 |
 Importancia
de la geometría molecular
En el estudio de las propiedades de los distintos tipos de sustancias, es muy importante que los estudiantes lleguen a explicar las propiedades observables a nivel macroscópico con la estructura química microscópica de las distintas sustancias. Distintos autores han profundizado sobre la conveniencia de diferenciar y relacionar, en la enseñanza de la Química, entre el nivel macroscópico de la descripción de las sustancias y de los cambios químicos, y el nivel microscópico de interpretación mediante los átomos y las moléculas. Hay propiedades de las sustancias moleculares (solubilidad, estado físico, propiedades eléctricas, reactividad química) que dependen fundamentalmente de que sus moléculas sean o no polares (sean o no dipolos), siendo la geometría molecular uno delos dos factores determinantes de este carácter polar o apolar (Furió y Calatayud 1996). De aquí la importancia que tiene saber la geometría molecular, pues sin ella no es posible deducir si una molécula es polar o no. La estructura molecular está en la base del estudio de la química y de la bioquímica. Las moléculas, como todo objeto material, poseen una forma y tamaño, son tridimensionales. La variedad de las formas moleculares es fascinante. Existen moléculas alargadas, las hay que son redondeadas, algunas son planas, mientras que no son infrecuentes las que forman anillos e incluso se conocen moléculas helicoidales y hasta con simetría esférica como las moléculas de fullereno. Curiosamente, a pesar de vivir en un mundo tridimensional, compuesto de moléculas tridimensionales, a muchos estudiantes les cuesta entender, reconocer o pensar sobre problemas químicos en tres dimensiones. Muchos cursos básicos de química no consiguen introducir adecuadamente la geometría molecular, lo que produce que muchos estudiantes tengan un concepto plano de la química y desconectado de muchos aspectos de la realidad que implican la tridimensionalidad molecular.
El estudio de todos aquellos aspectos de la química y biología relacionados con la forma tridimensional de las moléculas se facilita con el uso de los modelos de estructuras moleculares (bolas y varillas, de rellenado, de esqueleto, etc). Estos modelos analógicos son muy útiles en el inicio del estudio de la química, ya que es importante que los estudiantes visualicen las moléculas con su aspecto tridimensional y consigan relacionar la geometría molecular con algunas de las propiedades macroscópicas de las sustancias moleculares. Se ha demostrado que los alumnos mejoran en el aprendizaje significativo de la geometría molecular cuando manejan modelos moleculares de distinto tipo (Ingham et al 1991). Es difícil que los modelos moleculares impresos sean todo lo efectivos que sería deseable ya que la representación en una superficie plana de un modelo que trate de reflejar tridimensionalidad, en muchos casos, tiene deficiencias. Existen distintos kits comerciales de piezas de plástico, madera o metal e incluso de papel, con los que se pueden construir materialmente modelos moleculares pero el uso de éstos en el aula está limitado debido a la gran cantidad de piezas necesarias para que todos los estudiantes puedan fabricar sus modelos moleculares.
La nueva tecnología informática juega un papel muy importante en el campo de la visualización espacial de modelos moleculares ya que facilita la elaboración y el uso de los mismos. La ventaja del uso de los modelos moleculares informatizados para ilustrar y explorar fenómenos en el contexto de la enseñanza de la química se fundamenta en la facilidad de la construcción de moléculas de cualquier tamaño, color y presentación. Existen diversas aplicaciones informáticas de edición y de visualización de modelos moleculares tanto en 2D como en 3D. La mayor parte de estos programas generan y visualizan modelos tridimensionales y permiten distintas manipulaciones, tales como giros, traslaciones, presentación de los distintos tipos de modelos moleculares, etc. Los resultados de la investigación sobre el uso de la tecnología en las innovaciones educativas parecen indicar que tienen efectos beneficiosos en el aprendizaje de las Ciencias (Gabel 1998, Linn 1998). En particular, y por lo que respecta a la visualización de la estructura y movimiento de las moléculas, promete ser bastante eficaz para ayudar a aumentar la capacidad de percepción espacial de los estudiantes. En la bibliografía existen
distintos ejemplos de cómo las herramientas aportadas por las Nuevas
Tecnologías mejoran el proceso de enseñanza-aprendizaje de
los temas relacionados con la geometría molecular. Así se
ha mostrado la superioridad del uso de simulaciones dinámicas informatizadas
de átomos y moléculas sobre el uso de representaciones estáticas
(Williamson y Abraham 1995). Parril y Gervay (1997b) señalan que
un programa informático con representaciones multimedia favorece
el aprendizaje de las biomoléculas. También se ha descrito
cómo el uso de modelos moleculares informatizados mejoran la visualización
y la comprensión de distintos conceptos de química orgánica
(Dori y Barnea 1977, Barnea 1977).
