Impacto de métodos activos de enseñanza y creatividad en estudiantes de ingeniería
Noel León-Rovira, Alberto Hernández Luna, Naoko Takeda Toda, Marisela Rodríguez Salvador Cátedra de Investigación Creatividad, Innovación e Inventiva en Ingeniería División de Ingeniería y Arquitectura, ITESM-Zona Metropolitana de Monterrey
Diciembre de 2004
1 Resumen Las investigaciones que se desarrollan en la Cátedra de Investigación en Creatividad, Innovación e Inventiva en Ingeniería conllevan a identificar nuevas herramientas y métodos de solución de problemas de inventiva y su aprendizaje. Se parte de la hipótesis que los métodos de aprendizaje ac tivo (AC-PBL-POL) estimulan la creatividad en los alumnos y los llevan a la búsqueda de soluciones a problemas de alto reto tecnológico con vista a desarrollar nuevos productos. El objetivo es introducir el aprendizaje de métodos que apoyen la labor de ingenieros y diseñadores industriales para crear e innovar productos que impulsen el desarrollo de nuevos negocios de base tecnológica; sustentados en la sinergia que se logra entre métodos de aprendizaje activos y metodologías de innovación y creatividad. 1. Introducción La Cátedra de Investigación Creatividad, Inventiva e Innovación en Ingeniería (CIII), de la División de Ingeniería y Arquitectura, ITESM-Zona Metropolitana de Monterrey se crea con el objetivo de impulsar el desarrollo de la creatividad y la inventiva como base para desarrollar y diseñar productos innovadores y resolver los problemas de inventiva. Se pone énfasis en la creación nuevos de productos de alto reto tecnológico de los alumnos de ingeniería y diseño industrial de la DIA. En la Fig. 1 se muestra la forma en que visualizamos la integración de las capacidades de diseño ingenieril e industrial; apoyados por el uso estrategias de aprendizaje activas AC-PBL-POL y con métodos y herramientas de estímulo a la creatividad como QFD y TRIZ. Estas herramientas son sustentadas, a su vez, por métodos que respaldan el logro de productos robustos y confiables como DFSS.
Diseño Ingenieril
A C + P B L
QFD-TRIZ P O L
Diseño Industrial
DFSS
Creatividad, Competitividad, Fig. 1 Integración de diseño ingenieril y diseño industrial mediante metodologías QFD-TRIZDFSS y sustentado por métodos de aprendizaje activo
En este trabajo se muestra un ejemplo práctico enfocado a contribuir al aprendizaje de métodos y herramientas de creatividad mediante estrategias de aprendizaje activo. Considerando, además, que las modalidades de carrera de ITESM ofrecen una oportunidad de complementar los proyectos de los alumnos, en el ejemplo muestra como la integración de un proyecto realizado en clases se complementa con estancias industriales de la modalidad de experiencia profesional. 2. Antecedentes y motivación Desde 1995 se imparte la materia Análisis y Diseño de Productos en la Maestría en Sistemas de Manufactura. Esta materia fue rediseñada por el Método POL, donde se integran a las metodologías tradicionales de diseño con las de QFD y TRIZ [1], [5], [10] [11].
