Modelación computacional en las ciencias y las ingenierías como apoyo en el proceso enseñanza-aprendizaje

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Título :	Modelación computacional en las ciencias y las ingenierías como apoyo en el proceso enseñanza-aprendizaje
Autor :	DE LA CRUZ SALAS, LUIS MIGUEL
Fecha de publicación :	2019
Resumen :	Una de las industrias más importantes de nuestros país y del mundo, la energética, se vale del uso de modelado matemático, numérico y computacional para abatir costos de producción y mejorar cuestiones ambientales que son importantes en el entorno en el que se desarrolla. Aún cuando la historia en el uso del cómputo científico lleva alrededor de tres décadas en nuestro país, el software que suele utilizarse en las industrias y en la academia para realizar simulaciones numéricas, es comercial y proviene de otras latitudes. Esto nos impone ciertas barreras en términos de desarrollo científico y tecnológico. Particularmente, no es sencillo acceder a dicho software comercial y el uso del mismo es complicado, por lo que a veces se usa como caja negra. El problema mayor es que no se tenga personal altamente capacitado para realizar las simulaciones requeridas por la industria, y más aún que no exista forma de tener desarrollos nacionales que compitan con el software extranjero. En este proyecto se intenta reducir este problema desde la raíz, es decir incidir en la enseñanza y aprendizaje a nivel superior, para que los alumnos de ciencias e ingenierías obtengan las competencias necesarias para usar y generar tecnología de punta, que pueda ser usada para optimizar procesos de nuestra industria, particularmente de la energética. Nuestro propósito específico es desarrollar herramientas computacionales interactivas que permitan a los profesores de las diferentes carreras y materias, explicar con nuevas estrategias y el uso de tecnologías de actualidad, conceptos que son muy importantes en simulaciones numéricas, de tal manera que eso impacte positivamente en la cadena de valor de la generación de energía (petrolera, geotérmica, solar, etcétera).
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5923
metadata.dc.contributor.responsible:	DE LA CRUZ SALAS, LUIS MIGUEL
metadata.dc.coverage.temporal:	2019-2021
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura
metadata.dc.description.objective:	1. Construir las versiones beta y RC (Release Candidate) de los módulos de software que hayan sido validados usando patrones de diseño y programación orientada a objetos en el lenguaje Python 3+. Al mismo tiempo, actualizar la documentación de cada objeto interactivo usando Docstring en Python. 2. Actualizar las correspondientes Notebooks en el sistema Jupyter, de los objetos y módulos antes mencionados, mostrando la funcionalidad de cada uno de ellos. 3. Actualizar el sitio web interactivo describiendo las nuevas funcionalidades de los objetos interactivos, de los módulos y de las simulaciones numéricas que se pueden realizar con nuestras herramientas. 4. Construir la versión beta y RC (Release Candidate) de las simulaciones numéricas combinando los objetos interactivos. 5. Actualizar la aplicación interactiva en Unity y realizar más videos cortos para mostrar los resultados de las simulaciones numéricas. 6. Actualizar la documentación de nuestras herramientas: metadatos, manuales técnicos, tutoriales, reportes técnicos, etcétera. 7. Liberar los productos a público general y promoverlos en más entidades académicas para obtener retroalimentación y captar posibles errores de diseño. Esto se hará a través de la RUA de la UNAM y de un sitio en el Instituto de Geofísica. 8. Realizar un taller para presentar nuestros productos a profesores de áreas afines. 9. Realizar un segundo coloquio con todos los participantes para presentar los últimos resultados y discutir el futuro del proyecto. 1. Definir un conjunto de materias de los planes de estudio y temas iniciales, con base en los siguientes problemas en los que se aplica la simulación numérica: 1.1 Seguimiento de partículas dentro de un flujo. 1.2 Transferencia de calor por conducción, convección y radiación. 1.3 Solución de la ecuación de onda. 1.4 Flujo de un contaminante en un acuífero. 1.5 Recuperación primaria y secundaria de hidrocarburos. 2. Describir las simulaciones antes mencionadas usando los cuatro modelos de nuestra metodología: conceptual, matemático, numérico y computacional. 3. Determinar los elementos que sean comunes a cada una de las simulaciones numéricas iniciales. 4. Definir objetos interactivos con base en los elementos comunes. La definición de un objeto interactivo se da más adelante. 5.Construir objetos interactivos tomando en cuenta: 5.1 Análisis de funcionalidad. 5.2 Facilidad de uso. 5.3 Elementos pedagógicos y filosóficos. 5.4 Diseño atractivo. 5.5 Compatibilidad y portabilidad. 6. Construir las simulaciones numéricas de los problemas mencionados anteriormente, usando los objetos interactivos, mostrando la versatilidad de éstos últimos. 7. Validar las materias, temas y objetos interactivos iniciales, mediante pruebas piloto en algunos cursos en los que los profesores hagan uso de los productos generados. Estas pruebas se complementarán con entrevistas personales a los profesores y a sus alumnos con el objeto de entender mejor los problemas a los que se enfrentan y descubrir otros temas que puedan ser de interés. De igual manera, estas pruebas nos permitirán generar las métricas correspondientes para la evaluación posterior de nuestras herramientas. 8. Poner en práctica los productos generados en cursos de las diferentes carreras de ingeniería y de ciencias. 9. Hacer una evaluación final del uso y efectividad de los objetos puestos en práctica. 10. Realizar un reporte final.
