Concepciones de los alumnos sobre el enlace químico antes, durante y después de la enseñanza formal : problemas de aprendizaje

INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 227 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2), 227-245 CONCEPCIONES DE LOS ALUMNOS SOBRE EL ENLACE QUÍMICO ANTES, DURANTE Y DESPUÉS DE LA ENSEÑANZA FORMAL. PROBLEMAS DE APRENDIZAJE DE POSADA, JOSÉ MARÍA Delegación de Educación y Ciencia de Málaga. Junta de Andalucía. C/ Abandola, Ed. Sta. Elena, 5º A1. 29700 Vélez-Málaga (Málaga). E-mail: [email protected]. SUMMARY This paper describes the BUP and COU students’ ideas (15-18 years old) about the continuity/discontinuity, atomic/ molecular conception, nature of the intramolecular and intermolecular bonds, as the notions of lattice and ion. The results show that the students’ idea of continuity in gases declines when the students’ academic level increase. The school succeeds in transmitting a molecular view of some substances. Nevertheless, students do not grasp the nature of the covalent bond. The molecular structure is more utilized than the lattice in the academic levels analyzed. The concept of ion and ionic lattice are not easily learned by the students. In this paper we point out some reasons that could explain these facts. Then we comment on some didactic implications that could help to overcome these obstacles. INTRODUCCIÓN El aprendizaje es un proceso mediante el cual nuevos conocimientos son asimilados dentro de la estructura conceptual del que aprende. El modelo de cambio conceptual y la perspectiva constructivista indican que el aprendizaje con comprensión real ocurre cuando el que aprende construye y transforma activamente sus propios significados, y no cuando adquiere y acumula pasivamente conocimientos que se le transmiten (Driver et al., 1994; Posner et al., 1982). De esta forma, el aprendizaje envuelve una construcción personal y una negociación social de los significados entre los miembros de la comunidad (Cobb, 1990; Shepardson, 1996). Ausubel, Novak y Hanesian (1983) indican que el conocimiento es estructurado en forma de red específica de conceptos. Distinguen entre aprendizaje rutinario (memorístico) y aprendizaje significativo. Este último se produce cuando el nuevo conocimiento es relacionado por el que aprende con otros conceptos relevantes dentro de su propia estructura cognitiva. Los conceptos de mayor nivel de generalidad y poder inclusivo, que van a permitir la incorporación de nuevos conocimientos a la estructura cognitiva, son denominados organizadores. Vygotsky (1962) afirma que el dominio de los conceptos científicos por los sujetos promueve en ellos un aumento del nivel de los conceptos espontáneos. También indica que un concepto espontáneo debe evolucionar hasta alcanzar un determinado nivel para que el sujeto pueda adquirir un concepto científico afín. Se han realizado trabajos con la finalidad de averiguar cuáles son las concepciones de los alumnos sobre la INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 228 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) estructura de la materia. Esos estudios han puesto de manifiesto la gran dificultad que tienen los estudiantes para explicar la naturaleza de las sustancias y algunos de sus cambios observables (Stavy, 1988; Bar, 1989). Los problemas aumentan cuando tienen que justificar estas transformaciones desde el punto de vista atómico (Novick y Nussbaum; 1978, 1981; Furió y Hernández, 1983, 1987; Brook et al., 1984; Nussbaum, 1985; Llorens, 1988; 1991; Gentil et al., 1989; Chastrette y Franco, 1991; Haidar y Abraham, 1991; Iglesias, et al., 1990; Abraham, et al., 1992; Griffiths y Preston, 1992; Benson, et al., 1993; Lee, et al., 1993; Lonning, 1993; Fellows, 1994; Ginns y Watters, 1995; Borsese, et al., 1996; Watts y Taber, 1996). Otro aspecto que ha merecido la atención es la forma que tienen los estudiantes de representar químicamente las sustancias (Bueso, et al., 1987; Keig y Rubba, 1993). Sin embargo, pocos trabajos han estudiado las concepciones de los estudiantes sobre el enlace químico. Peterson y otros (1989a, 1989b) evaluaron los conocimientos académicos de alumnos de 16 y 17 años de edad sobre el enlace