Horacio Correa Henríquez Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería Universidad de Santiago de Chile

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1 REINGENIERÍA EN EL DISEÑO DE LA ASIGNATURA DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA DE LA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL QUÍMICA DE LA UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE Horacio Correa Henríquez Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería Universidad de Santiago de Chile hcorrea@usach.cl RESUMEN En este trabajo se muestra una aplicación hecha en el Taller de Desarrollo Curricular Basado en Competencias, realizado el año 2005 en el Centro de Desarrollo, Experimentación y Transferencia de Tecnología Educativa (CEDETEC) de la Universidad de Santiago. En dicha aplicación se hizo una reingeniería a la asignatura de Balances de Materia y Energía de la Carrera de Ingeniería Civil Química. En ella se revisó los objetivos, definiendo tareas claves para cada objetivo con sus estándares y grados de desempeño, y finalmente, entregando un diagnóstico y perfil del estudiante, antes y después de la enseñanza. Las conclusiones del estudio se están aplicando en la actualidad y los resultados finales muestran un notorio cambio en el interés y la dedicación de los estudiantes a la asignatura.

2 INTRODUCCIÓN En el Taller de Desarrollo Curricular Basado en Competencias, dictado por el Dr. Patricio Montero, cada participante debió elegir una asignatura para aplicar los conocimientos entregados. Dadas las dificultades y alta repitencia que tradicionalmente ha tenido la asignatura de Balances de Materia y Energía, me pareció conveniente revisar ese curso a la luz de la nueva óptica propuesta en el taller. Esta decisión se fundamenta en varias razones: La asignatura es la base para el desarrollo del currículum del ingeniero químico. Sus fundamentos son simples pero su aprendizaje presenta dificultades por tratarse de la primera asignatura de la especialidad y requiere integrar los conocimientos adquiridos en el ciclo básico. Se trata de una asignatura de aplicación al mundo real, obliga a poner los pies en la tierra, por lo cual tiene gran aceptación entre los estudiantes: Aparecen los problemas abiertos, se exige resultados y no solo procedimientos. Entrega criterios de análisis, toma de decisiones, selección de la mejor solución a un problema propuesto. Adicionalmente, ayuda a crear hábitos y metodología de estudio, motiva el trabajo en grupo e incentiva la participación oral durante las clases. Para el profesor, cada vez que dicta el curso es una experiencia que exige una entrega intensa pero a su vez enriquece, al facilitar el desarrollo de capacidades y habilidades. En estudios anteriores se analizó el perfil de nuestro ingeniero civil químico (Correa, H., 1999). Este perfil fue perfeccionado en el proceso de Acreditación de la Carrera de Ingeniería Civil Química y se entrega en forma resumida en el párrafo siguiente. Se aceptó como perfil de egreso al conjunto de competencias (conocimientos, habilidades y actitudes) que todo egresado debe dominar como requisito para obtener el título habilitante para ejercer su profesión. En ese sentido, el Ingeniero Civil Químico es un profesional capaz de: Comprender y aplicar conocimientos de las Ciencias Básicas, Ciencias de Ingeniería, Ciencias Humanas y Disciplinas Profesionales, en la síntesis, análisis, diseño, operación, control, administración, evaluación y optimización de procesos de la industria de procesos químicos y bioprocesos, que satisfagan los requerimientos de la sociedad, respetando exigencias técnicas, económicas, sociales y ambientales. Tener autonomía para encontrar y adquirir nuevos conocimientos y auto evaluación de sus avances hacia los objetivos propuestos. Tener autosuficiencia creativa para seleccionar y adaptar tecnologías propias de las industrias de procesos químicos, bioprocesos y servicios relacionados. Liderar la organización y dirección de grupos de trabajo. Interactuar con otros profesionales de diferentes niveles y especializaciones. Comunicarse eficientemente en forma oral, escrita, corporal y gráfica. Cultivar los valores éticos y las responsabilidades sociales y profesionales en el desarrollo de su trabajo.

3 OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA DE BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Al finalizar la asignatura el estudiante debe ser capaz de: 1. Aplicar principios básicos de la Ingeniería (Matemáticas, Física y Química) a la resolución de problemas de Balances de Materia y Energía que se presentan en el campo de la ingeniería química. 2. Desarrollar estrategias de cálculos de Balances de Materia y Energía que se expresen a través de diagramas de flujo y de ecuaciones algebraicas o ecuaciones diferenciales. 3. Identificar aspectos técnicos, económicos y ambientales de industrias químicas del país. TAREAS CLAVES Las tareas claves seleccionadas para cada uno de los objetivos de la asignatura son las siguientes: Objetivo Aplicar los conceptos básicos sobre los métodos para resolver sistemas de ecuaciones y grados de libertad de ellos Aplicar conceptos básicos de derivadas e integrales Aplicar conceptos básicos de fuerza, energía, trabajo, calor Aplicar la simbología básica de la química. Objetivo Aplicar la simbología básica en balances de materia y energía de procesos químicos Aplicar los sistemas de dimensiones y unidades en balances de procesos químicos Representar gráficamente el enunciado de problemas de balances de procesos químicos. Además, Interpretar correctamente diagramas de flujo de balances de materia y energía Describir los fundamentos teóricos de las transformaciones físicas y químicas que rigen los balances de materia y energía para su posterior cuantificación Identificar las variables involucradas en los balances de materia y energía, distinguiendo entre datos e incógnitas Analizar los grados de libertad del proceso en estudio Seleccionar la metodología de cálculo para la resolución de problemas tipo de balances de materia y energía Resolver los sistemas de ecuaciones que representan los balances de materia y energía, considerando diferentes bases de cálculo Analizar los resultados obtenidos, teniendo en cuenta el procedimiento elegido, número de cifras significativas fijadas y posibles modificaciones del problema inicial. Objetivo Identificar algunos equipos usados en distintas industrias químicas Identificar aspectos de costos comparativos entre alternativas de diversos procesos químicos.

