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DISEÑO DE UNA ESTRATEGIA METODOLÓGICA PARA LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA A TRAVÉS DE LA ELABORACIÓN DE GUÍAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO PARA LOS ESTUDIANTES DE QUÍMICA BÁSICA DE LA FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y APLICADAS DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO DE LA CIUDAD DE MEDELLÍN JOSÉ FERNANDO GARCÍA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS M MEDELLÍN, COLOMBIA 2017 DISEÑO DE UNA ESTRATEGIA METODOLÓGICA PARA LA ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA A TRAVÉS DE LA ELABORACIÓN DE GUÍAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO PARA LOS ESTUDIANTES DE QUÍMICA BÁSICA DE LA FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y APLICADAS DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO DE LA CIUDAD DE MEDELLÍN Trabajo final presentado como requisito parcial para optar al título de: MAGISTER EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES Autor José Fernando García Con la dirección de: MIRIAM JANET GIL GARZÓN MScs. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS MEDELLÍN, COLOMBIA 2017 III Dedicatoria Dedicatoria A DIOS por ser mi luz y guía en este laborioso camino. A mi madre Edelmira García e Hijas María Camila e Isabela García Bedoya por su amor incondicional . IV Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín Agradecimientos A la directora Miriam Janet Gil Garzón por su guía, comprensión, dedicación y valiosa ayuda en las diferentes etapas de este proceso. Al Coordinador de la Maestría, señor Arturo Jessie Manuel y todo el grupo de colaboradores que día a día se esforzaron y empeñaron para sacar adelante y mantener vivo este hermoso proyecto. A la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín y a sus maestros por brindar su conocimiento para poder terminar con éxito este proyecto. A mis compañeros de estudio, por los momentos compartidos y la ayuda brindada en las diferentes asignaturas de la Maestría. A mis compañeros de trabajo, especialmente a mi jefe inmediato, por sus permisos concedidos a las diferentes clases asignadas por la Maestría. A mi familia agradezco enormemente su apoyo incondicional, tanto en los buenos como en los malos momentos, porque creyeron en mí, sin ellos esta meta no se habría alcanzado. “Muchas gracias a todos por su ayuda.” V Resumen Resumen En esta investigación se implementó estrategias para diseñar guías de algunos contenidos de Química Básica, las cuales fueron aplicadas y evaluadas tanto en el aula como en el laboratorio, clasificados por temas: 1) Enlace Químico – Hibridación y Geometría Molecular; 2) Gases – Estequiometria y Estequiometria de Gases; 3) Disoluciones – Equilibrio y pH. Las valoración se realizó con tres evaluaciones diagnósticas de cada tema, con preguntas abiertas tanto a la entrada, como a la salida, a seis grupos participantes, GE1,GC1,GE2,GC2,GE3 y GC3 (GE: Grupo Experimental y GC: Grupo Control), para determinar el nivel de apropiación, por parte de los estudiantes. Igualmente se establecieron relaciones entre la implementación de las guías prácticas de laboratorio con elementos comunes y la asimilación de los conceptos. Finalmente se realizó un análisis y una evaluación del impacto en algunos factores que la estrategia metodológica pudo tener en los estudiantes: como el dominio, la motivación y el aprendizaje de los conceptos y su relación con el entorno que los rodea, concluyendo que dichas prácticas contribuyen en una mayor apropiación del conocimiento y al aprendizaje de los conceptos químicos por parte de los estudiantes. Palabras clave: Estrategia Metodológica, Prácticas de Laboratorio, Enlace Químico, Hibridación, Geometría Molecular, Estequiometria, Gases, Disoluciones, Equilibrio, pH VI Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín Abstract This research was implemented strategies to design guides of some contents of chemistry Basic, which were applied and evaluated both in the classroom and in the laboratory, classified by themes: 1) chemical bond - hybridization and Molecular geometry; (2) gas - stoichiometry and gas stoichiometry; (3) dissolution - balance and pH. The valuation was carried out with three assessments diagnostic of each theme, with open questions at the entrance, as output, six participating groups, EG1, CG1, EG2, CG2, EG3 and CG3 (EG: Experimental group and CG: Control group), to determine the level of appropriation, by the students. Relations were established between the implementation of the practical lab guides with common elements and the assimilation of concepts. It finally made an analysis and an assessment of the impact on some factors that the methodological strategy might have on students: as the domain, the motivation and learning the concepts and their relationship with the environment that surrounds them, concluding that These practices contribute in greater ownership of the knowledge and learning of chemical concepts by students. Key words: methodological strategy, laboratory practice, chemical bond, hybridization, molecular geometry, stoichiometry, gases, solutions, balance, pH VII Contenido Contenido Introducción .............................................................................................................. 13 1. Aspectos Preliminares ...................................................................................... 15 1.1 Tema ................................................................................................................... 15 1.2 Problema de Investigación ................................................................................ 15 1.2.1 Antecedentes. .............................................................................................. 15 1.2.1.1 Anotaciones sobre la historia de la química en colombia. .................. 15 1.2.1.2 Una mirada al laboratorio en la enseñanza de la química. ................ 17 1.2.1.3 Las prácticas de laboratorio en la enseñanza de las ciencias naturales ........................................................................................................................... 18 1.2.1.4 Antecedentes de trabajos con estrategias metodológicas implementadas en el laboratorio para la enseñanza de la química. ............... 18 1.2.2 Formulación de la pregunta. ....................................................................... 23 1.2.3 Descripción del problema. .......................................................................... 23 1.3 Justificación ........................................................................................................ 25 1.4 Objetivos ............................................................................................................. 25 1.4.1 Objetivo general. ........................................................................................ 25 1.4.2 Objetivos específicos. ................................................................................. 25 . 2. Marco Referencial .............................................................................................. 27 2.1 Marco Teórico ....................................................................................................27 2.1.1 La enseñanza de las ciencias. .................................................................... 27 2.1.2 El aprendizaje significativo de ausubel. ..................................................... 27 2.1.3 La evolución de los modelos de enseñanza de las ciencias: el constructivismo. .................................................................................................... 28 2.2 Marco Disciplinar ................................................................................................ 29 2.2.1 Eenlace químico. ......................................................................................... 30 2.2.1.1 Enlace iónico. ....................................................................................... 30 2.2.1.2 Enlace covalente. ................................................................................ 31 2.2.2 Los gases. .................................................................................................. 31 2.2.2.1 Ley de Boyle: relación presión – volumen ........................................... 31 2.2.2.2 Ley de Charles y de gay-lussac: relación temperatura – volumen .... 32 2.2.2.3 Ley de Avogadro: relación entre volumen y cantidad. ...................... 33 2.2.2.4 Ecuación del gas ideal. ....................................................................... 33 2.2.2.5 Ley de Graham. .................................................................................. 34 2.2.3 Estequiometria de reacciones químicas ..................................................... 34 2.2.4 Estequiometria de los gases ....................................................................... 