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Sistema de Información Científica
Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Cubana Quím.
Vol. 29, no.3, sept-dic, 2017, págs. 466-479, e-ISSN: 2224-5421
Las TICs como herramienta para visualizar estructuras moleculares
en la enseñanza de la Química General
The ICTs as a tool to visualize molecular structures in the teaching
process of General Chemistry
Lic. Juan José Gamboa-Carballo
I
, Est. Anthuan Ferino-Pérez
I
,
MSc. Maritza Lau-González
I
, Dr. C. Anel Hernández-Garcés
II
,
MSc. José Ángel Corona-Hernández
I
, Dr. C. Ing. Ulises Jáuregui-Haza
I
ulises@instec.cu
I
Instituto Superior de Tecnologías y Ciencias Aplicadas, Universidad de La Habana,
La Habana, Cuba;
II
Facultad de Química, Universidad Tecnológica
de La Habana (CUJAE), La Habana, Cuba.
Recibido: 3 de septiembre de 2016
Aprobado: 20 de febrero de 2017
Resumen
Las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs) han demostrado poseer una
utilidad extraordinaria en el proceso educativo. El objetivo de este trabajo es describir el
desarrollo de un Sistema de Visualización Molecular (SVM) de estructuras químicas usando las
TICs, para mejorar la presentación de los modelos estructurales en los cursos de Química
General. Para esto se utilizaron dos programas de cómputo, el Hyperchem y el Chemcraft. Se
conformó un SVM dinámico con 16 estructuras moleculares que facilita su estudio al ser posible
rotar las estructuras, entre otras funciones. El SVM desarrollado se puso a disposición de los
estudiantes en la plataforma interactiva Moodle. La opinión de los estudiantes se tuvo en cuenta
mediante un cuestionario anónimo, que demostró la utilidad de la herramienta y la satisfacción
de los estudiantes con el SVM.
Palabras
clave
: sistema
de
visualización
molecular,
TICs,
autoaprendizaje,
Química
Computacional.
Abstract
The Information and Communication Technologies (ICTs) have demonstrated to be particularly
useful in the education process. The aim of this work is to describe the construction of a
Molecular Visualization System (MVS) of chemical structures using ICTs, which may improve
the structural models presented in the courses of General Chemistry in Cuban higher education.
In order to develop this system, two programs were used, Hyperchem and Chemcraft.
A dynamic MVS with 16 molecular structures was built to facilitate their study and rotation,
among other functions. The MVS was submitted to students’ consideration on the interactive
online platform Moodle. The students’ opinion about the quality of the system was taken into
account by means of an anonymous questionnaire, demonstrating the usefulness of the tool and
the satisfaction of students with the MVS.
Keywords
: molecular
visualization
system,
ICTs, autonomous learning,
Computational
Chemistry.
Las TICs como herramienta para visualizar estructuras moleculares
en la enseñanza de la Química General
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Introducción
Diseñar y promover actividades y situaciones de aprendizaje que propicien el desarrollo
de los estudiantes, su capacidad para enfrentar la realidad de forma reflexiva, crítica y
constructiva, con grandes dosis de autonomía y autodeterminación, constituye uno de
los más complejos retos que tiene que asumir definitivamente la universidad moderna
para estar a la altura de las características socioeconómicas, políticas y científico-
técnicas de nuestros tiempos.
Un aprendizaje autónomo y autorregulado, no es exclusivamente una alternativa, una
aspiración y una responsabilidad del aprendiz. Por el contrario, está inmerso en un
complejo sistema de influencias y determinaciones. Un elemento crucial del mismo es
el educador, y las situaciones de aprendizaje que él o ella sea capaz de estructurar en
consonancia con su visión particular de los procesos, mediante los cuales transcurre el
aprendizaje y la interacción escolar [1].
Entre ellos, la oportunidad de crear objetos de aprendizaje estandarizados, propios y
adecuados a las características de nuestro sistema de educación, con la posibilidad de
que puedan ser almacenados en repositorios de contenidos para luego ser utilizados en
diferentes cursos de las distintas instituciones de educación del país [2].
