jueves, 9 de abril de 2015

Laboratorios virtuales en las ciencias naturales



Los laboratorios virtuales aplicados a la Biología en la enseñanza secundaria, una evaluación basada en el modelo “CIPP
López, M. (2009). Los laboratorios virtuales aplicados a la Biología en la enseñanza secundaria. Una evaluación basada en el modelo “CIPP” (Tesis doctoral), Universidad  Complutense de Madrid. Disponible en http://eprints.ucm.es/8800/1/T30883.pdf


Es sabido que el desarrollo económico y social de los pueblos, está directamente relacionado a su desarrollo científico y tecnológico, como también el impacto que ha tenido para el avance de la humanidad, la comprensión de los fenómenos naturales y la aplicación de los conocimientos generados para la invención de herramientas y aparatos que han permitido transformar y controlar el mundo que nos rodea.
La preocupación por la educación científica se ha convertido en una de las áreas estratégicas de la investigación didáctica, que busca mejorar esta formación para que los estudiantes puedan integrarse al mundo actual altamente tecnológico y puedan tener una participación activa en los debates científicos que se plantean en la sociedad, por lo que se busca favorecer las actividades de indagación en el aula que permitan la comprensión de los fenómenos científicos, más que la acumulación de conocimientos.  
Sin embargo, que los estudiantes se familiaricen con los métodos de la ciencia mediante la realización de prácticas de laboratorio, por diversas razones, es algo muy complejo en cuanto a tiempo y recursos tanto materiales como humanos.
Por otra parte la incorporación de las TIC a la enseñanza abre un espacio de reflexión en cuanto a las posibilidades de estas herramientas para el acceso y almacenamiento de la información, la comunicación, la simulación o la interactividad, que permiten ampliar las fronteras para la realización de actividades prácticas abriendo nuevos escenarios para el aprendizaje de los procedimientos científicos.

En este trabajo se evalúa la utilización de laboratorios virtuales como alternativa metodológica para el desarrollo de algunas destrezas científicas, apoyado en la evidencia de que el software de simulación en el que se basan la mayoría de los laboratorios virtuales, permite crear ambientes de aprendizaje enriquecidos que facilitan a los estudiantes visualizar procesos complejos e interactuar con ellos, lo que puede aportar ciertas ventajas para la realización de trabajos prácticos tanto para profesores como alumnos.

El objetivo general de la tesis es valorar las aportaciones y limitaciones de los laboratorios virtuales como recurso didáctico para el aprendizaje de procedimientos científicos en Biología.

Para esto se llevó a cabo la evaluación sistemática de la utilización de un laboratorio virtual en el aula, lo que lo sitúa en el ámbito interdisciplinar entre la Biología y las aplicaciones de la Informática Educativa.

El programa desarrollado para este proyecto, “Laboratorio Virtual de Insectos” está alojado en un servidor de la Universidad Complutense de Madrid y disponible en la dirección:

Este programa, fundamentado sólidamente en la didáctica de la Biología, desarrolla habilidades de observación y clasificación, necesarias para el estudio de la morfología e identificación de los insectos y ha sido utilizado en una experiencia de aula en una institución educativa en Madrid.