35 2.2.5 Disoluciones. ............................................................................................... 35 2.2.5.1 Concentración. ...................................................................................... 36 2.2.6 Equilibrio químico. ....................................................................................... 36 2.2.6.1 Ácidos y bases. .................................................................................. 37 2.2.6.2 El ph: una medida de la acidez. ......................................................... 40 2.3 Marco Legal ........................................................................................................ 41 2.3.1 Contexto internacional. ............................................................................... 42 2.3.2 Contexto nacional. ....................................................................................... 43 VIII Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín 2.3.3 Contexto regional. ..................................................................................... 46 2.3.3.1 La educación es el motor de la movilidad social: ................................ 46 2.3.3.2 Un nuevo modelo educativo antioqueño. ........................................... 46 2.3.3.3 Excelencia educativa con más y mejores maestros. .......................... 46 2.3.4 Contexto institucional. ............................................................................... 47 2.3.4.1 Misión. .................................................................................................. 48 2.3.4.2 Visión. .................................................................................................. 49 2.4 Marco Espacial ................................................................................................. 49 3. Diseño Metodológico............................................................................................ 51 .3.1 Tipo de Investigación ........................................................................................ 51 3.2 Método ............................................................................................................... 52 3.3 Enfoque ............................................................................................................ 54 3.4 Instrumento de Recolección de Información ..................................................... 55 4. Trabajo Final......................................................................................................... 57 4.1 Desarrollo y Sistematización de la Propuesta .................................................. 57 4.1.1 Diseño de la estrategia didáctica. ............................................................... 57 4.1.2 Ejecución de la estrategia didáctica. ......................................................... 59 4.1.2.1 Actividad de diagnóstico de entrada .................................................... 59 4.1.2.2 Actividad de introducción de nuevos conceptos ................................ 64 4.1.2.3 Actividades de aplicación desarrolladas por el docente. .................... 66 4.1.3 Evaluación del proceso de investigación. .................................................. 69 4.1.3.1 Actividad de diagnóstico final ............................................................... 69 4.1.3.2 Evaluación final. .................................................................................. 70 4.2 Resultados y Análisis de la Intervención ......................................................... 71 4.2.1 Actividad diagnóstica de entrada. ............................................................... 71 4.2.1.1 Prueba diagnóstica de entrada grupo 1. ge1–gc1 .............................. 72 4.2.1.2 Prueba diagnóstica de entrada grupo 2. ge2–gc2. ............................ 74 4.2.1.3 Prueba diagnóstica entrada grupo 3. ge3 – gc3. ............................... 76 4.2.2 Resultado de las actividades aplicadas por el docente. ............................ 77 4.2.2.1 Actividad práctica de laboratorio 1 – tipos de enlace e hibridación. ... 78 4.2.2.2 Actividad práctica de laboratorio 2 – geometría molecular. ................ 79 4.2.2.3 Actividad práctica de laboratorio 3. estequiometria de gases. .......... 81 4.2.2.4 Actividad práctica de laboratorio 4. disoluciones. .............................. 82 4.2.2.5 Actividad práctica de laboratorio 5. equilibrio químico y principio de lechatelier. ......................................................................................................... 83 4.2.2.6 Actividad práctica de laboratorio 6. medida de ph. ........................... 84 4.2.3 Evaluación del proceso de investigación. .................................................. 85 4.2.3.1 Actividad diagnóstica de salida. ........................................................... 85 4.2.3.2 Actividad de evaluación. ..................................................................... 100 5. Conclusiones y Recomendaciones ................................................................... 105 5.1 Conclusiones .................................................................................................... 105 5.2 Recomendaciones ........................................................................................... 106 Referencias ............................................................................................................ 107 Anexos .................................................................................................................... 111 IX Contenido Lista de Figuras Figura 1. Esquema de cálculos estequiométricos que implican gases. ................ 35 Figura 2. Fases del Método .................................................................................... 53 Figura 3.Mapa conceptual evaluaciones diagnósticas entrada y salida GC1, GE1, GC2, GE2, GC3, GE3. .............................................................................................70 Figura 4. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada GE1 y GC1 .................. 73 Figura 5. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada GE2 y GC2 .................. 75 Figura 6. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada GE3 y GC3 .................. 77 Figura 7. Grupo de estudiantes construyendo moléculas con globos ................. 78 Figura 8. Grupo de estudiantes construyendo las moléculas tridimensionales con icopor y palillos ......................................................................................................... 79 Figura 9. Grupo de estudiantes construyendo las moléculas tridimensionales con modelos de plástico.................................................................................................. 80 Figura 10. . Grupo de estudiantes realizando la reacción química ....................... 81 Figura 11. Tipos de disolución de acuerdo a la concentración ............................. 82 Figura 12. Disoluciones coloreadas de diferentes concentraciones ..................... 83 Figura 13. Sistemas de Equilibrio Químico ............................................................ 83 Figura 14. Preparación de indicador natural .......................................................... 84 Figura 15. Determinación de pH con indicador natural, papel tornasol y pH- metro ......................................................................................................................... 84 Figura 16. Gráfico de respuestas diagnóstico de salida GE1 y GC1……………. 86 Figura 17. Gráfico de respuestas diagnóstico de salida GE2 y GC2 .................. 88 Figura 18. Gráfico de respuestas diagnóstico de salida GE3 y GC3 .................. 90 Figura 19. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada-salida del GC1 .......... 91 Figura 20. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada-salida del GE1 .......... 92 Figura 21. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada-salida del GC2 ......... 95 Figura 22. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada salida del GE2 ............ 96 Figura 23. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada-salida del GE3 ......... 98 X Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín Figura 24. Gráfico de respuestas diagnóstico de entrada-salida del GE3 ......... 99 Figura 25. Gráfico del resultado de la evaluación cuantitativa. GC1 – GE1 ....... 101 Figura 26. Gráfico del resultado de la evaluación cuantitativa. GC2–GE2 ......... 102 Figura 27. Gráfico del resultado de la evaluación cuantitativa. GC3 – GE3 ....... 103 XI Contenido Lista de Tablas Tabla 1. Expresiones cuantitativas de concentración ............................................. 36 Tabla 2.Normograma de Educación Superior ......................................................... 41 Tabla 3.Prueba diagnóstica de entrada y salida. Grupo 1 ..................................... 