Ficha Técnica
+- Nivel educativo: 4º de Educación Secundaria Obligatoria con ampliación a Bachillerato
- Organización del alumnado: 20 alumnos organizados en 5 equipos de 4 personas (2 parejas interactuando con 1 ordenador cada una)
- Tiempo estimado: 4 sesiones de 55 minutos
- Espacio: Aula de laboratorio / Aula de informática / Aula de Tecnología
- Materiales necesarios: Placa Arduino / Cable USB, Sensor DS18B20 o Termistor NTC, Bolsa ZIP hermética, Agua caliente (aprox. 50-60 °C), Cuenco con abundante agua y hielo, Ordenadores con ArduinoBlocks y Hoja de cálculo (Google Sheets / Excel)
- Tipología / Integración interdisciplinar: Física y Química, Matemáticas, Tecnología y Programación y Robótica)
Vinculación Curricular
+Competencias específicas
- Competencia específica 1: Resolver problemas e investigar situaciones relacionadas con las ciencias físicas y químicas mediante el uso de las metodologías científicas.
- Competencia específica 3: Comprender y aplicar las leyes de las ciencias físicas y químicas para explicar fenómenos de transferencia de energía.
Criterios de Evaluación
- Criterio de evaluación 1.1: Formular hipótesis, plantear preguntas científicas y diseñar estrategias de experimentación con control de variables para contrastarlas.
- Criterio de evaluación 3.1: Explicar los mecanismos de transferencia de energía térmica y el concepto de equilibrio térmico a partir de la interpretación de datos experimentales.
Saberes Criteriales
- Transferencia de energía térmica. Temperatura y calor. Equilibrio térmico. Formulación de modelos científicos sencillos.
Competencias específicas
- Competencia específica 2: Modelizar situaciones de la vida real mediante el uso de funciones y expresiones matemáticas para resolver problemas.
- Competencia específica 5: Analizar las tasas de cambio y variación en contextos reales mediante el uso de herramientas tecnológicas.
Criterios de evaluación
- Criterio de evaluación 2.1: Interpretar y construir relaciones funcionales a partir de tablas de datos experimentales y representaciones gráficas.
- Criterio de evaluación 5.1: Identificar la variación de una magnitud respecto al tiempo y relacionar patrones no lineales con funciones exponenciales o discretas.
Saberes Criteriales
- Funciones: tablas, gráficas y fórmulas. Tasa de variación media y diferencias finitas. Introducción intuitiva al comportamiento exponencial.
Objetivos y Destrezas
Objetivos Generales
+- Desarrollar un sistema de monitorización con Arduino para registrar la curva de enfriamiento de un fluido patrón y deducir la fórmula matemática precisa de la Ley de Enfriamiento de Newton aplicada a un reto logístico real.
Objetivos Específicos
+- Programar en ArduinoBlocks la lectura contínua de un sensor de temperatura a intervalos de 10 segundos enviando datos CSV por puerto serie.
- Construir gráficos de dispersión y tabular datos experimentales en hojas de cálculo.
- Calcular la tasa de variación (ΔT) y la diferencia de temperatura respecto al entorno (T - Tamb).
- Deducir inductivamente que la velocidad de enfriamiento es proporcional a (T - Tamb) y determinar empíricamente la constante k.
Habilidades y destrezas trabajadas
+- Pensamiento computacional: Programación por bloques, automatización de toma de datos y estructuración de información CSV.
- Modelización matemática: Interpretación de patrones no lineales, cálculo de tasa de variación y ajuste de funciones exponenciales/lineales.
- Metodología científica: Formulación de hipótesis, control de variables, registro experimental e identificación de fuentes de error.
- Trabajo colaborativo y comunicación: Distribución de roles en laboratorio y defensa verbal de conclusiones científicas.
Materiales y Montaje
Placa Arduino y Sensor de Temperatura
(Haz clic para ver el reverso)
Placa Arduino conectada por USB a un ordenar y un sensor de temperatura DS18B20 para medir la temperatura y transmitir los datos por puerto serie a 9600 baudios.
Bolsa ZIP con Agua Caliente (~50-60 °C)
(Haz clic para ver el reverso)
Objeto a enfriar: bolsa ZIP hermética con agua caliente y sensor sumergido. El agua no debe superar los 60 °C para evitar quemaduras o deformación de la bolsa.
