Desarrollo de un videojuego para la enseñanza-aprendizaje de conceptos fotovoltaicos.

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Título :	Desarrollo de un videojuego para la enseñanza-aprendizaje de conceptos fotovoltaicos.
Autor :	ZHAO HU, HAILIN
Fecha de publicación :	2020
Resumen :	Los conceptos básicos relacionados con las tecnologías fotovoltaicas incluyen la química de materiales, la física de semiconductores, la ingeniería de diodos, entre otros, los cuales se imparten en diferentes carreras a nivel de licenciatura. Por ser un tema interdisciplinario, la enseñanza-aprendizaje de la energía fotovoltaica es un reto para estudiantes de licenciatura de cualquier carrera. Se propone desarrollar un videojuego sencillo, ilustrativo e interactivo para el aprendizaje de la fabricación y caracterización de una celda solar de perovskita híbrida. El estudiante entra al juego y construye la celda de acuerdo con las opciones que le proporcionan. En cada etapa de construcción tiene que tomar una decisión que impactaría en la calidad o eficiencia de conversión de la celda finalmente construida. Y detrás de cada decisión están los conceptos básicos de química y física de materiales, así como la teoría de uniones p-n. De esta manera, los estudiantes podrán aprender, en una forma más visual, eficiente y amigable la aplicación de la química y física de la materia en un problema ingenieril. El desarrollo del videojuego que proponemos requiere un equipo de trabajo multidisciplinario. Los investigadores Hailin Zhao y Asiel Corpus son especialistas en celdas solares de perovskita, mientras que el Ing. Héctor Cortés es experto en programación y en sistemas computacionales en general. Héctor ha sido responsable del proyecto PAPIME PE101814 llamado “Conjunto de Prácticas de Instrumentación y Control basadas en Hardware y Software Libre para Energías Renovables”. También ha sido director y co-director de tesis de licenciatura de estudiantes de carreras de computación. Tiene toda la experiencia para el diseño arquitectónico y programación que requiere para el videojuego que proponemos a desarrollar en esta propuesta. Se espera que el trabajo en equipo entre gente de celdas solares y de programación sea exitoso para lograr el objetivo de la propuesta.
URI :	https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/7465
metadata.dc.contributor.responsible:	ZHAO HU, HAILIN
metadata.dcterms.callforproject:	2020
metadata.dc.coverage.temporal:	2020-2022
metadata.dcterms.educationLevel:	nivel superior
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura
metadata.dc.description.objective:	Objetivo general: Desarrollar un videojuego que enseñe la inter-relación entre el proceso de preparación y el desempeño fotovoltaico de una celda solar de perovskita con la finalidad de mejorar la experiencia de aprendizaje del alumno y facilitar el proceso de enseñanza-aprendizaje de materias con contenido multidisciplinario. Objetivos específicos: "1. Lograr un diagrama de flujo de los procesos de preparación y caracterización de una celda solar de perovskita híbrida para su integración al videojuego. 2. Identificar los elementos químicos, moléculas, procesos de fabricación, dispositivos y técnicas de caracterización involucrados en laboratorio, así como su representación gráfica e interacción dentro de un videojuego. 3. Desarrollar el primer prototipo del videojuego incorporando los elementos identificados. 4. Probar el primer prototipo de videojuego en un grupo controlado para evaluar su funcionamiento e impacto en el aprendizaje de los alumnos. 5. Lograr la versión final del videojuego después del análisis de las pruebas del primer prototipo. 6. Cumplir con las especificaciones de la plataforma seleccionada para el uso y distribución del videojuego."
