Innovación didáctica en química general. Una experiencia en la carrera de Ingeniería Civil

b- Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Córdoba, Escuela de Cuarto Nivel

Prácticos de laboratorio en química general, Química General, Talleres de química

Resumen / Resumo

Se planteó a los alumnos la posibilidad de realizar, durante la primera etapa del ciclo académico, actividades voluntarias tales como la creación de un aula taller sobre el tema de enlaces y disoluciones con diversos recursos didácticos y sustancias conocidas por el alumno. En una segunda etapa, los alumnos, a partir de una consigna inicial y guiados por los docentes, diseñaron y desarrollaron sus propias experiencias en el laboratorio para luego transmitírselas a sus compañeros.

Este enfoque constructivista en la enseñanza de la química posicionó al alumno en el rol de hacedor de sus conocimientos, logró motivarlo y despertar su interés por la búsqueda de explicaciones químicas sobre su realidad cotidiana.

Abstract

La Química es una ciencia extensa que engloba la creación de nuevas moléculas y la manipulación de los átomos, tanto a escala microscópica como macroscópica. Mantiene interacciones con las plantas, los animales y los seres humanos a través de la agricultura, biología y medicina y con el mundo físico mediante la electrónica, los nuevos materiales de construcción y las fuentes de energía. Y es más, influye sobre los seres humanos, protegiendo y conservando su salud, el medio ambiente y el patrimonio cultural. En efecto, la química es fundamental en nuestra vida; sin ella tendríamos una vida más rudimentaria, en el sentido de vivir en condiciones primitivas: sin automóviles, sin electricidad, sin computadoras, sin discos compactos y otras muchísimas comodidades.

Educar es un proceso de formación socio – cultural permanente que se da durante toda la vida, en todos sus momentos y lugares. De acuerdo a las diversas teorías que explican los procesos educativos, la educación tiene una gran diversidad de funciones. Según el modelo tradicional (modelo centrado en el docente), la actividad en el aula se organiza en torno a una secuencia de temas que pretenden ser una selección de lo que el alumno debería saber sobre la disciplina. El profesor explica los temas, mientras que los alumnos registran escribiendo la información suministrada, para después poder preparar las evaluaciones, controles o exámenes que intentarán medir su aprendizaje. Los contenidos son aquella parte de los productos disciplinares que todos los alumnos deben aprender. En este sentido, actúan como metas terminales y obligatorias. Las concepciones de los alumnos, los puntos de vista no científicos, o la información proveniente del trabajo directo con la realidad no son contenidos relevantes a tener en cuenta en el programa [1]. Por otro lado, según el modelo interaccionista el alumno no asume una situación pasiva de aprendizaje en la que memoriza mecánicamente la información, sino que se trata de una situación activa en la que se pretende que el alumno asimile realmente el auténtico significado de los conceptos. N. Benbenaste [2] sostiene que el alumno inicia su proceso desde el manejo de los preconceptos basados en la creencia de que lo que captan sus sentidos es la realidad, la realidad absoluta y que con la orientación del docente puede lograr el manejo de conceptos a nivel científico. Estos no son entidades cerradas sino procesos, que implican condiciones rigurosas y al mismo tiempo apertura; los conceptos son más ricos en la medida en que más relaciones tienen con otros conceptos y es posible transmitirlos. Este planteo tiene relación con la afirmación de E. Morin [3] de que para articular y organizar los conocimientos y así reconocer y conocer los problemas, es necesaria una reforma de pensamiento. Ahora bien, esta reforma es paradigmática y no programática :es la pregunta fundamental para la educación ya que tiene que ver con la capacidad de organizar el conocimiento Un paso fundamental para superar nuestros saberes desunidos, divididos, compartimentados es considerar en el estudio de cada tema el contexto, lo global, lo multidimensional y lo complejo

Situación Problemática

Uno de los problemas que se detecta en la actualidad en el dictado de Química General en las carreras de Ingeniería de la UTN, es la falta de interés de los alumnos por la Química, así como una disminución de las horas de docencia en esta área y la falta de motivación del alumnado al estudio en general y a esta materia en particular. Además, en el caso de Ingeniería Civil, esta materia no aparece recogida en los Planes de Estudio de muchas Universidades del país tanto públicas como privadas [4, 5].

