La propuesta “Estudio de la FISIOlogía vegetal a través de la GAMificación (FISIOGAM)” es un proyecto de innovación educativa basado en la gamificación y desarrollo de tecnologías de la información y comunicación (TIC). FISIOGAM pretende mejorar la calidad del proceso enseñanza-aprendizaje en el área de la fisiología vegetal, más concretamente en las relaciones hídricas y de intercambio gaseoso de las plantas. El objetivo principal es promover la motivación intrínseca y el aprendizaje activo, experiencial y aplicado de los estudiantes, ya que son temas básicos en los que se vienen detectando carencias. Asimismo, esta propuesta pretende mejorar las competencias de los estudiantes en el uso de las tecnologías para entender y resolver problemas ambientales. Esta propuesta se implementará en dos asignaturas inicialmente, Ecofisiología Vegetal (135005305) del Grado en Ingeniería del Medio Natural (GIMN) y Biología (45000108) del Grado de Ingeniería de Materiales (GIM). Ambas asignaturas se imparten en primer curso/segundo semestre. Consideramos que la propuesta resulta especialmente adecuada para este tipo de alumnado, que tiene gran facilidad para dejar de atender en clase y que en los últimos cursos tiende al absentismo. Son asignaturas con un número relativamente alto de estudiantes matriculados (más de cien), por lo que se espera obtener resultados significativos. Si el resultado del proyecto es satisfactorio, en la fase de post proyecto también se implementará en Anatomía y Fisiología Vegetal (135004303) del Grado en Ingeniería Forestal (GIF), puesto que es una asignatura que se imparte en segundo curso/tercer semestre. Esta propuesta contempla el desarrollo de dos simuladores y su uso en gamificación del proceso de enseñanza-aprendizaje.

FISIOGAM desarrollará dos simuladores programados en Visual Basic (VBA) para que puedan ser fácilmente ejecutados en Excel, uno de movimiento de moléculas por difusión y otro de respuesta de las plantas a condiciones ambientales. El simulador de movimiento de moléculas servirá de apoyo para el aprendizaje de las diferencias en velocidades de difusión y distancias recorridas por moléculas de agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2) gaseosas por movimiento browniano, que es un movimiento aleatorio que se produce en gases al colisionar unas moléculas con otras, frente a movimiento por gradiente de concentraciones, que va de mayor a menor concentración parcial del gas. Comprender el proceso de difusión de estas moléculas es esencial para comprender qué ocurre cuando las plantas abren sus estomas, que son pequeños poros que tienen en las hojas y cuya apertura se regula para permitir la entrada de CO2 en la hoja para realizar la fotosíntesis, pero por los que también se pierde H2O a la atmósfera por transpiración. Las plantas regulan el grado de apertura de los estomas atendiendo al balance entre la ganancia conseguida al mantenerlos abiertos (CO2 para la fotosíntesis) y los efectos negativos de la pérdida de vapor de agua.  Por lo general las plantas pierden entre 200 y 1000 moléculas de agua por cada molécula de CO2 que asimilan mediante fotosíntesis, esta diferencia se debe en gran medida a la diferencia de tamaño de las moléculas de H2O y CO2 y la diferencia en el gradiente de concentraciones de ambos elementos dentro y fuera de las hojas, que afecta al movimiento por difusión.

El simulador de movimiento de moléculas por difusión (SIMmol) consistirá en una consola muy sencilla en el que los estudiantes pueden elegir las concentraciones de CO2 y H2O, dentro y fuera de las hojas, dentro de unos rangos típicos establecidos en función de la temperatura y humedad relativa de la atmósfera. A continuación, el simulador calculará la distancia y dirección recorrida por ambas moléculas en función del tiempo de dos maneras distintas: (i) si sólo se movieran por movimiento browniano y (ii) cuando se combina el movimiento browniano al movimiento por gradiente de concentraciones. El simulador compara las distancias y dirección de las moléculas de H2O y CO2 y lo representa en una gráfica.

