Cómo la enseñanza basada en simulaciones está transformando la educación STEM

Escrito el 08/07/2021

La mayoría de las personas recuerdan las clases de ciencias que tomaron en el colegio o la universidad como uno de los desafíos más difíciles de su etapa estudiantil. No sólo porque los conceptos y problemáticas eran difíciles, sino porque este material era presentado en un formato que no siempre iba en línea con las distintas maneras en que cada uno incorpora los conocimientos.


Pero no siempre tiene que ser así. Un estudiante puede asimilar cualquier cosa si cuenta con la motivación y el acceso a experiencias de aprendizaje que le sean atractivas. La enseñanza eficiente en las áreas STEM depende mucho del despliegue de objetos de estudio atractivos que cautiven la atención del estudiante y requieran de su participación para conectar el conocimiento y la experiencia. En este artículo exploramos cómo las simulaciones a través de software representan una nueva propuesta tecnológica que responde a esta problemática.


Dando sentido a un mundo complejo


El entregar a los estudiantes el conocimiento y habilidades que necesitan para desempeñarse con éxito en el mundo laboral está en el eje de la educación técnica y superior, pero ¿qué ocurre cuando es necesario explicar y aplicar conceptos sumamente abstractos? La creciente popularidad de las “carreras científicas” magnificó estas problemáticas, esta vez poniendo a los estudiantes en el foco de los desafíos que enfrentan las instituciones de educación por formar a profesionales bien preparados.


Un asunto particularmente difícil es la incorporación del aprendizaje exploratorio en los cursos, un método de enseñanza que involucra a estudiantes desarrollando y contestando sus propias preguntas de investigación. Este acercamiento donde los estudiantes deben resolver problemas concretos a partir de conceptos abstractos es vital para un mejor entendimiento de las Ciencias, Tecnología, Ingenierías y Matemáticas, disciplinas que dan origen a la sigla CTIM o STEM (Science, Technology, Engineering & Maths) y que pueden ser estudiadas en todos los niveles educacionales desde la etapa preescolar hasta un post-doctorado.


Un estudio meta-ananalítico sobre el uso de simulaciones en la enseñanza de STEM en primaria y secundaria indicó que visualizar lo que ocurre al modificar en tiempo real los parámetros y condiciones de un sistema ayuda a cementar conceptos relevantes. “Con simulaciones, los estudiantes pueden manipular variables y ver los resultados de múltiples experimentos sin tener que de hecho replicarlos. Adicionalmente, las simulaciones son más atractivas, motivantes e interesantes para los estudiantes, especialmente si la alternativa es la instrucción tradicional basada en lecturas”, señala el estudio publicado en la revista Educational Technology.


Simulaciones computacionales y visualizaciones en STEM


Es importante diferenciar a las simulaciones de otras herramientas de aprendizaje potenciadas por computadores. Con simulación nos referimos a programas o visualizaciones interactivas usadas para explorar fenómenos y sistemas hipotéticos o del mundo real, que recrean el comportamiento u operación del fenómeno o sistema. Una simulación puede transformarse en un juego si se definen metas claras y recompensas por alcanzarlas (pueden ser puntos, contenido adicional o monedas virtuales, por ejemplo).


A diferencia de un juego, una simulación está típicamente diseñada para que su usuario se enfoque en los comportamientos o procesos de un fenómeno en específico más que en alcanzar metas que no están basadas en el aprendizaje. Y aunque esta diferencia puede volverse borrosa al añadir elementos de gamificación, el objetivo de la simulación sigue siendo el presentar una recreación realista para fines educativos.


Por otra parte, una simulación difiere de una visualización gracias al componente interactivo de la primera. Una simulación debe ser construida a partir del comportamiento real de un fenómeno científico o natural, otorgando al usuario la posibilidad de administrar parámetros de entrada y de salida que modelarán el resultado final de un proceso. Es esta interactividad la que hace que el estudiante se conecte con el fenómeno observado como participante y controlador de las variables que definen su resultado.


El uso de software, herramientas de simulación y juegos serios para enriquecer el proceso de enseñanza se conoce como Educación Basada en Simulación (EBS). Avances recientes en la capacidad y ubicuidad de herramientas tecnológicas como celulares o computadores portátiles han permitido el empleo de metodologías novedosas e innovadoras que hacen uso de la EBS para fortalecer el aprendizaje de estudiantes.


Gamificación y juegos serios


Los juegos serios son aquellos que tienen otro propósito aparte de entretener. Son usados para promover el aprendizaje y cambios de comportamiento en áreas como educación, salud, marketing, negocios e industrias, combinando estrategias de enseñanza con elementos específicos de juegos, como puntajes, recompensas y nuevos desafíos.