4 3.3. Identificar algunos problemas de impacto ambiental que generan determinado número de procesos químicos, como es el caso de la combustión. CRITERIOS EVALUATIVOS En la aplicación de Criterios Evaluativos usados en el Taller de Desarrollo Curricular, se seleccionó el Objetivo 2 por ser el centro de mayor relevancia de la asignatura. De este objetivo se eligió las Tareas Claves 5, 6 y 7. Criterio Evaluativo Tarea Clave 5: Identificar las variables en los balances de materia y energía. a) Seleccionando las variables de flujo de materia y energía, de composición y de la propiedad entalpía o temperatura. b) Reconociendo aquellas variables de flujo, composición y entalpía que se conocen (datos). c) Eligiendo las ecuaciones de balances de materia y energía que sean independientes. d) Seleccionando datos o ecuaciones adicionales a los considerados en b) o ecuaciones en c). Criterio Evaluativo Tarea Clave 6: Analizar los grados de libertad del proceso en estudio. a) Determinando los grados de libertad del sistema de ecuaciones resultante, considerando el número de variables, datos y ecuaciones. b) Decidiendo el procedimiento a seguir, dependiendo de los grados de libertad (GL) obtenidos i. Si GL > 0 Se debe buscar más datos ii. Si GL < 0 Se debe descartar ecuaciones iii. Si GL = 0 Seleccionar el procedimiento de resolución del sistema de ecuaciones Criterio Evaluativo Tarea Clave 7: Seleccionar metodología de cálculo en la resolución de problemas de balances de materia y energía. a) Eligiendo una base de cálculo de entre los datos de flujo de materia, o bien eligiendo una base hipotética que facilite los cálculos. b) Seleccionando el sistema de unidades a emplear. c) Seleccionando el sistema, o partes del sistema, al cual se aplican los balances. d) Seleccionando el tipo de balance: por componentes o por átomos. e) Decidiendo el método de cálculo: manual, resolviendo las ecuaciones en forma sucesiva (si ello es posible); o mediante software (a nivel de calculadora manual) para el sistema total de ecuaciones.

5 ESTÁNDARES DE DESEMPEÑO Tarea Clave 5: Identificar las variables en los balances de materia y energía. ESTANDAR Nivel Sobresaliente Nivel Bueno Nivel Mínimo GRADO DE DESEMPEÑO Cuando realiza completamente todas las actividades de la tarea 5): a) Seleccionar las variables de flujo, composición y entalpía. b) Reconocer las variables de flujos, composición y entalpía que se conocen de aquellas desconocidas. c) De las ecuaciones de balances que se puedan plantear, elegir las que sean independientes. d) Seleccionar datos o ecuaciones adicionales. Cuando realiza las actividades a), b) y c) del Nivel Sobresaliente. Cuando realiza las actividades a) y b) del Nivel Sobresaliente. Tarea Clave 6: Analizar los grados de libertad del proceso en estudio. ESTANDAR GRADO DE DESEMPEÑO Cuando realiza completamente todas las actividades de la tarea 6): Nivel Sobresaliente Nivel Bueno Nivel Mínimo a) Determinar los grados de libertad del sistema de ecuaciones resultante. b) Decidir el procedimiento a seguir según los grados de libertad obtenidos. Cuando realiza las actividades a), b-i) y b-ii) del Nivel Sobresaliente. Cuando realiza la actividad a) del Nivel Sobresaliente. Tarea Clave 7: Seleccionar metodología de cálculo en la resolución de problemas de balances de materia y energía.