60 Tabla 4. Prueba diagnóstica de entrada y salida Grupo 2 ..................................... 62 Tabla 5.Prueba diagnóstica de entrada y salida Grupo 3 ...................................... 63 Tabla 6. Prueba diagnóstica de entrada Grupo 1. GE1 y GC1 ............................. 71 Tabla 7. Prueba diagnóstica de entrada Grupo 2. GE2 y GC2 .............................. 74 Tabla 8. Prueba diagnóstica de entrada Grupo 3. GE3 y GC3 .............................. 76 Tabla 9. Prueba diagnóstica de salida Grupo 1. GE1 y GC1 ................................ 85 Tabla 10. Prueba diagnóstica de salida Grupo 2. GE2 y GC2 .............................. 87 Tabla 11.Prueba diagnóstica de salida Grupo 3. GE3 y GC3 ................................ 89 Tabla 12. Prueba diagnóstica de entrada-salida Grupo Control 1 ......................... 91 Tabla 13. Prueba diagnóstica de entrada-salida Grupo Experimental 1 ............... 92 Tabla 14. Prueba diagnóstica de entrada-salida Grupo Control 2 ......................... 94 Tabla 15. Prueba diagnóstica de entrada-salida Grupo Experimental 2 ............... 95 Tabla 16. Prueba diagnóstica de entrada-salida Grupo Control 3 ......................... 97 Tabla 17. Prueba diagnóstica de entrada-salida Grupo Experimental 3 ............... 98 Tabla 18. Resultado de la evaluación cuantitativa. GC1 – GE1 .......................... 100 Tabla 19. Resultado de la evaluación cuantitativa. GC2 – GE2 .......................... 101 Tabla 20. Resultado de la evaluación cuantitativa. GC2 – GE2 .......................... 102 XII Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín Lista de Anexos. Anexo 1. Formato guía de Laboratorio………………………………………... 111 Anexo 2. Guía práctica de laboratorio con estrategia didáctica-Hibridación molecular………………… ……………………………………………………… 112 Anexo 3. Guía Práctica de Laboratorio con estrategia didáctica de la Geometría……………………………………………………………................. .. 123 Anexo 4. Guía Práctica de Laboratorio con estrategia didáctica de estequiometria de gases………………………………………………………… 130 Anexo 5. Guía Práctica de Laboratorio con Estrategia Didáctica. Disoluciones………………………………………………………………………. 136 Anexo 6. Guía Práctica de Laboratorio con Estrategia Didáctica equilibro, equipo y Principio de LeChatelier………………………………………………. 144 Anexo 7. Guía práctica de laboratorio con estrategia didáctica – Medida de pH en soluciones acuosas……………………………………………………………………………. 150 13 Introducción Introducción Durante muchas décadas se ha reconocido que los estudiantes tanto en su educación secundaria como universitaria, encuentran dificultades en el aprendizaje de la Química, uno más que otros en temas generales y/o particulares de esta ciencia. Quizás estas dificultades conllevan a un bajo rendimiento y a un desinterés en el aprendizaje y en las clases de Química. Es así, como se ha encontrado una serie de temas en los cuales la mayoría de los estudiantes presentan grandes dificultades para su aprendizaje, tal es el caso del enlace químico, hibridación, geometría molecular, estequiometria, gases y soluciones, entre otros. Probablemente muchas de éstas tengan un origen en la falta de estrategias que permitan al estudiante el entendimiento de los conceptos y su relación con el entorno. Sin lugar a duda, el trabajo práctico y en particular las actividades en el laboratorio constituyen un hecho diferencial en la enseñanza de esta ciencia, no obstante, los profesores están convencidos que éste añade un aprendizaje especial en la enseñanza y que va más allá del aprendizaje que se puede obtener en un aula de clase en una clase magistral. Partiendo de este punto, las prácticas en el laboratorio sirven de motivación para mantener el interés en el estudio de las ciencias, además de permitir que el estudiante comprenda los principios teóricos, a través de la construcción del conocimiento y el razonamiento sistematizado, mejorando así su aprendizaje. Sin embargo es importante que el profesor tenga claridad en los objetivos para que exista una comunicación efectiva. Al mismo tiempo, el definir concretamente el aporte especial que tiene el desarrollo de las prácticas, en la apropiacióndel conocimiento, aportando a un mayor aprendizaje de los estudiantes. 14 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín En este sentido, el desarrollo de las ciencias en la etapa moderna se caracteriza por el empleo de los métodos de aprendizaje y las actividades prácticas experimentales constituyen una estrategia didáctica en los métodos de aprendizaje que favorecen el desarrollo del pensamiento. En este trabajo de investigación se analiza la experiencia realizada en la asignatura de Química Básica del Instituto Tecnológico Metropolitano – ITM, con el fin de develar la importancia de la implementación de prácticas experimentales con recursos sencillos y actividades lúdicas, como disparadores de adquisición de conocimiento y aprendizaje trascendental, permitiendo reforzar los conocimientos de la Química Básica, explicados en el aula de clase. 15 Aspectos Preliminares 1. Aspectos Preliminares 1.1 Tema Estrategias metodológicas prácticas, para la enseñanza de algunos Conceptos Químicos en el aprendizaje de la Química Básica. 1.2 Problema de Investigación 1.2.1 Antecedentes. 1.2.1.1 Anotaciones sobre la historia de la química en Colombia. Referentes conceptuales e investigaciones relacionadas con el tema en cuestión, realizan algunas anotaciones sobre la historia de la química en Colombia en donde afirman que: El establecimiento de una comunidad Química en Colombia se inició con la aparición de los estudios profesionales de esta ciencia en las universidades colombianas. En 1936, por el Acuerdo No. 11 del Consejo Directivo de la Universidad Nacional, se creó el Departamento de Química, con el fin de mejorar la enseñanza de las Ciencias Químicas, este departamento comenzó a funcionar en 1937. A finales de 1938 se creó el Departamento de Química, como dependencia directa de la Universidad Nacional, con el propósito de centralizar las Ciencias Químicas dentro de la Universidad Nacional, prestando sus servicios a sus diferentes facultades y escuelas. El 12 de diciembre de 1940, se crea la Facultad de Química de la Universidad Nacional y en 1942 se graduaron los primeros Químicos. 16 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín Igualmente, en febrero de 1942 por acuerdo del Consejo Directivo de la Universidad de Antioquia se creó la Escuela de Ciencias Químicas. “Cuando se fundó la institución se creó con la orientación hacia la química pura. Luego en 1944 se modificó hacia la química industrial. El Departamento de Química de la Universidad de Antioquia, comenzó a funcionar en 1964, siendo su tarea principal ofrecer las cátedras de Química para el primer año de universidad. En 1967 se creó la Licenciatura en Ciencias, con especialización en Química. En 1975, se autorizó al Instituto de Química a cambiar el título de Licenciado en Ciencias con especialización en Química por el de Químico. La institucionalización de la Química en el Valle del Cauca se inició en la Universidad del Valle, siendo los móviles y expectativas de quienes la fundaron el punto de partida de la vocación industrial de la Química, la cual se tuvo en cuenta en la exposición de motivos del proyecto de Universidad para el Valle del Cauca, convertido en Ordenanza el 11 de junio de 1945, reglamentado por el Decreto número 554 de 1945, mediante el cual se creó la Universidad Industrial del Valle del Cauca, con cuatro unidades docentes entre las cuales estaba la Facultad de Química, la cual se modificó en Ingeniería Química en 1946. La carrera de Química fue creada en 1965. En Santander, la Química se inició en 1940 con la aparición del Laboratorio Departamental de Química, posteriormente aparecen industrias tan importantes como ECOPETROL, que forzaron la creación de la Universidad Industrial de Santander en 1948. La creación de la Carrera de Química, tuvo lugar en octubre 22 de 1970 con el Acuerdo 19, con un componente mayoritario hacia la investigación Cubillos, Poveda & Villaveces (citados por Riveros, Mayor Mora, Madiedo & Umaña, 1999). 