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Hans A. Braun
Instituto de Fisiología, Universidad de Marburg, Alemania

Este informe se basa en la experiencia de enseñanza de cursos prácticos de muchos semestres tanto en laboratorios "reales" como “virtuales” para los estudiantes de biología médica y humana en la Universidad de Marburg. Cuando la protesta masiva de estudiantes a inicios de los 90 nos condujo a dejar de usar preparaciones de animales en los cursos prácticos, se eliminaron experimentos clásicos como los del nervio ciático de ranas y otros que se consideraban de alto valor educativo. En nuestra búsqueda de alternativas, creamos realizaciones virtuales de los experimentos originales. Estos son los programas computarizados SimNerv, SimMuscle, SimVessel, SimHeart y SimPatch, denominados en su conjunto la serie de Fisiología Virtual. Los programas son distribuidos por Thieme Publ., Stuttgart / Nueva York y se han utilizado regularmente durante varios años no sólo en Marburg, sino también en las facultades de medicina, ciencias biológicas, además de otras relacionadas en cientos de universidades y escuelas secundarias en todo el mundo. Se utilizan en conferencias, seminarios y, sobre todo, en cursos prácticos y, con frecuencia, han reemplazado a los experimentos originales que utilizaban las preparaciones de animales.

Por lo tanto, este informe también considera los comentarios de otros colegas con una experiencia de enseñanza similar, así como la evaluación de los estudiantes de los laboratorios virtuales, que se refiere específicamente a una evaluación de SimNerv con un cuestionario detallado. Siendo una de las personas que ha desarrollado la serie de Fisiología Virtual, también incluiré alguna información previa acerca de la historia de estos programas y explicaré cómo reflejan nuestra filosofía principal, es decir, que los paquetes de software educativos pueden y deben ser más que libros animados. También describo nuestra nueva serie de laboratorios computarizados virtuales, llamada cLabs. Para encontrar información más detallada, visite nuestro portal www.cLabs.de, con acceso libre a varios applets de nuestra última publicación cLabs-Neuron.

Historia de la serie Fisiología Virtual

Nuestro primer programa de enseñanza, SimNerv (denominado originalmente MacFrog) se desarrolló a mediados de los 90. En ese momento, la facultad médica en Marburg ya había dejado de utilizar preparaciones de animales en los cursos de fisiología. Esto ocurrió como consecuencia de protestas masivas, algunas veces agresivas, de los estudiantes contra el uso de animales, lo que finalmente hizo imposible el uso de preparaciones de animales en la enseñanza regular. En nuestra facultad, probablemente estuve expuesto con más fuerza a la protesta de los estudiantes, debido a que estaba dictando los dos cursos restantes que implicaban preparaciones de animales - los experimentos clásicos de nervio y músculo de la rana. Yo defendía con fuerza estos experimentos, pues los consideraba los mejores ejemplos para el aprendizaje efectivo orientado a la práctica.

Así, buscamos alternativas y vimos que no existían. Sin embargo, pronto nos dimos cuenta que el vertiginoso desarrollo de las técnicas computarizadas podría darnos una oportunidad de crear laboratorios virtuales donde los estudiantes pudieran realizar experimentos similares a los de un laboratorio real. Estas ideas se concretaron en colaboración con los que entonces eran nuestros estudiantes, Martin Hirsch, un experto en diseño multimedia, y Martin Huber,
un especialista en modelo de computación para neurodinámica. Desarrollamos nuestro laboratorio virtual, MacFrog, que posteriormente, como parte de la serie Fisiología Virtual, fue llamado SimNerv, como una empresa privada, pero con el apoyo de Karlheinz Voigt, Director de nuestro Instituto. La cobertura del programa en diversos medios de comunicación (periódicos, TV) condujo al apoyo externo de parte de las Computadoras Apple y del Ministerio de Ciencias y Arte del Estado de Hessian (HMWK).

El programa ha ganado premios desde el inicio. En 1994, MacFrog ganó el Premio Software austriaco-alemán por el Mejor Software de Enseñanza en Biología y Medicina, el Premio para la Mejor Aplicación Multimedia y el Premio de Editores MacWorld por Software Multimedia de Vanguardia. Con esta experiencia, recibimos, en contrato con Thieme Publishers (Stuttgart / Nueva York), una subvención importante del Ministerio Alemán de Educación y Ciencias (BMBF). Este apoyo nos permitió llevar a SimNerv a su formato final para su distribución pública y desarrollar tres programas más SimMuscle, SimVessel y SimHeart.