Baño de Hielo (Entorno a Tamb constante)
(Haz clic para ver el reverso)
Cuenco con abundante agua y hielo para asegurar una temperatura ambiente (Tamb) constante y estable cercana a 0-2 °C durante toda la experiencia.
Secuencia Didáctica
SESIÓN 1: Planteamiento del reto, programación y montaje experimental
+1. Presentación del Reto Logístico 'TermoGuardian' (10 min):
- Presentación del reto:
"Una empresa local de logística alimentaria en Cantabria necesita transportar bolsas térmicas con medicamentos termosensibles que deben mantenerse dentro de un rango de temperatura seguro durante el trayecto. Se encarga al equipo STEM de ingenieros científicos desarrollar un sistema de monitorización con Arduino para registrar la curva de enfriamiento de un fluido patrón y deducir una fórmula matemática precisa que permita predecir qué temperatura tendrá el paquete en cualquier minuto del transporte."
- Presentación del contexto real y formulación de hipótesis iniciales («¿El agua se enfría igual de rápido cuando está muy caliente que cuando ya está templada?»).
2. Programación del sensor en ArduinoBlocks (20 min): Inicializar el sensor de temperatura (DS18B20 o Termistor), iniciar la comunicación Serie a 9600 baudios y programar el bucle principal (Loop) incrementando el tiempo en 10 s y enviando datos por puerto serie en formato CSV (Tiempo, Temperatura).
3. Montaje y calibración del baño de hielo + sensor (20 min): Verificación de lectura midiendo la temperatura ambiental del aula y del baño de agua con hielo.
4. Cierre y puesta a punto de la hoja de registro (5 min).
- Presentación del reto:
"Una empresa local de logística alimentaria en Cantabria necesita transportar bolsas térmicas con medicamentos termosensibles que deben mantenerse dentro de un rango de temperatura seguro durante el trayecto. Se encarga al equipo STEM de ingenieros científicos desarrollar un sistema de monitorización con Arduino para registrar la curva de enfriamiento de un fluido patrón y deducir una fórmula matemática precisa que permita predecir qué temperatura tendrá el paquete en cualquier minuto del transporte."
- Presentación del contexto real y formulación de hipótesis iniciales («¿El agua se enfría igual de rápido cuando está muy caliente que cuando ya está templada?»).
2. Programación del sensor en ArduinoBlocks (20 min): Inicializar el sensor de temperatura (DS18B20 o Termistor), iniciar la comunicación Serie a 9600 baudios y programar el bucle principal (Loop) incrementando el tiempo en 10 s y enviando datos por puerto serie en formato CSV (Tiempo, Temperatura).
3. Montaje y calibración del baño de hielo + sensor (20 min): Verificación de lectura midiendo la temperatura ambiental del aula y del baño de agua con hielo.
4. Cierre y puesta a punto de la hoja de registro (5 min).
SESIÓN 2: Toma de datos experimentales y representación gráfica
+1. Colocar el agua caliente en la bolsa ZIP con el sensor de temperatura fijado en su interior.
2. Introducir la bolsa ZIP dentro del cuenco con hielo (Tamb estable a ≈2 °C).
3. Registrar la temperatura durante 15-20 minutos a intervalos de 10 o 15 segundos mediante la consola de Arduino.
4. Copiar los datos del puerto serie a la hoja de cálculo (Google Sheets / Excel) y generar el gráfico de dispersión (T vs. t).
Preguntas Guía: ¿La gráfica es una recta? ¿Por qué la pendiente cambia a lo largo del tiempo? ¿A qué valor se aproxima la curva cuando pasa mucho tiempo? ¿Por qué nunca baja de esa cifra?
2. Introducir la bolsa ZIP dentro del cuenco con hielo (Tamb estable a ≈2 °C).
3. Registrar la temperatura durante 15-20 minutos a intervalos de 10 o 15 segundos mediante la consola de Arduino.
4. Copiar los datos del puerto serie a la hoja de cálculo (Google Sheets / Excel) y generar el gráfico de dispersión (T vs. t).
Preguntas Guía: ¿La gráfica es una recta? ¿Por qué la pendiente cambia a lo largo del tiempo? ¿A qué valor se aproxima la curva cuando pasa mucho tiempo? ¿Por qué nunca baja de esa cifra?