6 ESTANDAR GRADO DE DESEMPEÑO Cuando realiza completamente todas las actividades de la tarea 7): Nivel Sobresaliente Nivel Bueno Nivel Mínimo a) Elegir una base de cálculo de entre los datos de flujo de materia o usar una base hipotética. b) Seleccionar el sistema de unidades a emplear. c) Seleccionar el proceso, o partes del proceso, al cual se aplican los balances de materia y energía. d) Seleccionar el tipo de balance: por componentes o por átomos. e) Decidir el método de cálculo: manual, resolviendo las ecuaciones de balances en forma sucesiva o en forma simultánea para el sistema total de ecuaciones. Cuando realiza las actividades a), b) y c) del Nivel Sobresaliente. Cuando realiza las actividades a) y b) del Nivel Sobresaliente. DIAGNÓSTICO Y PERFIL DEL ESTUDIANTE ANTES DE LA ENSEÑANZA Antes de iniciar la asignatura de Balances de Materia y Energía es conveniente verificar si el estudiante es capaz de: 1. Comprender los conocimientos básicos de Matemáticas (matrices, derivadas e integrales), Física (distinguir variables físicas y constantes; sistemas de unidades) y Química (Principio de Conservación de Masa y Energía, estequiometría; concepto de mol, gases ideales). 2. Tener autonomía y procedimientos de estudio y auto evaluación de sus avances. 3. Interactuar con otros estudiantes e integrar grupos de trabajo. 4. Comunicarse en forma oral y escrita. 5. Vocación y amor por la carrera que está estudiando y que se supone conocer. 6. Responsabilidad y disciplina de trabajo. 7. Cultivar los valores éticos y las responsabilidades sociales. En la primera etapa del curso, se entregan algunas ideas básicas sobre el método de estudio recomendado, en que la dedicación personal para tratar de entender los conocimientos y procedimientos entregados es fundamental. El arraigado método de nuestros estudiantes a estudiar a última hora, tratando de memorizar y no comprender, es un factor negativo en el posible éxito del curso y ello hay que combatirlo sin descansar.

7 DIAGNÓSTICO Y PERFIL DEL ESTUDIANTE DESPUÉS DE LA ENSEÑANZA Al término del curso, los cambios de los estudiantes respecto a los distintos tipos de saberes son notorios: Aprenden a estudiar por si solo, así como también en equipo. Manejan conceptos, los integran y aplican a otras situaciones. Adquieren mayor madurez, disciplina y responsabilidad. Crece su autoestima, sintiéndose preparados para hacer prácticas industriales. Se acostumbran a aplicar procedimientos y hacer generalizaciones. Adquieren mayor sensibilidad a los problemas del medio ambiente. Adquieren conocimientos básicos sobre procesos ý equipos químicos. Lo aquí expuesto se confirma a través de las opiniones de los profesores de asignaturas superiores de la carrera, especialmente Proyectos que es la síntesis y culminación de ella. El avance del aprendizaje se mide a través de varios mecanismos: 1. Resolución de problemas en clases, con la participación directa de los estudiantes. Allí se practica el uso de conceptos, procedimientos y actitudes. 2. Pruebas de Ejercicios después de cada unidad en un módulo de 1,5 horas. Posteriormente, se resuelve el problema en clases y los estudiantes hacen su autoevaluación, con la pauta de corrección del profesor. La calificación solo se considera para mejorar el promedio. 3. Pruebas de Evaluación Parcial. Se hacen 3, incluyendo las unidades del curso y son de carácter acumulativa. La resolución de ella se entrega vía intranet para que los estudiantes conozcan sus errores y puedan aprender de ellos. 4. Examen final. Solo obligatorio para los estudiantes que no lograron el nivel mínimo, medido con las pruebas parciales y de ejercicios. Analizando los estándares mínimos de las Tareas Claves 5), 6) y 7) del Objetivo 2 de la asignatura de Balances de Materia y Energía se concluye que a través de ellas se pretende desarrollar en los estudiantes los tipos de conocimientos y competencias siguientes: a. Capacidad para integrar y aplicar sus conocimientos de ciencias básicas a situaciones simples de procesos químicos. b. Adquirir destreza en reconocer las distintas variables que intervienen en el proceso y distinguir de entre ellas cuales son datos y cuales son desconocidas. c. Tomar decisiones sobre el número de ecuaciones de balances y ecuaciones adicionales a elegir para realizar el análisis de grados de libertad. d. Relacionar el número de datos y ecuaciones para determinar los grados de libertad. e. Tomar decisiones sobre los tipos de balances a plantear y el método para resolverlos. f. Interacciones personales con el profesor y el resto de los estudiantes durante las actividades realizadas en las clases presenciales. g. Comunicarse eficientemente en forma oral a través de las clases, escrita y gráfica en la lectura de los problemas propuestos, en las tareas y pruebas de evaluación. El éxito del aprendizaje también depende del esfuerzo que el estudiante ponga en aprender de sus errores, siguiendo su propio método de auto evaluación, de acuerdo con su ritmo de trabajo y comprensión. Para ello, la motivación, ayuda y orientación y un permanente diálogo del profesor se hace indispensable. La co evaluación es muy útil pero no siempre es posible llevarla a la práctica, dada la carga académica de los docentes.

8 BIBLIOGRAFÍA Correa, Horacio. Perfil del Ingeniero Químico de la USACH. XII Congreso Chileno de Educación en Ingeniería, Correa, Horacio. Nuevo Plan de Estudio de la Carrera de Ingeniería Química en la USACH. XIV Congreso Chileno de Educación en Ingeniería, Correa, Horacio. Análisis de Procesos, una disciplina integradora. XVIII Congreso Chileno de Educación en Ingeniería, 2004.