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Hardware Arduino para la Educación

Hardware Arduino

Arduino es una plataforma para prototipado de electrónica basada en hardware y software libre y fácil de utilizar. Podemos construir circuitos electrónicos y programarlos con esta placa.

Realmente lo que estamos haciendo es programar un microcontrolador, estos dispositivos electrónicos programables nos rodean en nuestro día a día, en el coche, nuestra casa, el trabajo, etc…

Las principales características que podemos encontrar en nuestra placa de Arduino UNO son las siguientes:

  • El microcontrolador es un circuito integrado programable capaz de realizar operaciones matemáticas complejas a gran velocidad.
  • La alimentación de una placa de Arduino es mediante el puerto USB mientras se está programando. Una vez programado podemos desconectarlo del ordenador y que trabaje de forma autónoma y se alimenta Arduino mediante una fuente de alimentación o pila de 9V.
  • Tanto las entradas como las salidas dotan al sistema de información y realizan diferentes actuaciones.

Arduino contiene la siguiente distribución de pines:

  • Disponemos de 14 pines digitales que pueden ser configurados como entradas o salidas, de los cuales (serigrafiadas con el símbolo ~) pueden ser utilizados como señales digitales PWM 6 pines.
  • Igualmente disponemos de 6 pines analógicos serigrafiadas desde A0 hasta A5 para las entradas analógicas.
  • También disponemos de 3 pines GND para conectar a tierra nuestros circuitos.
  • Y por último 2 pines de alimentación de 5V y 3.3V respectivamente.

Para saber más:

Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.

  • Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc.
  • Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad o un sensor capacitivo), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

Un sensor nos va a poder medir/leer las variables ambientales de nuestro entorno para poder tomar decisiones en función de los cambios en el entorno.

Ejemplos de sensores. Kits Arduino: http://www.robotshop.com/en/37-modules-sensor-kit-arduino.html

Listado de componentes: http://tienda.bricogeek.com/upload/datasheets/SEN-0060/37-en-1-especificaciones.pdf

Actuadores

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre elemento externo. Este recibe la orden de un regulador, controlador o en nuestro caso un Arduino y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Existen varios tipos de actuadores como son:

  • Electrónicos
  • Hidráulicos
  • Neumáticos
  • Eléctricos
  • Motores
  • Bombas

En determinadas ocasiones, necesitamos un “driver” o manejador para poder mandar órdenes desde Arduino.

  • Recordad que los pines de Arduino solo pueden manejar un máximo de 40mA y recomendable usar 20mA de forma continua.
  • Recordar que Arduino solo puede manejar un total de 200 mA de salida. Es decir que la corriente máxima que admite Vcc y GND son 200 mA.

Un actuador nos permite interactuar con el entorno.

Periféricos

Periférico es la denominación genérica para designar al aparato o dispositivo auxiliar e independiente conectado a la unidad central de procesamiento o en este caso a Arduino. Se consideran periféricos a las unidades o dispositivos de hardware a través de los cuales Arduino se comunica con el exterior, y también a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

Ejemplos de periféricos:

  • Pantallas LCD
  • Teclados
  • Memorias externas
  • Cámaras
  • Micrófonos
  • Impresoras
  • Pantalla táctil
  • Displays numéricos
  • Zumbadores
  • Indicadores luminosos, etc…

En ocasiones para usar un periférico con Arduino, necesitamos un “driver” o manejador para poder mandar órdenes desde Arduino.

Shields Arduino

Las shields son placas de circuitos modulares que se montan unas encima de otras para dar funcionalidad extra a un Arduino. Esta Shields son apilables.

Existen miles de shields en función de lo que necessitemos: http://shieldlist.org/

Shields Educativos

Uno de los problemas que se encuentran a la hora de impartir un curso de electrónica y programación con Arduino en los colegios es la dificultad de comprobar los montajes de los circuitos de los alumnos. Sobre todo cuando se trata de los más pequeños.

