En general, la inclusión del trabajo de laboratorio en los planes de estudio data de 1960. Los enfoques planteados han pasado por varias etapas: desde el aprendizaje por descubrimiento, un enfoque en procesos, hasta enfoques constructivistas contemporáneos (Barolli, Laburú y Guridi, 2010; Hodson, 1996). La idea inicial y central consiste en replicar las formas y métodos de cómo los científicos consiguen nuevos descubrimientos. En consecuencia, los estudiantes, al realizar las prácticas de laboratorio, aprendían a "hacer ciencia" de alguna manera.

Nedelsky (1958) explora la relación entre física y realidad; sustenta que "una visión empirista fundamenta la educación científica". El trabajo de laboratorio es visto como un proceso de investigación. En el caso de las ciencias biológicas, este enfoque implica una estrategia didáctica que va más allá del montaje de una simple práctica. Durante las prácticas disciplinares y los trabajos en el laboratorio, se pone hincapié en la guía del proceso de aprendizaje del estudiante (Cronbach & Snow, 1977); esta idea es contraria a la hipótesis de que el estudiante aprende mejor cuando no es guiado o se tiene una guía mínima, de modo que pueda descubrir o construir información esencial por ellos mismos (Bruner, 1961).

Un análisis de estas dos formas contrarias de buscar un mejor aprendizaje demostró que el aprendizaje con una guía especializada es más efectivo que el obtenido por descubrimiento con una guía mínima (Kirschner, Sweller & Clark, 2006; García, 2005). De acuerdo con Hacking (1983) , "los experimentos juegan un papel central en la educación de la ciencia, siempre y cuando se realice una intervención planeada". López-Trujillo, Nava-Monroy y Moreno-Colin (2013) señalan que "los alumnos de Biología muestran diferentes estilos de aprendizaje, con una mayor preferencia al visual, táctil, kinestésico y grupal". Estas características enfrentan a los docentes al diseño de estrategias específicas para conseguir un aprendizaje significativo. El mayor problema se presenta cuando las prácticas de laboratorio ligadas a un enfoque científico son tan costosas que es imposible ejecutarlas. Una alternativa viable es utilizar simuladores computacionales para ese propósito.

Con las nuevas tecnologías se puede pasar a la simulación computacional para realizar una serie de experimentos, obtener datos, analizarlos y comprender el significado de la investigación cuantitativa. Los laboratorios virtuales son herramientas muy útiles en la didáctica de la biología para trabajar temas que, por razones diversas, no admiten la experimentación en un laboratorio escolar. Consisten en simulaciones de actividades prácticas, es decir, imitaciones digitales de prácticas de laboratorio o de campo reducidas a la pantalla de la computadora. Resultan de gran interés para abordar procesos biológicos en los que la experimentación se ve restringida por seguridad, tiempo, disponibilidad de material, ética, equipo especializado, etcétera. Esta forma de abordar los procesos biológicos da lugar a experimentos virtuales.

En este trabajo, utilizamos la definición de Cooper, Vik y Waltemath (2014) : "Definimos un experimento virtual como el análogo 'in sílico' de un experimento de laboratorio o de campo, realizado sobre un modelo computacional en lugar del sistema real o un modelo físico". La simulación permite reproducir estos procesos planteando actividades investigativas a los alumnos, quienes pueden interactuar con el programa. Los experimentos virtuales son un apoyo esencial para la enseñanza de las ciencias en la modalidad presencial y en línea. Por esto, el desarrollo de simuladores computacionales se visualiza como una herramienta muy importante para los procesos de enseñanza y aprendizaje en este siglo (García y Gil, 2006).

La tecnología computacional y el internet tienen un potencial para propiciar el aprendizaje de la ingeniería en un entorno altamente interactivo. "Las funciones de los profesores y estudiantes están cambiando, y sin duda hay formas de aprender aún no descubiertas" (Ertugrul, 2000). Antes de iniciar una práctica de laboratorio con simuladores, es preciso planear la estrategia pedagógica; tener presente un cronograma con la secuencia de temas previos al uso del simulador, y establecer objetivos, habilidades, destrezas y capacidades que se quieran desarrollar en el alumno. Estas recomendaciones han sido propuestas por varios autores (Lefèvre, 1988).