SESIÓN 3: Análisis matemático, tasa de variación y deducción del modelo
+Cálculo de la Tasa de Variación: ¿Qué se pretende en esta sesión? (El objetivo final)
Se pretende que los alumnos entiendan la física detrás del enfriamiento. En lugar de decirles "esta es la fórmula exponencial y os la creéis", se les guía para que descubran que cuanto más caliente está el agua respecto al entorno, más rápido cae la temperatura.
Lo bonito de esta sesión es que convierte una curva difícil (la exponencial) en una línea recta muy fácil de entender en 4.º de ESO, y=m.x .
- Seguidamente: Restan la temperatura del agua en ese momento menos la temperatura del entorno (el baño de hielo).
-Qué significa: Mide "cuánta distancia" térmica le queda al agua para llegar a congelarse o equilibrarse con el hielo.
- Continúan con la realización de la gráfica: En Excel, hacen una gráfica poniendo la diferencia de
Pero al graficar estas dos nuevas columnas, ¡sorpresa!, los puntos forman una línea recta perfecta que sale del (0,0).
La pendiente de la recta obtenida, es la constante k que buscábamos.
Resumiendo:
1. Cálculo de la Tasa de Variación (Velocidad de Enfriamiento):
Qué hacen: Restan la temperatura de un minuto menos la del minuto siguiente (por ejemplo, si a los 5 min estaba a 70°C y a los 6 min a 67°C, la diferencia es de 3°C). Qué significa: Eso es la velocidad de enfriamiento. Mide cuántos grados "pierde" el agua por cada minuto que pasa:.
Crear una nueva columna en la hoja de cálculo ΔT=(Tn-Tn+1) (cuánto disminuye la temperatura en cada intervalo).
2. Cálculo de la Diferencia de Temperatura con el Entorno:
Crear otra columna (T-Tamb).
3. Representación de la relación:
Graficar ΔT (Velocidad de enfriamiento) frente a (T-Tamb) (diferencia de temperatura con el baño de hielo).
¡Descubrimiento clave! El alumnado observará que esta nueva gráfica sí es una recta lineal que pasa por el origen.
4. Interpretación Física y Matemática: Al ser una recta y=m·x, deducen que Velocidad de enfriamiento=k ·(T-Tamb).
Discutir la constante k (constante de enfriamiento propia del material y del aislamiento de la bolsa ZIP).
5. Ampliación: Probar el ajuste exponencial T(t)=Tamb (T0-Tamb)· e^(-k ·t) mediante la herramienta de línea de tendencia de la hoja de cálculo.
Se pretende que los alumnos entiendan la física detrás del enfriamiento. En lugar de decirles "esta es la fórmula exponencial y os la creéis", se les guía para que descubran que cuanto más caliente está el agua respecto al entorno, más rápido cae la temperatura.
Lo bonito de esta sesión es que convierte una curva difícil (la exponencial) en una línea recta muy fácil de entender en 4.º de ESO, y=m.x .
- Seguidamente: Restan la temperatura del agua en ese momento menos la temperatura del entorno (el baño de hielo).
-Qué significa: Mide "cuánta distancia" térmica le queda al agua para llegar a congelarse o equilibrarse con el hielo.
- Continúan con la realización de la gráfica: En Excel, hacen una gráfica poniendo la diferencia de
Pero al graficar estas dos nuevas columnas, ¡sorpresa!, los puntos forman una línea recta perfecta que sale del (0,0).
La pendiente de la recta obtenida, es la constante k que buscábamos.
Resumiendo:
1. Cálculo de la Tasa de Variación (Velocidad de Enfriamiento):
Qué hacen: Restan la temperatura de un minuto menos la del minuto siguiente (por ejemplo, si a los 5 min estaba a 70°C y a los 6 min a 67°C, la diferencia es de 3°C). Qué significa: Eso es la velocidad de enfriamiento. Mide cuántos grados "pierde" el agua por cada minuto que pasa:.
Crear una nueva columna en la hoja de cálculo ΔT=(Tn-Tn+1) (cuánto disminuye la temperatura en cada intervalo).
2. Cálculo de la Diferencia de Temperatura con el Entorno:
Crear otra columna (T-Tamb).
3. Representación de la relación:
Graficar ΔT (Velocidad de enfriamiento) frente a (T-Tamb) (diferencia de temperatura con el baño de hielo).
