canihuá: un portal de laboratorios virtuales

Cuerpo Académico Dinámica de Sistemas UV-CA-281

Canihuá: Un portal de Laboratorios Virtuales

M.I. Alberto P. Lorandi Medina, Dr. Alfonso C. García Reynoso, M.I. Guillermo Hermida

Saba, M.C. Enrique Ladrón de Guevara Durán, M.S.I. José Hernández Silva

INTRODUCCIÓN


• En los P. E. de ingeniería, el modelado, análisis y simulación de sistemas, juega un papel básico en la formación y para ello, las prácticas de laboratorio son fundamentales.

• En universidades públicas, por falta de presupuesto, existe carencia de laboratorios, afectando el proceso de enseñanza aprendizaje.


• Sin embargo, la tecnología, Internet, la virtualización y los nuevos servidores, pueden conjuntarse para suplir esta carencia en forma virtual, enriqueciendo el desarrollo de prácticas y la enseñanza.

• Los laboratorios virtuales, remotos o de simulación en WEB, pueden ofrecer muchas características realmente innovadoras.


ANTECEDENTES


• La estructuración de información mediante hipermedia y multimedia, han sido muy utilizada como sistemas de apoyo al aprendizaje (por ejemplo tutoriales, e-cursos, etc.) en materias que no incluyan una componente práctica importante.


• De igual forma, los sistemas de enseñanza en WEB (e-learning, aulas virtuales, etc.), han permitido trasladar el aula a espacios virtuales donde se puede enriquecer el proceso de aprendizaje de muchas maneras


• Sin embargo, para casos en donde son necesarias prácticas de Laboratorios Convencionales (LC), las universidades se enfrentan a problemas que van desde la carencia de personal y espacios, hasta la adquisición del equipo mismo de laboratorio.


• Una solución a los problemas anteriores puede estar en la creación de laboratorios virtuales, que permitan la realización de prácticas o experiencias a un mayor número de estudiantes, independientemente de que alumnos y laboratorios no coincidan en espacios físicos.


• Esto permite simular fenómenos físicos y modelar sistemas, conceptos abstractos, situaciones hipotéticas, controlando escala de tiempo, frecuencia, etc., ocultando si se requiere, el modelo matemático y mostrando solo el fenómeno simulado.

• Además amplía las capacidades en laboratorios de las instituciones educativas.


LA PROPUESTA


• Mientras el costo de los LC aumenta, las NTICs nos pueden permitir desarrollar laboratorios virtuales, laboratorios remotos, laboratorios de simulación y laboratorios de matemáticas, donde con el software y hardware adecuados, un estudiante pueda usar inclusive recursos físicos convencionales, a través de una Intranet o inclusive a de Internet, ofreciendo una aportación a la docencia nunca antes vista.


Laboratorios Virtuales• Desarrollar un sistema computacional accesible vía

WEB, que mediante un simple navegador, pueda simular un laboratorio convencional, en donde los experimentos se llevan a cabo siguiendo un procedimiento similar al que se sigue en un laboratorio convencional, pudiendo inclusive ofrecer la visualización de instrumentos y fenómenos mediante objetos dinámicos, programados en applets, Flash, scripts, javascripts, PHP, etc., incluyendo imágenes y animaciones.


Laboratorios Remotos• Con el tiempo, transformar estos laboratorios

virtuales, en laboratorios remotos, donde al sistema computacional se le agregue instrumentación, control y acceso a equipos de laboratorio reales, donde ya no solo se lleven a cabo prácticas en un simulador, sino realizar actividades prácticas de forma local o remota a través de una Intranet o Internet, permitiendo la transferencia de información entre un proceso real y los estudiantes, de manera unidireccional o bidireccional.


• Los laboratorios virtuales, deben poder permitir la construcción de modelos matemáticos de forma gráfica, es decir sin usar una interface de comandos como lo hacía por ejemplo un Matlab WEB Server que fue descontinuado, ofreciendo una experiencia enriquecedora, que complemente el autoaprendizaje de nuestros estudiantes.


Laboratorios Virtuales de Matemáticas

• Deberían además incluir un sistema computacional con acceso vía WEB, que permite usar un CAE, para la solución de todo tipo de ecuaciones matemáticas algebraicas, matriciales, diferenciales, etc., de igual forma, poder graficar funciones en 2D y 3D, desarrollar estadística y todo lo relacionado con las ingenierías.


• Este tipo de laboratorios, no solo puede resultar de utilidad para las ingenierías, de hecho puede ser considerado un laboratorio básico para casi todos los programas educativos, con la ventaja de permitir a los estudiantes, repetir las veces que sea necesario un ejercicio, experimentando a su propio ritmo, que combinado con sesiones remotas con sus profesores, puede mejorar mucho el proceso de aprendizaje.


