Elevando los laboratorios de ingeniería con LabsLand

Introducción: El dilema del laboratorio en la educación moderna en ingeniería

Todos los instructores están de acuerdo: los estudiantes necesitan experiencia práctica en el laboratorio. Pero, ¿realmente se puede impartir esos conocimientos en un curso de ingeniería moderno? Ahí es donde las cosas se complican.

Organizar sesiones prácticas tiende a ser tradicionalmente desafiante e inconveniente. Todos los estudiantes necesitan ir a un laboratorio físico donde el hardware suele ser caro y su equipo es difícil de mantener y conservar en perfecto estado de funcionamiento. Las averías a menudo suelen desbaratar las actividades, no es posible mantener el laboratorio abierto y bajo supervisión en los horarios en que los estudiantes quisieran ir, y una variedad de otros desafíos limitan la cantidad de prácticas que los instructores pueden realizar de manera efectiva, o dificultan alinearlos estrechamente con la teoría.

El resultado es que, aunque todo el mundo valora el trabajo manual, a menudo es difícil de implementar y está infrautilizado.

Hoy en día, la tecnología nos trae una nueva herramienta para reducir este problema: los laboratorios remotos, sistemas que permiten a los estudiantes acceder a equipos de laboratorio reales a través de Internet. A pesar del nombre, los laboratorios remotos no pretenden reemplazar a los tradicionales, ni están orientados a la educación a distancia. Los laboratorios remotos están diseñados para ser una herramienta poderosa para hacer que la educación práctica en ingeniería sea más flexible y efectiva.

¿Qué es LabsLand?

LabsLand es una plataforma que proporciona acceso a equipos reales de ingeniería educativa a través de Internet. No son simulaciones: son hardware real. De este modo, los instructores pueden ofrecer experiencias prácticas de forma cómoda y eficaz, sin las barreras logísticas de las sesiones tradicionales de laboratorio físico.

Esto no es solo un medio para el aprendizaje a distancia. Es una herramienta de uso general para potenciar las sesiones prácticas. Los instructores pueden incorporar sesiones más prácticas, e incluso fusionarlas con sus clases teóricas cómodamente. Los estudiantes obtienen acceso a una gran cantidad de dispositivos reales y acceden a ellos en segundos, en cualquier momento y en cualquier lugar, sin tener que estar limitados por restricciones de ubicación o el horario limitado del laboratorio físico.

Un aspecto clave es que en LabsLand todo se basa en dispositivos reales, no en emulaciones de software o simulaciones. Los estudiantes ejecutan el código y acceden a equipos y dispositivos que están alojados físicamente en todo el mundo.

LabsLand fue desarrollado para la educación en ingeniería. Incorpora capas de seguridad para garantizar que los estudiantes puedan experimentar de forma segura sin romper el equipo, proporciona análisis de aprendizaje y control de acceso, y se integra con todas las principales plataformas LMS.

DigiKey es un socio estratégico que ayuda a crear y ofrecer soluciones efectivas para la educación en ingeniería a escala.

No solo para la educación a distancia

Aunque a primera vista pueda parecer que los laboratorios remotos son para la educación a distancia, no es así. Los laboratorios remotos son una herramienta diseñada para todo tipo de cursos y capacitaciones de ingeniería, y las universidades presenciales son, de hecho, usuarios comunes de los laboratorios remotos.

Incluso cuando los laboratorios físicos tradicionales están disponibles, los instructores pueden agregar laboratorios remotos a su conjunto de herramientas para garantizar que los estudiantes tengan acceso a una gama más amplia de equipos, integrar el acceso al laboratorio en sus lecciones teóricas sin problemas y permitir que los estudiantes accedan al laboratorio las 24 horas del día, los 7 días de la semana sin restricciones.

Los laboratorios remotos no necesariamente reemplazan a los laboratorios tradicionales, sino que los complementan. Los instructores pueden ganar comodidad, reducir los cuellos de botella y ofrecer más tiempo de laboratorio de forma coherente y fiable, con menos gastos generales.

Figura 1. Estudiantes de la UPNA en un aula utilizando el laboratorio remoto de LabsLand para acceder y programar FPGA reales en tiempo real. (Fuente de la imagen: LabsLand)

Los laboratorios remotos no son simulaciones

Los laboratorios remotos no son simulaciones. Los estudiantes no solo acceden a software que imita el comportamiento o la realidad de un dispositivo físico, sino que interactúan con hardware corriente y 100% real.

Muchas herramientas proporcionan dispositivos simulados o emulados. Estas herramientas pueden ser realmente útiles, y LabsLand no pretende sustituirlas. Pero en algún momento, los estudiantes necesitan trabajar con señales y componentes reales, y eso es lo que proporciona LabsLand.