covalente y su estructura. Algunos de los errores conceptuales encontrados fueron: a) El 23% de los alumnos no consideraba la influencia de la electronegatividad y la desigual compartición del par de electrones en el enlace polar. b) El 27% de los alumnos ven en la polaridad del enlace un factor que influye en la geometría de moléculas como NBr3 y COCl2. c) Las fuerzas intermoleculares fueron confundidas con las fuerzas dentro de una molécula por un 23% de los estudiantes. d) El 33% consideró como fuerzas intermoleculares las existentes dentro de una red covalente. Dumon y Merlin (1988) evaluaron los conocimientos sobre orbitales moleculares en estudiantes universitarios de ciencias químicas. Algunos de los resultados fueron: a) La definición de orbital molecular no es bien entendida. b) El método CLOA (combinación lineal de orbitales atómicos) parece bien recordado por los alumnos. c) Son comprendidas las relaciones entre función de onda y función matemática y, por otro lado, nivel de energía y estado del electrón. Caamaño y Casassas (1987) encontraron que: a) La mitad de los estudiantes de 16 años no reconocía como elementos sustancias simples formadas por moléculas. b) Un 40% de los estudiantes identificó como moleculares estructuras gigantes. c) Un elevado porcentaje asoció la valencia de un elemento con el subíndice del elemento con el que se combina; sin duda, influidos por el método con el que se les ha enseñado a formular. c) La mayoría de los alumnos no sabía calcular el número de enlaces que se rompen y se forman en una reacción química. De Posada (1993a) pasó un cuestionario abierto en el que una de las cuestiones requería de los estudiantes de 15 a 17 años de edad razonar sobre las causas que originan las diferencias en los puntos de fusión de las sustancias. Los alumnos de 2º de BUP (15 años de edad), antes de abordar formalmente los estudios de química pero con nociones previas sobre el enlace químico, daban fundamentalmente razones macroscópicas como la naturaleza o composición del material, densidad, calor específico, etc. Sólo el 10% aducía explicaciones relacionadas con los átomos y tan sólo el 1% hacía referencia a la fuerza con que se atraen éstos entre sí; los restantes mencionaban la disposición de los átomos y la composición molecular. El 61% de los alumnos de 3º de BUP (16 años) y el 85% de COU (17 años) hacían referencia casi exclusivamente al enlace químico en sus argumentaciones atómicas. Boo (1998) indica que los estudiantes de química de 17 años de edad encuentran grandes dificultades para relacionar los cambios energéticos de las reacciones químicas con los enlaces rotos y formados. También menciona las dificultades de los estudiantes para distinguir entre los diferentes tipos de enlaces. La unidad del enlace químico es introducida en los nuevos currículos de los alumnos de 14 a 15 años de la secundaria obligatoria y posteriormente es profundizada en el bachillerato científico o tecnológico (alumnos de 16-17 años). Para numerosos investigadores, este concepto es considerado crucial dentro de la química (Benfey, 1965; Allinger, et al., 1979; Paoloni, 1979; Langmuir 1921, recogido en Jensen, 1984; Solbes y Vilches, 1991; Pauling, 1992; entre otros). Podría ser catalogado como concepto estructurante según la terminología epistemológica de Gagliardi y Giordan (1986). Si esta hipótesis es correcta –todo parece indicarlo–, sería necesario un adecuado conocimiento de la estructura de la materia y del enlace químico para desarrollar con éxito otras partes de la química o incluso de la biología (Lawson, et al., 1993; Mondelo, et al., 1994). Una vez aceptadas estas premisas, la cuestión podría formularse en términos más próximos a la psicología cognitiva de la siguiente forma: ¿se está consiguiendo en los alumnos aprendizaje significativo con la unidad del enlace químico? OBJETIVOS En nuestra opinión, el conocimiento de los alumnos de carácter más personal relacionado con el enlace químico no ha sido suficientemente estudiado aún. Se hace necesario analizar, en relación con el que aprende, los siguientes aspectos, antes, durante y después de haber sido expuestos con métodos de la enseñanza tradicional: – Concepciones más características