metadata.dc.description.hypothesis:	Para que nuestro país tome ventaja de los últimos avances en ciencia y tecnología, se requiere de personal especializado y capacitado en esos temas. Es con este personal altamente entrenado con el que se puede innovar y mejorar el entorno en que vivimos. Creemos que aquellos estudiantes de carreras tecnológicas tienen la necesidad de fortalecer conceptos matemáticos y de ciencias, mientras que los estudiantes de carreras científicas, requieren mejorar sus aptitudes en algunas tecnologías emergentes. Este fortalecimiento permitirá a alumnos egresados tener las competencias necesarias para participar en proyectos donde el modelado matemático, numérico y computacional es importante. Adicionalmente, les permitirá tener confianza en su preparación y transitar suavemente de la vida escolar a la vida laboral. Creemos que la presentación de los temas, en donde se requiere dicho fortalecimiento, se pueden introducir más fácilmente si se plantean como componentes necesarias para resolver problemas reales. Por ello se plantea la construcción de herramientas interactivas que presenten de manera aislada temas que son complicados. Pensamos también que los profesores de asignatura pueden beneficiarse con estas herramientas, incrementando la participación de los estudiantes durante las clases y mediante el trabajo con las mismas. Se puede evaluar el aprendizaje mediante la definición de métricas que proporcionen información de las capacidades de los alumnos cuando se enfrentan a la solución de un problema real. Por lo tanto, construiremos ejemplos de soluciones numéricas completas a problemas complejos, particularmente de la industria petrolera, geotérmica y solar con las cuales el alumno se puede entrenar. Dado que la simulación numérica se puede aplicar en muchas otras áreas del conocimiento, haremos una exploración en otros temas científicos que puedan ser beneficiados con los productos que se desarrollen en este proyecto.
metadata.dc.description.strategies:	Entre otras herramientas, se plantea la construcción de objetos interactivos para facilitar el proceso de enseñanza-aprendizaje, y que los alumnos los usen y trabajen con ellos para construir escenarios de aprendizaje significativos. En nuestra definición, un objeto interactivo será un extracto de software funcional, escrito en Python 3+, con entradas y salidas bien definidas, y que en un contexto educativo bien delimitado (un tema específico de una materia), pueda ser utilizado con una finalidad de enseñanza y para facilitar el desarrollo de las actividades formativas. Para definir los objetos interactivos a desarrollar seguiremos las siguientes metodologías: 1. Metodología científica. En el caso de las simulaciones numéricas nuestra metodología consta de cuatro modelos: 1.1 El modelo conceptual: dado un problema científico, se realizan ciertas hipótesis sobre el mismo y se aplican las leyes correspondientes (físicas, químicas, biológicas, etc.) que rigen los fenómenos involucrados; estas hipótesis ayudan a delimitar el problema que se estudiará. 1.2 El modelo matemático: con el problema bien definido, se generan ecuaciones matemáticas que describen el fenómeno bajo estudio, tomando en cuenta todas las hipótesis y limitaciones. La solución de estas ecuaciones permite generar escenarios de comportamiento del fenómeno y hasta cierto punto realizar algunas predicciones. 1.3 El modelo numérico: muchos modelos matemáticos, aún los más idealizados, no son fáciles de resolver de manera analítica, por lo que se recurre a métodos numéricos para obtener soluciones aproximadas. Por ejemplo, diferencias finitas o volúmenes finitos. Estos modelos numéricos transforman las ecuaciones matemáticas iniciales, en otro conjunto de ecuaciones que es más fácil de tratar y resolver. 