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ESTUDIO SOBRE HABILIDADES DE INNOVACIÓN EN ALUMNOS DE INGENIERÍA MECÁNICA EN LA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE Mario Letelier S. Centro de Investigación en Creatividad y Educación Superior Universidad de Santiago de Chile mario.letelier@usach.cl Juan Stockle H. Centro de Investigación en Creatividad y Educación Superior Universidad de Santiago de Chile Juan.stockle@usach.cl Amaru González A. Centro de Investigación en Creatividad y Educación Superior Universidad de Santiago de Chile amaru.gonz@gmail.com RESUMEN Este trabajo constituye un continuación del artículo presentado en el XXIX Congreso Chileno de Educación en Ingeniería, “Implementación de un Laboratorio de Investigación en Innovación de Base Científico-Tecnológica”, en que se presentan resultados de un análisis amplio de las capacidades de innovación, a través del modelado físico-matemático, de los estudiantes de Ingeniería Civil Mecánica en la Universidad de Santiago de Chile. El trabajo se ha desarrollado en cuatro etapas sucesivas, quedando la última de ellas pendiente debido a que aún sigue en curso. La primera etapa constó de una modalidad extracurricular donde los estudiantes definieron un problema, la segunda etapa fue similar a la anterior, con la salvedad que se les dio el problema y se los guio constantemente en todo el proceso, y en la tercera etapa se entregó una tarea experimental a estudiantes de nivel medio en la carrera, específicamente a alumnos del curso de Mecánica de Fluidos. Con este ejercicio se busca demostrar la capacidad que los estudiantes tienen para aplicar los conocimientos adquiridos en el área Termofluidos, a través de modelos matemáticos y físicos. Además se incluye el resultado de tesis guiadas durante los años 2016 y 2017, para evidenciar la capacidad de los estudiantes para desarrollar estudios científicos de alto nivel. PALABRAS CLAVES: Laboratorio, Investigación, Transferencia, Científico – Tecnológica. INTRODUCCIÓN Actualmente las universidades entregan una formación científica y solo una parte de conocimiento y experiencia profesional a través de prácticas. Con estos conocimientos, se espera que los egresados adquieran las habilidades prácticas suficientes para realizar un ejercicio profesional competente. Mientras que la formación científica varía poco, el ejercicio profesional está en constante evolución, siendo imposible para las universidades la preparación en todo ámbito, de forma tan efectiva como se desearía en un momento dado. Por lo tanto, dos grandes capacidades generales que deben entregar las carreras universitarias, son un sólido conocimiento científico pertinente y habilidad para aplicarlo a problemas profesionales. Luego tiene que venir un aprendizaje continuo orientado a responder requerimientos laborales cambiantes con responsabilidad. Ambas capacidades demandan varias habilidades y atributos personales tales como comprensión suficientemente completa, razonamiento lógico, persistencia, compromiso y creatividad, entre otros. Algunas tareas profesionales exigen estas habilidades, con poca participación de la creatividad. Es el caso, a modo de ejemplo, de la aplicación de rutinas de cálculo rigurosas, condicionadas por normativas establecidas. Sin embargo, y en forma creciente, la creatividad es convocada para enfrentar desafíos nuevos, en que es necesario generar soluciones o contribuciones nuevas. En toda sociedad persisten problemas no resueltos y conocimiento no disponible en innumerables materias relacionadas; algunos ejemplos son: la salud, el suministro de recursos básicos, la producción de bienes más eficientes, el transporte y comunicaciones, la infraestructura, la educación, etc. Es necesario, por lo tanto, asegurar que la formación de los ingenieros contribuya a potenciar en éstos, en mayor medida que en el presente, capacidades que los habiliten para enfrentar problemas que requieren de creatividad aplicada en su área profesional. Esta es una preocupación que ha estado presente en las facultades de Ingeniería desde hace varias décadas. En la USACH es posible verificar que, desde hace aproximadamente 30 años, a lo menos, ha habido