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La física en la formación de los biólogos del siglo XXI. Reflexión y propuesta para los grados españoles en Biología

Existe un consenso amplio en la comunidad científica sobre la necesidad de que los enormes y urgentes desafíos que afectan a las ciencias biológicas sean abordados pluridisciplinarmente y en que la actual revolución de la Biología es fruto de un cambio cualitativo en la manera de pensar los misterios de la vida, cambio en el que la Física está jugando un papel fundamental. Entonces, ¿por qué las universidades españolas siguen ofreciendo a los futuros graduados en Biología una formación compartimentalizada, en la que la Física es considerada como una simple herramienta? ¿Qué se está haciendo en otras universidades europeas y norteamericanas? Las raíces del problema son profundas y su solución llevará tiempo. Pero entre tanto, ¿cómo debería ser y cómo debería impartirse la Física en el grado en Biología para ayudar a formar biólogos capacitados para trabajar en equipos multidisciplinares?, ¿qué podrían hacer físicos y biólogos de una universidad cualquiera, colaborando?, ¿qué apoyos y qué recursos docentes se necesitarían? Partiendo de una revisión del debate actual sobre el asunto en Estados Unidos y Europa, y teniendo en cuenta la experiencia desarrollada en la UAH durante los últimos años en el Grado en Biología Sanitaria, respondemos a esas preguntas proponiendo una posible organización de la Física introductoria para los grados en Biología de las universidades españolas. Nuestras respuestas son básicamente una propuesta para el diálogo entre físicos, biólogos y educadores y también una pequeña reflexión sobre cómo ayudar a desmontar la histórica barrera, respecto de la Física, en los futuros graduados en Biología, que enriquecería el Grado en Biología (y quizás también el de Física).

  • Armando del Romero1, Miguel Sancho2, Germán Ros3, Leticia Herrera4, Javier Suárez5, Gala Ramón6, Lucía Selfa7 y Nuria Berzal8

  • 1Universidad de Alcalá; 2Universidad Complutense de Madrid; 3Universidad de Alcalá; 4Doctoranda en el Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares; 5Doctorando en el Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas; 6Doctoranda en la Universidad de Hertfordshire. Reino Unido; 7Estudiante de máster en Center of Regenerative Therapies. Dresden. Alemania, 8Estudiante de máster (Profesorado de Biología y Geología) en la Universidad de Alcalá

  • Alba Refoyo, Javier Correa, Sergio González, Adrián Molina y Susana Delgado

  • Estudiantes de grado en la Universidad de Alcalá (Madrid)

EL DEBATE ACTUAL EN EEUU Y EUROPA SOBRE LA FORMACIÓN QUE NECESITAN LOS FUTUROS BIÓLOGOS. PAPEL DE LA FÍSICA

“Agradezco a ustedes y a sus colegas sus muchas contribuciones a la Biología y a la Medicina, aportando herramientas y mentes que desvelaron algunos de los principios más fundamentales de la Biología, y les animo a colaborar con nosotros para lograr la radical explicación física de los sistemas biológicos que Max Delbruck presagió en 1949”. Harold Varmus, premio nobel de Fisiología y Medicina, finalizaba así su conferencia (22 de marzo de 1999) en el congreso que conmemoraba el centenario de la American Physical Society, el mayor de su historia. En su intervención señaló que para derribar las artificiales fronteras entre disciplinas era necesaria una reforma de los grados universitarios hacia la interdisciplinaridad1 .

 

 

