Introducción

La resolución de problemas ha sido una estrategia tradicional para el aprendizaje de las ciencias exactas, se puede decir que ocupa un lugar central para la enseñanza pues estimula la capacidad de crear, inventar, razonar y analizar situaciones para luego resolverlas, por lo tanto, propiciar espacios de trabajo sobre esta habilidad es altamente positivo, especialmente en aquellos que buscan metodologías o estrategias novedosas para el desarrollo académico. En ese sentido, dichas estrategias tienden a ser globalizadoras, debido a que se nutren de muchos conocimientos transversales, los cuales pueden ser abordados desde cualquier disciplina (^{Pérez y Ramírez, 2011}).

Si los docentes se actualizan en el uso de nuevas tecnologías y logran vincularlas efectivamente con los procesos teóricos-metodológicos, se realizará un mejor planteamiento a los estudiantes brindando las características necesarias para resolver un problema a la vez, de manera que propicie el razonamiento y la creatividad para encontrar su solución. De esta manera es posible concebir que el problema es una situación presentada al estudiante en forma de reto, el cual debe ser abordado y solucionado ya sea por un paso directo, o por una serie sinérgica de proposiciones y preguntas que permitan al estudiante llegar a una meta (^{Beyer 2000}).

Las situaciones problémicas presentadas a los estudiantes en un proceso educativo se componen principalmente de metas, algunos datos, las restricciones y los métodos. Las metas son los objetivos que se pretenden alcanzar en una situación determinada, los datos son elementos que necesita el estudiante para analizar y resolver la situación problema; estos pueden ser explícitos o implícitos en la formulación del problema (Poggioli 2009), las restricciones son los factores que limitan la vía para resolver la situación planteada, y los métodos describen el procedimiento que se aplica para lograr la solución. Es importante poner en juego la curiosidad para inducir la creatividad y las facultades inventivas, si se resuelve por propios medios se puede experimentar el encanto del descubrimiento y el goce del triunfo. (^{Polya 1984}).

La pericia del docente para proponer una ruta eficiente que facilite al estudiante comprender cada etapa y superarla de manera exitosa, garantiza el avance efectivo de un proceso de enseñanza. Sin embargo, las habilidades personales influyen también en el éxito de cada propuesta, en ese sentido, es posible distinguir dos tipos de posturas frente a un problema, uno suele ser fácil no plantea un reto significativo, generalmente el método o algoritmo de respuesta suele surgir de manera casi espontánea por una simple inspección de los supuestos iniciales, a este tipo de problemas se le conocen como rutinarios. Al otro lado, podemos encontrar problemas no rutinarios, los cuales suponen un reto adicional para la persona, forzándola a repensar el algoritmo de resolución, meditando en las posibles alternativas (^{Sepúlveda, et al. 2003}).

El análisis reflexivo derivado del planteamiento de un algoritmo y la formulación de posibles soluciones plantea un proceso metacognitivo. De esta manera, el estudiante consciente o inconscientemente logra establecer un proceso de control y monitoreo, que le ayuda a evaluar las posibles soluciones en búsqueda de una respuesta apropiada, logrando de esta manera eliminar las desviaciones y contradicciones presentadas (^{González 2017}). Los beneficios que obtienen los estudiantes al realizar un aprendizaje de conceptos matemáticos a partir de situaciones problémicas suelen estar asociados con la capacidad de pensar ordenadamente, lo cual permite formular estrategias pertinentes en cada situación, facilitando de esta manera el aprendizaje de nuevos contenidos (^{Mora, 2003}).

Para facilitar este modo de acercamiento a las matemáticas es necesario fortalecer los procesos de enseñanza. De esta manera, se adquieren y refuerzan hábitos de persistencia, curiosidad y seguridad, contribuyendo de esta manera a mejorar la respuesta de los estudiantes frente a situaciones similares incluso aquellas que no tienen relación directa con las matemáticas, así la capacidad de resolver problemas científicos se verá maximizada, y será posible generar mejores resultados en el proceso de aprendizaje (^{Calvo 2008}).

Las dificultades subyacentes al conocimiento matemático afectan el progreso de los estudiantes en otras asignaturas, en especial las relacionadas con la medición. En este sentido, los estudiantes que no son capaces de comprender la aplicación de los principios matemáticos en cada circunstancia generalmente presentan menores resultados, dificultades para progresar y en muchos casos serán aquellos que no logren superar con éxito el curso propuesto, cuando se miran a fondo los problemas relacionados a esta dificultad, se encuentra que los estudiantes carecen de herramientas prácticas para facilitar el proceso de medición. Muchas veces los docentes se enfrentan a dificultades por no encontrar propuestas novedosas, que mejoren el desempeño cuando se encuentran en grados superiores e incluso universitarios (^{Osmanoglu y Oguzhan, 2017}).

