Desarrollo de sistemas interactivos para la enseñanza de la cristalografía y de estructuras moleculares

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Título :	Desarrollo de sistemas interactivos para la enseñanza de la cristalografía y de estructuras moleculares
Autor :	MILLAN MALO, BEATRIZ MARCELA RIVERA MUÑOZ, ERIC MAURICIO
Fecha de publicación :	2016
Resumen :	Este proyecto se enfoca en el desarrollo de sistemas de realidad virtual que permiten la visualización tridimensional de estructuras moleculares a través de una inmersión en la misma estructura con la finalidad de facilitar a estudiantes y profesores el análisis de la estructura molecular: átomos y moléculas que la componen, tipos de enlaces químicos, interacción con otras moléculas, relaciones geométricas, entre otros. El desarrollo de estos sistemas conlleva la determinación de las estructuras moleculares por lo que el proyecto promueve además el desarrollo de tales sistemas virtuales, la metodología y las herramientas para que los estudiantes aprendan los conceptos fundamentales en este tema y tengan la posibilidad de determinar por ellos mismos la estructura cristalina que observarán por realidad virtual. Dichas estructuras podrán determinarse experimentalmente a partir de la técnica de difracción de rayos X misma que ha sido durante muchos años el método más empleado para este fin. Estos sistemas de visualización tendrán un potencial muy alto una vez alcanzado el objetivo ya que se podrán introducir al sistema diversos tipos de estructuras moleculares tales como moléculas biológicas, compuestos químicos, macromoléculas, cristales líquidos, materiales amorfos, polímeros, o bien otros organismos microscópicos tales como virus y bacterias. Otra ventaja que ofrecen estos sistemas es que servirán como dispositivos portátiles que se puedan llevar a ferias y exposiciones científicas a cualquier locación debido a su fácil manejo. Finalmente, los resultados del presente proyecto permitirán una enseñanza creativa, con nuevas formas de pensar para motivar el interés y la imaginación de los alumnos, además de penetrar en los campos multidisciplinarios que permiten resolver situaciones complejas.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/6130
metadata.dc.contributor.responsible:	MILLAN MALO, BEATRIZ MARCELA
metadata.dc.coverage.temporal:	2016-2019
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura
metadata.dc.description.hypothesis:	La visualización multimedia de las estructuras moleculares por medio de dispositivos virtuales ayudará al estudiante a comprender la estructuración de las redes cristalinas, la relación entre la estructura y las propiedades físicas y químicas de los materiales, los fenómenos relacionades a la formación de nanoprtículas, entre otros conceptos de la ciencia e ingeniería de los materiales. De igual manera estos dispositivos facilitarán al docente la explicación de conceptos básicos en las materias de cristalografía, difracción de rayos X y estructura de la materia. Conjuntamente, las prácticas realizadas en este proyecto serán una guía para que los alumnos adquieran los conceptos básicos necesarios para la determinación de estructuras por medio de la técnica por difracción de rayos X.