En la World Wide Web existen múltiples lugares relacionados con la geometría molecular que explotan las posibilidades del Chemscape Chime (Chime), un plug-in para navegadores de páginas HTML creado por MDL Information System (http://www.mdli.com). Este plug-in es de libre distribución con fines educativos y tiene interesantes posibilidades en el aprendizaje de la tridimensionalidad en química. Cuando Chime está instalado en el navegador, se visualizan directamente en las páginas HTML las estructuras moleculares tridimensionales a partir de ficheros de coordenadas moleculares con formato pdb, entre otros, embebidos en dichas páginas. Las moléculas que aparecen en las páginas Web no son simples imágenes, sino que son moléculas activas que permiten la interactividad. El usuario puede realizar sobre las moléculas que aparecen en la pantalla distintas manipulaciones, entre ellas giros, desplazamientos y cambios de tamaño. También se puede cambiar el tipo de representación molecular: alambre, varillas, bolas y varillas, esferas de espacio relleno , entre otras.
Basándonos en la posibilidad de elaborar páginas web en las que se pueden visualizar moléculas activas, hemos diseñado Sustancias Moleculares y Geometría Molecular un programa de actividades hipermedia para el aprendizaje de la geometría y polaridad de las moléculas dirigido a alumnos de COU y 2º curso de Bachillerato. Sustancias Moleculares y Geometría molecular pretende desarrollar solamente una parte del tema Enlace químico y propiedades de las sustancias, se supone que los alumnos, antes de abordar las actividades que proponemos, ya habrán estudiado distintos conceptos básicos relacionados con el tema. En este Programa de Actividades, además de moléculas activas, se integran distintos contenidos infográficos como texto, sonido, imágenes y fragmentos de vídeo. Las imágenes de los modelos moleculares permiten interactividad con el usuario. El objetivo de Sustancias Moleculares y Geometría Molecular es facilitar el aprendizaje de los aspectos tridimensionales básicos en química modificando la metodología de las clases de dos formas: usando recursos de las Nuevas Tecnologías y basando las clases más en el aprendizaje por investigación dirigida del alumnado que en el aprendizaje por recepción clásico. De esta forma, pretendemos contribuir a la innovación educativa, sin restringirla al campo puramente tecnológico, sino ampliándola al proceso de investigación-acción de acuerdo con una enseñanza de orientación constructivista.
En la elaboración del producto informático que presentamos, además del aspecto técnico, hemos tenido en cuenta su integración en un enfoque didáctico basado en el modelo de enseñanza/aprendizaje por investigación dirigida (Furió 1994). Pensamos que el uso del ordenador en la enseñanza de las ciencias ha de estar integrado en un marco de orientación constructivista basado en un modelo de cambio conceptual, metodológico y actitudinal e incluyendo estrategias de enseñanza para un aprendizaje como investigación dirigida. Las estrategias de enseñanza esenciales que hemos tenido en cuenta para favorecer el aprendizaje planteado como investigación dirigida son las propuestas por Gil y colaboradores (Gil et al 1999). El diseño de un programa de actividades está en la línea de la conveniencia de transformar el currículo en programas de actividades resaltada en los años setenta por Furió y Gil (1978) y recogida en las orientaciones para el diseño de unidades didácticas publicadas por el M.E.C. Esta idea de programas de actividades como una nueva concepción del currículo ha recibido un fuerte apoyo desde concepciones constructivistas (Driver y Oldham 1986). Estas oncepciones afirman que quizá la más importante implicación del modelo constructivista sea "no concebir el currículo como un conjunto de conocimientos y habilidades, sino como el programa de actividades a través del cual dichos conocimientos y habilidades pueden ser construidos y adquiridos". Es muy importante tener en cuenta que, como el programa de actividades está realizado en soporte informático, los alumnos lo visualizan en su totalidad en un ordenador aunque existan actividades que no necesiten su utilización. Las actividades se llevan a cabo en un aula de informática del centro y se trabaja en grupos de tres o cuatro alumnos, cada uno de ellos con un ordenador. El profesor está presente durante el trabajo de los alumnos ya que el programa de actividades está diseñado para que sea el profesor el que dirija la introducción de actividades y ayude a los estudiantes con su experiencia. Los grupos abordan las distintas cuestiones y, después de cada actividad, se realizan puestas en común, dirigidas por el profesor. Esta metodología permite al profesor reformular y sintetizar las aportaciones de los distintos grupos, añadir información complementaria y orientar e introducir las actividades posteriores. Es muy importante indicar que después de la puesta en común de cada actividad o conjunto de actividades el profesor hará una recapitulación de lo visto e introducirá la siguiente actividad o apartado haciendo verbalmente las conexiones entre las actividades. Hemos procurado siempre que las
actividades propuestas no estén ni muy por encima ni muy por debajo
de las capacidades del alumnado, pues podrían ser percibidas como
alejadas de sus posibilidades o carentes de interés. En ambos casos
se puede generar un rechazo o actitudes pasivas frente a la solución
del problema.
