La propuesta esencial de este proyecto “Polímeros, del aprendizaje a la investigación, un camino de ida y vuelta” intenta promover la interacción entre la actividad docente y la investigadora, ambas esenciales en la vida universitaria. El proyecto se encuadra, por tanto, en el ámbito Aprendizaje Basado en Investigación, y concretamente, en el área de los materiales poliméricos. Dos han sido las razones fundamentales para seleccionar los polímeros como tema central de esta propuesta:

• por una parte, estos materiales son objeto de estudio, de manera más o menos extensa, en diferentes titulaciones de grado y máster (Grado en Ingeniería de Materiales, Grado en Ingeniería Química, Máster en Ingeniería de Materiales, Máster en Ingeniería Química...)

• por otra parte, muchos de los firmantes de la propuesta pertenecen al Grupo de Investigación de la UPM, Polímeros, Caracterización y Aplicaciones (POLCA).

Los materiales poliméricos, además de muy presentes en la vida cotidiana, constituyen un sector clave en la economía europea: concretamente, en el área de los plásticos, se trata de una industria que emplea a más de 1,5 millones de personas en toda la Unión Europea (https://plasticseurope.org/es/knowledge-hub/plasticos-situacion-en-2022/). Teniendo en cuenta estos datos, es bastante probable que un estudiante actual de ingeniería termine desarrollando su actividad profesional en este sector, por lo que familiarizar a los estudiantes con este tipo de materiales desde los primeros años de carrera resulta de elevado interés, no sólo en asignaturas que incluyen en su temario los materiales poliméricos, sino también en otras asignaturas en las que los polímeros resultan materiales cotidianos y con aplicaciones prácticas.

Además, en la actualidad, nos encontramos inmersos en un proceso de transición hacia una economía circular con cero emisiones netas, lo que implica una búsqueda de materias primas menos dependientes del petróleo y del gas, una mayor producción de plásticos reciclados y un aumento en la reutilización de los materiales existentes. Todo ello va a suponer una gran inversión e innovación en el sector de los materiales poliméricos por lo que se hace muy necesaria la formación de los estudiantes en este sentido. Y es de destacar, que dentro de la Comunidad EELISA (European Engineering Learning Innovation and Science Alliance), a la que pertenece la Universidad Politécnica de Madrid, ya se promueve la introducción de los materiales plásticos en la economía circular a través de la red “Circular and Regenerative Campus”.

Las asignaturas involucradas en este proyecto son:

• Materiales Poliméricos, asignatura del segundo curso de Grado en Ingeniería de Materiales (ETSICCP)

• Polymers, asignatura del Máster en Ingeniería de Materiales (ETSICCP)

• Materiales Poliméricos para Aplicaciones Avanzadas, asignatura del Máster Universitario en Ingeniería Química (ETSII)

• Nanotecnología, asignatura del Máster Universitario en Ingeniería Química y de Máster de Ingeniería Industrial (ETSII)

• Procesos de Polimerización, asignatura del Máster Universitario en Ingeniería Química (ETSII)

• Materiales Polimericos, Estructura y Propiedades, asignatura del Máster Universitario en Ingeniería Química (ETSII)

• Ciencia de Materiales, asignatura del segundo curso de Grado en Ingeniería Química (ETSII)

• Ciencia de los Materiales, asignatura del segundo curso de Grado en Ingeniería de Organización (ETSII)

• Materiales Macromoleculares, asignatura del tercer curso de Grado en Ingeniería Química (ETSIDI)

• Transformación de Polímeros, asignatura del cuarto curso de Grado en Ingeniería Química (ETSIDI)

• Conocimiento y Propiedades Ingenieriles de Materiales Poliméricos, asignatura del cuarto curso de Grado en Ingeniería Química (ETSIDI)

• Materiales no Metálicos, asignatura del tercer curso del Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de Producto (ETSIDI)

• Tecnología de Fabricación de Materiales Plásticos, asignatura optativa para todos los grados de la ETSIDI

