Revista Educación Vol. 38(1), 59-67, e-ISSN: 22152644, enero-junio, 2014

Número publicado el 25 de abril del 2014

http://revistas.ucr.ac.cr/index.php/educacion

Acercamiento al Modelo Pedagógico Integrado

para la enseñanza de hidrología subterránea

Approach to Integrated Pedagogical Model

for the teaching of groundwater hydrology

María Fernanda Serrano-Guzmán1

Directora General de Investigaciones y Docente titular

Facultad de Ingeniería Civil

Universidad Industrial de Santander

Santander, Colombia

mariaf.serrano@upb.edu.co

Diego Darío Pérez-Ruiz2

Director, Departamento de Ingeniería Civil e Industrial,

Facultad de Ingeniería,

Pontificia Universidad Javeriana,

Cali, Colombia

ddperez@javerianacali.edu.co

Guillermo Galvis-Hormiga3

Especialista en Gerencia e Interventoría de Obras Civiles

Universidad Pontificia Bolivariana Seccional Bucaramanga

Santander, Colombia

guillermo_1035@hotmail.com

Recibido: 17 septiembre 2012 Aceptado: 13 marzo 2014 Corregido: 25 marzo 2014

Resumen: El sistema educativo de la Universidad Pontificia Bolivariana se ha apoyado de la investigación, básica y aplicada, para la implementación de un Modelo Pedagógico Integrado (MPI) en el que el discente es el responsable de su proceso de formación íntegral. El objetivo de este artículo es compartir las lecciones aprendidas en la experiencia de trabajo de investigación colectiva docente-discente producto de la cual se diseñó y construyó un modelo a escala reducida bidimensional de un acuífero con el cual el estudiante aborda la temática de la distribución del agua, y de manera específica, del uso del agua subterránea. El modelo a escala reducida del acuífero desarrollado, de dimensiones 1 m * 1m * 0.10 m, funciona a escala bidimensional incluyendo un acuífero confinado por una capa confinante (de arcilla) y un acuífero no confinado que finaliza con una superficie arenosa (expuesta a la atmósfera). La estructura y dimensiones del modelo a escala reducida permiten la planeación de actividades docentes para la transmisión de conocimiento sobre la hidráulica que rige la movilidad de fluidos en el suelo; la comprensión por parte de los estudiantes sobre la interrelación entre los niveles de agua subterránea y los de agua superficial y la simulación de derrames en la parte superficial, así como también la visualización de la movilidad de estos en la parte subterránea. Finalmente, este modelo a escala reducida se convierte en una estrategia pedagógica para la compresión de los procesos asociados a la hidrología subterránea.

Palabras claves: Acuífero, pedagogía, hidráulica, hidrología subterránea.

Abstract: Grounded on basic and applied research, the Universidad Pontificia Bolivariana system is working on the implementation of the Integrated Pedagogical Model (IPM) to help students develop their own academic training skills,. A collaborative effort between professors and students has been made to design and build a two-dimensional physical model of an aquifer at a small scale in order to understand the interaction of surface and groundwater resources. The physical model consists of a 1mx1mx0.1m transparent box containing the two-dimensional system including an unconfined aquifer on top of an aquifer confined by a layer of clay. The dimensions of the physical model allow the professor and students to visualize the implications of phenomena such as groundwater flow, surface water and groundwater relationship, surface contaminant infiltration, fate and transport of ground water contaminants, and effect of ground water exploitation. In conclusion, small-scale physical models represent ideal pedagogical strategies which convey the potential of knowledge generation and better understanding of concepts and theories of the groundwater phenomenon.

Keywords: Aquifer, hydraulic, groundwater hydrology., pedagogy.

1.Introducción

El sistema nacional de Universidades de la Universidad Pontificia Bolivariana ha implementado el Modelo Pedagógico Integrado (MPI) con el cual se compromete al discente en su proceso formativo mediante el uso de la investigación como estrategia de aprendizaje. Esto implica un trabajo mayor por parte del estudiante quien se enfrenta a situaciones propias de su ejercicio profesional disciplinar (Salicetti y Romero, 2010).

