en internet.
Identificar y resolver problemas.
Así mismo, para cada uno de los niveles de implementación se pueden definir los siguientes objetivos específicos:
NIVEL 1. Preparación
Explicar qué son los sensores y para qué se utilizan.
Describir el funcionamiento básico del ciclo sensor-microcontrolador-actuador.
Interpretar un esquema eléctrico sencillo.
Identificar los elementos de un circuito electrónico sencillo.
Describir la estructura interna de la placa de pruebas.
Reconocer la estructura básica de un programa en Arduino.
Identificar las instrucciones que leen los valores de un sensor.
Identificar las instrucciones de salida de los valores de un sensor.
Modificar un programa en el IDE de Arduino.
Subir un programa a la placa Arduino.
Acceder al monitor serie en el IDE de Arduino.
NIVEL 2. Principiante
Diseñar circuitos electrónicos sencillos.
Montar circuitos sencillos en la placa de pruebas.
Identificar errores en el montaje de un circuito (circuito abierto, cortocircuito) y solucionarlos.
Obtener información de las hojas de datos de los sensores.
Escribir programas básicos de lectura de los datos brutos medidos por el sensor.
Presentar en el monitor serie los valores medidos.
NIVEL 3. Avanzado
Identificar y utilizar componentes electrónicos comunes: resistencias, fuentes de alimentación, leds, zumbadores, potenciómetros, pulsadores...
Montar circuitos electrónicos con varios elementos.
Leer el valor de una resistencia mediante su código de colores.
Aplicar la ley de Ohm para relacionar voltaje, resistencia e intensidad.
Usar el polímetro para medir magnitudes eléctricas.
Instalar bibliotecas en el IDE de Arduino.
Transformar los valores brutos medidos por el sensor a las unidades adecuadas a la magnitud que se está midiendo.
Presentar los resultados en dispositivos de salida como pantallas LCD o 7-segments.
Acompañar los valores obtenidos de señales acústicas (zumbador) o luminosas (leds).
Conectar la placa a una fuente de alimentación que permitan utilizar el sensor de manera independiente del ordenador.
NIVEL 4. Maker
Trasladar el circuito de la placa de pruebas a una placa perforada.
Soldar componentes electrónicos en una placa perforada.
Diseñar e imprimir en 3D una carcasa o cubierta para el sensor.
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