intentos de fortalecer las habilidades creativas e innovativas de sus estudiantes. La preocupación no ha ido acompañada de resultados acordes a las intenciones, situación que revela que esta tarea no es simple. Las dificultades que se interponen en la instalación de una efectiva formación hacia la creatividad e innovación son múltiples y de diversas clases, que en parte se explicitan en este texto. La transferencia de un conocimiento científico-tecnológico es vital para asegurar la formación de las futuras generaciones de ingenieros y para que Chile pueda aspirar a un desarrollo sostenido, que aporte progresivamente los recursos para superar la pobreza, los déficits en salud y educación, y para lograr un deseable estándar de vida general. Con el fin de lograr este objetivo, es necesario avanzar tan rápido como se pueda hacia una producción basada en mayor conocimiento científico y tecnológico que aumente su valor comercial, que asegure una relativa vigencia en el tiempo, y que disminuya el riesgo de una competencia externa indeseada. (Instituto de Ingenieros de Chile, 2014) OBJETIVO El objetivo de este trabajo es sintetizar las actividades desarrolladas en el LIBAC, el curso de Mecánica de Fluidos de la carrera de Ingeniería Civil Mecánica de la Universidad de Santiago de Chile y las tesis de pregrado para medir la capacidad de aplicar conceptos a problemas reales a través del proceso de modelamiento. MODELO FORMATIVO CONSIDERADO Actualmente las facultades de ingeniería están revisando sus carreras con el fin de reorientar e incluir elementos curriculares que permitan formar estudiantes con capacidad de innovación y emprendimiento. Estos cambios surgen gracias a las iniciativas CORFO “Nueva Ingeniería para el 2030”, (SYN- Iniciativa Ingeniería 2030., 2013), debido a que el país depende de una economía basada en recursos naturales y no en conocimientos. La estructura formativa actual de las carreras de ingeniería puede ser representada usando el diagrama mostrado en la figura 1. Esta representación incorpora la estructura formativa tradicional y la visión actual de formación que se pretende obtener. Figura 1. Estructura formativa deseable de las carreras de ingeniería. A la fecha, el modelo formativo actual no abarca la totalidad de los elementos necesarios para formar ingenieros atingentes a la época. Las áreas grises de la figura 1 representan los elementos curriculares que actualmente se llevan a cabo en los planes de estudio mientras que las áreas punteadas representan las tareas pendientes para lograr una formación pertinente al contexto actual. Mediante esta representación, podemos observar el déficit que existe en políticas nacionales de innovación y vinculación con el medio, desfavoreciendo la implementación de elementos deseados con características experienciales que vinculen el mundo real. El hecho de que todavía no existan estos elementos se debe a diferentes factores, entre ellos, las mallas recargadas con seis o más asignaturas por semestre, el alargamiento de carrera con ramos técnicos no fundamentales, los trabajos de titulación largos orientados a la investigación, los reglamentos que inducen a excesos, los factores socioeconómicos entre otros. Algunos de estos factores impiden la incorporación de nuevas asignaturas y trayectorias curriculares con foco innovativo y emprendedor. Si bien las actividades de innovación, talleres, laboratorios, practicas, aprendizaje y servicio (A+S) contribuyen en parte a una formación en este sentido, es importante la contextualización de las ciencias básicas con profundización selectiva desde el inicio de las carreras con el fin de mejorar la capacidad de modelamiento en problemas de mayor complejidad. La transferencia de los conceptosingenieriles a problemas complejos es una característica que no ha sido profundizada en las ciencias de la ingeniería. Nuestra hipótesis es que es difícil innovar sin desarrollar estas capacidades a lo largo de la carrera en forma sostenida a pesar de existir elementos curriculares con foco innovativo. Siguiendo esta hipótesis, este trabajo estudia y mide empíricamente la capacidad de transferir conocimientos a problemas reales a través del proceso de