lunes, 11 de diciembre de 2017

SMARTPHYSICS: Experimenta con los Sensores de tu Smartphone



Por favor, apaguen sus teléfonos móviles” suele ser una de las frases más utilizadas tanto por los profesores de Física como de otras muchas materias para evitar que los alumnos se distraigan y presten atención en clase. Pero, ¿y si se pudiera dar la vuelta a la tortilla? ¿Y si pudiéramos utilizar los Smartphone de los propios alumnos para motivarles por la Física?

En la sociedad digital actual es imprescindible introducir los llamados “dispositivos inteligentes” (tabletas y Smartphones) en el entorno educativo, permitiendo que el proceso enseñanza-aprendizaje sea mucho más atractivo para los estudiantes y que además permitan el desarrollo de competencias transversales como es la capacidad de análisis y de innovación. La simulación de procesos físicos a través de laboratorios virtuales sería la vía de integración de estos dispositivos en el aula. Como veremos a continuación, también se pueden utilizar los Smartphones de los propios alumnos como instrumento de medida en prácticas de laboratorio reales (fuera del mundo virtual) gracias a sensores que llevan integrados estos dispositivos. 

Tradicionalmente, en las prácticas de laboratorio de Física los alumnos estudian desde el punto de vista experimental las leyes que han trabajado previamente en clase. Así pues, el objetivo de las prácticas de laboratorio es doble: por un lado reforzar los conocimientos teóricos adquiridos en las clases de teoría, y por otro lado habituarse a las técnicas experimentales propias de laboratorio (manejo de aparatos de medida, toma de datos experimentales, análisis de datos experimentales, cálculos de incertidumbres, etc.). Sin embargo, en numerosas ocasiones, los alumnos encuentran rutinarias y poco enriquecedoras las prácticas de las asignaturas relacionadas con la Física, lo que conlleva que no se muestren interesados en las mismas. Tratan de realizar las mínimas medidas exigidas por el profesor lo antes posible para poder terminar la práctica a la mayor brevedad, de manera mecánica, y sin reflexión crítica sobre el trabajo realizado.

Para intentar paliar este tipo de problemas y hacer más atractivas las prácticas de Física podemos encontrar en la literatura científica reciente propuestas en las que se utilizan diversos recursos electrónicos con sensores de movimiento como son los mandos de Nintendo Wii [1] o de la Xbox [2]. El controlador de Nintendo Wii permite registrar los movimientos simultáneos de varios objetos mediante conexión Bluetooth y explota el uso de tres acelerómetros para seguir los movimientos tridimensionales. El sensor Kinect de la Xbox posibilita el rastreo de datos en 3D sobre una base de tiempos. Sin embargo, ambos dispositivos requieren un software específico que no está ampliamente disponible en los laboratorios de Física.

En este contexto, surge en 2013 la iniciativa SMARTPHYSICS impulsada por la Universitat Politècnica de València con la intención de extender el uso de los sensores de Smartphone en el área de la Física experimental y la Tecnología a diferentes niveles educativos, principalmente en los primeros cursos de universidad y en bachillerato.

Así pues, SMARTPHYSICS pretende generar una nueva perspectiva en el ámbito educativo, introduciendo los Smartphones de los propios alumnos como un nuevo elemento motivador en el aula, integrándolo en las prácticas de Física como dispositivo de medida y toma de datos a través de los sensores que incorporan (acelerómetro, sensor de luz, sensor de campo magnético…). Los alumnos están acostumbrados a utilizar el teléfono móvil en su entorno social, y que vean que puede ser útil también como dispositivo de medida, despierta su curiosidad e interés. Los sensores que incorporan estos dispositivos son cada vez de mejor calidad y por un precio cada vez más reducido. Además, también hay multitud creciente de aplicaciones (Apps) libres para controlar los sensores integrados en estos dispositivos y poder registrar los datos que proporcionan. 


Se trata de una línea de investigación muy reciente e innovadora, ya que la primera propuesta “telefónica” fue publicada a nivel preuniversitario en 2012 [3]. El grupo de trabajo SMARTPHYSICS fueron los pioneros en extender el uso del Smartphone a nivel universitario con experiencias de carácter mucho más cuantitativo en las que los alumnos han de realizar un análisis riguroso de las medidas obtenidas a través de los sensores. En concreto, la primera propuesta universitaria fue publicada en la revista American Journal of Physics editada por la American Association of Physics Teachers [4]. Mediante el sensor de aceleración de un Smartphone se han podido caracterizar oscilaciones libres y amortiguadas.