metadata.dc.description.strategies:	Para el desarrollo de los sistemas virtuales se realizarán las siguientes actividades: 1. Diseño e implementación de una plataforma de software donde se integrarán los elementos de las estructuras moleculares. 2.- Elaboración de un prototipo para visualización tridimensional en un ambiente inmersivo mediante el uso de una plataforma específica con un visor de realidad virtual. 3. Software interactivo capaz de mostrar los elementos visuales elaborados por medio de órdenes corporales del usuario. 4. Integración en el software de un dispositivo de interacción como puede ser una pulsera sensorizada para controlar la secuencia y ejecución de manera visual. 5.- Implementación del sistema en dispositivos portátiles. 6.- Presentación de resultados en foros especializados, pruebas en laboratorio y utilización del sistema en el aula. Para la determinación de las estructuras cristalinas se escribirán dos guías de prácticas de laboratorio las cuales se describen a continuación. 1. Difracción de luz visible por medio de rejillas de difracción. Objetivos y temas: i) Comprensión del fenómeno de difracción con luz visible por medio de rejillas de difracción. ii) Relación entre rejilla y patrón de difracción de acuerdo al diseño de la rejilla, longitud de onda y relaciones geométricas. iii) Implementación de práctica en laboratorio. 2. Determinación de estructuras cristalinas por difracción de rayos X. Objetivos y temas: i) Comprensión del fenómeno de difracción de rayos X por cristales mediante experimentación con el equipo de difracción de rayos X. ii) Interpretación de resultados del experimento mediante el software del equipo. iii) Determinación de la estructura molecular obtenido del refinamiento de la fase identificada en el experimento. iv) Aplicación de la práctica con los estudiantes de estancias de investigación en el laboratorio. El objetivo principal de este proyecto es innovar el proceso de enseñanza-aprendizaje de estructuras moleculares mediante su visualización á través de herramientas de realidad virtual, para que el estudiante tenga las herramientas necesarias para poder determinar una estructura cristalina a partir de la técnica de difracción de rayos X. De igual manera, otro objetivo del proyecto es proveer al estudiante de técnicas de aprendizaje interactivas y experimentales en la comprensión de conceptos teóricos, geométricos y espaciales en el estudio de la cristalografía. Asímismo, adentrarlo a la determinación de estructuras cristalinas por el método de difracción de rayos X, por medio de equipos y software de investigación de punta.
metadata.dc.description.goals:	1. Elaboración del ambiente de realidad virtual Cristvirt para la visualización de estructuras cristalinas tridimensionales y el aprendizaje de temas de cristalografía. Este ambiente se desarrolla en un entorno que simula el Laboratorio de Difracción de Rayos X del Centro de Física Aplicada de la UNAM Campus Juriquilla. Mediante la utilización de un visor de realidad virtual de la marca Oculus modelo Rift, el usuario se adentra en este Laboratorio Virtual en donde tiene la capacidad de visualizar la estructura cristalina de las halitas, el diamante, el grafito, el grafeno y un nanotubo de carbono. Por otro lado, también puede activar el recorrido virtual llamado “El Carbono y la importancia de la estructura cristalina”. Este ambiente es la segunda versión de una plataforma donde el usuario puede llevar a cabo diferentes experiencias de inmersión virtual. Así, se tiene contemplado el seguir agregando otras experiencias que aborden temas de interés cristalográfico y que apoyen en su proceso de comprensión. 2. Elaboración del video tutorial: “Apilamiento atómico y celda unidad”. Con la finalidad de facilitar al estudiante de cristalografía la compresión de aquellos temas que requieren de una visualización tridimensional, se elaboró este video que resume una parte del primer capítulo del libro Introduction to Crystallography de C. Hammond. 3. Elaboración del viaje virtual: “El Carbono y la importancia de la estructura cristalina”. Este viaje virtual muestra al usuario una comparación entre el diamante y el grafito, dos materiales que incluso a simple vista son muy diferentes. Después de enunciar las propiedades macroscópicas de cada uno, se traslada al usuario a una escala atómica en donde se muestra que ambos materiales están compuestos de un mismo elemento, el carbono, siendo el ordenamiento la diferencia que genera propiedades tan diferentes a nivel macroscópico. 4. Elaboración del proyecto “Modelo atómico de Bohr de los elementos” utilizando realidad aumentada. Se sentaron las bases para desarrollar un proyecto multimedia de realidad aumentada, mediante el cual el usuario puede acceder a los modelos atómicos de Bohr de algunos de los elementos de la tabla periódica. Este tipo de proyectos pretender atraer la atención del público general y de aquellos estudiantes que estén viendo estos temas en sus clases ya que se les presentan con una tecnología novedosa. La realidad aumentada se vale de un dispositivo con cámara mediante la cual se puede visualizar un ambiente real pero que al detectar un símbolo previamente definido en el programa, hace aparecer estos modelos de Bohr y los muestra como si existieran en el mundo real y fueran captados a través de la cámara. 5. Presentación de los trabajos desarrollados durante las estancias de investigación en el XVIII Coloquios de Tecnología, de los alumnos Walter Adré Rosales Reyes, Gullermo Uriel Vázquez Erreguín, Oliver Jarquín López, y de los alumnos Walter Adré Rosales Reyes y Luis Enrique Cuéllar.
