MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

El propósito de este proyecto es la inclusión en los programas formativos de grado en Ingeniería y Máster de la ETSI de Minas y Energía (ETSIME-UPM) de la Impresión 3D como herramienta tecnológica didáctica para el desarrollo de las competencias de Creatividad, Resolución de Problemas (de diseño tridimensional) y uso de las TIC, aportando a los estudiantes la capacidad de desenvolverse con la tecnología de impresión 3D -que ya hoy está ampliamente extendida en la sociedad-. La incorporación del “Making” en el aula pretende incrementar el interés y la motivación del alumnado por los procesos de diseño y prototipado, ambas labores fundamentales en la carrera profesional de un ingeniero, así como mejorar su capacitación para la visualización tridimensional. El amplio espectro de soluciones que aporta esta tecnología la dota de un marcado carácter transversal, por lo que se propone la incorporación de esta formación durante el primer curso de los Grados en Ingeniería de la ETSI M y E y en los grados de Máster en Ingeniería de Energía  y Máster Universitario en Ingeniería de Minas . La incorporación de un laboratorio de Fabricación digital (o FabLabs) ayudará a los estudiantes a desarrollar sus habilidades creativas en un espacio de trabajo colaborativo (makerspace) que podrán aplicar a lo largo de su vida formativa, tanto en asignaturas de cursos superiores de Grado y Máster como en Trabajos Fin de Estudios y de Investigación, así como en su trayectoria profesional. La transversalidad de la propuesta también viene marcada por la inclusión de retos provenientes de áreas de conocimiento relacionadas con asignaturas de Física e Ingeniería en un entorno de diseño gráfico y visualización espacial de problemas.

El proyecto implica a las asignaturas de Expresión Gráfica y Física I, impartidas en todos los grados en Ingeniería de la ETSI de Minas y Energía, y a las asignaturas de Máster “Gestión Avanzada de Combustibles II y III” (Master de Ingeniería de Minas) y “Tecnología de Gas, Petróleo y Carbón” (Master en Ingeniería de la Energía) implicando a más de 500 alumnos al año (de acuerdo a las matriculaciones del curso 2019/20).

INTRODUCCIÓN

Tradicionalmente, la fabricación de objetos podría realizarse a través de la combinación de tres procesos: sustracción de materia (esculpido, talla, fresado), combinación de materiales (tejido, collage) o deformación de materia (moldeado, plegado). La impresión 3D, sin embargo, permite crear piezas en un solo paso capa a capa, pudiendo estar constituido el objeto por mecanismos internos (como rodamientos o engranajes), formas tejidas y entrelazadas o incluso huecos y curvas. De forma común a todos los procesos de impresión 3D, los objetos se imprimen capa a capa mediante un procedimiento conocido como fabricación aditiva. Algunos autores hacen referencia a la tercera revolución industrial cuando hablan de la impresión 3D, dada su capacidad de crear a demanda objetos que responden a las necesidades de los usuarios, propugnando un nuevo modo de fabricación: la personalización masiva. Esta tecnología ya está produciendo cambios sustanciales en la sociedad, y éstos se verán incrementados en el tiempo. La impresión 3D permite poner el proceso de fabricación al alcance de todos, fabricar objetos sin embalaje (con las repercusiones medioambientales positivas que esto supone), reducir los costes de fabricación, la elaboración colaborativa de nuevos diseños tridimensionales, y la distribución mundial de los mismos a través de internet. Prácticamente, todos los sectores industriales y sociales (ingeniería, educación, investigación científica, sanidad, arte, alimentación, defensa…) son susceptibles de modificar en profundidad el prototipado y fabricación de productos a través de la impresión 3D (Berchon et al. 2016).

La importancia del prototipado dentro del proceso iterativo en el diseño de soluciones ingenieriles se hace manifiesta a través de la incorporación de  metodologías innovadoras para la resolución de problemas, como el “Design Thinking”, en los programas formativos de grado y máster. Sin embargo, la incorporación de estas metodologías en asignaturas relacionadas con la gestión de proyectos se ve dificultada por la falta de familiarización de los estudiantes con la impresión 3D durante los primeros cursos de grado (Llamas et al. 2019). Esta carencia es perfectamente extensible a todas aquellas asignaturas en las que la resolución de problemas de ingeniería deriva en el diseño y dimensionamiento de equipos y componentes, así como representaciones tridimensionales de formaciones geológicas, instalaciones mineras e industriales, plantas solares y eólicas, etc.