Poco después, se abrió en los Estados Unios un gran debate sobre la formación que deberían tener los graduados en Ciencias de la Vida “para que la nación (el mundo) pueda enfrentar adecuadamente los enormes y urgentes retos actuales en ese ámbito (salud, alimentación, cambio climático…)”, promovido y liderado por The National Academies of Sciences, Engineering and Medicine, The National Science Foundation y The American Association for the Advancement of Science2-4. El debate impulsó una reforma de sus majors in Life Sciences, que en el área de Biología está siendo más profunda gracias al proyecto Vision and Change in Undergraduate Biology Education4 ya que permitió consensuar una hoja de ruta para revisar, en fondo y forma, la docencia que se imparte en los bachelors in Biology. La ruta propone reforzar las ciencias básicas en los planes de estudio, identifica cinco conceptos fundamentales vertebradores y concreta un conjunto de recomendaciones relativas a las competencias clave que el graduado debe alcanzar y que afectan a la manera de impartir las enseñanzas y de trabajar en el aula. Entre ellos, los conceptos que afectan a la Física son los de: (I) Estructura y función (la aplicación de leyes y modelos físicos puede ayudar a comprender esa relación, a diferentes escalas, desde el nivel molecular al de organismos y ecosistemas). (II) Almacenamiento, intercambio y flujo de información (la modelización de los mecanismos de regulación, homeostasis y transducción de señal requiere la comprensión del concepto físico de información y la utilización de herramientas físico-matemáticas). (III) Transformaciones de energía y materia (la dinámica de crecimiento y funcionamiento de los seres vivos, a todos los niveles, así como el mismo fenómeno del origen y evolución de la vida están regidos por las leyes de la Termodinámica). 

 

En cuanto a las competencias clave, la física es fundamental para algunas de ellas y muy útil para las demás. Resaltaremos en especial las capacidades para: (I) utilizar el razonamiento cuantitativo, (II) usar la modelización y simulación, (III) participar en el proceso interdisciplinar de la ciencia, (IV) comunicarse y colaborar con otras disciplinas. Todas estas capacidades requieren un acercamiento al lenguaje y la metodología de las otras ciencias básicas y en particular de la Física.

 

Ese es el contexto en el que se está produciendo la reforma de la asignatura de Física (Introductory Physics Life Sciences /IPLS) en sus majors in Life Sciences. Numerosas iniciativas sobre cómo “reinventar” la enseñanza de la Física para esos grados y propuestas concretas de cursos IPLS convergieron en dos congresos nacionales, ambos en 2014, sobre la educación en la frontera física-biología5 y sobre la reforma de los IPLS6 . El informe final de este último recopila y ordena la mayoría de las publicaciones hasta el año 2015.

 

En el Espacio Europeo de Educación Superior no hemos logrado encontrar un debate general que pudiera orientar sobre el papel que los biólogos europeos asignan a las ciencias básicas en la formación de los graduados. Parece que cada universidad hace lo que quiere o puede. La mayoría de los grados en Biología son de tres años (180 ECTS), y solamente un pequeño grupo, aunque significativo entre las 50 mejor clasificadas (ranking QS 2016 en Ciencias Biológicas), asigna a las ciencias básicas (matemáticas, física, química) un espacio igual o superior al 20%. En Europa, la integración de la Biología con otras disciplinas científicas parece reservarse al nivel de posgrado a través de cursos de máster o de doctorado con un fuerte componente de investigación. 

 

En España, la proporción asignada a las ciencias básicas es aún más baja, a pesar de que los grados en Biología tienen 240 ECTS. Solamente una universidad (Autónoma de Madrid) les asigna más del 10% de los créditos del grado; y son muy pocas las que conceden a la Física más de seis créditos (2,5%).

 

Consideramos, en línea con el espíritu que ha animado las reformas en Estados Unidos, que la Física y las Matemáticas no deberían tener un papel meramente instrumental en la Biología de hoy, sino que esas dos ciencias deben participar en la formación del marco conceptual y de razonamiento en el estudiante, desde los niveles más básicos. 

 

¿En qué medida se podrían aplicar las recomendaciones de la comunidad académica norteamericana sobre los IPLS a la Física de un grado concreto de una universidad española que las quisiera adaptar?, ¿hasta qué punto el profesor (o profesores) de la asignatura podría hacerlo con el único apoyo de su departamento? Responder a esas preguntas y reclamar ese debate en la universidad española constituyen los propósitos de un proyecto: Introductory Physics Life Sciences for BSc Biology in Spain, cuyas principales conclusiones resumimos en este artículo.

 

LA FÍSICA ADECUADA PARA UN GRADO ESPAÑOL EN BIOLOGÍA: ¿OBJETIVO PRINCIPAL? ¿ESTRATEGIA PEDAGÓGICA?

