Plataforma web de simulación de fenómenos físicos
Ángel Eduardo Gualán Lozano
Soft Service Plus S.c.c., Ecuador.
agualan@datalife.com.ec
https://orcid.org/0000-0001-9100-9024
Resumen
El presente trabajo de investigación se centra en desarrollar una plataforma web para
simular el fenómeno físico del movimiento parabólico para mejorar las estrategias de
enseñanza - aprendizaje en instituciones de educación superior. Se utilizó la
metodología SCRUM como marco de desarrollo para la gestión de proyectos y
desarrollo ágil de software, mediante esta se pudo obtener el producto final. Tras
realizar varias pruebas funcionales se pudo obtener datos estadísticos que permiten
deducir que el prototipo web depende del usuario final, en cómo interpreta los datos de
los ejercicios planteados y cómo ingresa los mismos como valores de entrada para que
la aplicación internamente pueda procesar información y presentar resultados finales
trazando la parábola que simula el movimiento deseado.
Palabras clave: plataforma web, fenómeno físico, movimiento parabólico, prototipo
Abstract
This research work focuses on developing a web platform to simulate the physical
phenomenon of parabolic motion to improve teaching-learning strategies in higher
education institutions. The SCRUM methodology was used as a development
framework for project management and agile software development, by means of which
the final product was obtained. After performing several functional tests, it was possible
to obtain statistical data that allow us to deduce that the web prototype depends on the
end user, on how he/she interprets the data of the proposed exercises and how he/she
enters them as input values so that the application can internally process information
and present final results by tracing the parabola that simulates the desired movement.
Keywords: platform web, physical phenomenon, parabolic movement, prototype
Introducción
En la actualidad, las instituciones de educación superior se encuentran en etapas de
constante crecimiento, las mismas que generan cambios drásticos en las estrategias del
proceso de aprendizaje y enseñanza. Mientras la tecnología avanza, el conocimiento y
uso de esta nos lleva a un contexto que está en constante evolución y es por ello que,
contar con las herramientas necesarias y saberlas utilizar, hace formar parte de una
sociedad globalizada a la vanguardia de la innovación. El desarrollo tecnológico genera
la necesidad de transformación de las universidades para que sean capaces de responder
a estos cambios y, a la vez, dar respuesta a las necesidades del uso de aplicaciones
tecnológicas que permitan fortalecer la educación superior, y colaborar directamente
con el desarrollo del país (Velasco & Carlos, 2017).
La tecnología lleva el proceso de enseñanza a otro nivel, ya que se utiliza distintas
aplicaciones que hacen de este proceso más atractivo, tanto para el docente, como para
el estudiante, desde un sin número de aplicaciones web, móviles y de escritorio que
están disponibles en Internet. Por otro lado, también se puede mencionar que varios
académicos han realizado estudios o propuesto el desarrollo de aplicaciones que
mejoran el proceso de enseñanza, inicialmente se va a mencionar a Almeida Campos et
al. (1997) que realizan una aproximación a la evolución de la enseñanza asistida por
computadoras, que se puede decir es la base para el inicio de esta era digital referente a
las aplicaciones de enseñanza, por citar ejemplos de este tipo de aplicaciones, se tiene el
proceso de enseñanza de matemáticas utilizando el software geogebra (Reisa, 2010),
donde se han analizado las contribuciones y los beneficios de esta herramienta en la
enseñanza de la asignatura mencionada. Existen aplicaciones de enseñanza que utilizan
otras técnicas para llamar la atención del estudiante, Toasa et al. (2019) proponen el
desarrollo de una aplicación que utiliza técnicas de gamificación orientada a niños,
simulando ser un juego pero que a su vez permite que estos aprendan.
Por lo anterior expuesto, las instituciones de educación superior también requieren de
apelaciones que mejoren el proceso de enseñanza, las applets o mini aplicaciones
posibilitan realizar simulaciones y de esta manera permiten al estudiante entender mejor
las traslaciones entre las diversas representaciones del fenómeno estudiado, las
simulaciones permiten explorar elementos de inmersión y de juego para promover el
aprendizaje y la participación de los estudiantes en la enseñanza de conceptos sobre
colisión de cuerpos (Kercher Greis et al., 2013).