En el ámbito educativo, la impresión 3D permite llevar a los estudiantes los contenidos de matemáticas e ingeniería a un mundo físico de forma sencilla (Moreno Garcia 2016). La importancia de la impresión 3D en el ámbito educativo superior ha dado lugar al desarrollo de competencias y resultados de aprendizaje para el desarrollo de programas docentes específicos (Benavente et al. 2017) y ha dado pie a proyectos de innovación docente para su incorporación en asignaturas de expresión gráfica en grados de arquitectura (Rodriguez Méndez y García Gago 2016) e Ingeniería Mecánica (Ramirez et al. 2018) en otras Universidades. En dichos estudios los estudiantes mejoraron los resultados de las pruebas de visualización cuando se empleaban piezas impresas en 3D. Según una encuesta realizada a los alumnos, la mayoría opinó que la aplicación de metodologías relacionadas con el diseño y la impresión 3D mejoró su comprensión de los conceptos trabajados en clase, mejoró la comprensión de problemas relacionados con un componente espacial, incrementó su motivación para innovar y crear, y concluyó que los conocimientos adquiridos son de utilidad a la hora de afrontar trabajos de clase y proyectos finales.

Por todo ello, la hipótesis planteada en este proyecto es que las metodologías didácticas que incorporen tecnologías de diseño e impresión 3D facilitan la adquisición de competencias relativas al uso de las TIC, la visualización tridimensional, la resolución de problemas con componente espacial y la creatividad, capacitando al alumnado para entender la relación entre las materias estudiadas en los grados y postgrados relacionados con la ingeniería en la ETSI de Minas y Energía y la realidad física, motivándolo a materializar prototipos e ideas.

METODOLOGÍA

Lo que se propone en este proyecto es la incorporación del diseño y la impresión 3D en las asignaturas de Expresión Gráfica de los Grados impartidos en la ETSI de Minas y Energía, así como en las asignaturas en las que se imparte materia relacionado con el diseño gráfico en los Másteres de Ingeniería de Energía y de Ingeniería de Minas. Para ello, se seguirán dos líneas de actuación principales: (a) a través de la impresión de objetos 3D en actividades de visualización en clase y (b) mediante la impartición de clases prácticas sobre impresión 3D.

a. Actividades de Visualización e impresión 3D (Aplicable a asignaturas de Grado):

Las actividades de visualización que se desarrollan actualmente, consisten en la representación en superficies bidimensionales de objetos tridimensionales representados en papel. Durante muchos años, se ha podido observar que parte del alumnado, de forma sistemática, presentan dificultades para entender espacialmente las figuras tridimensionales. Por ello, lo que se propone en este proyecto es el diseño e impresión 3D de dichas figuras para facilitar su comprensión espacial. Los modelos impresos a escala real se entregarán a los estudiantes, de forma que puedan identificar formas, medidas reales y generar las proyecciones en dos dimensiones de forma adecuada. Además, estos objetos podrán utilizarse en la impartición de asignaturas como Física I donde también es necesaria la visualización 3D para la comprensión de la componente espacial en varios problemas.

b. Prácticas de Impresión 3D (Aplicable a asignaturas de Grado y Máster)

En esta línea de actuación, lo que se propone es la implementación de un Laboratorio de Impresión 3D (FabLab) dentro de las asignaturas con materia enfocada en el Diseño Gráfico. Las actividades formativas que se incorporarán en dicho Laboratorio consistirán en:

1. Formación práctica sobre diseño 3D. Se guiará los alumnos a través de un ejemplo práctico sobre los fundamentos del diseño 3D con el software de libre distribución SketchUp, facilitándoles así mismo video tutoriales y guiones de aprendizaje autónomo. Así mismo, se aplicará el aprendizaje basado en retos, proponiéndoles diseños de diferentes piezas para que trabajen individualmente o en grupo fuera del aula. Para la resolución de dudas, durante la sesión de clase los alumnos contarán con la ayuda del profesor y alumnos “Monitores” en las asignaturas de Grado (la asignatura de Expresión Gráfica participa con el proyecto Monitor en la ETSI de Minas y Energía desde su comienzo). Para la resolución de dudas sobre los retos de forma asíncrona y no presencial, los alumnos cuentan con vFAQ, que consisten en video tutoriales con problemas frecuentemente encontrados en la resolución de dichos ejercicios y que cuentan, además, con cuestionarios de autoevaluación implementados en Moodle. El sistema vFAQ se desarrolló a través de un PIE en la convocatoria de 2018 (Código IE1819.0604), produciendo dos contribuciones al congreso CINAIC 2019 (Amez et al. 2019; Castells et al. 2019).
2. Formación teórica sobre Impresión 3D. Se les proporcionará a los alumnos información sobre la historia de la impresión 3D, los tipos de procesos e impresoras 3D, los materiales empleados, las fases de modelado y preparación, la fase de impresión y el acabado. Para ello, se empleará la metodología de Flip Teaching cuyo material didáctico y pruebas de autoevaluación están ya desarrollados en el marco del MOOC “Imprimiendo en 3D”, bajo el amparo de un Proyecto de Innovación Educativa de la UPM.
3. Formación práctica sobre Impresión 3D. Se realizará, de forma presencial en el aula, una actividad consistente en el planteamiento de un reto de diseño con fundamento físico e ingenieril, generando una pieza completamente funcional (i.e. el diseño de un engranaje en grado/ diseño de una pieza de una instalación industrial en Máster). Los alumnos, tendrán que resolver los cálculos para realizar el dimensionamiento del diseño y se les resolverán las dudas en cuanto al proceso de diseño 3D con SketchUp. En una segunda parte de la actividad, los alumnos tendrán una sesión de demostración con el profesor sobre la preparación del modelo tridimensional para su impresión tridimensional con el software CURA. Los alumnos podrán ver el diseño ya impreso al final de la clase. Se diseñará un cuestionario online para evaluar el aprendizaje de los alumnos. Además, los alumnos podrán matricularse en el MOOC “Imprimiendo en 3D”, que ha sido creado por profesores participantes en esta solicitud y que ya ha sido realizado en 3 ediciones bajo la supervisión de la UPM y MiriadaX.
4. Diseño libre de piezas tridimensionales. Para motivar a los estudiantes a realizar sus propias piezas, se organizará un concurso voluntario de diseño consistente en el desarrollo de un diseño original acompañado de una motivación por parte de su autor en el caso de los estudios de Grado. En la docencia relativa a Máster, el diseño tridimensional será obligatorio y fundamentado en un trabajo de diseño ingenieril. A través de las redes sociales institucionales (como la cuenta de Instagram de la Escuela), se procederá a una votación abierta de los diseños. Los tres diseños más votados serán impresos en la impresora del departamento y expuestos en la escuela de forma conveniente. El empleo de redes sociales pretende fomentar la participación del alumnado y aumentar la difusión de la labor formativa de la escuela. A los alumnos ganadores en Grado se les asignará una insignia digital desde la plataforma Moodle.

Los aspectos destacables del proyecto son:

• Disponibilidad del material docente: la participación del profesorado involucrado en este proyecto en distintos PIEs permite que gran parte de los recursos didácticos a emplear ya se encuentren disponibles.
• Infraestructura: el Departamento de Energía y Combustible tiene a su disposición una impresora 3D disponible para ser empleada en el proyecto.
• Accesibilidad: Los estudiantes pueden acceder a los contenidos didácticos a cualquier hora y lugar a través de internet.
• Colaboración: Los estudiantes cuentan con los medios de colaborar entre sí, tanto dentro como fuera del aula a través de las plataformas Moodle y YouTube. El empleo de redes sociales permite la retroalimentación de los diseños con agentes externos a la universidad.
• Transversalidad: La propuesta cuenta con la colaboración de profesores que imparten materias diferentes a la de expresión gráfica, permitiendo incorporar fundamentos de física e ingeniería al diseño e impresión 3D y viceversa (los profesores de expresión gráfica pueden fabricar objetos materiales que faciliten el entendimiento de problemas de Física).  
• Creación de Evidencias: La inclusión de cuestionarios y vFAQ en Moodle permite obtener evidencias sobre el proceso de aprendizaje del alumnado, proporcionar retroalimentación al estudiante y al profesorado. La evaluación de la mejora del proceso de aprendizaje en materia de visualización y física es fácilmente implementable a través de la comparación de las calificaciones obtenidas en los ejercicios de cursos anteriores. Los aspectos relativos a la percepción de la utilidad del laboratorio de impresión 3D se analizará a través de una encuesta al alumnado. La motivación de los estudiantes podrá evaluarse a través de la participación en el concurso y el número de interacciones en las redes sociales.
• Sostenibilidad temporal y alcance: Una vez creados los contenidos didácticos e implementada la metodología, los laboratorios se podrán impartir en todos los cursos de manera indefinida.