17 Aspectos Preliminares 1.2.1.2 Una mirada al laboratorio en la enseñanza de la Química. Autores como Johnstone (citado por Flores, Caballero & Moreira (2009), argumenta que: Aunque la Química moderna surgió con los trabajos experimentales de Lavoisier en el siglo XVI, no fue sino hasta el siglo XVIII cuando se sistematizó su enseñanza en los estudios de pregrado, para responder a las demandas de una sociedad industrial emergente. Surgieron, entonces, los primeros profesores de Química en diferentes lugares de Estados Unidos e Inglaterra”. Sin embargo, la enseñanza sistemática del laboratorio no se introdujo sino hasta inicios del siglo XIX con Thomas Thomson, enfatizándose el desarrollo de habilidades relacionadas con la investigación y la industria (p. 78). A comienzos del siglo XX, la enseñanza del laboratorio de ciencias tuvo un particular auge con énfasis en los trabajos experimentales, pero entró en conflicto en los años veinte y treinta debido a la importancia que se le comenzó a otorgar a las demostraciones sin evidencias pedagógicas justificables Pickering (citado por Flores et al 2009, p. 78). A pesar de este renacimiento experimental de la enseñanza de la ciencia en la década del sesenta, se observa una declinación en el interés por los laboratorios en general y se comienza a cuestionar ya para la década del setenta, su efectividad y objetivos, Hofstein y Lunetta (citados por Flores et al 2009, p. 78). Parte de este desánimo estaba asociado a los desacuerdos existentes sobre los objetivos del trabajo del laboratorio, poniéndose de manifiesto una situación que no era realmente nueva, ya que desde finales del siglo XIX se había reportado el caótico trabajo de laboratorio Barberá y Valdés (citados por Flores et al 2009, p. 78). No obstante, esta situación de incertidumbre abrió el camino para la investigación sobre su verdadero rol en la enseñanza de las ciencias y los objetivos que persigue 18 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín 1.2.1.3 Las prácticas de laboratorio en la enseñanza de las ciencias naturales Para Gil et al., 1999), tanto los profesores como los estudiantes asocian intuitivamente las prácticas de laboratorio con el trabajo científico. Hallar esta relación puede facilitar el cambio de las prácticas de laboratorio tipo recetas a otras que permitan al estudiante, de una parte, desarrollarse cognitivamente, exigiéndose más a sí mismo para producir conocimientos y mejorar los ya adquiridos, pues las hipótesis con las que él llega al laboratorio deben ser producto de su propia actividad intelectual. De otra parte, permitiéndole tener una visión acerca de la ciencia, del conocimiento científico y de sus interacciones con la sociedad. Es tan clara la situación que un estudiante solo entiende lo que él ha podido reconstruir mediante la reflexión, la discusión con sus compañeros, con el profesor, su vivencia y sus intereses (p. 314). En este mismo contexto, las prácticas de laboratorio deben favorecer elanálisis de resultados por parte de los estudiantes; posibilitar la elaboración y puesta en común de un informe final, en el que se especifique claramente el problema planteado, las hipótesis emitidas, las variables que se tuvieron en cuenta, el diseño experimental realizado, los resultados obtenidos y las conclusiones y, finalmente, producir una evaluación coherente con todo el proceso de resolución de problemas con criterios referidos al trabajo científico y al aprendizaje profundo de las ciencias López y Tamayo (2012, p. 148). 1.2.1.4 Antecedentes de trabajos con estrategias metodológicas implementadas en el laboratorio para la enseñanza de la química. Muchos autores han expresado en diversas investigaciones de carácter educativo, la importancia que tiene para la enseñanza y aprendizaje de las ciencias, 19 Aspectos Preliminares el trabajo práctico experimental, especialmente en Química, ya que es considerada como una ciencia experimental. La falta de este trabajo experimental y la manera en la que se está realizando la práctica docente en el laboratorio, han sido motivo de investigación por diferentes autores. Según García, Franco y Chamizo, (2008) se ha utilizado el modelo de planificación de unidades didácticas propuesto por Sánchez y Valcárcel (citados por García et al.,2008) con el empleo de una secuencia de enseñanza constructivista Driver y Scott (citados por García et al.,2008), para el tema de enlace químico, donde se presentan algunos resultados de su aplicación durante 2002 y 2003 en dos aulas del bachillerato de un colegio de la ciudad de México incorporado al programa de CCH de la UNAM. Antes de proseguir, es preciso destacar que la propuesta de unidad didáctica de Sánchez y Valcárcel (1993) tiene cinco componentes: Análisis científico: El objetivo del análisis científico es doble: la estructuración de los contenidos de enseñanza y la actualización científica del profesor. Análisis didáctico: Sánchez y Valcárcel (1993) señalan dos indicadores de la capacidad cognitiva del alumno, que es algo crucial para determinar lo que es capaz de hacer y aprender: sus conocimientos previos y el nivel de desarrollo operatorio donde se encuentran los alumnos en relación con las habilidades intelectuales necesarias para la comprensión cabal del tema. Selección de objetivos: El objetivo más importante de exponer a dos grupos de treinta estudiantes a los conceptos del enlace químico es lograr, en una buena proporción de ellos y ellas, discutir sus concepciones sobre el tema y 20 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín reexaminarlas, hasta llevarlos a la conclusión de que algunas de sus representaciones resultan incompletas para explicar la naturaleza y propiedades de las sustancias con diferentes enlaces. Selección de la estrategia didáctica Hemos elegido la estrategia de Driver y Scott (citados por García et al., 2008), que Duit (citado por García et al., 2008) llama secuencia constructivista de enseñanza y que fue desarrollada para diversos temas dentro del proyecto Children Learning in Science, CLIS” Wightman, Johnston y Scott (citados por García et al., 2008). La secuencia de enseñanza comienza con la explicitación de las ideas de los estudiantes sobre el tema que se va a tratar, después se desarrollan algunas actividades que les ayudan a reestructurar sus ideas y, finalmente, se proveen oportunidades para que revisen y consideren cualquier cambio que resulte en sus concepciones. Selección de estrategias de evaluación: Para la evaluación de la unidad didáctica, se empleó fundamentalmente un cuestionario que se aplicó a los dos grupos, tanto antes de comenzar el estudio formal del tema como al concluirlo. Para ver los detalles y resultados de la evaluación, favor de consultar la referencia de García-Franco y Garritz (citados por García et al., 2008). En la propuesta de Durango (2015) se realiza una revisión con la finalidad de contextualizar las prácticas como estrategia didáctica que contribuya a la enseñanza - aprendizaje, en especial en la Química y favorecer el desarrollo de 21 Aspectos Preliminares competencias en los estudiantes. El trabajo muestra en tres fases la importancia de la implementación del trabajo experimental para el aprendizaje significativo de las ciencias naturales: 1) Revisión bibliográfica para descubrir el avance investigativo que se ha generado y determinar los aspectos más relevantes, 2) Desarrollar y exaltar el aporte que hacen los aspectos relevantes en las prácticas de laboratorio y la formación integral, 3) Proponer una estrategia que sirviera de guía a los docentes para desarrollar el trabajo experimental en el aula de clase. Concluyendo que es necesario realizar trabajo de laboratorio, en especial en la Química, ya que no solo promueve el aprendizaje y la adquisición de conocimiento, sino que además favorece el desarrollo del pensamiento crítico en los estudiantes el aprendizaje significativo de sus teorías y conceptos. La integración entre la teoría y la práctica en el laboratorio, permite que los estudiantes desarrollen habilidades y destrezas, independiente la actividad que se les proponga. Espinosa, González y Hernández, (2016). Utilizaron las prácticas de laboratorio como estrategia didáctica que desde el paradigma constructivista promueva la construcción de conocimiento científico escolar, aplicando una metodología llevada a cabo en cuatro momentos: 1) Test de ideas previas, 2) Diseño de guías y prácticas teniendo en cuenta niveles de abertura, 3) Aplicación de las guías, 4) Análisis cualitativo. Los resultados mostraron que las prácticas llevan a la motivación y el interés en el proceso de aprendizaje, contribuyendo al desarrollo de habilidades científicas, fortalecimiento y desarrollo de destrezas en la comprensión de los conceptos relacionados con la temática de reacciones químicas, contribuyendo al aprendizaje significativo. Cardona, (2013). Analizó las prácticas como una estrategia didáctica de lograr un proceso de enseñanza-aprendizaje y comparó las prácticas tipo receta, desde un enfoque tradicional, frente a una propuesta alternativa de cómo abordar y plantear las prácticas experimentales. Se concluye que en toda clase práctica los educandos adquieren diferentes destrezas y competencias que les ayudan a resolver situaciones problemáticas, adquieren destrezas y pueden generar nuevos 22 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín modelos, no previstos en las guías de trabajo. Como proceso didáctico las prácticas de laboratorio motivar a la construcción poco a poco, ya que se puede ver, manipular y acercar a la vida real Valero y Mayora, (2009). Diseñaron, elaboraron y aplicaron estrategias en el aprendizaje de la Química, con la participación de los alumnos, bajo una modalidad de investigación-acción Participativa (IAP) en la donde