1.4 El modelo computacional: aún cuando el modelo numérico genera ecuaciones más sencillas, el número de cálculos para obtener una precisión aceptable para que los fenómenos bajo estudio se encuentren bien representados, es muy grande. Por lo tanto, se deben diseñar algoritmos especializados para implementar las soluciones numéricas y obtener las aproximaciones deseadas en tiempos razonables. Adicionalmente, esta implementación requiere de un análisis y diseño bien estructurado y que aproveche de manera óptima las tecnologías actuales. El proceso de una simulación numérica consiste en realizar, secuencialmente, cada uno de estos modelos, por lo que permite separar con claridad las contribuciones de cada área del conocimiento y de sus especialistas. Así, es posible entender conceptos complejos de manera aislada en un contexto educativo específico y vislumbrar su aplicación en la solución de un problema completo. De igual manera, con esta separación y sus intersecciones, se puede entender la importancia del trabajo en un equipo multidisciplinario. Finalmente, también es fácil detectar posibles errores en alguno de los modelos durante la generación de una simulación numérica. Con base en esta metodología se plantea la construcción de los objetos interactivos, los cuales permitirán explicar temas complicados de cada uno de los modelos antes descritos. Mediante la interacción de un conjunto de estos objetos se podrán construir las simulaciones mencionadas en los objetivos, de tal manera que el alumno tendrá la oportunidad de trabajar y aprender de ellas. 2. Metodología de desarrollo. Nuestras herramientas, serán desarrolladas y presentadas en diferentes formatos, en una forma visual atractiva y con recomendaciones hacia los profesores para que sean usadas en momentos clave de la instrucción. Además, serán diseñados tomando en cuenta el público al que van dirigidos, aplicando fundamentos psicológicos, pedagógicos y comunicacionales, siempre con el apoyo de especialistas (pedagogos, diseñadores y comunicadores). Las tecnologías que se tienen contempladas para el desarrollo son: Lenguaje de programación Python versión 3+, FEniCS, SOFA, CUDA, Jupyter, Spyder, Adobe Illustrator, Adobe After Effects, Adobe Premiere Pro, webGL, Unity, Blender, HTML5, Paraview, drupal. A excepción de la suite de Adobe, todas las tecnologías mencionadas son de acceso abierto. 3. Metodología de descubrimiento y validación. Para determinar y validar las herramientas computacionales interactivas que se construirán, se aplicará la metodología conocida como Lean Canvas, la cual es usada por emprendedores para encontrar oportunidades de negocio y generar propuestas de valor. Es una metodología que permite realizar descubrimientos y desarrollar usuarios de un producto, antes de construirlo. Se enfoca en identificar problemas que aquejan a un segmento de clientes/usuarios, proponer soluciones, realizar validaciones definiendo métricas con las cuales se pueden mostrar ventajas competitivas de las soluciones propuestas. Esta metodología es de fácil aplicación y ha sido muy efectiva en los últimos años para generar emprendimientos exitosos. Generar herramientas computacionales interactivas, portables, fáciles de entender y usar tanto para el profesorado como para el alumno, para fortalecer el aprendizaje en temas de ciencia y tecnología. Estas herramientas se podrán usar de manera aislada por profesores de distintas materias para explicar temas que generalmente son complicados. También, será posible usarlas de manera conjunta para mostrar aplicaciones en donde se usa la simulación numérica. Las herramientas interactivas consistirán principalmente de: 1) módulos de software escritos en el lenguaje Python 3+, desarrollados usando patrones de diseño y orientación a objetos; 2) presentaciones interactivas para explicar los conceptos usados en el desarrollo de los módulos; 3) sitios web interactivos, basados en Python, HTML5 y webGL, que describan la solución de problemas reales usando simulaciones numéricas y en donde el alumno pueda experimentar; 4) aplicaciones interactivas, creadas en Unity, y videos cortos que muestren casos particulares de alguna simulación numérica. Todos estos productos estarán acompañados de la documentación correspondiente, como: metadatos de cada herramienta, manuales de uso, tutoriales y repositorios de código. En el caso particular de los objetos descritos en los incisos 2, 3 y 4 se hará un diseño que sea atractivo y confiable para alumnos y profesores.
