El uso de los modelos en las Clases de Ciencias Naturales

El empleo de modelos en las clases de Ciencias implica un doble desafío: Por un lado la búsqueda de algo tangible (o no) en el caso de contar con alguno pre-existente o sino, inventar uno. Y por otro lado, el análisis de las limitaciones y/o validaciones de lo que ha de utilizarse.
Según los nuevos puntos de vista (Rodríguez y López Mota, A. 2013):

• Las Ciencias Naturales no se encuentran fuera de la naturaleza. Ya que su papel epistemológico posibilita el acceso al conocimiento en sí mismo.
• Las Ciencias Naturales se encuentran centradas en lo que podemos acceder a través de nuestros sentidos, logrando a través del conocimiento.

Giere (1999a) sugiere que los fenómenos a ser analizados o estudiados, deben corresponderse con la realidad, de forma tal que sea útil para los estudiantes a la hora de explicar los fenómenos de su entorno y aplicar sus aprendizajes durante toda la vida.
Desde hace un tiempo, realizo trabajos de indagación en el ámbito áulico, la amplitud de soporte teórico y la carencia de actividades experimentales, motivaron la realización de modelos propios y hasta novedosos, según las necesidades de llevar adelante una propuesta pedagógica.

Así también, los GIF's animados, videos y/o simulaciones debieron ser seleccionados en base a criterios que justificaran su inclusión.

Existe numerosa bibliografía que aborda la importancia del uso de modelos en las clases de Ciencias Naturales, particularmente centraremos el presente posteo en dos modelos con una fuerte impronta teórica y práctica, acompañados de los recursos TIC o simulaciones.

La efectividad de los protectores solares nanoparticulados: Si bien, existen videos tutoriales de cómo armar una caja de radiación UV, su utilidad se encontraba orientada al secado de pinturas o esmaltes sintéticos. Así también debieron adaptarse las conexiones e incluir los balastos  eléctricos (estabilizadores y limitadores) para evitar la falla de las lámparas UV. Su armado fue íntegramente efectuado por los estudiantes.

El uso de respiradores artificiales: Este modelo perfecciona el empleo de uno pre - existente y se realiza la inclusión de un sistema de inyección de aire por medio de una jeringa de 60 ml., derivando el caudal de aire a través de una válvula de doble salida. Para la parte inferior de la botella, se utilizó un preservativo o condón, donde se observa el comportamiento del diafragma que se busca representar.

Limitaciones de los modelos.

Como todo modelo, cuando se lo presenta a través de tutoriales funciona a la perfección, sin embargo, al llevarlo a la práctica se presentan inconvenientes que obligan a efectuar ajustes. Algo inevitable en el armado de modelizaciones que dependerán de cada caso en particular.

En la caja de radiación, los limitantes que deben dejarse en claro son: Por un lado la potencia de las lámparas ultravioletas que, en intensidad no llegarán a igualar las magnitudes irradiadas por el sol. Y por otro lado, el corte empleado para la experimentación es un corte muerto (no existe irrigación sanguínea que permita visualizar el efecto real de una quemadura solar, por ejemplo) sin embargo, sí es posible visualizar la absorción del protector solar empleado como "barrera" que impida la penetración de la radiación a través de las capas de la piel.

En cuanto al respirador artificial, no se observa la retroalimentación que sí se realiza a través de un respirador artificial real, en el cual se van monitoreando parámetros que promueven una recirculación continua del Oxígeno. En el caso de nuestro modelo, el aporte o extracción del aire debe realizarse de forma manual.

Otro limitante es el volumen de aire que se inyecta a través de la jeringa, no siendo suficiente para aumentar de forma notoria el volumen de los globos. Una sugerencia que requerirá de otros tipos de ajustes tales como acoplamiento y/o pérdidas es el reemplazo de la jeringa por una jeringa decoradora de tortas, tal como se muestra en la imagen.

Criterio y selección de los simuladores.

Generalmente, nos toca seleccionar los recursos TIC en base a la experiencia o la intuición, pero no contamos con algo pre-establecido, a continuación se presentarán algunas sugerencias para justificar la inclusión de dichos recursos en nuestras planificaciones o secuencias didácticas.

Idioma: Es conveniente que el idioma del simulador coincida con el propio, en su defecto si se tratara de un idioma universal (inglés, por ejemplo) favorecería un trabajo interdisciplinario al promover el empleo de otra lengua.

