La asignatura Química II es común al primer curso de todas las titulaciones de Grado de la ETSI de Minas y Energía: Ingeniero de la Energía (GIE) y Multigrado que incluye Ingeniería en Tecnología Minera (GITM), Ingeniería de los Recursos Energéticos, Combustibles y Explosivos (GIRECE) e Ingeniería Geológica (GIG). El proyecto de innovación educativa propuesto (QUIMETUBE: QUÍmica Minas y Energía) se encamina a invertir la tendencia negativa que se viene produciendo durante los últimos años en esta asignatura. La nota media final desde el curso 2012/2013 en el GIE ha disminuido de 5.5 a 4.9 (sobre 10), teniendo alumnos que accedieron a la titulación con una nota de corte superior a 8. En el caso del Multigrado la nota media final durante este período descendió de 4.7 a 3.7. En conjunto (GIE+Multigrado), en el curso 2016/2017 se matricularon 481 alumnos, siendo la nota media de las prácticas de laboratorio 4.2 y la nota final 4.6, convirtiéndose asimismo en la asignatura con la tasa de aprobados más baja de primer curso. 

Mediante este proyecto se pretende que los alumnos logren una mejora en el aprendizaje de los conceptos teóricos de la asignatura por medio de las prácticas de laboratorio. Hasta ahora el trabajo del alumnado previo al laboratorio se realiza de forma tradicional exhortando la lectura del guion de prácticas. Al llegar al laboratorio, debido al poco tiempo disponible, el maestro de laboratorio realiza una breve explicación sobre el procedimiento y las reacciones químicas implicadas, y el resto de la sesión los estudiantes se dedican a completar la práctica con la supervisión de un profesor y al menos, un técnico de laboratorio. Los resultados de esta metodología no han sido satisfactorios hasta el momento debido, principalmente, a que los alumnos no entienden el correcto manejo de los instrumentos de laboratorio al no estar familiarizados previamente con ellos, lo que impide que dirijan su esfuerzo de aprendizaje en el desarrollo práctico de los conceptos teóricos vistos durante las clases magistrales. Además, la escasez de tiempo y el ratio docente/alumno en el laboratorio impide que los alumnos reciban una correcta retroalimentación en las sesiones prácticas.

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Por ello se pretende emplear la técnica de “Aula invertida” o “Flip teaching” como apoyo al aprendizaje en la asignatura de química, de manera que los alumnos participen de forma más activa e independiente, adquiriendo una mayor seguridad en el laboratorio y mejorando la eficiencia de su trabajo, siendo conscientes de la tarea a realizar en cada práctica, cómo se va a desarrollar y porqué. Para ello se propone que los alumnos vean un vídeo educativo previo a la realización de la práctica, en el que se explica su ejecución de forma detallada haciendo hincapié en el manejo del material, los conceptos teóricos fundamentales y las medidas de seguridad. Estos vídeos serán de corta duración (no más de 10 minutos), estarán transcritos y durante su reproducción se insertarán preguntas que el alumno deberá responder correctamente para poder continuar su visionado. De esta forma, pretendemos asegurar que el alumno ha entendido los conceptos teóricos y conoce la dinámica práctica antes de entrar al laboratorio. Al finalizar cada práctica se realiza un examen de evaluación en el que se mezclan conceptos teórico-prácticos sobre el tema en cuestión, por lo que desde la primera práctica se contará con una retroalimentación para poder evaluar el método y calificar a los alumnos. Se considera que al alumno le resultará más accesible, ameno y eficaz el autoaprendizaje a través de medios audiovisuales que estudiando el guion de prácticas. Aun así, también se va a proceder a mejorar y actualizar estos guiones (que tienen una antigüedad de más de quince años), que se colgarán en la plataforma Moodle. Los vídeos, además de estar disponibles en Moodle, también se subirán al canal YouTube de la ETSI Minas y Energía para obtener una mayor difusión. Cuando estén finalizadas todas las prácticas, los alumnos deberán completar un formulario de Google con preguntas acerca de la experiencia del aula invertida para conocer su grado de satisfacción y poder mejorar los vídeos y los cuestionarios.

Parte de este proyecto está basado en las experiencias exitosas previas llevadas a cabo por el grupo de Tang Wee (2014) en el Instituto Nacional de Educación de la Universidad Tecnológica de Nanyang.

Referencias:

Tang Wee Teo, Kim Chwee Daniel Tan, Yaw Kai Yan, Yong Chua Teo and Leck Wee Yeo (2014). How flip teaching supports undergraduate chemistry laboratory learning. Chem. Educ. Res. Pract. 15, 550-567.

