Tiempo, Clima y Energía en un marco de aprendizaje práctico - UPSA

Tiempo, Clima y Energíaen un marco de aprendizaje prácticoM.J. Esteban-Parra, L. Alados Arboledas, Andrew Kowalskiy Francisco José Olmo ReyesDepartamento de Física Aplicada. Facultad de Ciencias. Universidad de Granada,Avda. Fuentenueva s/n. 18071 Granada, Españaesteban@ugr.esAbstract. Este trabajo se basa en los resultados del proyecto de innovacióndocente Tiempo, Clima y Energía en un marco de aprendizaje práctico,financiado por la Universidad de Granada. En él se desarrollaron prácticas yproblemas prácticos para las asignaturas relacionadas con la Meteorología yClimatología en soporte informático, que potenciaran el aprendizaje yautoaprendizaje: Se trató de abordar una mejora de la docencia práctica de estasasignaturas y de crear un marco de aprendizaje dinámico en el que el desarrollode destrezas vía el análisis de casos reales fuese el motor formativo. La mayorparte de estas prácticas y problemas están basados en el análisis de datos,usando recursos informáticos, a realizar en las aulas de informática, e integradasen las páginas web de las asignaturas de Meteorología y Climatología y deEnergía y Medio Ambiente (Licenciatura de CC. Ambientales), y deMeteorología Física (Licenciatura de Física). La realización de problemas yejercicios programados permite suplir las carencias de los alumnos de CC.Ambientales en la resolución de ejercicios numéricos. Otra ventaja es elaprendizaje de técnicas de trabajo habituales en la vida profesional, tratamientode la información y acercamiento a las técnicas profesionales propias de losmeteorólogos y ambientólogos.Keywords: Docencia práctica, Meteorología y Climatología, CC. Ambientales.Uso del ordenador.1 IntroducciónEl proyecto de innovación docente “Tiempo, Clima y Energía en un marco deaprendizaje práctico” es continuación del proyecto “Aprendizaje autónomo de lasdisciplinas relacionadas con la Física en Ciencias Ambientales”. El objetivo primariode éste, fue la elaboración de guías de estudio y de cuestionarios de autoevaluación delos conceptos teóricos de las asignaturas Meteorología y Climatología y Energía yMedio Ambiente, troncal y optativa respectivamente de la Licenciatura de CC.Ambientales, que quedaron implementados en las páginas web de estas asignaturas,realizadas dentro del marco de este mismo proyecto.Los objetivos de este proyecto se centraban más en la adquisición deconocimientos que en la adquisición de destrezas y actitudes. Sin embargo, el proceso

de aprendizaje no se reduce a la mera transmisión de información, sino que pretendegenerar destrezas que enriquezcan al alumno de cara a su futuro profesional, así comofomentar actitudes que debe tener todo universitario hacia el conocimiento en generaly hacia el conocimiento científico en particular. Esto nos llevó a presentar el proyecto“Tiempo, Clima y Energía en el marco de un aprendizaje práctico”, cubriendo losobjetivos formativos relacionados con la adquisición de destrezas y actitudes. Elprincipal objetivo del mismo fue elaborar un conjunto de prácticas y problemasprácticos programados para estas asignaturas en soporte informático, con el fin depotenciar el aprendizaje y autoaprendizaje de estas materias: “lo oyó, y lo olvidó, lovio y lo creyó, lo hizo y lo aprendió” (Confucio), tratando no sólo de abordar unamejora de la docencia práctica de estas asignaturas, sino de crear un marco deaprendizaje dinámico para las mismas en el que el desarrollo de destrezas vía elanálisis de casos reales fuera el motor formativo.La implantación de los planes de estudios actuales se hizo inspirada por un deseono sólo de transmitir un conocimiento teórico, sino también de potenciar unaprendizaje práctico, que facilitará la adquisición de destrezas y procedimientos útilesen un desarrollo profesional posterior. El nuevo esquema del Espacio Europeo deEducación Superior va más lejos en el sentido de introducir el concepto deautoaprendizaje y de las actividades académicas dirigidas [1]. En este sentido, esteproyecto pretende sentar las bases del aprendizaje práctico de estas asignaturas en uncontexto en el que el alumno tenga disponibilidad de un conjunto de recursos quefavorezcan la autoformación, si bien el objetivo no es suplir las prácticas en su horarioestablecido; se trata de completar y mejorar éstas y además facilitar el trabajopersonal del alumno.La mayor parte de estas prácticas y problemas diseñados en este proyecto estánbasados en el análisis de datos reales, usando recursos informáticos, como pueden serhojas de cálculo, o programas en Fortran o Visual Basic, desarrollados por losprofesores implicados, o en software específico, que se realizan en las aulas deinformática, y posteriormente se han integrado en las páginas web de las asignaturasde Meteorología y Climatología y de Energía y Medio Ambiente, desarrolladas en elanterior proyecto docente.La realización de este tipo de problemas y ejercicios programados permite suplirlas carencias que presentan los alumnos de CC. Ambientales en la resolución deejercicios numéricos. Otra potencial ventaja es el aprendizaje de técnicas de trabajohabituales en la vida profesional (hojas de cálculo), tratamiento de la información yacercamiento a las técnicas profesionales propias de los meteorólogos yambientalistas2 Descripción del proyecto de innovaciónEl laboratorio de Física de la Atmósfera cuenta con diversos dispositivos demedida de variables meteorológicas: sensores de presión, temperatura y humedad,anemómetro veleta, pluviómetro, varios sensores de radiación solar. Con el fin depotenciar el uso didáctico de estos aparatos se instaló un servidor informático del quelos alumnos pueden obtener los datos meteorológicos en tiempo real para su análisis,