En algo más de medio siglo, el desarrollo de nuevas Tecnologías de la Información y las
Comunicaciones (TICs) ha producido un alto impacto en todas las actividades humanas
generando cambios
gigantescos. Hace
ya más de una década, era
ampliamente
reconocida la importancia decisiva de la computadora en la transformación de la
práctica de la química y la introducción de la simulación molecular, como una técnica
de alcance inimaginable en el estudio de sistemas químicos. El desarrollo de esta
tendencia cimentó la aparición de la Química Computacional como una rama moderna
de la Química, que utiliza la computadora para ayudar a resolver problemas químicos
mediante la aplicación de resultados de la química teórica, incorporados en algún
software para calcular las estructuras y las propiedades de moléculas y cuerpos sólidos,
en situaciones estáticas y dinámicas; y si bien sus resultados complementan la
información obtenida en experimentos, en algunos casos pueden predecir fenómenos
químicos [3]. Estos métodos se basan en teorías que van desde la alta precisión,
apropiados para sistemas pequeños, hasta aproximaciones buenas aplicables a sistemas
grandes. La importancia de esta nueva rama de la química se refleja en libros de texto
Juan José Gamboa-CarballoI, Anthuan Ferino-Pérez, Maritza Lau-González,
Anel Hernández-Garcés, José Ángel Corona-Hernández y Ulises Jáuregui-Haza
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modernos que destacan el uso extendido de programas de visualización y modelación
molecular [4, 5]
.
Entre los grandes desafíos que enfrenta hoy en día la educación cubana se encuentran
los que emanan de las contradicciones entre la masividad de la educación y la búsqueda
de la excelencia, y entre la necesaria unidad del sistema educativo y la diversidad de
personas, condiciones, y aspiraciones de los protagonistas del proceso de enseñanza-
aprendizaje [6].
Las universidades cubanas enfrentan el reto de organizar un nuevo plan de estudio [7]
que comprende la reducción del tiempo de duración de las carreras a cuatro años,
para dar una respuesta más rápida a la demanda laboral según las necesidades
socioeconómicas del país. En este contexto, se refuerza la necesidad de proponer,
por parte del docente, actividades que contribuyan a la autogestión del estudio y
el proceso de aprendizaje [8, 9] y, por tanto, resulta de vital importancia utilizar las
TICs en el diseño de actividades que potencien dicha autogestión por parte de los
estudiantes y que, a su vez, optimicen el tiempo necesario para la comprensión y
asimilación de los saberes básicos declarados en los planes de estudio, a través de la
preparación de materiales interactivos y motivadores que inciten el estudio de maneras
novedosas e instructivas.
La geometría molecular, por su parte, es una característica que incide en las propiedades
físicas y químicas de una molécula como, por ejemplo, su punto de fusión, su punto de
ebullición, su densidad y el tipo de reacciones en que puede participar. El estudio de la
misma resulta un tema abstracto y de difícil asimilación sobre todo para estudiantes de
carreras de perfil técnico.
Actualmente la Química Computacional ha demostrado poseer herramientas capaces de
describir con precisión una gran variedad de sistemas químicos y, por tanto, estas
pueden ser utilizadas para facilitar una mejor comprensión sobre el tema en cuestión en
las clases de Química General ,asignatura que forma parte del currículum básico en un
gran número de carreras universitarias como son Licenciatura en Radioquímica (RQ),
Ingeniería en Tecnologías Nucleares y Energéticas (ITNE) e Ingeniería Química (IQ).
Aunque existe en la literatura e incluso en Internet material disponible, es de vital
importancia hacer llegar a los estudiantes la información de manera única, compacta y
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con la mayor calidad posible con el objetivo no solo de facilitar el proceso de
aprendizaje, sino también para motivar a los estudiantes al estudio de la asignatura.
El objetivo de este trabajo es desarrollar un Sistema de Visualización Molecular (SVM)
de estructuras químicas con el uso de las TICs, para mejorar la presentación de los
modelos estructurales en los cursos de Química de varias carreras universitarias, dentro
del tema: estructura atómica, enlace químico y fuerzas intermoleculares.
Materiales y métodos
El sistema de visualización propuesto está compuesto por modelos de estructuras
moleculares construidas a partir de la utilización de distintos programas que emplean las
disímiles
herramientas
que
brinda
la
Química
Computacional, para
lograr
la
visualización óptima de las estructuras.
Modelación de moléculas y optimización de la geometría molecular
Para la modelación de sistemas químicos es posible la utilización de varios métodos de
cálculo. En lo particular, para este trabajo, se utilizó un método cuántico semiempírico
de cálculo que parte de la aproximación de Born-Oppenheimer y el formalismo Hartree-
Fock. Además, al ser un método semiempírico, utiliza muchos datos experimentales
para simplificar los cálculos, en este caso el método utilizado fue PM3 [3, 10].