Subrayan los académicos norteamericanos que no existe un modelo de IPLS que se ajuste a todos los contextos, que la opción más adecuada dependerá del plan de estudios y sus circunstancias; y recomiendan dialogar con los biólogos. A la hora de impartir la asignatura señalan dos posibles estrategias pedagógicas: “ir de la física a la biología” o “ir de la biología a la física”. La primera es la mayoritaria; aunque algunos defienden la segunda (top-todown), la que se inicia describiendo el proceso biológico a analizar y recurre luego a la física (y a la matemática) necesaria para explicarlo (ver por ejemplo el artículo relativo al IPLS que se imparte en la Universidad de Minnesota y en el Swarthmore College de Pensilvania7 ).

 

Entonces, ¿cómo debería ser un curso introductorio de fí- sica para un grado español en biología (que en adelante denominaremos IPLS-Spain) adecuado a nuestras particulares circunstancias? ¿Y cuáles son esas circunstancias? En nuestra opinión hay dos que, por afectar a la formación de los estudiantes que ingresan en el grado, serán determinantes en el éxito o fracaso de la asignatura: (I) es mayoritaria la idea de que la física tiene escasa utilidad para la biología; (II) son minoría los estudiantes de biología que en 2º de bachillerato cursaron física (y matemáticas), debido no pocas veces a un rechazo hacia lo cuantitativo. Ambas circunstancias generan una “barrera mental” respecto de la física en la mayoría de los estudiantes que inician el grado, barrera que les dificulta enormemente aprender física. Desmontar esa barrera nos parece por ello un primer paso imprescindible, si no el principal objetivo de la asignatura. En esa línea, hemos llegado a la conclusión de que mientras que la primera estrategia, de la física a la biología, tiende a reforzar la barrera, la segunda, de la biología a la física, es efectiva ayudando a desmontarla porque estimula claramente el esfuerzo que ello supone para el alumno. 

 

 

LA "EXPERIENCIA FÍSICA" EN EL GRADO EN BIOLOGÍA SANITARIA DE LA UAH: UN ENSAYO PILOTO

La experiencia de la asignatura Física a lo largo de cinco cursos (2010-11 a 2014-15) en el grado en Biología Sanitaria de la Universidad de Alcalá ha resultado ser, sin pretenderlo, un ensayo preliminar sobre la viabilidad en España de la componente básica de nuestra propuesta IPLS-Spain (ver epígrafe siguiente). Definido el objetivo central de aprendizaje (comprender cómo la física contribuye a responder a preguntas importantes de la biología), se diseñó una asignatura que trataba de conjugar coherencia biológica con coherencia física y que se ajustara a sus 6 ECTS. Los criterios generales fueron:

 

Temporalización (ver tabla debajo): (I) se priorizó el análisis de procesos biológicos sobre el estudio de aplicaciones tecnológicas, y (II) se dio bastante peso a la parte experimental.

 

Contenidos: En la parte teórica, (I) se realizó una (cuidadosa) selección de procesos biológicos en los que estuviera clara la física subyacente, fuera sencilla la matemática necesaria, interesaran a diferentes áreas de la biología, aunque priorizando la orientación del grado (sanitaria), y quedaran vertebrados en un discurso coherente de física (termodiná- mica y vida, biomecánica, bioelectricidad, biorradiaciones y óptica aplicada); (II) para ilustrar la importancia para la biología de las aplicaciones tecnológicas se eligió la microscopía (óptica y electrónica). En la parte experimental se insistió básicamente (I) en el concepto de error y (II) en la utilización de modelos para su cálculo en medidas indirectas (véase el epígrafe siguiente para más detalles).

 

La estrategia pedagógica fue evolucionando con los años hacia la forma top-to-down, quedando en un punto intermedio. Además, desde el principio se alentó y valoró el debate entre alumnos, tutorizado por el profesor. La evaluación continua, prolongada hasta la convocatoria extraordinaria resultó ser otro estímulo fundamental.