esto supone una motivación para los alumnos que pueden conectar y explicar losvalores de estas variables meteorológicas con el tiempo real percibido.Se han implementado varias prácticas basadas en el análisis de estos datos. Lasprácticas se completan en algunos casos con problemas programados, por ejemplorelativos al cálculo de temperaturas, índices de humedad, estudio del efecto Foehn,cálculo del viento geostrófico, del gradiente y térmico, temperaturas de equilibrioradiativo ([2], [3]).La lista de las prácticas diseñadas para las asignaturas relativas a la Meteorologíaes la siguiente:A. Prácticas sobre radiación:A.1 Análisis de la radiación solar y del balance radiativo.B. Prácticas de Termodinámica atmosférica:B.1 Medida y análisis de temperatura y humedad:B.2 Sondeo aerológico: Estudio de la estabilidad, índices de estabilidad y nivelesde condensación.B3. Efecto Foehn.C. Prácticas de Dinámica AtmosféricaC.1 Análisis de la presión atmosférica. Corrección y reducción a nivel del mar.C.2 Estudio de mapas sinópticos: Frentes y cálculo del viento en superficie yaltura.D. Prácticas sobre Climatología y Cambio Climático ([4],[5])D.1 Experimentos con modelos climáticos de balance de energía: sensibilidadclimática. Retroalimentaciones. Condiciones de equilibrio.D.2 Mecanismos de cambio climático y evolución temporal.Se hizo fundamental la puesta a punto del servidor de datos para la recogida,gestión y disponibilidad en tiempo real de los datos. El servidor de datos es unordenador con Windows Server, programado con rutinas que recogen de formaautomática la información medida por los diversos dispositivos del Laboratorio deFísica de la Atmósfera, previamente recolectados por un datalogger, y de lasimágenes (previamente tratadas) del satélite Meteosat, cuya recepción tambiéngestiona el grupo de Física de la Atmósfera. A modo de ejemplo, en la Figura 1 semuestra la utilidad diseñada para visualizar las imágenes de satélite, que forma la basede la práctica C2.Este ordenador es también el soporte de las páginas web de las asignaturas, cuyoformato establece un acceso restringido a los alumnos, así como la posibilidad de untratamiento más personalizado con cada uno ellos. Se ha usado la plataforma Moodle,con un esquema más versátil de presentación de los contenidos. Esta plataformaofrece la posibilidad de establecer el uso restringido de los alumnos, aportando a losprofesores información concerniente sobre el uso que los mismos hacen de laspáginas web, y que en el futuro podría permitir la generación de ejercicios y recursosindividualizados para cada alumno. La dirección de este servidor web eshttp://caribdis.ugr.es .