¡Descubrimiento clave! El alumnado observará que esta nueva gráfica sí es una recta lineal que pasa por el origen.
4. Interpretación Física y Matemática: Al ser una recta y=m·x, deducen que Velocidad de enfriamiento=k ·(T-Tamb).
Discutir la constante k (constante de enfriamiento propia del material y del aislamiento de la bolsa ZIP).
5. Ampliación: Probar el ajuste exponencial T(t)=Tamb (T0-Tamb)· e^(-k ·t) mediante la herramienta de línea de tendencia de la hoja de cálculo.
SESIÓN 4: Evaluación, comunicación y defensa del informe científico
+1. Cada equipo elabora una breve presentación digital o póster científico interactivo donde responde al reto inicial de la empresa de transporte.
2. Defensa verbal (5 min por equipo + 3 min de preguntas): Explicar cómo la constante k calculada permite predecir la temperatura del paquete térmico transcurrido un tiempo determinado.
3. Discusión de fuentes de error experimentales: Derretimiento del hielo (cambios en Tamb), mala mezcla del agua dentro de la bolsa ZIP, pérdidas de calor por conducción hacia las paredes del cuenco.
4. Coevaluación entre equipos y autoevaluación.
2. Defensa verbal (5 min por equipo + 3 min de preguntas): Explicar cómo la constante k calculada permite predecir la temperatura del paquete térmico transcurrido un tiempo determinado.
3. Discusión de fuentes de error experimentales: Derretimiento del hielo (cambios en Tamb), mala mezcla del agua dentro de la bolsa ZIP, pérdidas de calor por conducción hacia las paredes del cuenco.
4. Coevaluación entre equipos y autoevaluación.
Ampliación: Utilizando una placa ESP32
+Con la placa ESP32, capturaremos datos de temperatura y los transmitiremos a sus móviles, tablets o a una hoja de cálculo, facilitando el monitoreo preciso.
En este paso, el enfoque principal es utilizar una placa ESP32 en lugar de una Arduino. Esto es crucial porque la ESP32 tiene Wi-Fi integrado, lo que te permitirá enviar datos de temperatura de forma inalámbrica.
Primero, deberás conectar el sensor de temperatura a la placa ESP32.
Luego, programarás la ESP32 para que se conecte a una red Wi-Fi y lea continuamente los datos del sensor.
Después, desarrollarás el código para que esos datos se envíen de forma remota.
Podrás elegir entre enviarlos a una aplicación sencilla en un móvil o tablet del alumnado, que muestre la temperatura en tiempo real; o a una hoja de cálculo en línea (como Google Sheets), donde los datos se registrarán automáticamente.
El objetivo es que la información de la temperatura esté disponible instantáneamente y de forma remota para su análisis y predicción.
En imagen se muestra un ejemplo del código de programación utilizado para configurar la comunicación entre la ESP32 y la plataforma de mensajería Telegram. Esta programación permite establecer la conexión con Telegram y enviar los datos de temperatura registrados por la ESP32, de manera que puedan ser consultados desde un teléfono móvil o una tablet.
En el siguiente enlace puedes acceder al manual en el que se explica, paso a paso, cómo crear un bot en Telegram. Durante este proceso se obtendrá un Token, necesario para establecer la conexión con la API de Telegram y configurar la comunicación con la placa ESP32 mediante el bloque «Iniciar Telegram Bot» de SteamakersBlocks: ESP32 STEAMakers Telegram Bot
En este paso, el enfoque principal es utilizar una placa ESP32 en lugar de una Arduino. Esto es crucial porque la ESP32 tiene Wi-Fi integrado, lo que te permitirá enviar datos de temperatura de forma inalámbrica.
Primero, deberás conectar el sensor de temperatura a la placa ESP32.
Luego, programarás la ESP32 para que se conecte a una red Wi-Fi y lea continuamente los datos del sensor.
Después, desarrollarás el código para que esos datos se envíen de forma remota.
Podrás elegir entre enviarlos a una aplicación sencilla en un móvil o tablet del alumnado, que muestre la temperatura en tiempo real; o a una hoja de cálculo en línea (como Google Sheets), donde los datos se registrarán automáticamente.
El objetivo es que la información de la temperatura esté disponible instantáneamente y de forma remota para su análisis y predicción.
