Plataformas experimentales para la formación en el área de la electrónica en entornos de e-learning

El campo de estudio relacionado con los laboratorios remotos en el ámbito educativo de las ciencias y la ingeniería está sufriendo una notable expansión ante la necesidad de adaptar los procesos de aprendizaje en dichas áreas a las características y posibilidades de la formación online. Muchos de los recursos educativos basados en esta tecnología, existentes en la actualidad, presentan ciertas limitaciones que impiden alcanzar las competencias que se deben adquirir en los laboratorios de ingeniería. Estas limitaciones están relacionadas con diferentes aspectos de carácter técnico y formativo. A nivel técnico las limitaciones principales se centran en el grado de versatilidad que son capaces de proporcionar comparado con el que se dispone en un laboratorio tradicional y en el modo de interacción del usuario, que provoca que el estudiante no distinga claramente si está realizando acciones sobre sistemas reales o simulaciones. A nivel formativo las limitaciones detectadas son relevantes para poder alcanzar un aprendizaje significativo. En concreto están relacionadas principalmente con un escaso sentimiento de inmersión, una reducida sensación de realismo respecto a las operaciones que se realizan o la limitada posibilidad de realizar actividades de forma colaborativa. La aparición de nuevas tecnologías basadas en entornos inmersivos, unida a los avances producidos relacionados con el aumento de la capacidad gráfica de los ordenadores y del ancho de banda de acceso a Internet, han hecho factible que las limitaciones comentadas anteriormente puedan ser superadas gracias al desarrollo de nuevos recursos de aprendizaje surgidos de la fusión de laboratorios remotos y mundos virtuales 3D. Esta tesis doctoral aborda un trabajo de investigación centrado en proponer un modelo de plataformas experimentales, basado en la fusión de las dos tecnologías mencionadas, que permita generar recursos educativos online que faciliten la adquisición de competencias prácticas similares a las que se consiguen en un laboratorio tradicional vinculado a la enseñanza de la electrónica. El campo de aplicación en el que se ha focalizado el trabajo realizado se ha centrado en el área de la electrónica aunque los resultados de la investigación realizada se podrían adaptar fácilmente a otras disciplinas de la ingeniería. Fruto del trabajo realizado en esta tesis es el desarrollo de la plataforma eLab3D, basada en el modelo de plataformas experimentales propuesto, y la realización de dos estudios empíricos llevados a cabo con estudiantes de grado en ingeniería, muy demandados por la comunidad investigadora. Por un lado, la plataforma eLab3D, que permite llevar a cabo de forma remota actividades prácticas relacionadas con el diseño, montaje y prueba de circuitos electrónicos analógicos, aporta como novedad un dispositivo hardware basado en un sistema de conmutación distribuido. Dicho sistema proporciona un nivel de versatilidad muy elevado, a nivel de configuración de circuitos y selección de puntos de medida, que hace posible la realización de acciones similares a las que se llevan a cabo en los laboratorios presenciales. Por otra parte, los estudios empíricos realizados, que comparaban la eficacia educativa de una metodología de aprendizaje online, basada en el uso de la plataforma eLab3D, con la conseguida siguiendo una metodología clásica en los laboratorios tradicionales, mostraron que no se detectaron diferencias significativas en el grado de adquisición de los resultados de aprendizaje entre los estudiantes que utilizaron la plataforma eLab3D y los que asistieron a los laboratorios presenciales. Por último, hay que destacar dos aspectos relevantes relacionados directamente con esta tesis. En primer lugar, los resultados obtenidos en las experiencias educativas llevadas a cabo junto a valoraciones obtenidas por el profesorado que ha colaborado en las mismas han sido decisivos para que la plataforma eLab3D se haya integrado como recurso complementario de aprendizaje en titulaciones de grado de ingeniería de la Universidad Politécnica de Madrid. En segundo lugar, el modelo de plataformas experimentales que se ha propuesto en esta tesis, analizado por investigadores vinculados a proyectos en el ámbito de la fusión nuclear, ha sido tomado como referencia para generar nuevas herramientas de formación en dicho campo. ABSTRACT The field of study of remote laboratories in sciences and engineering educational disciplines is undergoing a remarkable expansion given the need to adapt the learning processes in the aforementioned areas to the characteristics and possibilities of online education. Several of the current educational resources based on this technology have certain limitations that prevent from reaching the required competencies in engineering laboratories. These limitations are related to different aspects of technical and educational nature. At the technical level, they are centered on the degree of versatility they are able to provide compared to a traditional laboratory and in the way the user interacts with them, which causes the student to not clearly distinguish if actions are being performed over real systems or over simulations. At the educational level, the detected limitations are relevant in order to reach a meaningful learning. In particular, they are mainly related to a scarce immersion feeling, a reduced realism sense regarding the operations performed or the limited possibility to carry out activities in a collaborative way. The appearance of new technologies based on immersive environments, together with the advances in graphical computer capabilities and Internet bandwidth access, have made the previous limitations feasible to be overcome thanks to the development of new learning resources that arise from merging remote laboratories and 3D virtual worlds. This PhD thesis tackles a research work focused on the proposal of an experimental platform model, based on the fusion of both mentioned technologies, which allows for generating online educational resources that facilitate the acquisition of practical competencies similar to those obtained in a traditional electronics laboratory. The application field, in which this work is focused, is electronics, although the research results could be easily adapted to other engineering disciplines. A result of this work is the development of eLab3D platform, based on the experimental platform model proposed, and the realization of two empirical studies with undergraduate students, highly demanded by research community. On one side, eLab3D platform, which allows to accomplish remote practical activities related to the design, assembling and test of analog electronic circuits, provides, as an original contribution, a hardware device based on a distributed switching system. This system offers a high level of versatility, both at the circuit configuration level and at the selection of measurement points, which allows for doing similar actions to those conducted in hands-on laboratories. On the other side, the empirical studies carried out, which compare the educational efficiency of an online learning methodology based on the use of eLab3D platform with that obtained following a classical methodology in traditional laboratories, shows that no significant differences in the acquired degree of learning outcomes among the students that used eLab3D platform and those that attended hands-on laboratories were detected. Finally, it is important to highlight two relevant aspects directly related with this thesis work. First of all, the results obtained in the educational experiences conducted, along with the assessment from the faculty that has collaborated in them, have been decisive to integrate eLab3D platform as a supplementary learning resource in engineering degrees at Universidad Politecnica de Madrid. Secondly, the experimental platform model originally proposed in this thesis, which has been analysed by nuclear fusion researchers, has been taken as a reference to generate new educational tools in that field