Los objetivos que se plantean en este proyecto son:

• Contribuir a la mejora de los resultados de aprendizaje de los estudiantes, reflejándose en las calificaciones y en un aumento de la tasa de aprobados de la asignatura.
• Introducir el uso de las TICs para hacer más atractivo los contenidos a los estudiantes, motivando el aprendizaje autónomo y fomentando el trabajo fuera del aula. De esta forma los alumnos juegan un papel principal en la decisión de cómo, cuándo y dónde continuarán aprendiendo.
• Conseguir que los estudiantes asistan a las prácticas de laboratorio con los conocimientos necesarios (tanto de manipulación segura de equipos y reactivos, como de conceptos teóricos) para un buen aprovechamiento y una completa comprensión del tema.
• Optimizar el tiempo empleado en las prácticas, con una mayor dedicación al entendimiento de los fundamentos teóricos y no a aspectos técnicos o de seguridad, y así mejorar la asimilación de conceptos.
• Actualizar el contenido y digitalizar los guiones de prácticas con material visual que facilite el desarrollo y comprensión a los estudiantes.
• Promover un enfoque aplicado en el que los estudiantes vean la función de la asignatura acercándolo a la vida real o su aplicación en la industria, adquiriendo la habilidad y destreza que necesitan en su futura carrera profesional.

El proyecto se va a desarrollar en 3 fases:

FASE I. ELABORACIÓN DE VÍDEOS

Durante el cuatrimestre se editará un vídeo por cada una de las 5 prácticas correspondientes a cada uno de los bloques teóricos que están programados en la guía de aprendizaje de la asignatura. Para ello, en primer lugar, se redactará un guion y se procederá a la grabación de la práctica. A continuación, se editará el vídeo, añadiendo voz para explicar la práctica a medida que se visualiza el proceso y superponiendo texto o imágenes para indicar el material utilizado o las reacciones químicas que se estén produciendo. Por último, se procederá a preparar un cuestionario con varias preguntas que se insertarán mediante la aplicación EDpuzzle intercaladas a lo largo del vídeo y que los alumnos deberán responder correctamente para continuar su visualización. Los vídeos estarán disponibles en Moodle y YouTube para su visualización cuando se comience el bloque teórico correspondiente, por lo general un par de semanas antes de las prácticas. Se crearán los siguientes vídeos educativos:

1 Cinética química: analizar la influencia de la concentración y de la temperatura en la velocidad de reacción. Parte experimental: 1) En la primera parte de la práctica se estudia la reacción del HCl y el Mg y cómo varía la velocidad media de reacción con la concentración de HCl. Suponiendo que la velocidad inicial de reacción es igual a la velocidad media, se puede calcular el orden de reacción y la constante de velocidad experimental. 2) En la segunda parte de la práctica, se evalúa cómo cambia la velocidad de reacción del Na2S2O3 y el HCl con la temperatura. El final de la reacción puede apreciarse por la formación de una dispersión coloidal blanquecina (el azufre formado) que impide ver a través de la disolución.

2 Equilibrios químicos: determinar el valor de la contante de equilibrio y analizar el desplazamiento del equilibrio (principio de Le Châtelier). 1) En la primera parte de la práctica, se analiza la reacción del ión férrico con el ión tiocianato a través de colorimetría, basándose en la ley de Lambert-Beer. Suponiendo una constante inicial de equilibrio de valor infinito y a través de un proceso iterativo, se llega a calcular la contante de equilibro experimental de la reacción. 2) En la segunda parte, se analiza el equilibrio del cromato y dicromato al añadir un ácido (HCl) o una base (NaOH). La diferencia de color entre los dos iones (amarillo y naranja) provoca la visualización directa del principio de Le Châtelier.

3 Equilibrios ácido base y de precipitación: determinar la concentración de una especie alcalina en disolución acuosa por valoración con ácido y aplicar los fundamentos de las reacciones de precipitación a la determinación del contenido de cloruros en agua. Parte experimental: 1) En la primera parte de la práctica, se realiza la curva de una valoración de Na2CO3 con HCl, midiendo el volumen de ácido en el primer punto de equivalencia (se genera bicarbonato de sodio y se mide con fenolftaleína) y posteriormente el volumen del segundo punto de equivalencia (se genera ácido carbónico y se mide con naranja de metilo). 2) En la segunda parte, se realiza una precipitación de los cloruros en agua a través de AgNO3, utilizando como indicador K2CrO4, que provoca un color rojo cuando reacciona con la plata formando Ag2CrO4.

4 Valoración redox y celdas electroquímicas: determinar el porcentaje de pureza de un producto comercial mediante valoración redox y construir una pila, aprendiendo a medir su potencial. Parte experimental: 1) La primera parte consiste en la determinación de la pureza de una disolución de NaNO2 comercial, a partir de una valoración redox con KMnO4. El punto final de la valoración se obtiene por la desaparición del color del permanganato. 2) En la segunda parte de la práctica se construyen pilas combinando diferentes disoluciones de Fe, Cu y Zn, midiendo el potencial a través de un multímetro y comparando dicha medida con el potencial teórico.