Fácil comprensión/apropiación: El simulador debe ser iconográfico, cuyas interfaces sean amenas, con un recorrido hasta intuitivo.

Trabajo on - line: La mayoría de los simuladores ofrece la posibilidad de trabajar en línea, dependiendo de la conectividad por parte de los estudiantes.

Trabajo off - line: Algunos simuladores presentan la opción de trabajo HTLM 5, que no requiere instalación de otro programa (JAVA por ejemplo) aunque sí requiere de conectividad. Mientras que, la posibilidad de descargarlo al computador o, por medio de una aplicación del AppStore, prescinde de la necesidad de hallarse conectado a una red de Wi-fi.

Permite modelización: Algunos simuladores, dependiendo de la complejidad de lo que se desea simular, ofrecen la posibilidad de ser recreados a través de la materialización de modelos, entiéndase por materialización el armado/confección de un modelo que permita experimentar con elementos reales, próximos a nuestro entorno o realidad.

Ajustes de variables: Esta opción es una de las más interesantes ya que, de contar un modelo materializado, el ajuste de las variables implicaría tiempo y, en la mayoría de los casos, un costo adicional. Por tal motivo, en carreras como ingeniería, se emplean las analogías.

Creatividad: Dependiendo de cuán creativo sea el simulador, es lo que llamará la atención de nuestros estudiantes y que promoverá la indagación o exploración del mismo.

Calidad: La calidad del simulador presentado juega un rol importante, puesto que de ello dependerá si se justifica o no su inclusión, si aporta al aprendizaje o solo es un recurso figurativo sin mayores aportes.

Aprendizaje reflexivo/práctico: Permite una metacognición por parte del estudiante o alguna reflexión en torno al fenómeno estudiado.

Contenido educativo adicional: Algunos simuladores cuentan con cuestionarios o información complementaria para fortalecer el aprendizaje, no siendo necesaria su inclusión, aunque valorada cuando se la presenta.

Trabajo colaborativo: Algunos simuladores permiten la intervención de otros usuarios, con la intencionalidad de promover el trabajo de forma colaborativa.

Algunas reflexiones finales.

En la mayoría de las actividades, no será factible la posibilidad de materializar un modelo (cuestiones económicas, de tiempo o creativas), sin embargo existen simulaciones valiosas u otros recursos que resultan valiosos a la hora de aproximar nuestro desempeño teórico hacia la actividad experimental. Espero les haya servido el aporte desde este espacio, cualquier duda mi contacto de mail se encuentra a su alcance: francojavierortiz@gmail.com 

Bibliografía.

Scheiner, E. y Trinidad, O (2013). Clase 1: El papel de las TIC en la enseñanza de las ciencias. Propuesta educativa con TIC: Física y TIC I. Especialización docente de nivel superior en educación y TIC. Buenos Aires: Ministerio de Educación de la Nación.

Scheiner, E y Trinidad, O (2013). Clase 5: Selección de recursos TIC. Propuesta educativa con TIC: Física y TIC I. Especialización docente de nivel superior en educación y TIC. Buenos Aires: Ministerio de Educación de La Nación.

Giere, R. (1999a). Del realismo constructivo al realismo perspectivo. En Enseñanza de las Ciencias. Número extra, pp. 9-13.

López-Mota, A. y Rodríguez Pineda, D.P. (2013). Anclaje de los Modelos y la Modelización Científica en Estrategias Didácticas, Enseñanza de las Ciencias (Número extra), 2008 - 2013.

Las estaciones del año y la radiación solar desde la perspectiva del uso de simuladores (Segunda parte)

En este punto, resulta conveniente el empleo de simuladores que permitan visualizar los movimientos de rototraslación que fueran mencionados en el posteo anterior.

En el simulador "Gravedad y órbitas" se puede observar lo siguiente:

El simulador presentado responde a una modelización, es decir, una representación de la realidad sin que ello implique que sea lo que ocurre en realidad.

Por ejemplo, pueden observarse órbitas circulares en vez de ser elípticas. Algo interesante de debatir y, tal como ocurre en la filmación de la pantalla donde se relatan dos posibilidades: Cuando la masa del Sol es menor o es mayor respecto de la masa de la Tierra, dejando en claro dos posibles sucesos, por un lado el alejamiento de la Tierra y por el otro, el "choque" o atracción hacia un Sol notablemente superior en masa.

Dejar planteada la acción de la gravedad como la interacción que se evidencia entre dos cuerpos, es lo que permitiría responder a dichos sucesos.