2 Desde 1997 se ha estado impartiendo dicha materia sobre la base de proyectos reales contratados con empresas. En esta se han introducido herramientas y métodos clásicos en la enseñanza de diseño ingenieril, así como las nuevas metodologías ya mencionadas; acordes con lo que se está haciendo en otras universidades destacadas [13], [14], [16]. El modelo que proponemos para el diseño de productos es a través de la integración de ingeniería-artenegocio. Se ha introducido, además, la materia Sistemas de Inteligencia para la Innovación a nivel maestría donde se desarrollan proyectos en los que se emplean fuentes estratégicas de información para la identificación y asimilación de herramientas informáticas para el análisis avanzado de información; utilizando por ejemplo la técnica de mapeo tecnológico. En este curso se aplica la técnica didáctica de Aprendizaje Colaborativo así como también Aprendizaje Orientado a Proyectos. Mediante el análisis del entorno internacional (científico, tecnológico y competitivo) los sistemas de inteligencia brindan información para anticiparse a eventos futuros y favorecer una toma de decisiones más acertada, pretendiendo así la mejora del proceso de innovación [2], [6]. En la medida en que ha sido posible, en la materia de Diseño para Seis Sigma se ha dado continuidad a algunos los proyectos hechos en el semestre antecedente en la materia de Análisis y Diseño de Productos [12]. Esto ha permitido integrar el DFSS con las metodologías de innovación, principalmente TRIZ, de forma que los alumnos tengan la posibilidad de experimentar las vías de integración de estas herramientas. Se han utilizado también las técnicas de diseño morfológico con vista a impactar el aspecto innovador y estético [15]. 3. Algunos aspectos teóricos actuales sobre creatividad Cualquier definición general de la creatividad debe explicar el proceso de reconocimiento o descubrimiento de las ideas y de las soluciones novedosas. No hay actualmente una definición de la creatividad generalmente aceptada. Las investigaciones sobre la creatividad, han estado fundamentalmente concentradas en el campo de la psicología y plantean que esta está referida a la novedad y se condiciona a criterios de conveniencia adecuación, utilidad y valor. Por lo menos tres aspectos de la creatividad han atraído la atención: a. El proceso creativo recibe la mayor atención; este se centra en los mecanismos y las fases implicadas en como una persona participa en dicho proceso creativo. b. La atmósfera y la influencia del ambiente son el objeto del segundo aspecto: la situación creativa desde el punto de vista de la enseñanza. c. Un tercer aspecto es la persona creativa. Aquí, los rasgos de la personalidad de la persona creativa son lo central. Se parte de que, independientemente de las capacidades innatas de los individuos, el desarrollo de personas creativas es también el fruto del proceso de enseñanza aprendizaje. En el marco de ABET se está produciendo desde hace varios años un movimiento hacia el desarrollo de habilidades de diseño y creatividad como requisitos para la acreditación [14]. Para los programas de acreditación para facultades de Ingeniería, se invoca la necesidad de crear programas de educación activa que les permita a los estudiantes desarrollar su creatividad y trabajar eficientemente en equipo para producir nuevas tecnologías. (http://www.eas.asu.edu/~fcae/ABET%202000/abet2000.htm). Se enfatiza en que los alumnos tengan, entre otras, las siguientes habilidades: Habilidad para diseñar un sistema, componente o proceso que satisfaga las necesidades requeridas Habilidad para identificar, formular y resolver problemas de ingen iería Habilidad para funcionar en equipos multidisciplinarios Para poder identificar si se produce el efecto deseado en la enseñanza se requiere establecer mediciones confiables de la creatividad. • • •
3 Es conocido que el método de la encuesta no arroja resultados suficientemente exactos y se presta a interpretaciones subjetivas, por lo que en nuestro enfoque se parte de la investigación de los criterios del producto creativo como base de evaluación. Se trabaja en desarrollar métodos y vías de medición que arrojen resultados confiables en cuanto a: Evaluación del impacto de las estrategias de enseñanza aprendizaje Evaluación del impacto de las metodologías modernas de apoyo a la innovación Se hacen las siguientes distinciones: a. Creatividad en tiempo real y creatividad gradual. La primera esta basada en el estímulo por presión momentánea. Este se considera improvisado y exige resultados en un intervalo corto de tiempo; mientras que en