Este método es viable para los propósitos de este trabajo puesto que las moléculas
utilizadas no son muy complejas y su representación tiene un carácter puramente
didáctico. En el caso particular del hexafluoruro de uranio, las distancias de enlace
fueron optimizadas utilizando métodos de la mecánica molecular [11] a partir de las
repulsiones electromagnéticas entre las capas electrónicas de los átomos de la molécula,
dado que el hamiltoniano PM3 no se encuentra parametrizado para el uranio.
Para los cálculos se utilizó el programa Hyperchem 8 [12]; que es un programa
profesional de modelación computacional con las herramientas necesarias para el dibujo
y cálculo de las geometrías de interés.
Visualización de las estructuras moleculares
Para el desarrollo del SVM, a partir de los datos obtenidos de la modelación de las
estructuras, se utilizó el programa Chemcraft [13], que permite mostrar a los estudiantes
diferentes aspectos de interés de cada estructura, tales como:
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Ángulos y distancias de enlaces en las moléculas
Distribución espacial de los pares de electrones
Geometría molecular
Estructura molecular en tres dimensiones (3D), siendo posible la rotación de las
mismas
Para facilitar el uso y acceso del SVM desarrollado, este se puso a disposición de los
estudiantes en el curso de Química General soportado en la plataforma interactiva
Moodle, disponible en la red local del InSTEC.
El SVM se empleó, primeramente, en el primer semestre del curso 2015-2016, en el
grupo de primer año de RQ del InSTEC (grupo RQ-115) como parte de la Práctica de
Laboratorio # 2 “Introducción a la estructura de Lewis y la geometría molecular
de moléculas covalentes simples” correspondiente al tema “Tabla Periódica y Enlace
Químico”. En esta práctica los estudiantes se auxilian de globos para representar los
enlaces químicos entre los átomos que conforman las moléculas, o los pares de
electrones no enlazados. Al distribuir los globos (“enlaces”) en el espacio, los
estudiantes
pueden
observar
de
forma
concreta
las
geometrías
moleculares
en
dependencia del número de pares de electrones compartidos o no. Después de este
momento, se consideró que la presentación del sistema era idónea (se utilizó una
presentación de diapositivas), ya que una vez representada la geometría de las
moléculas con los globos (etapa material del proceso de asimilación según Galperin
[14]), el estudiante se encuentra en mejores condiciones para realizar las asociaciones
correspondientes en el plano mental.
En el segundo semestre de ese mismo curso, el SVM se utilizó en la conferencia
correspondiente
al
tema:
“Estructura
atómica,
enlace
químico
y
fuerzas
intermoleculares” de la asignatura Química General para los estudiantes de ITNE del
InSTEC a través de una presentación de diapositivas.
Posteriormente, en el primer semestre del curso 2016-2017 el sistema de visualización
optimizado fue puesto a disposición nuevamente de los estudiantes de primer año de RQ
del InSTEC (grupo RQ-116) en la práctica antes mencionada y, además, se aplicó a
estudiantes de segundo año de la carrera de IQ de la CUJAE como actividad extraclase.
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Evaluación de los resultados
Con el objetivo de evaluar la pertinencia de este sistema en la comprensión del
contenido impartido, obtener la opinión de los estudiantes sobre el mismo y realizar la
comparación con el método empleado anteriormente, que utilizaba las imágenes del
Capítulo 10 del libro "Química General" de Raymond Chang [5] se utilizó un
cuestionario anónimo con una escala progresiva de opinión (totalmente de acuerdo, de
acuerdo, no sé, en desacuerdo y totalmente en desacuerdo). Las preguntas a los
estudiantes se presentaron de la manera siguiente:
1.
Me resultó interesante la clase.
2.
La calidad de las imágenes presentadas es buena.
3.
El sistema de visualización me ayudó a comprender mejor la geometría
molecular por mí mismo.
4.
La explicación del profesor me ayudó a entender mejor la geometría molecular
de las estructuras estudiadas.
5.
Las imágenes mostradas por el profesor son más ilustrativas que las del libro de
texto.
6.
Me siento motivado a investigar más sobre el tema de la modelación molecular.
El cuestionario se aplicó en varios momentos:
Estudiantes de RQ-115: al finalizar el curso de Química General, primer
semestre del curso 2015-2016.