Existen shields educativos que facilitan el trabajo en el aula. Son shields que o bien permiten conectar y listo o bien tienen varios componente integrados que evitan hacer cableados y no tener que saber de electrónica.

Shield Educativo Multifunción

Shield educativo + mblock https://www.prometec.net/blog-shield-educativo-multifuncion/

Echidna

EchidnaShield es un proyecto Open Source dirigido a facilitar el aprendizaje de la programación de sistemas físicos en los últimos cursos de Primaria y en Secundaria. Con este fin se ha diseñado un escudo para Arduino, pensando en su uso con entornos visuales de programación. El escudo está apoyado en una guía educativa con propuestas de actividades para el aula.

Toda la información en: http://echidna.es/

BQ Zum Kit

Web: https://www.bq.com/es/zum-kit

Grove Starter Kit

Web: https://www.seeedstudio.com/Grove-Starter-Kit-for-Arduino-p-1855.html

Grove System: http://www.seeedstudio.com/wiki/GROVE_System

Wiki: http://www.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_Starter_Kit_v3

Kit conectar y listo: http://www.electan.com/arduino-shield-kit-modulos-conectar-listo-p-2987.html  

Makey Makey

MaKey MaKey es una placa de circuito impreso con un microcontrolador ATMega32u4 que ejecuta el firmware de Arduino Leonardo. Utiliza el protocolo de dispositivos de interfaz humana (HID) para comunicarse con el ordenador, y puede enviar pulsaciones de teclas, clics del mouse y movimientos. Para detectar un circuito cerrado en los pines de entrada digital, usa switches de alta resistencia para que sea posible cerrar un interruptor incluso a través de materiales como la piel, hojas y play-doh. Usa una resistencia de pull-up de 22 mega ohms. Esta técnica atrae el ruido en la entrada, pero usa promediador para reducir el ruido mediante software, ahorrando dinero en el filtrado por hardware. Hay seis entradas en la parte frontal de la placa, que se pueden unir a través de conectores tipo cocodrilo o cualquier otro método que se te ocurra. Hay otras 12 entradas en la parte posterior, 6 para las teclas del teclado y 6 para el movimiento del mouse, a las que se puede acceder usando jumpers, clips o conectores de tipo cocodrilo de forma creativa alrededor de los conectores.

Más información:

Avanzado de Makey Makey

Firmware de Makey Makey: https://github.com/sparkfun/MaKeyMaKey/tree/master/firmware/Arduino/makey_makey

Repositorio Makey Makey: https://github.com/sparkfun/MaKeyMaKey

Web donde comprar: https://www.ro-botica.com/

Picuino

Picuino es una plataforma de hardware y software que facilita el desarrollo sencillo de proyectos interactivos.

Picuino: http://www.picuino.com/

NanoPlayBoard

NanoPlayBoard es un Shield educacional para Arduino Nano hecha en Almería.

Web del proyecto: http://nanoplayboard.org/

NanoPlayBoard tiene una librería ya configurada en la que está todo el código necesario para llevar a cabo esos experimentos básicos.

Una placa open sourece con muchas posibilidades:

littleBits

littleBits es una empresa con sede en la ciudad de Nueva York que hace una biblioteca de código abierto de electrónica modular, que consiste en juntar piezas con pequeños imanes para la creación de prototipos. El objetivo de la compañía es democratizar el hardware de la misma forma que el software y la impresión se han democratizado. La misión de littleBits es “poner el poder de la electrónica en manos de todos y analizar tecnologías complejas para que cualquiera pueda construir, crear prototipos e inventar”.

El kit de codificación little littlebits Arduino permite a los usuarios comenzar a crear inventos que se comunican con el software (Processing, MaxMSP, etc.), con el apoyo de instrucciones paso a paso, recursos útiles en línea y 8 bocetos de muestra (código prefabricado) incluido. Aprende las habilidades del futuro: codificación, ingeniería y creatividad.