el modo gradual, se asigna suficiente tiempo para la generación y la selección de ideas. b. Razonamiento divergente y convergente. El primero es la capacidad intelectual de pensar en muchas ideas diversas y elaboradas. El segundo es la capacidad intelectual de evaluar, críticamente y de elegir lógicamente la mejor de una selección de ideas. Ambas capacidades se requieren para la solución creativa. El pensamiento divergente es esencial para la novedad del producto creativo, mientras que el pensamiento convergente es fundamental para la conveniencia y utilidad. Se ha desarrollado una metodología de evaluación que se encuentra actualmente en etapa de pruebas preliminares y la cual planeamos aplicar próximamente a los resultados de los proyectos [9]. • •
4. Metodología del Curso Análisis y Diseño de Productos El curso de Análisis y Diseño de Productos se ofrece en base a POL en la Maestría de Sistemas de Manufactura, A los alumnos se les presenta el primer día de clases un menú de proyectos a desarrollar durante el semestre, los cuales han sido previamente acordados con empresas manufactureras. Los alumnos forman equipos y compiten por dichos proyectos, los cuales son asignados por consenso. De acuerdo a lo establecido en el rediseño del curso [11], los alumnos realizan en sus proyectos los siguientes análisis y actividades: 1. Análisis Paramétrico: Análisis comparativo de sistemas similares existentes y determinación de la dirección de competitividad en el mercado. 2. Análisis QFD: Análisis de las preferencias de clientes y su interacción con parámetros de diseño de productos similares. 3. Análisis de Patentes: Incluyendo las bases de patentes de Estados Unidos, Europa y Japón 4. Modelación Matemática y Cálculos con TKSolver de las variables fundamentales 5. Matriz morfológica: Como base para el desarrollo del pensamiento divergente y convergente. 6. Análisis TRIZ: Para profundizar en las habilidades de innovación e invención 7. Modelación 3D paramétrica, con vista a que conviertan en modelos virtuales sus conceptos 8. Análisis de Diseño para Manufactura y Ensamble, para desarrollar su capacidad de reflexión y a su vez mejorar los diseños de sus productos 9. Dibujos de detalle de los componentes a fabricar, con vista a que conviertan en instrucciones para la manufactura sus soluciones. Durante el semestre, los alumnos previamente estudian la teoría relacionada con cada paso del proyecto, en base a la bibliografía situada o indicada en Blackboard. Estas lecturas individuales se concluyen mediante la entrega semanal de tareas individuales que deben demostrar la comprensión del material estudiado. Los resultados de las tareas son discutidos en clase, donde se aclaran las dudas y se corrigen los posibles errores cometidos. La teoría así previamente estudiada es convertida en la semana subsiguiente en soluciones de avance al proyecto, las cuales son presentadas por los equipos correspondientes. De esa forma se va realizando un proceso de aprendizaje teórico el cual es seguido por su aplicación práctica en los proyectos
4 respectivos. En las presentaciones semanales de avances en el salón, se producen igualmente discusiones donde se aclaran dudas en la aplicación de las herramientas metodológicas a los proyectos de cada equipo. En los exámenes mensuales se presentan los avances correspondientes del proyecto. Durante estas presentaciones los alumnos participan en la co-evaluación y auto-evaluación. Estas tienen un peso del 50% en la puntuación. El 50% restante de la evaluación corresponde al profesor. Para la evaluación se entrega a los alumnos una rúbrica de evaluación detallada. Estos avances comprenden el 85 % del valor de la evaluación mensual, mientras las tareas individuales, mencionadas anteriormente, comprenden el 15% restante. Los 3 avances mensuales constituyen el 45 % de la evaluación final. El 55 % restante se divide en 45 % de la presentación final y 10 % de un trabajo de investigación que consiste en analizar y demostrar la patentabilidad de las soluciones logradas durante el semestre. Posteriormente a cada examen mensual se hacen presentaciones con los clientes empresariales. En estas se profundiza en la calidad y nivel de innovación y creatividad de las soluciones. Después de la presentación final se produce también una última presentación con los clientes, donde se concluye sobre la aplicabilidad de las soluciones planteadas. 