el diseño y los datos emergen directamente de la observación del proceso, por medio de grupos de trabajo cooperativo, aplicando estrategias de contenido lúdico, a través de la aplicación de juegos diseñados por ellos mismos, utilizando material reciclable y de bajo costo, todo para lograr obtener un aprendizaje significativo de los conceptos y aplicación de la nomenclatura química. Todo esto permitió una actitud positivahacia la asignatura y una adecuada interacción social entre los participantes. Los estudiantes lograron un aprendizaje significativo de los conceptos de forma fácil y divertida. García, (2016), se propuso diseñar e implementar una estrategia basada en la lúdica, a través del juego con la realización de colecciones, creación de cuentos, elaboración de maquetas y utilización de juegos interactivos, que permitieran la contribución a la enseñanza y aprendizaje de la clasificación de la materia y propiedades en la tabla periódica. El trabajo por parte de los estudiantes permitió la aprehensión de conceptos y la relación de éstos, las estrategias lúdicas fueron el puente para la adquisición del aprendizaje significativo, puesto que facilitó el aprendizaje de nuevos saberes al contrastarlos con los saberes previos. Torres, (2015), al encontrar la poca motivación de los estudiantes para abordar temas de las Ciencias Naturales, específicamente los de Química, se planteó la importancia de repensar el proceso de enseñanza, implementando estrategias para el aprendizaje del concepto de materia, que integrarán el desarrollo de habilidades científicas, creativas y cognitivas, apoyado en la lúdica, como generadora de ¨motivación intelectual¨. Los resultados obtenidos pudieron evidenciar que la lúdica, produce cambios positivos en los estudiantes, ya que 23 Aspectos Preliminares ayuda a la construcción del conocimiento, a la vez que fortalece procesos comunicativos y socio efectivos. Barazarte y Jerez (2010), a partir del planteamiento que las estrategias metodológicas incrementan el rendimiento académico del estudiante, propusieron una investigación cuyo objetivo fue valorar la efectividad del ¨Bingo Periódico¨ como estrategia para la enseñanza – aprendizaje de la tabla periódica, a bordando un diseño pre experimental, fundamentado en enfoques constructivistas del aprendizaje, el psicogenético, sociocultural y cognitivo, así como en la didáctica lúdica. Los resultados evidenciaron que la actividad del Bingo Periódico, fue efectiva contribuyendo a la enseñanza - aprendizaje de la tabla periódica. Los estudiantes desarrollaron una posición crítica, reflexiva, participativa y solidaria, demostrando que las estrategias constructivistas permiten que los estudiantes adquieran aprendizajes significativos de las experiencias vividas. A partir de las investigaciones anteriores, se puede decir que la implementación de estrategias didácticas, en la enseñanza de la Química, son alternativas que permiten a los docentes convertir la clase en espacios creativos e innovadores que lleven a la apropiación del conocimiento. 1.2.2 Formulación de la pregunta. ¿Las estrategias metodológicas prácticas permiten adquirir un aprendizaje relevante en la enseñanza de la química básica en el Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín? 1.2.3 Descripción del problema. Para la ejecución de las prácticas de laboratorio en la asignatura de Química Básica de la Institución, existen algunas guías sueltas elaboradas por docentes de la facultad 24 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín de Ciencias Exactas y Aplicadas, sin embargo algunos temas desarrollados en la parte teórica, aún no han sido llevados a la práctica. En este mismo orden de ideas, hace falta su recopilación, organización y presentación para una mejor comprensión de los conceptos, de ahí la importancia de elaborar buenas guías prácticas, para que los estudiantes puedan asimilar los conocimientos y así poder mostrar sus habilidades en su práctica experimental. Igualmente, a través de mi experiencia como docente en instituciones de nivel superior, percibo una constante desmotivación que actualmente muestran los alumnos del primer nivel en la mayoría de las instituciones universitarias, especialmente los del Instituto Tecnológico Metropolitano, con respecto al curso experimental, el cual se debe en gran parte a la falta de conocimientos previos de la parte teórica, debido a la heterogeneidad de conceptos inculcados por los docentes de turno en la educación básica secundaria Otro factor es debido a las pocas horas presenciales de la asignatura y a la falta de guías prácticas diseñadas con buenas estrategias didácticas que puedan ser implementadas, tanto en el laboratorio, como en el aula, para que les permitan adquirir un buen aprendizaje relevante. Así mismo, se crea la necesidad de diseñar estrategias metodológicas para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas, para fomentarles la importancia que tienen en adquirir conocimientos, destrezas y habilidades, en el manejo de diferentes instrumentos de laboratorio tales como Balanzas, Balones o Matraces, Pipetas, Buretas, Beakers, Erlenmeyers etc, así como desarrollar pensamientos críticos, trabajar en equipo tanto en el laboratorio como en el aula de clase y que puedan por su propia cuenta tomar decisiones dándole un valor relevante a su aprendizaje. 25 Aspectos Preliminares 1.3 Justificación Las prácticas de laboratorio tal como son orientadas por los profesores y/o planteadas por los textos no familiarizan a los estudiantes con la metodología Científica y no contribuyen al aprendizaje significativo de conceptos Payá (citado por Salcedo y Rivera, 2004). La visión del método científico que ellas generan sigue siendo demasiado simplista y conduce a creer que las teorías son simples conjeturas que los estudiantes pueden elaborar después de breves períodos de trabajos de laboratorio y que pueden ser fácilmente contrastadas por medio de observaciones directas, aceptándose o rechazándose con base en experimentos aislados. Detrás de esta manera de orientar las prácticas de laboratorio, subyace en los profesores una concepción sobre la naturaleza de la metodología científica marcada por el inductivismo que infravalora la creatividad del trabajo científico, llevando a los estudiantes a pensar que la ciencia consiste en verdades absolutas, incontrovertibles y por consiguiente introduciendo rigidez e intolerancia por otras opciones. En tales casos, la evaluación de las mismas, se reduce a la manipulación de instrumentos o implementos de laboratorio y a la presentación de informes escritos, descuidando aspectos claves del trabajo científico. 1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo General. Diseñar una estrategia para la enseñanza de la química básica a través del trabajo práctico en el laboratorio y el aula de clase, para los estudiantes de la Facultad de Ciencias Exactas y aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín. 1.4.2 Objetivos específicos. Diagnosticar el grado de conocimiento de los estudiantes en algunos temas del curso de química básica. 26 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín Diseñar, elaborar e implementar guías prácticas de química general, con estrategias didácticas y elementos comunes de bajo costo, minimizando el impacto ambiental, que permitan la asimilación y comprensión de algunos temas de la química básica. Evaluar el impacto que puedan generar las guías prácticas con estrategias metodológicas, para la enseñanza de la química básica, a través del trabajo práctico en el laboratorio o en el aula de clase, en la asimilaciónde los conceptos, su desempeño y su motivación. 27 Marco Referencial 2. Marco Referencial 2.1 Marco Teórico 2.1.1 La enseñanza de las ciencias. Numerosos estudios señalan que en la educación superior se privilegia una enseñanza que tiende a la reproducción de contenidos, enfatizando la memorización y la transmisión de conocimientos (Raviolo, Gennari y Gamboa, 2000). En este contexto y según Parolo, Barbieri y Chrobak (2004) lo que se refuerza en los alumnos es un estilo de aprendizaje superficial, en circunstancias que, de acuerdo con las actuales necesidades de la sociedad, se precisa que a partir de los procesos de formación superior, se desarrollen en el alumnado ciertas características (habilidades) tales como –pensamiento crítico, creatividad, meta cognición, capacidad de trabajar en equipos, y de tomar decisiones, respeto a la diversidad, ética, entre otros aspectos relevantes. 