Las simulaciones siempre están mediadas por las suposiciones de un programador. Se comportan de la manera que alguien decidió que debían comportarse. Eso significa que los estudiantes pueden pasar por alto resultados inesperados, casos extremos o peculiaridades del hardware que ocurren en el mundo real, y esos suelen ser los momentos de aprendizaje más valiosos. Y eso es fundamental para los ingenieros, porque al final sus soluciones tienen que enfrentarse, precisamente, a las condiciones del mundo real.

Con LabsLand, la interfaz es limpia y accesible desde un navegador. En solo segundos, un estudiante puede abrir el sitio y comenzar a usar el equipo completamente configurado. Pero debajo de todo, están interactuando con hardware real, y saben que su aprendizaje se basa en la realidad.

Figura 2. Estudiantes visitando el equipo de laboratorio remoto en persona. (Fuente de la imagen: LabsLand)

Tan eficaz como los laboratorios tradicionales

Varios estudios empíricos han confirmado que los laboratorios remotos ofrecidos por LabsLand pueden igualar o incluso superar la eficacia educativa de los laboratorios prácticos tradicionales. Un estudio de la Universidad de Washington comparó a estudiantes que aprendían a diseñar circuitos digitales utilizando hardware FPGA, ya sea de forma remota o en persona. Los resultados, basados en la taxonomía de Bloom, revelaron que los estudiantes de laboratorio remoto lograron un rendimiento significativamente mayor en tareas que requieren análisis, sin disminución en el aprendizaje en otros niveles, como la comprensión o la aplicación de conceptos. Del mismo modo, un experimento de la Universidad de Deusto en el que se utilizó el laboratorio remoto VISIR (actualmente sustituido por el LabsLand Hive que se explica a continuación) mostró mejoras estadísticamente significativas entre las puntuaciones previas y posteriores a la prueba en múltiples instituciones y niveles de estudiantes, con un gran tamaño del efecto de Cohen de 1,0, lo que indica un fuerte impacto positivo en el aprendizaje.

Además, un estudio dirigido por la Universidad de Monash en Malasia descubrió que los estudiantes que utilizaban los laboratorios remotos de FPGA de LabsLand no solo accedían al equipo con más frecuencia (con más de 20.000 usos en un semestre), sino que también informaron de un mayor compromiso y satisfacción en comparación con los años presenciales anteriores. Los datos de opinión revelaron una mejor alineación con los resultados de aprendizaje del curso, los estudiantes que usaron los laboratorios remotos informaron mejores experiencias de aprendizaje en general en comparación con las cohortes sin acceso. Estos hallazgos subrayan que los laboratorios remotos no son solo un sustituto, sino que son una mejora pedagógicamente sólida y escalable para la educación en ingeniería.

FPGA Lab: Diseño digital en cualquier lugar

El laboratorio de FPGA LabsLand (incluido en las licencias LCAL0001, LCAL9001 y LCAL9002) brinda a los estudiantes acceso a placas FPGA reales como Terasic DE1-SoC y DE2-115, ubicadas en universidades y empresas de todo el mundo. Estas placas están conectadas a periféricos reales, como LED, interruptores, pantallas de 7 segmentos y relojes internos, y se pueden programar mediante VHDL, Verilog o SystemVerilog.

Pero más allá de lo básico, este laboratorio también admite periféricos avanzados. Algunas placas están conectadas a pantallas VGA, salida de audio e incluso configuraciones del mundo real como un sistema de estacionamiento inteligente o un controlador de Nintendo. Estos dispositivos pueden ser controlados de forma remota por la lógica del estudiante que se ejecuta en la FPGA. El estudiante escribe su código HDL, lo carga y obtiene acceso a la placa y los periféricos reales, interactuando con todo en tiempo real.

Video 1: Estudiante usando el Terasic DE1-SoC de Altera de forma remota: a la izquierda, una cámara en tiempo real, y a la derecha los controles, incluidos 10 interruptores, 4 botones y un controlador NES virtual. (Fuente del video: LabsLand)

Para los niveles introductorios, el laboratorio incluye herramientas como Digital Trainer y Boole Designer, que están diseñadas para introducir conceptos básicos como puertas lógicas, sistemas combinacionales y álgebra booleana, todo utilizando hardware real bajo el capó.

Figura 3. LabsLand Prism4 proporciona acceso remoto a cuatro FPGA Altera DE1-SoC, que se muestran sin la cubierta translúcida para mayor visibilidad. Se conectan varios cables para permitir el procesamiento de video y audio, así como periféricos adicionales. (Fuente de la imagen: LabsLand)

STM32 Lab: Sistemas Integrados

El laboratorio LabsLand STM32 (incluido en las licencias LCAL0004, LCAL9001 y LCAL9002) proporciona acceso remoto a placas reales como Nucleo WB55RG de STMicroelectronics , lo que permite enseñar y practicar sistemas integrados, IoT o programación de microcontroladores sin necesidad de ninguna configuración de hardware.

