El nuevo plan de estudios de la escuela secundaria enseña química del color e inteligencia artificial al mismo tiempo

Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han desarrollado un plan de estudios de secundaria de una semana de duración que ayuda a los estudiantes a comprender rápidamente los conceptos de química del color e inteligencia artificial, al tiempo que desarrollan su curiosidad sobre la ciencia y el mundo que los rodea.

Para probar si un módulo breve de ciencias de la escuela secundaria podría enseñar eficazmente a los estudiantes sobre química, una materia notoriamente difícil, e inteligencia artificial (IA), los investigadores diseñaron un experimento relativamente simple que involucra un nivel de pH, que indica la acidez o alcalinidad del líquido. . solución

Al verificar el nivel de pH en una tira reactiva, las tablas de cambio de color brindan una referencia conveniente: las soluciones más ácidas hacen que las tiras reactivas se vuelvan rojas cuando hay demasiada acidez presente y las tiras reactivas se vuelven amarillas y verdes. Se libera a medida que el nivel de ácido se debilita. Las tiras reactivas se vuelven de color violeta oscuro cuando el líquido es muy alcalino y de color azul y verde oscuro a medida que disminuye el nivel alcalino.

Los números de pH varían de 0 a 14, siendo siete neutral (aproximadamente el nivel de agua del grifo en su hogar) y valores más bajos indican más acidez, y números más altos indican más acidez.

«Queríamos responder a la pregunta: ‘¿Podemos utilizar el aprendizaje automático para leer visualmente las tiras de pH con mayor precisión?'», dijo Yang Zhang, profesor asistente de ingeniería textil, química y ciencia y coautor de un artículo. El trabajo «mostró que el modelo de predicción de IA entrenado por estudiantes era 5,5 veces más preciso que la interpretación visual».

Los estudiantes usaron las cámaras de sus teléfonos celulares para tomar fotografías de tiras reactivas de pH después de remojarlas en una variedad de líquidos cotidianos (bebidas, agua de piscina o lago, cosméticos y similares) y sus valores de pH. También recibieron de los profesores tiras reactivas con niveles de pH conocidos, tomadas con instrumentos sofisticados y las presentaron visualmente.

«Queremos que los estudiantes piensen en las implicaciones del mundo real de este tipo de pruebas, por ejemplo, en lugares desarrollados donde el agua potable puede ser un problema», dijo Zhang. «Tal vez no tengas un instrumento sofisticado, pero realmente quieres saber si el nivel de pH es inferior a 5 frente a 7».

Los estudiantes ingresaron datos en un software gratuito de aprendizaje automático llamado Orange, que no tiene líneas de código, lo que facilita la innovación. Trabajaron para convertir imágenes de tiras reactivas y valores de pH en predicciones, mejorando la precisión del aprendizaje automático a medida que aprendía a describir cambios más sutiles en el color de las tiras reactivas con los valores de pH correspondientes.

Luego, los estudiantes compararon sus predicciones del nivel de pH del aprendizaje automático con sus predicciones visuales y descubrieron que las predicciones de la IA, aunque no eran perfectas, estaban mucho más cerca del valor de pH real que sus predicciones visuales.

Los investigadores también encuestaron a los estudiantes antes y después de la semana del curso y descubrieron que estaban más motivados para aprender y tenían más conocimientos sobre química e inteligencia artificial.

«Los estudiantes pueden ver la relevancia de la tecnología moderna cuando se aplica a problemas del mundo real y avances científicos», dijo Xian Jiang, profesor asistente de diseño y tecnología de aprendizaje en NC State y autor correspondiente del artículo.

«Esta aplicación práctica no sólo mejora su comprensión de conceptos científicos complejos, sino que también los anima a encontrar soluciones innovadoras, promoviendo el valor de la conexión entre la tecnología moderna y la ciencia, especialmente en la química».

«En cuanto a la química, hay muchos conceptos similares de química del color que podemos enseñar de esta manera», dijo Zhang. «Ampliamos este plan de estudios para incluir a más estudiantes».

La investigación se publica en Revista de educación química.