Estos programas en conjunto reproducen exactamente los experimentos que anteriormente se habían realizado con preparaciones reales de animales en los cursos de fisiología /farmacología para los estudiantes de medicina en Marburg. Un quinto y último programa, SimPatch, fue añadido por Horst Schneider y Martin Hirsch, completando la serie de Fisiología Virtual.

Martin Hirsch es ahora el propietario de una exitosa compañía multimedia (iAS, Marburg/ Berlín, visite el portal www.brainmedia.de). Martin Huber continúa con éxito sus estudios sobre modelos científicos computarizados en el Departamento de Psiquiatría y Psicoterapia y todavía trabaja en estrecha colaboración con nosotros. Horst Schneider había dejado la universidad por la industria, pero recientemente regresó a nuestro grupo y ha contribuido con nuestra nueva serie de software de enseñanza cLabs.

Experiencia y conceptos de los laboratorios virtuales

El desarrollo de nuestros laboratorios computarizados virtuales estuvo guiado por los mismos criterios que anteriormente me habían conducido a defender los experimentos “reales”. Los criterios están relacionados con el alto impacto de la enseñanza de los cursos prácticos, los cuales se pueden obtener cuando estudiantes bien preparados realizan los experimentos por su propia cuenta. Los prerrequisitos son que los estudiantes entiendan la organización experimental, es decir, ellos no tienen que manejar dispositivos demasiado complicados; y que las tareas fisiológicas estén orientadas a la práctica, pero relacionadas de cerca con el conocimiento teórico. La situación ideal sería “aprender haciendo” con una libre experimentación de parte de los estudiantes.

Por lo tanto, diseñamos una interfase computarizada fácil de usar, donde los laboratorios completamente equipados aparecen en la pantalla de la computadora y donde todas las configuraciones de los instrumentos se ajustan libremente haciendo "click” al mouse. Paralelamente, desarrollamos algoritmos matemáticos para el núcleo del programa, los cuales, de acuerdo con las configuraciones del dispositivo escogido, reproducen respuestas realistas de las preparaciones. Más aún, utilizamos variables al azar para explicar la variabilidad natural de las preparaciones, que también tiene la ventaja que ningún estudiante tendrá la misma preparación o los mismos resultados que su vecino(a). De esta forma, nos acercamos muchísimo a la situación en el laboratorio real y, además, pudimos sacar ventaja de algunas características específicas del mundo virtual, tal como se describe a continuación.

Los programas permiten a los estudiantes realizar experimentos a diferentes niveles de complejidad. Hay una situación experimental, relativamente fácil de seguir, por ejemplo, cuando los estudiantes tienen que reproducir las ilustraciones clásicas de los textos como las contracciones musculares isotónica e isométrica máximas.

La idea es que los estudiantes que realizan con éxito estos registros por su propia cuenta nunca vuelvan a tener problemas para entender las características biológicas básicas. También obtendrán buena práctica en las técnicas de los procedimientos. Además, como un aspecto más general, los estudiantes aprenderán (algunas veces de manera difícil) que la experimentación exitosa también requiere un profundo conocimiento teórico. Verán que esto es necesario para la recolección sistémica de los datos relevantes al problema, así como para el análisis crítico y calificado de los datos y las presentaciones adecuadas de los resultados. Esto también es necesario para la interpretación correcta del experimento mismo. Por ejemplo, las interpretaciones de la mayoría de registros en el experimento en el nervio requieren un conocimiento teórico acerca de la apertura o cierre del canal iónico, que significa que los estudiantes, en una tarea más exigente, tienen que reunir conocimiento de los diferentes niveles fisiológicos.

Estos objetivos de enseñanza van más allá de aprender y reproducir el conocimiento de textos objetivos. Aquí, los estudiantes aprenden cómo hacer uso de su conocimiento y esto está mucho más estrechamente relacionado con los problemas que ellos tendrán que enfrentar posteriormente en su carrera. Por ejemplo, un doctor en medicina que tiene que decidir acerca del tratamiento adecuado de un paciente en base a la inspección sistémica y al diagnóstico correcto. Cabe señalar que es justamente esta área donde el “Programa para la Evaluación de Estudios Internacionales” (PISA) acaba de detectar las principales deficiencias educativas en Alemania y a nivel internacional.

