propuesta de innovaciones en la enseñanza de química dirigida

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PROPUESTA DE INNOVACIONES EN LA ENSEÑANZA DE QUÍMICA DIRIGIDA A LA INGENIERÍA CIVIL

CARMEN OROZCO BARRENETXEA, ANTONIO PÉREZ SERRANO Y NIEVES GONZÁLEZ DELGADO Departamento de Química, Escuela Politécnica Superior, Universidad de Burgos

RESUMEN El alumnado de Ingeniería Civil siente mucho interés por los temas ambientales, dada su actualidad y la creciente preocupación, tanto social como profesional, acerca de los mismos. Por ello, su educación en estas materias es de extrema importancia. El interés de formar profesionales, capaces de compatibilizar el desarrollo económico-social con el Desarrollo Sostenible, exige la aportación de la visión ambiental en todas las materias propias de su currículo. Los temas medioambientales son interdisciplinares, es preciso abordar los problemas y conocimientos de forma integral, y una de las ramas fundamentales para ello es la Química. En este trabajo se comenta la necesidad de adaptar la enseñanza de esta ciencia y plantearla desde un punto de vista de Química Aplicada no solo a los materiales, sino también al medio ambiente. Por otro lado, la exigencia de innovación cara a la implantación de créditos ECTS en el marco del EEES, precisa la renovación de los procesos de enseñanza-aprendizaje. Teniendo en cuenta estas dos premisas, en esta comunicación se plantean diversas acciones conducentes tanto a la modificación de contenidos, como a la introducción de nuevas metodologías para la impartición de la asignatura de Química dirigida a los estudiantes de Ingeniería Civil.

1. Introducción El incuestionable interés de la Ingeniería Civil por los temas medioambientales, unido a la necesidad de implementar prácticas de Desarrollo Sostenible, hace obligatoria la formación en materia ambiental del alumnado de dicha titulación. La consecución de conocimientos, habilidades y destrezas en estos temas, con un enfoque acorde con las buenas prácticas, exige la inclusión de la dimensión ambiental en muchas de las materias integrantes del currículo de estos estudios, para incorporarla así a su perfil formativo (1). La Química es una ciencia esencial para la comprensión, detección y solución de multitud de cuestiones relacionadas con la Ingeniería civil y también para los temas ambientales. Una Química Sostenible minimiza la generación de problemas y contribuye de forma importante a resolver los ya existentes (2, 3). Los conocimientos químicos son la base necesaria para abordar cuestiones tales como producción y gestión de todo tipo de residuos, tratamiento de aguas, evaluaciones de impacto ambiental, elección y producción de materiales, etc. Muchos de los conceptos y parámetros que se manejan en medio ambiente son simples aplicaciones de conceptos químicos. Un elevado número de cálculos que deben realizarse en estudios de impacto ambiental, dimensionamiento de instalaciones, comprobación de concentraciones de contaminantes, etc., se limitan a una aplicación de conocimientos químicos básicos de estequiometría, equilibrio, solubilidades, etc. Así mismo, un buen manejo de estos contenidos 1

básicos puede ayudar, o facilitar, la toma de decisiones correctas a la hora de optar por distintas posibilidades de tratamiento. Se hace necesario emprender diversas actuaciones en el campo de la formación de los futuros ingenieros civiles y, en lo que respecta a la Química, se propugna la necesidad de enseñarla incorporando su dimensión ambiental, para lo que se proponen estrategias de diversos tipos, desde cambios en los programas de la materia a nuevas metodologías de enseñanza-aprendizaje. Todo ello encaminado a facilitar a los estudiantes la base necesaria para futuros aprendizajes ambientales y contribuir a su formación como profesionales preocupados por la sostenibilidad y con un alto grado de responsabilidad respecto a su actuación en el medio natural.

