En el contexto de la #Educación-STEM como uno de los propósitos de @STEM-Espanol, emerge la posibilidad de fomentar los procesos de enseñanza y aprendizaje de la ciencia aprovechando diversas estrategias didácticas que oscilan desde los cánones tradicionales hasta las más novedosas y creativas propuestas que continúen contribuyendo con lo que se ha denominado la alfabetización científica. En el área de la biología, por ejemplo, estamos interesados en continuar proponiendo secuencias operativas que promuevan el aprendizaje de las ciencias biológicas en contextos investigativos, dentro y fuera de los espacios formales, de carácter académico universitario e incluso escolar y extraescolar.

Respecto a lo anterior, y con la idea de fomentar aprendizajes significativos, se escogió la temática Volumen y Capacidad Pulmonar del Curso Fisiología Humana, que reúne los requisitos para abordarla en el marco de conceptos heurísticos basados en proyectos, con lo cual los participantes se comprometen responsablemente a acometer tareas puntuales y globales que conduzcan al logro de metas científicas colectivas. Para ello, se propuso la construcción, con materiales de fácil adquisición, de un Espirómetro casero –refiriéndose a la posibilidad de armarlo en casa-, con el cual los participantes convergen en lo que el teórico Vygotsky llamó Zona de Desarrollo Próximo, aludiendo al conjunto de competencias reales y potenciales que los científicos en formación poseen o construyen cooperativamente, apuntando hacia el propósito común.

En el post, se muestra paso a paso la secuencia protocolar propuesta como guía para instalar diversas estaciones de trabajo en el aula, laboratorio, espacios extraescolares, comunidad o incluso en el hogar, involucrando a diferentes actores para su consecución, entendiendo que vecinos, familiares y amigos –así como los compañeros de clase- se constituyen en los pares académicos que propician el andamiaje hacia el aprendizaje de nuevas competencias científicas y el mejoramiento de las ya existentes. Dado que la temática está referida al sistema respiratorio, las implicaciones en la salud pública son evidentes, por lo que el componente de responsabilidad social de la actividad científica queda claramente establecido.

Contexto Teórico

El estudio del Sistema Respiratorio requiere del apoyo interdisciplinar químico y físico, para su compresión adecuada, por lo que al abordar un ciclo respiratorio, aparte de los aspectos propios de la biología -como el hecho de señalar el control del intervalo básico inspiración y espiración correspondiente al área rítmica bulbar del centro respiratorio-, también, resulta necesario considerar algunos aspectos referidos a los gases -puntualizando que el aire es una mezcla gaseosa constituida principalmente por nitrógeno y oxígeno, junto a pequeñas cantidades de otros gases como el argón, dióxido de carbono y porción variable de vapor de agua-. Estos aspectos se relacionan perfectamente con el hecho biológico asociado al área apnéustica -estimulante de la actividad inspiratoria, prolongándola- y su complementaria área neumotáxica (inhibitoria de las señales neuronales inspiratorias).

Para comprender mejor lo anterior, es menester recalcar los principios generales físicos de los gases, asumiendo que la difusión se viabiliza espontáneamente desde un medio de mayor presión hacia un compartimiento de presión menor.
En consecuencia, durante la inspiración, la presión intrapulmonar (al interior de los alvéolos) disminuye a un nivel de –3 mmHg aproximadamente, en relación con la presión atmosférica -durante una inspiración normal-. Se emplea el signo negativo (–) como indicativo de su ubicación por debajo de 760 mmHg (presión atmosférica), con lo cual se facilita el ingrese al interior de los pulmones de la mezcla gaseosa, es decir, del aire.

La situación descrita, constituye una valiosa oportunidad para plantear a los estudiantes inquietudes e interrogantes científicas, que promuevan el pensamiento crítico y heurístico: ¿Cómo se disminuye en los pulmones la presión interior? La respuesta, luego de reflexionar conducirá a los discípulos a enlazar con lo expresado en el enunciado de la Ley de Boyle -La presión ejercida por volumen dado de gas es inversamente proporcional a dicho volumen-. De tal forma que, durante una inspiración normal el descenso diafragmático unido a la contracción muscular intercostal interna, favorece el aumento del volumen en la cavidad torácica, posibilitando la disminución de la presión intrapulmonar, por lo que se promueve el ingreso del aire a los pulmones.

