Experimentos naturales: llevando el laboratorio al aire libre

A muchos profesores les gusta dar clases en las salidas de campo. Entonces, ¿por qué limitamos las clases de química al laboratorio o al aula? Los beneficios de la enseñanza al aire libre están bien documentados (Malone and Waite, 2016; Dillon et al., 2006), e incluyen tanto aspectos cognitivos como de destreza. También se sabe que, para muchos estudiantes, resolver rompecabezas es más motivador que leer libros de texto o que atender en las clases.

Por estos motivos, decidimos desarrollar un método basado en la investigación para las clases de ciencias, en donde los estudiantes hacen de “detectives”, primero creando sus propias hipótesis en el aula, luego reuniendo información fuera y aplicando sus descubrimientos a las hipótesis.

En este artículo, describimos una actividad enfocada a la medida de los niveles de glucosa y almidón en plantas y hongos. Equipamos a los estudiantes con una mochila de investigación que contiene todo lo necesario para hacer el trabajo químico de campo. Al final de la actividad, los estudiantes vuelven al aula para comentar sus hallazgos.

La actividad es adecuada para estudiantes de 16 años, debido a la química necesaria y a las fuentes de error que deben de tenerse en cuenta. La actividad de aprendizaje completa dura aproximadamente 3-4 horas.

Midiendo el almidón y la glucosa

Para medir el almidón, se usa la prueba del yodo en forma de solución de Lugol (solución de yoduro potásico y yodo), ya que este simple test es el adecuado para realizarlo fuera del aula y, sólo se necesita una gota para obtener el resultado.

Sustituyendo el test tradicional para glucosa

Tradicionalmente, para medir la glucosa se usa la reacción de Fehling (y otros azúcares reductores). Sin embargo, debido a que algunos de los químicos que se usan son tóxicos para el medioambiente o corrosivos, hemos querido sustituir esta prueba.

En sustitución, usamos tiras de medición de glucosa diseñadas para análisis de orina. Esto da un dato semicuantitativo, siendo más informativo, a la vez que más seguro y adecuado para el trabajo de campo. Se intentó probar tiras de tres fabricantes diferentes y, recomendamos usar aquellas que muestran concentraciones de glucosa de hasta 5% - por ejemplo, el Test Keto Diabur 5000 fabricado por Roche.

Fuentes de error

Como el ensayo con tiras está diseñado para usar sólo con orina, hay algunas fuentes importantes de error que tienen que tenerse en cuenta cuando se usan estas tiras en otros contextos, ya que puede reducirse la exactitud de la lectura obtenida. Éstos incluyen:

1. Color: el intenso color de algunas frutas y verduras pueden enmascarar el color del resultado del test, que tiene que ser comparado con los colores de una escala para averiguar la concentración de glucosa.
2. Química: la savia o jugos de las plantas son mezclas complejas de moléculas e iones, algunos de los cuales pueden interferir con las reacciones químicas del test. Por ejemplo, una gran cantidad de ácido ascórbico puede disminuir el resultado.
3. Viscosidad: líquidos espesos pueden falsear los resultados debido a que hay más cantidad de líquido en la tira y, las moléculas de glucosa necesitan más tiempo para difundir.
4. Práctica: algunos kits de medición tienen escalas que son difíciles de distinguir  y, otros miden más factores que la glucosa (como cetonas o proteínas) con hasta 10 cuadrados de medición en una sola banda, lo que puede ser confuso para los estudiantes.

¿Cómo funcionan las tiras de medición de glucosa?

En los test de medición de glucosa en orina que están disponibles en el mercado, tienen lugar dos reacciones enzimáticas acopladas.

Primero, la glucosa es oxidada en una reacción que produce gluconolactona (C₆H₁₀O₆) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂)

C₆H₁₂O₆ + O₂       ^{glucosa oxidada}    >  C₆H₁₀O₆ + H₂O₂

Para hacer visible la reacción, el peróxido de hidrógeno es posteriormente reducido por otro enzima (una peroxidasa) y, en este proceso oxida a una sustancia química llamada cromógeno. El cromógeno cambia gradualmente de color según se va oxidando, de modo que el color final depende de la cantidad de glucosa que está presente originalmente.