Es una creencia general en los alumnos que la química general es más difícil que otras asignaturas, y hay una razón para esta creencia. Por una parte, la química tiene un lenguaje muy especializado. Al principio, estudiar química es como aprender un nuevo idioma. Además algunos conceptos son abstractos; sin embargo el alumno está más familiarizado con la química que lo que él mismo piensa. Seguramente han escuchado términos que tienen una relación con la química, aunque no se utilizan en el sentido científico correcto; por ejemplo: “electrónica”, “equilibrio”, “catalizador”, “reacción en cadena”, “metales oxidados”. Más aún cuando alguien cocina alimentos, ¡está haciendo química!. Por la experiencia adquirida en la cocina, se sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que el agua se evapora cuando se hierve. Los principios de la química y de la física se aplican cuando se utiliza bicarbonato de sodio para hornear una torta, se elige una olla de presión para reducir el tiempo de cocción de verduras, se le coloca jugo de limón a la ensaladas de fruta para evitar que se oscurezcan. Todos los días observamos estos cambios sin pensar en su naturaleza química.

La materia química general forma parte de la curricula de la carrera de Ingeniería Civil de la UTN [6]. La política de esta casa de altos estudios pretende que la enseñanza de la Química aporte al Ingeniero Civil los conocimientos básicos de esta disciplina, que junto con los fundamentos de Física, Álgebra, Cálculo y Dibujo Técnico, le proporcionen la formación general que precisa para abordar tanto las restantes asignaturas de la carrera como la futura formación y actualización a la que habrá de hacer frente a lo largo de su vida profesional. Por ello, debe abarcar un amplio campo, que va desde la constitución intima de la materia hasta la descripción de sus propiedades y ante todo, debe dar a conocer los principios y teorías fundamentales, orientándola hacia sus aplicaciones industriales y tecnológicas y potenciando al máximo su carácter de Ciencia Experimental [7].

En una práctica educativa, la innovación se liga al sentido de la creatividad, y ello implica el reconocimiento de un problema, la identificación de formas de resolverlo, la toma de decisiones para lograrlo y la puesta en marcha de acciones innovadoras. Es una dimensión de cambio que conlleva a mejorar los objetos, o las condiciones en que opera un proceso humano. Innovar en educación es poner al día los sistemas educativos, es transformar las prácticas educativas para adecuar su calidad a los requerimientos personales y sociales de formación humana, científica, cultural y profesional. Innovar es la actitud y el proceso de indagación de nuevas ideas, paradigmas, propuestas y aportaciones, para la solución de problemas de la práctica educativa [8].

El objetivo principal de este trabajo es innovar en la enseñanza de la Química acercándola a objetos y situaciones que el alumno encuentra en su vida cotidiana y empleando una metodología de enseñanza – aprendizaje muy participativa con la utilización de recursos didácticos actuales. De esta manera se intentó dar a la enseñanza de la Química un enfoque activo, haciendo que el alumno se convierta en un sujeto activo y no pasivo para mejorar su creatividad y resultados académicos.

En este trabajo se proponen una serie de acciones a emprender para la mejora del aprendizaje y así aumentar el interés y motivación por la Química General, demostrando la importancia que tiene la misma en el desarrollo de la vida y en la tecnología. Se insistió en que la aplicación de los conocimientos químicos puede detectar, mitigar o solucionar problemas tecnológicos.

En la primera etapa del año lectivo se desarrolló un programa de dos talleres voluntarios (enlaces y disoluciones), paralelos al dictado de sus correspondientes temas teóricos, fuera del horario de clase habitual y en horas de tutorías de los profesores. Se eligió este período para facilitar la asistencia, ya que es cuando los alumnos no tienen todavía exámenes y aquellos con peor base no les cunda todavía el desánimo ni la preocupación por su falta de preparación. Esta fue una forma de atraerlos hacia las clases de Química, incentivar su curiosidad por el conocimiento, mostrándoles una nueva forma de ver, estudiar y analizar la materia.