1. Introducir a los estudiantes
en la búsqueda de la relación entre el nivel macroscópico
2. Ayudar a que se superen las dificultades que tienen los estudiantes de Bachillerato y COU para desarrollar destrezas o habilidades de percepción espacial en el dominio de la geometría y polaridad de las moléculas. 3. Utilizar las Nuevas Tecnologías Informáticas en la elaboración de materiales escolares, como una herramienta para mejorar el proceso de enseñanza/aprendizaje. 4. Modificar la metodología de las clases de química en el campo del estudio de la geometría molecular, introduciendo alternativas de innovación educativa que ayuden a desarrollar la capacidad de percepción espacial de los estudiantes en este campo. 5. Desarrollar nuevas estrategias en el proceso de aprendizaje teniendo en cuenta los avances de la orientación constructivista de la Enseñanza de las Ciencias y en particular el modelo de aprendizaje por investigación dirigida. 6. Favorecer estrategias para que
el alumno desarrolle su propia investigación en su proceso de aprendizaje
en lugar de ser un mero receptor de conocimientos elaborados.
El programa de actividades SUSTANCIAS MOLECULARES Y GEOMETRÍA MOLECULAR consta de una introducción y cuatro apartados. A continuación pasamos a describir la secuencia de contenidos que marca el hilo conductor de las actividades. En la Introducción se plantea cuál es el problema a resolver y por qué tiene interés el estudio de la relación entre la estructura de las moléculas y las propiedades de las sustancias moleculares. Al abordar el primer apartado, Propiedades de las sustancias moleculares, y considerar las propiedades de las sustancias moleculares comparándolas con las del resto de sustancias, los estudiantes recuerdan algunos prerrequisitos conceptuales necesarios para el tema que van a abordar y pueden llegar a la conclusión que, macroscópicamente, existen dos tipos de sustancias moleculares, las polares y las apolares. Con el segundo apartado, ¿A qué se debe que existan sustancias polares y apolares?, se favorece que los alumnos busquen una relación entre el nivel macroscópico y el microscópico de interpretación de la estructura de estas sustancias; se introducirá el concepto de polaridad de las moléculas como hipótesis de trabajo, las sustancias polares y apolares estarán formadas por moléculas polares y apolares, respectivamente. Al considerar qué es lo que hace que una molécula sea o no polar se llegará a la conclusión de que la distribución de sus cargas parciales en el espacio es un factor esencial para poder determinar la polaridad de dicha molécula. Al final de este apartado, han de tener claro que para poder inferir e interpretar distintas propiedades de una sustancia molecular hay que averiguar si sus moléculas son o no polares. Será necesario conocer los enlaces y la geometría de las mismas y llegar a la conclusión de que la geometría de las moléculas es un factor primordial para determinar su polaridad. En efecto, una vez conocida la geometría de la molécula y determinadas las cargas parciales positivas y negativas que existen en ella, si el centro de gravedad de las cargas parciales negativas coinciden con las positivas, la molécula será apolar y si no coinciden será polar. El tercer apartado, ¿Qué forma tienen las moléculas?, como es lógico es el más largo ya que está dedicado a la geometría molecular. En primer lugar se consideran cuestiones de tipo funcional y manipulativo. Es muy importante que, antes de adentrarse en el estudio de la geometría molecular, los alumnos y las alumnas se familiaricen con las formas geométricas más comunes que adoptan moléculas del tipo AXn, con el modelo físico molecular de bolas y varillas, y manipulen las moléculas activas que aparecen en el ordenador. Facilitará el análisis de la estructura molecular el hecho de que también conozcan las fórmulas estructurales de las moléculas y que sean capaces de relacionarlas con las representaciones 3D. Posteriormente, se introducen las variables moleculares necesarias (longitudes y ángulos de enlace) para determinar la geometría molecular. Al final del apartado los estudiantes habrán podido construir la idea de que un parámetro a tener en cuenta para determinar la forma molecular es el número total de pares de electrones enlazantes y solitarios alrededor del átomo central. Es