Desde el portal de Astronomy Education at the University of Nebrasca-Lincoln ofrecen numerosas simulaciones referidas a la astronomía. En particular centraremos nuestro posteo en el siguiente enlace https://astro.unl.edu/naap/motion1/animations/seasons_ecliptic.html

Algunas consideraciones antes de comenzar a trabajar.

Es condición, presionar obtener flash aquí, caso contrario, el simulador no podrá ejecutarse on-line.

Donde aparece el globo terráqueo, una línea roja permite posicionar de forma aproximada, la ubicación de la ciudad donde habitamos y a partir de la cual, generaremos la simulación (por vivir en Buenos Aires, Argentina) ubicando la línea roja en una latitud de observador (observer´s latitude) de 34.9° aproximadamente, tildando labels que visualiza en dicho globo:

- Polos (poles): Norte (North) y Sur (South).

- Círculos (circles): Ártico (Arctic) y Antártico (Antarctic)

- Trópicos (tropics): Cáncer (Cancer) y Capricornio (Capricorn)

- Ecuador (Ecuator)

En función de la latitud del observador, establecida manualmente al posicionar la línea roja, se observará un gráfico que visualiza la llegada de los rayos solares a la superficie terrestre.

Observando la pantalla completa

A continuación, socializo un video en el cual explico brevemente el empleo de dicho simulador de estaciones.

Un detalle, no menor, en donde se menciona mantener la opción "órbita" dado que sino podría incurrirse en el error de la teoría geocéntrica, donde supuestamente el Sol (al igual que los demás astros) giraban alrededor de la Tierra.

Las recomendaciones pedagógicas que suelen brindarse en torno a estos recursos:

• El docente debería haber explorado el recurso.
• Toda propuesta pedagógica debe incorporar los recursos TIC o, en su defecto, armar una propuesta justificando su empleo.
• El simulador no es un juego.
• La contextualización histórica o epistemológica debe acompañar nuestras propuestas, dado que de esa forma serán más notorios los errores u omisiones de las modelizaciones presentadas.

Estudio de un respirador artificial con el empleo de modelos.

Introducción.

A partir de la emergencia sanitaria que puso en jaque al mundo entero, la forma de afrontar lo desconocido, nos llevó a repensar sobre cómo avanzar e ir sorteando los obstáculos que fueran surgiendo. En el ámbito educativo, no fue la excepción.

Esta circunstancia puede transformarse en una oportunidad para continuar con nuestro rol de enseñar.

En este posteo analizaremos un invento que aparece como el principal protagonista en el ámbito hospitalario donde se traten pacientes en estado crítico que hayan contraído COVID-19: Hablamos del respirador artificial, un elemento esencial para suministrar oxígeno a pacientes con insuficiencia respiratoria.

El trabajo interdisciplinario promoverá la indagación científico - tecnológica. Basándose en la información pre existente de fuentes confiables se procederá a la argumentación. Como así también, la explicación del funcionamiento de un artefacto tecnológico, al identificar su inclusión en el mercado como un invento que surgió a partir de una necesidad, contextualizando históricamente. En este aspecto resulta conveniente reconocer los avances tecnológicos en pos de una mejora de tipo social, más que de tipo comercial.

Los fenómenos físicos, químicos y biológicos serán analizados a través de la modelización, complementándose con la integración de recursos TIC.

Actividades.

Lectura de artículo: Se procederá a la lectura del primer fragmento del artículo “El fanático de la aviación que salvó a millones de bebés” donde se procederá al abordaje del contenido que se pretende profundizar desde el contexto histórico.

A medida que se efectúa la lectura del párrafo descrito en la imagen, entre paréntesis y, en color rojo, se mencionan los datos que han de servir para completar la siguiente tabla.

Visualización de video: Se presentará el siguiente video: “El funcionamiento de un respirador artificial |AFP”
El video muestra una animación para no herir la susceptibilidad de los estudiantes. Donde se describe el funcionamiento de un respirador artificial de manera sencilla y acorde al nivel de escolarización de los estudiantes.

Análisis del video: Tras visualizar el video, se procederá a trabajar con algunas capturas de pantalla, de diferentes tramos del mismo, con una serie de preguntas orientadoras.

