Simulación Por Computadoras

Una simulación por computadora, un modelo de simulación por computador o un modelo informatizado es un programa informático o una red de ordenadores cuyo fin es crear una simulación de un modelo abstracto de un determinado sistema. Las simulaciones por computadora se han convertido en una parte relevante y útil de los modelos matemáticos de muchos sistemas naturales de ciencias como la física, la astrofísica, la química y la biología; así como de sistemas humanos de economía, psicología y ciencias sociales. Además, se emplea en el diseño de nueva tecnología para llegar a comprender mejor su funcionamiento.

Aunque es posible intuir el significado del término simulación, es importante precisarlo a fin de tener una idea más clara de su importancia y la relevancia que tiene su utilización en la época actual. Para ello revisaremos algunos conceptos.

La esencia de la simulación consiste en establecer una equivalencia entre dos

sistemas, cada uno de los cuales puede existir en realidad o ser abstracto. Si el

primero resulta más sencillo para la investigación que el segundo, es posible

juzgar sobre las propiedades del segundo sistema al observar el

comportamiento del primero. En este caso el sistema empleado para la

investigación se denomina modelo. 

Según R.E. Shannon: "La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un

sistema real y llevar a término experiencias con él, con la finalidad de

comprender el comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias —

dentro de los limites impuestos por un cierto criterio, o un conjunto de ellos—

para el funcionamiento del sistema". 

Dos términos necesarios para caracterizar las simulaciones son: modelo de

simulación y proceso de simulación:

Modelo de simulación: es un conjunto de hipótesis acerca del

funcionamiento del sistema expresado como relaciones matemáticas y/o

lógicas entre los elementos del sistema. 

Como tendencia, los modelos de simulaciones se agrupan en tres tipos

fundamentales [:

Modelos continuos: Se construyen utilizando cálculos para representar un

sistema con un número de estados infinitos.

Modelos discretos: Utilizan teorías estadísticas y de colas para representar

sistemas con estados cuantitativos discretos.

Modelos lógicos: se representan utilizando un conjunto de heurísticas

implementadas mediante lenguajes de programación de alto nivel. Son

computacionalmente más eficientes, por lo que se utilizan cuando la obtención

de soluciones óptimas lleva demasiado tiempo o es imposible, porque el

modelo es demasiado complejo. 

Los modelos lógicos son los más utilizados en simulaciones educacionales,

mientras los modelos continuos y discretos son más utilizados en simulaciones

científicas y de ingeniería.

Proceso de simulación: es la ejecución del modelo a través del tiempo en

una computadora para generar muestras representativas del comportamiento

del sistema que queremos simular. 

La esencia misma de la simulación, el hecho que comprenda cálculos

numéricos, hace que resulte natural usar la informática como medio para su

desarrollo. Por otro lado, en muchas ocasiones, el modelo resultante de un

sistema real puede ser tan complejo o grande que no es posible o práctico

desarrollar una metodología de solución basada en un análisis matemático. A

veces, seleccionar una técnica matemática existente requiere de suposiciones

no aplicables o realistas. En tales casos, un enfoque alternativo sería usar una

técnica de la Ciencia Informática.

La simulación por computadoras es una técnica alternativa para diseñar y construir modelos que imiten la realidad.

Simulaciones computarizadas

Las simulaciones por computadoras son programas que sostienen modelos de

sistemas reales. El comportamiento de estos sistemas se expresa mediante

cambios en las variables que lo describen. En caso que no sea posible

representarlos todos, se selecciona una representación de los principales

estados del sistema real.

La experimentación con las simulaciones se realiza dando entradas al modelo y

analizando sus salidas.

Para describir las simulaciones deben tenerse en cuenta: el tipo de sistema

real que es representado en el modelo, así como la fidelidad del modelo y

sus características internas: 

El sistema real puede ser físico, artificial o hipotético. 

La fidelidad puede ser física y de percepción (cómo se ve, oye y siente), o

fidelidad de manipulación (lo que puede hacerse en la simulación).