2.1.2 El aprendizaje significativo de Ausubel. Para (Ausubel, 2000) es que de todos los factores que influyen en el aprendizaje, el más importante es lo que el alumno ya sabe. Es decir, aprendemos desde lo que ya sabemos. En consecuencia, hay que averiguar eso y enseñar de acuerdo con ese punto de partida. Sin embargo, al referirse a lo que el alumno ya sabe, se está reportando a conocimientos previos aprendidos de manera significativa, no simplemente memorística sin significado. La interacción cognitiva entre conocimientos nuevos y previos es la característica clave del aprendizaje significativo. En dicha interacción el nuevo conocimiento debe relacionarse de manera no arbitraria y substantiva (no literal) 28 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín con aquello que el aprendiz ya sabe. Aprendizaje significativo es aprendizaje con comprensión, con significado, con capacidad de transferencia. Es el opuesto del aprendizaje mecánico. Si imaginamos que e aprendizaje se produce a lo largo de un continuo, aprendizaje mecánico estaría en un extremo y aprendizaje significativo en el otro. 2.1.3 La evolución de los modelos de enseñanza de las ciencias: El constructivismo. En este mismo orden de ideas, para Jiménez (citado por Gómez-Moline, Rojas-Hernández y Ramírez-Silva, 1992) Durante el siglo XX las ciencias y su enseñanza se han adaptado a las necesidades de la sociedad. Así, desde el modelo de transmisión-recepción (o tradicional) que consiste en la transmisión verbal de conocimientos ya elaborados. Traspasados a la mente del alumno a través de descripciones orales o escritas, pasando por el modelo conductista (a veces mejor conocido como conductista), basado en la definición clara de objetivos a alcanzar para preparar más investigadores y más tecnólogos, sin tomar en cuenta su desarrollo mental, hasta llegar al modelo de descubrimiento, el cual parte de la premisa de que imitando el método científico, el alumno podría no sólo asimilar los contenidos sino también convertirse en un científico. Por otra parte, desde los años 70 vienen desarrollándose las teorías constructivistas, que conciben el aprendizaje como una construcción activa de saberes significativos y son las que actualmente se piensa que ofrecen posibilidades más atractivas para la didáctica de las ciencias y se adaptan mejor a los objetivos propuestos por la sociedad. 29 Marco Referencial 2.2 Marco Disciplinar Desde tiempos remotos se ha sabido que la química ha sido fundamental en el crecimiento y mejoramiento del nivel de vida de la humanidad, ya que se encuentra íntimamente ligada a todo el entorno físico y natural que nos rodea. Debido a eso es que debemos apropiarnos de su conocimiento, para poder entender todos sus fenómenos con sus ventajas y desventajas que esta hermosa rama de la ciencia nos provee. .Para comprender más aun sobre esta ciencia y empezar por motivarnos no solo los docentes sino también principalmente los estudiantes del primer año de universidad, debemos dejar atrás esa concepción repetitiva, memorística y más bien pasar a una concepción constructivista (Ausubel, 2000). Para el mejor entendimiento y asimilación de las prácticas a realizar, a los estudiantes se les dictarán clases teóricas con algunas ayudas audiovisuales, de los siguientes contenidos, usando como texto de referencia ¨Química¨ de Chang y Goldsby (Chang y Goldsby, 2007): Enlace Químico Estructuras de Lewis Hibridación Geometría molecular Gases Estequiometria de las reacciones químicas y Estequiometria de gases. Equilibrio Químico, especialmente enfocado para Ácidos y Bases. Medida de pH 30 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín 2.2.1 Enlace químico. Según (Chang y Goldsby, 2007), el desarrollo de la Tabla periódica y el concepto de “configuración electrónica” dieron a los químicos los fundamentos para entender cómo se forman las moléculas y los compuestos. La explicación propuesta por Gilbert Lewis es que los átomos se combinan para alcanzar una configuración electrónica más estable. La estabilidad máxima se logra cuando un átomo es isoelectrónico con un gas noble. Cuando los átomos interactúan para formar un enlace químico, sólo entran en contacto sus regiones más externas (p. 330). Por esta razón, cuando estudiamos los enlaces químicos consideramos sobre todo los electrones de valencia de los átomos y acorde con el tipo de interacción se definen los tipos de enlace: 2.2.1.1 Enlace iónico. La fuerza electrostática que une a los iones en un compuesto iónico se denomina enlace iónico. Autores como (Chang y Goldsby, 2007) En los átomos de los elementos con bajas energías de ionización tienden a formar cationes; en cambio, los que tienen alta afinidad electrónica tienden a formar aniones. Como regla, los metales alcalinos y alcalinotérreos tienen más probabilidad de formar cationes en los compuestos iónicos, y los más aptos para formar aniones son los halógenos y el oxígeno. En consecuencia, la composición de una gran variedad de compuestos iónicos resulta de la combinación de un metal del grupo 1A o 2A y un halógeno u oxígeno. La fuerza electrostática que une a los iones en un compuesto iónico, formando un enlace, se denomina enlace iónico (p. 330) 31 Marco Referencial 2.2.1.2 Enlace covalente. Se define como un conjunto de interacciones que tienen lugar en la capa electrónica externa de los átomos (nivel de valencia), la cual tiene como finalidad unir a los átomos para formar una molécula y alcanzar el octeto estable. En el enlace covalente, cada electrón del par compartido es atraído por los núcleos de ambos átomos y es aquel que mantiene unidos los átomos no metálicos. 2.2.2 Los gases. En otro orden de ideas, cabe mencionar el estado de agregación de una materia que carece de volumen y de forma propia, en la que existe una gran distancia de vacío entre las partículas que lo conforman, por lo tanto es posible su comprensión y además tiene poca densidad, donde pueden extenderse de manera indefinida. Por otro lado, el movimiento molecular de los gases resulta aleatorio y las fuerzas de atracción entre sus moléculas son tan pequeñas que cada una se mueve en forma libre e independiente de las otras. Los cambios de presión y temperatura, permiten predecir el comportamiento de los gases, lasleyes que norman este comportamiento han desempeñado una importante función en el desarrollo dela teoría atómica de la materia y la teoría cinética molecular de los gases. (Chang y Goldsby, 2017) 2.2.2.1 Ley de Boyle: Relación presión – volumen Establece que el producto de la presión y el volumen de un gas a temperatura y cantidad del gas constantes, es una constante. PV = k1 32 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín Para una muestra de un gas bajo dos conjuntos de condiciones distintas a temperatura constante, tenemos: P1V1 = P2V2 2.2.2.2 Ley de Charles y de Gay-Lussac: Relación temperatura – volumen Encontraron que a una presión constante, el volumen de una muestra de gas se expande cuando se calienta y se contrae al enfriarse. Las relaciones cuantitativas implicadas en estos cambios de temperatura y volumen del gas, resultan ser notablemente congruentes. Establece que el volumen de una cantidad fija de gas mantenido a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. P α T P = kT 𝑃 𝑇 = 𝑘 Para una muestra de un gas bajo dos conjuntos de condiciones distintas a cantidad del gas constante, tenemos: 𝑃1 𝑉1 = 𝑃2 𝑉2 33 Marco Referencial 2.2.2.3 Ley de Avogadro: Relación entre volumen y cantidad. Establece que a la misma temperatura y presión, volúmenes iguales de diferentes gases, contienen el mismo número de moléculas (o átomos si el gas es monoatómico). De ahí que el volumen de cualquier gas debe ser proporcional al número de moles de moléculas presentes: V α n V = kn Donde n representa el número de moles y k es la constante de proporcionalidad. Para una muestra de un gas bajo dos conjuntos de condiciones distintas a volumen y temperatura constante, tenemos: 𝑉1 𝑛1 = 𝑉2 𝑛2 2.2.2.4 Ecuación del gas ideal. Resume las tres leyes de los gases anteriores, combinándolas en una sola ecuación maestra para el comportamiento de los gases: Ley de Boyle: 𝑉 ∝ 1 𝑃 (n y T constantes) Ley de Charles: V α T (n y P constantes) Ley de Avogadro: V α n (P y T constantes) 𝑉 ∝ 𝑛𝑇 𝑃 𝑉 = 𝑅 𝑛𝑇 𝑃 34 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 La ecuación del gas ideal es útil para resolver problemas que no implican cambios en P, V, T y n de una muestra de gas. Por lo tanto, si conocemos tres variables podemos calcular la cuarta mediante la ecuación. 2.2.2.5 Ley de Graham. En 1832, el químico escocés Thomas Graham encontró que bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, las velocidades de difusión de los gases son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de sus masas molares. 𝑉1 𝑉2 = √ 𝑚2 𝑚1 Donde V1 y V2 son las velocidades de difusión de los gases 1 y 2, y m1 y m2 son sus masas molares, respectivamente. 2.2.3 Estequiometria de reacciones químicas Establece relaciones entre las moléculas o elementos que conforman los reactivos de una ecuación química con los productos de dicha reacción, permite interpretar una reacción en forma cuantitativa. Las relaciones que se establecen son moles entre los compuestos o elementos que conforman la ecuación química, este método se denomina método del mol, significa que los coeficientes estequimétricos en una reacción química se pueden interpretar como el número de moles de cada sustancia. Brown, Lemay, Bursten, Murphy y Woodward (2014), Chang y Goldsby (2017). 