 

El análisis de la experiencia, que publicaremos próximamente, permite concluir que la mayoría de los alumnos logró desmontar su barrera mental respecto de la física, a pesar de que solamente un pequeño porcentaje (≈20%) había cursado física en 2º de bachillerato; y que ese objetivo se puede lograr (en cuatro meses) si el alumno tiene el suficiente estímulo y el profesor muestra un interés claro por la biología. Aunque también debe señalarse que la alta nota de corte de ese Grado en esos años (entre 11.0 y 11.8) debió tener influencia en el resultado. No obstante, un programa más reducido, como recomienda Vision and Change “a todas las asignaturas”, pudiera ser suficiente para lograr el objetivo en grados con alumnos “promedio”. En ese sentido, una opción podría ser suprimir los contenidos relativos a las aplicaciones tecnológicas de la física (microscopía, en este caso), si los fundamentos de esas (u otras) tecnologías se impartieran en las asignaturas del grado en las que se aprende a utilizarlas y/o se utilizan. 

 

 

PROPUESTA "IPLS-SPAIN" PARA UN GRADO ESPAÑOL EN BIOLOGÍA (DOS ASIGNATURAS)

Estamos de acuerdo con los académicos norteamericanos cuando señalan que el objetivo prioritario de un IPLS debería ser comprender cómo se construye conocimiento en la frontera entre la biología y la física, integrando ambas perspectivas; pero este objetivo no nos parece alcanzable con suficiente profundidad en el tiempo asignado a la asignatura en los grados españoles en biología, teniendo en cuenta además la “barrera mental” respecto de la física a la que nos hemos referido anteriormente. ¿Qué hacer entonces?

 

Una posibilidad, que no requeriría grandes cambios académicos ni administrativos respecto de la situación actual, sería hacerlo en dos etapas (asignaturas); una obligatoria y otra optativa. La primera sería análoga a la que actualmente se imparte en el primer curso del grado y debería tener como objetivo primordial que el futuro biólogo abra su mente a la perspectiva que la física puede y debe aportarle. 

 

Una vez conseguido el objetivo de superar la barrera que supone la Física (para la mayoría de los alumnos), proponemos una asignatura optativa de 6 ECTS, a impartirse en el tercer o cuarto curso, ofrecida a alumnos interesados en la investigación o en otras salidas profesionales que demanden trabajar en equipos multidisciplinares. La orientación que nos parece más pertinente para ese objetivo es la de una asignatura interdisciplinar impartida por una o varias parejas físico-biólogo. Hoskinson et al., un equipo de biólogos y físicos, publicaron en 2014 una interesante reflexión sobre la pedagogía adecuada a una asignatura de este tipo8 . En universidades con grados en Biología y en Física podría ofrecerse en ambos grados, lo que permitiría formar parejas mixtas de estudiantes para realizar prácticas y trabajos. Esta opción “interdepartamental” se facilitaría si el diálogo entre profesores, físicos y biólogos, hubiera comenzado consultando el diseño de la asignatura básica. Y parece obvio que su éxito como optativa dependería en gran medida de la motivación lograda en los alumnos a partir de la obligatoria. 

 

El esquema de nuestra propuesta IPLS-Spain es el siguiente (Ver gráfico debajo):

 

¿QUÉ CRITERIOS UTILIZAR PARA ELEGIR LOS CONTENIDOS DE LAS DOS ASIGNATURAS? PARTE EXPERIMENTAL

Antes de elegir los contenidos teóricos será necesario decidir el peso de la parte experimental, que dependerá de sus objetivos de aprendizaje. ¿Debe dirigirse el laboratorio a comprensión conceptual, a desarrollar destrezas experimentales o a ambos objetivos? El informe de la 2014 IPLS Conference señala que las prácticas de laboratorio de los IPLS tradicionales no resultan apropiadas y que el laboratorio de un curso IPLS “puede proporcionar la práctica para diseñar experimentos que respondan a una pregunta sobre la física de un sistema vivo y para cuantificar procesos físicos en un sistema biológico”.

 

Para la asignatura básica, que cursarían alumnos (la mayoría) sin experiencia previa en laboratorio, parecen razonables los objetivos de la Física BIOSAN (véase epígrafe anterior). Esos objetivos de aprendizaje coinciden además con los básicos recomendados por la Asociación Americana de Profesores de Física (AAPT) para un laboratorio introductorio de Física en la universidad9 . No obstante, sería deseable vincular también las prácticas a procesos cercanos a la biología (flujo de un fluido viscoso, difusión a través de una membrana…). 