Eight reasons why cybersecurity on novel generations of brain-computer interfaces must be prioritized

This article presents eight neural cyberattacks affecting spontaneous neural activity, inspired by well-known cyberattacks from the computer science domain: Neural Flooding, Neural Jamming, Neural Scanning, Neural Selective Forwarding, Neural Spoofing, Neural Sybil, Neural Sinkhole and Neural Nonce. These cyberattacks are based on the exploitation of vulnerabilities existing in the new generation of Brain-Computer Interfaces. After presenting their formal definitions, the cyberattacks have been implemented over a neuronal simulation. To evaluate the impact of each cyberattack, they have been implemented in a Convolutional Neural Network (CNN) simulating a portion of a mouse's visual cortex. This implementation is based on existing literature indicating the similarities that CNNs have with neuronal structures from the visual cortex. Some conclusions are also provided, indicating that Neural Nonce and Neural Jamming are the most impactful cyberattacks for short-term effects, while Neural Scanning and Neural Nonce are the most damaging for long-term effects

Integración del laboratorio remoto eLab3D en títulos de grado de Ingeniería

La evolución de los laboratorios remotos ha sufrido un punto de inflexión al incorporarse en su diseño tecnologías basadas en entornos virtuales de aprendizaje. Los nuevos laboratorios remotos que han surgido ofrecen prestaciones educativas que permiten la adquisición de competencias prácticas similares a las que se alcanzan en los laboratorios presenciales. Este trabajo ofrece una aportación orientada a demostrar que es factible integrar el uso de estos nuevos recursos en los estudios de grado del área de la ingeniería electrónica. Se ha utilizado el laboratorio remoto eLab3D que permite realizar experimentos reales en el ámbito de la electrónica utilizando Internet. El interface de usuario del laboratorio es un mundo virtual 3D desarrollado en Opensim al que se accede mediante un visor 3D de libre distribución. Usando avatares los usuarios pueden interactuar con réplicas virtuales de instrumentos reales, componentes, cables, y circuitos como lo harían en un laboratorio presencial. Se han desarrollado experiencias con estudiantes universitarios de grado en las que se ha comparado la consecución de los resultados de aprendizaje entre estudiantes que han trabajado en laboratorios presenciales y estudiantes que han utilizado eLab3D. Los resultados obtenidos han permitido integrar eLab3D como recurso educativo complementario en las enseñanzas universitarias del área de la electrónica

Using remote laboratory eLab3D for a broader practical skills training in electronics

