Chembot: química con robots Teach article

Traducción de Elisa López Schiaffino. Sabemos que los robots se especializan en realizar tareas mecánicas, pero aquí presentamos un proyecto de química para robots que no temen probar algo nuevo.

¿Cuál es la mejor manera de establecer una conexión entre la robótica y el plan de estudios de ciencia en la escuela? Este es el desafío que nos planteamos al desarrollar Chembot: un robot que realiza experimentos químicos sencillos.

Como docentes de informática, lo que nos inspiró a desarrollar esta actividad fue el deseo de establecer una conexión con otras ramas de la ciencia; en este caso, la química. Les propusimos a nuestros alumnos el desafío de construir un robot que responda a esta pregunta: ¿el pH de un líquido cambia con la temperatura, o permanece igual?

En este artículo, describimos los detalles prácticos de la actividad, la cual requiere alrededor de seis horas de enseñanza y es adecuada para estudiantes de ciencia de la escuela secundaria superior (de entre 16 y 19 años) con conocimientos básicos de programación. Esta actividad también puede llevarse a cabo de modo extracurricular, por ejemplo en un club escolar de robótica.

Imagen cortesía de Nicola Graf

Presentación del desafío

Un aspecto fundamental de este proyecto es pensar y trabajar en forma colaborativa. Los estudiantes construyen robots por sí mismos usando el kit de robótica Lego Mindstorms, y luego les incorporan los sensores adecuados para que midan la temperatura y el pH de un líquido.

Para ayudar a los estudiantes a desarrollar y mejorar sus ideas iniciales sobre cómo abordar el desafío, el docente puede emplear un proceso de tres pasos en el que gradualmente los estudiantes aumentan su nivel de colaboración:

  1. Piensa: En forma independiente, los estudiantes deben pensar cómo resolver la tarea; de esta manera, forman sus propias ideas.
  2. Comparte: En parejas, los estudiantes proceden a compartir sus ideas. Este paso les permite articular sus ideas propias y considerar las de otra persona.
  3. Actúa: los grupos comparten sus ideas con un grupo más grande (por ejemplo, la clase entera). Al presentar sus ideas ante un grupo, los estudiantes suelen sentirse más cómodos si tienen el apoyo de un compañero (con el que trabajaron en el paso 2).

Para superar el desafío, los estudiantes deben resolver tres problemas, en el siguiente orden:

  1. ¿Cómo se puede integrar el sensor y la electrónica del robot de manera que funcionen juntos?
  2. ¿De qué manera el robot logrará sumergir los sensores en un líquido y tomar una medición?
  3. ¿Qué indican los resultados obtenidos sobre la relación entre la temperatura de un líquido y su pH (de existir tal relación)?

Materiales

Chembot
El modelo terminado de un
Chembot, con sensores
incluidos.

Imagen cortesía de Eleftheria
Karagiorgou y Vasileios Spahos

Para cada grupo pequeño (por ejemplo, de cuatro estudiantes), se necesita:

  • un kit de Lego Mindstorms EV3;
  • el software de Lego Mindstorms (se puede descargar en forma gratuita si se dispone de una cuenta de Lego);
  • un pH-metro y un adaptador (por ejemplo un adaptador Vernier);
  • un sensor de temperatura Lego EV3;
  • una computadora, para escribir el código de los robots programables;
  • líquidos a temperatura ambiente: agua y (opcional) vinagre o Coca-Cola
  • un recipiente grande;
  • cubos de hielo o un calentador de agua (use ambos si desea obtener una amplia gama de datos).

Procedimiento

La actividad comprende cinco fases.

Fase 1: presentación

Duración: 30 minutos

Primero, lleve a cabo una discusión con toda la clase en torno a los siguientes temas de química:

  • la teoría de acidez y la definición del pH como medida de la concentración de iones de hidrógeno en un líquido;
  • el pH-metro y la escala de pH (cuanto menor es el pH, mayor es la acidez);
  • El desafío: construir un robot que pueda medir el pH y la temperatura;
  • El experimento: qué datos recabar y cómo analizar los resultados

Luego, divida a los estudiantes en grupos pequeños para que puedan comenzar a pensar en la construcción y en los elementos que precisan.

