STEAM, aprendiendo con una bicicleta del pelotón de hoy

 

INTRODUCCIÓN

Esta es una entrada de blog grupal realizada entre Jon Solar (AyETec Solar), Gaizka Bustince (Entre Azadas y Datos)  y Mikel Lacasta (Mikel ayetec). El tema de hoy trata sobre la metodología de trabajo STEM, que aúna las disciplinas de ciencias, tecnología, ingeniería y matemáticas, creando un método integrador e ilustrativo que facilita el aprendizaje en estas disciplinas dándoles un sentido práctico a ojos del alumno.

Tradicionalmente estas materias se han enseñado por separado en los centros educativos, este enfoque modular e independiente de conocimientos que son complementarios en la vida real supone muchas veces un inconveniente para el alumnado, que no halla la motivación suficiente para el estudio de estas materias. Esta es una barrera importante entre el conocimiento en la escuela y la vida real si no se enseñan de manera interdisciplinaria y aplicada. Y es que la motivación es uno de los motores mas importantes del aprendizaje, y poca motivación es capaz de encontrar un individuo en aprender algo cuya aplicación desconoce o no es capaz de vincular, el aprendizaje se fundamenta, por lo general, en la resolución de una duda o problema, busca una finalidad. La vocación interdisciplinar de STEM permite encontrar la aplicación de esos conocimientos creando un ámbito de actuación que engloba todas las materias involucradas.

Asimismo, la perspectiva practica de esta metodología también fomenta el aprendizaje. Atendiendo a la pirámide de aprendizaje de William Glasser, mediante la clase magistral tradicional, esto es leyendo, viendo y escuchando, solo se retiene el 30% de la información, sin embargo, mediante ejercicios prácticos y discusiones constructivas como las que proponen las metodologías cooperativas como STEM el nivel de retención puede alcanzar cotas del 80%.

Como parte de esta practica se nos ha propuesto la elaboración de una propuesta de proyecto STEM. Dada la afición de los miembros del grupo por el ciclismo, se decidió centrar los contenidos de las asignaturas de física, química, matemáticas y tecnología en un proyecto común centrado en la construcción de una bicicleta a partir de sus diferentes elementos constructivos, todo ello tras un estudio de las piezas integrantes y los avances mas recientes en el campo del ciclismo.

Y es que, cuando preguntamos por un elemento que haya sufrido una drástica evolución en los últimos años, a todos nos viene a la cabeza el teléfono móvil. En poco más de quince años, hemos pasado de los Nokia popularmente conocidos como ladrillos a los Smartphones que casi todos tenemos en nuestros bolsillos. Las bicicletas han sufrido una evolución casi comparable a la de los teléfonos móviles, de hecho, tanto se parece un antiguo Nokia a un Smartphone como la bicicleta de Indurain a una bicicleta del pelotón profesional actual. La fibra de carbono ha sustituido al aluminio, desde el cuadro hasta las ruedas, los tornillos son el único elemento metálico que encontraremos. El estudio de la aerodinámica, la lucha constante para reducir la fricción, las sirgas mecánicas de cambios y frenos son también parte del pasado dejando paso a las transmisiones electrónicas inalámbricas y los frenos de disco hidráulicos.

El objetivo del presente proyecto es la integración de parte de los contenidos correspondientes a las asignaturas tecnología industrial II, Física y Química (1° Bachiller), Matemáticas (2° Bachiller), Tecnologías de la Información y la Comunicación II y Química. La idea de esta actividad STEM no es crear una actividad para un único día, sino crear un proyecto y una metodología de trabajo para impartir los contenidos del currículo de la asignatura de tecnología.

Aunque la actividad se podría llevar a cabo en cualquiera de los cursos de la ESO o de bachiller, está pensada para hacerla con alumnos de segundo de bachiller. Teniendo en cuenta que en esta etapa de la educación secundaria a la asignatura de tecnología le corresponden 4 horas de clase semanales y que a este proyecto se le dedicarán 12 semanas, harán un total de 48 horas. Es decir, es un proyecto cuya duración abarca un trimestre completo.

Como grupo creemos que es un proyecto interesante y bonito, y dado que además parte de nuestras propias aficiones, su elaboración nos ha resultado interesante y constructiva.

PROYECTO STEM: “CONSTRUCCION DE BICICLETA” 

Cuando preguntamos por un elemento que haya sufrido una drástica evolución en los últimos años, a todos nos viene a la cabeza el teléfono móvil. En poco más de quince años, hemos pasado de los Nokia popularmente conocidos como ladrillos a los Smartphones que casi todos tenemos en nuestros bolsillos. 