35 Marco Referencial 2.2.4 Estequiometria de los gases Se establecen las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos, cuando ambos o alguno de ellos son gases, se pueden emplear las relaciones de las cantidades tanto en moles, como en volumen, para resolver los problemas de este tipo. Figura 1. Esquema de cálculos estequiométricos que implican gases. Elaboración propia. 2.2.5 Disoluciones. Se forma una disolución cuando una sustancia se dispersa de manera uniforme en otra. Pueden formarse con gases, líquidos y sólidos los cuales se encuentran en menos cantidad y son quienes se disuelven, se les denomina soluto, el cual es disuelto en un componente de mayor cantidad, llamado solvente (Brown et al., 2014) Dependiendo de la cantidad de soluto que se disuelva en el solvente, las disoluciones se clasifican en: insaturadas, saturadas y sobresaturadas Saturada: Es aquella que contiene la máxima cantidad de soluto que puede mantenerse disuelto en una determinada cantidad de solvente a una temperatura establecida. 36 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín Insaturada: Es aquella donde la cantidad de soluto disuelta con respecto a la solución saturada es más pequeña para la misma temperatura y masa de solvente sobresaturada: Es aquella que contiene una mayor cantidad de soluto que una solución saturada a temperatura determinada. Esta propiedad la convierte en inestable. 2.2.5.1 Concentración. Se define como la cantidad de soluto disuelta en una cantidad dada de disolvente o solución. Cuanto mayor sea la cantidad de soluto disuelta en cierta cantidad de disolvente, más concentrada estará la solución resultante. En una solución se puede cuantificar la concentración química. En química se usan varias expresiones cuantitativas de la concentración como se muestra en la (Tabla 1). Tabla 1. Expresiones cuantitativas de concentración %p/p %p/v %v/v M N m ppm X sto Xslv 𝑔 𝑆𝑡𝑜 𝑔 𝑆𝑙𝑛 𝑥 100 𝑔 𝑆𝑡𝑜 𝑚𝐿 𝑆𝑙𝑛 𝑥 100 𝑚𝐿 𝑆𝑡𝑜 𝑚𝐿 𝑆𝑙𝑛 𝑥 100 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑡𝑜 𝐿 𝑆𝑙𝑛 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑡𝑜 𝑥 𝐸 𝐿 𝑆𝑙𝑛 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑡𝑜 𝐾𝑔 𝑆𝑙𝑣 𝑚𝑔 𝑆𝑡𝑜 𝐾𝑔 𝑆𝑙𝑛 𝑚𝑜𝑙 𝑠𝑡𝑜 𝑚𝑜𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑠𝑙𝑣 𝑚𝑜𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Fuente: Elaboración propia 2.2.6 Equilibrio químico. Es un proceso dinámico que ocurre en la mayoría de las reacciones químicas reversibles. Al inicio de un proceso reversible la reacción lleva a la formación de productos, tan pronto como se forman algunas moléculas del producto, comienza el proceso inverso: estas moléculas reaccionan y forman moléculas de reactivo, el equilibrio dinámico se alcanza cuando las rapideces de las reacciones en un sentido y en otro se igualan, las concentraciones 37 Marco Referencial de los reactivos y productos permanecen constantes. Los ácidos y las bases débiles, debido a su ionización limitada, la cual se relaciona mediante su constante de equilibrio. 𝐾𝑎 = [𝐻3𝑂 +] [𝐴−] [𝐻𝐴] o 𝐾𝑎 = [𝐻+] [𝐴−] [𝐻𝐴] 𝐾𝑏 = [𝑂𝐻+] [𝑋−] [𝑋𝑂𝐻] Donde Ka y Kb son la constante de ionización de un ácido o base, respectivamente. La fuerza del ácido HA o la Base se mide cuantitativamente mediante la magnitud de Ka o Kb. Cuanto mayor sea el valor de la constante, el ácido o base será más fuerte, es decir, mayor será la concentración de iones H+ o OH- en el equilibrio, debido a su ionización. 2.2.6.1 Ácidos y bases. Los ácidos son sustancias de compuestos químicos que, al disolverseen agua, aumentan la concentración de iones H+ ya que tiene la capacidad de cederlos a alguien que puede cogerlos y que presentan las siguientes características: Tienen un sabor ácido o agrio. Provocan cambios de color en muchos indicadores (de color rosado-rojo) y en la Tabla de pH les corresponden del número 1 al 6. Los no oxidantes reaccionan con los metales liberando hidrógeno. Reaccionan con las bases en un proceso denominado neutralización, en el que ambos pierden sus características. 38 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín En las disoluciones acuosas, si los ácidos se encuentran ionizados, conducen la corriente eléctrica. Pueden crear nuevas sales y ácidos más débiles o volátiles reaccionando con ácidos más débiles o volátiles que ellos. Los ácidos pueden ser fuertes o débiles: Los ácidos fuertes son electrólitos fuertes que, para fines prácticos, se supone que se ionizan completamente en el agua. La mayoría son ácidos fuertes inorgánicos como el ácido clorhídrico (HCl), ácido nítrico (HNO3), ácido perclórico (HClO4) y el ácido sulfúrico (H2SO4): HCl(ac) + H2O(l) H3O+(ac) + Cl-(ac) HNO3(ac) + H2O(l) H3O+(ac) + NO-3(ac) HClO4(ac) + H2O(l) H3O+(ac) + ClO-4(ac) H2SO4(ac) + H2O(l) H3O+(ac) + HSO-4(ac) La mayoría de los ácidos son débiles, los cuales se ionizan, sólo en forma limitada en el agua. En el equilibrio, las diluciones acuosas de los ácidos débiles contienen una mezcla de moléculas del ácido sin ionizar, iones H3O+ y la base conjugada. En la teoría de Johannes Nicolaus Bronsted (1879-1974)- Thomas M. Lowry (1874-1936) (citados por Murillo, y Villa, 2010) en la cual se basa en la disociación de un ácido (HA) tiene como producto el ion hidronio y su base conjugada (HA + H2O H3O+ + Aˉ), en donde el agua actúa como base. 39 Marco Referencial Las bases son sustancias de compuestos químicos que, al disolverse en agua, aumentan la concentración de iones OH- y que presentan las siguientes características: Tienen un sabor amargo. Provocan cambios de color en muchos indicadores (hacia el verde-amarillo o azul) y en las Tablas de pH les corresponden del número 6 o 7 al 12. Son resbaladizos ya que tienen un tacto jabonoso. Sus disoluciones acuosas conducen la corriente eléctrica ya que sus bases están ionizadas Reaccionan con los ácidos protónicos para formar sales y agua. Igual que los ácidos fuertes, las bases fuertes son electrólitos fuertes que se ionizan completamente en agua. Los hidróxidos de los metales alcalinos y los de algunos metales alcalinotérreos son bases fuertes. Todos los hidróxidos de los métales alcalinos son solubles. Ej. NaOH(s) H2O Na+(ac) + OH-(ac) Cuando decimos que cualquier hidróxido metálico es una base, se hace referencia a la especie OH- que deriva del hidróxido. Las bases débiles, igual que los ácidos débiles, son electrólitos débiles. Ej: el amoniaco es una base débil. En el agua se ioniza en forma limitada. NH3(ac) + H2O(l) NH+4(ac) + OH-(ac) La base débil no dona el protón al agua, sino que se comporta como una base al aceptar un protón de ésta para formar los iones, en los productos. 40 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín 2.2.6.2 El pH: una medida de la acidez. El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidrógeno [H+] presentes en determinadas disoluciones. Puesto que las concentraciones de los iones H+ y OH- en disoluciones acuosas con frecuencia son números muy pequeños y, por lo tanto, es difícil trabajar con ellos, Soren Sorensen propuso, en 1909, una medida más práctica denominada pH. El pH de una disolución se define como el logaritmo negativo de la concentración del ion hidrogeno (en mol/L). pH = - log [H3O+] o pH = - log [H+] Debido a que el pH sólo es una manera de expresar la concentración del ion hidrógeno, las disoluciones ácidas y básicas a 25°C se identifican por sus valores del pH, como sigue: Disoluciones ácidas: [H+] > 1.0 x 10-7 M < 7.00 Disoluciones básicas: [H+] < 1.0 x 10-7 M > 7.00 Disoluciones neutras: [H+] = 1.0 x 10-7 M = 7.00 Tanto los cálculos de las concentraciones de disoluciones, así como la medida de pH, están sujetos a cierto error, porque en ellos se supone, de manera implícita, el comportamiento ideal, tanto la formación de pares iónicos como diversos tipos de interacciones moleculares, pueden afectar la concentración real de las especies en disolución y por tanto, también los valores de la constante de equilibrio. https://es.wikipedia.org/wiki/Acidez https://es.wikipedia.org/wiki/Base_(qu%C3%ADmica) https://es.wikipedia.org/wiki/Disoluci%C3%B3n https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno 41 Marco Referencial 2.3 Marco Legal En la (Tabla 2), se puede observar el marco legal en la ley general de educación Ley 115 de 1994, artículos 5, 27 y 30 donde se reglamenta lo concerniente a la educación en Colombia dando cumplimiento a lo establecido por la Constitución Nacional de 1991 en sus artículos 27 y 67, respecto a educación universitaria con el cual se rige el Instituto Tecnológico Metropolitano, de la Ciudad de Medellín. Tabla 2. Normograma de Educación Superior. JERARQUIA DE LA NORMA TEXTO (artículos) COMENTARIO CONSTITUCION POLITICA DE COLOMBIA1991 (julio06) 44,67 Derechos sociales, económicos y culturales. Derecho a la educación. Ley30 1992 (Dic28) 1,2,3,4,5,19,2 8,31,34,37. Por la cual se organiza el servicio público de la educación superior Acreditación Universitaria, Autonomía Universitaria, Inspección y Vigilancia, CNDES, Icfes. Ley115 1994(feb. 08) 5.20.21,22,72 ,73 Por la Cual se expide la Ley general de educación “ Lograr la formación integral del educando “ Ley1450 20011 (junio16) 10 Por la cual se expide el Plan Nacional de Desarrollo 2010 -2014 "Prosperidad para todos" Armonización del Plan Nacional de Desarrollo y Plan Decenal de Educación 2006-2016 Ley749 2002 (julio19) 2 Por la cual se organiza el servicio público de la educación superior en las modalidades de formación técnica, profesional y tecnológica Decreto 3963 2009 (oct14) 1 Examen de estado de calidad de la educación 42 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín JERARQUIA DE LA NORMA TEXTO (artículos) COMENTARIO Acuerdo01 2012 (ene30) Por medio del cual se aprueba y adopta el Plan de Desarrollo Institucional ”ITM Camino de Ciudad para la Equidad y la Inclusión Social” 2012 -2015 Acuerdo16 2013 (bril19) 1 Por el cual se aprueba el Proyecto Educativo Institucional, PEI, del Instituto Tecnológico Metropolitano Fuente: Elaboración propia. 