Conociendo los antecedentes mencionados nace la idea de desarrollar una plataforma
web que permita realizar simulaciones de procesos y fenómenos físicos, para ser exactos,
específicamente este trabajo se enfoca en el movimiento parabólico (Movimiento
Parabólico - SiPAQ, n.d.). El applet o mini aplicación se ejecuta dentro de una página
web, y vienen representados por una pantalla gráfica que contiene una animación que
muestra los resultados analíticos y gráficos con el fin de observar y analizar las
consecuencias y cambios que tienen estos fenómenos sobre el proceso en estudio.
Metodología
Para desarrollar el proyecto se utilizó el método de investigación deductivo (Abreu,
2014), mediante la cual se pudo realizar un análisis desde lo general hacia lo particular,
para luego llegar a una conclusión de la investigación.
2.1 Análisis y deducción de metodologías de gestión de proyectos y desarrollo de
software
En la Tabla 1 se muestra las diferencias entre los métodos tradicionales y ágiles
(Electronics -AGILE - Agile Software Technologies, n.d.) en la gestión de proyectos y
desarrollo de software, de esta manera se sustenta la elección del método ágil que se
adapta para el desarrollo del trabajo de investigación.
Tabla 1.
Análisis de metodologías agiles vs metodologías tradicionales
Metodologías Agiles
Metodologías Tradicionales
Constante cambios durante el proyecto
Resistencia en los cambios durante el proyecto
Menor control en los procesos
Se tiene procesos con políticas y normas
No hay contratos
Se tiene un contrato
El quipo de desarrollo forma parte del cliente
Se utiliza reuniones para que el cliente interactúe
Pocos roles
Mas roles
Menos énfasis en la arquitectura del software
La arquitectura del software es esencial y se expresa
mediante modelos
Conclusión: según las premisas generales entre las metodologías agiles y tradicionales se puede concluir que una
metodología ágil se adapta como marco de gestión de proyectos y desarrollo de software para la presente
investigación.
Fuente: elaboración propia
Existen varias metodologías ágiles de gestión de proyectos y desarrollo de software, en
esta investigación se realizará un análisis de las 3 más utilizadas con sus características
descritos, tal como se puede ver en la Tabla 2 (Amaya Balaguera, 2015).
Tabla 2.
Análisis de metodologías agiles más utilizadas
SCRUM
XP
KANBAN
Trabaja con el ciclo de vida
iterativo e incremental, donde se va
liberando el producto por pares de
forma periódica, aplicando las
buenas prácticas de trabajo
colaborativo
Basada en un conjunto de reglas y
buenas prácticas para el desarrollo
de software en ambientes muy
cambiantes con requisitos
imprecisos, por ende, está enfocada
en la retroalimentación continua
entre el equipo de desarrollo y el
cliente.
Marco de trabajo que requiere una
comunicación en tiempo real sobre
la capacidad del equipo, utilizado
para controlar el avance de trabajo
en una línea de producción
Planifica la cantidad de trabajo
Desarrollo iterativo e incremental
Simplifica la asignación de
responsabilidades
Retroalimentación mediante
reuniones
Programación en parejas
Planificación de tareas
Revisión al finalizar cada sprint
Corrección periódica de errores
Métricas visuales
Posibles acciones de mejora
Simplicidad y propiedad del código
compartido
Entregas continuas
Conclusión: de acuerdo a un análisis general de sus características, de las tres metodologías agiles más utilizadas,
se pudo deducir que SCRUM se adapta como marco de desarrollo para la gestión de proyectos y desarrollo ágil de
software.
Fuente: elaboración propia
2.2 Deducción conceptos del movimiento parabólico
Premisa 1: composición de movimientos en dos dimensiones en el eje
horizontal y vertical.