En el ínterin, en una espiración normal, el ascenso del diafragma y la relajación de los músculos intercostales externos, disminuyen el volumen torácico, por lo que la presión intrapulmonar se eleva a +3 mmHg aproximadamente, en relación con la presión atmosférica, favoreciendo la expulsión de la mezcla gaseosa al ambiente; con ello queda claro que el ciclo respiratorio precisa el ingreso y salida del aire (bidireccionalmente pulmones-entorno), intercambio de sistema abierto realizado constantemente por el cuerpo humano. Esto determina la necesidad de considerar la volumetría en el sistema respiratorio, para obtener las capacidades pulmonares.

Les invito a continuar leyendo el post, para que aprecien esta actividad práctica que facilita a los estudiantes de educación media general o universitarios, el entendimiento de conceptos como volumen y capacidad pulmonar, con base en la construcción de un espirómetro casero, en dos (2) modalidades u opciones, como parte de una dinámica de enseñanza y aprendizaje basada en proyectos, con tareas y materiales de fácil acceso, pero, de incalculable valor en los procesos de alfabetización científica.

Preguntas de investigación

Los planteamientos preliminares, propician la generación de una serie de dudas, inquietudes e interrogantes que mezclan los intereses científicos con los educativos, descritos en las siguientes preguntas:

• ¿Cuál será la secuencia operativa para el diseño de Espirómetros de bajo costo y sus principios de funcionamiento?
• ¿Pueden ilustrarse empíricamente los principios de la mecánica respiratoria?
• ¿Cuáles son las características de la Capacidad Vital Forzada, en el primer segundo espiratorio?
• ¿Cuáles son los parámetros característicos de la capacidad Vital Máxima?
• ¿El Aprendizaje Científico Basado en Proyectos constituye una estrategia de aprendizaje válida para la alfabetización científica, con repercusiones favorables en el contexto de la educación para la salud, a partir de la formación en Fisiología Humana?

General

Mediante la estrategia de Aprendizaje Científico Basado en Proyectos, en contexto de laboratorio formal y no formal, abordar la mecánica respiratoria, con énfasis en el volumen y capacidad pulmonares.

Específicos

• Diseñar y construir espirómetros caseros que permitan asociar la terminología y conceptos propios de la biología con el basamento físico implicado en la mecánica respiratoria.
• Estudiar el Volumen Máximo Espirado en el primer segundo de la Espiración Forzada (VEF1) y su relación con la Capacidad Vital Forzada (CVF)
• Proponer experiencias didácticas prácticas y ejercicios de ventilación pulmonar, para la consolidación de aprendizajes de manera empírica.
• Presentar actividades de tipo cooperativo y colaborativo que fomenten tanto la formación científica de los participantes como su vínculo con la cotidianidad.
  
  
  

Les mostraré dos opciones para la realización de esta actividad:

• En una de ellas se utiliza un recipiente contenedor de agua de 4 a 5 litros y una bandeja adicional.
  
• Entre tanto, la otra opción requiere de dos envases de 4 a 5 litros interconectados.

En ambos casos hay coincidencia en el resto de los materiales requeridos, solo que en la segunda se emplea colorante para teñir el agua y visualizar mejor el desplazamiento, facilitando la lectura de la escala, aparte de evitar en mayor medida el derramamiento de agua.

Graduación de Recipientes

Para acometer el montaje, utilizando un marcador –permanente-, rotula el recipiente que posee boquilla, con el fin de establecer una escala. Al graduar el recipiente, debes considerar la superficie regular o irregular del mismo, según el diseño comercial del envase. Para ello, decide el valor para la escala, por ejemplo cada 100 o 200 mL. Partiendo de un cilindro graduado o taza a escala, mides esos 100 o 200 mL de agua y luego la viertes al recipiente. Posteriormente, con el marcador trazas la línea señalada de la superficie del agua.