Web: https://www.littlebits.com/

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Arduino en la Educación

Arduino nace en Interaction Design Institute Ivrea (IDII) en Italia como una placa programable barata y sencilla de usar para utilizar en proyectos de diseño interactivo. Arduino ya nació en el entorno de la educación, pero rápidamente se extendió su uso en otros muchos entornos como IoT, Arte, Impresoras 3D, drones, robótica, industria, domótica, etc…

El equipo estuvo formado por Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino y David Mellis y debe su nombre de Arduino a un bar de Ivrea.

A lo largo de estos años Arduino ha sido la base de miles de proyectos tecnológicos. Y, actualmente, más de una década después, Arduino continúa proporcionando hardware y software de código abierto para desarrollar nuevos proyectos relacionados con las tecnologías que más están evolucionando en los últimos años como las impresoras en 3D, los drones o la robótica.

Al tratarse de hardware libre la placa Arduino se popularizó muy rápidamente y se creó una comunidad muy activa que ayudó a que creciese de forma exponencial el uso de las placas Arduino. Este respaldo de la comunidad mundial en movimiento y expansión, que incluye a programadores, aficionados, diseñadores y educadores que han ido introducido numerosos desarrollos que han permitido ampliar el tipo de software utilizado para programar nuevo hardware. Siempre inspirada en la filosofía de la cultura libre y la compartición del conocimiento, contribuyendo así al origen del Movimiento Maker.

Arduino, ha permitido aplicar la electrónica al alcance de todas las personas para proyectos de educación, arte, entretenimiento y para soluciones industriales que ayudan en la construcción de ciudades inteligentes.

Arduino es una herramienta que nos sirve para entender cómo funcionan las cosas en el mundo digital que vivimos actualmente.

Con Arduino podemos fácilmente:

  • Fomentar el uso de la programación en el aula
  • Usar de la programación en escuelas e institutos utilizando programación para ser capaces de desarrollar un pensamiento creativo y computacional.
  • Hacer proyectos interactivos que faciliten el aprendizaje de cualquier asignatura sin estar relacionada con la tecnología.
  • Iniciarnos en el mundo de la electrónica y robótica.
  • Construir componentes electrónicos a nuestro gusto.
  • Interaccionar con el mundo exterior mediante actuadores en función de las variables ambientales que leemos mediante los sensores.

Actualmente casi nadie duda de que hay que impartir nociones de programación y robótica en las clases de tecnología, y hay mucho interés además por la conexión que esto tiene con las STEM/STEAM, tan de moda hoy en día (Science, Technology, Engineering, Arts, Mathematics) y en este ambiente Arduinos una de las herramientas más adecuadas, por su bajo costo, sencillez, posibilidades de expansión y soporte de la comunidad.

Hay centros que han sabido encarrilar por libre esta cuestión, pero el problema es que no hay guías de conjunto y lo más adecuado es un itinerario definido para varios años en tecnología, más que cursos de tecnología improvisados sobre la marcha.

Si resolver el problema de la tecnología en un curso es complicado, diseñar un itinerario que cubra, diversas edades, por ejemplo, desde los 12 hasta los 18 años, es algo muy complicado para la mayoría de los centros, porque es difícil avanzar sin gente que conozca la tecnología.

Arduino es una herramienta que permite hacer realidad las ideas que surjan en el aula. Por ejemplo, en un clase de educación vial se propone que para enseñar a la gente a respetar los semáforos se haga un invento en el que si alguien pasa en rojo se dispare un chorro de agua. Con Arduino se podría desarrollar un prototipo con unos sensores, una electrválvula y unos leds para hacer el semáforo.

ARDUINO, herramienta para la educación en el entorno tecnológico: http://fundaciontelefonica.com.ec/conferencias/arduino-herramienta-para-la-educacion-en-el-entorno-tecnologico/

Y no solo Arduino sino también Raspberry Pi en Educación: https://www.raspberrypi.org/education/

Empresas riojanas que usan la tecnología para la Educación:

Arduino Education

Arduino Education es un equipo de Arduino dedicado a la educación formado por expertos en educación, desarrolladores de contenido, ingenieros y diseñadores de interacción. Se centran en el desarrollo de la próxima generación de programas STEAM y apoyo a las necesidades de profesores y estudiantes.