Por tal razón, los lineamientos del MPI han motivado a los docentes a plantear diferentes tipos y métodos de investigación en el aula de clase como se evidencia en la Tabla 1. Para el caso específico del curso hidrología subterránea, pueden citarse los siguientes (Vargas, 2009):

Como se menciona previamente, el MPI permite el uso de diferentes tipos de investigación o métodos aplicados favoreciendo el aprendizaje basado en problemas, lo cual implica el trabajo cooperativo y la enseñanza centrada en el estudiante (Serrano-Guzmán, Solarte-Vanegas, Pérez-Ruiz y Pérez-Ruiz, 2011).

Este artículo presenta un resultado del trabajo colaborativo entre docente-discente para la implementación del MPI en el curso de aguas subterráneas, que conllevó al diseño y construcción de un modelo a escala reducida de acuífero con el cual se facilita el proceso enseñanza-aprendizaje de fenómenos de movilidad del agua, la interacción entre el medio superficial y subterráneo y se busca que el discente adquiera las competencias, a escala laboratorio, con la expectativa que puedan ser extrapoladas a escala real, es decir en el trabajo de campo.

El nacimiento de la psicología cognitiva hacia los sesenta ofreció un paradigma conceptual para describir el diseño, el cual era considerado como una actividad mental invisible. Los estudios iniciales se basaron en la solución de problemas de las ciencias cognitivas y la inteligencia artificial. Poco a poco, el diseño fue considerado como un tipo de solución de problemas con lo cual se buscaba el procedimiento más satisfactorio, algo así como armar un rompecabezas partiendo de una serie de etapas, cada una de las cuelas con funciones diferentes (Eastman, Mc Cracken y Newstetter, 2001). Para la construcción del modelo a escala reducida, por tanto, resulta imperioso considerar el material del cual se construye y verificar si el diseño concebido permite determinar los parámetros de medición para el cual fue concebido.

Un diseño de un modelo a escala reducida puede llegar a ser bueno, en cuanto se considere la visión de dicho modelo desde diferentes perspectivas, permita la generación de alternativas de uso y el planteamiento de un funcionamiento en condiciones extremas, de manera que se permita un progreso educativo (Eastman, Mc Cracken y Newstetter, 2001), en el que se tenga en cuenta la forma como el educando aprende, aplica e integra el conocimiento recibido con el modelo a escala reducida para la solución de un problema específico en el contexto de su desempeño laboral. El educando y futuro profesional, tienen entonces una serie de información aprendida realmente, otra que ha construido haciendo, otra con relación a sus habilidades y destrezas personales; y otra, que es por la experiencia propia que responde muchas veces a sus necesidades (Constantinides, Montalvo y Silverman, 2013).

Un punto de partida, es la elaboración de esquemas (bocetos) que permiten visualizar un comportamiento dado. Para el caso específico del acuífero, durante la participación de los estudiantes en las discusiones sobre el diseño final al ser construido se observó la integración de los conceptos teóricos y el uso de la memoria para correlacionar las experiencias de las visitas de campo en las zonas de explotación de agua mediante el sistema de pozos de bombeo. Adicionalmente, se revisaron los resultados de modelos de Putranto y Chen (2013) y los estudios de Chen, Huan y Chakma (2000) y Kechavarzi, Soga e Illangasekare (2005) los cuales han sido de utilidad para simular la movilidad de compuestos en el campo.

Imágenes mentales y la estructura del conocimiento

La representación mental del conocimiento ha sido tema de estudio desde Platón y abarca una serie de doctrinas sicológicas desde aquellas que desconocen las imágenes mentales hasta aquellas que consideran una estructura simbólica proposicional más compleja. Eastman, Mc Cracken y Newstetter (2001) mencionan que existe la habilidad de aprendizaje, la cual estaba influenciada por la habilidad mental de visualizar la información de referentes previos. Estos conocimientos previos o preconceptos son utilizados, algunas veces, de manera no organizada pudiendo con ello, posteriormente interpretar eventos.