En imagen se muestra un ejemplo del código de programación utilizado para configurar la comunicación entre la ESP32 y la plataforma de mensajería Telegram. Esta programación permite establecer la conexión con Telegram y enviar los datos de temperatura registrados por la ESP32, de manera que puedan ser consultados desde un teléfono móvil o una tablet.
En el siguiente enlace puedes acceder al manual en el que se explica, paso a paso, cómo crear un bot en Telegram. Durante este proceso se obtendrá un Token, necesario para establecer la conexión con la API de Telegram y configurar la comunicación con la placa ESP32 mediante el bloque «Iniciar Telegram Bot» de SteamakersBlocks: ESP32 STEAMakers Telegram Bot
Recursos
Evaluación
Rúbrica de Evaluación
+
Rúbrica de Evaluación
| Criterio de Evaluación | Nivel 1: Inicial (1-4) | Nivel 2: En Proceso (5-6) | Nivel 3: Competente (7-8) | Nivel 4: Excelente (9-10) |
|---|---|---|---|---|
| Diseño Experimental y Arduino (FyQ / Tec) | No logra configurar el sensor ni registrar datos con Arduino de forma autónoma. | Configura el sensor y toma datos con ayuda constante del docente. | Realiza el montaje experimental y programa ArduinoBlocks de forma autónoma y correcta. | Optimiza el programa, controla variables rigurosamente y soluciona errores de transmisión. |
| Modelización Matemática (Matemáticas) | No logra graficar los datos ni identificar patrones en las variables. | Representa los datos gráficamente pero requiere guía para interpretar la tasa de enfriamiento. | Calcula la tasa de variación y deduce que la velocidad depende de la diferencia de temperatura. | Obtiene la constante k, ajusta el modelo exponencial y justifica algebraicamente las magnitudes. |
| Interpretación Física (Física y Química) | Confunde los conceptos de temperatura, calor y equilibrio térmico. | Explica el enfriamiento de forma cualitativa sin relacionarlo con los datos obtenidos. | Relaciona la pérdida de energía con el equilibrio térmico respecto a la Tamb del baño de hielo. | Analiza críticamente el significado de la constante k y argumenta detalladamente las fuentes de error. |
| Comunicación Científica (Interdisciplinar) | La presentación carece de estructura o no responde al reto planteado. | Responde al reto de forma superficial sin utilizar evidencias matemáticas. | Comunica los resultados usando tablas, gráficas y responde con claridad al reto. | Defiende el modelo predictivo con rigor científico, utilizando datos reales de forma persuasiva y clara. |
Lista de Verificación (Checklist) para el Alumnado
+
Lista de Verificación (Checklist) para el Alumnado
Experto
Conseguido
En Proceso
Iniciado
Hemos verificado que el programa de ArduinoBlocks lee la temperatura correctamente.
Hemos mantenido el cuenco con suficiente hielo para asegurar una Tamb constante.
La tabla de datos contiene al menos 15 mediciones registradas a intervalos fijos.
Hemos construido el gráfico de Dispersión (Temperatura vs. Tiempo).
Hemos calculado la columna de tasa de variación (ΔT) y la diferencia (T - Tamb).
Hemos determinado el valor de la constante k de enfriamiento de nuestro sistema.
La presentación responde con datos precisos a la pregunta planteada en el reto.
Atención a la Diversidad y DUA
Por Nivel
+Principio I: Múltiples formas de representación
- Uso combinado de código por bloques (visual), gráficos dinámicos interactivos, manipulación física de sensores y explicaciones conceptuales.
Principio II: Múltiples formas de acción y expresión
- Reparto de roles dentro del grupo de 4 según fortalezas (Rol 1: Programador/a; Rol 2: Encargado/a de laboratorio y materiales; Rol 3: Analista de datos en hoja de cálculo; Rol 4: Coordinador/a de comunicación y redacción).
Principio III: Múltiples formas de implicación
- Contextualización en un problema real de transporte logístico con impacto práctico y directo.
Autoría
+| Autoría de la actividad | Equipo de dinamizadores y dinamizadoras del Programa Código Escuela 4.0 Cantabria |
| Tablas y figuras | Equipo CITED |
| Imágenes | Equipo CITED |
| Coordinación | CITED (Centro de Innovación en Tecnologías de la Educación de Cantabria) |
| Licencia |