Canihuá• Portal de Laboratorios Virtuales, del C.A. Dinámica de

Sistemas UV-CA-281, del Instituto de Ingeniería de la U.V., en el proyecto “Desarrollo de software y prototipos para el modelado, simulación y control de sistemas dinámicos aplicados a la educación”.

• Permitirá a nuestros P. A. del A. T., integrar en sus E. E. el uso de este tipo de laboratorios, que complementen y llenen los vacíos existentes en nuestros Laboratorios Convencionales, desarrollando un andamiaje que permita el logro de las competencias que requiere un ingeniero egresado de la U.V.


• Este portal iniciará con una aplicación para graficar funciones matemáticas por WEB (GNUPlot), a la que seguirá un CAE para matemáticas (Maxima), una aplicación para realizar cálculos numéricos (Octave), una para análisis estadístico (R) y una para simular sistemas dinámicos (Scilab/Xcos), para en un futuro próximo, incluir el acceso a equipos de laboratorios físicos existentes en la institución.


• El objetivo final será contar con un portal en donde se conjunten laboratorios virtuales de todo tipo, laboratorios remotos, aplicaciones para móviles, acceso a aplicaciones remotas y prácticas de laboratorio de todo tipo.

• Un sitio donde los laboratorios se lleven prácticamente a la casa de nuestros estudiantes eliminando las barreras espacio-tiempo.


EL PORTAL



• Canihuá, palabra Totonaca que significa "En todas partes", nombre apropiado para una portal en WEB al que se puede acceder desde cualquier sitio y que prácticamente al estar en la nube, está en cualquier lugar.

• Proyecto muy ambicioso que pretende conjuntar todo tipo de laboratorios a los que se pueda acceder por WEB

Primera Etapa


Salida Gráfica

Salidas LaTeX y Gráfica

Salidas Texto y Gráficas



Canihuá

GNUPlot

Maxima

R

Octave

Scilab

Internet

Segunda Etapa


GNUPlot y Otros

Maxima y R

Octave, Scilab y Otros


Canihuá

Gráficos

Matemáticas

Simulación

Sage

Internet

Tercera Etapa


X2go, XRDP y NX

GNUPlot y Otros

Maxima y R



Canihuá

Gráficos

Matemáticas

Simulación

Sage

Acceso Remoto

Internet

Cuarta Etapa


X2go, XRDP, Nx

LabView y Otros

GNUPlot y Otros

Maxima y R



Canihuá

Gráficos

Matemáticas

Simulación

Sage

Acceso Remoto

Lab. Remotos

Internet

Etapa Final


Gráficas Matemáticas Simulación Aplicaciones

ExternasAcceso Remoto

Laboratorios Virtuales

Aplicaciones Móviles

Equipo


• Servidor H.P. con un Pentium 4 de 2 núcleos 160 GB de H.D.

• Ubuntu Lucid 10.04 y LAMP (Apache 2.2.14, PHP 5.3.2, MySQL 5.1. 41)

• Por políticas de restricción de la D.G.T.I. de la U.V., por el momento solo puede verse dentro de la red institucional de U.V.

• Las versiones del software utilizado en la fase de pruebas fueron GNUPlot 4.2.6.1 y Maxima 5.20.1

Conclusiones


• De acuerdo a lo observado el desempeño de la primera de las aplicaciones (GNUPlot) es bastante aceptable

• los tiempos de respuesta oscilan entre 5 y 10 segundos desde enterar la función a graficar y obtener la gráfica correspondiente

• Las salidas gráficas correspondientes son PNG en 600x400 pixeles y 16 bits de color.

• Hasta este momento el sistema soporta al menos 20 usuarios concurrentes sin ningún problema

• La generación de resultados gráficos no toma más de 5 o 10 segundos con una calidad en gráficos aceptable.

• La latencia de la red, el consumo a veces excesivo del ancho de banda por el uso de nuestra red en ocasiones hace un poco lento el acceso pero esto se podría solucionar en Internet 2.


Trabajo a futuro• Tener disponible Maxima, CAE para matemáticas• Seguirán Octave, R y Scilab o ScicosLab (primera fase de

este proyecto)• Se hará una interface a SAGE• Seguirá el acceso remoto por X2go a Xcos (Scilab) y Scicos

(ScicosLab).• La parte siguiente será adicionar acceso remoto a

equipos de laboratorio reales, esta parte se espera que se inicie en 2014.

• Se terminará con aplicaciones móviles



Gracias

M.I. Alberto P. Lorandi Medina, Dr. Alfonso C. García Reynoso, M.I. Guillermo Hermida

Saba, M.C. Enrique Ladrón de Guevara Durán, M.S.I. José Hernández Silva.


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