Conclusión: para calcular velocidades y distancias recorridas se necesita un
plano cartesiano para determinar sus valores tanto el eje X e Y
Premisa 2: si el eje X es movimiento rectilíneo uniforme y el eje Y es
movimiento rectilíneo uniforme acelerado.
Conclusión: se necesita conocer los tiempos parciales o totales para completar
las fórmulas en las dos dimensiones tanto en el eje X como en el eje Y.
Premisa 3: el movimiento parabólico es una composición vectorial, entonces la
velocidad forma un ángulo con los componentes del eje X e Y
Conclusión: se puede deducir que se necesita conocer de funciones
trigonométricas para determinar el ángulo y calcular las velocidades iniciales en
los ejes X e Y.
2.3 Aplicación de la metodología ágil deducida
De acuerdo al método de investigación aplicada con la cual se definió la metodología
SCRUM (SCRUM – Proyectos Ágiles, n.d.), como marco de desarrollo para la gestión
de proyectos y desarrollo ágil de software, se procede con las fases de desarrollo para
cumplir con las funcionalidades del simulador del movimiento parabólico, basados en
los conceptos deducidos según las premisas detalladas en el ítem anterior.
Los requisitos que el usuario solicita en el desarrollo están plasmados en las listas de
requerimientos funcionales y no funcionales mostrados a continuación.
Funcionales
RF01: calcular las velocidades iniciales en los ejes X e Y
RF02: calcular el tiempo de vuelo total del proyectil lanzado.
RF03: calcular la distancia recorrida en los ejes X e Y
RF04: dibujar una gráfica que indique cual es la trayectoria recorrida del
proyectil lanzado.
RF05: el prototipo web debe generar un archivo PDF que permita descargar los
resultados calculados
No funcionales
Producto
RNF01: no debe tener restricciones de uso para ningún usuario, por tal motivo
no es necesario implementar login o control de acceso.
RNF02: presenta resultados finales en base a la deducción previa de los datos
que ingrese el usuario final.
Organizacionales
RNF04: ser desarrollado en el lenguaje de programación JavaScript.
RNF05: no debe almacenar información en ninguna base de datos de las
simulaciones realizadas.
RNF06: debe permitir realizar simulaciones en diferentes resoluciones de
pantallas incluso en navegadores de dispositivos móviles.
En la siguiente Tabla 3 se presentan las características de los usuarios finales del
prototipo web.
Tabla 3.
Perfiles de usuario
Tipo de
Usuario
Área
Funcional
Actividad
Administrador
Administración
Calular los valores finales de:
Velocidad Inicial.
Velocidad Inicial en X e Y.
Tiempo en alcanzar la altura máxima.
Tiempo total de vuelo
Ángulo de elevación.
Distancia total recorrido.
Altura máxima alcanzada.
Observar la gráfica final del proyectil recorrido
Descargar archivo PDF con resumen se la
simulación.
Fuente: elaboración propia
Resultados
Cumpliendo con las fases de desarrollo, según SCRUM se requiere documentación
necesaria para la ejecución del proyecto.
En cuanto al diseño general, en la Figura 1 se evidencian las personas y roles
Figura 1. Personas y Roles
Fuente: elaboración propia
En la Tabla 4 se muestra una lista ordenada de todas las cosas que se deben realizar para
cumplir con un proyecto.
Tabla 4.
Product Backlog
Identificado
r (ID) de la
Historia
Enunciado de la
Historia
Alias
Estado
Esfuerzo
Iteración
(Sprint)
Prioridad
Comen-
tarios
HU01
Como usuario final
se necesita
encontrar los
valores de la
velocidad inicial en
X e Y para utilizar
en las demás
formulas del
movimiento
parabólico.