Desde un punto de vista matemático, los ejercicios de conversión de unidades son la contextualización física de un problema de fracciones, operativamente se compone de un sistema de divisiones concatenadas, que logran convertirse en un reto difícil para muchos estudiantes universitarios que comienzan con unas bases pobres para desarrollar fraccionarios. Las habilidades en matemáticas no son necesariamente las únicas destrezas que requieren nuestros estudiantes para resolver problemas planteados desde asignaturas como Física, Química o Biología, en ese sentido existen perfiles de estudiantes que logran realizar muy bien un ejercicio de división pero no logran desarrollar un ejercicio de conversión, el cual en esencia es matemáticamente muy parecido (^{Córdova et al 2010}), por ello los ejercicios en contextos reales que involucran procesos de conversión de unidades, requieren un abordaje más complejo desde dos enfoques diferentes el abstracto y el realista. Existen estudios que demuestran que las fracciones y sus formas aplicadas al mundo real como los factores de conversión, también permiten a los estudiantes comprender mejor otros aspectos de las matemáticas, mejorando su desempeño en el álgebra, la geometría y la trigonometría (^{Coetzee y Mammen. 2017}).

Las matemáticas constituyen un importante problema en el desempeño de los estudiantes universitarios durante los primeros semestres académicos (^{García, et al. 2018}). Aunque sus causas son muchas y variadas, se destacan la ausencia de algunas competencias y habilidades requeridas por el estudiantado para cursar programas que cuentan con asignaturas de ciencias básicas como: Química, Física, Biología o Matemáticas. Lo anterior se ve determinado por los saberes que traen los estudiantes y que son construidos durante el proceso de formación básica primaria, básica secundaria y educación media.

Muchos estudiantes han desarrollado plenamente las competencias en ciencias básicas, apropiándose de los conceptos logrando aprender de forma significativa (^{Mazzilli et al. 2016}). Generalmente estos estudiantes provenientes de familias en niveles socioeconómicos altos y estimulantes, son egresados de instituciones de formación reconocidas por su calidad en la educación, sin embargo, se presentan también estudiantes con dificultades sociales y emocionales que egresan de colegios "de baja calidad", en donde algunos estudiantes logran graduarse con grandes falencias en la formación y en las competencias adquiridas, evidenciándose en la dificultad para desarrollar procesos matemáticos básicos como despejar ecuaciones, realizar conversiones, reconocer las unidades y las magnitudes, identificar y jerarquizar operaciones, entre otros (^{Giménez y Castro, 2017}). Estos estudiantes presentan dificultades para abordar de manera correcta los planteamientos teóricos y procedimentales apropiados en la resolución de problemas.

Entretanto, el estudiante de la era digital que llega a la Educación Superior se encuentra en algunos casos más adelantado que sus propios docentes, en cuanto al uso de las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC). Estos docentes continúan enseñando mediante didácticas antiguas, desconociendo el habitual uso de cualquier tipo de pantalla y técnicas por parte del joven alumnado, este desfase podría ser la causa del aburrimiento y falta de interés en muchas asignaturas (^{Tapia et al, 2020}; ^{López, 2010}), existen numerosos documentos publicados (^{Granda et al, 2019}) que apoyan el uso de las TIC para fomentar el aprendizaje, el uso de juegos digitales para aumentar la motivación se relaciona comúnmente a los altos niveles de inmersión que se pueden lograr, los entornos digitales construidos pueden presentar experiencias desafiantes a los estudiantes. El docente en asociación con un equipo de programación y diseño puede generar situaciones problema desde un modelo de aprendizaje que mantenga al estudiante comprometido con el logro de sus objetivos. (^{Moreno. 2016}; ^{Martínez. 2019})

Para el diseño de videojuegos con fines educativos es fundamental tener en cuenta tres principios rectores. La estructura, que se refiere a tener un conjunto de reglas y procedimientos claros y que se pueden entender de manera sencilla, la inmersión, referida a la posibilidad de asumir un rol que en el juego se sienta divertido e interesante, finalmente la apariencia, referida a contar con un apartado visual y sonoro apropiado que estimule sensorialmente al estudiante (^{Zabala et al. 2020}). Específicamente en relación con el uso de videojuegos para el aprendizaje de conceptos matemáticos aplicados ^{Olvera (2013)} argumenta, que los entornos digitales creados pueden intentar simular la realidad de nuestro universo, emplazando al estudiante en entornos hiperrealistas que simulen problemáticas más o menos cotidianas. Sin embargo, el potencial didáctico que tienen los videojuegos puede ser mucho mayor cuando se recurre a la fantasía, emplazando al estudiante en entornos ficticios, los cuales tienen reglas físicas o lógicas que pueden ser manipuladas durante el desarrollo del videojuego con la finalidad de mejorar la asimilación de un conocimiento específico.