De forma paralela, se propondrá a los estudiantes el desarrollo de un gráfico de dispersión en Excel que represente las sucesivas posiciones de una partícula que se mueve por difusión en una superficie plana y cuatro posibles únicas direcciones, perpendiculares entre sí. La implementación de este tipo de herramienta permitirá a los estudiantes visualizar la escasa eficacia de este movimiento para el transporte a largas distancias, por tratarse de un movimiento aleatorio. Además de contribuir a la mejora en el manejo de las TICs, esta actividad guarda relación con la línea “Aprendizaje basado en retos – Design thinking”.

El simulador de la respuesta estomática de las plantas (SIMplant) en función de sus rasgos funcionales, tales como su resistencia a la sequía o profundidad de sus raíces, y las condiciones ambientales se basará en el modelo Sperry (Sperry et al. 2017; Venturas et al. 2018). El modelo Sperry de respuestas de plantas actualmente se ha implementado en varios lenguajes de programación como R, C++ y Visual Basic (VBA). Para el desarrollo de este proyecto vamos a trabajar con la versión de VBA que está desarrollado para parametrizar y realizar las simulaciones en Excel. Queremos crear una interfaz o consola simplificada del modelo que permita seleccionar de un desplegable una especie forestal de entre varias con rasgos funcionales muy dispares y cambiar las variables ambientales que tienen mayor impacto en la respuesta fisiológica de las plantas (temperatura del aire, humedad relativa del aire, radicación solar, velocidad del viento, concentración de CO2 atmosférica y contenido hídrico del suelo). Al ejecutar el modelo se obtienen la asimilación fotosintética, transpiración, apertura estomática y nivel de estrés hídrico asociados a esas condiciones. Representaremos gráficamente el nivel de apertura de sus estomas y la cantidad de asimilación fotosintética que realizan las especies en relación con el máximo de cada especie bajo condiciones favorables. También representaremos el nivel de estrés hídrico soportado y el riesgo de mortalidad por embolia (i.e. aire) en el sistema vascular de la planta.

Una vez desarrollados los dos simuladores los usaremos para gamificar las clases teóricas y prácticas. Cuando abordemos el tema de movimiento de moléculas y difusión de gases a través de los estomas pediremos a los estudiantes que se descarguen y usen el SIMmol, el cual estará disponible en Moodle. Después de explicar la teoría del movimiento de moléculas usaremos Wooclap para preguntar (empleando las herramientas “encuestas” y “adivina un número”) qué diferencias esperan observar para los distintos tipos de movimiento y moléculas cuando cambiamos las condiciones ambientales. La idea es que los estudiantes entiendan los factores de los que dependen las diferencias en las velocidades de difusión del vapor de agua (H2O) y del dióxido de carbono (CO2) a través de los estomas de las plantas.

La gamificación con SIMplant se realizará de manera análoga a la de SIMmol. El juego consistirá en que vayan cambiando condiciones de alguna de las variables hasta que consigan, por ejemplo: (i) una reducción del 50 % en la asimilación fotosintética reduciendo la radiación solar; (ii) que determinen para cada especie qué valor de contenido hídrico del suelo se asocia con una pérdida de capacidad de transporte de agua de la planta del 85 %, que está asociado a muerte por estrés hídrico en muchas especies de plantas; (iii) que comparen el rendimiento fotosintético y la apertura estomática de plantas bajo concentraciones de CO2 ambientales de la época preindustrial (270 ppm), frente a la actual (415 ppm) o la que podría alcanzarse hacia finales de este siglo (p. ej., 600 ppm); (iv) cierre estomático mayor al 80 % modificando la temperatura y humedad relativa atmosférica.

Adicionalmente, en las prácticas de laboratorio se empleará SIMplant para comparar las mediciones de transpiración de plantas sometidas a distintos tratamientos frente a los valores que predice el simulador. De esta forma esperamos reforzar la conexión entre la parte teórica y experimental de la asignatura.