Procede, de la misma manera, hasta terminar de graduar todo el recipiente, tal como se muestra en la imagen y en el video tutorial respectivo. Este procedimiento aplica a las dos opciones de espirómetro descritas en este post.

En el Video Tutorial inédito, realizado especialmente para esta comunidad, les muestro paso a paso el Protocolo de laboratorio para la graduación del recipiente

Fuente: reproductor del video de @tomastonyperez en youtube.com insertado por código embebido

Llena completamente con agua el recipiente que tiene boquilla, hasta su nivel máximo. A su vez, vierte agua en el envase de boca ancha (vasija, bañera, entre otros), al menos a un tercio de su capacidad. Todo ello con el propósito de obtener un sello de agua, al disponer el recipiente con boquilla de forma invertida en el interior del envase de boca ancha. Cabe señalar que, al realizar la inversión debes mantener la tapa enroscada, a fin de evitar derramamiento de líquido. De igual forma, apóyate en el soporte universal para la sujeción de dicho recipiente. Ten en cuenta que la boquilla debe quedar totalmente sumergida en el agua.

Luego, desenrosca la tapa y quítala, verificando que el volumen del líquido en el interior del recipiente se mantenga uniforme. En caso de variar el volumen, constata que no siga quedando espacio para la formación de burbujas de aire; de ser así debes volver a llenar completamente el recipiente y realizar la inversión nuevamente.
Por último, procede a disponer la manguera de laboratorio en el interior del recipiente con boquilla, asegurándote de que el extremo libre quede accesible para realizar las espiraciones.

Descripción de la Actividad

Una vez acometido el montaje, un sujeto realiza una inhalación y luego exhala por el extremo libre de la manguera. La presión ejercida por la mezcla gaseosa que ingresa al interior del recipiente genera el empuje del líquido hacia afuera, por lo que la cantidad de divisiones que haya descendido el líquido representa el volumen ocupado por la mezcla gaseosa exhalada. Esta parte de la experiencia práctica encuentra su fundamento en el principio de Arquímedes, que al reportar el desplazamiento del líquido en su tina –en nuestro caso el envase-, permite la medición del volumen por desplazamiento del fluido.

En el Video Tutorial inédito, realizado especialmente para esta comunidad, los fundamentos del Espirómetro Casero

Fuente: reproductor del video de @tomastonyperez en youtube.com insertado por código embebido

Determinación del Volumen Espirado de Aire

La cantidad de divisiones descendidas en el envase principal, evidencia el volumen ocupado por la mezcla gaseosa exhalada. En consecuencia, el número de divisiones descendidas debes multiplicarlo por la escala establecida al principio. Por ejemplo, si un sujeto de género femenino logró -con su exhalación- descender en una espiración normal 6 divisiones, realizas la operación: 6 x 200mL = 1200mL

Resulta importante considerar el grupo etario, así como el sexo, el peso, la talla y hábitos –tabaquismo, actividad física o sedentarismo-. Por ejemplo, la práctica de algún deporte como el atletismo, la natación, u otro aeróbico, incide en la capacidad pulmonar aumentada debido a los efectos del ejercicio físico.

Acotación: establecer comparaciones entre los datos obtenidos de los grupos, representa una actividad interesante y necesaria, para la etapa de discusión de los resultados, en ejercicios de investigación, protocolos, actividades prácticas o, como en este caso, enseñanza basada en proyectos.

A continuación les ilustro en un microvideo tutorial, lo referido a la consideración del volumen desplazado.

En el Video Tutorial inédito, realizado especialmente para esta comunidad, les muestro el Volumen Desplazado

Fuente: reproductor del video de @tomastonyperez en youtube.com insertado por código embebido

Inspiración y Espiración Forzadas

Para la ejecución de esta experiencia práctica es necesario considerar la variable tiempo, por lo que se recomienda contar con un cronómetro. Debes indicar al sujeto que inspire profundamente y, al estar listo, realice una espiración forzada máxima. Al transcurrir un segundo, registra la marca. Multiplica el número de divisiones descendidas por la escala y obtén el valor en mililitros. Dicho volumen en mL representa el parámetro denominado Volumen Máximo Espirado en el primer segundo de la espiración forzada (VEF1).