2. Nuevo contexto de la Enseñanza Superior También es fundamental e imprescindible tener en cuenta la situación actual en que se encuentran los estudios universitarios dentro del marco del Espacio Europeo de Educación Superior (EEES) y la implantación de los nuevos créditos ECTS (4). Algunos de los planteamientos nuevos, o que se refuerzan, en dicho marco para todas las titulaciones y, en concreto, para el nuevo título de Ingeniería Civil (5) en relación con el proceso de enseñanza y las destrezas, habilidades y aptitudes a desarrollar son: • Metodologías activas para un proceso de enseñanza-aprendizaje centrado en el alumnado • Fortalecimiento de actividades didácticas que incorporen trabajos cooperativos y el empleo de casos prácticos y problemas reales • Necesidades formativas para el perfil profesional de la Ingeniería Civil y adquisición de competencias transversales (genéricas) y específicas en los estudios de esta titulación (5). • Competencias transversales relacionadas (6): comunicación oral y escrita, gestión de la información (instrumentales); trabajo en equipo, razonamiento crítico y compromiso ético (personales); aprendizaje autónomo, motivación por la calidad y sensibilidad hacia temas medioambientales (sistémicas); aplicar conocimientos teóricos en la práctica, uso de Internet como fuente de información (otras genéricas) • Capacidades profesionales relacionadas: formación científico-técnica sólida; facilidad de integración en equipos multidisciplinares; práctica de la IC compatible con la salvaguarda del medio ambiente y con la seguridad y bienestar del ser humano; capacidad de comunicación Para alcanzar con éxito los planteamientos indicados será preciso realizar una enseñanza basada en nuevas metodologías como el aprendizaje basado en problemas o discusiones de casos prácticos, donde los conocimientos químicos se entremezclen con los de otras disciplinas, obteniendo así una visión de la materia más cercana a la realidad. Para ello se idearán ejemplos de problemas reales relacionados directamente con la profesión: tratamientos de aguas, reciclaje de materiales, actuaciones en el campo de la evaluación de impacto ambiental en obras civiles, etc.

3. Acciones que se proponen En relación con la adaptación de la enseñanza de la Química y su aportación a un Desarrollo Sostenible se proponen dos tipos de acciones. 2

A) En primer lugar se plantean una serie de modificaciones en los contenidos a impartir de esta materia en la titulación de Ingeniería Civil: • • •

Implantación de programas para una asignatura de Química Aplicada a los Materiales y al Medio Ambiente con incorporación de lecciones de Química del Agua, Química de la Atmósfera y Química del Suelo y de Residuos Utilización de enunciados medioambientales en cuestiones, ejercicios y problemas en el estudio de todo tipo de conceptos químicos de carácter general (estequiometría, enlace, estados de agregación, estudio de reacciones químicas y equilibrios en solución, etc.) Introducción de los aspectos de Seguridad y Gestión de Residuos en la realización e informes de las Prácticas de Laboratorio

B) En segundo lugar se propone la utilización de metodologías activas de aprendizaje en la enseñanza de una Química Sostenible. Para ello se sugiere el planteamiento de casos prácticos, que se proponen al comienzo de la impartición de la asignatura, de forma paralela al desarrollo de las clases presenciales, y se irán analizando estableciéndose la conexión entre los conceptos químicos que se imparten y que deben ser comprendidos, y la ejecución de las diferentes fases en que se divide la resolución del problema o caso planteado. Esta actividad de enseñanzaaprendizaje, de carácter cooperativo y con planteamientos intermedios entre el autoaprendizaje y el aprendizaje dirigido convencional, se elije en función del tipo de alumnado hacia el que va dirigido: primer curso de las titulaciones actuales de Ingeniería de Caminos e Ingeniería Técnica de Obras Públicas y futura Ingeniería Civil. Se ha optado por este tipo de acción dado que, en general, son alumnos cuya madurez intelectual no está del todo desarrollada ni se encuentran entrenados ni con experiencia suficiente para llevar a cabo el proceso de estudio con una metodología estricta de lo que se denomina Aprendizaje Basado en Problemas (ABP) (7). El desarrollo y aplicación de las acciones señaladas en el apartado A ya ha sido presentado con más detalle en otras comunicaciones (8) por lo que en este trabajo se expone un ejemplo de acción relacionada con el uso de metodologías activas en el aula.

4. Estudio de un problema real mediante trabajo colaborativo en grupo 4.1 Enunciado del Problema real: Acumulación de residuos correspondientes a Materiales Compuestos: el caso de los Neumáticos usados y su reciclado para la construcción de carreteras.

4.2 Objetivos generales: El problema y el material que se presenta se diseña con la idea de conseguir los tres objetivos generales que a continuación se explicitan: •

El primero se refiere a la adquisición de conocimientos. El estudiante debe lograr aprender, interiorizar, manejar con precisión y aplicar de forma oportuna diversos conocimientos químicos, necesarios para comprender e interpretar el comportamiento macroscópico de la materia. Si la adquisición de estos conocimientos se aborda a través de casos reales, relacionados tanto con los Materiales de Construcción como con los problemas del Medio Ambiente, la consecución de este objetivo contribuirá a acercar la materia objeto de estudio a la realidad social y profesional en que se desarrolla la vida del alumnado, en la actualidad y en su futuro profesional. 3





El segundo, trata de que el estudiante llegue a percibir la diversidad de conocimientos precisos para resolver un problema real. Su logro implicará que el alumno compruebe la necesidad de recurrir e interrelacionar los conocimientos que adquiere en las diferentes materias que constituyen su currículo formativo: Química, Ingeniería Ambiental, Materiales, Física, Legislación, Economía, etc. Por último, en tercer lugar, la ejecución de la actividad propuesta promoverá el desarrollo de capacidades transversales para su propio currículo como son las de trabajo en grupo, exposición oral y escrita, recopilación y análisis de la información, sensibilidad hacia temas medioambientales, etc.