En general, la docencia en muchas de estas asignaturas presenta una distribución de créditos en las que se incluyen clases teóricas, resolución de problemas y prácticas de laboratorio. Las actividades prácticas de laboratorio representan un complemento fundamental para que los alumnos fijen los conocimientos adquiridos en el aula y les permiten incorporar los valores que promueve la ciencia en la sociedad. Sin embargo, por la distribución de créditos, no es viable realizar actividades prácticas de todos los temas impartidos en la clase magistral; además, en el caso de grupos numerosos, no siempre se pueden realizar actividades extracurriculares que permitan acercar a los estudiantes al laboratorio de investigación y, en caso de que se pueda, si los grupos son numerosos, aparecen una serie de limitaciones a la hora de que todos los estudiantes puedan ver de cerca cómo funcionan los distintos equipos, dificultando el proceso de aprendizaje de los alumnos.
En este proyecto se pretende elaborar material audiovisual y material didáctico para complementar las clases teóricas y la resolución de problemas: la idea fundamental es aprovechar los equipos disponibles en los laboratorios de investigación para grabar vídeos, en los que se explique no solo el funcionamiento del equipo sino que, a partir de los datos experimentales generados, se elaboren cuestiones y ejercicios en los que los estudiantes tengan que analizar e interpretar los resultados. En nuestra experiencia como docentes, observamos que es habitual que los estudiantes encuentren dificultades para tratar los datos experimentales que obtienen en las sesiones prácticas de laboratorio, ya que los ejercicios que se resuelven, proponen en clase o se encuentran en libros de texto, en general, se ajustan de una manera ideal, y por tanto no real, a los diferentes modelos: por ejemplo, no es lo más habitual en el laboratorio, obtener coeficientes de correlación de valor unidad, en ajustes de regresión lineal. De esta manera, con la propuesta que aquí se desarrolla, se pretende que los estudiantes aprendan no sólo las técnicas de caracterización o procesado, sino que amplíen su aprendizaje al enfrentarse al tratamiento de datos experimentales, expresión de los mismos o fuentes de error.

Por otra parte, como se ha comentado anteriormente, muchos de los firmantes de la propuesta tienen gran experiencia en el campo de los materiales poliméricos y pertenecen a un grupo de investigación consolidado de la UPM, Polímeros, Caracterización y Aplicaciones (https://www.upm.es/observatorio/vi/index.jsp?pageac=estructuras/grupo.jsp&idGrupo=219), entre cuyas líneas de investigación se encuentran las siguientes:

• Síntesis, caracterización y aplicaciones de polímeros, compuestos y nanocompuestos

• Propiedades mecánicas de polímeros

• Reciclado mecánico

• Teoría y simulación en sistemas poliméricos

• Transformación de polímeros

• Degradación de materiales polímeros

• Propiedades reológicas de polímeros

Creemos que la correspondencia entre los contenidos de las asignaturas propuestas y las líneas de investigación indicadas permite recorrer satisfactoriamente el camino de ida y vuelta, del aprendizaje a la investigación, en el área de los materiales poliméricos. La esencia de la propuesta que aquí se desarrolla consiste en generar material didáctico (ejercicios, cuestionarios) a partir de datos experimentales obtenidos en el laboratorio de investigación: en el grupo de investigación POLCA se dispone de numerosos equipos para la caracterización y procesado de polímeros y el estudio de las propiedades mecánicas, térmicas y ópticas, las técnicas de procesado  o el reciclado forman parte de los contenidos de las asignaturas del proyecto, por lo que pensamos utilizar los resultados del laboratorio de investigación en el aprendizaje de dichas asignaturas. 

El desarrollo de la propuesta incluiría las siguientes etapas:

1. Búsqueda de información sobre la técnica y el equipo 

2. Elaboración de un vídeo en el que se explica el fundamento de la técnica de caracterización (o procesado), incluyendo una breve descripción del equipo.

3. Realización de ensayos con diferentes materiales, para generar los datos con los que  trabajarán posteriormente los estudiantes. Se pueden utilizar también ensayos previamente realizados y/o archivados en el laboratorio de investigación para la toma de datos.

