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iLabs: una nueva forma de agregar experimentos científicos a la educación en línea

El nuevo iLab del profesor Lambertus Hesselink podría resolver el viejo problema de incorporar el trabajo de laboratorio con la enseñanza disponible a través de los MOOC.

Durante los últimos tres años, dos de los estudiantes graduados de Lambertus Hesselink han estado planificando, construyendo y calibrando una nano-cinta transportadora. El experimento único en su clase es del tamaño de una mesa de billar, y consiste en láseres, espejos, microscopios y computadoras que forman un conjunto de pinzas ópticas que pueden manipular nanopartículas individuales.

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La experiencia y el costo asociados con tal dispositivo típicamente lo pondrían fuera del alcance de la mayoría de los estudiantes. Sin embargo, ahora Hesselink y sus estudiantes han desarrollado un método para digitalizar el experimento físico y subirlo a Internet, poniéndolo a disposición de millones de personas a la vez.

Hesselink, profesor de ingeniería eléctrica, y por cortesía de la física aplicada y la aeronáutica y astronáutica de Stanford, dijo que el enfoque podría resolver el viejo problema de incorporar el trabajo de laboratorio con la enseñanza disponible a través de cursos masivos abiertos en línea, o MOOCs.

“Si vas a obtener un título de ciencia o ingeniería en un MOOC, creo que tendrás que cumplir algún tipo de requisito de laboratorio”, dijo Hesselink. “Esta podría ser una forma muy efectiva de compartir laboratorios caros y complicados con las masas para cumplir con ese requisito”.

Laboratorios virtuales para la educación en línea

Los laboratorios virtuales son el último esfuerzo de Hesselink para llevar los laboratorios avanzados a las masas en línea, un enfoque del que fue pionero en 1996. Esa primera versión incluía varias características entonces nuevas, como el control remoto y la programación del laboratorio, el chat, el apoyo de la facultad y un cuaderno electrónico. La generación más reciente de iLabs, “lab in a box”, incluía hardware automatizado al que los estudiantes podían acceder a través de Internet y controlar a distancia desde cualquier lugar del mundo. Los laboratorios ocupaban sólo unos pocos pies cúbicos de espacio, lo que reducía considerablemente los costos de funcionamiento en comparación con las instalaciones tradicionales.

Sin embargo, la abrumadora popularidad de los MOOC hizo que este acuerdo fuera un desafío.

Aunque los laboratorios automatizados de acceso remoto funcionan bien para los cursos con poca inscripción – de hecho, varios cursos en línea ofrecidos por Stanford han prosperado usando laboratorios remotos o kits de Arduino de bajo costo o gratuitos para enviar a casa – Hesselink quería encontrar una manera de escalar esa experiencia para acomodar cursos de 100.000 o más estudiantes.

Si 100.000 estudiantes de un curso se turnaran para realizar incluso un experimento de difracción muy básico de 15 minutos, cada uno de ellos tardaría más de 1.000 días en conseguir un turno. El atasco se hace aún más grave cuando todos esos estudiantes necesitan acceso individual a un laboratorio “húmedo”; los materiales necesarios para realizar experimentos de química o biología tendrían que ser repuestos constantemente.

Para acomodar clases de decenas de miles de estudiantes en un tiempo más razonable, dijo Hesselink, habría que aumentar el número de laboratorios automatizados, y al hacerlo se podrían reducir las eficiencias de costos que hacían que los laboratorios fueran atractivos en primer lugar.

La solución, se dio cuenta Hesselink, era eliminar las partes móviles.

Tan bueno como el de verdad

Este verano, el equipo formado por Hesselink, Lars Thorben Neustock, un investigador de verano de Alemania, y George Herring, un investigador de verano visitante, diseñó un pequeño experimento de difracción – que consiste en dos láseres, una rejilla de difracción, múltiples lentes y más – que caben en una caja del tamaño de una cesta de picnic.

Luego, ejecutaron un programa de automatización que movió los dispositivos a cada configuración posible, y los probaron en cada nivel de potencia posible. Mientras esto ocurría, una unidad LabVIEW incorporada – una cámara estándar y un software para controlar, observar y registrar los experimentos por ordenador – tomaba una instantánea de cada configuración experimental y el resultado correspondiente. Estas imágenes y datos fueron anotados y registrados en una base de datos.