Para la evaluación del interés didáctico del laboratorio virtual se utilizó el modelo CIPP (context, input, process, product) propuesto por Stufflebeam y Shinkfield (1995), el cual analiza el objeto de estudio desde cuatro dimensiones: el contexto, el programa, el proceso y los resultados, pretendiendo una evaluación global e integradora.
  Evaluación del contexto: se define el ámbito de la investigación, permite diagnosticar los problemas o necesidades que existen respecto al tema de estudio y proporciona información para la planificación y determinación de los objetivos.
  Evaluación del programa: se analiza el programa que se va aplicar, proporciona información sobre sus características intrínsecas  y su adecuación a la problemática de estudio diagnosticada.
  Evaluación del proceso: se valora la aplicación de dicho programa, grado de cumplimiento de la planificación establecida, obstáculos encontrados y modificaciones realizadas.
• Evaluación de los resultados: se recopilan lo datos obtenidos en las etapas anteriores, relacionándolos con los problemas detectados en la evaluación del contexto para valorar hasta qué punto el programa cumple los objetivos previstos y contribuye a dar solución a las necesidades planteadas.
Los resultados de la investigación muestran el interés didáctico de los laboratorios virtuales y su potencialidad para solucionar algunos problemas del trabajo experimental en Biología, así como las limitaciones para su implementación en la enseñanza secundaria en los centros públicos de la comunidad de Madrid.
Para Aristóteles “el alma nunca piensa sin imágenes”. En la enseñanza de la Biología, las imágenes tienen un papel fundamental ya que es a través de ellas que los estudiantes pueden lograr una representación mental de la morfología de una célula o de la anatomía interna de un organismo, aspecto íntimamente relacionado con la comprensión de la función.  Para esto, tras una cuidadosa observación, deben desarrollar la habilidad de interpretar imágenes y realizar dibujos y esquemas que impliquen la diferenciación y reconocimiento de las estructuras de los seres vivos.
Las actividades prácticas requieren la observación directa o microscópica de organismos u otras muestras que no siempre están disponibles en los centros de educación secundaria.
Un laboratorio virtual, en sentido amplio, se define como “un espacio electrónico de trabajo concebido para la colaboración y la experimentación a distancia con objeto de investigar o realizar otras actividades creativas, y elaborar y difundir resultados mediante tecnologías difundidas de información y comunicación” (UNESCO, 2000).
Los laboratorios virtuales se basan en la simulación de procesos o fenómenos reales. La simulación, en el ámbito educativo puede definirse como un programa informático que reproduce un fenómeno real diseñado de forma simplificada con el fin de lograr situaciones de aprendizaje concretas. Su valor técnico se basa en su potencialidad para reproducir procesos biológicos a cualquier nivel de complejidad (molecular, celular, organismo, etc.), de forma dinámica, ya sea acelerando o disminuyendo la velocidad de los procesos, para adaptarlos al nivel cognitivo del estudiante o al logro de los objetivos y en la posibilidad de interactuar con el programa permitiendo modificar las condiciones y analizar los cambios observados, haciéndola una herramienta extremadamente útil para la experimentación.
En este programa se han utilizado algunas de las características de las herramientas informáticas que, de acuerdo a Gros 2002, son muy útiles para el diseño de materiales didácticos y son: el carácter multimedia, el carácter hipermedia, la interactividad y la posibilidad del trabajo colaborativo.
Objetivos didácticos del programa
La secuencia de actividades del “Laboratorio Virtual de Insectos” inicia con la observación detallada y termina con actividades de clasificación e identificación de especímenes, permitiendo el paso del nivel descriptivo al interpretativo.
La identificación y clasificación de los seres vivos, es una tarea fundamental de la Biología que permite abordar otro tipo de estudios como la pérdida de la biodiversidad que ha añadido un carácter de urgencia a la tarea de la identificación biológica al estarse perdiendo especies que incluso aún no han sido identificadas o los análisis bioquímicos y genéticos que permiten identificar características particulares de cada especie a nivel molecular.
Para el curso de Biología en la ESO es necesaria la comprensión de los criterios que se utilizan para establecer la clasificación de los seres vivos en 5 reinos y sus diferentes categorías o taxones jerarquizados, para un mejor estudio de la biodiversidad de especies.
Contenidos del programa
El Laboratorio Virtual de Insectos está dirigido al primer ciclo de enseñanza secundaria y el contenido es la diversidad de los seres vivos. Consta de tres actividades prácticas, un ejercicio de evaluación y documentos complementarios.
Metodología utilizada en las actividades
En el “Laboratorio Virtual de Insectos”, el estudiante debe manipular un insecto para observar sus características morfológicas, utilizar instrumentos de ampliación para la observación de algunos detalles y utilizar una guía de clasificación para lograr la identificación de su ejemplar.
El programa inicia con una pantalla de información de los objetivos de las actividades y el nivel al que van dirigidas.