La evaluación de la efectividad del proyecto se realizará mediante (i) encuesta de satisfacción de los estudiantes, (ii) comparando la asistencia a clase respecto a años anteriores en los que no se empleó gamificación y (iii) comparando los resultados de los exámenes para las preguntas que abordan los temas de intercambio gaseoso, movimiento de agua en plantas y fotosíntesis.

FISIOGAM contempla la incorporación de una becaria o un becario que desarrollará sus habilidades en modelización vegetal y desarrollo de aplicaciones. La becaria o el becario trabajará fundamentalmente en desarrollar la interfaz de los simuladores y elaborar los manuales de uso.

Los simuladores desarrollados por esta propuesta serán de acceso y uso libre por parte de la comunidad educativa y científica. Los simuladores estarán disponibles, además de en Moodle, en un repositorio de acceso libre (p. ej. Figshare) y en la página web del grupo de investigación FORESCENT (https://www.forescent.es). Asimismo, se pretende presentar los resultados de este proyecto de en un congreso de innovación docente en la enseñanza superior.

Finalmente, nos gustaría destacar que este proyecto se alinea con los objetivos de desarrollo sostenibles (ODS) promovidos por las Naciones Unidas “4. Educación de calidad”, “13. Acción por el clima” y “15. Vida de ecosistemas terrestres”. La relación con el ODS 4 es directa puesto que el objetivo fundamental de este proyecto es precisamente mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje para que los estudiantes reciban una educación de calidad. Asimismo, comprender la fisiología de las plantas es esencial para entender y predecir cómo afecta el cambio climático a los ecosistemas terrestres y la producción agroforestal (ODS 13 y ODS 15). Modelizar estos procesos permite a su vez calcular el efecto que tienen distintas alternativas de gestión forestal y transformaciones tecnológicas a nivel local, regional y global.

Referencias:

Sperry JS, Venturas MD, Anderegg WLR, Mencuccini M, Mackay DS, Wang Y, Love DM (2017) Predicting stomatal responses to the environment from the optimization of photosynthetic gain and hydraulic cost. Plant, Cell & Environment 40: 816-830.

Venturas MD, Sperry JS, Love DM, Frehner EH, Allred MG, Wang Y, Anderegg WRL (2018) A stomatal control model based on optimization of carbon gain versus hydraulic risk predicts aspen sapling responses to drought. New Phytologist 220: 836-850.

Los objetivos específicos que se pretenden alcanzar con FISIOGAM son:

1. Mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje incrementando las actividades de aprendizaje activo de los estudiantes. La gamificación propuesta pretende por un lado afianzar los conocimientos de fisiología vegetal que se abordan en la teoría y por otro, hacer las clases más atractivas para promover la asistencia a clase y el aprendizaje activo de los estudiantes. Esperamos que gracias a la gamificación se genere una dinámica en clase más propicia a la interacción entre los estudiantes y entre éstos y el profesor, incitando al diálogo y a la discusión científica.
2. Mejorar las competencias de los estudiantes en el empleo de Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC). Los estudiantes van a usar dos herramientas informáticas que representan el movimiento de moléculas y las respuestas de las plantas a distintos parámetros ambientales. Estas aplicaciones implementadas en Excel, les ayudarán a comprender no sólo la fisiología vegetal sino también cómo funcionan los modelos matemáticos empleados para simular respuestas vegetales. Estos son de gran importancia, por ejemplo, en los modelos globales empleados por el “Intergovernmental Panel on Climate Change” (IPCC), que es el organismo de las Naciones Unidas que evalúa los impactos del cambio climático global. Estos conocimientos sobre modelización vegetal son importantes para diseñar estrategias para los ODS “13. Acción por el clima” y “15. Vida de ecosistemas terrestres”.
3. Reforzar las competencias genéricas de los estudiantes en relación con la comunicación oral, respeto hacia el medio ambiente y la capacidad de análisis y síntesis. Estas competencias son esenciales para el desarrollo profesional y requieren su refuerzo con numerosas asignaturas de los planes de estudio.
4. Reforzar la adquisición de competencias específicas de las asignaturas en las que se empleará la gamificación con los simuladores desarrollados en este proyecto.
5. Desarrollar una TIC para apoyar el proceso de enseñanza-aprendizaje que pueda ser empleado por estudiantes de grado para ver cómo cambian la fotosíntesis, transpiración y el estrés hídrico de las plantas bajo distintas condiciones ambientales (temperatura del aire, humedad relativa del aire, radiación solar, contenido hídrico del suelo, concentración de CO2 en la atmósfera). Esta herramienta simplificada de un modelo vegetal muy complejo también permite ver como especies con distintos rasgos funcionales responden de forma distinta a estos estímulos ambientales. Por ejemplo, se podrán comparar las repuestas de especies riparias como el chopo (Populus alba), frente a la de especies de bosques templados como el haya (Fagus sylvatica) o roble (Quercus petraea), frente a otras de clima mediterráneo como la encina (Quercus ilex) o el pino carrasco (Pinus halepensis). El simulador que se generará podría emplearse en muchos escenarios de educación ambiental y de botánica en general, y no sólo para estudiantes de las asignaturas a las que va dirigido este proyecto.

Las deficiencias que se han detectado en el proceso de aprendizaje de las asignaturas para las que se propone el empleo de la gamificación con simuladores son la falta de asistencia y pasividad de los estudiantes en clase. Con este proyecto se pretende dinamizar el aula y de esta manera captar la atención de los estudiantes y potenciar su motivación para aprender fisiología y el empleo de las TIC. Esperamos que el debate que se genere en el aula permita ahondar en el conocimiento sobre cómo se construyen modelos, sus ventajas y sus limitaciones. Asimismo, se ha observado que los estudiantes tienen dificultades para comprender los procesos físicos que determinan el intercambio gaseoso en plantas. Esperamos que el disponer de los simuladores ayude a los estudiantes a experimentar cómo abren y cierran sus estomas las plantas para regular su pérdida de agua y asimilación fotosintética. FISIOGAM pretende consolidar el aprendizaje con relación a cómo afectan distintos estímulos ambientales y los rasgos funcionales de las plantas a su fisiología. Asimismo, FISIOGAM pretende mejorar el proceso enseñanza-aprendizaje sobre cuáles son las implicaciones de las respuestas fisiológicas de las plantas para el aprovechamiento sostenible de los recursos agrícolas y forestales, el funcionamiento de los ecosistemas terrestres y su respuesta frente al cambio global.

Las competencias genéricas (CG), transversales (CT) y específicas (CE) y los resultados del aprendizaje (RA) concretos a los que va dirigido el proyecto según las asignaturas son:

• Ecofisiología Vegetal (GIMN).
  • CE 1.16 - Conocer la anatomía y función de las células, tejidos y órganos vegetales. Comprender los principales procesos funcionales de las plantas (fotosíntesis, transpiración, respiración, absorción, nutrición, crecimiento y reproducción) y los factores ecológicos que los condicionan.
  • CE 1.32 - Ser capaz de aclarar la relevancia y utilidad de la teoría y las habilidades aprendidas en el contexto académico sobre los acontecimientos del mundo real.
  • RA12 - RA16. Comprensión de las implicaciones ecológicas de las adaptaciones vegetales.
• Biología (GIM)
  • CE 2. - Saber modelizar el comportamiento (mecánico, electrónico, químico o biológico) de los materiales y su integración en componentes y dispositivos.
  • RA73 - Conocer las principales vías del metabolismo celular: respiración y fotosíntesis.
  • RA6 - Entender, asimilar y manejar los conceptos, métodos y herramientas básicas de las ciencias sobre las que se apoya la Ciencia de Materiales, con una visión integradora y aplicada que refuerce la unidad conceptual y evite la disgregación de contenidos.
  • RA8 - Utilizar con soltura la comunicación oral y escrita y las Tecnologías de la Información y de la Comunicación.
  • RA75 - Conocer la estructura de los principales tejidos vegetales y la función de xilema y floema, el papel de las hormonas vegetales como reguladores del crecimiento y el papel de los metabolitos secundarios, así como su interés industrial.
• Anatomía y Fisiología Vegetal (GIF).
  • CE 1.8 - Conocimiento de las bases y fundamentos biológicos del ámbito vegetal y animal en la ingeniería.
  • CG01 - Capacidad para comprender los fundamentos biológicos, químicos, físicos, matemáticos y de los sistemas de representación necesarios para el desarrollo de la actividad profesional, así como para identificar los diferentes elementos bióticos y físicos del medio forestal y los recursos naturales renovables susceptibles de protección, conservación y aprovechamientos en el ámbito forestal.
  • CT1 - Comunicación oral y escrita. Concluir aportaciones por escrito, desarrollando la capacidad de síntesis y presentación de las ideas propias en un grupo de trabajo y en exposición pública.
  • RA32 - Interpretar y evaluar datos derivados de experimentos y mediciones relacionándolos con la teoría.
  • RA36 - Conocer los aspectos del metabolismo relacionados con la nutrición de plantas y animales.
  • RA42 - Comprensión de las implicaciones ecológicas de las adaptaciones vegetales.

Las fases y acciones que se desarrollarán para implementar este proyecto son las siguientes:

• Fase 1 (Enero-Febrero 2024). Puesta en marcha del proyecto.
  • Acción 1. Reuniones de coordinación.
  • Acción 2. Selección de la becaria o becario que se formará en este proyecto de innovación educativa.
• Fase 2 (Marzo-Abril 2024). Desarrollo de los dos simuladores en Visual Basic (VBA).
  • Acción 3. Desarrollar la interfaz visual para parametrizar y ejecutar el simulador de respuesta de las plantas a las condiciones ambientales.
  • Acción 4. Comprobar que los simuladores funcionan correctamente y que son fáciles de usar para personas sin experiencia previa en modelización vegetal.
  • Acción 5. Escribir un manual de ayuda para el empleo de los simuladores desarrollados.
• Fase 3 (Abril-Mayo 2024). Empleo de los simuladores en el proceso enseñanza-aprendizaje con gamificación.
  • Acción 6. Emplear los simuladores y Wooclap en las clases de teoría y prácticas para la gamificación. Se empleará Wooclap para que los estudiantes predigan cómo se desplazan las moléculas de agua y dióxido de carbono y como son las respuestas de las plantas según las especies y las variables ambientales.
• Fase 4 (Junio-Julio 2024). Evaluación de la acción.
  • Acción 7. Se comparará el nivel de éxito en las respuestas a preguntas de exámenes de años previos relacionadas con el control estomático de las plantas en relación con distintos estímulos ambientales con las respuestas de los grupos que han sido expuestos al simulador y la gamificación. También se comparará el porcentaje de estudiantes que asisten a las clases teóricas.
  • Acción 8. Se analizará la efectividad del proyecto y determinará que mejoras se pueden implementar para los cursos sucesivos empleando el simulador desarrollado.
• Fase 5 (Agosto-Octubre 2024). Difusión de la acción.
  • Acción 9. Se elaborará una comunicación para un congreso sobre innovación educativa y metodologías docentes en el que se expongan los resultados de FISIOGAM.

• Fase 6 (Post proyecto).
  • Acción 10. Se aplicará FISIOGAM en la asignatura de Anatomía y Fisiología Vegetal del Grado de Ingeniería Forestal que es del primer cuatrimestre, por lo que no se puede implementar durante el desarrollo de este proyecto.