Las características internas se refieren a la estructura y relaciones de las

variables en el modelo del sistema simulado.

Para programar las simulaciones existen diferentes herramientas de

software: los lenguajes de programación de propósito general, los lenguajes de

simulación y los paquetes de simulación. El uso de cualquiera de ellos supone

ventajas y limitaciones con respecto al resto:

Lenguajes de programación de uso general: Entre sus ventajas se

encuentra que son conocidos por los programadores, lo que supone menor

esfuerzo de aprendizaje. Están disponibles en cualquier sistema operativo, a

diferencia de los lenguajes de simulación. Algunos tienen extensiones con

bibliotecas para manejar tareas que se necesitan de manera general en la

programación de simulaciones. Son más eficientes desde el punto de vista de

la velocidad, portabilidad y flexibilidad, pero el tiempo de desarrollo de las

aplicaciones es más largo que en lenguajes y herramientas específicas [0].

Lenguajes de simulación: El entorno de desarrollo es específico para

simulaciones; están diseñados para facilitar la tarea de programar este tipo de

aplicaciones, proporcionando automáticamente la mayoría de los elementos

necesarios en la programación de modelos de simulación. En general dan al

usuario un conjunto de conceptos de modelado para describir el sistema y un

sistema de programación para convertir la descripción en un programa que

ejecuta la simulación, además de facilidades para la detección automática de

errores potenciales que ya han sido identificados. Ahorran tiempo en el

desarrollo. Producen un código más legible, modificable y menos largo, lo que

minimiza el número de errores. 

Paquetes de simulación: proporcionan bloques de construcción ya

programados que el usuario puede seleccionar y ensamblar en el orden que

necesita para formar el modelo del sistema particular que desea construir, lo

que facilita mucho esa tarea con respecto a los lenguajes, ya que no es

necesario programar. Su principal ventaja es el ahorro de tiempo, y la 

desventaja es su poca flexibilidad ya que solo permiten simular los sistemas

para los que fueron definidos. 

La simulación por computadora se ha convertido en una parte útil del modelado

de muchos sistemas naturales en Física, Química y Biología, y de sistemas

humanos como el económico, entre otros. Puede sustituir por completo, o ser

utilizada como un accesorio, en sistemas de modelado para los cuales no es

posible tener soluciones analíticas de forma cerrada simple.

En la enseñanza, esta posibilidad de ensayar, probar teorías y entrenarse en

un ambiente controlable y sin riesgos es una gran oportunidad.

La simulación en la enseñanza

Una simulación educativa es una poderosa técnica que enseña algunos

aspectos del mundo mediante su imitación o réplica. Está basada en un modelo

de un sistema o fenómeno del mundo real en el que se han simplificado u

omitido algunos elementos para facilitar el aprendizaje.

Las simulaciones permiten colocar al alumno en situaciones de aprendizaje

que, por restricciones económicas o físicas, son difíciles de obtener en una

experiencia de laboratorio tradicional. Este tipo de aplicaciones permite la

construcción de mundos ideales (por ejemplo, un mundo sin fricción), la

aceleración o desaceleración del tiempo para observar mejor un fenómeno,

dotar a cada alumno con una réplica de la máquina o sistema simulado, etc.

Son consideradas como el tipo de software que hace posible aplicación de las

teorías de aprendizaje centradas en el estudiante. 

Allessi y Trollip propusieron una taxonomía para simulaciones en la enseñanza

[9]. Ellos las dividen en cuatro grandes categorías: físicas, de procedimientos,

situacionales y de procesos.

• Simulaciones físicas: en este tipo de simulaciones se representa en

pantalla un objeto para que el estudiante lo utilice o aprenda sobre él.

Ejemplos típicos son: una máquina que el estudiante deba operar o 

algunos equipos de laboratorios científicos que utilizará en

experimentos.

• Simulaciones de procedimientos: El propósito fundamental de este tipo

de simulaciones es que el estudiante aprenda un conjunto de acciones

que constituyen un procedimiento. Muchas veces en estos

procedimientos se manipulan objetos de simulaciones físicas, por lo que

estos tipos de simulaciones están muy relacionadas.