Actividad 1. OBSERVACIÓN
La observación con base en guías estructuradas permite a los estudiantes iniciarse en la identificación de características significativas, para lo cual deberán completar una ficha de observación identificando once características diferentes de cada uno de los insectos con los que van a trabajar.
En la sección “Morfología”, encuentran un documento con información concisa respecto a las características morfológicas de los insectos con los que van a trabajar durante las actividades. Los parámetros que se aplican a las características de estudio están definidas para evitar la subjetividad de la observación.

Actividad 2. CLASIFICACIÓN
La clasificación de los seres vivos tiene diferentes niveles de complejidad dependiendo de las categorías o taxones que se utilicen en el proceso de identificación, la terminología científica y la carga conceptual que implica pueden obstaculizar los objetivos de aprendizaje propuestos. En esta actividad, la identificación a nivel de Orden utilizando claves dicotómicas permite a los estudiantes lograr una observación sistemática y rigurosa de las características taxonómicas. Considerando que los estudiantes tienen más dificultades para clasificar cuando se les presenta un mayor número de especies por la mayor cantidad de términos científicos que deben manejar, en este laboratorio sólo se incluyen ocho ejemplares, representantes de los ocho Órdenes de insectos más comunes.

Actividad 3. IDENTIFICACIÓN
El programa les presenta un nuevo ejemplar y en la misma pantalla se muestra la descripción de manera concreta de los ocho Órdenes de insectos en los que han basado las actividades anteriores de laboratorio, con base en las descripciones, el estudiante identifica a su ejemplar.
Todas las actividades tienen tres intentos para realizarlas correctamente.
El programa también tiene una selección de “Enlaces” recomendados donde los alumnos pueden consultar información o realizar más actividades.
Finalmente para profundizar en el tema y promover el trabajo colaborativo se propone la actividad: creación de un “Insectario Virtual”, que consiste en la elaboración de un archivo de fichas de insectos que contengan la identificación taxonómica del ejemplar, sus características morfológicas y los aspectos más significativos de su biología. Esta actividad puede realizarse entre grupos de alumnos del mismo o distintos centros educativos.

Instrumentos de evaluación de las actividades
A diferencia de los laboratorios presenciales, los virtuales permiten evaluar las prácticas con mayor precisión e introduciendo los parámetros que se deseen. Se puede contar con sistemas de corrección automática que permita conocer la calificación de cada actividad y de su conjunto, guardar informes de laboratorio con anotaciones de los alumnos, conocer el tiempo que le han dedicado a cada actividad, permitiendo a los docentes registrar el aprendizaje en la acción (learning in the making) para analizar las mejoras en el proceso de enseñanza. Este tipo de registros pueden permitir a los profesores entender cómo sus estudiantes construyen y favorecen su propio aprendizaje, así como diseñar las modificaciones necesarias para responder a sus dificultades y motivaciones particulares.
El “Laboratorio Virtual de Insectos” cuenta con un sistema de evaluación para conocer el grado en que los estudiantes han desarrollado las habilidades de observación y clasificación, destrezas que implican una actividad intelectual que se revalida de dos formas:
1.  Mediante la propia Práctica con la correcta realización de las actividades y que depende de las opciones que el alumno elija para cada problema planteado (tiempo que utiliza, número de intentos), combinada con una plantilla de evaluación que puntúa niveles de logro. Estas puntuaciones y la información de los errores cometidos, se muestran al alumno al finalizar cada actividad, lo que le permite ser consciente de su propio progreso.
2.  Mediante un cuestionario final al término de las tres actividades que consta de cinco preguntas seleccionadas aleatoriamente por el propio programa en las que deben marcar la respuesta correcta entre cuatro alternativas propuestas, con el propósito de averiguar el grado de transferencia de los conocimientos adquiridos.
Estos datos, más la información adicional que puede obtenerse del programa, pueden servir para reflexionar sobre la conveniencia de reforzar algunos conceptos en el aula o sobre la necesidad de atención personalizada para algunos estudiantes.