En principio cada taller tuvo una duración mínima de dos horas en semanas consecutivas. Se constituyeron grupos de trabajo reducidos para aprovechar las ventajas del aprendizaje cooperativo. Se llevó a cabo una parte experimental en el laboratorio de química y otra parte de cálculos y manejos de programas didácticos con computadoras y páginas web educativas en los gabinetes de informática.

En la segunda etapa del año lectivo se desarrollaron siete prácticos de laboratorios obligatorios correspondientes a la planificación de la materia. La metodología implementada en los mismos fue la siguiente:

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  Se dividió al grupo de alumnos en comisiones reducidas asignándoles a cada una el estudio, preparación y exposición de un práctico en particular.
  
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  Se solicitó a los alumnos, previamente a la preparación del práctico, el estudio y resolución de la introducción teórica de cada práctico así como el diseño del experimento a realizar, lo cual fue supervisado y discutido con el docente.
  
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  Se facilitaron las instalaciones del Centro de Investigación y Tecnología Química (CITeQ) de la Facultad para la preparación del práctico a cargo de cada comisión. Se les brindó además todo el material y drogas necesarias para el mismo, así como la asistencia y colaboración de los docentes a cargo.
  
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  Una vez preparado cada práctico, los mismos fueron expuestos por la comisión, al resto de sus compañeros en una serie de seminarios organizados a tal efecto.
  

Taller de Enlaces Químicos

La composición, fórmula empírica, fórmula molecular y estructura de Lewis de una sustancia proporcionan información importante, pero no bastan para predecir ni explicar las propiedades de la mayor parte de los compuestos moleculares. La disposición de los átomos y la forma en que ocupan el espacio tridimensional -la forma de la molécula- también son muy importantes.

Las moléculas son conjuntos tridimensionales de átomos y son demasiado pequeñas para examinarse directamente. Por ello, recurrimos a modelos para representar la forma de las moléculas. Antes de que hubiera computadoras para generar modelos moleculares, los químicos se apoyaban en modelos físicos armados átomo por átomo, como por ejemplo el modelo de esferas y varillas que usa esferas para representar los átomos y trozos de plástico para representar los enlaces.

Un método sencillo de predecir la forma de las moléculas es por la teoría de repulsión de los pares de electrones del nivel de valencia (RPENV). Una forma de visualizar geometrías predichas por dicha teoría fue utilizar “modelos con globos”. Cada globo representó un par de electrones y el volumen de cada globo representó una fuerza de repulsión que impide que otros globos ocupen el mismo espacio [9]. Cuando se ataron en un punto central dos, tres, cuatro, cinco o seis globos (el punto central representó el núcleo y los electrones internos de un átomo central), los globos generaron las formas: lineal, triangular plana,etc. Estas disposiciones geométricas minimizan las interacciones entre los globos (repulsiones de pares de electrones).

Con la utilización de esferas, varillas, globos, etc. se logró que los alumnos elaboren sus propios modelos moleculares. Se mejoró la visión espacial de los estudiantes y su comprensión de la geometría molecular, así como sus resultados académicos. Los alumnos pudieron predecir la forma de moléculas usando la teoría de RPENV y determinar la hibridación de orbitales de un átomo central y la geometría molecular correspondiente. Con la utilización de páginas webs adecuadas se completó la visualización de las moléculas y sus estructuras [10-13].

Taller de disoluciones

A fin de conseguir los objetivos que se pretenden con este taller en primer lugar se vio y analizó qué es una disolución y las formas de expresar su concentración, mediante cálculos clásicos y manejo de programas adecuados en computadora [14]. Se observaron los conceptos diluir y concentrar variando el volumen de disolvente necesario y se distinguieron los conceptos de insaturación, saturación y sobresaturación, modificando la cantidad de soluto empleado. Con base al concepto de solubilidad se aprovechó para discutir la problemática industrial de las aguas duras y blandas debido a la formación de depósitos calcáreos en tuberías y calderas con fluidos a temperaturas elevadas.