Finalmente, para determinar la concentración de glucosa, el color obtenido se compara con un una fila de bloques de colores que proporciona el kit (ver figura 1 y figura 2)

 

 

Paso 1: aprender a usar el test

Por grupos, los estudiantes aprenderán a usar el test antes de dejar el aula. Esta actividad inicial lleva unos 20-30 minutos. Las mochilas de investigación deben de estar preparadas de antemano.

Materials

• 

  Glucosa (dextrosa) en pastillas
• Zumo de manzana, o soluciones de glucosa (ej. 0,1% (0,1 g/100 ml) y 1% (1,0 g/100 ml))
• Comida que contenga mucho almidón (ej. patata, pan) o una suspensión de almidón
• Las mochilas de investigador, cada una debe contener lo siguiente (ver figura 3):
  • Tiras de medición de glucosa
  • Solución de Lugol (medición de almidón)
  • Mano de mortero y mortero (u otro plato pequeño) para extraer el jugo de las muestras
  • Navaja (para cortar ramas y raíces)
  • Toallitas y agua destilada (para limpiar los utensilios)
  • Caja para basura
  • Lupa
  • Tabla para cortar (opcional). Guantes y gafas de seguridad

Método

1. Distribuir las mochilas de investigación, dando una mochila a cada grupo de estudiantes.
2. Pedir a los estudiantes que lean las instrucciones del kit de medición de glucosa para llevar a cabo una medición con la solución de glucosa o el zumo de manzana. Recuerda a los estudiantes que los cuadrados de medida deben sumergirse en la muestra líquida durante un segundo y eliminar el exceso de líquido. Tendrán que esperar (generalmente entre 30 segundos y 2 minutos) antes de leer el resultado.
3. Para la medición del almidón, poner una gota de la solución de Lugol en la muestra a medir. La solución cambiara a negro si hay almidón presente, o permanecerá naranja-marrón si el test es negativo. 

 Paso 2: Decidir la hipótesis a comprobar

Deja entre 20-30 minutos para la fase de discusión. 

Método

1. Recuerda a los estudiantes lo que ya saben sobre la glucosa como molécula central en la respiración celular y, también como el producto de la fotosíntesis en las plantas (y de esta forma las bases del flujo energético desde los productores a los consumidores primarios en los ecosistemas). En la química orgánica, la glucosa es el pilar de muchos carbohidratos.
2. Plantea a los estudiantes la tarea de trabajar como “detectives de moléculas” que buscan respuestas investigando a la glucosa y al almidón en el medio natural. Pide a los estudiantes, que deben trabajar en grupos de 3-5, que formulen hipótesis sobre el almidón y la glucosa que ellos tendrán que investigar. La tabla 1 de abajo muestra algunos ejemplos de hipótesis, con las razones por las cuales los estudiantes pueden exponerlas- las cuales pueden ser falsas o no válidas.
3. Recoge y discute las hipótesis con la clase y, pide a cada grupo que investigue al menos una hipótesis. Idealmente, cada grupo debe tener una investigación que resultará en una alta lectura de glucosa y una de baja o ausencia de glucosa.

 Paso 3: Trabajo de campo

Recomendamos 30-60 minutos para la fase en el exterior de la actividad; el tiempo necesario depende en parte de las condiciones meteorológicas. Los estudiantes necesitan ropa de abrigo adecuada y, llevar un kit de primeros auxilios sería recomendable por si fuera necesario.

Antes de comenzar el trabajo de campo, revisa el lugar donde los estudiantes llevarán a cabo la investigación y, ten en cuenta la estación del año. ¿El lugar es seguro? ¿Hay suficientes plantas, bayas y otros materiales para analizar y, los estudiantes están autorizados a cogerlos?