También con el acelerómetro se pueden caracterizar oscilaciones acopladas, oscilaciones forzadas, movimientos circulares etc. Utilizando el altavoz del smartphone y una APP adecuada se puede caracterizar con precisión el efecto Doppler (el cambio de frecuencia aparente de una onda acústica producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador) [6]. Diversos autores han presentado también experiencias muy interesantes con los Smartphones, como por ejemplo la caracterización de pequeños imanes con el sensor del campo magnético [7]. Entre las propuestas más recientes de SMARTPHYSICS se puede destacar el estudio de la eficiencia luminosa de una lámpara con el sensor de luz ambiente de un Smartphone [8]. 


SMARTPHYSICS también tiene una vertiente en ESO y Bachillerato. Cada verano el Campus de Excelencia Internacional de Valencia VLC/Campus de Valencia organiza un Campus Científico promovido por la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT). Dentro de este campus científico, desde hace cuatro años, alumnos brillantes de 4º de la ESO y 1º de Bachillerato participan en taller “Experimenta la Física con tu Smartphone” que se desarrolla en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño de la Universitat Politècnica de València. En este taller los alumnos aprovechan gran parte de los sensores de sus móviles para realizar sencillos experimentos de Física adaptándolos a su nivel educativo. Por ejemplo, mediante el acelerómetro son capaces de registrar el movimiento armónico simple del Smartphone colgando de un muelle y determinar el periodo de oscilación en función de la masa del sistema.




Mediante el sensor de campo magnético de los smartphones y con una aplicación adecuada que transforma el teléfono en una brújula, los jóvenes ven cómo se desvía la orientación de la brújula por el campo magnético creado por la corriente de un cable.




En este taller de hora y media de duración, los alumnos también miden la intensidad de luz de una bombilla halógena en función de la distancia utilizando el sensor de luz ambiente de sus Smartphones. De esta forma, son capaces de verificar lo que se conoce como la ley de inverso del cuadrado de la distancia (que si duplicamos la distancia a la fuente de luz, la intensidad luminosa decae en un factor cuatro).




En definitiva, todas las experiencias desarrolladas se enmarcan en asignaturas de Física de los primeros cursos de universidad, pero con alguna simplificación de la base teórica y del análisis de datos resultan también adecuadas para educación pre-universitaria. 



Texto de Juan A. Monsoriu, Doctor en Física por la Universitat de València y Catedrático de Física Aplicada de la Universitat Politècnica de València.




[1] S. L. Tomarken, D.R. Simons, R.W. Helms, W.E. Johns, K.E. Schriver y M.S. Webster, “Motion tracking in undergraduate physics laboratories with the Wii remote”, American Journal of Physics 80, 351-354 (2012).

[2] J. Ballester y Ch. Pheatt, “Using the Xbox Kinect sensor for positional data acquisition”, American Journal of Physics 81, 71-77 (2013).

[3] J. Kuhn y P. Vogt, “Analyzing spring pendulum phenomena with a smart-phone acceleration sensor”, The Physics Teacher 50, 504 (2012).

[4] J.C. Castro-Palacio, L. Velázquez-Abad, M.H. Giménez y J.A. Monsoriu, “Using a mobile phone acceleration sensor in physics experiments on free and damped harmonic oscillations”, American Journal of Physics 81, 472-475 (2013).

[5] http://smartphysics.webs.upv.es/ (ver apartado de publicaciones).

[6] J.A. Gómez-Tejedor, J.C Castro-Palacio y J.A Monsoriu, “The acoustic Doppler effect applied to the study of linear motions”, European Journal of Physics, 35 025006 (2014).

[7] E. Arribas, I. Escobar, C.P. Suarez, A. Najera y A. Beléndez, “Measurement of the magnetic field of small magnets with a smartphone: a very economical laboratory practice for introductory physics courses”, European Journal of Physics 36, 065002 (2015).



[8] J.A. Sans, J. Gea-Pinal, M.H. Gimenez, A.R. Esteve, J. Solbes y J.A. Monsoriu, “Determining the efficiency of optical sources using a smartphone’s ambient light sensor”, European Journal of Physics 38, 025301 (2017).

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