metadata.dc.description.goals:	Durante el transcurso de este proyecto realizamos entrevistas y encuestas a estudiantes y profesores de las Facultades de Ciencias e Ingeniería, lo que nos ayudó a definir lo siguiente: 1) Los alumnos requieren herramientas de enseñanza para materias de álgebra lineal y cálculo. Estas herramientas deben tener la siguientes características: a) que se puedan usar fácilmente en cualquier ambiente y sistema operativo, b) que se apliquen en la solución de problemas reales, c) que apoyen la práctica de conceptos complicados, d) y que sean interactivas. Por lo tanto, las metas 1 a 4, planteadas en el primer año, se replantearon para enfocarse en las siguientes: 1) Generar cuadernos interactivos (notebooks) en Python y todo su entorno científico, para apoyar la enseñanza de conceptos de Álgebra lineal y Cálculo; 2) desarrollar software que permita mostrar aplicaciones de estos conceptos en la solución de problemas reales. El hecho de usar Python, permite que las herramientas se puedan usar en cualquier sistema operativo e incluso desde un navegador. 2) Los profesores requieren de estrategias de enseñanza constructivistas, que permitan al estudiante ir trabajando en ejercicios matemáticos paso a paso, mediante la solución de problemas y el desarrollo de proyectos. Por lo tanto, para complementar las herramientas desarrolladas, también se generó material didáctico como apoyo para la implementación de Aula Invertida, Aprendizaje Basado en Proyectos y en Problemas (ABP). Estos materiales se enfocan en temas de métodos numéricos. A continuación describimos brevemente los productos generados durante este proyecto (los cuales cumplen con más del 90% de las metas propuestas originalmente): 1. Se desarrollaron 7 temas de Cálculo mediante 10 notebooks en Python y 8 temas de Álgebra lineal mediante 14 notebooks en Python. Junto con estos materiales, se escribieron dos manuales de uso para Google Colab y Jupyter Notebook. Repositorio en https://github.com/jugernaut/Prometeo . 2. Se desarrollaron 7 temas de Métodos numéricos (diferencias finitas), cada uno con una presentación que explica de manera resumida los conceptos teóricos y prácticos, complementados con 14 ejercicios para ser resueltos usando Python. Se tiene una guía de los ejercicios resueltos en Python como apoyo para el profesor. Repositorio en: https://github.com/luiggix/Mixbaal . 3. Se desarrolló el software Pynoxtli, con el cual se pueden resolver problemas reales en una y dos dimensiones, mediante la modelación computacional y usando la metodología propuesta en este proyecto. Este software se basa en el método de volúmenes finitos. Se incluyen varios ejemplos en 1D y 2D, implementados en scripts de Python y en cuadernos interactivos. Repositorio en: https://github.com/luiggix/pynoxtli . 4. Se configuró y diseñó un sitio web interactivo desde donde se pueden obtener estos materiales, además de varios videos de temas de matemáticas y física. El URL es: http://gmc.geofisica.unam.mx/papime2020.
metadata.dc.description.selfAssessment:	La motivación principal del proyecto fue complementar las competencias de estudiantes de carreras de ciencias e ingenierías en temas de modelado numérico, matemático y computacional con el objetivo de que ellos inicien, en un futuro cercano, una carrera profesional en investigación o en la industria de nuestro país, particularmente en el área de generación de energía. Como lo mencionamos en nuestra propuesta, los estudiantes de ciencias suelen carecer de competencias tecnológicas, mientras que los de ingeniería tienen algunas lagunas en cuestiones matemáticas. Esto lo confirmamos en varias entrevistas y encuestas que realizamos durante el primer año del proyecto. De igual manera, confirmamos que las materias que se complican más, y que son importantes para el objetivo principal de este proyecto, son Cálculo, Álgebra Lineal y Ecuaciones Diferenciales. Tanto profesores como estudiantes, requieren de herramientas digitales, materiales didácticos y estrategias que mejoren el dúo enseñanza-aprendizaje. Sobre todo, en esta época que nos tocó vivir de la pandemia, es imperante modificar y adaptar nuestras técnicas de enseñanza para que los estudiantes, de todos los niveles y estratos sociales, puedan acceder fácilmente a esos materiales y herramientas digitales. Tenemos la certeza de que los productos tecnológicos que hemos desarrollado, son un aporte importante para cerrar brechas y mejorar la forma en cómo los estudiantes aprenden temas de ciencia e ingeniería. Todos nuestros productos pueden ser consultados a través de un sitio web; son de libre acceso (licencia creative commons); se pueden configurar y usar localmente en una computadora personal con cualquier sistema operativo, y también usando cómputo en la nube a través de Google Colab; el sitio web desarrollado es responsivo, lo cual significa que es fácil de acceder a él y usarlo desde cualquier dispositivo móvil. Aunque ya hemos probado y validado nuestras herramientas en un par de cursos, nos encontramos en una etapa de pruebas masivas con profesores que imparten materias de los primeros semestres de varias carreras de las Facultades de Ciencias y de Ingeniería, quienes usarán nuestros productos para darnos retroalimentación. Este proyecto ha generado mucho interés entre varios de nuestros colegas y estudiantes, de tal manera que continuará alimentándose con nuevas herramientas y materiales, para completar temas faltantes en otras materias importantes. Adicionalmente, estamos realizando la prospección de tecnologías emergentes, particularmente la realidad virtual inmersiva y aumentada, para complementar la experiencia de un sitio virtual de transmisión del conocimiento. Los logros de este proyecto se deben también a la colaboración con estudiantes de carreras diversas como Actuaría, Ciencia de datos, Ingeniería en Computación, Diseño y comunicación visual y Artes visuales, quienes con su aporte y dinamismo, le dieron un toque más juvenil a los productos del proyecto.
metadata.dcterms.provenance:	Instituto de Geofísica
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ingenierías cómputo científico cómputo de alto desempeño dinámica de fluidos energías alternas hidrocarburos métodos numéricos programación
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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