4. Caso de Estudio: Purificador de agua Bitterly A continuación se muestra un ejemplo práctico de un proyecto desarrollado en el curso ADP. Se trata de un novedoso sistema de purificación de aguas salinas y aguas negras, que fue originalmente desarrollado para la NASA con vista a un proyecto tripulado de viaje a Marte [3]. Los autores originales solicitaron se incluyera este proyecto en el semestre Enero-Mayo de 2004, con vista a convertir el sistema inicialmente concebido para viajes espaciales en uno doméstico de capacidad familiar. El proyecto se asignó a un equipo 5 alumnos (3 de la Maestría en Sistemas de Manufactura, 1 de la Especialidad de Diseño Mecatrónico y uno de la Especialidad de Diseño Industrial) de acuerdo con la metodología de asignación por consenso. En el apéndice se muestran las figuras 1-3 y la tabla 1 con algunos resultados de este proyecto. Cabe mencionar que con respecto a concepto inicial, la eficiencia del diseño, desde el punto de vista de Diseño para Ensamble [4] se elevó de 5.8 % a 35.8 %, lo cual es una mejora notable. También se añadieron mejoras conceptuales en la creación del vacío, en el accionamiento del movimiento rotacional, en la solución de salida de lodos residuales y de agua purificada, que son consideradas patentables, con lo cual se agregan a la patente original nuevos elementos originales que consolidan el sistema. De esta forma concluyó el diseño del producto, cuyo resultado fue aprobado por los clientes, y actualmente se trabaja con dos alumnos de prácticas profesionales de la modalidad de Experiencia Profesional en el desarrollo de los prototipos de prueba correspondientes, los cuales deben ser concluidos a inicios del próximo año para las pruebas respectivas. 5. Conclusiones En base a estas experiencias se concluye que se están logrando avances en el nivel de creatividad e inventiva de los alumnos, gracias al uso de herramientas que estimulan y soportan la creatividad e inventiva, así como mediante la exposición a problemas industriales reales de alto reto tecnológico mediante métodos de aprendizaje activos. Aunque la patentabilidad que se ha identificado de las soluciones es un indicador de cómo estos métodos y herramientas han influido positivamente en la creatividad de los alumnos, se requiere
5 implementar métricas cuantitativas que permitan medir con precisión los avances que se están obteniendo en este aspecto, así como identificar áreas de oportunidad. A tal efecto se están desarrollando tesis de maestría para realizar investigaciones estadísticamente fundamentadas que permitan cuantificar el impacto en la creatividad y en la capacidad de resolver problemas de ingeniería. Se busca así mismo una mejor identificación de sinergias y conflictos entre las metodologías y herramientas computacionales utilizadas, de forma que puedan extraerse recomendaciones para otros cursos. 6. Capitalización Se prevén las siguientes acciones para aprovechar la experiencia acumulada: Promover la realización de cursos POL con proyectos reales de empresas a nivel licenciatura y maestría como se está se está utilizando en varias universidades [7], [8], siguiendo como estrategia de capitalización lo siguiente: 1. Continuar implementando este tipo de cursos a nivel licenciatura y maestría 2. Extender la duración de estos cursos a 2 semestres en forma combinada con otras materias 3. Ofrecer la asesoría de la Cátedra de Investigación en Creatividad, Innovación e Inventiva en Ingeniería a las diferentes áreas d e ITESM que deseen aplicar estos conceptos en sus cursos.
6 4. Referencias
[1] Altshuller, G.S., Creativity as an Exact Science, Gordon & Breach Science Publishing House, 1984, New York [2] Ashton W. y Stacey G. (1995) “Technical intelligence in business: Understanding technology threats and opportunities”, International Journal of Technology Management, Vol.10, No.1, pp.79-104 [3] Bitterly, J. G and Bitterly S. E., Saline/sewage water reclamation system, US Patent 6,695,951, February 24, 2004 [4] Boothroyd, G. and Dewhurst, P, Product design for manufacture and assembly, Winston Knight. Ne w York : M. Dekker, c1994. [5] Clapp, Tim, Integrating TRIZ-Based Methods into the Engineering Curriculum, Timothy G. Clapp, PhD, PE, Professor, Textile Engineering, NC State University, Raleigh, NC 27695, http://www.triz journal.com/archives/1998/10/d/ [6] Fuld, Leonard (1995) The new competitor intelligence: the complete resource or finding, analyzing, and using information about your competitors, John Wiley & Sons, New York [7] Ju., W et al Project-Based Learning For Experimental Design Research, The 2nd International Engineering and Product Design Education , 2-3 September 2004 at Delft University of Technology (http://www.io.tudelft.nl/iepde04/Documents%20for%20Downloads/Final%20Papers/FC_Ju.pdf ). [8] Leifer L. et. al. A