4. Preparación de las actividades (cuestiones, ejercicios) que los estudiantes deben realizar, por parte de los profesores de las diferentes asignaturas. Estas actividades se adaptarán al nivel y conocimiento de los alumnos de las diferentes titulaciones.

5. Subida del recurso a la plataforma Moodle de las asignaturas correspondientes y configuración de la actividad (cuestionario, trabajo en equipo, autoevaluación...)

    

A continuación se detallan algunos de las posibilidades, teniendo en cuenta que a lo largo del tiempo de desarrollo de la propuesta podrían surgir otras, que en este momento no están incluidas:

• Caracterización de materiales poliméricos mediante espectroscopia infrarroja. La espectroscopia infrarroja constituye una de las herramientas más utilizadas en la caracterización de polímeros, ya que se pueden identificar los diferentes grupos funcionales (ésteres, amidas, grupos aromáticos...) a partir de las vibraciones de los enlaces. Se realizará un vídeo para introducir la espectroscopia infrarroja y se presentarán varios espectros IR correspondientes a diferentes polímeros comerciales, para que los alumnos procedan a su análisis.  Este recurso se encontrará disponible en el espacio Moodle de la asignatura correspondiente. También se incluirán ejercicios con espectros de  materiales desconocidos o de mezclas, para que los estudiantes, tras su análisis, planteen hipótesis sobre la naturaleza del material polimérico.

• Caracterización mecánica de materiales poliméricos mediante el ensayos de tracción. Se realizarán los ensayos de tracción con probetas de diferentes materiales, variando la naturaleza del material (materiales poliméricos vírgenes, mezclas poliméricas o materiales compuestos con diferentes aditivos, plastificantes y refuerzos) así como los parámetros del ensayo. En el vídeo del ensayo se explicará la teoría del mismo y, posteriormente, se mostrarán los resultados obtenidos, para que los estudiantes puedan determinar a partir de las gráficas experimentales y las tablas de valores, parámetros como el módulo elástico, el alargamiento a rotura o la resistencia máxima. También se plantearán ejercicios y cuestionarios en los que los estudiantes valoren la influencia que la adición de plastificantes y refuerzos ejercen sobre las propiedades mecánicas. El recurso será accesible en el espacio Moodle de la asignatura.

• Ensayos de permeabilidad para la determinación de la transmisión del vapor de agua (WVTR) . La velocidad de transmisión de vapor de agua se mide como la masa de agua que atraviesa una superficie determinada de un material en un tiempo determinado. Esta propiedad es importante en el caso de materiales destinados al sector del envasado ya que puede estar relacionada directamente con la vida útil y estabilidad del producto envasado, y depende del polímero o polímeros usados. Además de la realización del vídeo, se plantearán ejercicios de cálculo para determinar, según la norma UNE 53097, la tasa de vapor de agua (WVTR) a partir de las variaciones de masa registradas a lo largo del tiempo. Los estudiantes deberán elaborar gráficas que relacionen la variación de masa con el tiempo, siendo la pendiente de la recta  el valor del WVTR. Además, también procederán a normalizar el espesor de la muestra para poder comparar con datos de ensayos de la literatura.

• Análisis térmico de polímeros. Entre las técnicas para el análisis térmico de los polímeros se encuentran la termogravimetría y la calorimetría diferencial de barrido. La termogravimetría consiste en la medida de la variación de la masa de una muestra cuando se somete a un cambio de temperatura en una atmósfera controlada, permitiendo evaluar la estabilidad térmica del material polimérico. Se elaborará un vídeo explicando el fundamento de la técnica y el funcionamiento de la termobalanza, incluyendo termogramas de diferentes muestras de polímeros para su análisis por parte de los estudiantes. El recurso en Moodle irá acompañado de un cuestionario para la interpretación de los termogramas. La calorimetría diferencial de barrido es una de las técnicas más versátiles y permite obtener información sobre transiciones térmicas como la transición vítrea, la fusión o cristalización de la muestra de polímero, siendo posible determinar su grado de cristalinidad. Como en los casos anteriores, además del vídeo, se registrarán termogramas de muestras reales para su interpretación y análisis por parte de los estudiantes, estudiando también las diferencias que se observan por la adición de aditivos.