conveniente que reflexionen y discutan entre ellos un algoritmo para poder predecir la geometría molecular de las moléculas de una sustancia dada. En todo momento se hacen análisis cualitativos de los conceptos relacionados con el tema ya que en nuestro caso, y en el nivel que nos ocupa, no se requieren cálculos matemáticos. El cuarto apartado, Predicción de propiedades de sustancias moleculares, plantea situaciones en las que los estudiantes tienen que aplicar los conceptos aprendidos en los apartados anteriores y en las que se vuelve a relacionar el mundo macroscópico con el microscópico; en algunas de ellas podrán establecer relaciones Ciencia /Técnica/ Sociedad. El último apartado, Otras cuestiones relacionadas con la geometría molecular, plantea cuestiones que amplían más el panorama de la geometría molecular. En este nivel, ya han estudiado cuestiones básicas relacionadas con distintos tipos de biomoléculas y pueden intuir la importancia que tiene la geometría molecular en muchos procesos biológicos. Entenderán que la geometría y polaridad moleculares son conceptos con un mayor grado de complejidad que el estudiado en la unidad y que tienen implicaciones de gran interés tanto en el campo de la química como en el de la bioquímica; considérese, por ejemplo, su importancia en la lucha contra enfermedades como el SIDA. Algunas de estas últimas actividades pueden abrir nuevas perspectivas de estudio, como la estereoisomería que, aunque está fuera de los objetivos perseguidos, es interesante dejar como perspectiva de futuras investigaciones al final del Programa de Actividades.
BARNEA, N. 1997. The use of computer-based analog models to improve visualization and chemical understanding. Comunicación presentada en el I Congreso E.S.E.R.A., septiembre 1997, Roma. DORI, Y.J. and BARNEA, N., 1997. In-service chemistry teachers´ training: the impact of introducing computer technology on teachers´ attitudes and classroom implementation. International Journal of Science Education, 19 (5), p. 577-592. DRIVER, R. AND OLDHAM, V., 1986. A Constructivist Approach to Curriculum Development in Science. Studies in Science Education,13, p. 105-122. FURIÓ, C.,1994. La enseñanza-aprendizaje de la ciencia como investigación: un modelo emergente, en Proceedings Science and Mathematics Education for the 21st. Century: Towards innovetory approaches, 26 set-4 oct., Universidad de Concepción, Concepción (Chile), p. 159-168. FURIÓ, C. Y CALATAYUD, M.L., 1996. Difficulties with the Geometry and Polarity of Molecules: Beyond Misconceptions. Journal of Chemical Education. 73 (1), p. 37-41. FURIÓ, C. y GIL. D., 1978. El Programa-guía: una propuesta para la renovación de la didáctica de la Física y Química. (ICE de la Universidad de Valencia: Valencia). GABEL, D., 1998. The Complexity of Chemistry and Implications for Teaching. En Fraser, B. y Tobin, K. (ed.) International Handbook of Research on Science Teaching and Learning. (Ed. McMillan Pub. Co.: New York). GIL PÉREZ, D., FURIÓ MÁS, C., VALDÉS, P., SALINAS, J., MATÍNEZ-TORREGROSA, J., GUISASOLA, J., GONZÁLEZ, E., DUMAS-CARRÉ, A., GOF-FARD, M. Y PESSOA DE CARVALHO, A. 1999. ¿Tiene sentido seguir distinguiendo entre aprendizaje de conceptos, resolución de problemas de lápiz y papel y realización de prácticas de laboratorio?. Enseñanza de las Ciencias, 17 (2), p. 311-320. INGHAM, A., POLYTECHNIC, T. AND GILBERT, J., 1991. The use of analogue models by students of chemistry at higher education level. International Journal of Science Education, 13 ( 2), p. 193-302. LINN, M, 1998. The Impact of Technology on Science Instruction: Historical Trends and Current Opportunities. En Fraser, B. Y Tobin, K. (ed.) International Handbook of Research on Science Teaching and Learning. (Ed. McMillan Pub. Co.: New York). PARRIL, A.L. AND GERVAY, J., 1997a. Discovery-Based Stereochemistry Tutorials Available on the World Wide Web, Journal of Chemical Education, 74, p.329. PARRIL, A.L., and GERVAY, J., 1997b. Fostering Curiosity-Driven Learning through Interactive Multimedia Representations of Biological Molecules. Journal of Chemical Education, 74, p.1141-1142. WILLIAMSON, V.M. & ABRAHAM, M.R., 1995, The Effects of Computer Animation on the Particulate Mental Models of College Chemistry Students, Journal of Research in Science Teaching, 32, p. 521-534.
|