Fase 2: construcción de los robots

Duración: 2 horas, 30 minutos

Durante esta fase, los estudiantes deben estar ubicados en grupos de cuatro.

Los alumnos deben construir robots básicos usando los kits Lego EV3, y luego, para crear los Chembots, deben agregarles pH-metros y sensores de temperatura.

Para hacer un Chembot, los estudiantes deben tomar decisiones sobre:

  • la morfología del robot: qué materiales usarán, qué apariencia va a tener el robot
  • las piezas del robot: qué elementos del kit EV3 usarán

Fase 3: programación y puesta a prueba del robot

Duración: 1 hora, 30 minutos

En grupos, los estudiantes deben programar los robots para que realicen las mediciones de temperatura y pH usando el entorno de programación de Lego EV3, que es sencillo de usar y emplea una serie de bloques. Cada bloque representa una función específica. Por ejemplo, una de las funciones básicas es mover el engranaje del motor para controlar los sensores.

Cuando los estudiantes consideren que han logrado armar un robot que funciona, lo deben probar para solucionar los problemas y desafíos que se presenten. Deben asegurarse que los sensores y los engranajes de los motores funcionen, que la programación del robot sea correcta, que la construcción del robot sea resistente, etc.

Esta es la fase más importante, y la más difícil; no solo para los estudiantes sino también para los docentes, que deben asegurarse de que todos los estudiantes hayan comprendido el objetivo del proyecto y deben ayudarlos a resolver los problemas que surjan.

Chembot sumerge sus
sensores en agua fría para
medir la temperatura y el pH.

Imagen cortesía de Eleftheria
Karagiorgou y Vasileios Spahos

Fase 4: funcionamiento y ajustes

Duración: 1 hora

Cada grupo debe turnarse para que su Chembot tome mediciones. Si desea, puede destinar un escritorio a la realización de las pruebas en el laboratorio y colocar sobre él recipientes que tengan líquidos diferentes. Para obtener agua a distintas temperaturas, colóquela a temperatura ambiente (25 ˚C) en un recipiente. Enfríela en forma gradual con cubos de hielo o caliéntela con el calentador de agua. Repita este proceso para cada grupo.

Luego, los estudiantes deben usar sus Chembots para medir la temperatura del líquido y el pH; tienen que leer los resultados de la pantalla del robot EV3 y anotarlos.

Los estudiantes deben analizar los resultados e intentar responder la pregunta inicial: ¿cuál es la relación entre la temperatura del agua y su pH (de existir tal relación)? Cada grupo debe realizar un gráfico que muestre los resultados (pueden hacerlo con Excel), que refleje la respuesta a la pregunta principal y que contenga la información recolectada sobre el pH de los otros líquidos.

Fase 5: resultados y discusión

Duración: 30 minutos

Por último, la clase procede a discutir los resultados. ¿Pueden los estudiantes usar sus conocimientos sobre ácidos y pH para explicar los resultados?

Los estudiantes aprendieron que hay una relación entre la temperatura del agua y su pH: a mayor temperatura, menor pH. ¿Por qué ocurre esto?

La escala de pH representa la concentración de iones de hidrógeno (H+) en un líquido. Pero es el logaritmo inverso (en base 10) de la concentración, por lo que a mayor número de iones de hidrógeno, menor es el pH.

Por ejemplo, a 25 ˚C, la concentración de iones H+ en el agua pura es 10-7, y su logaritmo inverso es 7, por lo que el pH es 7. Al aumentar la temperatura del agua, aumenta el número de moléculas que se disocian en los iones H+ y OH.

