Redalyc. Enseñanza de la Química General a través de la Ciencia

Journal of Materials
Education
University of North Texas
[email protected]
ISSN: 0738-7989
MÉXICO
2001
Elliot P. Douglas
ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA GENERAL A TRAVÉS DE LA CIENCIA DE
MATERIALES
Journal of Materials Education, año/vol. 23, número 1-3
University of North Texas
Denton, México
pp. 93-98
Journal of Materials Education Vol. 23 (1-3): 93-98 (2001)
ENSEÑANZA DE LA QUÍMICA GENERAL A TRAVÉS DE LA
CIENCIA DE MATERIALES
Elliot P. Douglas
Department of Materials Science and Engineering, University of Florida, Gainesville, FL 32611,
USA.
RESUMEN
Hemos desarrollado un nuevo curso de Química de Materiales para principiantes con el propósito de
mejorar la retención en el programa de ingeniería. Este curso de Química de los Materiales es
completamente diferente de otros cursos introductorios de materiales en los que el programa inicial
de estudios estándar de materiales no está cubierto (difusión, mecanismo de fortalecimiento,
diagramas de fase eutéctica, etc.) Más bien su propósito es enseñar aplicaciones de conceptos básicas
de química en ingeniería. Este curso se compone de cuatro unidades básicas: estructuras atómicas,
moleculares y súpermoleculares; reacciones químicas; química física; y materiales biológicos. Cada
una de esas unidades contiene temas diseñados para mostrar cómo los conceptos básicos de química
se pueden aplicar a problemas de ingeniería. Por ejemplo, la tecnología del visualizador de cristal
líquido es utilizada para enseñar el concepto de forma molecular. El curso incluye también una
sección de laboratorio. Este artículo describirá los contenidos detallados del curso y su relación con
el programa de estudios de ingeniería.
Palabras clave: química de materiales, programa de estudios de licenciatura
INTRODUCCIÓN
Existe una mayor conciencia de la necesidad de
introducir a los principiantes, quienes han
escogido ingeniería como su especialidad, a los
conceptos de ingeniería. Un método consiste en
crear programas integrados para el primer año
de estudios1. Estos programas de estudio
intentan integrar la ciencia básica (Ej. química,
física, matemáticas) a la ingeniería. El método
podrá involucrar cursos individuales, bloques
de curso o un programa de estudios completo
para principiantes. Los resultados sugieren que
esos métodos son exitosos, teniendo mayor
retención y promedios más altos de
calificaciones. La atracción de este método en
consideración a la ingeniería ha sido dada a
conocer en un reportaje de la Fundación
Nacional para la Ciencia2, que concluye que “la
atracción de química y física...se podría mejorar
con un mayor énfasis hacia temas relacionados
con los materiales que ayudaría a los
estudiantes a relacionar mejor sus estudios con
el ‘mundo real’.”
Con esto en mente hemos desarrollado un
nuevo curso llamado Química de los
Materiales. El propósito de este curso es
facilitar aplicaciones en ingeniería de conceptos
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básicos de química para un nivel de
principiantes. Este artículo describe el papel de
este curso dentro del programa de estudios de
ingeniería de la Universidad de Florida, aporta
una descripción del contenido del curso y
algunos resultados preliminares de evaluación.
LA FUNCIÓN DEL CURSO
El primer año del programa de estudios de
ingeniería de la Universidad de Florida se
dedica fundamentalmente a satisfacer la ciencia
general, redacción científica y requisitos de
humanidades. Ninguna de las subdivisiones
oficiales de cualquier programa de ingeniería
contiene un curso básico de ingeniería en el
primer año. Los cursos del primer año de
estudiantes que se especializan en la Ciencia de
los Materiales e Ingeniería se muestran como
ejemplo en la Tabla I. Existen solamente dos
opciones para que un estudiante obtenga un
contenido de ingeniería en su primer año.
Algunos estudiantes eligen cursar
Tabla I. Cursos del primer año para estudiantes
especializados en Ciencia de Materiales e
Ingeniería
Semestre
1
Curso*
Ciencias
Sociales
y
del
Comportamiento (3)
Humanidades (3)
Geometría Analítica y Cálculo 1
(4)
Química 1 (3)
Laboratorio de Química 1 (1)
2
Humanidades (3)
Redacción Científica (3)
Geometría Analítica y Cálculo 2
(4)
Química 2 (3)
Laboratorio de Química 2 (1)
*Los créditos se muestran entre paréntesis.
