Virtual Laboratory of Paper-Based Microscale Galvanic Cells: An Exploratory Environment for Analytical Deduction

Description

This web-based interactive simulation of a multiple galvanic cell is designed for inquiry-based learning in undergraduate General Chemistry. The application runs directly in any web browser on both desktop and mobile devices via its URL, requiring no installation. Students are challenged to determine the identity of four anonymous electrodes belonging to a known set of metals based on their relative redox behavior and the standard cell potential readings obtained through interaction with the simulator. This Digital Learning Object (DLO) bridges macroscopic observations, such as voltage measurement, with submicroscopic phenomena by visualizing electron flow and counter-ion migration through the salt bridge. The simulation features a realistic voltmeter display with progressive value stabilization and interactive red and black test leads; on desktop, these leads replace the mouse cursor for dynamic tracking, whereas on mobile devices, they adapt to touch inputs by attaching directly upon electrode selection, seamlessly simulating physical contact during measurement.

The simulation offers two distinct modes of use. "Practice Mode", aimed at conceptual learning and consolidation, includes optional visual aids that students can toggle based on their desired level of autonomy. These aids include anode and cathode labeling upon connection, as well as the representation of electron flow and ionic migration from the salt bridge. In "Challenge Mode", this scaffolding is disabled, and an additional completely unknown metal (X) is introduced, whose position in the electrochemical series is not provided.This scenario requires the retrieval of tabulated standard reduction potentials and the calculation of cell potentials to solve the problem, fostering active and planned procedural inquiry.

Additionally, the arrangement of electrodes within the multi-cell setup is randomly generated in each execution, allowing for new versions of the problem to be solved. Modeled after the validated green chemistry framework of paper-based microscale galvanic cells, this DLO serves as a robust resource for flipped classroom models, remote laboratory experiences, or as a cognitive reinforcement prior to conventional wet-lab practices. 

Descripción

Simulación web interactiva de una celda voltaica múltiple, diseñada para el aprendizaje por indagación en electroquímica y quimica general universitaria. Este desarrollo se ejecuta directamente en cualquier navegador web, tanto en dispositivos de escritorio como móviles a través de su URL, sin requerir instalación. El desafío para los estudiantes consiste en determinar la identidad de cuatro electrodos anónimos pertenecientes a un conjunto conocido de metales, basándose en su comportamiento redox relativo y en las lecturas de potencial estándar de celda obtenidas mediante la interacción con el simulador. Este objeto digital de aprendizaje (ODA) permite vincular observaciones macroscópicas, como la medición de voltaje, con fenómenos submicroscópicos, mediante la visualización del flujo de electrones y la migración de contraiones a través del puente salino. La simulación cuenta con una pantalla de voltímetro con estabilización progresiva de los valores y terminales de prueba interactivos (rojo y negro); en entornos de escritorio, estos terminales reemplazan al cursor del mouse para un seguimiento dinámico, mientras que en dispositivos móviles se muestran directamente al seleccionar el electrodo, simulando de manera fluida el contacto físico durante la medición.

La simulación ofrece dos modos de uso diferenciados. En el "modo práctica", orientado al aprendizaje y consolidación conceptual, se incluyen ayudas visuales opcionales que el estudiante puede activar o desactivar según el nivel de autonomía buscado. Estos complementos visuales consisten en el etiquetado de las mediaceldas como ánodo y cátodo tras establecer la conexión, junto a la representación del flujo de electrones entre las mediaceldas y la migración iónica hacia estas desde el puente salino. En el "modo desafío", este andamiaje se desactiva y se introduce un metal adicional desconocido (X), cuya posición en la serie electroquímica no se proporciona. Este escenario requiere la búsqueda de potenciales de reducción estándar tabulados y el cálculo de potenciales de celda para resolver el problema, promoviendo una indagación procedimental activa y planificada.

Además, la disposición de los electrodos dentro del montaje multicelda se genera de forma aleatoria en cada ejecución, lo que permite resolver nuevas versiones del problema. Modelado bajo el marco validado de la química verde de celdas galvánicas a microescala en papel, este ODA constituye un recurso robusto para modelos de aula invertida, experiencias de laboratorio remoto o como refuerzo cognitivo previo a las prácticas convencionales de laboratorio húmedo tradicional.