• Procesado de polímeros biobasados y biodegradables por extrusión para la fabricación de hilo para impresión 3D. Se elaborará un vídeo de la fabricación de filamento 3D de materiales poliméricos compuestos (nanocomposites) mediante extrusión y posteriormente se demostrará el uso del nanocompuesto obtenido en la impresión 3D. La fabricación aditiva, más conocida como impresión 3D, ha ganado especial interés en los últimos años y resulta de especial interés ver como se fabrica el filamento y, sobre todo, cómo se pueden variar las propiedades del mismo con la adición de nanoparticulas, desarrollando un nanocomposite.

• Reciclado de polímeros tanto convencionales como biobasados y biodegradables. Se elaborará un vídeo explicando los diferentes tipo de reciclado, haciendo hincapié en el reciclado mecánico. El reciclado mecánico es uno de los escenarios de fin de vida más importantes para los polímeros y es necesario entender cómo varían las propiedades de los materiales con el reciclado.

• Desintegración en condiciones de compostaje de polímeros biodegradables a escala de laboratorio. Los materiales poliméricos biodegradables y/o compostables presentan la ventaja de que pueden desecharse con la basura orgánica y, después de ser hidrolizados a polímeros de menor tamaño, sufrir una desintegración enzimática mediada por bacterias, y transformarse finalmente en CO2 y agua, dejando además un suelo rico en humus. Se elaborará un vídeo de cómo realizar el ensayo según la norma UNE-EN ISO 20200, para el cual los materiales son enterrados en un medio de compostaje a una temperatura de 58ºC y se retiran a distintos tiempos de desintegración, determinando la pérdida de masa en función del tiempo. Asimismo, se incluirán gráficas de pérdida de masa en función del tiempo para distintos sistemas poliméricos (mezclas, sistemas plastificados, materiales compuestos, etc.), con la finalidad de que los estudiantes puedan evaluar el efecto de la incorporación de los diferentes aditivos sobre la desintegración de la matriz polimérica en condiciones de compostaje.

• Relación entre estructura y propiedades en polímeros. La estructura química (distancias, ángulos de enlace, presencia de grupos laterales) y arquitectura molecular (moléculas lineales o ramificadas) de los polímeros afectan enormemente a propiedades estructurales (tamaños de cadena y tamaños de poro en geles) y dinámicas (difusión, viscosidad) del material final. Se desarrollarán aplicaciones interactivas con animaciones 3D, utilizando el lenguaje Python, para explorar estos conceptos y desarrollar la intuición de los alumnos mediante el estudio y la realización de experimentos y simulaciones guiadas

• Otras.

Los participantes en este proyecto tienen experiencia en actividades de innovación relacionadas con la propuesta:

• IE22.0506 “Implementación de aprendizaje basado en investigación en las asignaturas Materiales Poliméricos, Química I y Recursos para la Didáctica de las Ciencias”

• IE1920.0501 “CircularizatETSII. Demostrador universitario de economía circular”

así como en redes docentes:

• European Engineering Learning Innovation and Science Alliance (EELISA)

• Programa Estatal para Impulsar la Investigación Científico-Técnica y su Transferencia, del Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2021-2023 a través de la Red temática RED2022-134806-T (Reciclado y Valorización de Materiales Plásticos. Incorporación de Subproductos Industriales y Postconsumo). 

En resumen, la propuesta que aquí se presenta es muy ambiciosa, ya que involucra a un mínimo de cinco titulaciones de grado (Grado en Ingeniería de Materiales, Grado en Ingeniería Química (ETSII, ETSIDI), Grado en Ingeniería de Organización, Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de Producto), tres titulaciones de máster (Máster en Ingeniería de Materiales, Máster en Ingeniería Química, Máster en Ingeniería Industrial) y más de 300 alumnos. Se indica el mínimo de asignaturas, ya que la materia Tecnología de Fabricación de Materiales Plásticos es optativa para todos los grados de la ETSIDI. 