 

El diseño de la asignatura optativa debería realizarse teniendo en cuenta los contenidos de la obligatoria. Es difícil concretar más, aunque sería necesaria, eso sí, la colaboración de físicos y biólogos en la docencia experimental, así como muy recomendable la utilización de equipos de algún laboratorio de Biología.

 

 

CONTENIDOS TEÓRICOS

Los tres “conceptos vertebradores” propuestos por Vision and Change que afectan a la Física, señalan un primer criterio para elegir los contenidos teóricos: (I) Estructura y función, Transformaciones de energía y materia, Almacenamiento, intercambio y flujo de información. Las recomendaciones de la 2014 IPLS Conference señalan dos criterios más: (II) la diversidad de la Biología, y (III) la selección de aquéllas áreas de la Física más necesarias para los biólogos. Y la experiencia Física BIOSAN sugiere un cuarto criterio, prioritario en nuestra opinión para la asignatura básica y probablemente también para la complementaria: (IV) la elección de procesos biológicos en los que el fundamento físico esté especialmente claro y el modelo físico para analizarlo requiera una matemática sencilla. 

 

SOSTENIBILIDAD DE LA REFORMA DE UN IPLS: APOYOS Y RECURSOS NECESARIOS

Supongamos que, con la participación de algunos biólogos y con un esfuerzo razonable, se ha logrado la reforma de un IPLS ¿Será sostenible? 

 

La 2014 IPLS Conference subraya dos aspectos: (I) adecuar las evaluaciones (a los alumnos) a los objetivos de aprendizaje y (II) trabajar con físicos de otras universidades para intercambiar experiencias y soluciones. Pero Catherine Crouch y Ken Heller, dos físicos muy activos en la reforma IPLS advierten de otro factor importante a tener en cuenta a la hora de diseñar el curso: “incluso si la reforma tiene éxito, para que su aplicación sea sostenible se requiere que la mayor parte de los profesores estén dispuestos a impartirlo… lo cual pasa porque consideren que se puede asumir sin un esfuerzo excesivo. Eso exigirá diversos compromisos en el diseño del curso, así como materiales de apoyo adecuados para el profesor”7 .

 

Disponer de los recursos adecuados (para enseñar en la intersección entre física y ciencias de la vida) ha sido un tema recurrente en los congresos citados5,6.: infraestructuras, materiales curriculares nuevos (libros de texto, actividades de clase, modelos de problemas y exámenes, etc.) y equipos para nuevos laboratorios. La mayoría de los asistentes a la 2014 IPLS Conference acudió en busca de orientación y de ayuda; y la última de sus conclusiones dice “reformar un IPLS no resulta un proceso fácil; es necesaria una comunidad de académicos interesados”. De hecho, más allá de los debates, crear esa comunidad fue el principal propósito de dicho congreso.

 

¿Cómo saber si en España es viable un espacio que facilite el diálogo entre físicos, biólogos y educadores involucrados o interesados en el papel de la Física en la formación de los futuros biólogos; y también entre profesores y estudiantes?, ¿dónde ubicarlo?, ¿por dónde comenzar?

 

RESUMIENDO: UNA PROPUESTA PARA EL DIÁLOGO Y UNA INVITACIÓN A LA ACCIÓN

Al plantear nuestra propuesta no somos ingenuos. Sabemos que una universidad compartimentalizada no es la más idónea para formar profesionales con mente interdisciplinar. Sabemos que, en España, los físicos que trabajan en áreas biológicas son relativamente pocos; que para impartir la física de primero “sirve cualquier profesor”; y que asumir las recomendaciones de Vision and Change supondría un esfuerzo adicional en su “carga docente”. También sabemos que, hoy por hoy, son los menos los biólogos que utilizan regularmente la física y las matemáticas. Aunque nos consta que los hay, físicos y biólogos.

 

Y sobre todo, pensamos que el viento sopla en la dirección que señaló el profesor Varmus. La sociedad necesita, con urgencia, biólogos con una formación más “cuantitativa” capaces de trabajar con fluidez en equipos multidisciplinares, como los que actualmente están abriendo nuevas esperanzas para todos. Y los biólogos adecuadamente formados tendrán (tendremos) cada vez mayores oportunidades, tanto en tareas investigadoras como en otros ámbitos donde se buscan soluciones a complejos desafíos del mundo actual. También necesitamos mejorar la formación de los futuros profesores de Secundaria, donde se comienza a construir la barrera mental “hacia lo cuantitativo” en los estudiantes atraídos por las ciencias de la vida. Sabemos que es difícil, pero pensamos que es necesario y que por eso es urgente que la Universidad asuma el cambio de paradigma en su manera de formar a los biólogos. 