4.3 Objetivos específicos de la experiencia: Los objetivos generales pueden concretarse en objetivos parciales, en los que se recogen los aspectos químicos, a incluir en el proceso de enseñanza-aprendizaje, necesarios para la resolución del problema real: • • • • • • • • • • •

Estudiar todas las implicaciones relacionadas con la Química que tiene un determinado problema Ser conscientes de la diversidad de conocimientos químicos necesarios (distintos temas, distintos conceptos de un mismo tema…) para resolver un problema real. Conocer la naturaleza y estructura de materiales orgánicos e inorgánicos Conocer la composición de materiales plásticos: sustancias base y aditivos Establecer las relaciones estructura-propiedades de los materiales Conocer la naturaleza de los componentes de algunos materiales compuestos Indagar en la evolución histórica del empleo de materiales Conocer y clasificar los diferentes tipos de residuos en función de su composición y propiedades Discernir entre las diferentes posibilidades de gestión de residuos Adquirir conciencia de la necesidad de aplicar un enfoque de sostenibilidad al estudio de la Química y de cualquiera de las materias estudiadas Ser conscientes de la importancia de la Ingeniería Civil en la consecución de un Desarrollo Sostenible

Considerando todos los objetivos indicados y el enunciado del posible problema, que puede actuar como punto de partida de la actividad, se recogen las fases de resolución que deberán abordarse, indicándose los conocimientos que se adquirirán en cada una de ellas.

4.4 Fases de resolución: •

Analizar la magnitud del problema: - Cantidad de neumáticos que se fabrican y se desechan anualmente en nuestro país - Componentes y naturaleza de los neumáticos - Historia de la composición de neumáticos - Buscar información sobre las estructuras, propiedades y usos de cauchos naturales y sintéticos - Deterioro ambiental y de uso de los neumáticos que provoca que queden inservibles y sean considerados como residuo - Problema ambiental que producen los residuos de neumáticos usados 4



Analizar las posibilidades de gestión de neumáticos usados: - Naturaleza polimérica de la sustancia base del neumático: tipo de polímero y posibilidades de reciclado y reutilización - Aplicaciones de los diferentes tipos de cauchos - Comparar las posibilidades de tratamiento de residuos plásticos según su naturaleza termoplástica, termoestable y elastomérica - Estudiar las posibilidades de tratamiento de neumáticos usados: reciclaje mecánico, químico y valorización energética. Ventajas e inconvenientes da cada uno de los métodos - Recabar información sobre la evolución a lo largo de los años del tratamiento y gestión de estos materiales. Evolución legislativa



Construcción de carreteras: - Estructura de los pavimentos de carretera: evolución histórica - Naturaleza de los betunes asfálticos: origen, tipos y naturaleza coloidal - Propiedades de los betunes que tratan de mejorarse para su aplicación en la construcción de carreteras - Búsqueda de mezclas y aditivos utilizados para la mejora de las propiedades de los betunes asfálticos. - Carreteras actuales: cimentación, bases y rodadura. Naturaleza de los materiales empleados en cada una de las capas y estructura en el caso de materiales compuestos - Buscar ejemplos de otros materiales compuestos de las siguientes naturalezas: inorgánicos-inorgánicos, orgánicos-orgánicos y orgánicos-inorgánicos. Usos de los mismos



Neumáticos usados en construcción de carreteras: - Componentes de los neumáticos: realizar un esquema del proceso de separación y posterior preparación del polvo de caucho - Mezcla para el material compuesto: polvo de caucho, áridos y betún. Interacciones que se producen, estructura de la mezcla y propiedades - Ventajas que se consiguen con la fabricación de pavimentos con el caucho de neumáticos usados en cuanto a propiedades de los mismos - Ventajas ambientales del uso de neumáticos usados en la construcción de carreteras - Otros componentes de los neumáticos además del caucho: posibilidades de aprovechamiento



Planteamientos de Desarrollo Sostenible en esta aplicación de Residuos sólidos (materiales usados) en Ingeniería - El empleo de neumáticos en construcción de carreteras ¿es una posibilidad de uso sostenible de recursos? - ¿Ayuda esta reutilización de neumáticos usados en la disminución de la contaminación ambiental? ¿En qué aspectos? - ¿Qué tipo de recursos naturales permite ahorrar este sistema? - En el mercado existen los denominados “neumáticos ecológicos”, ¿qué significado tiene ese término? Establecer una reflexión y debate sobre los aspectos a considerar para que ese denominación esté lo más acorde posible con un auténtico desarrollo sostenible de los recursos - ¿Qué es un análisis de Ciclo de Vida de un producto? 5

- ¿Cómo habría que realizar el análisis de ciclo de vida de los neumáticos en este caso? - ¿Qué aspectos económicos será necesario plantearse en este proceso?