“Donde exista un sistema, este puede ser transformado en un juego y en mecanismos que permiten aprender sobre sus complejidades en forma atrapante, cautivadora y entretenida”, señala Tim Marsh, de la Griffith University, en su estudio Serious Games Are Becoming Serious Business.


Sabemos que los juegos y simulaciones requieren de la concentración mental y física de los usuarios en el desarrollo de habilidades prácticas, pues lo obligan a decidir, escoger opciones, definir prioridades y resolver problemas. Estas competencias y habilidades coinciden con los requerimientos de carreras profesionales y programas académicos en tecnología y ciencia. “Los videojuegos pueden favorecer la educación STEM desde la enseñanza básica hasta la universidad, al entrenar habilidades como el pensamiento analítico, multitasking, formación de estrategias, resolución de problemas y trabajo en equipo”, indica Chitra Sethi, editora de la American Society of Mechanical Engineers.


No debemos olvidar que esta es la generación de nativos digitales, personas que absorben rápidamente información en bloques más cortos, que están acostumbrados a respuestas y feedback inmediato, y que buscan participar activamente en su propia educación. Para ellos el aprendizaje en ciencias debe ser más que el recibir fórmulas o datos por parte de los profesores: ellos buscan experimentar, visualizar y conocer los procesos y resultados construyendo así su propio conocimiento. Los estudiantes de esta generación necesitan integrar las experiencias de aprendizaje en el ecosistema social-tecnológico-comunicacional en el que están inmersos.


Los educadores e instituciones pueden crear juegos serios y experiencias de eLearning para apoyar los contenidos de su currículo o derechamente generar nuevos programas de aprendizaje que pongan al estudiante en el centro del proceso educativo. El resultado final del desarrollo de un juego serio es que un usuario sea capaz de incorporar los conocimientos de manera experiencial y pueda aplicar lo que aprendió en el juego a situaciones reales de la vida.


10 razones para incorporar simulaciones en educación


Los estudiantes de ciencias, tecnología, ingeniería y matemáticas deben lidiar con complejos modelos de sistemas existentes en la vida real. Independientemente de si estos modelos refieren a sistemas de infraestructura, redes de telecomunicaciones, sistemas computacionales o cadenas industriales de producción, los estudiantes STEM necesitan recibir entrenamiento especializado para tomar decisiones informadas sobre sistemas complejos que a menudo involucran miles de interacciones y variables con distinto impacto.



Las nuevas posibilidades que abre el uso de simulaciones en educación y entrenamiento aportan un nuevo espectro de percepción y significado al proceso de enseñanza de disciplinas STEM, con herramientas y experiencias que hace pocas décadas estaban relegadas a la ciencia ficción.


Y es que los modelos educativos modernos distinguen distintos estilos de aprendizaje: verbal, visual, musical/auditivo, kinésico, lógico/matemático, social, solitario y una combinación de los anteriores. Cada persona es diferente y puede mostrar preferencia por un estilo sobre otro en distintas etapas de su vida. Tomando ello en cuenta, es fácil proyectar cómo el uso de simulaciones entrega herramientas inéditas en educación y capacitación, facilitando el proceso para personas con distintos estilos de aprendizaje y acercando a los usuarios a experiencias que diluyen el límite entre lo real y lo virtual, reduciendo también los riesgos y costos del entrenamiento tradicional.


1. Aumento del interés del estudiante e involucramiento en clases
La mayoría de la gente aprende más rápido con la práctica. El uso de simulaciones proporciona la oportunidad de poner manos a la obra de forma estructurada e interactiva. Los usuarios pueden replicar experimentos en tiempo real, a su propio ritmo, de manera consistente y sin la presión de docentes o supervisores.


2. Experiencias reales
Una de las principales razones por las que la educación tradicional en STEM no siempre funciona, tiene que ver la falta de experiencias realistas sobre los conceptos abstractos que se están estudiando. Cuando estos conceptos se implementan en simulaciones, los estudiantes pueden obtener una mejor idea sobre el funcionamiento de estos conceptos.


3. Mejor retención del conocimiento
Otra dificultad que puede enfrentar un estudiante radica en su capacidad intrínseca para retener información compleja y abstracta. Al usar simulaciones, los estudiantes son capaces de aplicar de forma práctica esta información en contextos sumamente cercanos a situaciones reales, permitiendo entender mejor lo que necesitan hacer y facilitando una rápida y efectiva retención del conocimiento.


Algunas temáticas pueden ser muy desafiantes y con una curva de aprendizaje muy empinada, incluso con la educación adecuada. El aprendizaje práctico que ofrece la educación basada en simulación entrega a los usuarios una idea de cómo se espera que los procedimientos fluyan y cómo lidiar con resultados inesperados, recibiendo información constante por parte del dispositivo, lo que permite al usuario enfocar su atención y memoria en procesos integrales en vez de preocuparse de aprender cada paso de forma separada.