Posiblemente, habrá quien se ría al leer esto, pero, las bicicletas han sufrido una evolución casi comparable a la de los teléfonos móviles. Y es que tanto se parece un antiguo Nokia a un Smartphone como la bicicleta de Indurain a una bicicleta del pelotón profesional actual.

La fibra de carbono ha sustituido al aluminio, desde el cuadro hasta las ruedas, los tornillos son el único elemento metálico que encontraremos. El estudio de la aerodinámica, la lucha constante para reducir la fricción con el viento en la que “La Espada” de Miguel fue pionera ha transformado las formas de los cuadros. Las sirgas mecánicas de cambios y frenos son también parte del pasado dejando paso a las transmisiones electrónicas inalámbricas y los frenos de disco hidráulicos.

Objetivos:

Los objetivos del presente proyecto se fundamentan en la metodología STEM (acrónimo en inglés Science, Technology, Engineering and Mathematics), que combina las áreas de ciencias, tecnología, ingeniería y matemáticas, creando un método integrador e ilustrativo que facilita el aprendizaje en estas disciplinas dándoles un sentido práctico a ojos del alumno. Tradicionalmente estas materias se han enseñado por separado en los centros educativos, este enfoque modular e independiente de conocimientos que son complementarios en la vida real supone muchas veces un inconveniente para el alumnado, que no halla la motivación suficiente para el estudio de estas materias. Esta es una barrera importante entre el conocimiento en la escuela y la vida real si no se enseñan de manera interdisciplinaria y aplicada.

De esta manera, el objetivo del presente proyecto es la integración de parte de los contenidos correspondientes a las asignaturas tecnología industrial II, Física y Química (1° Bachiller), Matemáticas (2° Bachiller), Tecnologías de la Información y la Comunicación II y Química. Dada el amplio espectro de asignaturas se dan fenómenos como el de la participación de asignaturas de primero de bachiller y de segundo de bachiller, así como la integración de contenidos no coincidentes en el mismo periodo lectivo, sin embargo, y como ya se ha explicado, el verdadero valor del presente proyecto se encuentra en proponer a los alumnos una tarea multidisciplinar que les facilite establecer conexiones entre las materias tratadas.

Conocimientos y contenidos:

Las áreas de trabajo de las diferentes disciplinas involucradas en este proyecto son las siguiente:

-       Tecnología industrial II: Bloque 1. Materiales, Bloque 2. Principios de máquinas

-       Física y Química (1° Bachiller): Bloque 5. Química del carbono, Bloque 6. Cinemática, Bloque 7. Dinámica, Bloque 8. Energía

-       Matemáticas (2° Bachiller): Bloque 3. Análisis, Bloque 4. Geometría

-       Tecnologías de la Información y la Comunicación II: Bloque 1. Programación

-       Química: Bloque 4. Síntesis orgánica y nuevos materiales

En este proyecto, utilizaremos la bicicleta como vehículo conductor para adentrar a los siguientes campos de la tecnología:

Materiales: Metálicos, plásticos, cerámicos y compuestos.

En las bicicletas del día a día, las que tanto alumnos como profesores utilizamos para acudir al instituto, el aluminio y el acero predominan tanto en cuadros como en ruedas con pedales generalmente de plástico. En una bicicleta profesional, el plástico queda relegado a los porta bidones, el carbono es el elemento estructural indiscutible y los rodamientos son cerámicos. ¿Por qué? 

En el aula trabajaremos para conocer las propiedades mecánicas de cada uno de los materiales mencionados. Hablaremos también de los procesos de obtención y modelado de los mismos, conoceremos su abundancia en nuestro planeta, y su reciclabilidad sin olvidar el coste económico de cada uno de ellos.

De esta manera, mediante la investigación los alumnos tendrán una imagen amplia sobre el campo de los materiales con ideas generales pero claras de los pros y contras de cada uno de ellos.

Sistema de transmisión: Relaciones de transmisión, formas de transmisión, electrónica y ondas.

El análisis del sistema de transmisión de una bicicleta profesional nos permitirá hablar de las relaciones de transmisión. Los alumnos conocerán la ciencia que se esconde en ellos tras haber experimentado por sí mismos la conducción de una bicicleta y tener que subir y bajar piñones para adaptarse a la geografía del terreno.

La transmisión se realiza mediante la cadena, pero, ¿Qué otros elementos se pueden utilizar para transmitir potencia? Hay bicicletas, especialmente las diseñadas para ciudad o viajes de aventura, con alforjas que utilizan la correa o el cardan como elemento de transmisión. ¿Cuáles son los puntos fuertes e inconvenientes de cada uno de los sistemas y por qué?