metadata.dc.description.strategies:	Actualmente tenemos preparados cursos largos y cortos de enseñanza presencial de celdas solares, que abarcan los siguientes temas: (1) estructura y química de materiales; (2) propiedades eléctricas y ópticas de materiales; (3) métodos de caracterización de las propiedades eléctricas, ópticas, estructurales, morfológicas de materiales; (4) principios básicos de celdas solares; (5) métodos de evaluación del desempeño fotovoltaico de una celda solar; (6) fabricación de una celda solar de perovskita híbrida, entre otros. La estrategia de la realización del proyecto es lo siguiente: Primero se establece un modelo físico para la enseñanza. Se describe una sucesión de eventos que incluye en el proceso de preparación y caracterización de una celda solar de perovskita híbrida por método de solución, llamados evento 1, evento 2, …, evento n, denotados como E1, E2, …, En. Después, se asocian a cada evento los conocimientos básicos (CB) mencionados arriba, CB1, CB2, …, requeridos para la comprensión del evento. De esta forma se construye el diagrama de flujo que organizan en una matriz de evento-conocimiento (E-CB) en el proceso de fabricación y caracterización de una celda solar de perovskita híbrida. Posteriormente se traslada el modelo físico a una estructura de videojuego para la enseñanza. Se diseña la arquitectura del videojuego, empezando con la asignación de cada elemento de la matriz de evento-conocimiento E-CB, a un componente computacional (CC), y se analiza la asociación/interface entre estos componentes. Una vez optimizada esta estructura arquitectónica del juego, se elige el tipo de lenguaje/software adecuado para la programación de cada elemento y/o interface. El primer prototipo se construye después de haber terminado la programación, y se continúa con las pruebas beta. El proceso iterativo se lleva a cabo hasta llegar a una versión preliminar del videojuego. Se hacen las últimas pruebas para que cumpla con las especificaciones de la plataforma seleccionada para el uso del videojuego, y de esta manera logre la versión final del producto educativo propuesto. El desarrollo de los componentes y las interfaces entre aquellos del videojuego se logra mediante la programación con los siguientes elementos: • Plataforma de desarrollo: Unity. • Lenguaje de programación: C#. • Software Krita y Blender para diseñar los activos o bienes del videojuego (personajes, imágenes, escenarios, herramientas de juego, vehículos, etc.) • Software Musescore y Audacity para edición de audio (música y efecto de sonido) en el videojuego. Por último, se prepara y caracteriza experimentalmente celdas solares de perovskita híbrida en nuestro laboratorio con estudiantes de licenciatura, ya sea en cursos semestrales o de educación continua para que aprendan a preparar y caracterizar las celdas con sus propias manos bajo la asesoría de los participantes académicos y estudiantes de la propuesta.
metadata.dc.description.goals:	Primer año: 1. Diseñar el diagrama de flujo de los procesos de preparación y evaluación de una celda solar de perovskita híbrida para su integración al videojuego. 2. Definir los elementos químicos, moléculas, procesos de fabricación, dispositivos y técnicas de caracterización involucrados en laboratorio, así como su representación gráfica e interacción dentro de un videojuego. 3. Desarrollar el primer prototipo del videojuego Segundo año: 4. Pruebas del primer prototipo de videojuego en un grupo controlado para evaluar su funcionamiento e impacto en el aprendizaje de los alumnos. 5. Análisis de pruebas del prototipo para desarrollar la versión final del videojuego. 6. Cumplir las especificaciones de la plataforma seleccionada para la distribución del videojuego.
metadata.dc.description.selfAssessment:	Al inicio del proyecto (enero de 2020), se planteó contratar dos estudiantes de licenciatura para el desarrollo del proyecto: uno(a) de carrera de ingeniería de computación para la programación y otro(a) de carrera de arte digital para el diseño gráfico/artístico del videojuego. Se incorporó en el proyecto el estudiante de computación, Esteban Guzmán, pero lamentablemente renunció pronto su participación por motivos personales. Afortunadamente, la participación de la estudiante de Artes Digitales, Ana Belén Cortés, ha sido constante desde el inicio del proyecto, lo que permitió un continuo avance en el desarrollo del videojuego. Bajo la dirección del Dr. Asiel Corpus y la asesoría del Ing. Héctor Cortés, Ana Belén no sólo hizo el diseño gráfico y artístico del videojuego, sino también la programación del mismo. Su muy activa y productiva participación en el proyecto permitió la conclusión del producto principal del proyecto, el videojuego “Save Perovskite!”