En segundo lugar, a partir de varias disoluciones determinadas se distinguió entre soluciones ácidas (vinagre, zumo de limón, ácido clorhídrico.... ), básicas (lejía, sosa, jabones,... ) y neutras (sal común, nitrato potásico, azúcar...). Se detectó de una forma rápida el pH con un papel indicador. Posteriormente, se unieron ácidos y bases poniendo de manifiesto las diferencias de pH en función del tipo de sal formada.

En este taller se pudieron realizar cálculos sencillos de disoluciones y comprobarlos con programas informáticos y a partir de estos datos preparar disoluciones en el laboratorio. Además se logró aplicar los conocimientos químicos a sustancias de la vida cotidiana.

Como punto de partida se les brindó a los alumnos un material teórico en el cual se les informa sobre cómo manejarse en un laboratorio químico, medidas de seguridad, materiales a emplear, etc.

Los prácticos elaborados por los propios alumnos fueron los siguientes:

-Material de laboratorio de uso frecuente: Los alumnos lograron identificar el material de laboratorio adquiriendo destreza en el manejo de pipetas, operación de trasvasar, diluir una droga pura y utilización de la balanza.

-Separación de los componentes de una mezcla: Se pudieron aplicar distintas técnicas comunes en el análisis cuantitativo de muestras, como son: pesada, disolución, decantación, filtración y evaporación.

-Soluciones: Se identificaron los distintos componentes de una disolución adquiriendo destreza en la preparación de distintas soluciones en diferentes concentraciones.

-Velocidad de las reacciones químicas. Se planteó el estudio de algunos de los factores que modifican la velocidad de una reacción.

-Equilibrio químico. Se pudieron estudiar algunos de los factores que influyen sobre los sistemas en equilibrio y sobre las constantes de equilibrio.

-Reacciones de oxidación reducción. Se logró demostrar el poder oxidante del permanganato de potasio, analizar la oxidación del hierro de Fe²⁺ a Fe³⁺ y la reducción del manganeso de Mn⁷⁺ a Mn²⁺ en un medio ácido, determinar los poderes relativos de los metales como agentes reductores y de los iones metálicos como agentes oxidantes y efectuar el cuprizado de una pieza de hierro sin corriente eléctrica.

-Reacciones de neutralización de ácido-base. Se alcanzó a comprender el mecanismo de neutralización ácido-base y desarrollar habilidad para determinar concentración de soluciones a través de métodos volumétricos de titulación.

Siguiendo un modelo interaccionista se logró que las actividades realizadas por los alumnos favorezcan la observación directa de la realidad, para inferir, a partir de ella, los conceptos más relevantes [15,16]. Con la metodología implementada, se marca aquí una fuerte contraposición al modelo tradicional en el cual los contenidos son formulados como un producto disciplinar, sin contextualizarlos ni relacionarlos con su proceso de producción, transmitiendo una imagen formalista y académica de los mismos y provocando que los alumnos no los relacionen con los problemas de su medio.

De esta manera, se trató de combinar inteligentemente y con amplias dosis de flexibilidad, lo que el profesor interpretó como conveniente y lo que el alumno sintió como interesante. El conocimiento académico, así formulado, actuó más como guía que orientó la intervención del profesor (poniendo en evidencia, por ejemplo, dimensiones de la realidad no tenidas en cuenta por los alumnos, aportando contraejemplos, ayudando a descubrir relaciones, provocando dudas, indicando posibles soluciones, etc.) que como un itinerario prefijado del recorrido cognoscitivo que el alumno necesariamente debe seguir.