La tecnología de Arduino se usa para:

  • Jugar, en la escuela primaria como juguetes con tecnología Arduino para introducir al alumno en el aprendizaje físico, lógica, creación de habilidades y resolución de problemas.
  • Enseñar y aprender en la escuela secundaria para usar con técnicas innovadoras para estudios cros-curriculares
  • Desarrollo en las universidades, Arduino está ampliamente usado en los campos de la ingeniería, IoT, robótica, arte y diseño entre algunos de ellos.

Articulo de dcuartielles https://www.interempresas.net/Tecnologia-aulas/Articulos/160095-Buenos-dias-toma-tu-placa-y-montala.html

Lo que pasa en las clases: http://www.elconfidencial.com/tecnologia/2017-01-28/arduino-mini-pc-programacion-educacion_1322251/

From upper secundary to university by David Cuartielles: https://www.youtube.com/watch?v=hoJjwDOsJbs  

Arduino at Heart

El programa Arduino at Heart está diseñado para fabricantes y compañías que desean que sus productos sean fácilmente reconocibles según la tecnología de Arduino. El programa está disponible para cualquier producto que incluye un procesador que actualmente es compatible con Arduino.

Más información https://www.arduino.cc/en/ArduinoAtHeart/Products

STEM/STEAM

El término STEM es el acrónimo de los términos en inglés Science, Technology, Engineering and Mathematics (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas). El término fue acuñado por la National Science Foundation (NSF) en los años 90. El concepto “Educación STEM” (del inglés STEM Education) se ha desarrollado como una nueva manera de enseñar conjuntamente Ciencia, Matemáticas y Tecnología (en general, no solo informática) con dos características bien diferenciadas:

  • Enseñanza-aprendizaje de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas de manera integrada en lugar de como áreas de conocimiento compartimentadas. Por instrucción integrada se entiende cualquier programa en el que hay una asimilación explícita de conceptos de dos o más disciplinas.
  • Con un enfoque de Ingeniería en cuanto al desarrollo de conocimientos teóricos para su posterior aplicación práctica, enfocados siempre a la resolución de problemas tecnológicos.

Más información: https://es.wikipedia.org/wiki/Educaci%C3%B3n_STEM

La palabra STEAM está formada por las iniciales de una serie disciplinas consideradas imprescindibles para formarse en la sociedad actual. Concretamente: las ciencias, la tecnología, la ingeniería, el arte y las matemáticas (del inglés: science, technology, engineering, arts y mathematics). Es decir, añadir las artes al término STEM.

Tradicionalmente ha existido una separación muy marcada entre las disciplinas científico-tecnológicas, las sociolingüísticas y las artísticas. El enfoque STEAM ha logrado romper esta separación para lograr inculcar en la educación esa visión transversal de disciplinas tan necesaria en la sociedad actual.

Este enfoque educativo viene acompañado además del crecimiento del movimiento maker, que parte de la cultura DIY (Do It Yourself o Hazlo tú mismo). Esta visión consiste en dotar a las personas de la capacidad de crear sus propios objetos, con frecuencia usando la tecnología.

Aprovechando este movimiento, el enfoque STEAM incluye en su planteamiento la idea de aprender haciendo. Como han demostrado numerosas investigaciones: lo que se lee se recuerda, lo que se hace se aprende. Esta afirmación parte de la premisa de que para aprender es necesario comprender el contenido, mientras que recordar sólo implica un proceso de memorización que no requiere la comprensión. Y la manipulación de los objetos implícita en el movimiento maker es la mejor forma de facilitar esta comprensión activa de su funcionamiento.

