Uso de Software Libre Cientıfico Practica Docente e Investigacion

Contenido Planteamiento Docencia Software Libre como posible solucion Herramientas Libres Conclusiones

Uso de software libre cientıfico en la practicadocente e investigacion: un caso de estudioenfocado al analisis de regresion de datos.

C. Bouchot J. B. Martınez Romero J. C. Sanchez Ochoa

SEPI – ESIQIE – IPN.

ESFM – IPN.

VII Simposium Internacional de la ESIQIE, 22 de Mayo 2008.

Bouchot, Martinez Romero y Sanchez Ochoa. Uso de software libre cientıfico en la practica docente...


1 Planteamiento

2 Docencia

3 Software Libre como posible solucion

4 Herramientas Libres

5 Conclusiones



Regresiones de datos para la Termodinamica Aplicada

En el contexto de ensenanza en la aula

Trascendental: implicaciones a diversos niveles en I. Q.:

Correlaciones de uso comun en ingenierıa:

Ps(T ), ρs(T ), Cp0(T ), P(T , v , x), etcetera.

Actividades:

=⇒, Analisis de datos, Modelamiento,DESEABLE: construccion efectiva de las correlaciones.



Regresiones para la experimentacion en el Laboratorio.

Necesidades de ensenanza en practicas de laboratorio

Experimentos y Calibraciones:

P(senal), T (Ω), x(A), ρ(T ,P, τ), etcetera.Conformes con los requisitos internacionales metrologicos

Actividades:

=⇒, Calibracion de instrumentos de medicion: sondas, termopares,manometros, transductores, metodos de analisis ...Analisis de error en las mediciones, ... una exigencia para la calidad.



Caso de estudio particular

Elaboracion de una correlacion de presion de saturacion Ps(T ) apartir de datos experimentales, en un curso de fısico – quımica.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520

Ps

[kP

a]

T [K]

Datos literaturaCorrelación original

345.1 2485.45 0.02

353.1 349

347.3 2882.40 0.01

349.0 3171.87 0.01

351.4 3389.05 0.02

..............

DATOS

REGRESION

APLICACION

PROCESO

INGENIERIAFISICO − QUIMICA

CORRELACION



Requisitos para considerar una correlacion de Ps

Desde el punto de vista fısico:

1 Modelo fısico – matematico correcto (Leyes, conceptosbasicos, relaciones entre propiedades fısicas ...)

2 Precision y confiabilidad ⇔ metodologıas de laboratorio

Desde el punto de vista matematico:

1 Estadıstica aplicada e hipotesis estadısticas correctas,

2 La idea de “Mınimos Cuadrados” y Algebra Lineal,

3 Analisis analıtico de datos, de comportamientos, degraficos...(Actividad esencial del I.Q.(P))



Requisitos teoricos – continua –.

Desde el punto de vista de la ingenierıa.

1 ¿ Parametros correctos ? – ¿ con que margen de error ?

2 ¿ Calculos confiables en interpolacion y extrapolacion ? →propagacion y analisis de error...

3 Aplicabilidad: ¿ en que intervalos y con que precision ?



¿ Que tener en cuenta en la docencia ?

Mucha (¿demasiada?) informacion que transmitir

1 ¡ Los alumnos no quieren demasiadas matematicas !

2 El tiempo esta limitado ...

3 =⇒ ENCONTRAR LAS HERRAMIENTAS ADECUADASpara: Procurar vincular directamente FISICA → INGENIERIA

Implicaciones:

1 CERO MATE (mas bien un mınimo) ... pero:

2 INSISTIR sobre la relacion EXPERIMENTOS MODELOS

3 Y sobre la relacion MODELOS INGENIERIA

4 =⇒ la construccion de los modelos es un punto central



Implicaciones para la docencia

Necesidad de herramientas didacticas eficientes

1 ¿ Programas de computo o calculadoras ?