4. Retroalimentación inmediata
Los estudiantes no sólo son capaces de observar en tiempo real los resultados de una simulación. Además, pueden verificar en el instante cómo la modificación de variables puede alterar los resultados, entregando una mejor idea sobre cómo los experimentos son afectados por ellas. Incorporando la gamificación como elemento de interactividad, el usuario puede conocer en tiempo real su desempeño y áreas de mejora, lo cual se vuelve sumamente útil para el docente que utiliza una simulación como herramienta de evaluación.


5. Seguridad
Algunos experimentos pueden ser muy riesgosos para los estudiantes. Fuego, electricidad o sustancias corrosivas hacen que los docentes limiten la extensión de las experiencias prácticas o derechamente los eviten, especialmente cuando se requiere de una alta supervisión. Una simulación permite a los estudiantes practicar estas tareas en ambientes controlados, reduciendo el peligro de lesiones personales o de daño al equipamiento.


6. Control de riesgos
Las instituciones de educación están siempre en búsqueda de programas que mejoren la instrucción de sus alumnos, pero a menudo dudan en dar el siguiente paso al considerar riesgos a nivel de negocio. Con la educación basada en simulación es posible experimentar nuevas técnicas de enseñanza con un bajo riesgo asociado a una mala adopción de metodologías y equipamiento, facilitando la creación de ambientes de estudio que de otra forma sería difícil de replicar.


Por otra parte, la educación en ámbitos de biología y ciencias médicas a menudo se ve enfrentada a complejos dilemas éticos, como pruebas con animales, uso de insumos contaminantes o la consideración por los derechos de los pacientes. La educación basada en simulación permite acercarse a estas experiencias a través de experimentos libres de crueldad y en un ambiente de respeto y ética.


7. Reducción de costos
Si bien la implementación de una simulación puede significar un costo inicial, el equipamiento es reusable y en muchos casos no se requiere más hardware que un computador o teléfono móvil. En ese sentido, el costo de desarrollar experiencias simuladas es mínimo en comparación con construir un laboratorio profesional. Por otra parte, una simulación en web elimina la necesidad de traslado de los estudiantes, democratizando el acceso a los contenidos además de reforzar la práctica cuando no es posible hacer clases presenciales.


8. Permiten a varios usuarios al mismo tiempo
Ya sea por limitaciones en la disponibilidad de equipamiento de laboratorio o la necesidad de personalizar la enseñanza, ciertas disciplinas STEM tienen barreras respecto de la cantidad de estudiantes que pueden recibir instrucción de forma simultánea. Sin embargo, una simulación web puede desplegarse de manera autónoma en el equipo que use cada usuario, registrando de manera individual sus resultados y aprendizajes, ayudando así a sistematizar la educación de múltiples estudiantes en paralelo.


9. Favorece la cooperación
Sin importar el área, todas las disciplinas STEM presentan instancias donde la colaboración entre pares y especialistas de otras disciplinas es fundamental. Los usuarios de una simulación pueden participar en modelos que requieren trabajo en conjunto cuando se incorporan elementos colaborativos. Esta cooperación va más allá del funcionamiento interno de la simulación: gracias a la globalización y masificación del aprendizaje a distancia, estas experiencias ahora están al alcance de estudiantes de distintas regiones geográficas e instituciones educacionales, lo que a la vez favorece el desarrollo de la cooperación internacional e interuniversitaria en educación.


10. Control de la incertidumbre en los modelos
En STEM, los fenómenos y sistemas que son objeto de estudio están sujetos a una alta incertidumbre y dinamismo, generado en gran medida por el componente humano de dichos sistemas. Estos aspectos, que a menudo cuesta incluir y aprender mediante modelos analíticos tradicionales, pueden beneficiarse del uso de metodologías basadas en simulaciones en coordinación con otras técnicas educativas que facilitan el entendimiento de estos complejos sistemas.


Hacia una nueva realidad en la educación


La integración de nuevas tecnologías en la enseñanza y el aprendizaje es vital para actualizar los planes de estudios y los resultados de los estudiantes. Algunos de los obstáculos para su incorporación al espectro total de las mejores prácticas para el aprendizaje son el aparente costo de la tecnología, la disponibilidad de hardware y software suficientes, y la falta de voluntad de algunos educadores o instituciones para dar el primer paso en la adopción de nuevas técnicas pedagógicas.


El uso de herramientas diseñadas para facilitar la experiencia estudiantil no solo facilita el pensamiento crítico y la construcción de conocimientos creativos, flexibles y con propósito dentro del aula, sino que también extiende el alcance de las sesiones educativas para los estudiantes.


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