Uso de un laboratorio virtual de química acuosa para mejorar el rendimiento de los alumnos a través de actividades no presenciales: Motivos y experiencias

Jordi Cuadros

Carnegie Mellon University

El proyecto The ChemCollective (http://www.chemcollective.org, anteriormente proyecto Irydium) del Chemistry Department de la Carnegie Mellon University se dedica desde 1997 al desarrollo de soportes informaticos para la enseñanza de la química bajo la dirección del Dr. David Yaron.

Los conceptos químicos son abstractos y habitualemnte dificiles de conectar con experiencias cotidianas. Por ello, los cursos de química general han evolucionado hacia conjuntos estructurados de algoritmos matemáticos orientados a la resolución de problemas, siendo habitualmente ausentes aplicaciones y ejemplos que muestren su interés y utilidad. Aunque estos procedimientos sean útiles en la resolución de problemas químicos, resultan conocimiento inerte si los alumnos no son capaces de reconocer cuándo y porqué son utilizados.
La propuesta de este grupo para la mejora del aprendizaje conceptual en química se basa en la mejora de las actividades no presenciales, en concreto, las tareas asignadas a los alumnos para su realización fuera del horario de clase. Este punto de partida facilita la aplicación de los recursos generados en distintos entornos con gran flexibilidad. Esta propuesta se concreta en dos tipos de desarrollos: laboratorios virtuales (simulaciones), cuyo objectivo es facilitar la conexión entre los procedimientos matemáticos y los conceptos químicos, y escenarios, que pretenden conectar los conceptos químicos a aplicaciones cotidianas.

Laboratorios y experimentos virtuales
El Laboratorio Virtual es un entorno de simulación cuyo prototipo es un laboratorio de química inorgánica orientado a soluciones acuosas.
Su vocación educativa está orientada a facilitar las conexiones entre la resolución algebraica de problemas y su significado químico, facilitando la visualización del sentido químico de los algoritmos de resolución. El reto es similar al que se observa en la educación en física donde se ha observado la desconexión entre la resolución algorítmica de problemas y la asimilación de conceptos.

El Laboratorio Virtual apoya la enseñanza conceptual posibilitando nuevos tipos de interacciones con los fenómenos químicos. Los estudiantes pueden diseñar y llevar a cabo experimentos de forma rápida, visualizar representaciones químicas más allá de lo posible en un laboratorio real y asociar los habituales problemas en papel con los conceptos a través de una práctica más diversa.
La Figura 1 muestra el Laboratorio Virtual. El panel izquierdo es un almacén configurable de reactivos químicos. El espacio central dispone el área de trabajo para la realización de experimentos. El panel derecho ofrece distintas representaciones del objeto seleccionado: nombre, volumen, especies presentes en la solución, temperatura y/o pH. Estas cantidades tienen un rol fundamental en los procesos de cálculo en los problemas de química y proveen un vínculo explícito entre los algoritmos de cálculo y los experimentos químicos que el alumno lleva a cabo.
El Laboratorio Virtual está siendo usado en entorno a veinte escuelas y universidades. Las principales modelidades de uso incluyen pre-laboratorios, experiencias de post-laboratorio y actividades no presenciales. En ellas, los problemas se estructuran de acuerdo a tres grandes tipos:

• Calcula y comprueba: El Laboratorio Virtual ofrece una retroalimentación inmediata al alumno después de realizar un problema tradicional y requiere al mismo tiempo una reconceptualización del resultado.
• Experimentos virtuales: El Laboratorio Virtual es el espacio para realizar un experimento como si se tratara de un laboratorio real. Sin embargo, su naturaleza virtual y la disponibilidad de las concentraciones facilita la creación de problemas abiertos y nuevos tipos de actividades que no serían realizables en laboratorio real.
• Actividades por capas: En estas activiades, distintos problemas son encandenado añadiendo cada vez un nivel de complexidad al problema. Ello invita al alumno a reflexionar sobre el sentido de las simplificaciones y de los conceptos utilizados.

Escenarios
El segundo reto educativo que afronta este grupo consiste en promover mecanismos que den un mayor soporte para la transferencia de los conocimientos a aplicaciones cotidianas. Para ello, los problemas se incluyen en escenarios que destacan su utilidad. Como beneficios de esta contextualización es razonable esperar un incremento de la motivación de los estudiantes. El uso de escenarios también permite a los estudiantes aplicar los conceptos en contextos adecuados y establecer relaciones más coherentes entre los mismos. La funcionalidad del conocimiento adquirido y de la comprensión del rol social de la química como ciencia deberían verse potenciados.
Ambos elementos (simulaciones y escenarios) son usados conjuntamente en el diseño de activades no presenciales para la mejora del aprendizaje de la química general.

Experiencias y futuro
Las distintas experiencias de uso del Laboratorio Virtual están aportando intuiciones sobre su valor educativo y impulsando el desarrollo de nuevas tecnologías en el grupo.
Entre las observaciones realizadas hasta el momento cabe destacar la manifestación de errores de aprendizaje, las dificultades de los alumnos para la comprensión conceptual y el desarrollo por parte de los alumnos de algoritmos que van más allá de los imaginados por los docentes. Datos cuantitativos preliminares apuntan a la mejora del rendimiento de los alumnos a través del uso del Laboratorio Virtual y problemas contextuados.
Las actuales líneas de desarrollo buscan:

• implementar mecanismos de retroalimentación adaptativa para la resolución de problemas a través de tutores, pseudo-tutores o plantillas autoevaluadas,
• ofrecer mecanismos de soporte para la identificación y clasificación conceptual de problemas,
• mejorar el registro de la actividad de los estudiantes y su análisis para incrementar la comprensión de los procesos de aprendizaje,
• y establecer una comunidad de uso, desarrollo y evaluación entorno a los recursos generados como medio para su difusión y evolución.