Introducción a la Ingeniería. Éste es un curso de
un crédito en el cual los estudiantes visitan un
departamento por una semana para aprender
sobre este tipo de disciplina en ingeniería en lo
específico. Este curso principalmente sirve a los
estudiantes para familiarizarse con los
diferentes tipos de ingeniería y no incluye
ningún contenido técnico riguroso. Los
estudiantes capaces de sobresalir en alguno de
los cursos de ciencia para principiantes, podrán
elegir cursos introductorios de ingeniería (Ej.
Estadística, Circuitos, etc.) Sin embargo por lo
general, los estudiantes que se aceptan en el
Colegio Universitario de Ingeniería no tienen
ningún contacto con contenidos de ingeniería
en su primer año. Así es que el curso de
Química de los Materiales fue desarrollado para
satisfacer esta necesidad.
Otra consideración importante en el desarrollo
de este curso fue el efecto que podría tener en
los estudiantes provenientes de otros colegios
universitarios. El acuerdo de vinculación entre
el Sistema de Universidades del Estado y el
Sistema de Colegios Universitarios de Florida
manifiesta que todos los cursos equivalentes
tienen que estar disponibles en las
universidades y en los colegios universitarios
permitiendo a los estudiantes que provienen de
colegios universitarios concluir su licenciatura
en el mismo tiempo que los estudiantes que
ingresan a la universidad como principiantes.
Así, resultó importante que el curso de Química
de los Materiales incluyera un contenido
parecido al curso de química general disponible
en los cursos de los colegios universitarios. Al
mismo tiempo, se tiene un curso introductorio
en ciencia de materiales e ingeniería en el
penúltimo año de la Universidad de Florida.
Este curso es uno de los principales de
ingeniería por lo que también fue importante
que el curso de Química de Materiales no
incluyera un contenido que ya estaba cubierto
por ese curso.
Finalmente, consideramos la relación entre el
curso de Química de Materiales con el
programa de estudios de química general.
Todos los estudiantes de Ingeniería deben
cursar Química 1 y su laboratorio y, algunos
estudiantes (incluyendo los estudiantes que se
especializan en Ciencia de Materiales e
Ingeniería) deben cursar Química 2 y su
laboratorio. En tanto fuera deseable utilizar
Química de Materiales en lugar de Química 1
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Enseñanza de la Química General a través de la Ciencia de Materiales
para un mayor impacto, se decidió desarrollar
Química de Materiales en lugar de Química 2.
Esto fue porque la aplicación de química en
ingeniería requería de los estudiantes contar con
algún conocimiento de los principios básicos de
química. Entonces fue adecuado para los
estudiantes aprender primero estos principios en
un curso de química general.
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biológicas
(Ej. proteínas, azucares,
polisacáridos, ADN). La cinética de
procesos biológicos (enzimas como
catalizadores). La compatibilidad de
materiales utilizados en dispositivos
médicos e implantes. La química asociada
con ingeniería genética utilizada para
aplicaciones farmacéuticas así como para
modificar los códigos genéticos de la vida.
EL CONTENIDO DE CURSO
El contenido general del curso se determinó por
una comisión de la facultad del Departamento
de Ciencia de Materiales e Ingeniería en el que
fungió como presidente el autor del mismo. El
contenido del curso se diseño para acentuar los
temas importantes de Química de Materiales.
Como tal, el curso se dividió en cuatro
secciones principales. Estas secciones junto con
su duración y descripción son:
- Estructuras Atómicas, Moleculares y
Supermoleculares (4 semanas): tipos de
enlace
entre
átomos,
estructuras
moleculares de materiales (Ej. polímeros) y
la forma en la que los átomos y moléculas
están ordenados en estructuras más grandes
(Ej. cristales). La función del enlace y la
estructura en la determinación de las
propiedades de los materiales (Ej. densidad,
expansión térmica, rigidez, conductividad).
- Reacciones Químicas (4 semanas): las
reacciones
químicas
importantes
involucradas en la producción de materiales
o su interacción con el medio ambiente.
Temas específicos incluyen reacciones de
corrosión, síntesis de polímeros y
producción de acero.
- Química Física (2 semanas): factores que
influyen en la fabricación de los materiales.
Énfasis en termodinámica (las energías
involucradas) y cinética (lo rápido que
pasan las cosas), así como también la
interacción entre termodinámica y cinética
para determinar si los procesos son
prácticos.
Los
ejemplos
incluyen
cristalización y diagramas de fase.