El laboratorio es compatible con múltiples entornos de desarrollo, incluidos el IDE LabsLand basado en la web, Keil Studio Cloud, el compilador Mbed en línea de ARM y cadenas de herramientas fuera de línea como STM32CubeIDE o entornos basados en GCC. Esta flexibilidad permite a los instructores utilizar el mismo laboratorio tanto en cursos introductorios como en cursos más avanzados. Por ejemplo, se puede consultar este curso de Udemy utilizando este laboratorio remoto.

Las placas están conectadas a una gama de periféricos reales y emulados: LED, LED RGB, servomotor, pantalla LCD, así como interruptores, botones y potenciómetros. También es compatible con el monitoreo de corriente, por lo que los estudiantes pueden analizar el consumo de energía en diferentes condiciones, lo cual es útil en cursos que cubren computación de bajo consumo o sistemas IoT de baja potencia.

Video 2: Laboratorio remoto STM32 Nucleo usando los interruptores, botones, y viendo la pantalla controlada por SPI, Ledes, servomotores y UART, y una aplicación del mundo real donde los estudiantes pueden controlar con la placa real un estacionamiento simulado con el GPIO. (Fuente del video: LabsLand)

También hay configuraciones avanzadas que vinculan la placa a entornos virtuales interactivos, como un sistema de automatización de estacionamiento. Estos escenarios son especialmente útiles cuando se combinan sistemas integrados con lógica o simulaciones a nivel de sistema.

Figura 4. Placa de remoteado de cuatro placas de desarrollo STM32 Nucleo WB55RG, listas para su integración en una unidad Prism4. Cada configuración incluye acceso a una pantalla, servomotor, LED y periféricos adicionales. (Fuente de la imagen: LabsLand)

Laboratorio de electrónica analógica: Construya y mida circuitos reales

El laboratorio de electrónica analógica LabsLand -también conocido como The Hive- (al comprar los equipos LPEQ0001, o incluidos en las licencias LCAL0003, LCAL9001 y LCAL9002) permite a los estudiantes construir y medir circuitos analógicos reales de forma remota. Está dirigido a cursos introductorios de electrónica y centrados en lo analógico, e incluye componentes clave como resistencias, condensadores, diodos y más.

Video 3: The Hive en acción: además de los datos del osciloscopio procedentes del equipo real, en este caso en la Universidad Técnica de Dortmund (Alemania), donde es posible ver qué componentes se han utilizado. (Fuente del video: LabsLand)

Los estudiantes usan una interfaz visual para construir circuitos, pero detrás de escena, las conexiones se crean físicamente usando matrices de conmutación basadas en relés. Todas las mediciones se realizan utilizando instrumentación de laboratorio real: osciloscopio, generador de funciones, multímetro y fuentes de alimentación.

El laboratorio admite un gran catálogo de circuitos predefinidos, incluidas redes de resistencias, filtros RLC, diodos y otras configuraciones estándar. Los circuitos se pueden seleccionar del catálogo o crear manualmente utilizando los componentes compatibles. Para mantener las cosas seguras y prácticas, el sistema limita lo que se puede construir físicamente, pero aún ofrece una amplia cobertura de casos de uso comunes en la educación electrónica.

Gracias a un sistema de colas sin interrupciones y a la rápida entrega de mediciones, el laboratorio admite una alta concurrencia, con docenas o incluso cientos de estudiantes que pueden usarlo sin demoras notables.

Figura 5: Las placas basadas en relés que construyen los circuitos electrónicos analógicos están apiladas y conectadas, con LED de estado tricolores iluminados. (Fuente de la imagen: LabsLand)

Figura 6. Unidades de HIVE de LabsLand en diferentes países. Dos pequeñas cámaras en tiempo real están colocadas en la parte superior. (Fuente de la imagen: LabsLand)

Disponible en cualquier momento y desde cualquier lugar

Una ventaja clave de los laboratorios remotos de LabsLand es que están disponibles todo el tiempo y desde cualquier lugar. No es necesario programar franjas horarias específicas, reservar con antelación, trasladarse a un aula de laboratorio específica ni estar sujeto al horario de la universidad.

Los estudiantes pueden conectarse desde casa o desde un salón de clases. Muchos instructores incluso introducen el uso del laboratorio durante las clases teóricas, aprovechando dispositivos reales en sus clases y fusionando el trabajo práctico más estrechamente con la teoría.