Según Waldrop (2013) , "es el momento de empezar a pensar en la educación de una manera completamente nueva". La educación masiva en línea (MOOC, massive open online courses) está iniciando y está disponible para decenas de cientos de estudiantes. Las universidades en los países desarrollados se empiezan asociar a empresas MOOC y se espera que en los próximos años se estén ofreciendo cursos relacionados con ciencias. Para este tipo de cursos de ciencias en línea, es necesario el diseño y construcción de laboratorios virtuales, donde el estudiante pueda aprender con descubrimientos científicos (García y Gil, 2006). No se refiere a simuladores hardware, como por ejemplo un simulador de avión; se trata de simuladores de procesos mediante los cuales los usuarios asimilan de forma natural los protocolos de actuación, metodología y pasos lógicos. Existen ya varios laboratorios virtuales cuyo objetivo es la enseñanza por medio de este tipo de simuladores. Los resultados en el aprendizaje muestran que son favorables (Ray, Koshy, Diwakar, Nair & Srivastava, 2012; Bernhard, 2010; Dantas & Kemm, 2008; Ravert, 2002).

En la enseñanza-aprendizaje de las disciplinas médicas, Zhang, Thompson y Miller (2011) hicieron una revisión de la educación interprofesional (IPE) basada en simulaciones. Estos autores emprendieron una búsqueda en varias bases (CINAHL, MEDLINE, PsycINFO) para los años de 1999 a 2009. Se enfocaron en el diseño del estudio y las estrategias de investigación. Revisaron 356 trabajos, de los cuales 138 artículos usaban simuladores y, además, colaboraban dos o más profesiones (IPE). De estos artículos, 45 llevaron a cabo una investigación educativa; 19, un estudio cualitativo; 25, un estudio cuantitativo, y en uno de ellos no se reportó el impacto en los alumnos. Los autores encontraron que la instrucción educativa fue muy diversa; sin embargo, la mayoría de autores reportan una combinación de estrategias de aprendizaje activo, además de una combinación de materiales didácticos disponibles en módulos basados en la Web o lecturas seguidas de una actividad con el simulador.

En la mayoría de estos casos se revela la satisfacción de los participantes, la percepción del aprendizaje y el accionar de los estudiantes durante el proceso de simulación. En todos, los resultados fueron positivos. El comportamiento de los estudiantes fue de entusiasmo. Los niveles que se evaluaron fueron: la asistencia, la satisfacción con el programa, la adquisición de conocimiento, y las competencias. En temas de carácter médico se agrega: la atención al paciente y la atención a la comunidad. Los demás trabajos revisados se concretan a abordar el diseño y desarrollo de los simuladores.

Así, en este tipo de trabajos existen dos líneas directrices: el diseño de los simuladores, en el cual se analiza que los resultados generados por el simulador sean semejantes a los encontrados en los experimentos reales, y la puesta a prueba de su usabilidad y su empleo como herramientas didácticas. En la primera directriz se pone a prueba el modelo matemático que le da origen; se observan las relaciones entre las variables y, en su caso, se descubren nuevas relaciones entre variables o se calculan variables que en los experimentos reales no se pueden medir. En México, es poco el desarrollo de simuladores propios; por ejemplo, se han reportado simuladores por Govea-Valladares, Medellín-Castillo, Lim, Khambay, Rodríguez-Florido y Ballesteros (2012) . Los reportes del impacto educativo son aún más escasos.

El impacto del trabajo de laboratorio en la enseñanza de la ciencia ha sido suficientemente abordado. Existe gran cantidad de trabajos, sobre todo relacionados con el aprendizaje de la física y las matemáticas. Sin embargo, el estudio del impacto de prácticas virtuales en la biología es escaso. Los conocimientos, habilidades y destrezas que se pueden alcanzar han sido poco explorados. El desarrollo de simuladores para la enseñanza de la biología en México es incipiente. En este trabajo, describimos la experiencia y las estrategias del uso del simulador dosis-respuesta. Pretendemos valorar el aprendizaje alcanzado en el tema y demostrar que la experimentación virtual guiada sitúa al estudiante en una actividad que le permitirá obtener una idea general de qué es un trabajo científico y cómo se realiza.

La secuencia temática planeada y las actividades programadas se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1

*Cada sesión corresponde a una hora. Los alumnos pudieron usar el simulador todo el tiempo del curso y libremente a distancia. El simulador se localizó en el servidor de la escuela y estuvo a su disposición en la página web de Biología todo el curso.

Las temáticas están enfocadas específicamente a lo biológico, que en este caso es la interacción ligando-receptor y la generación de curvas dosis-respuesta. Esto significa, por ejemplo, que los temas relacionados con matemáticas o estadística están orientados a la solución del problema planteado y no se pretende formar a los alumnos en el sentido amplio de las matemáticas, sino que el alumno logre integrar una serie de herramientas que le permitan resolver un problema específico.