Espera un período prudencial de 5 minutos aproximadamente, hasta que el sujeto se relaje y regrese a las condiciones iniciales. Luego, indícale que realice una inspiración máxima seguida de una exhalación completa de todo el aire, vale decir, espiración máxima. La cantidad de divisiones descendidas igualmente debes multiplicarla por la escala. El valor obtenido representa la Capacidad Vital Forzada (CVF). La relación entre Volumen Máximo Espirado (VEF1) y Capacidad Vital Forzada (CVF), representa un dato de valor diagnóstico y, en sujetos saludables, se ubica en un rango superior al 70 o 75%.

En el siguiente, video tutorial, se muestra la manera de acometer la experiencia, previamente descrita, de inspiración e espiración forzadas:

En el Video Tutorial inédito, realizado especialmente para esta comunidad, les muestro el segmento protocolar para la VEF1-CVF

Fuente: reproductor del video de @tomastonyperez en youtube.com insertado por código embebido

Esta actividad resulta especialmente útil para obtener datos de valor diagnóstico, e igualmente se presta para desarrollarla como una estrategia lúdica, con los estudiantes de media general e incluso universitarios, a quienes probablemente les resulte atractiva por su carácter competitivo, para determinar quién puede expulsar mayor cantidad de agua del recipiente, lo cual les motiva a participar en la experiencia práctica.

Montaje de Espirómetro con dos Recipientes Interconectados

Como pudieron notar en los videos presentados, la elaboración del espirómetro bajo las condiciones iniciales resulta sencilla. Sin embargo, el desplazamiento del agua desde el recipiente con boquilla hacia el envase por parte de un sujeto, para luego retornar a las condiciones iniciales del montaje, que permitan la participación del próximo sujeto, puede resultar complicado para algunos participantes, sobre todo cuando la cantidad de participantes sea elevada. Ante esa situación, se presenta la siguiente opción de un montaje con recipientes interconectados:

Se dispone de dos recipientes de 4 a 5 litros, ambos graduados con la misma escala de medida y conectados mediante una manguera de laboratorio. Al primer recipiente le introduces una manguera a través de su tapa perforada y sellas completamente la conexión con la boquilla. Entre tanto, la boquilla del segundo recipiente se deja abierta o entreabierta, dependiendo del grado de dificultad que se quiera asignar al sujeto del estudio, entendiendo que la boquilla entreabierta ofrece mayor resistencia al flujo del líquido de un envase al otro.

Esta actividad imita un ejercitador respiratorio, debido a que con él se evidenciará el grado de dificultad de un sujeto para descender una marca en la escala. Del mismo modo, resultaría apropiado constatar la correspondencia entre la cantidad de agua desplazada en el primer recipiente con respecto al segundo envase, puesto que pudiera quedar un volumen residual de gotas en la manguera o, inclusive, escape en las conexiones, por lo que es útil valorar la precisión al considerar las divisiones descendidas en el recipiente número uno.

Nótese que al agua se le añadieron unas gotas de azul de metileno, a fin visualizar mejor la marca para el volumen desplazado, pero, también puedes utilizar otros colorantes naturales o incluso –de ser posible- azul de bromotimol (tomando las precauciones correspondientes), para observar la reacción entre el gas exhalado y el reactivo, con sus respectivas implicaciones en la discusión teórica.

En el video tutorial, se muestra la construcción y ejecución de este segundo montaje, alternativo al presentado en principio, sometido a la consideración de la comunidad.

En el Video Tutorial inédito, realizado especialmente para esta comunidad, les muestro el segmento protocolar para el montaje de los recipientes interconectados.

Fuente: reproductor del video de @tomastonyperez en youtube.com insertado por código embebido

Análisis e Interpretación de los Datos

Se recomienda disponer de varias mangueras previamente esterilizadas con agua caliente, o solo una manguera a la que se le conecten boquillas desechables, con el propósito de que cada participante realice el ejercicio. Luego, con los datos obtenidos, según el número de divisiones que haya reportado cada integrante del grupo, se determinaría el valor promedio, distribución de frecuencias y relación porcentual, con la finalidad que los estudiantes o profesores en formación científica, apoyados en la estadística descriptiva e incluso inferencial paramétrica –en otras circunstancias- analicen e interpreten los resultados, que les conduzcan a la derivación de conclusiones de valor científico en contexto colectivo y asociado a la educación para la salud respiratoria.