Material

Cada grupo de estudiantes necesita:

• Mochila de investigación (como para el paso 1)
• Cámaras, smartphones y/o cuadernos, para grabar las especies estudiadas y los resultados obtenidos
• Opcional: guía de campo de las plantas presentes en la zona

Método

1. Vete con los estudiantes hasta el lugar, manten a los grupos juntos para que puedas responder cualquier pregunta inicial.
2. Por grupos, los estudiantes recogen las muestras para probar sus hipótesis. Las muestras deben incluir algo de lo siguiente:

• Bayas
• Hojas
• Raíces
• Tallos
• Flores
• Semillas
• Corteza de árbol
• Madera (de las ramas y ramitas de los árboles)

3. Los estudiantes analizan la glucosa y el almidón de sus muestras usando el equipamiento de la mochila. Cuando midan el almidón, usar la lupa para ver los detalles- por ejemplo, en semillas de césped.
4. Los estudiantes recogen todas sus pertenencias y cualquier resto antes de volver al aula.

Paso 4: Análisis y discusión

Deja al menos 45-60 minutos para el análisis y la discusión a la vuelta al aula. Para empezar, advierte a los estudiantes que no se preocupen si sus resultados parecen incorrectos, ya que es tan importante pensar en las fuentes de error en las medidas (indicadas anteriormente) como tener en cuenta los resultados obtenidos.

Método

1. Primero, los estudiantes escribirán sus notas y resultados de campo obtenidos en la fase fuera del aula. En sus grupos, discutirán sus resultados y elaborarán conclusiones sobre sus hipótesis iniciales de una forma que puedan presentarse a la clase.
2. Seguidamente, los estudiantes usarán internet para encontrar los valores de referencia científica para los datos que han obtenido en el exterior. Es bastante complicado encontrar los niveles de glucosa de fuentes vegetales en la red; mira la sección de recursos al final de este artículo para las páginas web sugeridas. Recuerda a los estudiantes que deben tener especial cuidado a la hora de la conversión de unidades, de forma que puedan comparar los valores obtenidos con las tiras de medida con los recursos de internet o en los libros. Para los productos no comestibles, los estudiantes pueden pensar en especies similares que sean comestibles y buscar los valores en una base de datos de nutrientes, como hicimos con las hojas del diente de león y la lechuga (ver tabla 2). 

Los ejemplos mencionados dan una idea real de los resultados que se pueden esperar: a veces los valores son muy parecidos y, en otros casos hay grandes diferencias.

Discusión

La clase entera deberá debatir los resultados obtenidos por cada grupo, sus conclusiones sobre sus hipótesis y, la comparación con las bases de datos.

Los temas de debate de los resultados pueden incluir lo siguiente:

• ¿Por qué hay más glucosa en las bayas que en las hojas?
• ¿Por qué no hay almidón en las bayas pero hay mucho en las raíces?

Las preguntas relativas a la comparación de datos podrían incluir:

• ¿Por qué los resultados de las medidas y los valores de las bases de datos son diferentes?
• ¿Cuánto de esta diferencia se debe a los errores de las medidas durante la propia medición?
• ¿Cuánto de esa diferencia se debe a variaciones naturales?

Actividad de ampliación… y más

Como un proyecto de investigación futuro, los estudiantes pueden continuar la discusión sobre el almidón para profundizar más en los diferentes carbohidratos producidos por las plantas

Hemos extendido este método a través de una actividad de aprendizaje fuera del aula a otros temas de química, por ejemplo: encontrar diferentes metales e iones metálicos en el medio rural o urbano;  investigar la química de una hoguera; estudiar las fases de transición del agua; y medir los niveles de dióxido de carbono. ¿Qué otras oportunidades podría haber en tu zona?

Agradecimientos

Esta unidad didáctica es parte de un proyecto llamado “la química móvil”, que recibió financiación del Departamento de Educación de la Universidad del Ártico de Noruega. Más información disponible sobre el proyecto a través del autor, que puede ser contactado en la dirección jan.hoper@uit.no