de los alumnos con relación a las sustancias moleculares. – Concepciones típicas de los alumnos en relación con las sustancias iónicas. – ¿Qué uso hacen los estudiantes de la teoría de enlace para interpretar fórmulas químicas simples que encuentran en sus textos y explicaciones en clase? Del análisis anterior se pueden realizar las siguientes inferencias de índole psicopedagógica: INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) 229 – La evolución que sufren las posibles concepciones alternativas de los alumnos en la fase 15 a 17 años. – Realizar algunos contrastes entre la evolución de las concepciones de los alumnos y el análisis de libros de texto de los cuales obtener información para analizar el proceso de enseñanza-aprendizaje en relación con los tópicos abordados. METODOLOGÍA Hemos utilizado, en este estudio, cuestionarios y grabaciones de situaciones de clase. Serán discutidas de forma separada. La naturaleza de este estudio es exploratoria (Taylor y Bogdan, 1986); por consiguiente, el método de recolección de datos es inductivo y el análisis de los mismo es semicualitativo e inductivo-deductivo. Cuestionario El cuestionario para alumnos fue confeccionado siguiendo un protocolo (De Posada, 1997). Construimos un mapa conceptual (Novak y Gowin, 1984) que contenía los conceptos más importantes que los alumnos de 2º de BUP (15 años) a COU (17 años) debían tener sobre la naturaleza de las sustancias moleculares e iónicas. Del mapa conceptual obtuvimos frases que se refieren a áreas conceptuales (Tabla I). Posteriormente confeccionamos sobre estas áreas numerosas cuestiones de carácTabla I Área conceptual. 1. Concepción atómica de la materia 2. Concepto de átomo, ion y/o molécula en cada caso 3. Estabilidad/inestabilidad de los átomos, iones y/o moléculas 4. Naturaleza del enlace covalente apolar y/o polar 5. Estructura de ciertas moléculas 6. Estructura interna de los gases 7. Estructura interna de un compuesto cristalino 8. Estructura interna de un metal 9. Relación entre enlace químico y tipo de estructura interna 10. Relación entre fórmula química y estructura interna 11. Fuerza entre iones en sólidos iónicos 12. Estabilidad de las redes metálicas 13. Fuerzas intermoleculares en compuestos con enlace covalente polar 14. Fuerzas intermoleculares en compuestos con enlace covalente apolar Tabla II Categorías de actividades científicas (APU, 1984). 1. Uso de gráficos 1.1. Lectura de información de gráficos, tablas, mapas y representaciones simbólicas y figuras simbólicas 1.2. Representar información en forma de gráficos, tablas, mapas y figuras simbólicas 2. Uso de aparatos e instrumentos 2.1. Uso de instrumentos de medida de medida 2.2. Estimación de cantidades físicas 2.3. Seguimiento de instrucciones en trabajos prácticos 3. Observación 3.1. Realizar e interpretar observaciones 4. Interpretación y aplicación 4.1. Interpretación de observación presentada 4.2. Aplicación de conceptos 5. Planificación de investigaciones 5.1. Planificación de parte de la investigación 5.2. Planificación total de la investigación 6. Ejecución de investigaciones 6.1. Ejecución total de la investigación – La naturaleza de las principales concepciones que traen consigo antes de comenzar el estudio formal de esta materia. – El modo en que son interiorizados los nuevos conceptos y cómo se organizan en la mente de los estudiantes. – Qué conceptos básicos son difíciles de asimilar y qué causas pueden existir para ello. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 230 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) ter totalmente abierto que solicitaban de los alumnos respuestas escritas y dibujos. Se realizó un pretest con estas cuestiones aplicándolas a pequeños grupos de alumnos para comprobar si eran satisfactorias o no. Era importante que los estudiantes supieran qué se les estaba preguntando, lo cual no implicaba necesariamente que los alumnos supieran las respuestas. Esta fase nos ayudó a corregir errores y desechar algunas cuestiones. Presentamos en este trabajo tres cuestiones relacionadas con la naturaleza de las sustancias moleculares e iónicas (Anexo). De acuerdo con Novak (1977), el aprendizaje significativo tiene ventajas sobre el aprendizaje