Además, esta propuesta también podría ser de utilidad en la formación de alumnos de doctorado y de postgrado, cada vez más numerosos en la UPM. 

Por otra parte, los participantes pertenecen a diferentes Escuelas y en el caso de la ETSII, a diferentes departamentos. Esta transversalidad resultará muy positiva, al fomentar el contacto entre docentes de asignaturas muy relacionadas entre sí.

El objetivo fundamental de este proyecto es aprovechar la investigación para potenciar el aprendizaje en el campo de los materiales poliméricos y aumentar la motivación de los estudiantes.

Este objetivo general se puede desglosar en los siguientes objetivos:

• Contribuir a la mejora de resultados de aprendizaje de los estudiantes en el campo de los materiales poliméricos.

• Promover la motivación e implicación de los estudiantes mediante su aprendizaje experiencial.

• Potenciar el aprendizaje autónomo y flexible así como en formación continua.

• Facilitar la formación de competencias transversales de los estudiantes. 

• Relacionar contenidos de las asignaturas con su aplicación real.

• Concienciar sobre los objetivos de desarrollo sostenible y sostenibilidad ODS12: Producción y Consumo Responsable. ODS13: Acción Por El Clima.

• Promover entre el profesorado la cultura de creación de nuevas propuestas de aprendizaje basado en la indagación para alumnos de distintas titulaciones de la UPM.

• Fomentar la relación entre docentes de diferentes departamentos y centros, facilitando el intercambio y la compartición de experiencias.

Tal como se ha comentado en la descripción de la propuesta, se trata de un proyecto que involucra un mínimo de cinco titulaciones de grado (Grado en Ingeniería de Materiales, Grado en Ingeniería Química (ETSII, ETSIDI), Grado en Ingeniería de Organización, Grado en Ingeniería en Diseño Industrial y Desarrollo de Producto), tres titulaciones de máster (Máster en Ingeniería de Materiales, Máster en Ingeniería Química, Máster en Ingeniería Industrial) y más de 300 alumnos. 

La propuesta pretende contribuir a la mejora de la calidad ya que incide en los siguientes aspectos:

• Mayor implicación de los estudiantes en el proceso de enseñanza-aprendizaje, ya que nuestra experiencia indica que la motivación de los estudiantes suele ser mayor cuando ven que los problemas que se plantean, se acercan a la realidad.

• Mayor motivación de los alumnos, haciendo que se conviertan en los protagonistas de su propio proceso de aprendizaje: cualquier estrategia didáctica en la que el problema o cuestión se traslade de la pizarra al mundo real, suele traducirse en una mejora en los resultados académicos.

• Contribución a los objetivos de desarrollo sostenible. La Universidad Politécnica de Madrid, desde hace ya bastante tiempo, trabaja en la sostenibilidad medioambiental, social y económica, y la temática de este proyecto centrada en el área de los materiales poliméricos, componente mayoritario de los plásticos, se ajusta especialmente bien.

• Contribución a incrementar la interacción entre los estudiantes y los profesores, dando lugar a una mejora del aprendizaje.

• Creación de vínculos entre profesores de diferentes Escuelas y departamentos de la UPM.

• Mayor motivación del profesorado, favoreciendo la colaboración entre docentes de diferentes asignaturas.

• Implicación de personal investigador (estudiantes de doctorado y postdoctorales) en tareas docentes, contribuyendo a la preparación de los recursos.