modelamiento. VERIFICACIÓN EMPÍRICA En esta sección se detallan las actividades desarrolladas a la fecha con estudiantes de la carrera de Ingeniería Civil Mecánica entre los años 2015-2018. Estas actividades constituyen una continuación del artículo presentado en el XXIX Congreso Chileno de Educación en Ingeniería, “Implementación de un Laboratorio de Investigación en Innovación de Base Científico-Tecnológica”, (Letelier, M., González, A., 2016). Entre las actividades desarrolladas se cuentan el diseño y aplicación de un test diagnóstico de conocimientos básicos, una convocatoria para la realización de proyectos de innovación, y el abordaje de un problema específico de Ingeniería con soluciones innovativas. El test de conocimientos básicos fue aplicado en cada etapa con el fin de evaluar el dominio del estudiante en Cálculo (Derivadas e Integrales), Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (EDO), Vectores, Mecánica de Cuerpo Rígido, Termodinámica, Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor. El test consta de una parte de aplicación y desarrollo donde los estudiantes tienen que resolver ejercicios. La otra parte corresponde al reconocimiento de relaciones fundamentales de los contenidos detallados anteriormente. A continuación se detallan las etapas desarrolladas durante los años de estudio: Etapa 1: Elección de proyectos de innovación propuestos por los estudiantes. A aquellos estudiantes con ideas poco claras, se les proporcionó una batería de proyectos. Se realizó un seguimiento con el fin de guiar el modelado científico del problema. Una vez definido el problema, se estableció que las tareas siguientes no serían guiadas por los encargados del proyecto. Al finalizar los proyectos, se les exigió a los estudiantes elaborar una memoria simple de trabajo con la entrega de un informe con lo desarrollado en el semestre. Etapa 2: Idem etapa 1 con la distinción que se guió constantemente a los estudiantes mediante reuniones quincenales, en especial para observar la manera como resolvían sus tareas. Etapa 3: Se les asignó un proyecto de innovación a realizar en el LIBAC en grupos de 3 a 4 estudiantes. Se optó por enfocar proyectos en relación al contenido de Flujo Potencial enseñado en la clase de Mecánica de Fluidos. En esta etapa se dio flexibilidad en la variación del proyecto siempre y cuando estos no se alejen del contenido temático. Etapa 4: Tareas experimentales simples durante el transcurso de las clases de Mecánica de Fluidos. Esta etapa se encuentra aún en curso, cuyos resultados no se informan en este trabajo. ACTIVIDADES DESARROLLADAS Las actividades desarrolladas en este trabajo se realizaron en el período 2015-2017 en el Departamento de Ingeniería Mecánica en tres niveles. En el primer nivel se trabajó con alumnos en el LIBAC, el cual se implementó al inicio de 2015 con los aportes del Departamento de Ingeniería Mecánica y de la Vicerrectoría Académica, a través de un Proyecto de Innovación Docente. Las actividades realizadas fueron convocatoria para la realización de proyectos de innovación, y el abordaje de un problema específico de Ingeniería con soluciones innovativas. Luego, se analizaron los trabajos de tesis que posteriormente fueron publicadas en revistas científicas de alto impacto. Todos estos trabajos fueron desarrollados por alumnos de pregrado. Finalmente se trabajó entre el año 2016 y 2017 en el curso Mecánica de Fluidos, donde dos de los autores de este articulo son profesores de la asignatura. En esta actividad se plantearon problemas que tienen dos desafíos. El primero consiste en la capacidad de aplicar los conocimientos y modelos del curso para resolver el problema y el segundo desafío consiste en plantear una solución innovativa a estos problemas. Proyectos de Innovación ligados al LIBAC A continuación se resumen las experiencias desarrolladas con alumnos en el LIBAC. Se distinguen tres instancias: Elección, Seguimiento y Finalización. En la instancia de Elección, los alumnos tuvieron que presentar ideas propias para solucionar problemas de ingeniería en distintas áreas de la industria. Se destaca la identificación de problemas reales de ingeniería y las estrategias de solución planteadas