5 Química orgánica, reacciones de adición y sustitución electrofílicas: familiarizarse con los mecanismos de las reacciones orgánicas y el carácter nucleofílico y electrofílico de las moléculas. Parte experimental: 1) En la primera parte de la práctica se añade gota a gota una disolución de bromo en CCl4 en una disolución ciclohexeno en CCl4. El color del bromo desaparece por la adición al doble enlace del ciclohexeno produciéndose el 1,2-dibromociclohexano (adición electrofílica). 2) En la segunda parte se realiza una nitración (con HNO3) de fenol en medio ácido. El resultado es la obtención de 2,4,6-trinitrofenol o ácido pícrico (sustitución electrofílica aromática).

FASE II. DESARROLLO DE LAS PRÁCTICAS

Los alumnos acudirán a las prácticas, preguntándoles al inicio de las mismas si existe alguna duda para aclararla antes del comienzo. A diferencia de los años anteriores, no se procederá a impartir una charla introductoria, que podía suponer entre 15-20 minutos, sino que los alumnos se pondrán a trabajar directamente. De esta manera, disponen de más tiempo para la realización de las mismas y se espera que, a diferencia de otros años, todos sean capaces de finalizar la misma y de realizar los cálculos correspondientes que se les piden, que además les sirve como preparación para la prueba final. Ésta se realizará durante la última media hora de la sesión, y se conservará el mismo formato de examen que los cursos anteriores, de manera que los resultados pueden ser comparables.

FASE III. EVALUACIÓN Y DIFUSIÓN

Para poder evaluar si con el proyecto se han alcanzado los objetivos propuestos se realizará un estudio comparativo entre los resultados de las pruebas obtenidas en los grupos de cursos anteriores y el presente año aplicando la metodología de aula invertida, tanto en relación a los exámenes de prácticas, como las pruebas de evaluación continua y la calificación final. Se tendrá en cuenta además el formulario de Google en el que los alumnos evaluarán el método empleado, obteniendo así su retroalimentación. Asimismo, se procederá a redactar la memoria final del proyecto.

Los vídeos estarán disponibles de forma gratuita para toda la comunidad universitaria y público en general. Los resultados obtenidos se difundirán por los medios más habituales, esto es, mediante la presentación de una comunicación en un congreso internacional especializado en innovación educativa y la elaboración de un artículo para su consideración de publicación en una revista, a ser posible indexada por el JCR.

Cronograma:

Para elaborar el nuevo material docente se hará uso de los principales libros de referencia empleados actualmente: el guion de prácticas de las asignaturas de Química I y II (Navarro et al., 2000), cuya autoría corresponde a profesores pertenecientes al Grupo de Innovación Educativa proponente del proyecto y que contiene una descripción de los procedimientos y fundamentos de las prácticas a realizar por los alumnos. Por tanto, es un documento de referencia para crear los guiones necesarios para la elaboración del material audiovisual. Por otra parte, el libro de texto de Chang y Goldsby (2012), volumen de referencia de la asignatura sobre el que se basan los fundamentos teóricos de los experimentos, se utilizará para complementar los contenidos prácticos de los vídeos. De esta forma el alumno podrá vincular el “cómo se hace” con el “por qué se hace”.

Además, el material audiovisual para ilustrar los contenidos teóricos de la asignatura en forma de diapositivas elaborado por los profesores se podrá emplear como fuente de ilustraciones, notas, ecuaciones y reacciones que insertar en los vídeos. Por último, a lo largo de los años se ha ido creando un banco de preguntas con multitud de ejercicios resueltos aplicables a la resolución cuantitativa de problemas a partir de la obtención de datos experimentales en el laboratorio. Por tanto, este material docente puede tener un gran valor a la hora de ilustrar la obtención de resultados experimentales cuantitativos.

A partir de los recursos didácticos descritos, para el presente proyecto será necesario elaborar:

• Un vídeo corto (5 -10 minutos de duración máxima) por cada una de las cinco prácticas, que contendrán:
  • Información sobre las medidas de seguridad específicas de cada práctica.
  • Explicación y desarrollo práctico del experimento, mostrando con detalle el material de laboratorio y todos los pasos necesarios para la obtención de los resultados experimentales.
  • Información sobre los conceptos teóricos involucrados en cada fase del experimento.
• Cuestionarios: en cada vídeo, se intercalarán preguntas con la herramienta EDpuzzle (https://edpuzzle.com/) acerca de los contenidos de seguridad, teóricos y del procedimiento experimental. Esta herramienta permite que no se pueda completar la visualización del vídeo hasta que el alumno haya resuelto con éxito los cuestionarios. De esta manera el profesor podrá tener control sobre qué alumnos han visualizado y comprendido los contenidos del vídeo.