Estudiantes de ITNE: al finalizar la tercera conferencia del tema I: “Estructura
atómica, enlace químico y fuerzas intermoleculares”, segundo semestre del
curso 2015-2016.
Estudiantes de RQ-116: al finalizar la Práctica de Laboratorio: “Introducción a la
estructura de Lewis y la geometría molecular de moléculas covalentes simples”
correspondiente al tema “Tabla Periódica y Enlace Químico”, primer semestre
del curso 2016-2017.
Estudiantes de segundo año de IQ de la CUJAE: al finalizar la actividad
extraclase, primer semestre del curso 2016-2017.
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Anel Hernández-Garcés, José Ángel Corona-Hernández y Ulises Jáuregui-Haza
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Resultados y discusión
Se
logró
desarrollar
de
manera
satisfactoria,
el
SVM
propuesto.
El
mismo
quedó finalmente conformado por dieciséis estructuras (disponibles por solicitud) de las
cuales, trece representan moléculas tratadas en el texto de Química General [5] y tres
que fueron agregadas por considerar que su conocimiento es de relevancia para los
estudiantes (figura 1a y 1b). De estas últimas, dos no se abordan en el libro de texto,
correspondientes a los modelos electrónicos ABE
3
y AB
7
; donde A corresponde al
átomo central, B a los ligandos y E a los pares de electrones libres, las cuales son
configuraciones de interés para el aprendizaje. La tercera, un modelo molecular para el
hexafluoruro de
uranio
(figura
1c
y
1d) el
cual
se
confeccionó
con
intención
motivacional, ya que tres de los grupos de estudio tienen un perfil nuclear. Esto, a su
vez, está a tono con la estrategia establecida para la enseñanza de la Química General, a
través del empleo de ejercicios que familiaricen a los alumnos con el futuro de la
profesión [15].
a)
c)
b)
b
)
Fig. 1. Representación gráfica del fluoruro de hidrógeno (a); heptafluoruro
de yodo (b) y hexafluoruro de uranio (c y d)
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La figura 2 permite realizar una comparación entre las estructuras presentadas en el
texto y las de nuestro sistema. En ella se puede apreciar la superioridad del mismo
respecto al que se disponía anteriormente. Una de las ventajas del SVM es que es un
sistema dinámico que permite visualizar las estructuras en 3D, rotarlas y, por tanto,
realizar un análisis de las mismas desde varios ángulos, lo que posibilita una mejor
comprensión de la geometría de la molécula en cuestión. Además, ofrece datos sobre los
ángulos y distancias de enlace que son de ayuda para explicar la geometría molecular a
partir de la teoría de repulsión de los pares de electrones de la capa de valencia [16].
Dentro del marco de la clase sobre el tema en cuestión se realizó un intercambio con los
estudiantes con el objetivo de explicarles cómo se desarrolló el SVM e introducirlos
brevemente en el funcionamiento de las herramientas de modelación molecular.
El sistema fue puesto a disposición de los estudiantes en el curso de Química General
implementado en la plataforma Moodle [17] para que estos tuvieran acceso a la misma y
la utilizaran como accesorio a la hora de acometer el estudio individual.
Imágenes del Capítulo 10 del libro
"Química General" de Raymond
Chang [5]
Imágenes del Sistema de
Visualización Molecular de
estructuras químicas
Fig. 2. Comparación entre dos estructuras del libro de texto [5]
y las correspondientes del sistema de visualización confeccionado
Juan José Gamboa-CarballoI, Anthuan Ferino-Pérez, Maritza Lau-González,
Anel Hernández-Garcés, José Ángel Corona-Hernández y Ulises Jáuregui-Haza
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Por otra parte, la presentación del SVM a los estudiantes de RQ por un alumno ayudante
(estudiante de segundo año en el curso 2015-2016, y de tercer año en el curso siguiente
de la Licenciatura en RQ en los momentos de la práctica), ejerció una influencia
positiva hacia la motivación por aprender en los jóvenes del primer año de la carrera de
Radioquímica, dado que, en el primer semestre del primer año, todavía están tensos por
el volumen de información a procesar que demanda la educación superior y el tiempo
disponible para ello.
A partir de la primera experiencia con los estudiantes de RQ-115 y, posteriormente, con
los de ITNE se realizaron varias mejoras al sistema, por lo que los intercambios
con ambos grupos fueron de gran utilidad para el desarrollo definitivo del SVM. En el
curso 2016-2017 el SVM demostró su utilidad aplicándose nuevamente y de manera
exitosa en las carreras de RQ y de Ingeniería Química, donde tuvo una gran aceptación
por parte de los estudiantes y cumplió exitosamente su carácter motivacional y
didáctico.