Les muestro una imagen de datos empíricos logrados a partir de la validación piloto del espirómetro de la opción 1, pero, aclarando que dado el contexto de aprendizaje basado en proyectos, lo ideal es que también se valide con la segunda opción presentada en este post –interconectados-, para luego ejecutar un ejercicio de investigación que propicie la comparación experimental de los dos espirómetros y su utilización con muestras de, al menos, cien sujetos de estudio.

• Mediante esta estrategia de aprendizaje basado en proyectos, referida al diseño y construcción de un espirómetro casero, se estudiaron conceptos relativos a la mecánica respiratoria, como el volumen y la capacidad pulmonar, con lo cual, se estimula la participación de los científicos en formación (estudiantes de media general y universitarios) en procesos de análisis de resultados, empleando estadística descriptiva e inferencial, con el apoyo de paquetes computarizados del tipo Excel y SPSS, entre otros.
  
• Se propusieron experiencias didácticas de carácter práctico y ejercicios para la ventilación pulmonar, que posibilitan la consolidación de aprendizajes de manera empírica. Igualmente, se asocian conceptos hacia la obtención de datos de valor diagnóstico, que permitan al estudiante percatarse de la necesidad de aportar los cuidados adecuados a su sistema respiratorio y estar atentos ante desequilibrios homeostáticos.
  
• Los contenidos alusivos al Sistema Respiratorio involucran un basamento físico, además de la terminología y conceptos propios de la Biología, razón por la cual, es necesaria la producción de medios, recursos y estrategias de enseñanza y aprendizaje, que permitan la comprensión adecuada de la mecánica respiratoria, así como de otros procesos biológicos, apoyándose en la interdisciplinariedad con las áreas afines.
  
• Hago notar la entusiasta colaboración prestada por la colega y tutelada de maestría Profesora Carmín Cortez, quien con sus estudiantes de educación media general, cooperaron conmigo en la etapa de validación piloto del espirómetro, y me manifestaron, dicho sea de paso, el regocijo que estas actividades prácticas le generaron, estimulándolos a realizar estudios científicos. Con ello, quedó demostrado el efecto de estas estrategias de aprendizaje científico basadas en proyectos, con la población estudiantil más joven, aún cuando no estuvo planteado de manera formal en los objetivos la valoración de este aspecto introspectivo, relacionado con la motivación o atracción hacia la ciencia.
• Se confirma, con lo anterior, la importancia del aprendizaje científico basado en proyectos, con el trabajo cooperativo, colaborativo y participativo, en función de la orientación docente de ciencias naturales. Se necesitan profesionales mediadores que sirvan de enlace entre esa ciencia abstracta y los requerimientos del estudiante, para hacerla accesible a los jóvenes y a toda la comunidad, atrayendolos a los métodos inductivo y deductivo de la ciencia -racionalismo y empirismo-, aprovechando la #Educación-STEM como vínculo posible edificante en la comunidad científica @STEM-Espanol y #SteemSTEM.

• Ganong, W. ( 1996 ). Fisiología Médica. Decimoquinta. Edición en español. Editorial El Manual Moderno: México.
• Moyes, C. y Schulte, P.( 2007) Principios de Fisiología Animal. 1era Edición.Editorial Pearson.Addison-Wesley.
• Tórtora y Derrickson.( 2013 ). Principios de Fisiología y Anatomía. 11va edición. Editorial Harcourt Brace: Madrid.
• Van de Graff, K. Y Ward Rhees, R. (1989) Anatomía y Fisiología Humanas. México: Interamericana-McGraw-Hill.
• Pino R. y Torres, A. (2018) Estaciones de Trabajo. Una alternativa para la evaluación tradicional. Disponible en:

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FUENTES INÉDITAS: Las imágenes del post (inéditas), son procesadas por el autor con dispositivo Tablet Samsung 10.1 y el programa Power Point para convertirlas en .jpg.

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