H2O ⇌ H+ + OH

Este proceso de disociación ocurre en un mayor número de moléculas a temperaturas más altas, por lo que hay un mayor número de iones H+, y el pH disminuye. Por ejemplo, a alrededor de 50 ˚C, la concentración de iones H+ es aproximadamente 10-6  (que es diez veces mayor que 10-7), por lo que su logaritmo inverso es 6 y su pH es 6. Si la temperatura del agua disminuye, ocurre lo opuesto: la concentración de iones de hidrógeno disminuye, y el pH aumenta.

El docente puede desafiar a los estudiantes con esta pregunta: ¿la disminución del pH significa que la acidez del agua aumenta con la temperatura? De hecho, la respuesta es no: para cada ion H+ todavía hay un ion OH, por lo que el agua sigue siendo neutra. Para que un líquido sea ácido, debe tener iones H+ en exceso.

Nota final

Al término de las actividades, les pedimos a los estudiantes que completaran un cuestionario sobre el proyecto. Todos nuestros alumnos apreciaron nuestro intento de crear una actividad interdisciplinaria práctica en el aula. De hecho, les gustaría que sucediera con más frecuencia en las asignaturas CTIM que forman parte del plan de estudios.

Además, más allá de aprender sobre robótica y química, los estudiantes comprendieron algo importante al hacer este proyecto: cada campo de la ciencia no es autónomo, sino que está relacionado con otras áreas de la ciencia. Como bien dijo un estudiante, la relación entre las distintas ciencias es “como los eslabones de una cadena”.

Agradecimientos

Este fue uno de los siete proyectos finalistas en la Inspiring Science Education Scenario Competition 2015-2016, y fue presentado en la Inspiring Science Conference 2016 en Atenas (Grecia).

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Resources

  • Si desea información completa sobre el contexto educativo de este proyecto (Programming with Robots [Programación con robots]), consulte los recursos de Inspiring Science Education (ISE)

Author(s)

Eleftheria Karagiorgou y Vasileios Spahos son docentes de informática. Ambos cuentan con 15 años de experiencia y enseñan en la escuela secundaria de Trikala (Grecia). El área de investigación que más les interesa es la robótica educativa y su aplicación a las asignaturas CTIM. Participan con regularidad en competencias de robótica, como en la World Robot Olympiad.  Con el patrocinio de la Stavros Niarchos Foundation, instalaron un laboratorio de robótica educativa en su escuela.


Review

Enseñar ciencia exclusivamente a través de aparatos manuales tradicionales les da a los estudiantes una impresión falsa de lo que significa hacer ciencia en el mundo tecnológico de hoy. La actividad con el robot Chembot les permite a los alumnos investigar una pregunta científica y al mismo tiempo construir el robot que necesitan para recolectar los datos. Parte de un concepto abstracto como el pH e invita a los estudiantes a investigar el concepto mediante un análisis de lo que sucede en presencia de otros factores; en este caso, la temperatura.

Este proyecto sirve para mostrar a los estudiantes que hacer ciencia requiere perseverancia e imaginación. Los alumnos emplean el método científico para alcanzar conclusiones sobre una pregunta de investigación válida. Al mismo tiempo, la actividad de aprendizaje tiene un enfoque constructivista, basado en la investigación de un concepto científico. Además, fomenta el pensamiento crítico al hacer que los estudiantes desarrollen el robot Chembot y que resuelvan problemas compartiendo soluciones con sus compañeros y supervisores.

Chembot, que fue preseleccionado para la competencia Inspiring Scientists, también fomenta la creatividad, característica muy valiosa en las tareas científicas. La actividad les demuestra a los estudiantes que en el mundo de hoy no basta con conocer, comprender y aplicar el conocimiento científico. Para tener éxito en este campo, la innovación y la iniciativa empresarial son claves, y la informática es un ámbito de especialización que hace uso de estas aptitudes.

Este proyecto demuestra que cuantas más conexiones interdisciplinarias se formen con otras ciencias, como la informática, y cuantas más actividades de resolución de problemas haya, más efectivo será nuestro papel como educadores al preparar a nuestros alumnos para que se desenvuelvan con éxito en el área técnica o científica.


Angela Charles, Malta




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