Durante
la
aplicación
del
cuestionario
construido
para
evaluar
la
opinión
de los estudiantes, se encuestaron 74 estudiantes de un total de 95, para un 78 %.
Los encuestados se distribuyeron como sigue: dieciocho en RQ-115 de una matrícula
de treinta para un 60 %, nueve de doce en ITNE para un 75 %, veinte de veintiséis en
RQ-116 para un 77 % y veintisiete de IQ para un 100 %. Los resultados de este
instrumento de valoración se muestran en las figuras 3, 4 y 5.
De las figuras 3 y 4 es posible percatarse que el sistema tuvo un mayor impacto en las
carreras
ingenieriles
(las
mayores
diferencias
se
presentaron
fundamentalmente
en las preguntas 3 y 6).
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Fig. 3. Respuestas al cuestionario por los alumnos de licenciatura en RQ
Las diferencias en los resultados de la pregunta 3 se deben a que los estudiantes de RQ
cuentan con más turnos presenciales en los cuales tratan con el profesor el contenido en
cuestión, una mayor exigencia con respecto a la calidad del sistema por estar más
relacionados con el estudio de la estructura molecular, así como una experiencia previa
antes de enfrentarse al sistema, adquirida en la primera parte de la Práctica de
Laboratorio:
“Introducción
a
la estructura
de
Lewis
y
la
geometría
molecular
de moléculas covalentes simples” al trabajar con los globos. Esto provocó que, al tener
un mayor entendimiento sobre el tema en cuestión, el sistema no les resultara tan
novedoso como a los estudiantes de carreras ingenieriles, donde es posible apreciar que
el SVM gozó de gran aceptación.
Por otra parte, los resultados de la pregunta 6 son muy interesantes ya que se aprecia, en
contra de lo esperado, que el sistema tuvo un mayor efecto motivacional en los
estudiantes de las carreras de ingeniería que en los de RQ. Llama la atención que en
las respuestas de estos últimos a esa pregunta hay un porciento apreciable que escogió la
respuesta “no sé”, lo que se pudiera explicar por el hecho que son estudiantes de primer
semestre de primer año que acaban de ingresar a la educación superior, mientras que los
ingenieros son estudiantes de segundo año que se van perfilando en sus áreas de interés.
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Fig. 4. Respuestas al cuestionario por los alumnos de las carreras de ITNE e IQ
Finalmente, la figura 5 muestra los resultados de la encuesta teniendo en cuenta el
criterio de todos los estudiantes. Más del 90 % de los estudiantes respondieron de
manera satisfactoria (totalmente de acuerdo y de acuerdo) a las primeras cinco
preguntas. En su mayoría los estudiantes consideran que las imágenes del SVM son más
ilustrativas que las del libro de texto [5] y que tienen buena calidad. Igualmente
reconocen que el medio de enseñanza desarrollado ayudó a comprender mejor la
geometría molecular de las estructuras estudiadas, con la ayuda siempre importante de
la explicación del profesor. Todo lo anterior garantizó una clase más interesante y, sin
duda, facilitó el proceso de aprendizaje. Este resultado reafirma la importancia del
desarrollo de materiales docentes y el empleo de plataformas colaborativas como
Moodle en la enseñanza de la Química General [17].
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Fig. 5. Respuestas globales de todos los estudiantes encuestados
En cuanto a la motivación que despertó el SVM en los estudiantes para trabajar en
temas de modelación molecular y el interés que expresaron más del 60 % de los
encuestados, sobre todo si se considera que se trata de estudiantes de los primeros
dos años de carrera, puede considerarse un aporte colateral al objetivo esencial de este
trabajo.
Conclusiones
Se desarrolló satisfactoriamente, con ayuda de las herramientas de la modelación
molecular, un sistema de visualización molecular de estructuras químicas. El sistema
resultó superior al existente anteriormente para el estudio de estructuras moleculares
en los cursos de química de tres carreras, en dos universidades cubanas. El sistema se
evaluó en cuatro grupos de estudiantes durante dos cursos escolares con resultados
satisfactorios, pues más del 90 % de los encuestados consideraron que las imágenes
del nuevo sistema son más ilustrativas que las disponibles anteriormente, lo que les
ayudó a comprender mejor el tema en estudio.
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