Fig. 1. Aspecto del visor de imágenes Meteosat en el que se basa la práctica C2.3 Descripción de las prácticasLas prácticas A1 y B1 analizan los datos medidos por los sensores de radiación,temperatura y humedad. Los datos se promedian en intervalos de 5 minutos,generándose ficheros Excel con varios días de datos. La idea es que los alumnospuedan estudiar las variaciones diarias de estas variables y dentro de un mismoconjunto de datos pueda distinguir varias situaciones meteorológicas. Se realizaronuna serie de guiones de las prácticas, encaminados a facilitar el análisis de estos datosmediante la hoja de cálculo Excel. La elección de esta herramienta se hizofundamentalmente por ser una de las más extendidas y comunes. Los guiones siguenun esquema clásico en cuanto a formato, incluyendo un fundamento teórico, breveresumen de contenidos ya explicados en clase. Se realizó un guión base explicando elmanejo de la hoja Excel, siendo la primera práctica el motor explicativo de la misma.Dentro del carácter formativo de estas prácticas, merece la pena destacar que elalumno no sólo aprende a escribir una fórmula en Excel, sino también cómo paraextraer información es necesario filtrar los datos mediante criterios físicos (no se ha

abordado aquí la corrección de inhomogeneidades y el tratamiento de los datosespurios) y la visualización de los mismos.La práctica B2, se dedica al estudio de un sondeo aerológico, siendo la práctica conmás contenido físico-matemático. Los datos de nuevo se dan en un fichero Excel, losalumnos tienen que calcular una serie de parámetros explicados en clase, analizandoentre otros, la estabilidad de estratificación y la formación de cúmulos. Esta prácticade ordenador se complementa con un tratamiento gráfico del sondeo aerológico,usando los diagramas tipo emagrama, tradicionalmente usado en los servicios demeteorología, y que hasta la fecha eran el núcleo central de las prácticas de laasignatura. Posteriormente comentaremos algunas limitaciones en la realización deesta práctica.La práctica B3 es en realidad un ejercicio programado sobre el efecto Foehn. Elefecto Foehn es el paradigma del problema de Termodinámica de la Atmósfera,resumiendo los procesos fundamentales que puede sufrir una parcela de aire, de ahí suimportancia. El diseño del mismo se ha hecho usando animaciones Flash. Losparámetros iniciales pueden ser cambiados, con la posibilidad de generar múltiplesejercicios. El alumno debe responder a las preguntas realizadas, dándole pistas sobrela solución si lo requiere.La práctica C1 usa los mismos datos que la práctica B2. Se trata aquí de que losalumnos usen diversas formulaciones para el cálculo de la presión reducida al niveldel mar. De nuevo los cálculos de hacen mediante la hoja de Excel.La práctica C2 se basa en el estudio de imágenes de satélite Meteosat. Consta de unvisor de imágenes (Figura 1), incluido en el servidor web de la asignatura, con el cuallos alumnos pueden analizar la evolución atmosférica durante las últimas 24 horas,con una sucesión de imágenes en intervalos de 15 minutos. La práctica va encaminadaa que los alumnos identifiquen y caractericen las masas de nubes, los frentes y sudinámica, al menos de forma cualitativa. Estas imágenes, combinadas con mapas deisobaras en superficie y de isohipsas en altura, obtenidos de la página web del INM,permiten cálculos sencillos sobre el viento y la realización de prediccionesmeteorológicas sobre la Península Ibérica (en realidad se examinan los mapas depredicción, ya que son más sencillos de interpretar, y por tanto más pedagógicos, quelos obtenidos a partir de medidas).La práctica de climatología D1 consiste en el manejo de un modelo climático debalance de energía unidimensional (MBE), diseñado e implementado por losprofesores del proyecto. Para ello nos hemos basado en el modelo MBE incluido en ellibro de Casas y Alarcón (que a su vez es una adaptación de un modelo del libro deHenderson y Sellers), usado de forma experimental el curso pasado. Hemos realizadouna implementación en Visual Basic de las ecuaciones de balance radiativo en las quese basa el modelo, introduciendo aspectos y mejoras no contempladas en el MBE deCasas y Alarcón (por ejemplo el estudio de los tiempos de respuesta, de los cambiostemporales de la temperatura media mundial y de la cuantificación del efecto de lasretroalimentaciones) así como la posibilidad de importar y exportar datos y deguardar las salidas del modelo en un fichero Excel para su posterior representacióngráfica. Se han redactado un total de 17 ejercicios prácticos tanto para estudiar lasensibilidad del modelo ante cambios en los parámetros de entrada como para estudiarlos diversos mecanismos de cambio climático (variaciones en la emisión solar,cambios en las propiedades reflexivas del suelo, cambios en la concentración de gases