. Además, ella participó en conferencias y podcasts sobre el desarrollo de este videojuego en la Escuela de Artes Digitales de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Otros estudiantes participantes del posgrado de Ingeniería (Energía) de la UNAM, Paola Moreno, Mateus Torres, Carlos Rodríguez y Paola Gabriela Agrego también participaron en el diseño del videojuego y sobre todo en la preparación física de celdas solares de perovskita. Cabe destacar que el Dr. Asiel Corpus (investigador participante) ha jugado un papel decisivo en el desarrollo del proyecto. Ideó el videojuego como una herramienta para el aprendizaje y enseñanza de los conceptos fotovoltaicos. Siendo especialista en celdas solares con formación de ingeniero electrónico, ha dirigido el diseño y el desarrollo del videojuego, la prueba del mismo, y la conclusión del producto. Es tutor de la estudiante Ana Belén Cortés durante estos dos años. Además, ha ofrecido conferencias dentro y fuera del IER sobre “Celdas solares, ciencia de datos y videojuegos”, y ha dado un taller sobre la fabricación y caracterización de celdas solares de perovskita. Por otra parte, el Ing. Héctor D. Cortés (técnico académico participante) también participó activamente en el diseño y desarrollo del software del videojuego, asesorando a la estudiante participante Ana Belén Cortés. Finalmente, la responsable del proyecto, Hailin Zhao Hu, ha coordinado los esfuerzos de todos los participantes del proyecto para lograr el objetivo principal y los productos comprometidos. Ella digirió la parte experimental de las celdas solares de perovskita, asesorando a los estudiantes participantes del Posgrado de Ingeniería (Energía) de la UNAM, para obteber la información de celdas solares reales para el diseño de las opciones en el videojuego. Además, contribuyó en la difusión y divulgación de los resultados de investigación en celdas solares de perovskita.
metadata.dc.description.goalsAchieved:	En el primer año (2020), se lograron las primeras dos metas propuestas, y en el segundo año (2021) se logró la tercera meta propuesta para el primer año, además de todas las metas propuestas para el segundo año. Se describen las actividades realizadas con las cuales lograron las metas mencionadas: 1) Se trabajó con el análisis de datos experimentales para implementar en el juego un sistema de evaluación de la calidad de celdas solares para así ofrecer una experiencia de juego basada en ejemplos reales. 2) Se completó el trabajo de la simulación de los resultados experimentales de una celda solar real con el número total de registro de 2996 dispositivos fotovoltaicos fabricados en el laboratorio con sus respectivos resultados. 3) Se trabajó y completó el desarrollo de dinámicas de juego con la implementación de los eventos a completar por parte del jugador en tres rubros: (a) niveles de juego; (b) evaluación de celdas; (c) aspectos de historia de juego. 4) Se trabajó y completó el desarrollo de estéticas de juego, que incluyó el diseño de personajes, escenarios, audio y otros aspectos estéticos del juego. En específico: (a) Se crearon las figuras de cartón representativas de los jugadores que entrarían al laboratorio virtual a aprender. Se diseñó la trayectoria que recorrerían los jugadores para el depósito de películas delgadas y evaluación de celdas en un laboratorio virtual. (b) Se crearon las figuras de cartón representativas de cada uno de los elementos en un laboratorio de la fabricación de celdas solares. Se creó el laboratorio virtual tomando como modelo un laboratorio real de celdas solares del IER-UNAM (laboratorio 204-205 del Edificio 3.1). Posteriormente se diseñaron para ese espacio virtual las mesas de trabajo, las campanas de extracción, los estantes que almacenan los reactivos químicos y moléculas semiconductoras, los equipos de giro-rotatorio, el sistema de evaporación térmica, los aparatos para la limpieza de material, entre otros. 5) Se logró el desarrollo del prototipo del videojuego. Se revisó paso a paso la realización del experimento de la fabricación de una celda solar de perovskita híbrida en un laboratorio virtual por un jugador (estudiante) sin experiencia alguna en el tema. Se logró corregir los errores logísticos y de programación para llegar la versión final del prototipo de videojuego. 6) Una vez completado el prototipo del videojuego, se realizó pruebas de juego entre estudiantes de diferentes niveles y participantes del proyecto para evaluar su funcionamiento e impacto en el aprendizaje de los conceptos fotovoltaicos. Se comprobó que el videojuego cumple con las especificaciones de la plataforma seleccionada para su posible distribución. Se nombró el videojuego como “Save Perovskite!”.
metadata.dcterms.provenance:	Instituto de Energías Renovables (IER)
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ingenierías
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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