 

IPLS-Spain es una propuesta que pretende sumar, enriquecer el Grado en Biología y también el de Física. Dialogar (con biólogos, con otros físicos, con educadores…) y sumar son las dos guías del camino que sugerimos a quien pudiera interesarle. Además de eso, el equipo de este Proyecto pretende abrir una web piloto. Aunque nuestras fuerzas son limitadas, la receptividad a este artí- culo dará pistas sobre el interés que despierta en nuestro país el problema de las complejas al tiempo que apasionantes relaciones entre Física y Biología, y nos permitirá valorar la pertinencia de las propuestas realizadas.

 

 

La frontera entre la Física y la Biología es muy amplia y son múltiples los posibles niveles de actuación para lograr derribar la histórica barrera. Nuestro proyecto es solamente un pequeño grito en el cielo, una llamada a profesores y a estudiantes interesados en esa frontera para explorar la posibilidad de abrir un espacio de diálogo y apoyo mutuo. Y un llamamiento también a responsables institucionales de universidades y sociedades científicas (colegios profesionales de físicos y biólogos, la Real Sociedad Española de Física, las Sociedades Españolas de Biología…) para que tomen iniciativas que ayuden a resolver este importante reto de la Biología (y de la Física) del siglo XXI. 

 

AGRADECIMIENTOS

Las propuestas que aquí se hacen han sido elaboradas por un equipo reunido con ese propósito e integrado por tres fí- sicos senior y diez biólogos junior (cinco estudiantes de posgrado y cinco de grado). Nuestras conclusiones previas fueron debatidas con tres biólogos y tres físicos involucrados en la formación de futuros biólogos, ayudándonos a matizarlas: Jesús Pérez Gil (bioquímico y biofísico UCM), Leonardo Cassano Maza (fisiólogo vegetal UAH), Begoña Fernández Calvin (genetista UAM) y los físicos Fernando Cussó Pérez (UAM), Miguel A. Hidalgo Moreno (UAH) y M. Cruz de Andrés García (UCM). A todos ellos agradecemos sus aportaciones y su apoyo al Proyecto. No obstante, lo que aquí proponemos es de nuestra exclusiva responsabilidad.

 

PARA SABER MÁS

1. Varmus H (1999). The impact of physics on biology and medicine. APS Centennial Meeting, Atlanta. Physics World, 12, 9, 27-31.

2. National Research Council, Bio2010: Transforming Undergraduate Education for Future Research Biologists (The National Academies Press, Washington, DC, 2003), http://www.nap.edu/catalog.php?record_ id=10497.

3. National Research Council. A New Biology for the 21st Century (The National Academies Press, Washington, DC, 2009), http://www.nap. edu/catalog/12764/a-new-biology-for-the-21st-century

4. Vision and Change in Undergraduate Biology Education: A Call to Action, edited by Carol A. Brewer and Diane Smith (AAAS, Washington DC, 2011), http://visionandchange.org/finalreport/

5. Gordon Research Conference on Physics Research and Education, The Complex Intersection of Biology and Physics (South Hadley, MA, 2014), https://www.grc.org/programs.aspx?id=12967.

6. Conference on Introductory Physics for the Life Sciences Report, AAPT (College Park, MD, 2015), http://www.compadre.org/IPLS/ documents/IPLS-Final-Report.pdf

7. Crouch CH, Heller K (2014). Introductory physics in biological context: An approach to improve introductory physics for life science students. Am J Phys. 82, 378-386.

8. Hoskinson AM, et al. (2014). Bridging Physics and Biology Teaching through Modeling. Am J Phys, 82, 5, 434-441.

9.The AAPT Recommendations for the Undergraduate Physics Laboratory Curriculum, 2014, http://www.aapt.org/Resources/upload/LabGuidlinesDocument_EBendorsed_nov10.pdf.


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