de efecto invernadero, etc.), que son la base de la práctica D2. La Figura 2 muestra amodo de ejemplo una de las posibles interfaces implementadas en este programa delMBEFig. 2. Interfaz del menú del programa MBE. Dentro de este menú, se puede acceder a losdistintos parámetros para modificarlos. En el submenú Opciones, la opción “calcular”, presentalos resultados una vez que se hayan modificado las variables pertinentes.4 ConclusionesDe forma general, consideramos que esta experiencia ha supuesto un enriquecimientoy mejora sustancial de la docencia práctica de las asignaturas directamenteimplicadas, Meteorología y Climatología, Meteorología Física y Energía y MedioAmbiente. La mejora no sólo afecta al número de prácticas, sino que ha supuesto unamodernización de las mismas y un acercamiento a herramientas de trabajo comunescomo son las hojas de cálculo, tratamiento de datos, etc., sin renunciar a laprofundización de los aspectos físicos de los problemas tratados. Así, los principalesbeneficiarios de este proyecto son los alumnos de estas asignaturas, que pasan a teneruna mayor variedad y calidad de las prácticas, lo cual también redunda en una mejorcompresión y aprendizaje de toda la asignatura.El esquema de prácticas y ejercicios elaborados podría ser útil para otras muchasasignaturas. En primera aproximación parte de estas prácticas podrían ser la base deotras nuevas para las asignaturas de Física Ambiental tanto de la Licenciatura de CC.Ambientales como de la de Físicas. También pueden ser útiles como complementos a

formación de postgrado, por ejemplo, para los cursos de doctorado y másterrelacionados con estas disciplinas.Aunque no se ha diseñado ningún tipo prueba evaluadora de la experienciadocente, si que tenemos algunos indicadores que nos pueden servir para evaluar lamisma. Así, en la asignatura de Meteorología y Climatología ha aumentado el númerode alumnos que han asistido a las prácticas de ordenador y que han entregadoposteriormente los informes de las mismas y ha aumentado el número de alumnos queha superado una prueba específica sobre el sondeo, siendo en general las notas dedicha prueba más altas que en años anteriores. En los exámenes, se incluyó unproblema sobre el efecto Foehn, con resultados mucho mejores que los obtenidos añosanteriores. En general, en la evaluación de los alumnos, se ha apreciado un mayornúmero de aprobados y un aumento de la nota media obtenidaActualmente se está implantado el nuevo esquema educativo impuesto por elEspacio Europeo de Educación Superior. Dentro de este esquema se prevé unareducción de la enseñanza presencial y un aumento de las tareas dirigidas, en la que elalumno tiene que tener una actitud más activa en el proceso de aprendizaje. Creemosque en este nuevo ámbito será muy importante la disponibilidad de recursosdidácticos como los generados en esta acción de innovación docente, recursos quepuedan ser empleados por los alumnos de forma individual e independiente, conaccesos cada vez más fáciles como es el de una página web. Sería conveniente en elfuturo ampliar el número de prácticas y ejercicios con el fin no sólo de completar losaspectos teóricos tratados, sino también para hacer posible una enseñanza másindividualizada y recursos de evaluación del trabajo personal de cada alumno.Agradecimientos. El proyecto de innovación docente “Tiempo, Clima y Energía enun marco de aprendizaje práctico” fue subvencionado por la Universidad de Granada(Vicerrectorado de Planificación, Calidad y Evaluación Docente).Referencias1. Junta de Andalucía. Informe sobre experiencias piloto para la implantación del EspacioEuropeo de Educación Superior y el ECTS. (2003).2. Aguado, E y J.E. Burt. Understanding weather and climate, Prentice Hall, New Jersey.(1999).3. Ahrens, C.D. Meteorology today: an introduction to weather, climate and the environment.West, Minnesota. (1994).4. Henderson-Sellers, A. y K. McGuffie. Introducción a los modelos climáticos. Omega,Barcelona. (1990).5. Casas Castillo, M.C. y M. Alarcón Jordán. Meteorología y Clima, UPC. (1999).