El proyecto SUCRE4Kids: Una iniciativa de hardware y software libre para la introducción a la programación

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Novática 240: Maletin SucreKit

Resumen

SUCRE4Kids es un proyecto que intenta fomentar la curiosidad y la vocación científica, el pensamiento computacional y la programación en el alumnado de educación secundaria, ciclos formativos y bachillerato. Enmarcado dentro de las competencias STEM, SUCRE4Kids combina el uso de dispositivos inteligentes y componentes electrónicos con la programación visual basada en bloques para la realización de proyectos reales. El maletín de componentes SUCREKit incluye los diferentes dispositivos hardware (microcontrolador, sensores y actuadores) que se ensamblan para dar forma a los proyectos propuestos. La programación del montaje hardware se realiza mediante una herramienta de programación visual basada en bloques, donde cada bloque identifica conceptos de computación y los dispositivos electrónicos del maletín, para así dar funcionalidad al montaje y resolver el proyecto.

Carlos Granell Canut

Instituto de Nuevas Tecnologías de la Imagen (INIT)

Novática 240: Carlos Granell

Carlos Granell es actualmente investigador en Ramón y Cajal en el grupo GEOTEC (Gesspatial Technollgies) de la Universitat Jaume I de Castellón. Sus líneas de investigación se centran en la aplicación multidisciplinaria de los Sistemas de Información Geográficos (SIG), el análisis y visualización espacial, la reproducibilidad en la investigación, y el tratamiento de contenido y datos geográficos generados por los usuarios en proyectos de ciencia ciudadana. Comunicador de la ciencia y en el laboratorio, geo-científico.

Sergio Trilles Oliver

Universitat Jaume I (Castelló de la Plana)

Novática 240: Sergio Trilles

Sergio Trilles es investigador en el ámbito de los Sistemas de Información Geoespacial (GIS), amante de la tecnología. Tiene experiencia en diferentes campos de las ciencias geoespaciales, como el geoprocesamiento, la interoperabilidad, los sensores o el mapeado web. Recibió su doctorado en Integración de la información geoespacial por la Universidad Jaume I en 2015 con la calificación de sobresaliente Cum Laude. Ha realizado diferentes estancias internacionales, en la que destaca su periodo de cuatro meses en la unidad de Digital Earth and Reference data en el Centro Común de Investigación (JRC) de la Comisión Europea. Actualmente, es investigador postdoctoral en el grupo GEOTEC (Universitat Jaume I) y docente en la Universidad Isabel I.

 

1. Introducción

En un reciente informe sobre la situación de los estudios en informática en Europa [9], donde se compara la mayoría de los países europeos en cuanto a número de estudiantes en carreras relacionadas con las ciencias de la computación e informática, España no aparece destacada en las primeras posiciones. Se observa una tendencia decreciente sostenida entre los años 2011-2016, lo cual resulta especialmente preocupante si tenemos en cuenta que la ratio de estudiantes en informática por millón de habitantes es de por sí bajo en nuestro país [9].

Este informe deja entrever que la demanda y la oferta de profesionales en estudios relacionados con la informática no se ajusta, sobrepasando de largo la demanda a la oferta existente. Lejos de reducirse, ese desajuste se estima que irá en aumento, con el potencial riesgo de convertir la informática en Europa en una profesión de “cuello de botella” en los próximos años. Para 2025, se estima un incremento del 13% en la demanda de profesionales relacionados con competencias STEM (ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas) [5]. Contrariamente, según la OCDE (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos), los estudiantes de secundaria de hoy – que serán los profesionales de mañana – presentan destrezas desiguales en sus niveles de conocimiento en Ciencias y Matemáticas, ocupando España, posiciones medias-bajas en sus resultados.

SUCRE4Kids tiene como objetivo principal el fomento de la curiosidad y las vocaciones científicas en alumnado de secundaria, ciclos formativos y bachillerato mediante la promoción del pensamiento computacional y la programación.