Los estudiantes pueden practicar más, y hacerlo convenientemente, en los horarios y al ritmo que mejor les convenga, lo que fomenta un mayor uso del laboratorio y mejora los resultados.

Sin configuración de hardware, sin mantenimiento

LabsLand y sus socios se encargan de la infraestructura. De este modo, las instituciones no necesitan instalar o configurar el hardware, ni preocuparse por el mantenimiento, la calibración y la supervisión. Varias copias de los laboratorios se distribuyen globalmente en diferentes ubicaciones.

Esto permite a los instructores centrarse en la enseñanza, sin necesidad de lidiar con la logística, las interrupciones debidas al mal funcionamiento del equipo o los problemas técnicos. Los estudiantes pueden conectarse cómodamente en segundos, en cualquier momento y desde cualquier lugar, sin tener que adaptarse a estrictas restricciones horarias o geográficas.

Y las universidades pueden ofrecer un servicio que a menudo no solo es más eficaz y conveniente, sino también varias veces menos costoso, ya que la subutilización de los equipos de laboratorio y los gastos generales debido a la adquisición, el mantenimiento y la supervisión se reducen en gran medida.

Modelo flexible: Por suscripción o siendo anfitrión

Empezar a utilizar LabsLand labs es fácil: las instituciones pueden simplemente suscribirse a la red. Las licencias suelen ser muy rentables y se pagan por estudiante y semestre. No es necesario comprar hardware, y el contenido educativo listo para usar y la orientación de expertos están disponibles para ayudar a los instructores a integrar los laboratorios en sus cursos rápidamente.

Para las universidades que desean implementaciones locales, personalización y acceso prioritario a su propio equipo, LabsLand vende laboratorios remotos prefabricados y de última generación, muchos de ellos en colaboración con DigiKey, que se pueden implementar fácilmente en cada institución y a través de los cuales las instituciones pueden unirse a la red como proveedores.

Las instituciones con sus propios equipos obtienen más control, acceso prioritario a sus sistemas, un uso más rentable y un reconocimiento de marca global.

Integración perfecta de LMS

El acceso al laboratorio se gestiona y proporciona a través de una plataforma unificada. Se integra con la mayoría de los sistemas de gestión de aprendizaje, incluidos Moodle, Blackboard, Canvas, Sakai y otros. De esa manera, el acceso a los laboratorios y a las actividades prácticas es perfecto para los estudiantes, todo puede permanecer en un solo lugar e incluso es posible aprovechar la evaluación automática y otras funciones del LMS.

La plataforma LabsLand también incluye herramientas para acceder a análisis de aprendizaje, monitorear el uso y más.

Con el respaldo de las principales instituciones

LabsLand ya es utilizado por universidades de todo el mundo. Algunas de ellas son instituciones conocidas como la Universidad de Washington y la Universidad de Michigan, que también albergan equipos LabsLand en sus campus.

La plataforma también se utiliza en una amplia gama de contextos educativos, incluidas universidades de Alemania, España, Costa Rica y Sudáfrica. La Universidad de Fort Hare, por ejemplo, utiliza LabsLand como parte de sus esfuerzos para ampliar el acceso a la educación en ingeniería. La UNED, una de las universidades más grandes de Europa, también utiliza LabsLand en varios de sus programas.

Muchas de estas universidades no solo utilizan los laboratorios, sino que también contribuyen a ellos. Algunos alojan su propio equipo y lo comparten a través de la red, haciendo que los mismos laboratorios que utilizan en sus aulas estén disponibles para estudiantes de todo el mundo.

Docenas de otras universidades en América, Europa, África y Asia forman parte de la red LabsLand. Este modelo ya está funcionando a gran escala, en diferentes idiomas, estilos de enseñanza y estructuras de cursos, lo que demuestra que los laboratorios remotos no son solo una idea teórica, sino una herramienta práctica y confiable que ya se usa en aulas reales.

Cómo empezar

Empezar a utilizar LabsLand es sencillo. Si está interesado en explorar los laboratorios, ver cómo podrían encajar en su curso o simplemente obtener más información sobre las opciones, le recomendamos que se comunique con nosotros.

No es necesario configurar ni comprar nada para iniciar la conversación. Ya sea que esté considerando suscribirse o ser anfitrión en el futuro, estaremos encantados de ayudarlo a comprender cómo podría funcionar en su contexto.

Para ponerse en contacto o hacer cualquier pregunta, visite https://labsland.com/en/contact

DigiKey también tiene un seminario web disponible con los cofundadores de LabsLand que analizan sus laboratorios remotos para el aprendizaje a distancia con mayor detalle. Para acceder al seminario web, simplemente haga clic en el enlace de registro al final del blog del seminario web y complete la información solicitada.