metadata.dc.description.selfAssessment:	Durante el desarrollo de este proyecto hemos tenido la oportunidad de aprender sobre el proceso de creación de estos mundos virtuales que antes no hubiéramos ni siquiera imaginado. Después de estos años ahora ya contamos con la experiencia mínima que nos ha permitido crear un prototipo de ambiente virtual con el cual ya es posible compartir este conocimiento con otras personas. Sin embargo, el camino aún es largo y a pesar de haber logrado un sistema novedoso donde no teníamos ningún conocimiento, la verdad es que aún nos falta mucho para poder entregar un ambiente que no solo transmita la información de manera clara y concisa sino que también presente un diseño robusto y eficiente. Esto debido a que las prácticas de modelación que llevamos a cabo no han sido las más eficientes, lo cual impacta en el tiempo que requiere nuestro sistema para inicializarse. De esta forma, ya nos encontramos en esta segunda etapa donde pretendemos optimizar los modelos y mediante el código hacer más eficiente el proceso de inicialización, permitiendo mostrar a cada momento solamente eso que sea necesario. Por otro lado, hemos adquirido otro visor de realidad virtual de la marca Oculus modelo Go, con lo cual tenemos un dispositivo con una mejor portabilidad ya que no requiere de un equipo de cómputo para visualizar, aunque al crear el ambiente virtual, sí se requiere una computadora especial y que el sistema utilice los recursos computacionales de manera óptima ya que de otra forma no le es posible correr el programa. También ha resultado satisfactorio el ahondar en la tecnología de realidad aumentada permitiendo así abarcar el proceso de enseñanza desde diferentes trincheras, siempre con la intención de atraer la atención del alumno y como beneficio adicional el conocimiento que queda dentro del equipo de trabajo. Finalmente, uno de los mayores logros ha sido el contar con tantos alumnos interesados en la implementación de estas tecnologías ya que al estar inmersos en este mundo y estar creando nuevos proyectos, tenemos la tranquilidad de que el conocimiento no solo se queda en las aulas sino que trasciende a la sociedad al mismo tiempo que se pone a prueba su capacidad de trabajar en proyectos multidisciplinarios y de autoaprendizaje.
metadata.dc.description.goalsAchieved:	Las metas de los tres años del proyecto serán: Año 1: Diseño, elaboración e implementación en clase de la Práctica 1 de Laboratorio. Desarrollo de un prototipo de un sistema virtual para la visualización de estructuras tridimensionales en el laboratorio. Presentación de resultados en foros académicos especializados. Año 2: Diseño, elaboración e implementación en clase de la práctica 2 de Laboratorio. Implementación del sistema de visualización tridimensional en plataformas portátiles (visores y tabletas) para su uso en Talleres y cursos de cristalografía a nivel licenciatura y posgrado. Capacitación de estudiantes en el uso de los sistemas desarrollados. Presentación de resultados y del prototipo en foros académicos especializados. Año 3: Revisión y actualización de las prácticas de laboratorio elaboradas. Desarrollo e implementación de sistemas de interacción humana con los sistemas de visualización virtual. Obtención de un prototipo portátil que permita interactuar al usuario con diferentes ambientes virtuales y donde se visualicen estructuras cristalinas y moleculares para su uso en Talleres y cursos de cristalografía a nivel licenciatura y posgrado. Capacitación de estudiantes en el uso de los sistemas desarrollados. Presentación de resultados y del prototipo en foros académicos especializados.
metadata.dcterms.provenance:	Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada en Juriquilla, Qro.
metadata.dc.subject.DGAPA:	Física
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
metadata.dc.contributor.coresponsible:	RIVERA MUÑOZ, ERIC MAURICIO
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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