- Materiales Biológicos (2 semanas): la
química de la vida tal como las estructuras
normalmente
llamadas
moléculas
Después del trabajo de la comisión, se asignó al
autor para impartir este curso. Pensando en los
temas antes mencionados, se planeó el
contenido detallado de cada clase. Nótese
sobretodo que el curso contiene tres horas
semanales de clase teórica y tres horas
semanales de laboratorio con un total de cuatro
créditos. Normalmente a este curso se asignaría
un solo profesor ayudante, pero dado que este
curso fue impartido por primera ocasión en la
primavera del 2001, se asignó un segundo
profesor ayudante para ayudar a desarrollar los
laboratorios (descritos mas adelante). La Tabla
2 muestra una lista de temas cubiertos y los
ejemplos de ingeniería utilizados. Nótese que
estos ejemplos no necesariamente están
presentados en orden conforme al semestre. Ya
que no es posible describir a detalle todas las
clases se mostrará un ejemplo que de una visión
global del contenido del curso.
En Química 1, los estudiantes conocen el
modelo de la Repulsión de Parejas de
Electrones de la Capa de Valencia (VSPER)
para determinar la geometría molecular. En la
sección de Estructuras Atómicas, Moleculares y
Supermoleculares de la Química de los
Materiales, este modelo se aplica para entender
los requisitos moleculares para cristalinidad
líquida. La clase empieza con una descripción
breve de la operación de visualizadores de
cristales líquidos y la definición de un cristal
líquido. Dos moléculas se muestran (ver Figura
1) diciendo a los estudiantes que uno es un
cristal líquido y el otro no. El modelo de
VSPER se repite y aplica a estas moléculas para
mostrar que la molécula que contiene una
unidad central de metileno (parte a de la Figura
1) está doblada mientras la otra molécula está
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recta. Adicionalmente, se presenta el concepto
de barreras rotatorias y se aplica a estas
moléculas para mostrar que aquella que
contiene metileno es flexible mientras la otra se
mantiene rígida.
Esta clase acentúa dos puntos importantes con
respecto al curso de Química de Materiales. El
primero es la aplicación de los conceptos
básicos (VSPER) en aplicaciones importantes
de ingeniería (visualizadores de cristales
líquidos). El segundo es el método para enseñar
el material con base en las necesidades. En el
programa de estudios de química tradicional el
concepto de barreras rotatorias no se enseña
sino hasta el de química orgánica, un curso que
pocos estudiantes de ingeniería toman. Sin
embargo el concepto es muy importante para
entender cómo diseñar materiales que son
cristales líquidos y, por eso, se incluye en este
curso.
Tabla 2. Lista de conceptos de química y sus correspondientes ejemplos en ingeniería.
Tema
Enlaces
Moléculas y cristales
Entalpías de formación
enlaces
Reacciones de equilibrio
Ácidos y bases
Termodinámicos
Cinética
Química eléctrica
Ejemplos
Cristales líquidos (forma molecular)
Temperatura de fusión, transición de vidrio polímero (enlaces
secundarios)
Propiedades Mecánicas (tipo de enlace y fuerza)
Compuestos orgánicos
Polímeros
Materiales inorgánicos
Densidad (estructuras de cristales)
ADN
de Polimerización de radicales libres
Polimerización de condensación
Minería de fosfatos
Temperatura máxima de polímeros (despolimerización)
Solubilidad
Diagramas de fase (incluyendo diagramas de fase metálicas
tecnológicamente relevantes)
Cristalización
Enzimas
Corrosión
Baterías
H
R
R
C
C
C
C
C
N
N
H
(b)
(a)
Figura 1: Moléculas utilizadas en la clase de
geometría molecular: (a) cristalinas no líquidas
y (b) cristalinas líquidas.
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LABORATORIOS
Tradicionalmente, los laboratorios de química
general son vistos como un método de “libro de
cocina”. Se ha hecho un esfuerzo para cambiar
esto creando actividades no limitadas de
laboratorio que permitan a los estudiantes llegar
a sus propias conclusiones sobre los datos que
han acumulado3. En algunos casos se
proporciona a los estudiantes únicamente el
objetivo general del laboratorio y ellos mismos
tienen que desarrollar el proceso experimental.
Este método se compara mas a la experiencia
de ingeniería, por lo que se utiliza en el
desarrollo de los laboratorios.