Antes de efectuar la práctica virtual, el grupo recibió tres sesiones de una hora cada una para el manejo del programa Origin(r). En la primera sesión se les dio un recorrido por el programa y se les mostró la barra de menús, cómo ejecutar el programa, cómo abrir un archivo nuevo y guardarlo. Se puso hincapié en la entrada de datos y cómo seleccionarlos para realizar diversos tipos de gráficas, así como modificar los títulos de los ejes, el tamaño de letra y de la gráfica, y el diseño propio de la gráfica. Durante la segunda sesión, el alumno aprendió a realizar análisis estadísticos básicos de columnas y renglones, y gráficas con barras de errores y su significado. Durante la tercera sesión se les enseñó el uso de la estadística y el análisis matemático de los datos que permite el programa.

El uso del simulador fue acompañado de una serie de temas y actividades que favorecen el aprendizaje del alumno y ayudan a alcanzar las habilidades, destrezas y objetivos planteados. De acuerdo con la taxonomía de Bloom (1956) y de Anderson y Krathwohl (2001) , se busca que el alumno tenga un aprendizaje reflexivo con los procesos de recordar, comprender y aplicar. Con evaluar y síntesis se pretende la autogestión de los propios contenidos, y con crear, con la escritura de su propio artículo, que adquiera independencia (ver Tabla 2).

Tabla 2

El simulador está basado en experimentos que se efectuaron en el órgano vestibular del Axolotl (Ambystoma tigrinum). El material y método que se usa en el experimento real fue presentado en PowerPoint y es explicado paso a paso al alumno. Se registran los potenciales del nervio vestibular con un electrodo de succión. La presión negativa en el electrodo se mantiene a lo largo del experimento, con lo que se asegura que se mantenga el nervio dentro del electrodo (ver Figura 1).

Figura 1 El esquema izquierdo muestra la preparación vestibular del ajolote con el electrodo de registro y el esquema derecho, la frecuencia de disparo. El intervalo comprendido entre las dos líneas verticales corresponde a los registros que se simularán.

El simulador dosis-respuesta reproduce los resultados experimentales. La ventana de interfaz muestra: en la mitad izquierda, la mesa de trabajo sobre la que se encuentra un microscopio, los micromanipuladores, la jeringa para lograr la presión negativa descrita y tres botones: <<Control>>, <<Q. A.>> y <<K. A.>>, que permiten simular la frecuencia control y el efecto de la administración del ácido quiscuálico y ácido kaínico, respectivamente.

En la mitad derecha se muestra una ventana que hace las veces de osciloscopio, una casilla donde se presenta la frecuencia de disparo correspondiente y abajo un botón para iniciar el registro (ver figura 2). Para usar el simulador, el primer paso es seleccionar el botón <<Control>> para indicar al programa que envíe resultados en condiciones de control. Para hacer los registros, simplemente hay que presionar el botón <<Iniciar registro>>. Cada vez que se oprime éste, se genera una nueva simulación (ver Figura 2).

Figura 2 En el módulo, en la parte inferior, se encuentra una barra de deslizamiento horizontal. Su desplazamiento hacia la derecha aumenta la dosis a administrar. Una vez seleccionada la dosis, se oprime el botón <<Aplicar>>. En seguida se oprime el botón <<Iniciar registro>> y se ejecuta la simulación.

Nuestro estudio fue exploratorio, descriptivo y no usó estadística inferencial. Seguimos una evaluación semejante a la propuesta por Gaytán y Pásaro (2001) , con algunas modificaciones. Evaluamos dos niveles de conocimiento: el manejo del programa y la comprensión de los conocimientos teóricos. Para el primer rubro, llevamos a cabo una encuesta de usabilidad del programa y para el segundo, dos actividades relacionadas: la escritura de los resultados de las simulaciones a manera de artículo científico y un examen de conocimientos.

Con el programa dosis-respuesta se simularon experimentos con el ácido quiscuálico (Q. A.) y con el ácido kaínico (K. A.). La figura 2 muestra una simulación con el primer ácido; en este caso se oprime el botón <<Q. A.>> y se presenta un módulo para seleccionar la dosis a aplicar. En este ejemplo: 41.2 M. En el osciloscopio se registra la frecuencia de disparo. En el recuadro de abajo se indica la frecuencia promedio: 409 Hz.

Para obtener la curva dosis-respuesta, administramos concentraciones crecientes del fármaco. La Figura 3 muestra la respuesta registrada en cada dosis aplicada. Con el incremento de la dosis aumenta la respuesta de una manera no lineal. Inicia un crecimiento rápido hasta llegar a un máximo. El programa reproduce una respuesta diferente cada vez que se inicia una nueva simulación.

Figura 3 Simulaciones que muestran la frecuencia de disparo producidas al incrementar las dosis de ácido quiscuálico. (A) Respuesta de 118.40 Hz a una concentración de 3.1 M. (B) Respuesta de 212.17 Hz con una concentración de 10.1M. (C) Respuesta de 353.34 Hz con 20.2 M. (D) Respuesta de 449.18 Hz con 48.3 M.