REFERENCIAS

Amez I, Biosca B, Castells B, et al (2019) Implantación de un sistema de vídeo-tutoría basado en dudas frecuentes: vFAQ. In: V Congreso Internacional sobre innovación, aprendizaje y cooperación CINAIC 2019. pp 34–38

Benavente R, Patrao I, Small G, Tsianos N (2017) Formación Integral en competencias para Impresión 3D. doi: 10.4995/inred2017.2017.6766

Berchon M, Luyt B, Rosney J (2016) La impresión 3D : Guía definitiva para makers, diseñadores, artistas y manitas en general. Gustavo Gili

Castells B, Biosca B, Amez I, et al (2019) Video Tutoriales y su influencia en el aprendizaje. In: V Congreso Internacional sobre innovación, aprendizaje y cooperación CINAIC 2019. pp 279–283

Llamas B, Ortega MF, Barrio-Parra F, et al (2019) Proyecto MINENERGYDESIGN: modelo de aplicación de la metodología Design Thinking en el aprendizaje en la gestión de proyectos de ingeniería. In: 2V Congreso Internacional sobre innovación, aprendizaje y cooperación CINAIC 2019. pp 39–43

Moreno Garcia AM (2016) Impresión en 3D para la enseñanza de la geometría en 5o de primaria. Universidad Internacional de La Rioja

Ramirez R, Blasnilo E, Diaz J, et al (2018) 3D Printing as a Didactic Tool for Teaching some Engineering and Design Concepts. Ingeniería 23:70 . doi: 10.14483/23448393.12248

Rodriguez Méndez FJ, García Gago JM (2016) Proyecto de Innovación Docente: Impresión 3D en las asignaturas de Expresión Gráfica del Grado de Arquitectura Técnica. Memoria de Resultados

La presente propuesta de Proyecto de Innovación Educativa tiene como objetivo introducir competencias relacionadas con el diseño y la impresión 3D en el alumnado de primer curso de grado y máster, así como la mejora de los resultados de aprendizaje relacionados con la visualización y resolución de problemas con componente tridimensional.

Los objetivos específicos del proyecto son:

Objetivos de aprendizaje.

• Desarrollo de las competencias de Creatividad, Resolución de Problemas (de diseño tridimensional) y uso de las TIC.
• Dotar a los estudiantes de herramientas de diseño y las habilidades necesarias para preparar ficheros 3D para su impresión.
• Conferir a los estudiantes los conocimientos necesarios sobre la tecnología de impresión 3D en relación con los procesos y materiales implicados.
• Otorgar a los estudiantes las habilidades y conocimientos necesarios para trabajar de forma segura con una Impresora 3D.
• Motivar a los estudiantes a la materialización de soluciones de ingeniería a través del diseño y la impresión 3D.
• Fomentar el aprendizaje autónomo y colaborativo a lo largo de la vida.
• Motivar a los alumnos mediante agentes facilitadores del flujo de conocimiento.

Objetivos de innovación.

• Analizar el impacto de la impresión 3D en la comprensión de problemas de visualización.
• Evaluar la utilidad de la impresión 3D en el desarrollo de proyectos y trabajos fin de estudios.
• Obtención de un modelo metodológico para incorporar la impresión 3D en los estudios de ingeniería.
• Aplicar el diseño de piezas para la demostración y comprensión de principios físicos.

Este proyecto de innovación educativa enfoca su actuación en la mejora de:

• Las habilidades de visualización en tres dimensiones.
• Los conocimientos del alumnado sobre diseño e impresión 3D.
• Las habilidades de los estudiantes para plantear soluciones creativas a problemas de diseño aplicados a ingeniería.
• La motivación de los alumnos para prototipar y testar soluciones a problemas de ingeniería.
• La comprensión de problemas físicos en un entorno tridimensional.

El proyecto pretende solventar las siguientes deficiencias:

• Falta de habilidades relacionadas con el diseño e impresión 3D para abordar labores de prototipado en proyectos de cursos superiores y trabajos fin de estudios.

Las distintas fases, dentro de cada asignatura, por las que pasará el proyecto serán:

• Fase I: Creación de un repositorio de material audiovisual y cuestionarios en Moodle para el acceso a los contenidos impartidos por el método de Aula Invertida y para el aprendizaje autónomo.
• Fase II: Diseño e Impresión de las piezas empleadas en los ejercicios de visualización y en las clases de Física I.
• Fase III: Elaboración de un guion de prácticas para el planteamiento del reto de diseño en ingeniería y su procesado para su impresión.
• Fase IV: Organización del concurso de diseño libre 3D
• Fase V: Recopilación de evidencias a partir de los resultados obtenidos y su análisis.
• Fase VI: Difusión de los resultados más relevantes y de las conclusiones.