Model For Global Product-Based-Learning With Corporate Partners, 1997 ASME Curriculum Innovation Awards http://www.asme.org/education/enged/awards/ciapapers/leifer.htm, Stanford University http://www.asme.org/education/enged/awards/ciapapers/leifer.htm [9] León, N. y Gutiérrez, J. , Metodología de Evaluación para Premio Tecnos, (sin Publicar), Proyecto de Desarrollo con la Secretaría de de Desarrollo Económico del Estado de Nuevo León, Sub-Secretaría de Industria, Comercio y Desarrollo Tecnológico, Monterrey, NL, Febrero 2004. [10] Leon, N., A proposal to integrate TRIZ into the Product Design Process, Procee dings of TRIZCON2002., Conference Proceedings Pages 24-1 to 24-11, The 4th Annual Conference of the Altshuller Institute for TRIZ Studies, St. Louis, Missour, USA, April 30-May 2, 2002 [11] León; N, Ejemplo de Enseñanza Basada en Proyectos con una Novedosa Metodología de Diseño de Productos en el Marco de un Curso Rediseñado de Nivel Maestría, en XVI Reunión de Intercambio de Experiencias en Docencia del Sistema ITESM, México. Dic. 1998., Ed. Tec de Monterrey, Pág. 1- 5, México, 1998. [12] Pande, P. et. Al, The Six Sigma Way: How GE, Motorola, and Other Top Companies are Honing Their Performance, 448 pages, McGraw-Hill; 1 edition (April 27, 2000), ISBN: 0071358064 [13] Raviv, D. Introduction to Inventive Problem Solving in Engineering (EGN5040), Dept. of Electrical Engineering, Florida Atlantic University, Boca Raton, FL,USA, http://www.triz journal.com/archives/1998/02/1998-03c/index.html [14] Rivin , E, Use of The Theory of Inventive Problem Solving (Triz) in Design Curriculum - published in Innovations in Engineering Education, 1996 ABET Annual Meeting Proceedings, pp.161-164. Eugene I. Rivin, Professor of Mechanical Engineering - Wayne State University. http://www.triz journal.com/archives/1997/03/b/index.html [15] Takeda, Naoko; Paper: Proceedings 2002 National Design Education Conference San Jose SJSU, Industrial Designers Society of America. Studies of curves and straight fold of sheet and its application to products (idioma: ingles); 2002 [16] Woods, D.,The Future Of Engineering Education III. Developing Critical Skills, http://www2.ncsu.edu/unity/lockers/users/f/felder/public/Papers/Quartet3.pdf
7 APENDICE
Fig. 1 Concepto básico de purificador de agua Bitterly
Tabla 1: Análisis paramétrico matricial de purificadores de agua comerciales s s e c o r P n o i t a c i f i r u P EDR EDR EDR EDR E DR E DR EDR EDR E DR EDR RO RO RO RO RO VC VC VC VC MED
y n a p m o C IONICS IONICS IONICS IONICS IONICS IONICS EET Corp EE T Corp E ET Corp EET Corp GE Good W ater Co. Good Water Co. Good Water Co. Good Water Co. P rec is ion W at er Global destillation serv. Gl obal des ti ll at ion s erv. Global destillation serv. Air & W ater Purification
l e d o M Aquamite I Aquamite III Aquamite V Aquamite X A quami te XV A quami te XX Model 75 Model 150 Model 300 Mobil E2-375 Forc e 100SW Force 150SW Force 350SW Force 600SW P B42D-25 S-25 S -200 S-1000 M esoStill
) D P G ( y t i c a p a C 2,000 11,000 35,000 100,000 160, 000 300, 000 15,000 30,000 100, 000 100,000 72 100 150 350 600 12 600 4, 800 22,800 168
H X W X L ) t f ( e z i S 3x2x4.5 5X2.5X7 11x4x10 10x 8x10 12X17X10 32x 7x 10 6.2x4.5x4 9.5x6.3x 5.5 10. 6x 6. 3x 5. 6
) 3 ^ t f ( e m u l o V 27.00 87.50 440.00 800. 00 2, 040. 00 2, 240. 00 111.60 329. 18 373. 97
6.3x3.8x3.1 1.25X1.66X.83 2.91X2X1.5 4.16X2X1.5 4.16X2X1.5 4.25X1. 87X1. 45 3X2.6X1.8 7. 1X5X4. 5 8.6X9.1X5.4 2.6x1x1
74.21 1.72 8.73 12.48 12.48 11. 52 14.04 159. 75 422.60 2.60
) D P G ( w o l f d e e F 4,500 26,000 60,000 175,000 288, 000 4 75, 000 15,306 30,612 102, 041 102,041 144 102
1,200 7, 200 27,600 170
) D P G ( w o l f t c u d o r P 2,000 11,000 35,000 100,000 160, 000 300, 000 15,000 30, 000 100, 000 100,000 72 100 150 350 600
y c n e i c i f f E 0.44 0.42 0.58 0.57 0. 56 0. 63 0.98 0.98 0. 98 0.98 0.50 0.98
600 4,800 22,800 168
0.50 0. 67 0.83 0.99
) V ( r e w o p c i r t c e l E 110/220 120/220 480/460/380/220 480/460/380/220 480/460/380/220 480/460/380/220 480/460/380/220 480/460/380/220 480/460/380/220 480/460/380/220 220 230 230 230 230 120 220 230/460 460 115/220
) p h ( p m u p d e e F
0.4 0.5 1.5 1.5 1.5
s e s a h P 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 1 1 1 1 1
.5
1 3 3 1
1 7.5 10 15 30
F ° p m e T t c u d o r P d e e F
0-40 0-40 0-40 0-40
l a v o m e R t l a S %
99.9 99.9 99.9 99.9 98
99
M P P y t i r u p t c u d o r P
H p g n i t a r e p O
) B L ( t h g i e W
2 2 2 2 5.5-8.5 < 0.1 2.0-11.0
70
81 400 3500 6500 50
8
Fig. 2 Modelo 3D del nuevo purificador
Fig. 3 Diseño industrial del nuevo purificador