El uso de videojuegos para el aprendizaje de diferentes conceptos científicos es cada vez un recurso más común implementado por docentes a diferentes niveles. Sin embargo, el desarrollo de videojuegos específicos para abordar el análisis dimensional es un tema poco explorado, el cual podría ser útil para numerosas asignaturas que comienzan la construcción de sus Syllabus con este tipo de conceptos. El desarrollo de juegos serios requiere de un profundo análisis sobre las habilidades cognitivas que se desean impactar, de esta manera se puede enfocar un producto útil que propenda por generar un aprendizaje significativo, para incrementar los índices de aprobación y disminuir la deserción (^{Londoño y Rojas. 2021}).

Los dispositivos tecnológicos ofrecen elementos y recursos para la resolución de problemas que el estudiante apropia en diferentes niveles. Este proceso se puede considerar como aprendizaje activo y significativo, incluso se le puede añadir la condición de ser participativo al menos en dos dimensiones, una virtual en sentido de ayudar al personaje del juego serio y otra real si los intervinientes del proceso son más de un estudiante. En este escenario es posible orientar el proceso a la resolución de problemas de manera conjunta, con el apoyo de diversos recursos técnicos y códigos audiovisuales (^{Cebrián et al, 2016}).

Metodología

Para identificar las habilidades cognitivas que los estudiantes desarrollan a partir de la implementación del análisis dimensional y la pertinencia curricular de estos contenidos, se generó una encuesta dirigida a 10 docentes del área de Química pertenecientes a diferentes instituciones universitarias de centros urbanos. En este instrumento se indagó sobre la finalidad que tiene la inclusión del tema análisis dimensional en el estudio de la Química, para estudiantes de primera matrícula y las temáticas que se ven influenciadas por este contenido.

Además, fue necesario definir algunos lineamientos sobre los cuales se podrían abordar diferentes situaciones problema en entornos virtuales, para ello, se desarrollaron grupos focales con la finalidad de indagar en los docentes qué aspectos relacionados con estas temáticas podrían ser más útiles en el proceso de enseñanza, estos insumos podrían ser usados para conformar diferentes Puzles en el juego.

Se aplicó una encuesta sobre algunas preferencias al momento de usar videojuegos. Consultando a 388 estudiantes universitarios de primera matricula, de todos los niveles socioeconómicos y un amplio rango de edades ya que una universidad participante presenta modalidad a distancia, la cual es muy exitosa en población adulta (Gráfica 1), el instrumento permitió conocer las tendencias sobre las cuales se podría construir un software de aprendizaje. Un segundo grupo de docentes de Química generó una aproximación con expertos en desarrollo digital, los cuales permitirían reconocer los beneficios y dificultades de generar una propuesta acorde con los resultados de las encuestas y grupos focales.

Gráfica 1 Descripción porcentual de la población estudiantil que participó en la encuesta. 

Finalmente, con la información recolectada se construyó un hilo narrativo acorde a los resultados y que se apegara a los lineamientos acordados por los grupos de trabajo, de forma tal que se pudiera construir un entorno atractivo y de utilidad para el aprendizaje del análisis dimensional.

Resultados y discusión

Como fruto del desarrollo de un grupo focal con docentes del área de Química, se reconoció que uno de los temas que presenta mayor dificultad para su estudio en primer semestre es el análisis dimensional, tema considerado como fundamento esencial entre otros de estequiometría, gases y soluciones (Tabla 1)

Es evidente que la Química como asignatura de entrada para muchos estudiantes de diferentes programas académicos, necesita del análisis dimensional para facilitar el aprendizaje de los contenidos y de esta manera mejorar el desarrollo de la clase. Al respecto, muchos docentes entrevistados en los grupos focales manifiestan que, durante el inicio de los cursos, es común encontrar contenidos dirigidos a mejorar esta competencia, ya que se evidencia un desarrollo pobre y heterogéneo en las poblaciones de estudiantes nuevos.