Referencias:

Alberto Navarro Izquierdo, Laureano Canoira López, Ramón Alcántara Pedreira, Pedro García Moreno, Carmen Clemente Jul (2000). Prácticas de Química, 5ª Edición. Servicio de Publicaciones de la Fundación Gómez Pardo. UPM.

Raymond Chang, Kenneth A. Goldsby (2012). Chemistry 11th Edition. McGraw-Hill Education. ISBN-13:978-0077666958.

Se realizará en base a dos parámetros objetivos:

1. Los cuestionarios insertados en los vídeos: estos permiten al profesor hacer un seguimiento de los alumnos que han visualizado los vídeos y han contestado de forma satisfactoria antes de comenzar la práctica. Además, el profesor podrá conocer qué conceptos no se han comprendido adecuadamente y así realizará una retroalimentación presencialmente durante el laboratorio.
2. Los exámenes de prácticas: tras la finalización de los experimentos, los alumnos realizan una prueba de evaluación contestando cuestiones teórico-prácticas relativas al procedimiento experimental. Existe un amplio registro de calificaciones de cursos pasados de pruebas similares, por lo que la comparación mediante test estadísticos simples permitirá evaluar si el procedimiento de aula invertida ha supuesto una mejora en las calificaciones respecto a la metodología tradicional.

Una de las ventajas del empleo de vídeos didácticos es el ahorro de la charla introductoria al inicio de las prácticas. Por tanto, este tiempo se puede emplear en un mejor seguimiento de los alumnos y así discutir aspectos de las prácticas que les hayan resultado llamativos o que no hayan comprendido bien. La recopilación de estos comentarios permitirá evaluar si el contenido de los vídeos ha sido adecuado. Esto, unido a los resultados obtenidos en el formulario final de Google acerca de la opinión de los alumnos sobre el método de aula invertida en las prácticas, nos permitirá tener una visión global y ver en qué aspectos se puede mejorar. Como resultado de este proceso de documentación, se podrá a su vez elaborar un documento con las preguntas más frecuentes (FAQs) para entregar a alumnos de promociones posteriores.

Se preparará una guía docente que se publicará de manera digital para la comunidad universitaria a través del servicio de publicaciones OpenCourseWare de la UPM (http://ocw.upm.es/). Con ella se pretende recoger el método empleado, para que otros profesores que impartan prácticas de laboratorio y estén interesados les sea más sencillo su aplicación.

Los vídeos, además de insertarse en el Moodle de la asignatura, serán incorporados al canal de YouTube de la ETSI de Minas y Energía. De esta forma, se aumentará la visibilidad de la Escuela y de la Universidad Politécnica de Madrid, pudiendo servir de referente para otros centros docentes que realicen prácticas similares.

La obtención de material audiovisual permitirá la actualización de las guías de prácticas con fotografías e infografías que hagan más atractivo el material a los estudiantes. Actualmente, el libro de “Prácticas de Química” está disponible únicamente en formato físico. Por tanto, gracias a este proyecto docente también se derivará la publicación de unos guiones de prácticas actualizados y disponibles en formato digital a través del OpenCourseWare UPM.

Los resultados del proyecto se divulgarán mediante, al menos, una comunicación al Congreso internacional sobre Aprendizaje, Innovación y Competitividad (CINAIC) con la correspondiente publicación en el libro de actas con ISBN y DOI.

Además, se elaborará un artículo científico en el que se recojan los resultados obtenidos para que se valore su publicación en una revista con índice de impacto indexada por el Journal Citations Reports (JCR). En la edición de 2017, el CINAIC contó con varias revistas asociadas, por lo que si el trabajo es seleccionado se enviará una extensión de la comunicación para su publicación.

Por último, se pretende dar difusión del material divulgativo elaborado, al menos a nivel de la ETSI de Minas y Energía a través de las listas de distribución de correo electrónico. Al ser una metodología de interés para su aplicación a muchas asignaturas con prácticas de laboratorio de la escuela, se planteará la impartición de un seminario sobre las metodologías empleadas para grabar el vídeo, la inserción de cuestionarios en los mismos y la integración de los materiales audiovisuales y la metodología de clase invertida en una asignatura.

El equipo de trabajo contará con la experiencia y participación del personal de laboratorio de la ETSI de Minas y Energía, encargado de la supervisión y correcto desarrollo de las prácticas de laboratorio de la asignatura de Química I y Química II durante más de 20 años.