El panorama actual no ayuda en absoluto a la promoción de los estudios de informática entre los estudiantes pre-universitarios, que es el público objetivo de nuestro proyecto. SUCRE4Kids [14] tiene como objetivo principal el fomento de la curiosidad y las vocaciones científicas en alumnado de secundaria, ciclos formativos y bachillerato mediante la promoción del pensamiento computacional y la programación. En un artículo anterior pusimos el foco en cómo llevamos a la práctica el proyecto en las aulas para transformar el aprendizaje de la programación en una actividad social y tangible, capaz de captar la curiosidad y atención de los estudiantes [8]. En este artículo, nos centramos en los elementos científico-técnicos que definen el proyecto SUCRE4Kids, tanto en la parte hardware como software.

Tras esta introducción, la segunda sección (Sección 2) muestra los conceptos sobre los que se asienta el proyecto SUCRE4Kids. Seguidamente, la Sección 3 describe los detalles científico-técnicos del proyecto. Luego, en la Sección 4 relatamos brevemente las experiencias de los estudiantes con SUCRE4Kids. Finalmente, se cierra el artículo con una comparación del proyecto SUCRE4Kids con otras iniciativas similares, junto con las conclusiones finales y trabajo futuro.

2. Conceptos relacionados

En esta selección se detallan los tres conceptos clave del proyecto: componentes de hardware abierto, programación visual por bloques y las prácticas y competencias que definen el pensamiento computacional.

2.1 Componentes hardware libre

Desde hace más de dos décadas, el movimiento de hardware abierto o libre, ha entrado en escena. Análogamente al movimiento de software libre [4], el hardware libre pone al alcance de la comunidad dispositivos y componentes que son relativamente fáciles de usar, modificar y de compartir y distribuir las mejoras realizadas. La contribución a la comunidad se realiza mediante la aportación de los ficheros que definen el diseño y la especificación de cada uno de sus componentes, como esquemas, PCB, etc. Dependiendo de la naturaleza de los desarrollos hardware, estos se pueden clasificar en:

  • Hardware estático. Es la parte tangible del desarrollo, está compuesto de los pequeños componentes electrónicos que forman el ensamblaje electrónico. Ejemplos de ellos son tarjetas de circuito impreso, resistencias, capacitores, LEDs, sensores, etcétera. También se incluye dentro de esta categoría el circuito esquemático e información del diseño y de sus componentes y su documentación.
  • Hardware reconfigurable. A diferencia del estático, no es apreciable a primera vista. Se describe mediante un HDL (Hardware Description Language). Similar al software, permite definir y especificar la funcionalidad que tendrá el hardware. El resultado son ficheros que contienen el código fuente para el funcionamiento del dispositivo electrónico.

Arduino1 es posiblemente uno de los desarrollos de hardware más extendidos y que cuenta con la mayor comunidad de usuarios. Arduino ha sido la plataforma abierta por excelencia y cuenta con centenares de modificaciones sobre el desarrollo original. Su éxito recae en la facilidad para la construcción de prototipos y el bajo coste que ofrecía en sus inicios frente a otras soluciones propietarias. Además, Arduino es muy versátil ya que puede comunicarse e interaccionar con una gran gama de dispositivos y/o sistemas electrónicos externos, como sensores, actuadores, sistemas de comunicación, etc. formando el núcleo de la iniciativa SUCRE4Kids.

2.2 Programación por bloques

La programación por bloques es una forma de programación visual que no requiere escribir líneas de código. Cada bloque representa un concepto básico de programación (bucles, condicionales, asignación de variables, etc.). La codificación de un programa se realiza arrastrando bloques y uniéndolos a los existentes de forma que sigan el orden adecuado para la finalidad requerida. Se suele utilizar códigos de colores para identificar el tipo de instrucción de un bloque, ya sea una instrucción de control de flujo, asignaciones u operadores, entre otros. El hecho que no se escriben líneas de código facilita que no existan errores de sintaxis, por lo que reduce su complejidad y lo hace apto para un público adolescente carente en su mayoría de experiencia con la prácticas y conceptos de la programación.

Existen varias iniciativas relacionadas con la programación visual basadas en bloques [2], como la veterana Scratch [11], MIT App Inventor [10], y el proyecto de código abierto de Google Blockly [6]. Ésta última ha sido la elegida para desarrollar la propuesta que se presenta, debido a que es de código abierto y altamente extensible y personalizable.