Para encontrar actividades problémicas que ayudarán al docente con su ejercicio pedagógico. Se indagó sobre la finalidad que tiene el análisis dimensional respecto al uso que le dan los estudiantes, se proponen 4 categorías a los docentes y ellos asignaron un valor en una escala de importancia (Gráfica 2), con esta información se logró establecer que en el juego se deberían abordar principalmente situaciones que permitieran que los estudiantes resolvieran problemas, y establecieran relaciones entre magnitudes fundamentales y derivadas.

Gráfica 2 Relación porcentual de la importancia temática en conceptos asociados al análisis dimensional. 

Durante las entrevistas realizadas con los profesores, la mayoría se interesó mucho por la posibilidad que tienen los entornos virtuales, se encuentra una gran ventaja en la capacidad de traer situaciones al aula de una manera rápida, inmersiva y asincrónica. Al respecto se puede mencionar que la posibilidad de crear aventuras con una narrativa permitiría generar un espacio más susceptible de aprendizaje, no solo es generar actividades repetitivas que lleven a la monotonía, es generar una experiencia acogedora que motive a los estudiantes. se generaron propuestas de medición a partir de entornos reales, como la cocina, el parque o un laboratorio, en estos entornos los estudiantes deberían poder interactuar y a través de diferentes instrumentos generar la necesidad de medir.

Como resultado de un trabajo conjunto con un estudio de preferencias de los estudiantes (^{Santacruz, 2020}) se propone una aventura espacial, que permita acceder a entornos variados con tecnología futurista, este tipo de escenario se puede explotar de numerosas formas para generar situaciones problémicas atractivas.

Luego del análisis de las respuestas de docentes y estudiantes generamos un planteamiento de las misiones que se deben incluir (Gráfica 3). Se considera que para lograr una aproximación a lo que el docente espera, y a lo que el estudiante estaría dispuesto a admitir en un juego serio, se puede construir una aventura individual que incluya 4 misiones, las cuales recogen 4 temas o situaciones que permiten la construcción de un conocimiento a partir de una experiencia guiada por personajes no jugables (NPC's). La historia comienza con la narración a manera de animación de una catástrofe que se da en el planeta tierra, la cual presenta un evento de extinción masiva, y el único sobreviviente es un astronauta (con una Skin personalizable), con traje futurista que se encontraba en una caminata en una estación espacial que orbita la tierra, luego de la catástrofe ocurrida, recibe por parte de un ser extraterrestre una misión de visitar otro planeta para volver el nuestro a la normalidad y una herramienta (de medición) sofisticada, multitareas y aerodinámica, del tamaño de una caja de zapatos que puede ayudarle a resolver ciertos problemas. estos planteamientos permiten ubicarnos en entornos surrealistas, pero que mantienen las físicas terrestres.

Gráfica 3 Misiones propuestas para desarrollo de juego. 

Durante la visita a otro planeta el jugador deberá relacionarse con seres extraterrestres (NPCs) que tienen muchos problemas por hacer trueques, transacciones y mediaciones sin realizar mediciones básicas, en este desarrollo se hace necesaria la intervención del personaje (jugador) para mejorar las condiciones de intercambio, trueque y comercio entre los seres. Para ello la herramienta que tiene le sirve para solucionar el problema de medir, comparar y equilibrar diferentes magnitudes, al final de la historia el descubrimiento de una materia prima que puede ayudar al jugador a retroceder en el tiempo y salvar la tierra, motiva al estudiante para conseguir suficiente sustancia y completar su objetivo. La resolución del problema en torno a la conversión de magnitudes y la materia prima que se necesita permite mejorar destrezas, habilidades y competencias para un resultado exitoso.

Conclusiones

La generación de juegos en entornos virtuales es una alternativa bastante llamativa para los docentes de Química que quieren mejorar el desempeño de sus estudiantes, en ese sentido desarrollar estas estrategias de apoyo permitiría facilitar el proceso de enseñanza.

Para los estudiantes, los videojuegos son instrumentos de diversión y esparcimiento, por tal razón, es necesario garantizar actividades entretenidas con mecánicas atractivas que permitan mantener la atención, a medida que se dan situaciones problémicas que conducen al objetivo educativo propuesto desde la planeación curricular.

La generación de una historia atractiva que permita la apropiación por parte del estudiante, debería facilitar la asimilación de contenidos académicos, promoviendo el aprendizaje a medida que se divierte.

Una vez establecidos los puntos de partida, es necesario comenzar con la construcción de un Documento de diseño de juego (GDD), el cual recoja las propuestas presentadas en este documento, y posteriormente se construya en un entorno digital usando el software Unity para plataformas móviles.

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