Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos

Épsilon - Revista de Educación Matemática 2019, nº 101, 147-155 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco Universidad de Santiago de Compostela Manuel García Piqueras Universidad de Castilla-La Mancha José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Universidad de Cantabria Resumen: En los últimos años investigadores han resaltado la importancia de trabajar las materias de forma interdisciplinar para aumentar el interés por las áreas STEM. Esta experiencia describe una actividad STEM basada en la resolución de problemas del ámbito de la química. En concreto las estudiantes modelizaron la evolución de dos reactivos en una reacción química, desempeñando un papel fundamental la función exponencial. La conexión entre la química y las matemáticas se efectúa gracias a la modelización, siendo un recurso idóneo para fomentar la adquisición de las competencias clave e integrar los contenidos de distintas áreas. Palabras clave: STEM, química, modelización, función exponencial, educación matemática Mathematical modelling of two chemical reactants evolution Abstract: In recent years, researchers have highlighted the importance of working the subjects in an interdisciplinary way, to increase the interest in the STEM areas. This experience describes a STEM activity based on the problem solving contextualized in the chemistry discipline. In particular, students modelled the evolution of two reactants in a chemical reaction, playing a key role the exponential function. The connection between mathematics and chemistry is made through modelling, being it a suitable resource to promote the acquisition of key competences and to integrate contents from different areas. Keywords: STEM, chemistry, modelling, exponential function, mathematics education 148 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco, Manuel García P., José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Épsilon, 2019, nº 101, 147-155, ISSN: 2340-714X INTRODUCCIÓN La Unión Europea ha detectado en los últimos años un interés decreciente por las áreas científico-tecnológicas, identificando un número insuficiente de graduados en ese ámbito (CEDEFOP, 2014; Kennedy y Odell, 2014; Thomas y Watters, 2015). Este hecho se considera preocupante para el futuro de los países europeos y han surgido distintas investigaciones que explican factores que conducen a la elección de estudios, identificando factores de género, sociales, culturales, económicos e institucionales (Hense et al., 2017; Krapp y Prenzel, 2011; Thomas y Watters, 2015). En particular, tiene una gran influencia la forma en que se enseñan las ciencias y las matemáticas en los centros, enfatizando en la necesidad de trabajar las materias de esos ámbitos interdisciplinarmente (Rocard, Csermely, Walwerg-Henriksson y Hemmo, 2007; Thomas y Watters, 2015). El término STEM proviene del acrónimo inglés Science, Technology, Engineering y Mathematics (en español ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas). Una actividad STEM integra los procesos de enseñanza-aprendizaje de al menos dos de las disciplinas mencionadas anteriormente, con el fin de obtener una solución a un problema contextualizado. Estas soluciones son abiertas y promueven la investigación científica a través de la resolución de problemas (Diego-Mantecón et al., 2017). La tendencia de trabajar las materias científico-tecnológicas de forma integrada mediante un aprendizaje basado en la investigación se refleja en la LOMCE1, ley actual de educación en España. Dicha ley enfatiza la adquisición de siete competencias clave, entre las que se encuentra la competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología, dejando constancia de la importancia que supone trabajar de forma interdisciplinar. En los contenidos, criterios de evaluación o estándares de aprendizaje evaluables de materias STEM se recogen aspectos que aluden a la necesidad de trabajar mediante un aprendizaje basado en la investigación a través de proyectos (RD 1105/2014, de 26 de diciembre; O. 65/2015, de 21 de enero). Para dar soporte a la educación STEM surgen proyectos nacionales e internacionales como STEMforYouth. STEMforYouth es un proyecto de la Unión Europea que proporciona, tanto al profesorado como al alumnado, problemas y cursos para su implementación (Diego-Mantecón, Sáenz de la Torre y Brzozowy, 2017; Brzozowy et al., 2017; Diego-Mantecón, García-Piqueras, Blanco y Ortiz-Laso, 2018). El material educativo generado dentro del proyecto se encuentra alojado en la plataforma de actividades OLCMS, por sus siglas en inglés ‘Open Learning Content Management System’ (en español: sistema de gestión de contenido de aprendizaje abierto)— https://olcms.stem4youth.pl/. Los recursos educativos de la plataforma son libres y se encuentran clasificados por disciplinas: astronomía, ciencia ciudadana, física, ingeniería, matemáticas, medicina, y química, en función del área que se involucra con mayor perseverancia en cada uno de los problemas contextualizados. Una de las funcionalidades que incluye la plataforma es un foro donde profesores y estudiantes valoran y comparten sus experiencias de implementación. 