2.3.1 Contexto internacional. Según García (2012).Desde comienzos de siglo, los países desarrollados y algunos en desarrollo, han formulado políticas de crecimiento cimentadas en la Economía del Conocimiento. La nueva economía se caracterizaporque la creación y transformación del conocimiento es la fuente primordial para generar valor, y construye sistemas productivos basados en la interacción del conocimiento, la educación, y la ciencia, la tecnología y la innovación. Las tendencias que moldearán el desarrollo económico y social en el siglo XXI: Flujo de comercio, servicios y conocimiento sin barreras, economía globalizada, competitividad, desplazamiento manufactura capitales, sociedad digital mediatizada, explosión de conocimiento, complejidad y difusión tecnológica, sostenibilidad ambiental, recursos naturales, energía renovable y tecnologías emergentes; estarán impulsadas por la Globalización y habilitadas por el desarrollo y uso creciente de las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones, las cuales demandarán la innovación permanente para dar respuesta oportuna a las necesidades emergentes de la sociedad. Para Escocia, Gutiérrez y Henríquez (2007). La implementación de reformas educativas en un contexto permeado por políticas y acciones encaminadas al impulso de la competitividad y la globalización de la actividad humana, en un mundo 43 Marco Referencial dinámico y cambiante, representa serios desafíos y demanda grandes esfuerzos para producir cambios significativos relacionados con la estructura y funcionamiento del sistema educativo superior. Según Ramírez, y Medina (2017) El surgimiento de proyectos de reforma curricular a gran escala y la búsqueda o adaptación de modelos académicos que respondan a determinadas demandas educativas, se enmarcan en políticas educativas que surgen en el contexto de la globalización de la economía, los tratados de colaboración y comercio internacional, la búsqueda de la certificación y homologación de programas educativos y profesiones o la definición de estándares nacionales e internacionales referidos a la formación y ejercicio profesional, así como a la descentralización de los sistemas educativos nacionales. La UNESCO, señala que las nuevas generaciones del siglo XXI, deberán estar preparadas con nuevas competencias y nuevos conocimientos e ideales para la construcción del futuro, por lo que la educación superior entre otros de sus retos se enfrenta a la formación basada en las competencias y la pertinencia de los planes de estudio que estén constantemente adaptados a las necesidades presentes y futuras de la sociedad para lo cual requiere una mejor articulación con los problemas de la sociedad y del mundo del trabajo. Por otra parte, con la instrumentación de las reformas curriculares, el término innovación fue asociado con el diseño y aplicación de nuevos modelos curriculares y con la puesta en marcha de nuevos prototipos y estrategias metodológicas en la enseñanza con la finalidad de atender a las demandas que debía afrontar la educación en una sociedad globalizada. 2.3.2 Contexto nacional. El artículo 67 de la Constitución Política de Colombia, Ortega (1991), proclama que “La educación es un derecho de la persona y un servicio público que tiene una función social; con ella se busca el acceso al conocimiento, a la ciencia, a la técnica, y a los demás bienes y valores de la cultura.” (Departamento Nacional de Planeación, [DNP], 2015). El ciudadano Colombiano puede acceder a la educación 44 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín superior, a través de dos niveles de formación: (I) técnico-profesional, tecnológico o profesional y (II) especializaciones, maestrías y doctorados, regulados por la Ley 30 de 1992 del Sistema de Educación Superior en Colombia. El Gobierno colombiano ha definido como estrategia nacional el fomento a la internacionalización de la Educación Superior, con el propósito de facilitar su inserción en el contexto internacional, atendiendo condiciones de calidad y pertinencia. Con este propósito, se pretende fortalecer los lazos entre Colombia y los países de América Latina y el Caribe y consolidar a la región como un espacio de integración para la internacionalización de la Educación Superior. (MEN, 2017) La educación como función social ha de responder a las necesidades que la sociedad tiene, en la búsqueda de su transformación. Esto supone realizar cambios en el sistema educativo, en el que se ve envuelta la educación superior (sociedad global, sociedad del conocimiento, universalidad, etc.) para dar respuestas a los nuevos retos planteados. Las transformaciones deben direccionarse en dos sentidos: 1. Un cambio de paradigma educativo, desde un modelo basado casi con exclusividad en la transmisión del conocimiento, a otro sustentado en la formación integral de los individuos, y 2. El aumento de la flexibilidad del sistema, tanto en un sentido temporal (facilitando la formación a lo largo de la vida) como operativo (facilitando el paso del sistema educativo al mercado laboral o entre programas dentro del mismo sistema educativo). Los procesos curriculares, en el contexto de las reformas educativas, se constituyen en la materialización y explicitación de los fundamentos, principios, contenidos y metodologías para la formación de los estudiantes en las instituciones; mostrando su pertinencia académica y pertenencia social en la medida en que se articulan con las tendencias mundiales y responden a los intereses de la sociedad. 45 Marco Referencial Frente a las necesidades educativas, ha venido acreditándose en el ámbito social y educativo un enfoque curricular centrado en competencias para el pensamiento, los valores y las actitudes que debe potenciar el ser humano en el contexto de la formación integral, para su aplicabilidad en el entorno educacional, personal y laboral, que pretende estar a nivel con las exigencias planteadas para la sociedad a nivel mundial, en relación con la pertinencia académica, social y las calidades del profesional que egresa del sistema educativo. Sin duda para Escocia, Gutiérrez y Henríquez (2007), el currículo diseñado por competencias posibilita la articulación con las grandes tendencias planteadas entre bloques de países con intereses comunes, a nivel de la formación en educación superior. En Colombia, el Ministerio de Educación Nacional, define los lineamientos curriculares que constituyen puntos de apoyo y orientación general frente al postulado de la Ley que nos invita a entender el currículo como ¨…un conjunto de criterios, planes de estudio, programas, metodologías y procesos que contribuyen a la formación integral y a la construcción de la identidad cultural nacional, regional y local…¨ (Artículo 76). (MEN, 1994) Los ¨Lineamientos curriculares para el área de Ciencias Naturales y Educación Ambiental¨ tienen el propósito de señalar horizontes deseables que se refieren a aspectos fundamentales y que permiten ampliar la comprensión del papel del área en la formación integral de las personas, revisar las tendencias actuales de la enseñanza y aprendizaje y establecer su relación con los logros e indicadores para los diferentes niveles de educación formal (MEN, 1994). Es así que la implementación de unas guías prácticas con diferentes estrategias de enseñanza, constituyen una opción en el mejoramiento y aprendizaje de la Química Básica. 46 Diseño de una estrategia metodológica para la enseñanza de la química a través de la elaboración de guías prácticas de Laboratorio para los estudiantes de Química Básica de la Facultad de Ciencias Exactas y Aplicadas del Instituto Tecnológico Metropolitano de la Ciudad de Medellín 2.3.3 Contexto regional. 2.3.3.1 La Educación es el motor de la movilidad
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