Los recursos que se utilizarán son:

• Impresora 3D (recurso del departamento) modelo Sigma BCN3D. Se trata de una impresora con doble extrusor independiente, que permite imprimir piezas multimaterial de alta resolución.
• Programas gratuitos de edición de vídeos.
• Material docente elaborado previamente en los PIEs vFAQ (Código IE1819.0604) y MOOC “Imprimiendo en 3D”.
• Plataforma Moodle de cada asignatura.
• Canales institucionales de YouTube e Instagram.

El material didáctico a desarrollar estará compuesto por:

• Piezas impresas en 3D para los ejercicios de visualización y prácticas en Expresión Gráfica y Física I.
• Guiones y tutoriales para afrontar el diseño e impresión 3D de un reto en ingeniería.
• Imágenes y videos de diseños tridimensionales elaborados por los alumnos en las redes sociales institucionales de La Escuela.
• Piezas ganadoras del concurso de diseño impresos en 3D.

Para el seguimiento y la evaluación se realizarán los siguientes procedimiento

Control interno:

• Cuestionarios en los repositorios para evaluar el aprendizaje producido tras el consumo del contenido Flip.
• Seguimiento y evaluación de las actividades de visualización en clase presencial.
• Seguimiento de las actividades de diseño presenciales.
• Evaluación mediante cuestionario de los conocimientos adquiridos sobre impresión 3D.
• Realización de encuestas de opinión a los alumnos.

Control externo:

• Seguimiento de las visualizaciones de los videos en la plataforma y control del aprendizaje a través de la plataforma Moodle.
• Evaluación de la adquisición de habilidades de visualización 3D mediante prueba presencial.
• Evaluación de la utilidad de la propuesta mediante cuestionario a profesores que imparten materia en cursos superiores.

Como resultado de este proyecto se obtendrá un guion de prácticas completo (publicable en repositorios de la UPM para su transferencia interna y externa a la UPM) además de los videotutoriales ya publicados en anteriores Proyectos de Innovación Educativa.

Además, se obtendrá una colección de piezas impresas para su uso en las clases de visualización, en el laboratorio de impresión 3D y en las clases de Física I. Los diseños en 3D estarán disponibles en abierto a través de repositorios virtuales para su impresión en otros centros educativos. Así mismo, se irá generando curso tras curso, una colección de diseños tridimensionales generados por los alumnos y compartidos a través de los medios institucionales de la Escuela de Minas y Energía.

La mayor parte de los alumnos que recibirán el impacto de la innovación serán los que cursen asignaturas de primero de grado. Las habilidades adquiridas por los estudiantes podrán ser transferidas verticalmente a un gran número de asignaturas cursadas en cursos posteriores. Además, la metodología se implantará en asignaturas de Máster, como “Gestión Avanzada de Combustibles II y III” (Master de Ingeniería de Minas) o “Tecnología de Gas, Petróleo y Carbón” (Master en Ingeniería de la Energía), en los que se hará uso de la impresión 3D para la fabricación de piezas que representan elementos de plantas de tratamiento de combustibles diseñados por los estudiantes. En estas asignaturas, se explican programas informáticos de gestión de proyectos (Microsoft Project ®, Primavera ®) y se abordan la metodología BIM (Building Information Modeling) a través de softwares como 4D Synchro ® , Tilos ®

Asimismo, de la experiencia que pueda extraerse de este proyecto, se actualizará el MOOC “Imprimiendo en 3D” con nuevos recursos habilitables para siguientes ediciones del mismo. El objetivo será, a futuro, integrar estas herramientas con la impresión 3D .

Los resultados del proyecto se divulgarán mediante, al menos, una comunicación a un Congreso internacional sobre Innovación Docente (i.e. las jornadas TEEM "Technological Ecosystems for Enhancing Multiculturality" o el XI Congreso Iberoamericano de Docencia Universitaria "CIDU 2020") con la correspondiente publicación en libro de actas con ISBN y DOI.

Asimismo, de la experiencia extraída de este proyecto, se implementarán nuevos recursos (vídeos, documentos, etc.) en el MOOC “Imprimiendo en 3D” para futuras ediciones del mismo.

Los miembros del equipo del Proyecto, que forman parte del Departamento de Energía y Combustibles, colaborarán con la empresa que comercializa la impresora 3D (Barcelona Three Dimensional Printers, S.L.). Esta empresa es una spin-off de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Asimismo, se contará con la colaboración de expertos en impresión 3D que participaron en la elaboración del MOOC “Imprimiendo en 3D".