El éxito en la asociación de los preconceptos o presaberes depende de la habilidad de los individuos y también está asociado con el entrenamiento que haya recibido la persona, de manera que la estructura del conocimiento se haga mediante el uso de sensaciones y de la memoria, siendo la selectiva y a largo plazo aquella que juega un papel importante en el proceso de enseñanza aprendizaje, es decir, al momento de aprender a aprehender (Eastman, Mc Cracken y Newstetter, 2001). En ocasiones, las asociaciones temporales o espaciales permiten también el aprendizaje. Para la conceptualización del modelo a escala reducida del acuífero cumplieron un papel importante las experiencias de campo de los estudiantes que colaboraron con el diseño.

Hacia la construcción de conceptos partiendo de imágenes mentales de un sistema de hidrología subterránea

La contaminación de suelos y aguas subterráneas por compuestos (contaminantes) está causando deterioro a la calidad del ambiente y pone en riesgo la salud humana. Estos contaminantes pueden permanecer por largo tiempo en el ambiente (Serrano-Guzmán, Pérez Ruiz, Puppala y Padilla, 2010) e interactúan en el medio poroso a través de las diferentes fases (Marinack Jr., Mpagazehe y Higgs III, 2012). Su movilidad hace difícil la localización, caracterización y posterior remediación de los suelos en donde se han encontrado áreas expuestas a este tipo de contaminación. Teniendo en cuenta que este conocimiento es complejo de transferir en el aula de clase, se acordó establecer mediante una estrategia pedagógica, el diseño y construcción de un modelo a escala reducida con el cual se pudieran observar, además de la movilidad del fluido, los procesos de transporte asociados a los acuíferos que contienen el preciado líquido.

El diseño y construcción del acuífero implicó la intervención del docente y los discentes que de manera conjunta tomaron decisiones sobre el material, las dimensiones y las especificaciones para que finalmente con este modelo a escala reducida fuera posible el desarrollo de prácticas de explotación de agua subterránea en acuíferos confinados y no confinados y la verificación de la movilidad de una contaminación simulada. Las etapas relevantes para la construcción se describen a continuación:

• Aprobación del diseño del tanque. Para ello se revisaron las dimensiones de los modelo a escala reducidas a escala bidimensional que otros investigadores habían desarrollado en estudios previos. El equipo de trabajo acordó hacer uso de un modelo a escala reducida en vidrio de dimensiones efectivas para confinamiento del material granular de 100 cm * 100 cm * 10 cm, con compartimientos laterales para el ingreso del agua y la movilidad de ésta hacia el.

• Representación de un sistema confinado. Con el fin de ejemplificar el acuífero confinado según los presaberes y los conceptos de clase, se decidió rellenar el tanque hasta una altura que permitiera la instalación de dos pozos (uno de observación y otro de explotación). La capa confinante se preparó con bentonita.

• Representación de un sistema no confinado. Con el fin de ejemplificar el acuífero no confinado según los presaberes y los conceptos de clase, se decidió rellenar el tanque hasta la superficie, dejando una capa que se recubrió con un lecho rocoso para simular un río o lago. Sobre este elemento hidráulico se simuló un derrame superficial. Adicionalmente, en el tramo no confinado se dejó instalada una manguera para simular un derrame de un elemento enterrado en el subsuelo. (Figura 1).

Sistemas de control de flujo. Teniendo en cuenta que el modelo a escala reducida debería permitir la simulación de condiciones de explotación de agua del sistema, se dejó instalado un sistema de salida de agua manual, el cual se preparó con mangueras de macrogoteo y otro mecánico, haciendo uso de una bomba. Adicionalmente, la instalación de la manguera permitió la simulación del derrame subterráneo (Figura 2).