Velocidad
inicial en
X e Y
PLANIFICA
DO
3
1
ALTA
HU02
Como usuario final
se desea determinar
el valor total del
tiempo de vuelo
para utilizar en las
demás formulas del
tiro parabólico
Tiempo
total de
vuelo
PLANIFICA
DO
5
1
ALTA
HU03
Como usuario final
se requiere
encontrar la
distancia recorrido
en Y, en cualquier
instante del tiempo
para realizar la
gráfica vertical de
la trayectoria del
proyectil lanzado
Distancia
recorrida
en Y
PLANIFICA
DO
8
1
ALTA
HU04
Como usuario final
se necesita
encontrar la
distancia recorrido
en X, en cualquier
instante del tiempo
para realizar la
gráfica horizontal
de la trayectoria del
proyectil lanzado
Distancia
recorrida
en X
PLANIFICA
DO
13
1
ALTA
HU05
Como usuario final
se desea graficar la
trayectoria del
proyectil lanzado
para analizar los
valores calculados.
Graficar la
trayectoria
del
proyectil
PLANIFICA
DO
21
2
ALTA
Fuente: elaboración propia
Mientras que en la Tabla 5 se puede ver una lista de actividades identificadas por el
equipo SCRUM, los mismos que se convierten en pequeños entregables.
Tabla 5.
Sprint Backlog
Identificador
(ID) de item
de product
backlog
Enunciado del
item de Product
Backlog
Tarea
Dueño /
Voluntario
Estatus
Horas
estimadas
totales
Entregables
HU001
Como usuario final
se necesita
encontrar los
valores de la
velocidad inicial en
X e Y para utilizar
en las demás
formulas del
movimiento
parabólico.
Determinar la
fórmula para
encontrar la
velocidad
inicial en X
Ángel
Gualán
INICIAR
2
valor de la
velocidad
inicial en el
eje X e Y
Definir la
fórmula para
encontrar la
velocidad
inicial en Y
Ángel
Gualán
INICIAR
2
Programar la
función halla
velocidad
inicial en X
Ángel
Gualán
INICIAR
4
Desarrollar la
función halla
velocidad
inicial en Y
Ángel
Gualán
INICIAR
4
HU002
Como usuario final
se desea determinar
el valor total del
tiempo de vuelo
para utilizar en las
demás formulas del
tiro parabólico
Determinar la
fórmula para
encontrar el
tiempo de
vuelo
Ángel
Gualán
INICIAR
2
Valor del
tiempo de
vuelo del
proyectil
Programar la
función
calcular
tiempo total
de vuelo
Ángel
Gualán
INICIAR
4
HU003
Como usuario final
se requiere
encontrar la
distancia recorrido
en Y, en cualquier
instante del tiempo
para realizar la
gráfica vertical de
la trayectoria del
proyectil lanzado
Definir la
fórmula para
encontrar la
distancia
recorrida en
Y
Ángel
Gualán
INICIAR
2
Valor de la
distancia
recorrido en el
eje Y
Desarrollar la
función
distancia
recorrido en
Y
Ángel
Gualán
INICIAR
4
HU004
Como usuario final
se necesita
encontrar la
distancia recorrido
en X, en cualquier
instante del tiempo
para realizar la
gráfica horizontal
de la trayectoria del
proyectil lanzado
Determinar la
fórmula para
encontrar la
distancia
recorrida en
X
Ángel
Gualán
INICIAR
2
Valor de la
distancia
recorrido en el
eje X
Programar la
función
distancia
recorrido en
el eje X
Ángel
Gualán
INICIAR
4
HU005
Como usuario final
se desea graficar la
trayectoria del
proyectil lanzado
Buscar
librería
JavaScript
para realizar
gráficos
Ángel
Gualán
INICIAR
4
Grafica final
de Resultados
en la IU y
formato PDF
para analizar los
valores calculados.
Diseño del
formulario
ingreso de
datos
Ángel
Gualán
INICIAR
4
Pintar el
plano
cartesiano en
la IU
Ángel
Gualán
INICIAR
6
Dibujar la
trayectoria
del proyectil
Ángel
Gualán
INICIAR
6
Programar la
función
descargar
PDF
Ángel
Gualán
INICIAR
2
Fuente: elaboración propia
Por otra parte, en la Figura 2 se observa cómo se realizó el desarrollo de cada sprint.