Recordatorio: Del libro “Mecánica de fluidos” de Irvin Shames: “El flujo laminar se describe como un patrón bien ordenado donde se suponen que las capas de fluido se deslizan una sobre otra, ante una perturbación (válvula, cambio de dirección de flujo, cambio de sección) a medida que avanza por la tubería tiene una transición desde el flujo bien ordenado hacia un tipo de flujo inestable, condición en la cual se desarrollan fluctuaciones irregulares del flujo, conocido como flujo turbulento”

La inclusión del concepto de flujo laminar no es arbitrario, puesto que brindará el soporte cuando deba visualizarse un flujo circulando a través de una tubería.

Armado de modelo: A partir de la visualización del video, se solicitará a los estudiantes que realicen el armado del modelo del sistema respiratorio.

Analogía con el respirador artificial: Efectuando una mejora, el docente deberá perfeccionar el anterior modelo, con el agregado de una jeringa conectada a las entradas de los "pulmones" representados por los globos, a través de sondas transparentes y una válvula de derivación o de doble vía, tal como se muestra en la figura.

Al insuflar aire a través de la jeringa grande, el aire procederá a ocupar el lugar en los globos. Y luego, con el globo que recubre la parte inferior de la botella sin su base (cuya finalidad es modelizar al diafragma) se efectuará la contrapresión, a modo de que el aire insuflado retorne a la jeringa y, de esa manera se repita el ciclo de recirculación cuando se vuelva a presionar la misma. 

Aclaración: En caso de no conseguir una válvula de derivación o de doble vía, en el ámbito médico, resultan útiles las siguientes válvulas que pueden servir a los fines prácticos de la modelización (también conocida como "llave de tres pasos") que ofrece, una regulación del pasaje de aire a través de las sondas transparentes.

A continuación se muestra un modelo que requiere de ajustes, que serán contemplados en futuros posteos.

Comparación entre los sistemas o modelos: Recuperando la analogía mencionada en la primera actividad, se procederá a observar la siguiente infografía sobre la respiración pulmonar como proceso involuntario, sobre la respiración con asistencia mecánica (respirador artificial) y se ha de comparar con el modelo que el docente propuso a modo de análisis.

Reflexión: Se efectuará una comparación entre el flujo de aire que ingresa por medio de la respiración natural, el flujo de oxígeno que ingresa a través del respirador artificial y, el volumen de aire que ingresa a través de la jeringa en el modelo.

En el aire presente en la atmósfera se encuentra la humedad propia del ambiente, por ello debe humidificarse cuando se lo insufla a través del equipo, trasladando al modelo surge la cuestión si es necesaria la humidificación.

En la respiración normal tranquila, la contracción de los músculos respiratorios sólo ocurre durante la inspiración, mientras que la espiración es un proceso pasivo, ya que se debe a la relajación muscular.

Uso del simulador: Se procederá a la visualización del simulador https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/fluid-pressure-and-flow

Aclaración: Si bien el simulador visualiza moléculas de un líquido, en este caso, sirve a los fines didácticos de establecer la siguiente analogía.

Se identificara en el modelo de respirador artificial, el volumen desplazado a través de la jeringa, su cálculo puede efectuarse de forma aproximada.

Por tratase de una derivación a través de la válvula tipo “T”, se planteará el volumen de aire que ingresa a cada globo.

Introducir el concepto de presión, al ejercer el empuje sobre la jeringa para desplazar el volumen de aire. Como así también el concepto de contrapresión, para que dicho volumen efectúe el camino inverso de retorno.

Evaluación.

En tiempos de pandemia, la forma de evaluar hizo replantear el concepto de evaluación en sí mismo, cuando se habla en términos numéricos, en vez de hablar de términos de alcance, comprensión y/o metacognición. Por tal motivo, se deja a modo de "tarea" domiciliaria, la confección de la rúbrica o forma de evaluar una propuesta que intenta orientar en estos tiempos de incertidumbre.

ANEXOS

https://www.infermeravirtual.com/esp/actividades_de_la_vida_diaria/ficha/funciones_del_sistema_respiratorio/sistema_respiratorio#ventilacion_pulmonar (Información sobre la función del sistema respiratorio)

https://www.bbc.com/mundo/noticias/2016/01/160113_finde_salud_inventor_respirador_artificial_ac (Historia de cómo nació el respirador artificial)

https://youtu.be/fogD64yRrNM (Video donde se visualiza el funcionamiento del respirador artificial)

https://youtu.be/dVDaqtgE6EU (Video donde se visualiza cómo armar un modelo pulmonar de forma casera)

https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/fluid-pressure-and-flow (Simulador que permitirá realizar la analogía entre el sistema respiratorio y el sistema circulatorio a través de una tubería)