El control mecánico de un elemento mediante maneta y sirga es lo habitual en bicicletas ordinarias, pero, ¿Cómo funciona? ¿Qué pasa para que tensando o destensando una sirga cambiemos la posición del desviador? ¿Cuáles son los pros y contras de este sistema? 

Progresivamente la electrónica va sustituyendo a la mecánica. Ocurrió con el acelerador de los vehículos, coches y camiones, y ahora le ha tocado a la transmisión de la bicicleta. ¿Cómo se sustituye la función de sirga y muelles de un desviador tradicional en un desviador electrónico? ¿Qué elementos electrónicos podemos encontrar y cuáles son sus funciones? ¿Convenientes e inconvenientes? 

Hidráulica: Sistemas de frenado, el aceite a presión y sus características.

Los sistemas de frenado consisten por norma general en disipar la energía en forma de calor mediante la fricción con otro elemento. En esta fricción ambos elementos sufren desgaste y con el tiempo ambos tendrán que ser sustituidos. No obstante, siempre hay uno que se desgasta con mayor facilidad, las zapatas en un freno de una bicicleta convencional, las pastillas en un freno de disco ya sea de camión, coche, moto o bicicleta, y los ferodos en un freno de tambor habitual en los coches antiguos y en los de gama baja de hoy en día. ¿Es esto intencionado y por qué? La ingeniería en un mundo de mundos interconectados, con interrelaciones entre diferentes campos así que, sin olvidar a los materiales, ¿qué materiales se utilizan para ello?

Como ya hemos mencionado, las bicicletas convencionalmente han utilizado frenos de zapata. Posteriormente comenzaron los frenos de disco que igual que los de zapatas se activaban mediante sirga. ¿Cuáles son sus diferencias, puntos fuertes y debilidades? 

Progresivamente, la hidráulica ha sustituido a las sigas. Pero ¿por qué? ¿Cuáles son sus puntos fuertes y debilidades?

La hidráulica se utiliza para los sistemas de frenado tanto de vehículos ligeros como pesados, pero también se utiliza para activar cilindros. Aplicando lo descubierto hasta el momento, ¿cómo explicamos estos usos?

Aerodinámica: Pérdidas por rozamiento, posiciones, materiales y formas para reducir su efecto.

La Fórmula Uno ha sido en el mundo del “deporte de competición” puntera en el estudio de la aerodinámica. El aire es un freno a nuestro movimiento, las pérdidas se disparan cuando el aire en movimiento, esto es, el viento, sopla con intensidad. Los túneles del viento son el laboratorio, el campo de pruebas para tratar de reducir las pérdidas.

En los últimos años, el ciclismo profesional ha hecho suyas muchas de estas técnicas que adquieren su mayor expresión es la disciplina de contrarreloj. Las ruedas lenticulares (totalmente cerradas), ruedas de perfil, cuerpos estirados y cascos de formas extrañas todos con un mismo objetivo, reducir las pérdidas por rozamiento

En este apartado el alumnado investigará en torno a los diferentes elementos mencionados, su explicación física, sus beneficios y también perjuicios.

Competencias:

Las competencias básicas que se van a trabajar en el presente proyecto se listan a continuación:

-       Competencias matemáticas y científico-técnicas

-       Aprender a aprender

-       Comunicación lingüística

-       Competencia digital

-       Sentido de la iniciativa y espíritu emprendedor

Destinatarios:

Este es un proyecto que se podría realizar con diferentes grupos de educación secundaria. Tanto en primero y segundo de la ESO como en bachiller. No obstante, consideramos que puede ser un trabajo muy interesante para alumnado de segundo de bachiller. Dado que esta materia ya no forma parte de la Evaluación del Bachillerato para el Acceso a la Universidad, se pueden plantear dinámicas diferentes para impartir los contenidos del currículum. La edad y los conocimientos que ya tienen en otras asignaturas facilitan poder profundizar más en cada uno de los campos.

Dado que segundo de bachiller es un curso en el que el alumnado tiene gran presión, esta dinámica de trabajo diferente les puede ayudar a relajarse, descubrir cosas nuevas, aprender e interactuar de una manera diferente a la habitual en el resto de asignaturas. Está actividad está diseñada para trabajar con grupos de máximo 5 alumnos para que todos puedan tomar parte en el proceso de desmontar y montar la bicicleta.