A su vez, el prototipo web se desarrolló con la arquitectura MVC (Díaz González &
Fernández Romero, 2012) como se detalla en el siguiente diagrama representado en la
Figura 3.
Figura 2. Sprint Desarrollado
Fuente: elaboración propia
Figura 3. Arquitectura del prototipo web
Fuente: elaboración propia
La arquitectura MVC consiste en separar el prototipo web en tres componentes, el
modelo se encarga de gestionar, manipular y actualizar datos, la vista se encarga de
mostrar la pantalla al usuario final y el controlador es la parte principal donde se
especifican los métodos y funciones del prototipo web.
Como resultado final del presente trabajo de investigación se obtuvo la plataforma web
para realizar simulaciones del fenómeno físico movimiento parabólico (Figura 4). El
prototipo web actualmente se encuentra publicado en el siguiente subdominio
http://movimientoparabolico.netfly.net.ec/
Figura 4. Prototipo web para simular el movimiento parabólico
Fuente: elaboración propia
3.1 Pruebas realizadas
Para validar los requerimientos funcionales y no funcionales del prototipo web se
realizaron las siguientes pruebas:
a) Pruebas de funcionalidad unitarias: se realizaron las pruebas de todas las
funciones programadas que realizan cálculos matemáticos y funciones
trigonométricas con diferentes valores e incluso con datos de entrada que no son
valores numéricos obteniendo los siguientes resultados finales.
b) Pruebas no funcionales de rendimiento: para realizar dichas pruebas de
manera satisfactoria se utilizó la herramienta GTmetrix (Emilio et al., 2015) la
cual sirve para realizar test de velocidad y determinar el rendimiento de sitios
webs, dicha herramienta fue desarrollada por GT.net una empresa canadiense y
el mismo que se encuentra disponible para su uso de manera online, se adjunta el
reporte final del prototipo web analizado.
Figura 5. Resultados de pruebas funcionales
Fuente: elaboración propia
Figura 6. Resultados de pruebas de rendimiento
Fuente: elaboración propia
Según los datos estadísticos de las pruebas realizadas se puede deducir que el prototipo
web para su correcto funcionamiento, y sobre todo para trazar la parábola, depende de
cómo el usuario final interpreta los datos de los ejercicios planteados y cómo ingresa los
mismos como valores de entrada para que la aplicación internamente pueda procesar
información y presentar resultados finales. En cuanto a las pruebas de rendimiento no se
tiene mayores inconvenientes debido a que el mismo está desarrollado en un lenguaje de
programación interpretado y se ejecuta del lado del cliente.
Conclusiones
Se puede concluir que, en la recopilación de información para levantar requerimientos
funcionales y no funcionales del prototipo web, fue indispensable el plan denominado
implementación de laboratorios virtuales de física, ya que en dicho archivo PDF se
encuentra toda la información necesaria, fases de desarrollo y personas involucradas en
el proyecto con la cual se pudo definir el panorama de a dónde se quiere llegar.
Al utilizar tecnologías actuales como HTML5, CSS3 y el Framework de maquetado
Bootstrap se facilita el diseño responsive y es adaptable a diferentes resoluciones de
pantallas e incluso en dispositivos móviles. Además, al utilizar JavaScript como
lenguaje de programación se pudo obtener un prototipo web bastante liviano ya que el
mismo ejecuta instrucciones directas y libres sin necesidad de compilar. Por lo tanto, se
puede concluir que la utilización de estas herramientas facilita el desarrollo web.
Al realizar las pruebas funcionales y de rendimiento del prototipo web, se pudo definir
que el mismo depende del usuario final en cómo interpreta los ejercicios planteados y
qué datos ingresa en la aplicación para que el mismo pueda cumplir con los procesos
necesarios y requeridos para realizar los cálculos matemáticos y presentar valores como
resultados finales simulando el movimiento parabólico.
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