Evaluación del programa
Fue sometido a una evaluación de expertos que ofrecieron su punto de vista en cuanto a las características técnicas y pedagógicas.
Los indicadores utilizados son considerados como criterios de calidad de un objeto de aprendizaje por algunos autores: aspectos psicopedagógicos, didáctico-curriculares, técnico-estéticos y aspectos funcionales.
1. Evaluación técnica del programa, se evaluó: Información al usuario; entorno visual; navegación; elementos multimedia; interactividad; contenidos; servicios de ayuda; registro de calificaciones; acceso a otros recursos; adecuación del diseño al nivel educativo y adecuación del contenido al tiempo.
2. Evaluación pedagógica del programa: Relevancia de los contenidos; eficacia; adecuación de los contenidos al nivel cognitivo de los alumnos; capacidad de motivación; tutorización; autonomía; esfuerzo cognitivo y evaluación:
Evaluación de los resultados del Laboratorio Virtual de Insectos en el aula
Ésta se realizó tomando en cuenta tres niveles que corresponden con los propósitos de la investigación y que determinan los apartados en que fue dividida.
1.  Análisis de las necesidades y obstáculos detectados en el contexto educativo.
2. Valoración del programa en relación al logro de los objetivos.
3. Valoración del programa en relación a la opinión de los participantes.
De estas consideraciones, se comprobaron las ventajas que aportan los laboratorios virtuales: la flexibilidad de su utilización tanto en espacio como en tiempo ya que permite prolongar las actividades más allá del tiempo de la clase (50 minutos), permitiendo a los alumnos reflexionar sobre las dificultades encontradas y al profesor conocer el progreso de éstos comparando sus resultados; una notable influencia en la motivación y concentración de los alumnos en la ejecución de su tarea al observar del desarrollo de la actividad; y finalmente la valoración de los participantes, profesores y alumnos es muy positiva, apreciando los beneficios pedagógicos que se han visto reflejados en el la consecución de los objetivos didácticos. 
En la actualidad, es necesario añadir a las destrezas tradicionales del quehacer científico las destrezas en la utilización de las aplicaciones de las TIC: el manejo de bancos de datos, de programas de tratamiento estadísticos y de elaboración de graficos, el tratamiento de imágenes son entre otras algunas de las habilidaes necesarias para llevar a cabo un trabajo experimental que cada vez se encuentra más informatizado por lo que es necesario el desarrollo de los dos tipos de habilidades y que cada uno tenga su propio espacio de formación.