4.5 Metodología de la actividad propuesta Dado que esta actividad, como ya se ha indicado, se plantea para un curso de primero de Ingeniería Civil se propone que se lleve a cabo de la siguiente manera: • • • • • • • •

División del Grupo de Clase en Grupos de trabajo de 4-5 personas Planteamiento del caso real a principio de curso a todos los componentes de los Grupos Reuniones iniciales con los Grupos de trabajo para indicarles con más detalle las fases de resolución, la metodología del trabajo colaborativo y la evaluación de los trabajos Desarrollo del programa de la asignatura en clases presenciales Reuniones de seguimiento con cada uno de los Grupos de trabajo, con plazos establecidos de antemano y evaluación continua del proceso Entrega de trabajos Exposición oral de trabajos con debate incluido Evaluación final de la actividad: funcionamiento de los diferentes Grupos, interés del problema propuesto, aprendizaje de la/s materia/s, complejidad del problema

5. Resultados y conclusiones Los principales resultados que se pueden obtener de la realización de la actividad podrían resumirse en los siguientes puntos: • • •

• • •



Se adquirirán muchos conocimientos químicos correspondientes al programa de la asignatura, tal como se ha mostrado a lo largo de la exposición: naturaleza y propiedades de diferentes materiales, naturaleza del estado coloidal, etc. Se establecerá una conexión clara entre los conocimientos adquiridos y su aplicación en un campo profesional propio de la Ingeniería Civil como son, entre otros, la construcción de firmes de carreteras y el tratamiento de residuos. Se podrá inducir a la discusión, la reflexión, el análisis crítico, la toma de decisiones sobre multitud de aspectos del problema mediante el planteamiento de preguntas, tales como: ¿qué consecuencias tiene la elección del método de tratamiento? ¿cómo incide en el medio ambiente ante la generación de residuos y el tratamiento de los mismos? ¿existe una legislación adecuada para el tratamiento de residuos?, etc. Se fomentarán de forma importante habilidades de trabajo colaborativo y toma de decisiones. Se impulsarán actividades de búsqueda y análisis crítico de la información. Se evidenciará la necesidad del trabajo interdisciplinar en la vida profesional ante la respuesta a preguntas del tipo: ¿qué tipo de conocimientos ha echado en falta en los distintos apartados? ¿con qué materias están más relacionados los diferentes aspectos del trabajo? Se contribuirá a la adquisición de otras competencias transversales y capacidades profesionales ya indicadas

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6. Bibliografía (1) IACEE, Internacional Association for Continuing Enginnering Education. Disponible en web http://dipoli.hut.fi/org/IACEE. (2) Collins, T. (2003). “Hacia una Química Sostenible”. En: Blound, E. y col. (coords.) Industria como naturaleza: hacia la producción limpia. Los libros de la Catarata. Madrid. 87-92 (3) Geiser, K. (2003). “Química Verde: diseño de procesos y materiales sostenibles”. En: Blound, E. y col. (coords.). Industria como naturaleza: hacia la producción limpia. Los libros de la Catarata. Madrid. 93-100 (4) Bernal, J.L.(2007). Pautas para el diseño de una asignatura desde la perspectiva de los ECTS. Universidad de Zaragoza. Disponible en web http://didac.unizar.es/jlbernal/inicial.html (5) Libro Blanco del Título de Grado en Ingeniería Civil. Disponible en web http://www.aneca.es/activin/activin_conver_LLBB.asp (6) Tuning Educational Structures in Europa. Disponible en web http://tuning.unideusto.org/tuningeu/ (7) Dirección de Investigación y Desarrollo Educativo, Vicerrectoría Académica. “El Aprendizaje Basado en Problemas como técnica didáctica”. Las estrategias y técnicas didácticas en el rediseño. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Disponible en web http://www.sistema.itesm.mx/va/dide/inf-doc/estrategias/ (8) Orozco, C., Pérez, A., González, N. (2006). Una motivación para el aprendizaje de la Química en las enseñanzas técnicas: su dimensión ambiental. IV Congreso Iberoamericano de Física y Química Ambiental. Cáceres, 22 al 26 de mayo. 483-491.

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