Experiencias de enseñanza con laboratorios reales y virtuales

El argumento principal contra los laboratorios virtuales es generalmente que los estudiantes no pueden practicar la preparación del tejido biológico vivo dándole un "click" al mouse. En verdad, esto no se puede lograr incluso con la mejor simulación por computadora del momento. Cuando este es el objetivo de un curso, los experimentos tienen que realizarse necesariamente con preparaciones de animales. Sin embargo, la cuestión principal es cuánto se justifica practicar estas habilidades específicas en los cursos regulares de biología, fisiología y farmacología o en las escuelas secundarias.

La respuesta depende esencialmente de la necesidad y eficiencia de dicha capacitación. A menudo, yo he argumentado que, al menos los estudiantes de medicina, antes de tratar a los pacientes, deberían conocer por su propia experiencia cuán sensiblemente reacciona el tejido vivo y cuán fácilmente se puede destruir el funcionamiento adecuado mediante un manejo inapropiado. Sin embargo, ya no estoy seguro de estos argumentos, ya que los doctores en medicina se están volviendo más y más especializados y aquéllos que realizan operaciones serán entrenados al respecto de todas maneras. La eficiencia también es cuestionable, específicamente en relación con la situación actual en nuestra universidad donde ahora contamos con 16 estudiantes en un grupo de práctica, en comparación con los 6 u 8 que yo tuve al realizar los últimos experimentos con preparaciones de animales en un laboratorio de estudiantes.

Es difícil hacer ese tipo de trabajo con un grupo de 16 estudiantes sin experiencia. A decir verdad, conozco varios departamentos donde los estudiantes reciben el tejido ya preparado por los tutores. Por lo tanto, muchos cursos que involucran el uso del tejido animal no incluyen realmente la preparación de ese tejido por parte de los estudiantes. Sin embargo, los experimentos luego de la preparación se pueden realizar mejor en el laboratorio virtual. A continuación, voy a ilustrar esto refiriéndome específicamente a nuestras experiencias y a las experiencias de otras personas con SimNerv, ya que éste es el programa que se ha utilizado por más tiempo y para el cual contamos con una reciente y detallada evaluación de los estudiantes.

Cuando presentamos SimNerv/MacFrog en el curso regular de fisiología, no tuvimos tiempo de escribir las instrucciones por adelantado. Nosotros utilizamos las instrucciones y los formatos de protocolo que fueron dejados de cursos anteriores con las preparaciones en animales. Sin dificultad, los estudiantes siguieron las mismas instrucciones e hicieron exactamente los mismos experimentos que estudiantes anteriores habían hecho con el nervio real, e incluso con más éxito. Esto ilustra cuán cercana es esta simulación al laboratorio real, algo que fue confirmado por muchos otros grupos ("Esta simulación permite a los estudiantes experimentar virtualmente con todo lo que verían en el nervio real"). Efectivamente, existen varios institutos donde sé que los maestros deseaban utilizar al principio el SimNerv como introducción para los experimentos reales, pero que luego decidieron que "esta actividad puede ser innecesaria" (citas de un informe realizado por D. Wilson, Universidad de Miami, Oxford, Ohio).

Sin embargo, con el pasar del tiempo, nos dimos cuenta que en realidad estábamos haciendo un mejor trabajo con las preparaciones virtuales que con las reales. Hay que admitir que, sólo con nuestra nueva experiencia con los laboratorios virtuales, nos dimos cuenta que era una ilusión que los estudiantes estuvieran haciendo sus propios experimentos en el laboratorio de animales. Ellos siempre siguieron las instrucciones estrictamente y, donde había que cambiar alguna configuración, ellos les preguntaban a los tutores si las configuraciones habían sido corregidas antes de continuar con los experimentos. La razón para esto es obvia. Los estudiantes temían que las malas configuraciones destruyeran la preparación y que, por consiguiente, ellos no obtuvieran el certificado o tuvieran que matar a otro animal (lo que, a propósito, nunca hubiéramos permitido).

Así, nos vimos inesperadamente confrontados con estudiantes sorprendentemente activos en los laboratorios virtuales lo que, paso a paso, nos condujo a modificar las instrucciones. Específicamente, se han incluido tareas para las que nosotros no explicamos el experimento en detalle, sino que dejamos que el estudiante investigue. Habría sido muy difícil llevar a cabo algunos de estos experimentos en el laboratorio real, pero son de un valor didáctico particularmente alto. Por ejemplo, en el experimento en el nervio real es casi imposible bloquear la conducción del nervio o incluso cambiar las posiciones de estimulación y registro de electrodos sin cambios impredecibles en toda la situación. Esto se puede hacer fácilmente en el laboratorio virtual. Así que pedimos a los estudiantes inducir los potenciales de acción mono y bifásico o invertido, o encontrar qué electrodo estaba conectado con la salida positiva o negativa del estimulador o la entrada de inversión y no inversión del amplificador diferencial, respectivamente. Cuando los estudiantes hayan podido responder a esta pregunta a través de sus propios experimentos, ellos habrán entendido bastante acerca de la generación y registro de los compuestos del potencial de acción y, como un aspecto más general, habrán visto que las configuraciones experimentales pueden interferir profundamente con el resultado de un experimento.