2 Que sean alcanzables y disponibles,

3 Que no requieran conocimientos extraordinarios decomputacion o de programacion,

4 Que permitan enfocar la atencion sobre el tema planteado...



Posibles soluciones

Uso de calculadoras programables... graficas:

Aplicaciones y portabilidad de los resultados limitadas,

Ineficientes para casos complejos de regresion ⇒: limitanrapidamente al estudio de casos demasiado simples:

ln(Ps) = a +b

T

... Considerar:

ln(Ps) = a +b

T + c



Posibles soluciones

Computadora + programas dedicados

PROBLEMA: Infraestructura de computo +licencias costosas y en gran cantidad...

Hay otras opciones: “SOFTWARE LIBRE”,licencias GPL, codigo abierto, amplio soporte (www),amplio abanico de herramientasadecuadas para un problema dado.



Tres programas “Libres” que resuelven el problema

GNUMERIC : “Hoja de Calculo”

GRETL : “ Programa especializado”

GNUPLOT : Graficador versatil, para funciones matematicasy analisis de datos; orientado al uso cientıfico.

Caracterısticas:

El “Codigo abierto”, permite el acceso a“Como se hacen las cosas”

Apegados a las normas de programacion: ANSI/ISO C,FORTRAN, Librerıas numericas estandares (IEEE 754) ...

Validados con respeto a pruebas numericas estandares:conjunto de datos y analisis estandares del NIST, NPL ...



GNUMERIC

Caracterısticas:

Funciona igual que cualquier “hoja de calculo”(como ExcelTM por ejemplo...), ¡ autonomo !

Acceso directo a herramientas de estadıstica y “solver”,

Implica la manipulacion de columnas de datos,

No produce graficos directamente,

excelente herramienta para el hogar... ineficiente en clase.



GNUMERIC – ilustracion.



GRETL

Caracterısticas:

Interfase grafica “amigable”,

Posibilidad de escribir guiones (MCNL),

No se manipulan columnas de datos directamente(al menos que se requiera),

Funciones y herramientas estadısticas disponiblesmuy (demasiado) completas,

Acceso directo a graficos ( Mediante Gnuplot ),

Acceso a un analisis muy profundo,

Excelente herramienta para investigar y para el hogar (tarea)...

PERO: riesgo de distraer la atencion del problema a resolver.



GRETL – ilustracion 1



GRETL – ilustracion 2



GNUPLOT

Caracterısticas:

Analisis y generacion ultra rapida de graficos,

Solo requiere un editor de texto,

Obtencion de un analisis de regresion completomediante una sola instruccion FIT (incluyendo MCNL),

Las columnas de datos se manipulan indirectamente(referencias relativas a columnas en un archivo de TEXTO),

GUIONES (ASCII): con pocas instrucciones basicas,

El algebra sigue la sintaxis de FORTRAN,



GNUPLOT

Caracterısticas:

Excelente herramienta para la docencia, para explorar einvestigar, producir informacion sobre la fısica sin distraer laatencion en aspectos computacionales,

Permite enfocar la atencion sobre como construir un modelo yanalizarlo inmediatamente mediante graficas,

Sin ser dirigido al analisis estadıstico, incluye lo estrictonecesario para producir una informacion suficiente y exacta.

El problema fue resuelto en 5 minutos...



GNUPLOT – ilustracion 1



GNUPLOT – ilustracion 2



Algunas conclusiones:

GNUMERIC, GRETL y GNUPLOT son tres herramientaslibres que resuelven el problema planteado con exactitud.

Son herramientas que responden a normas internacionalesestablecidas en terminos de aritmetica y precision numerica.

GNUPLOT es una herramienta didactica interesante: permiteconcentrar la atencion en “¿ Que se esta haciendo ?” mas queen “¿ como se tiene que hacer ?”

GNUPLOT es recomendable para un uso en la aula igual queen el laboratorio.

GNUMERIC y GRETL se recomiendan mas comoherramientas personales alternativas a los paquetespropietarios tradicionales.



Algunas conclusiones:

En la actualidad, se cuenta con herramientas LIBRES de muyalta calidad,

Accesibles para TODOS, con un amplio soporte en la red y enforos de usuarios.

Podemos aprovechar la Libertad de usarlas,

la Libertad de contribuir a sus desarrollos,

la Libertad de aprender de ellas,



GRACIAS POR SU ATENCION


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