Ahora, los usuarios pueden entrar en la base de datos e interactuar con los mismos controles y vista de video que se utilizarían durante un experimento real, pero cuando los estudiantes cambian el color del láser de azul a rojo, están observando el estado pregrabado.

“Están viendo exactamente el mismo experimento de difracción y controlándolo de la misma manera que lo harían con el ampliamente utilizado programa LabVIEW”, dijo Hesselink. “Es la misma experiencia si estás sentado en un laboratorio aquí en Stanford o en una computadora en África.”

Transformar un experimento físico en uno virtual requiere relativamente poco esfuerzo, dijo Neustock. Un experimento de difracción como el prototipo toma sólo unas pocas horas para automatizar unos pocos cientos de estados y registrar los resultados. “Y entonces lo tienes para siempre”, dijo.

La captura del experimento de la nano-cinta transportadora – que es significativamente más complejo que el experimento del prototipo, y nunca fue configurado con la compatibilidad de iLabs en mente – requirió sólo dos pequeñas modificaciones y se hizo en el tiempo de una tarde.

Hesselink dijo que la facilidad y el éxito de la transformación de estos dos laboratorios físicos en experimentos virtuales demuestra que el nuevo enfoque podría ayudar a iLabs a superar las barreras de entrada -a saber, la asequibilidad y el acceso- que, a pesar del amplio interés, obstaculizaban la escalabilidad de las anteriores iteraciones de iLabs.

Más allá de su uso en los MOOC o en las aulas de la vida real, Hesselink sugirió que iLabs podría utilizarse para publicar los experimentos de los estudiantes de doctorado y preservarlos para las generaciones futuras. También especuló que la capacidad de realizar experimentos de bajo riesgo y bajo coste a través de iLabs podría tener algún día aplicaciones comerciales en medicina, ingeniería y ciencia.

Laboratorios para las masas

La facilidad para adaptar intrincados montajes podría permitir a los científicos -y esperamos que los motive- construir una robusta biblioteca de experimentos virtuales en poco tiempo.

“La mejor parte es que esto es muy escalable”, dijo Hesselink. “Podrías ofrecer a las universidades acceso gratuito a la base de datos si aceptaran subir sus experimentos automatizados. Puedes imaginarte llenar un disco duro con 100 o 1.000 experimentos y dárselo a una escuela que no tiene acceso a ningún equipo. O podrías ponerlo en los servidores de Google, y millones de personas podrían acceder a un solo experimento al mismo tiempo.”

También requiere mucho menos mantenimiento, dijo Hesselink, lo que abre la puerta a los experimentos de química y biología. (Tales experimentos incluirían errores, dijo Hesselink, porque los errores tienen un gran valor educativo).

Hesselink dijo que algunos científicos argumentarán que iLabs no puede reemplazar una experiencia práctica para ciertos experimentos, pero él piensa que las ventajas superan con creces esta negativa. El uso de los láseres de alta potencia en la cinta transportadora de nanotecnología, por ejemplo, requiere una formación importante y medidas de seguridad. Acceder a una réplica virtual del experimento proporcionará a los estudiantes principiantes un acceso sin precedentes para explorar configuraciones avanzadas.

Los estudios pedagógicos han demostrado que los estudiantes valoran mucho los iLabs, dijo Hesselink. Los estudiantes que nunca tuvieron la intención de involucrarse en experimentos encontraron en iLabs una gran motivación para estudiar ciencia e ingeniería. Por ejemplo, Optics 4 Kids, un sitio web de la Sociedad Óptica que dirigió el iLabs de Stanford hasta mediados de la década de 2000, fue muy frecuentado por estudiantes de todo el mundo y recibió comentarios muy favorables.

“Somos muy afortunados en Stanford de tener acceso a tantas piezas de equipo maravillosas”, dijo Hesselink. “Esta es una buena manera de difundir esa experiencia.”

Contacto con los medios de comunicación

Bjorn Carey, Servicio de Noticias de Stanford: (650) 725-1944, bccarey@stanford.edu

Lambertus Hesselink, Ingeniería: bert@kaos.stanford.edu