Siguiendo la normativa el proyecto, en caso de ser concedido, se iniciaría en febrero de 2024 y finalizaría en octubre de 2024. Se plantea el siguiente desarrollo cronológico:

Febrero 2024- Mayo 2024
Durante este periodo se pretenden realizar las siguientes acciones:

1. Reuniones de los participantes para seleccionar las diferentes propuestas.

2. Distribución de los participantes en equipos según la propuesta elegida.

3. Búsqueda de información (fundamento teórico, características del equipo...). 

4. Selección de materiales para la realización de los ensayos.

Junio 2024- Julio 2024
Una vez completadas las acciones de la fase anterior, es ahora el momento de llevar a cabo las siguientes acciones:

1. Grabación de los vídeos de los equipos en funcionamiento.

2. Realización de los ensayos experimentales.

3. Recogida de datos para la elaboración de los recursos  educativos (cuestionarios, trabajos en equipo, problemas, cuestiones…) correspondientes a las propuestas. 

Julio 2024- Octubre 2024
Durante esta última fase, las acciones a desarrollar serán:

1. Elaboración del material educativo, que estará disponible en Moodle.

2. En las asignaturas que sea posible, de acuerdo con la planificación docente, se irán presentando y ensayando los recursos didácticos creados.

3. Si no lo impide la franja temporal del proyecto, se evaluará la influencia de los recursos en el aprendizaje así como el grado de aceptación por parte de los estudiantes.

4. Se celebrará una reunión final, donde los participantes expresarán su grado de satisfacción con la tarea desarrollada y se analizarán las dificultades que hayan podido surgir, así como evaluar la propuesta de continuación del proyecto para poder completar su desarrollo (si fuera necesario).

5. Difusión de resultados, participando en las jornadas destinadas a este fin (UPM, ICE, RSEF, RSEQ…), asistencia acongresos y/o mediante la redacción de artículos.

6. Finalización del proyecto.

Teniendo en cuenta las fases de desarrollo del proyecto, se propone realizar un seguimiento en los meses de junio-julio donde se hará un análisis de las tareas completadas hasta la fecha, respondiendo a las siguientes cuestiones:

• ¿Se ha completado la búsqueda de información (fundamento teórico, características del equipo...) correspondiente a las tareas asignadas?

• ¿Se han seleccionado los materiales para la realización de los ensayos?

Si se detectara alguna dificultad, se llevarían a cabo las acciones necesarias para solucionarla, tanto si se trata de problemas de tipo técnico como si es conveniente redistribuir los participantes entre los equipos. 

Una vez finalizado el proyecto, se incorporarán en la memoria final:

• Cuestionario que completarán los participantes en la propuesta

• Cuestionario que realizarán los alumnos matriculados en asignaturas en las que haya dado tiempo a implementar los recursos generados en el proyecto. Puede que, por la naturaleza de esta propuesta, el seguimiento y evaluación no puedan realizarse completamente en el curso académico que implica el proyecto de innovación educativa.

• Se analizará la situación respecto a la difusión de resultados.

Se espera generar los siguientes productos:

• Material didáctico disponible en Moodle, en los espacios de cada asignatura.

• Ponencias en jornadas/congresos.

• Difusión a través del portal de Innovación Educativa de la UPM.

• Estudiar la posibilidad de incorporar parte de los vídeos realizados en la página web del Grupo de Investigación POLCA.

• Si es posible, redacción de artículos para revistas especializadas.

Se incluyen en este apartado:

• Artículos en revistas de didáctica o innovación docente.

• Página web del grupo POLCA.

• El material (póster, ppt…) aportado en las jornadas o congresos.

• Difusión en redes sociales: además de redes sociales UPM, hay participantes del proyecto con blogs y perfiles propios.

Dada la naturaleza de la propuesta y el hecho de que algunos de los profesores participantes pertenecen a la Real Sociedad Española de Física y/o Real Sociedad Española de Química, siendo además miembros muy activos del Grupo de Didáctica e Historia de la Física y la Química, se plantean las siguientes colaboraciones:

• Real Sociedad Española de Física

• Real Sociedad Española de Química

En ambos casos, a través del Grupo Especializado de Didáctica e Historia de la Física y la Química.

Algunos de los participantes pertenecen a centros externos a la UPM, como la Universidad Politécnica de Valencia o la Universidad Complutense de Madrid, con los que la colaboración ya está en marcha.

Por otra parte, pensamos contar con la ayuda tanto el ICE como el GATE de la UPM.