1. Ley Orgánica para la Mejora de la Calidad Educativa 149 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco, Manuel García P., José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Épsilon, 2019, nº 101, 147-155, ISSN: 2340-714X EXPERIENCIA La experiencia que aquí se presenta se enmarca en el proyecto STEMforYouth, y en particular dentro de su competición internacional. En esta competición estudiantes de varios países europeos participaron de forma colaborativa en el desarrollo de actividades STEM. Los estudiantes divididos en grupos de tres tenían edades comprendidas entre los 15 y los 19 años. Los temas centrales de la competición fueron: impresión 3D, uso de focos LED, aplicación de la función exponencial, y análisis de la calidad del aire. La estructura de los problemas en cada uno de los temas era muy similar, en primer lugar, se trabajaba la base teórica del problema, y posteriormente se aplicaba a situaciones contextualizadas. En este artículo se presenta, en concreto, una actividad de aplicación de la función exponencial para modelizar la evolución de dos reactivos en una reacción química. Esta experiencia estuvo liderada por una estudiante de nacionalidad serbia de 16 años, y completaban el equipo dos estudiantes españolas de 1º de Bachillerato del IES Tomás Navarro Tomás de 16 y 17 años. El equipo estuvo supervisado por dos mentores de nacionalidad serbia y española, ambos profesores de los centros donde las estudiantes están matriculadas. La actividad se realizó en el curso académico 2017/2018 y tuvo una duración de siete semanas y media. Las tres estudiantes tienen un rendimiento académico alto, con un gran interés en el ámbito científico-tecnológico. Dada la muestra de estudiantes, el proceso de implementación de la actividad se desarrolló íntegramente en lengua inglesa. IMPLEMENTACIÓN EN EL AULA A continuación, se describe el proceso de implementación de la actividad. Se trabajaron aspectos teóricos de las matemáticas, mayoritariamente del ámbito de las funciones, y la aplicación de estos en diferentes disciplinas. En el proceso de aplicación desempeñó un papel fundamental la modelización matemática, reforzando los contenidos matemáticos e involucrando conocimientos de las otras disciplinas. La actividad se presenta dividida en tres partes con objetivos bien diferenciados. La primera parte, abarca la tarea (I) y pretende dar a los estudiantes una base teórica de la función exponencial. La segunda parte, que comprende las tareas (II) y (III), se centra en la aplicación de las matemáticas en diferentes áreas para resolver problemas contextualizados. La última parte, tarea (IV), tiene como objetivo la puesta en común de los resultados. A continuación, se explica el objetivo principal de cada una de las tareas, así como el tiempo de implementación. • (I) fundamentos teóricos de la función exponencial, que pretendía que comprendiesen la diferencia entre función exponencial y lineal, así como la comprensión de los parámetros de la exponencial (1 semana). • (II) modelización matemática, que permitió establecer modelos matemáticos en problemas de diferentes disciplinas (física, química, biología o economía) (2.5 semanas). 150 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco, Manuel García P., José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Épsilon, 2019, nº 101, 147-155, ISSN: 2340-714X • (III) análisis de datos experimentales, donde los alumnos dedujeron si conjuntos de datos contextualizados se aproximan a una función exponencial (2.5 semanas). • (IV) revisión: puesta en común de las tareas realizadas por las estudiantes y redacción de la documentación a entregar (1.5 semanas). Las tareas (I) y (IV) fueron realizadas por las tres estudiantes. De esta forma, adquirieron una base teórica necesaria para resolver cada una de las tareas, y pusieron en común los resultados obtenidos. El resto de tareas se realizaron individualmente. Especial importancia tuvo la tarea (IV) donde las estudiantes ponían en común sus resultados para elaborar un documento final y preparar la defensa de la actividad que realizaron frente a los evaluadores. Además de resolver problemas en las distintas tareas, las estudiantes tenían que presentar un documento de texto en lengua inglesa que ha sido enviado a través de la plataforma OLCMS para su evaluación como parte de la competición internacional. Dicho documento recoge el proceso de implementación de la actividad, así como la resolución de cada uno de los problemas. También, realizaron una presentación power point para mostrar los resultados más significativos de la actividad ante el jurado mediante videoconferencia. Debido a la extensión de la actividad, en este documento se presenta uno de los problemas de la tarea (IV) modelización matemática. Los demás problemas contextualizados se encuentran disponibles en inglés en el siguiente enlace: https://ocs-pl.oktawave.com/ v1/AUTH_385fff76-290b-43da-b2fc-96b1c08bce24/olcmsProd/medialibrary/2018/01/ Expotential_Function_Problem.pdf Para resolverlos, las estudiantes utilizaron