observando en general una correcta aplicación de los fundamentos de su formación profesional. Posteriormente, en la instancia de Seguimiento, el foco se centró en el modelamiento científico de los problemas elegidos, etapa durante la cual los estudiantes recibieron guía por parte los autores de este trabajo. Una vez definido el problema se decidió entregar el proyecto a los estudiantes restringiendo el monitoreo, para analizar su capacidad de trabajar en forma independiente. En la etapa de Finalización, se llevó a cabo una memoria simple de trabajo, donde los estudiantes elaboraron un informe, sintetizando el contenido del trabajo desarrollado durante el semestre. En la Tabla 1 se muestran brevemente los trabajos de innovación realizados y presentado en el trabajo publicado en el XXIX Congreso Chileno de Educación en Ingeniería, (Letelier, M., González, A., 2016) Tabla 1. Resumen proyectos de innovación ligados al LIBAC Proyecto Problema Objetivo Área de Investigación Impacto Refrigeración de baterías auto solar Bajo desempeño de batería y condiciones de trabajo peligrosas, especialmente a altas temperaturas Diseñar un modelo de ventilación para mantener la temperatura de una batería en un rango óptimo Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor No observable Dosificador de adhesivo Alto costo, baja calidad y seguridad de materiales de suministro en impresoras 3D Generar alternativas de bajo costo que cumplan con las características plásticas del material Fluido no Newtoniano Memoria de Titulo. Nota máxima obtenida. Energía a través de la lluvia Utilizar lluvia para almacenar energía en una batería Convertir la energía cinética de una gota de lluvia, en energía eléctrica Mecánica, Eléctrica No observable Ducha eficiente de vapor Disminuir el consumo de agua y energía mediante el diseño de una ducha innovadora remplazar el calor entregado por el agua por aire Termodinámica y Mecánica de Fluidos No observable Cooler con sistema de generación de energía a través de paneles fotovoltaicos Acumular energía en forma autónoma por medio de la radiación solar y el uso de paneles fotovoltaicos Diseñar un cooler fotovoltaico aprovechando la radiación solar y proveer energía en cualquier lugar Transferencia de Calor No observable Sistema de reducción de fuerza de arrastre en semirremolques para el transporte de vehículos Contaminación y alto consumo de energía en transportes de cargas abiertos con acoplado Entender los factores que causan las pérdidas energéticas debidas a las cargas aerodinámicas y buscar alternativas de diseño Mecánica de Fluidos No observable Remanente de Remanentes de gas determinar cuál es Mecánica de Fluidos No observable Cilindro GLP licuado en cilindros la principal causa del remanente que se presenta en los cilindros de Gas Licuado y Transferencia de Calor Memorias de Pregrado A continuación, se muestran los trabajos de tesis realizados por alumnos de la carrera de Ingeniería Civil en Mecánica de la Universidad de Santiago de Chile entre los años 2016 y 2017. Esto demuestra la capacidad de los alumnos de último nivel en realizarun trabajo complejo en forma autónoma y completa, llevando a cabo posteriormente una presentación ante un comité académico obteniendo nota máxima. Posteriormente estos trabajos fueron presentados en congresos internacionales y revistas científicas de alto impacto (Letelier, M., et al., 2016; Letelier, M., et al., 2017; Letelier, M., et al., 2017). Tabla 2. Resumen de los trabajos de memoria Titulo Condiciones y Modelos Objetivo Impacto Flujo pulsante viscoelástico en tubos Teardrop con transferencia de calor (Estudiante 1 y 2), 2016. Flujo estacionario y pulsante para fluido de Modified Phan- Thien-Tanner Estudiar la transferencia de calor a través de ductos con forma teardrop Nota máxima en la tesis y publicación en el congreso internacional American Society of Mechanical Engineers Flujo plástico en una boquilla de sección variable (Alumno 3 y 4), 2016. Flujo estacionario y transitorio para fluido de Bingham Estudiar en forma analítica y experimental flujo plástico a través de una boquilla de sección variable Nota máxima en tesis y publicación en el Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica Optimización de la transferencia de calor con fluidos viscoelásticos en ductos asimétricos (estudiante 5), 2017 Flujo estacionario para fluido de Modified Phan- Thien-Tanner Estudiar la transferencia de calor en flujos viscoelásticos en ductos de secciones anulares asimétricos Nota máxima en su tesis y publicación en el Congreso Internacional American Society of Mechanical Engineers Transferencia de calor para flujo viscoelasto- plástico en ductos rectos de sección no circular (estudiantes 6 y 7), 2017. Flujo de Phan- Thien-Tanner y Bingham combinados bajo condiciones de calor constante a lo largo de la tubería Estudiar la transferencia de calor en flujos viscoelasto-plastico a través de ductos de sección transversal no circular Nota máxima en su tesis y publicación en la revista Applied Mathematical Modeling En la figura 2 se muestra un resumen de resultados obtenidos en las tesis señaladas en la Tabla 2. Figura 2. Algunos resultados gráficos obtenidos en las memorias de pregrado. La figuras a), b), c) y d) corresponden a los alumnos 1 y 2, alumnos 3 y 4, alumno 5 y estudiantes 6 y 7 respectivamente. Experiencia ligada al curso de Mecánica de Fluidos El segundo semestre del año 2017, se implementó una actividad complementaria al curso de Mecánica de Fluidos del Departamento de Ingeniería Mecánica. La finalidad de esta actividad fue medir a los estudiantes su capacidad de modelar matemáticamente un problema de Mecánica de Fluidos. Para la implementación de esta actividad el curso se dividió en 11 grupos de 3 personas distribuyendo las experiencias a cada grupo en forma aleatoria. A continuación se detallan las experiencias desarrolladas. Experiencia 1 “Modelado de Flujo alrededor de un cuerpo que cae en un fluido en reposo” Esta experiencia, mostrada en la figura 3 (Ex 1), consiste en obtener datos experimentales de la velocidad de un cuerpo no esférico con geometría bidimensional en una probeta de 1 Litro graduada. Objetivo General: Medir la velocidad de caída de un cuerpo no esférico, aproximadamente bidimensional en un fluido en reposo Objetivos Específicos: Proponer un experimento que permita cumplir con el objetivo general Diseñar un cuerpo previamente descrito y que tenga una densidad tal que permita medir con precisión la velocidad de caída Determinar la velocidad con que cae el cuerpo Experiencia 2 “Visualización de Líneas de Corriente Superficiales” Este procedimiento, mostrado en la figura 3 (Ex 2), consiste en visualizar las líneas de corriente superficiales descritas por partículas en un recipiente de flujo uniforme, donde la bifurcación se produce a causa de un cuerpo ubicado en la bandeja que contiene el fluido. El seguimiento del fluido se consigue mediante el uso de challa. Objetivo General: Determinar mediante la cinemática de una partícula su movimiento a lo largo del recipiente (líneas de corriente) Objetivos Específicos: Proponer un experimento que permita cumplir con el objetivo general Diseñar un cuerpo que permita obtener datos experimentales de al menos dos líneas de corriente (Geometría y Velocidades) Medir caudales Experiencia 3 “Flujo en descarga con circulación” Este experimento, mostrado en forma esquemática en la figura 3 (Ex 3), consiste en visualizar las líneas de corriente de un fluido producto de la descarga provocad por un orificio ubicado en la parte inferior del recipiente. La circulación es generad debido tanto a la acción de la fuerza de Coriolis como a la rotación imprimida por el caudal de entrada del agua. Objetivo General: Determinar, mediante la cinemática de una partícula, su movimiento en la descarga del recipiente Objetivos Específicos: Proponer un experimento que permita cumplir con el objetivo general Proponer hipótesis acerca de por qué existen diferencias entre dos tipos de recipientes de descarga Obtener datos experimentales de las líneas de corrientes descritas por una partícula Registrar el efecto de circulación debido a la fuerza de Coriolis, en conjunto con la acción generada por el caudal de entrada de agua. Figura 3: Diagrama esquemático de cada experiencia CONCLUSIONES En el desarrollo de este trabajo se ha demostrado que la mayoría de los estudiantes