This paper briefly presents some relevant aspects of an innovative educational resource that allows real experimentation through Internet in the area of electronics. The developed platform, named eLab3D, is based in a 3D environment in which the user can conduct all the operations that he/she would carried out in a hands-on laboratory. The authors intend to demonstrate the basic operation of the platform to perform electronics experiments

Laboratorio remoto eLab3D: un mundo virtual inmersivo para el aprendizaje de la electrónica

En este artículo se presenta un recurso educativo novedoso, basado en un laboratorio remoto, que permite a los estudiantes, a través de Internet, la realización de experimentos reales en el área de la electrónica. Se ha creado un mundo virtual 3D donde los usuarios, a través de sus avatares, pueden interaccionar con réplicas virtuales de instrumentos, placas de circuitos, componentes o cables y con compañeros y profesores, de forma similar a como lo harían en un laboratorio presencial. Este recurso ofrece múltiples posibilidades que pueden ser muy útiles en los diferentes niveles educativos. Se han llevado a cabo algunas experiencias educativas de utilización de la plataforma con el fin de valorar sus posibilidades docentes y los resultados obtenidos han sido muy positivos. ABSTRACT. This paper presents an innovative educational resource, based on a remote laboratory, which allows users to conduct real experiments through Internet in the area of electronics. A 3D virtual world has been created in which users, by means of their avatars, can interact with virtual replicas of instruments, circuit boards, components or cables and with peers and teachers, as they would in a traditional laboratory. This resource offers multiple possibilities that can be very useful in the different education levels. Some educative experiences have been carried out using the platform to evaluate its educational possibilities and the obtained results have been very positive

Laboratorio Remoto eLab3D, un recurso complementario en la formación del ingeniero

Descripción básica de la plataforma eLab3D y su uso en varias experiencias docentes son estudiantes universitarios y de educación secundaria. ABSTRACT. Experimental training is essential in developing the whole set of skills that an engineer must acquire. Therefore, any resource that involves an improvement in the practical training is an issue of interest to the academia. eLab3D is an electronics remote laboratory based on a configurable hardware and 3D virtual world, that allows students to perform real experiments with analog electronic circuits. This article provides a SWOT analysis about remote laboratories compiled from recent publications and presents some relevant results of the use of eLab3D in real educational contexts, concerning the teachers’ assessment of its potential and the students’ perceived satisfaction

Demostración de la plataforma educativa eLab3D para el aprendizaje de la electrónica

eLab3D es un laboratorio remoto que permite a los usuarios la realización de experimentos reales online basados en el análisis y diseño de circuitos electrónicos. El laboratorio dispone como interfaz de un mundo virtual 3D, desarrollado en Opensim, en el que los usuarios interaccionan con réplicas virtuales de instrumentos, circuitos, componentes o cables, así como con sus compañeros y profesores a la hora de realizar las prácticas. eLab3D se ha diseñado para que todas las actividades que se desarrollen sean prácticamente análogas a las que se realizarían en un laboratorio presencial

Utilización del laboratorio remoto eLab3D en la enseñanza de la electrónica analógica

Este trabajo muestra el grado de adquisición de los objetivos de aprendizaje que pueden alcanzar los estudiantes en un laboratorio de electrónica mediante la utilización de eLab3D. Además se presentan los resultados obtenidos en una experiencia realizada con estudiantes de una titulación de grado de la Universidad Politécnica de Madrid en la que se ha evaluado la eficacia, a nivel de aprendizaje, al utilizar la plataforma eLab3D

SAFECAR: A Brain–Computer Interface and intelligent framework to detect drivers’ distractions

As recently reported by the World Health Organization (WHO), the high use of intelligent devices such as smartphones, multimedia systems, or billboards causes an increase in distraction and, consequently, fatal accidents while driving. The use of EEG-based Brain–Computer Interfaces (BCIs) has been proposed as a promising way to detect distractions. However, existing solutions are not well suited for driving scenarios. They do not consider complementary data sources, such as contextual data, nor guarantee realistic scenarios with real-time communications between components. This work proposes an automatic framework for detecting distractions using BCIs and a realistic driving simulator. The framework employs different supervised Machine Learning (ML)-based models on classifying the different types of distractions using Electroencephalography (EEG) and contextual driving data collected by car sensors, such as line crossings or objects detection. This framework has been evaluated using a driving scenario without distractions and a similar one where visual and cognitive distractions are generated for ten subjects. The proposed framework achieved 83.9% -score with a binary model and 73% with a multiclass model using EEG, improving 7% in binary classification and 8% in multi-class classification by incorporating contextual driving into the training dataset. Finally, the results were confirmed by a neurophysiological study, which revealed significantly higher voltage in selective attention and multitasking