La lista parcial de los laboratorios se muestra en
la Tabla 3. Los laboratorios están diseñados
para complementar el material de los cursos. En
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algunos casos en el laboratorio se muestra la
aplicación del material aprendido en el curso,
en otros casos en el laboratorio se desarrolla
más que en el material del curso y, en algunos
otros en el laboratorio se ilustran puntos
importantes antes de la presentación del curso a
fin de que los estudiantes tengan una
experiencia concreta con la que puedan
relacionar los conceptos abstractos. Además
algunos de los laboratorios están diseñados con
base en actividades no limitadas. Un punto
interesante acerca de los laboratorios es que
éstos disponen de bancas comunes. Esto fue un
asunto práctico; ya que el sitio para vitrinas
extractoras no está disponible para todos los
estudiantes, los experimentos se diseñaron de
manera que no se requirieran vitrinas.
Tabla 3. Lista Parcial de Laboratorios.
Laboratorio
Búsqueda de Literatura Científica
Concepto de Ingeniería o Química
identificación de trabajos anteriores,
reportaje de resultados
Densidad
estructuras de cristales, estadística
Propiedades mecánicas
enlaces
Composición de co-polímeros
identificación de ácido/base
Endurecimiento por envejecimiento de diagramas de fase
Aleaciones de AL
Corrosión
electroquímica
las declaraciones, el promedio de las respuestas
y la desviación estándar de éstas:
EVALUACIÓN INICIAL
Este curso se impartió por primera vez en el
semestre de primavera del 2001. Así que
solamente se tienen pocos datos de evaluación.
Los únicos datos cuantitativos provienen de una
encuesta aplicada entre los estudiantes al final
del semestre. Para esta encuesta se tuvo un total
de 20 entrevistados de una matricula de 24. Se
pidió a los estudiantes contestar a las tres
preguntas con una escala de uno a cinco,
indicando con uno que estaban vigorosamente
en desacuerdo con la declaración e indicando
con cinco que estaban totalmente de acuerdo
con la declaración. La lista siguiente muestra
Este curso me mostró cómo la química está
relacionada con la ingeniería.
promedio = 4.5
desviación estándar = 0.51
Comparado con otros cursos de química
general que tomé encontré mayor contenido de
ingeniería.
promedio = 4.7
desviación estándar = 0.47
Recomendaría este curso a otros estudiantes de
ingeniería en lugar de química general.
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promedio = 4.8
desviación estándar = 0.44
Como se puede observar en los resultados, la
evaluación inicial da a entender que el curso ha
cumplido con su propósito de facilitar una
perspectiva de la ingeniería a la química
general. Esto también se aclara con algunos
comentarios anónimos de los estudiantes a
través de encuestas de evaluación durante el
semestre. Dos ejemplos son, “...(este curso) me
hace sentir como si hubiera ingresado a mi
programa de estudios principal en lugar de al
de Educación General,” y, “...tengo una mejor
comprensión de porqué estos temas son
apropiados para la ingeniería.” No obstante
estos resultados naturalmente sólo se pueden
considerar como preliminares. Los planes de
evaluación adicional incluyen dar seguimiento a
los estudiantes a través del tiempo para
determinar si hay cambios en su porcentaje de
retención o desempeño en otras clases, así
como también ampliar la muestra para incluir
estudiantes que tomen el curso en semestres
futuros.
ingeniería en conceptos básicos de química.
Aun cuando la evaluación inicial es positiva,
quedan una serie de preguntas. ¿Es un método
efectivo introducir la ingeniería a los
principiantes? ¿Mejorará la retención de los
principiantes en los programas de ingeniería?
¿Mejorará el desempeño en otros cursos de
ingeniería?
En el futuro planeamos analizar las
experiencias de los estudiantes que toman este
curso para contestar estas preguntas.
REFERENCIAS
1. Al-Holou, Nizar, Nihat M. Bilgutay, Carlos
Corleto, John T. Demel, Richard Felder,
Karen Frair, Jeffrey E. Froyd, Marc Hoit,
Jim Morgan, y David L. Wells, “First-Year
Integrated Curricula: Design Alternatives
and Examples”, Journal of Engineering
Education, 88, no. 4, 435-448 (1999).
2. Reporte de la Fundación Nacional para las
Ciencias del Taller de Trabajo en
Materiales para el Desarrollo del Programa
de Licenciatura, Octubre 11-13, 1989.
CONCLUSIONES
El curso de Química de Materiales descrito aquí
facilita un método para introducir a
principiantes en conceptos de ingeniería. Su
propósito es demostrar las aplicaciones en
3. Lamba Ram, Jesus Monzón, George
Bodner, George Lisensky, Brock Spencer, y
Laura Parmentier, Discovering Chemistry,
John
Wiley
and
Sons,
1997.
Journal of Materials Education Vol. 23 (1-3)