La medición de los resultados se realizará atendiendo tres criterios:

1. Asistencia a clase. Se evaluará la asistencia a clase y comparará con la asistencia de cursos anteriores y en el mismo curso antes de emplear la gamificación. Se considera indicador de logro el que la asistencia porcentual sea igual o superior a la media del curso anterior para esas asignaturas. Para fomentar la asistencia se les explicará a los estudiantes de antemano que se va emplear gamificación con simuladores para los temas de transporte hídrico y fotosíntesis.
2. Nivel de satisfacción de los estudiantes. Se realizará una encuesta a través de Moodle para que los estudiantes determinen la utilidad de los simuladores para el aprendizaje. La encuesta pedirá a los estudiantes que puntúen de 1 a 5 la utilidad del simulador como herramienta didáctica y si consideran que el simulador les ha ayudado a mejorar sus conocimientos de fisiología vegetal. En este baremo 1 representaría que no ayuda en el proceso de aprendizaje y 5 que lo consideran muy útil. El indicador de logro será obtener una puntuación media superior a 3 para las encuestas completadas.
3. Adquisición de conocimientos. Se evaluará con la nota obtenida en las preguntas de los exámenes relativa al transporte hídrico, fotosíntesis y respuesta estomática a variables ambientales. Se considerará un indicador de logro que los estudiantes alcancen una nota de 5 sobre 10 para el bloque de preguntas relacionadas con estas cuestiones. También se comparará la nota media de los estudiantes para estas preguntas tras la gamificación frente a estudiantes de cursos anteriores cuando no se empleó la gamificación y los simuladores. Se considerará en este aspecto un indicador de logro el que la nota media de las respuestas aumente respecto a la media de los años anteriores.

Los productos resultantes del proyecto serán dos simuladores, el simulador de movimiento de moléculas de agua y de dióxido de carbono por difusión (SIMmol) y el simulador de respuesta de los estomas de las plantas a distintas condiciones ambientales (SIMplant), junto con sus manuales de utilización. Estos manuales contendrán una breve descripción de teoría subyacente en cuanto al movimiento de moléculas a través de los estomas y las respuestas de las plantas frente a variables ambientales. Los simuladores estarán disponibles, además de en Moodle, en un repositorio de acceso libre (p. ej., Figshare) y en la página web del grupo de investigación FORESCENT (https://www.forescent.es)

Los simuladores que se van a desarrollar tienen gran potencial para su transferencia interna para apoyar labores docentes en asignaturas de grado y máster relacionadas con la fisiología vegetal tanto de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes, Forestal y del Medio Natural (ETSIMFMN) como de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (ETSIAAB) de la Universidad Politécnica de Madrid. También pueden ser recursos educativos útiles para asignaturas de grado y máster en biología, botánica, ciencias ambientales y áreas de conocimiento afines. Asimismo, como se pretende que sean simuladores muy sencillos de utilizar, podrían ser empleados como recurso educativo por estudiantes y educadores de niveles que van desde el instituto a la educación superior.

El material educativo que se pretende obtener es el relacionado con la comunicación que se presente en un congreso sobre innovación educativa en la educación superior. La comunicación se pondrá a disposición de la comunidad educativa a través de la web del grupo de investigación FORESCENT (https://www.forescent.es) y de los medios que proporcione el congreso. Se contactará con el gabinete de comunicación de la UPM para preparar una noticia para dar la mayor difusión posible a este proyecto de innovación educativa.

Actualmente presentamos esta propuesta como un ensayo piloto en el que solamente participarán los profesores involucrados en la docencia de las asignaturas en las que se quiere implantar la gamificación con los simuladores de movimiento de moléculas y de respuesta de plantas a factores ambientales. No obstante, se colaborará con los miembros del grupo de investigación FORESCENT de la UPM para el desarrollo de la aplicación y su testado.