Otro ejemplo es que en SimHeart alentamos a los estudiantes a examinar la actividad cardiaca en sus límites, además de los experimentos estándares. Les permitimos inducir y comparar los paros cardiacos en la sístole y diástole o se les pide aplicar glucósidos en un corazón previamente activado para ver no sólo los efectos positivos de las sustancias terapéuticas, sino también su toxicidad potencial. Creemos que los estudiantes pueden aprender mucho de situaciones extremas de contracciones cardiacas, las cuales, en el laboratorio real, se evitan sobre todo porque uno nunca puede estar seguro de que la preparación se recupere.

Por lo tanto, el experimento en los laboratorios virtuales es más rico, y los estudiantes son más activos. Es mi impresión y la de otros tutores que la enseñanza no ha empeorado sino que se ha vuelto más efectiva. No hay estudiantes frustrados por preparaciones o instrumentos que algunas veces fallan. No se confunden por los instrumentos que tienen controles adicionales que no deben tocar. Se pide menos ayuda a los tutores y se ha mejorado claramente la iniciativa propia de los estudiantes. Por último, pero no por eso es lo menos importante, el experimento y el aprendizaje no sufren las emociones negativas de utilizar animales a los que se ha dado muerte.

Por supuesto, todavía hay maestros que definitivamente quieren realizar ‘experimentos con animales’ en los cursos de fisiología o biología de los estudiantes. Nuestros programas parecen ser peligrosos para sus conceptos. Esto podría explicar en parte las curiosas críticas, especialmente de parte de los colegas alemanes, de que los programas son "peores que la televisión", "juguetes" o "tamagotchies". Sin embargo, dichos comentarios (R. Klinke, H. Wiese in Uni- Spiegel 2/2001) son la excepción. La mayoría de los informes en los diarios y revistas alemanas, sobre todo los de mayor prestigio, alaba nuestros programas y enfatiza, por ejemplo, que "los autores definitivamente hicieron un excelente trabajo" (Frankfurter Allgemeine Zeitung, FAZ, 22.07.98) o, más recientemente, que estos programas “son más instructivos que los experimentos clásicos” (Zeitpunkte 1, 2001) y que "han establecido estándares internacionales para un software de enseñanza de alta calidad" (Die Zeit, 28.12.00).

Estas revisiones positivas de nuestros programas fueron confirmadas recientemente con una evaluación de SimNerv a través de un cuestionario detallado que fue respondido en forma anónima por 155 estudiantes de medicina en nuestro curso regular de fisiología. Las preguntas acerca de la facilidad de uso revelaron que no existieron dificultades relacionadas con el uso de los dispositivos virtuales. Los estudiantes sintieron que SimNerv ayudó a incrementar su entendimiento de la fisiología del nervio y la mayoría asumió que incluso había aprendido más que con un experimento real. Ya que el experimento con SimNerv se realizó hacia el fin del curso, cuando los estudiantes ya habían realizado la mayoría de otros experimentos, también les pedimos que comparasen SimNerv con otros experimentos de capacitación, y esto nuevamente arrojó excelentes resultados positivos (>80%). Esto es incluso más destacable considerando que la fisiología del nervio generalmente no es parte de los temas favoritos de los estudiantes de medicina y que SimNerv ha competido con ejercicios muy importantes clínicamente (EEG, ECG, análisis de plasma en sangre, etc.) realizados en laboratorios muy bien equipados.

También se les preguntó a los estudiantes si consideran las simulaciones multimedia alternativas válidas para los experimentos reales. Se planteó esta pregunta antes de utilizar SimNerv, y reveló una opinión principalmente positiva acerca de las simulaciones por computadora. Cuando se les preguntó a los estudiantes nuevamente luego del experimento con SimNerv, hubo un cambio adicional altamente significativo en cuanto a estadísticas hacia valores aún más positivos. Por tanto, no es sorprendente que los estudiantes mostraran un interés en el desarrollo y uso de otros programas de simulación.