son capaces de aplicar conocimiento científico-tecnológico en distintos ámbitos, aunque necesitan una guía constante para mejorar la elaborar del problema. Los trabajos relacionados con la experiencia desarrollada en el Laboratorio de Investigación de Innovación Científico – Tecnológica (LIBAC), han demostrado que los estudiantes son capaz de aportar ideas innovativas y potencialmente útiles. Sin embargo, se observaron dificultades en aplicar sus conocimientos para transformar sus ideas en propuestas tecnológicas. Con el fin de superar estas dificultades, fue necesario trabajar sistemáticamente con cada uno de los estudiantes con el fin de asistirlos en la tarea de modelar científicamente las propuestas antes de proceder con el dimensionamiento, cálculo y optimización de los problemas. Es importante señalar que en algunos casos de estudio se observó un bajo rendimiento de los alumnos. Esto puede ser debido a varios factores tales como: la carga de cursos por semestre (6 al semestre), la falta de madurez y profesionalismo de los estudiantes de nivel medio, la cultura educacional tradicional actual y la no tributación de las actividades debido a su carácter extracurricular. Con respecto al trabajo realizado con los alumnos de último nivel, se tienen factores importantes a considerar, como son: madurez de conocimientos, trabajo autónomo en cursos previos, y motivación para llevar a cabo un buen trabajo de titulación. Todo esto sumado, lleva al interés de realizar un trabajo de titulación serio y responsable. Los trabajos presentados en este artículo han sido realizados en un semestre y sacan a la luz la capacidad de los estudiantes en realizar un trabajo de tesis de primer nivel. Dichos trabajos obtuvieron notas máximas en sus defensas y fueron presentados en congresos internacionales y publicados en revistas de alto impacto científico. El trabajo realizado en conjunto con el curso de Mecánica de Fluidos ha traído resultados positivos, ya que se comprobó que existe la capacidad de los estudiantes de aplicar modelos matemáticos a los problemas planteados, y así obtener resultados preliminares ante otros problemas con mayor dificultad. Con el fin de mejorar la capacidad de aplicar conocimientos a problemas reales a través del modelamiento, se recomienda realizar actividades de profundización selectiva en ramos de ciencias básicas de manera de contextualizar la especialidaden forma temprana y además implementar problemas del mundo real en asignaturas de las ciencias de la ingeniería. Para lograr este objetivo, se deben lograr acuerdos con el fin de transferir SCT de cursos poco relevantes al perfil de egreso. De esta manera se podrían liberar espacios para incursionar en actividades que mejoren el desarrollo de la capacidad de modelamiento de problemas. AGRADECIMIENTOS Se agradece al Departamento de Ingeniería Mecánica y a la Vicerrectoría Académica de la Universidad de Santiago de Chile por sus contribuciones a este estudio. REFERENCIAS Instituto de Ingenieros de Chile. (2014): Desafíos y Perspectivas de la Ingeniería Chilena, Santiago. Chile. Letelier, M., González, A., (2016) Implementación de un Laboratorio de Investigación en Innovación de Base Científico-Tecnológica. XXIX Congreso Chileno de Educación en Ingeniería. Letelier, M., González, A., Siginer, D., Gutierrez, S., Arratia, P., (2016) IMECE 2016-65436. Viscoelastic Flow in Teardrop-Shaped Tubes: Transversal Field. American Society of Mechanical Engineers. Letelier, M., González, A., Siginer, D., Barrera, C., (2017) Elasto-viscoplastic Fluid Flow in Tubes of Arbitrary Cross-Section. Applied Mathematical Modeling. Letelier, M., González, A., Siginer, D., Arrigada, G., (2017) IMECE 2017-70994. Heat Transfer Optimization in Laminar Flow of Non-Linear Viscoelastic Fluids in Asymmetric Straight Ducts with Inclusions. American Society of Mechanical Engineers. SYN- Iniciativa Ingeniería 2030. (2013): Informe N°1: Factores y Tendencias Claves de la Ingeniería a Nivel Internacional. Ingeniería 2030, Programa para transformar las Escuelas de Ingeniería Chilenas en entidades de clases mundial hacia el año 2030. Santiago. Chile.
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