Pensamiento Computacional

¿Qué es?: Es una habilidad que permite resolver problemas aprovechando la potencia de dispositivos con capacidad de cómputo, como los ordenadores o los teléfonos móviles inteligentes.

Otras definiciones de pensamiento computacional han ido surgiendo en la literatura científica desde entonces. Entre las más aceptadas se encuentran la de Aho y la de la Royal Society:

  • El pensamiento computacional es el proceso que permite formular problemas de forma que sus soluciones pueden ser representadas como secuencias de instrucciones y algoritmos.
  • El pensamiento computacional es el proceso de reconocimiento de aspectos de la informática en el mundo que nos rodea, y aplicar herramientas y técnicas de la informática para comprender y razonar sobre los sistemas y procesos tanto naturales como artificiales.

¿Por qué? Teniendo en cuenta que vivimos en un mundo cada vez más digital, esta habilidad resulta fundamental para la vida en sociedad en el siglo XXI y, por tanto, para jóvenes en edad escolar.

Según esta definición operativa, el pensamiento computacional es un proceso de resolución de problemas que incluye las siguientes características:

  • Formular problemas de forma que se permita el uso de un ordenador y otras herramientas para ayudar a resolverlos.
  • Organizar y analizar lógicamente la información.
  • Representar la información a través de abstracciones como los modelos y las simulaciones.
  • Automatizar soluciones haciendo uso del pensamiento algorítmico (estableciendo una serie de pasos ordenados para llegar a la solución).
  • Identificar, analizar e implementar posibles soluciones con el objetivo de lograr la combinación más efectiva y eficiente de pasos y recursos.
  • Generalizar y transferir este proceso de resolución de problemas para ser capaz de resolver una gran variedad de familias de problemas.

Más información: http://code.educalab.es/

Situación en España: http://code.educalab.es/situacion-en-espana/

Arduino es la herramienta que nos permite saltar de la programación en el ordenador a la programación del entorno, leyendo a través de los sensores e interactuando mediantes los actuadores.

Computación Física (Physical Computing)

La computación física es el campo de la computación que estudia la conexión entre el mundo físico y los ordenadores. Esta conexión es bi-direccional, es decir, puede consistir en sensar información del entorno y enviarla a ordenadores para su procesado o bien, el uso de información para controlar motores, solenoides, sistemas de calor y otros dispositivos capaces de actuar sobre el entorno. Del mismo modo que a los dispositivos que pueden medir el entorno los llamamos sensores, a los que pueden actuar sobre el mismo, los denominamos actuadores.

La computación física se centra en diseñar dispositivos, objetos e incluso entornos que permitan establecer un canal de comunicación entre el mundo físico y el mundo virtual. Aunque esto suene a algo relacionado con el futuro, la realidad es que llevamos conviviendo con esta disciplina mucho tiempo. Solo tenemos que pensar en un ordenador o en un dispositivo móvil. Estos dispositivos ponen en contacto nuestro mundo, el mundo físico, y el mundo virtual de las máquinas y ordenadores.

El diálogo se realiza a través de interfaces hardware como un teclado, ratón, micrófono, pantallas, altavoces etc… La finalidad de la computación física es diseñar estas interfaces para que sean capaces de detectar alteraciones en el medio físico y traducirlas a señales que entiendan las máquinas. Esto se hace tanto a través de software como de hardware.

Arduino es una potente herramienta para ayudar a los estudiantes y profesores en la enseñanza de robótica y physical computing (https://en.wikipedia.org/wiki/Physical_computing) que se refiere al diseño y construcción de sistema físicos que usan una mezcla de software y hardware para medir e interactuar con el medio que le rodea.

Más información en:

Physical Computing en wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Physical_computing

Impresionante curso de Tom Igoe sobre Arduino: https://itp.nyu.edu/physcomp/

MOOC computación física:

Conceptos relacionados

  • Learning by Doing
  • Learning by Making
  • Aprendizaje por Proyectos
  • Flipped Classromm