Situaciones y planes actuales: el concepto cLabs

Nuestro presente trabajo continúa con una serie avanzada de laboratorios virtuales computarizados, llamados cLabs, el cual expande el concepto de la Fisiología Virtual en varios sentidos.

En primer lugar, los programas cLabs facilitarán aún más los propios experimentos de los estudiantes y, por lo tanto, también incluyen animaciones y simulaciones más simples para preparar paso a paso los experimentos en los laboratorios virtuales más complejos. Para uno de nuestros programas, cLabs-Neuron, parte de estos applets ya está funcionando en nuestro portal www.cLabs.de. Para el otro programa, cLabs-SkinSenses, pronto estarán disponibles y vamos a desarrollar recursos similares para la serie de Fisiología Virtual también.

La serie cLabs también incluye experimentos que, al igual que SimPatch, son muy difíciles de llevar a cabo físicamente en el trabajo de curso de los estudiantes, pero que se pueden realizar en silico. Este es el caso de cLabs-Neuron, que brinda laboratorios virtuales para registros de canal iónicos y experimentos con pinzas de corriente/ voltaje, así como para cLabs-SkinSenses que simula registros de una sola fibra de los aferentes mecano y termosensibles de la piel.
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Más aún, nuestro enfoque principal con el uso de las simulaciones matemáticas, incluyendo los componentes al azar, encaja perfectamente con la idea de una ‘Universidad Virtual’ avanzada, porque permite el control de experimentos individuales por parte de los mismos estudiantes y de los tutores, y también a través de Internet. Por ejemplo, cuando un usuario abre uno de nuestros laboratorios virtuales, él o ella encontrará sus preparaciones personales. Sin embargo, lo que para el usuario parecerá una variabilidad principalmente impredecible es claramente definida matemáticamente. Esto hace posible desarrollar un software de control para revisar inmediatamente los resultados individuales. Aquí vemos las soluciones más promisorias para el software de enseñanza altamente efectivo del futuro.

Desafortunadamente, esta no fue la opinión de algunos evaluadores desconocidos. En una iniciativa importante, el Ministerio Alemán de Educación y Ciencias (BMBF) invirtió cerca de US$100 millones para el desarrollo de un nuevo software de enseñanza, pero se rehusó a apoyarnos, a pesar de que aún somos el único grupo alemán con un software de enseñanza de prestigio internacional, al menos hasta donde sabemos respecto de los campos de biología y medicina.

Hemos seguido realizando esfuerzos y hemos realizado un buen progreso con cierto apoyo de ‘transMIT’, Giessen. Ya hemos presentado partes de los programas cLabs con gran éxito en conferencias internacionales, incluyendo la exhibición de enseñanza de la Reunión de Neurociencias llevada a cabo en San Diego en el 2001. Las fechas de las siguientes exposiciones se encuentran en nuestro portal www.cLabs.de. Para acelerar el progreso y realizar nuestros planes con el software de control integrado, estaríamos encantados de explorar una posible cooperación. Tenemos confianza en que estos programas, incluso más que la serie de Fisiología Virtual, encontrará cientos de instituciones interesadas con miles de usuarios en todo el mundo.


Biografía

Hans Albert Braun es el presidente del Grupo Neurodinámico del Instituto de Fisiología en la Universidad de Marburg en Alemania. Se capacitó como ingeniero electrónico en la Universidad Técnica de Karlsruhe, donde obtuvo un diploma en ‘Electrobiología’. En un estudio complementario de ‘Biología Humana', obtuvo su PhD en la Facultad Médica de la Universidad de Marburg. Su investigación implica experimentos y modelos de codificación neuronal y procesos neuromoduladores en los receptores sensoriales periféricos y neuronas hipotalámicas, incluyendo los estudios de modelos computarizados de los desórdenes afectivos. El objetivo es entender la dinámica de los sistemas neuronales en los diferentes niveles y dilucidar sus principios funcionales comunes. Con el antecedente de estas experiencias, el Grupo Neurodinámico ha desarrollado un software de enseñanza con laboratorios computarizados virtuales para el aprendizaje orientado a la práctica, incluyendo el galardonado software de enseñanza SimNerv. Hans A. Braun es miembro de varias sociedades científicas y ha sido honrado con el título de División Biofísica de la Sociedad Física Americana.

Hans A. Braun, PhD

Instituto de Fisiología
Universidad de Marburg
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D-35037 Marburg
Alemania

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fax: +49 6421 286 6967
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