2.3 El pensamiento computacional y la cultura maker

El pensamiento computacional [15] engloba las habilidades necesarias para la resolución de problemas mediante competencias como la descomposición, diseño de algoritmos y razonamiento lógico. Mediante el estudio de múltiples experimentos de programación con Scratch, Brennan y Resnick [4] propusieron 7 conceptos computacionales (secuencia, bucles, eventos, paralelismo, condicionales, operadores y variables/datos) y cuatro prácticas (experimentación iterativa, testing y debugging, reutilización y remezcla, abstracción y modularización). Los continuos avances tecnológicos conllevan irremediablemente un cambio hacia estos conceptos y habilidades computacionales que son necesarias en el desarrollo de muchas profesiones. El estudiantado, así como también el profesorado [1], deben conocer y afianzar estas nuevas competencias y habilidades computacionales ya que, de una u otra forma, estarán presentes en las profesiones del futuro. SUCRE4Kids tiene en cuenta además de potenciar, unos más que otros, los conceptos y prácticas computacionales anteriores.

El pensamiento computacional engloba las habilidades necesarias para la resolución de problemas mediante competencias como la descomposición, diseño de algoritmos y razonamiento lógico.

A parte de fomentar el pensamiento computacional, SUCRE4Kids pretende familiarizar al alumnado con la tecnología relacionada con dispositivos electrónicos y con el movimiento maker. El bajo coste de estos dispositivos electrónicos, unido a la creatividad y el afán de compartir conocimiento, que es una de las características de la cultura maker, está democratizando el uso creativo de esta tecnología para fines comerciales y personales, permitiendo que cualquier persona pueda diseñar y fabricar sus propios dispositivos inteligentes. De forma similar a Cubelets2, MOSS3 o LittleBits4, se da importancia a lo tangible, para que el alumnado pueda tocar y conectar, despertando un interés y conexión con el objetivo final, además de aprender a programar en definitiva [3].

3. La iniciativa SUCRE4Kids

El proyecto SUCRE4Kids combina el uso de dispositivos inteligentes y componentes electrónicos con la programación visual por bloques para la realización de proyectos reales.

En esta sección describimos los objetivos didácticos, elementos técnicos y materiales que lo forman. Intentamos que los estudiantes experimenten, que “aprendan haciendo” [13], fomentando que las sesiones sean abiertas, participativas y basadas en el trabajo colectivo. Pero sobre todo buscamos que SUCRE4Kids estimule su interés, curiosidad y agrado en el aprendizaje de la programación cuando lo que se programa, lo que se aprende haciendo, es un proyecto que realmente les importa.

3.1 El maletín SUCREKit

El maletín de invención SUCREKit (figura 2) contiene diferentes componentes electrónicos de hardware libre, los cuales se ensamblan para dar forma a una serie de proyectos propuestos, aunque también pueden ser ensamblados y combinados de múltiples formas, según la idea de proyecto del propio estudiante.

Figura 2: Fotografía general del maletín SucreKit y todos sus elementos.

El maletín incluye componentes electrónicos que recrean las mismas partes funcionales de un ordenador convencional: un núcleo y dispositivos de entrada y salida (E/S). El núcleo (microcontrolador y buses) está formado por un Arduino (figura 3) y un Shield (figura 4), llamado Grove, que facilita las conexiones de los dispositivos de E/S al núcleo.

Por lo referente al shield Grove, ofrece 16 conectores donde se conectan de forma fácil, con un click, los sensores y actuadores. De los dieciséis conectores, cuatro son analógicos, siete digitales, uno UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) y cuatro I2C (Inter Integrated Circuits).

Figura 3: Arduino Uno.

 

Figura 4: Shield grove.

Los sensores actúan de dispositivos de entrada de datos y los actuadores de salida de datos. Cabe destacar que las E/S pueden ser digitales o analógicas. Los sensores (entrada) sirven para capturar una variable del entorno, obteniendo como resultado un valor cuantitativo