Por último, debe mencionarse que a pesar de los buenos resultados pedagógicos obtenidos se observaron algunas dificultades en cuanto a la implementación de estas metodologías, referidas principalmente a la elevada relación alumnos / docentes y a la baja disponibilidad de laboratorios. Así, para un elevado número de alumnos se hace necesaria la presencia de más de dos profesores para poder atender las consultas de los estudiantes en forma personalizada
CONCLUSIONES

En este trabajo se abordó uno de problemas actuales más graves de la educación: el que los alumnos, incluso aquellos que aparentemente muestran que están interesados, suelen separar mentalmente sus significados experimentales (los que aprenden en la vida extraescolar) de sus significados académicos.

La metodología de enseñanza de la química presentada en este trabajo e implementada en la Cátedra de Química General en la Carrera de Ingeniería Civil de la UTN-FRC no solo contribuyó a lograr un interés y compromiso con la disciplina por parte de los alumnos, sino que brindó la posibilidad que los mismos puedan acceder a los conocimientos básicos a partir de su realidad cotidiana. Respecto del método tradicional, lo positivo de este enfoque es el hecho que sitúa al alumno como el centro de la enseñanza y no como un mero consumidor de la misma, lo que supone un cambio substancial de perspectiva.

Un análisis didáctico del constructivismo permitió articular una potente alternativa metodológica para la enseñanza. A través de la investigación de problemas, los alumnos pusieron en juego sus propios esquemas de conocimiento y el profesor pudo dirigir la construcción de nuevos significados, todo ello al hilo de actividades con finalidades próximas e interesantes.

A pesar de los buenos resultados pedagógicos y académicos alcanzados mediante esta innovación, el elevado número de alumnos por grupo así como deficiencias de infraestructura en la universidad surgieron como principal dificultad de su implementación.
AGRADECIMIENTOS

Se agradece al CITeQ por facilitar las instalaciones para la realización de los prácticos y a los profesores Dr. Eduardo Herrero y Lic. Celso Pérez por las sugerencias realizadas.

[1] Porlan, R. (2002) MODELOS EDUCATIVOS: El Modelo centrado en el docente, el Modelo centrado en el alumno, el Modelo centrado en la interacción. Curso Interuniversitario de Educación a Distancia- Red de Educación a Distancia constituida por las universidades Nacionales Región Centro-Oeste.

[2] Benbenaste, N. (1995) Política x Tecnología / Mercado. Universidad de Buenos Aires. Buenos Aires. Argentina.

[3] E. Morin (1999) Los siete saberes necesarios a la educación del futuro. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura - 7 place de Fontenoy - 75352 París 07 SP – Francia © UNESCO.

[4] http://www.fceia.unr.edu.ar/labinfo/info_academica/carreras/civil/civil.html

[5] http://www.ing.unlp.edu.ar/carreras/text/plan-civil.htm

[6] http://www.frc.utn.edu.ar/

[7] Carrillo, I. Proyecto Docente, E.U.I.T. Industrial, Universidad Politécnica de Madrid, 2003.

[8] Carrillo I., Latorre R., Ramiro C., La Química en la Ingeniería Industrial, Centenario de las Reales Sociedades Españolas de Física y Química, Madrid, (Julio 2003)

[9] “Acceso al 2º Ciclo de Estudios Universitarios” (Comunidad de Madrid, Consejería de educación, Dirección General de Universidades, Madrid, 2001).

[10] Barajas, R., Duran, A., Serrano, C. La Enseñanza Activa de la Química en las Carreras Técnicas. II Coloquio Internacional de la Enseñanza Superior de la Química en Lenguas Internacionales de Origen Latino (ESQLIOL), (Málaga, 1992).

[11] Moore, J. et al, El mundo de la Química, (Pearson Education, México, 2000).

[12] http://www.orbitals.omo/orb/index.htm/

[13] http://www.ch.ic.ac.uk/video

[14] http://www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/vsepr/intro/vsepr_splash.html

[15] Hernández, L; Llano, L; “Propuesta de Reforma de la Enseñanza Experimental”. Revista IMIQ, 1994, XXXV, 07, 5-7