las hojas de cálculo y la calculadora gráfica del software de geometría dinámica GeoGebra. Este recurso didáctico tuvo especial importancia, permitiéndolas variar fácilmente los parámetros a través de deslizadores. De esta forma, representaban el modelo planteado, establecían la coherencia de dicho modelo o identificaban tendencias en el comportamiento de la función. EJEMPLO DE MODELIZACIÓN: EVOLUCIÓN DE DOS REACTIVOS QUÍMICOS En esta sección detallaremos el problema de la tarea (IV) modelización matemática, enunciado en la Tabla 1. Apartado (i). Para estudiar cómo varía la concentración de dos reactivos, las estudiantes consideraron dos valores iniciales de C1 y C2. En primer lugar, utilizaron la hoja de cálculo de GeoGebra, para obtener una visión local de cómo varía la función en cada iteración. En la Figura 1, se muestra la hoja de cálculo donde se simula la variación de dos reactivos a lo largo del tiempo. Utilizando la condición la concentración de cada uno de ellos disminuye proporcionalmente al producto de sus concentraciones, introdujeron un constante positiva ConstantDecay menor que la unidad. Las estudiantes analizaron casos particulares para ver cómo variaba la función lo que las llevó a generalizar a través de las siguientes funciones: 151 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco, Manuel García P., José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Épsilon, 2019, nº 101, 147-155, ISSN: 2340-714X C1 (t+1) = C1 (t) − ConstantDecay ∙ C1 (t)∙C2 (t) C2 (t+1) = C2 (t) − ConstantDecay ∙ C1 (t) ∙ C2 (t) Representando las columnas E (en color rojo, Figura 1) y F (en color azul, Figura 1) obtenidas en la hoja de cálculo, las estudiantes concluyeron que el conjunto de puntos generados para ambos reactivos, se podrían aproximar a una función exponencial. Las estudiantes utilizaron el comando FitExp[<Lista de Puntos>] de GeoGebra, para aproximar los conjuntos de datos a un modelo exponencial. La Figura 2 muestra los dos conjuntos de puntos (en rojo) y (en azul), que son aproximados a una función exponencial, respectivamente, y . Para determinar la calidad del ajuste, utilizaron el comando RSquare[< Lista de Puntos >, <Función> ] de GeoGebra. Esto las permitió obtener que el Tabla 1. Evolución de dos reactivos en una reacción química. Se puede suponer que dos reactivos químicos reaccionan de acuerdo con la siguiente ley: en un intervalo de tiempo dado, la disminución de la concentración de cada uno de los reactivos es proporcional al producto de sus concentraciones en cada momento. Además, los cambios en C1 y C2 son iguales siempre. • (i) Utiliza una hoja de cálculo para elaborar un modelo matemático que muestre la evolución de la concentración en cada uno de los casos. Verifica si en alguno de los modelos de C1 o C2 la concentración disminuye siguiendo una función exponencial. • (ii) Intenta cambiar la diferencia D entre los valores de C1 y C2. ¿Se aproxima ahora una de las dos curvas a una función exponencial? Figura 1. Hoja de cálculo que simula la disminución de la concentración de dos reactivos químicos. 152 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco, Manuel García P., José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Épsilon, 2019, nº 101, 147-155, ISSN: 2340-714X coeficiente de correlación es cercano a 1, lo que indica que la función aproximada es una buena aproximación como puede observarse en la figura 2. Lo anterior confirmó la hipótesis de que el proceso reproducido, la variación de las concentraciones de los reactivos, seguía una función exponencial respecto del tiempo. Apartado (ii). Para la realización de esta parte, las alumnas crearon dos deslizadores que les permitieron variar fácilmente las concentraciones de los reactivos, así como el valor de constante ConstantDecay. Las estudiantes identificaron que cuanto menor era la concentración mejor se ajustaba a una función exponencial. Los resultados se pueden ver en la Figura 3. EVALUACIÓN A continuación, se presenta una evaluación desde dos perspectivas: adaptación al currículum español y evaluación en el aula. Adaptación al currículum Esta actividad es idónea para trabajar las competencias clave enunciadas en el Real Decreto 1105/2014 (de 26 de diciembre) y la Orden 65/2015 (de 21 de enero). En concreto, se trabaja la competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología, competencia digital, competencia lingüística y competencia de aprender a aprender. Figura 2. Funciones exponenciales generadas a partir de las concentraciones químicas C1 y C2 153 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco, Manuel García P., José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Épsilon, 2019, nº 101, 147-155, ISSN: 2340-714X Las estudiantes aplicaron conocimientos matemáticos para adquirir nuevo conocimiento del ámbito de las matemáticas, la química y la tecnología. Cabe destacar, que la actividad trata aspectos teóricos y prácticos a través de la modelización con el objetivo de obtener la solución de un problema contextualizado y deducir propiedades de las funciones. Estos hechos implican un desarrollo de la competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología. Las estudiantes emplearon recursos tecnológicos para resolver problemas y difundir los resultados obtenidos en la actividad, fomentando su competencia digital. Ha sido especialmente beneficioso la incorporación del software de geometría dinámica GeoGebra, ayudándolas a comprobar e interiorizar las propiedades de las funciones. Además de trabajar las competencias relacionadas con el ámbito STEM, desempeña un papel fundamental la competencia lingüística tanto de forma oral como escrita. Las estudiantes han escrito una memoria final de la actividad y una presentación que recoge aspectos relevantes de la misma. Además, realizaron varias videoconferencias con homólogos y evaluadores en lengua inglesa para informarse sobre el estado de las tareas o defender su proyecto. En esta actividad el conocimiento se ha ido adquiriendo gradualmente, reforzándolo a lo largo de la actividad en distintas tareas. Como consecuencia, las estudiantes han estado continuamente en contacto para planificar la actividad, explicar y supervisar el estado de las tareas, o evaluar los resultados, desarrollando aspectos destacados de la competencia de aprender a aprender. Figura 3. Ajuste de las concentraciones C1(t) (en rojo) y C2(t) (en azul) mediante las funciones exponenciales. 154 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco, Manuel García P., José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Épsilon, 2019, nº 101, 147-155, ISSN: 2340-714X Evaluación en el aula El profesorado no ha realizado una evaluación cuantitativa de la misma, pero se ha seguido diariamente el trabajo de las estudiantes. Esto ha permitido detectar que una de las mayores dificultades con las que se encontraron las alumnas fue el uso de la herramienta GeoGebra. A pesar de que ya lo habían utilizado con anterioridad, no tenían suficiente dominio en la hoja de cálculo, los deslizadores y ciertas funciones de ajuste matemático. Otro aspecto importante a resaltar en la evaluación de esta actividad fue el hecho de que las alumnas pudieran comprobar la potencialidad de este programa, al aplicarlo a problemas contextualizados, para elaborar hipótesis, contrastarlas y obtener soluciones. A nivel general, trabajar en un contexto internacional ha supuesto una gran motivación para los profesores y las estudiantes; mostrando estas últimas una disposición muy favorable hacia el aprendizaje en el ámbito STEM. CONCLUSIÓN La actividad STEM que se ha presentado es parte de la competición internacional del proyecto STEMforYouth. Se trata de una actividad basada en la investigación y el aprendizaje colaborativo que involucra principalmente tres áreas del conocimiento: matemáticas, química y tecnología. Las estudiantes debían resolver problemas contextualizados utilizando aspectos teóricos y prácticos de las matemáticas, para conectarlos con las otras áreas. Las matemáticas desempeñan un papel fundamental en el ámbito STEM, especialmente cuando se explica un fenómeno contextualizado con el objetivo de dar predicciones a través de modelos. En muchos casos, el nexo entre los contenidos matemáticos y otras disciplinas se produce gracias a la modelización. Se trata de una herramienta idónea para integrar contenido de distintas áreas, así como desarrollar competencias clave del currículo LOMCE en las aulas de secundaria. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido financiado por el proyecto STEM4youth: Promotion of Stem Education by Key Scientific Challenges and their Impact on our Life and Career Perspectives, dentro del Programa Horizon 2020 (H2020Seac-2015-1710577); y por el FEDER/ Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades – Agencia Estatal de Investigación/ _Proyecto EDU2017-84979-R. REFERENCIAS Brzozowy, M., Hołownicka, K., Bzdak, J., Tornese, P., Lupiañez-Villanueva, F., Vovk, N., … Moussas, X. (2017). Making STEM education attractive for young people by presenting key scientific challenges and their impact on our life and career perspectives. 155 Modelización matemática de la evolución de dos reactivos químicos Teresa F. Blanco, Manuel García P., José Manuel Diego-Mantecón y Zaira Ortiz-Laso Épsilon, 2019, nº 101, 147-155, ISSN: 2340-714X En International Technology, Education and Development Conference INTED2017 (pp. 9948–9957). Valencia: IATED. CEDEFOP. (2014). Rising STEMs. Recuperado el 17 de abril de 2018, de http://www.cedefop. europa.eu/en/publications-and-resources/statistics-and-indicators/statistics-and-graphs/ rising-stems Diego-Mantecón, J. M., Bravo, A., Arcera, O., Cañizal, P., Blanco, T. F., Recio, T., González-Ruiz, I. e Istúriz, M. P. (2017). Desarrollo de cinco actividades STEAM con formato KIKS. En Federación Española de Sociedades de Profesores de Matemáticas (eds.). VIII Congreso Iberoamericano de Educación Matemática (pp. 357-365). Madrid: Federación Española de Sociedades de Profesores de Matemáticas. Diego-Mantecón, J.M., García-Piqueras, M., Blanco, T. F. y Ortiz-Laso, Z. (2018) Problemas en contextos reales para trabajar las matemáticas— Plataforma STEMforYouth. 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