• Simulaciones situacionales: permiten al estudiante explorar los efectos

de diferentes aproximaciones a una situación o jugar diferentes roles en

ella. En las simulaciones situacionales virtuales, el estudiante es parte

integral de la simulación tomando uno de los roles principales. Los

demás roles pueden asumirse por otros estudiantes que interactúan con

el mismo programa o la computadora, jugando el rol de una persona.

• Simulaciones de procesos: En este tipo de simulaciones generalmente el

estudiante da valores a una serie de parámetros iniciales y observa

cómo ocurre el proceso sin intervenir o manipular. Por lo general estas

son versiones aceleradas o desaceleradas de un proceso real, o la

representación de un proceso que no se manifiesta de manera visual.

La fidelidad (física, perceptual o de manipulación) para estos tipos de

simulación se traduce en la precisión con la que modelan un sistema o

fenómeno del mundo real, en el realismo de la interacción, y la frecuencia y tipo

de retroalimentación que el sistema brinda al estudiante. [0]

El desarrollo de la tecnología multimedia y su modalidad con interfaz más

elaborada, la realidad virtual, permite la construcción de modelos con

representaciones y niveles de interacción cada vez más fieles.

Existe consenso con respecto a las ventajas que trae a los estudiantes la

introducción de la simulación en el proceso educativo. 

La experiencia avala,

entre otras, las siguientes: 

• La mayoría de los estudiantes encuentran la interacción con

simulaciones más motivadora y cercana a las experiencias con el

mundo, el sistema o fenómeno real, que otros tipos de software

educativo.

• Lo aprendido con una simulación generalmente puede transferirse a la

situación real más eficazmente que lo ejercitado con otros medios. De

esta manera, los estudiantes pueden aplicar mejor a situaciones del

mundo real las habilidades o el conocimiento adquirido al interactuar con

una simulación, pues esta brinda al estudiante práctica y oportunidad de

probar diferentes combinaciones de condiciones .

• Las simulaciones bien diseñadas pueden contribuir a la eficiencia del

aprendizaje, ya que al estudiante le puede tomar menor tiempo entender

una materia cuando ha visto su contenido a través de la interacción con

una simulación. 

• La simulación permite al estudiante experimentar con fenómenos que

pueden ser peligrosos, costosos o imposibles de observar en el mundo

real .

• En una simulación se puede comprimir o dilatar el tiempo para observar

al ritmo más conveniente fenómenos que ocurren muy rápido o

despacio.

• Con la simulación por computadoras, el estudiante puede ensayar la

interacción con sistemas o fenómenos del mundo real en un ambiente

más barato, seguro, controlable, ético y eficiente.

• Facilitan el aprendizaje de fenómenos del mundo real mediante su

simplificación, o la omisión de fuentes de distracción, que sí están

presentes en la situación real.

• Con las simulaciones pueden implementarse diferentes estrategias de

enseñanza. Estas son ideales para implementar aquellas centradas en

el estudiante, por ejemplo, micromundos, aprendizaje por 

descubrimiento, juegos de roles, realidad virtual, simulaciones de

laboratorios o laboratorios virtuales, escenarios basados en casos, y

juegos de simulación. 

A pesar de todas las ventajas enumeradas, la simulación por computadoras

tiene ciertas limitaciones:

• Aunque existen paquetes de simulación especializados, el diseño y

programación de las simulaciones es más complejo y demorado que el

de otras aplicaciones de enseñanza asistida por computadoras, como

tutoriales convencionales y libros electrónicos.

• La interacción con la simulación no puede sustituir la práctica con la

realidad, solo es un entrenamiento para aprender, ensayar hipótesis y

poder transferir los conocimientos a situaciones reales. Puesto que se

trata de una simplificación, no reproduce exactamente tales condiciones

en toda su complejidad. Por otro lado, hay fenómenos que presentan

gran complejidad para ser simulados, como son las relaciones humanas. 

A continuación ejemplo sobre Simulación por computadora a traves de Microsoft Excel

Continuación...