Descripción de las acciones a realizar y el tiempo destinado a dichas actividades

La idea de esta actividad STEM no es crear una actividad para un único día, sino crear un proyecto y una metodología de trabajo para impartir los contenidos del currículo de la asignatura de tecnología.

Aunque la actividad se podría llevar a cabo en cualquiera de los cursos de la ESO o de bachiller, está pensada para hacerla con alumnos de segundo de bachiller. Teniendo en cuenta que en esta etapa de la educación secundaria a la asignatura de tecnología le corresponden 4 horas de clase semanales y que a este proyecto se le dedicarán 12 semanas, harán un total de 48 horas. Es decir, es un proyecto cuya duración abarca un trimestre completo.

La idea de este proyecto es que el alumnado aparte de trabajar los contenidos teóricos trabaje en el taller con las manos, para ello se contará durante las primeras sesiones con un técnico especialista en bicicletas que les dará los conceptos básicos para manipular, montar y desmontar la bici y todas sus partes. A partir de aquí se trabajará con grupos de 4 ó 5 alumnos a lo sumo. Para trabajar los cuatro bloques (materiales, sistemas de transmisión, hidráulica y aerodinámica) los alumnos comenzarán desmontando la bicicleta por partes y documentando todo lo que desmontan. En las siguientes sesiones cada grupo deberá hacer un estudio teórico de los cuatro bloques para entender el funcionamiento y los conceptos técnicos que hay detrás de los sistemas que han manipulado. Durante este estudio deberán anotar todas las dudas y todos los conceptos que no logren entender. Se hará una recopilación de las dudas de toda la clase y se clasificarán en su bloque correspondiente. Después se tendrán que poner de acuerdo entre los grupos para que cada grupo elija uno de los bloques para desarrollarlo en profundidad y explicárselo al resto de la clase. Tendrán que preparar para ello una sesión explicativa de 50 minutos durante la cual además de exponer la teoría correspondiente al bloque, deberán aclarar las dudas recopiladas para dicho bloque. El proyecto terminará con el montaje de la bici. El calendario de actividades se muestra en la siguiente tabla:

 

Recursos:

Para poder llevar a cabo este proyecto se necesitan los siguientes recursos:

-       Aula taller

-       Debe ser bastante espaciosa para poder trabajar en grupos de 5 personas alrededor de 4 bicis.

-       Con ordenadores con acceso a internet.

-       Herramientas

-       Extractor de rodamientos. (±25€)

-       Prensa para montar rodamientos. (±60€)

-       Destornilladores. (±15€)

-       Grasa de montaje. (±10€)

-       Llaves allen de 2/2.5/3/4/5/6/8/10 mm. (±40€)

-       Juego de llaves dinamométricas. (±60€)

-       Juego de llaves fijas. (±50€)

-       Soporte de montaje para bici. (±50€)

-       Bicicleta

-       4 bicis

-       Aprovechando que el equipo Movistar es de la zona y teniendo en cuenta que el curso empieza en septiembre coincidiendo con el fin de la temporada ciclista y con el cambio de modelo de las bicicletas, se aprovechará para que nos cedan durante unos meses 4 bicis. Al terminar el trimestre se devolverán.

-       Técnico de bicicletas.

-       Hablando con el equipo Movistar uno de sus mecánicos se ha prestado a venir durante cuatro días en horario de clase a formar a los alumnos en la mecánica de bicicletas.

 

Evaluación:

La evaluación del proyecto se llevará a cabo de la siguiente manera:

Informe de la información recopilada (30%): Se evaluará de manera grupal el informe resultado de la búsqueda de información de los alumnos, considerando aspectos como la elaboración del documento, profundidad de los contenidos, presentación adecuada de las fuentes y referencias. Dada la naturaleza del trabajo la nota será la misma para todos los integrantes del grupo.

Presentación del bloque (40%): Se evaluará de forma grupal e individual la presentación del bloque que le corresponda a cada grupo. El docente elaborará una rúbrica de evaluación en la que valorará el formato de la presentación, la claridad de los expositores, el correcto ajuste al tiempo adjudicado y la materia presentada. La valoración se corresponderá en un 30 % a la actividad como grupo y se reservará un 10% de la nota a la valoración del desempeño de cada uno de los miembros.

Iniciativa, dedicación y conducta individual (20%): Se efectuará una evaluación continua a cada alumno de manera individual en la que se considerará su implicación en el proyecto, dedicación, actitud colaborativa y conducta.

Evaluación del grupo (10%): Al final del proyecto se facilitará a los alumnos una rúbrica elaborada por el docente donde cada alumno evaluará el desempeño de sus compañeros de grupo, así como su propio trabajo.