La curva dosis-respuesta se construyó con varias simulaciones, en las cuales se registra la respuesta ante el aumento de la concentración del fármaco. Es necesario presionar el botón <<Q. A.>> cada vez que se quiera llevar a cabo una simulación. Para cada concentración seleccionada se hicieron treinta registros. Se calcula la media y desviación estándar de los datos. En consecuencia, los alumnos realizan pruebas estadísticas de los datos generados por el simulador. La Figura 4 presenta los resultados.

Figura 4 La dosis del fármaco se incrementó en cada simulación y se realizaron treinta registros a nueve concentraciones diferentes para obtener la media y la desviación estándar correspondiente. La curva se ajusta a una función sigmoidal. La frecuencia llega a un máximo, indicativo de que el receptor se ha saturado (gráfica presentada en el artículo de un alumno).

Se evaluaron dos niveles de conocimiento: el manejo del programa y la comprensión de los conocimientos teóricos (escritura de los resultados de las simulaciones a manera de un artículo científico y un examen de conocimientos).

Se exploró qué tan fácil o difícil resultó el uso del simulador. La Figura 5 muestra los resultados: 69.2% de los alumnos indicaron que fue fácil de usar; 23.1%, que fue regular; y 7.7%, que fue difícil.

Figura 5

En la parte final del trabajo se realizó una intervención para analizar si el alumno alcanzó un aprendizaje reflexivo que le posibilitara escribir su propio artículo científico a partir de los datos recabados con el simulador. La intervención combinó la revisión colaborativa entre pares y la del profesor.

La escritura se realizó en dos etapas: escritura del primer borrador y su revisión por pares, y escritura final del artículo con las correcciones. Los alumnos redactaron un artículo siguiendo las instrucciones de autor proporcionadas. El 100% siguió de manera adecuada el formato, apartados y reporte de la bibliografía. Ocho de los alumnos (61.5%) describieron en el resumen y en la introducción la importancia del trabajo realizado; 76.9% (diez) de los alumnos describieron implícitamente al final de la introducción una hipótesis de trabajo; nueve de ellos comprobaron su hipótesis con los resultados. Trece alumnos (100%) mostraron el efecto del ácido kaínico y quiscuálico. El cálculo de la D₅₀ fue reportado por diez alumnos (76.9%). Todos ellos elaboraron las gráficas de acuerdo con lo aprendido en las secciones correspondientes y pudieron hacer búsquedas de bibliografía científica del tema; doce alumnos encontraron bibliografía específica del efecto del ácido quiscuálico y kaínico en el vestíbulo del ajolote (ver Figura 6).

Figura 6

Se muestran las capacidades alcanzadas por los alumnos en los siguientes rubros analizados: 1. Seguir las instrucciones de autor. 2. Describir explícitamente la importancia del trabajo. 3. Proponer implícitamente una hipótesis. 4. Demostrar la hipótesis mediante sus resultados. 5. Reportar el efecto del ácido quiscuálico. 6. Reportar el efecto del ácido kaínico. 7. Determinar la D₅₀ para el ácido quiscuálico. 8. Determinar la D₅₀ para el ácido kaínico. 9. Realizar adecuadamente las gráficas. 10. Reportar bibliografía relacionada con receptores, agonistas y antagonistas del receptor a glutamato. 11. Reportar bibliografía relacionada con la actividad de los agonistas utilizados en el nervio vestibular del ajolote. La escala del 0 al 100 corresponde al porcentaje.

De acuerdo con la taxonomía de Bloom, los resultados muestran que las actividades: generar datos con el simulador, experimentar con dosis crecientes de agonistas, graficar los resultados (rubros 1 y 9), ubicadas en el nivel aplicar, y describir el efecto de los agonistas, clasificar y reportar bibliografía especializada y específica (rubros 5, 6, 10 y 11), en el nivel analizar, fueron logradas por 100-92.3% de los alumnos. Los rubros 7 y 8, que también corresponden a analizar, los alcanzaron 76.9%, y un nivel más alto como sintetizar (rubros 2, 3 y 4), de 76.9 a 61.5% de los alumnos.

Se exploró el aprendizaje alcanzado por los estudiantes. Se formularon seis preguntas de selección múltiple. La Tabla 3 muestra las preguntas, las respuestas y el porcentaje de alumnos que seleccionó cada respuesta.

Tabla 3

La Figura 7 resume los resultados. Cada vértice del hexágono corresponde a una pregunta. Se sigue la numeración de las preguntas de la Tabla 3.

Figura 7

Los números del 1 al 6 corresponden a las preguntas de la tabla 3. Los números del 0 al 100 son el porcentaje. La mayoría de los alumnos contestaron todas las preguntas correctamente; 7.7% respondieron de manera incorrecta las preguntas 1 y 5.