3. Experiencias significativas

El modelo a escala reducida desarrollado se trabajó en conjunto con los discentes y el docente del curso permitiendo la construcción de una herramienta que facilitó el proceso de enseñanza por parte del docente y de aprendizaje por parte de los discentes quienes a lo largo del curso debieron documentarse, revisar el estado del arte sobre el tema, familiarizarse con las fórmulas y conceptos asociados con la hidráulica de pozos y llevar a cabo experimentos a escala de laboratorio que posteriormente validaron en campo.

Durante el desarrollo del curso y la correspondiente construcción del modelo a escala reducida se observó que los estudiantes adquirieron competencias profesionales que se complementaron con su desarrollo social y su habilidad comunicativa oral y escrita. Se resumen a continuación los esquemas de evaluación utilizados (Tabla 2).

Según Cano-García (2008) estas implicaciones se pueden analizar de manera separada así:

1. La integración de conocimientos se hace mediante los trabajos de campo y las prácticas de laboratorio. Justamente, es durante estos ejercicios que se generan también los roles que a futuro desempeñarán los profesionales.

2. La prueba de pozo se evalúa durante la ejecución, el proceso y el resultado final, realzando la importancia de los métodos de captura. En este caso, es relevante la organización del equipo de trabajo.

3. La identificación de la tendencia de movilidad implica que se resuelvan las simulaciones en diferentes contextos. Por tal razón, se dejaron en el sistema, un sistema superficial (el lago o río) y un sistema subterráneo (la manguera enterrada).

4. La verificación de los niveles de agua en los distintos pozos permite la comprensión del efecto de la explotación del recurso subterráneo. Adicionalmente, se permite la aplicación de los modelos teóricos revisados durante las sesiones teóricas del curso. El modelo a escala reducida permite modificar los niveles y revisar diferentes comportamientos de la hidráulica de pozos.

5. Cada actividad desarrollada se hace respetando la autonomía del grupo de trabajo. El apoyo del docente para que se mantenga el equipo trabajando en forma coherente es relevante. En la actividad que más se evidenció el trabajo autónomo fue durante la verificación de la ecuación de eficiencia de un pozo, que implicó un trabajo de laboratorio considerando condiciones llevadas a campo.

Conclusiones

El modelo a escala reducida de acuífero diseñado y construido surgió como una iniciativa del semillero de investigación SIIC y del grupo de Investigación Decor, propiciando una herramienta para llevar el modelo pedagógico integrado dentro del curso de Hidrología Subterránea. Se observa que con este acuífero es posible realizar además de estudios de caso, prácticas variadas que pueden apoyarse en el trabajo colaborativo para la validación de resultados obtenidos utilizando software especializado.

En este caso, como las paredes del modelo a escala reducida del acuífero eran de vidrio, se permitió seguir la movilidad de los fluidos mediante el uso de un trazador. En cuanto al trazador, se recomienda utilizar aquel que no afecte de manera permanente las paredes del vidrio por cuanto limitaría la repetitividad de los experimentos.

Para el desarrollo de este montaje se utilizaron materiales conseguidos en el medio universitario y que fueron adaptados para los fines del estudio. Es así como: los filtros fueron adaptados utilizando tela (organza); las unidades de macrogoteo para controlar los niveles de agua; la “contaminación” simulada con tinte de culinaria; los sistemas de bombeo de pozos adaptados para ser ejecutados de manera manual; el sistema de drenaje del tanque desarrollado aplicando mecánica de fluidos, entre otros aspectos.

Agradecimientos

A la Dirección General de Investigaciones y a Ecopetrol-ICP por el apoyo financiero para la realización del acuífero. A los estudiantes del semillero de investigación en Ingeniería Civil, principalmente a Leonardo Almeyda, Camilo Mantilla, William Quintana, Lizbeth Hernández, Nazly Galindo, Diego Duarte e Iván Prieto.

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