Futuras líneas de investigación.
Con los resultados de esta investigación, el autor propone que son tres núcleos en torno a los cuales se deberían articular futuras líneas de investigación:
I. Identificación de la demanda educativa de los laboratorios virtuales en relación a los objetivos del currículo. Hace falta impulsar el desarrollo de programas que hagan posible llevar a cabo experiencias educativas que permitan evaluar el desarrollo de las destrezas y los procedimientos científicos, para lo que es imprescindible la existencia del software necesario. El diseño de éste requiere la participación de profesionales de diversas disciplinas, teniendo en cuenta principios tecnológicos y pedagógicos en su diseño que garanticen su aprovechamiento educativo.
II. Análisis de las necesidades del profesorado en contextos concretos en relación a los obstáculos detectados. Hacen faltan estudios que revelen las necesidades específicas de los profesores respecto a su propia disciplina y en contextos concretos. Es evidente que las necesidades de software, equipamiento formación u organización de los recursos no son las mismas para todas las disciplinas. Incluso dentro de la misma, las necesidades no son las mismas para tratar los diferentes tipos de contenidos, ni tampoco entre diferentes centros de enseñanza. Los proyectos docentes de cada centro, en relación a la integración e innovación de las TIC deberían ser la base para atender estas necesidades.
Por otra parte, las sucesivas reformas educativas no han servido para revisar unos contenido curriculares incompatibles con metodologías participativas, colaborativas y centradas en el alumno que se promueven desde la investigación educativa. Por lo que la falta de coherencia entre las dos exigencias a los docentes: la innovación metodológica y los buenos resultados en las pruebas externas, conduce a que se desatienda uno de los dos objetivos.
III. Educación a distancia. Es en esta modalidad, donde los laboratorios virtuales abren nuevas posibilidades porque más allá de la enseñanza reglada, la concepción sobre el aprendizaje permanente que tiene como objetivo la formación continua de los ciudadanos en diferentes campos de conocimiento a lo largo de su vida, plantea la necesidad de hacer compatible esta formación con otras ocupaciones evidenciando la importancia de ampliar los campos de conocimiento y de hacerlos accesibles desde entornos virtuales. Considerando que la formación a distancia en las disciplinas científicas, se ha dificultado por la necesidad de complementar los contenido teóricos con los procedimentales y experimentales, la utilización de los laboratorios virtuales podría permitir que se trabajaran y evaluaran contenidos procedimentales incorporando, también, el componente experimental de la ciencia.
En Latinoamérica, la educación secundaria a distancia atiende a un elevado número de estudiantes, especialmente en las zonas rurales, por lo que el desarrollo de laboratorios virtuales en español tendría una gran trascendencia al ampliarse su aplicación a todos los países de habla hispana que podrían beneficiarse con este software. La autora señala que en el marco de la cooperación internacional, proyectos de ayuda al desarrollo de software específico para el área de ciencias naturales y para la formación de los docentes podrían tener un gran impacto en la disminución del abandono de la enseñanza secundaria.
Por lo tanto, el impulso de estos proyectos y el seguimiento conjunto de su incidencia en la formación de los estudiantes es otra prometedora línea de investigación para dar respuesta sobre su eficacia. 
El reto es que avancemos en estudios e investigaciones de experiencias prácticas que nos permitan indagar y evaluar las posibilidades del aprendizaje virtual para apoyar el desarrollo de un modelo educativo centrado en el alumno, y analizar hasta qué punto pueden brindar más oportunidades de un aprendizaje activo, cooperativo y reflexivo (Margalef, 2004).

3 comentarios:

  1. Me parece interesante la propuesta de laboratorios virtuales, sin embargo me deja pensando lo siguiente:
    en la actualidad en muchos colegios la asistencia al laboratorio es limitada por falta de sustancias o materiales; el laboratorio virtual intuyo que requiere de una infraestructura tecnológica que en costo quisiera saber cómo es comparativamente con el laboratorio tradicional. Por otro lado me pregunto en qué medida un laboratorio virtual permite desarrollar las habilidades de manipulación, medición, calibración etc... que se intentan desarrollar en un laboratorio común

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  2. Hola Martha, actualmente al menos en las áreas de ingeniería que conozco, la mayor parte de los laboratorios están basados en simuladores no solo por el asunto del costo, sino también de la disponibilidad (el laboratorio lo puedes tener en tu computadora o acceder a el por la noche desde tu casa). Las habilidades a las que haces referencia, dependen de la materia y de que tan bien haya sido hecha la interfaz, esto es, si permite o no, o hasta que punto permite que los estudiantes cambien parámetros de entrada al sistema. En el área de ingeniería incluso se ha creado una nueva "especialización" la llamada "instrumentación virtual". Sin embargo, en México, aún estamos lejos de que se pueda utilizar en forma masiva en la educación pública, no tanto por lo que implica en la tecnología que los viabiliza, sino en saber realmente cómo se utilizará. Esto es, nuevamente la formación de profesores.

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  3. Estudiante, bueno, aquí si son claras las estrategias de cómo utilizar las TIC en la enseñanza de la biología.

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