rutinario. La retención de la información perdura por más tiempo y pueden producirse intensos cambios que continúan vigentes incluso después de que hayan sido olvidados detalles concretos. Para Donn (1989), los que aprenden de forma significativa responden a problemas nuevos autocuestionándose, relacionando y elaborando ideas. Por el contrario, los que aprenden de forma rutinaria responden exponiendo definiciones, sin poder extrapolar sus concepciones. Como no nos interesaban las respuestas rutinarias y sí el conocimiento aprendido significativamente, decidimos pasar el cuestionario a los estudiantes entre uno y dos meses después de haber sido abordado el tema de enlace químico en el currículo. Este tiempo es superior al de otras investigaciones anteriores (Cavallo y Schafer, 1994; Garnett y Treagust, 1992). Con la finalidad de inhibir respuestas rutinarias, dos de las cuestiones desarrolladas no eran del mismo tipo que las utilizadas en las clases habituales para evaluar el conocimiento académico. Numerosos investigadores han puesto de manifiesto que las concepciones de los alumnos son altamente dependientes de las tareas planteadas (Piaget, 1972; Driver y Erickson, 1983; Stavy, 1988; Driver, 1988; Song y Black, 1991; entre otros). Cuestiones que aparentemente son parecidas, para los investigadores, son contempladas de forma muy diferente por los estudiantes, por lo que se hace necesaria la identificación cuidadosa del perfil de las mismas. Conviene distinguir, al menos, tres dimensiones: – Identificación del área conceptual evaluado a través de la cuestión (Tabla I). – Procesos científicos envueltos en la tarea (Tabla II). Utilizaremos las categorías de actividades científicas (APU, Assessment of Performance Unit, 1984), aunque somos conscientes de que ello no constituye una taxonomía pormenorizada. – Contexto (abstracto o concreto) en el que es colocada la cuestión. Una situación concreta es aquélla en la que los conceptos son aplicados a objetos del mundo real y es percibida así por los estudiantes. En la situación abstracta, por el contrario, se aplican conceptos sin relación a objetos reales. Al tener en cuenta estas tres dimensiones para cada cuestión, obtenemos el perfil que se recoge en la tabla III. Las dos primeras pueden ser calificadas propiamente como cuestiones, pero la tercera constituye más bien un problema a resolver por la gran cantidad de esquemas implicados y el número de decisiones que han de tomar nuestros alumnos al intentar imaginar la estrutura de las sustancias en las ecuaciones químicas planteadas. El uso de dibujos en proyectos de investigación constituye un método válido para llegar a descubrir las concepciones de los alumnos. Para algunos investigadores, los niños no intentan reflejar la realidad tal como la ven sino que realizan su propia transcripción simbólica (Detienne, en Giordan y Vecchi, 1988). Ya en la adolescencia intentan acercarse más a la realidad. Esta técnica puede convertirse en una herramienta que supla las dificultades lingüísticas de algunos alumnos en un intento de exponer sus propias concepciones, en especial relacionadas con la naturaleza de la materia (De Vos y Verdonk, 1996). Las técnicas cualitativas producen un gran volumen de datos, a veces bastante dispersos. El método de análisis cualitativo propuesto por Bliss, Monk y Ogborn, (1983) hace uso de redes semánticas y resulta de gran ayuda en Tabla III Descripción del perfil de cada una de las cuestiones. Cuestión Actividad científica (Tabla II) Área conceptual (Tabla I) Contexto 11.2 4.2 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 14. Concreto 21.1 4.2 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 14. Abstracto 31.1 1.2 4.1 4.2 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, Abstracto 11, 12, 13, 14. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) 231 el análisis de las respuestas escritas y dibujos obtenidos de los estudiantes. Grabaciones de situaciones de clase Éste fue otro de los métodos utilizados en este estudio. Posteriormente las grabaciones fueron transcritas al papel. En el paradigma de investigación naturalista es común comparar informaciones obtenidas de dos o más procedimientos. Las informaciones obtenidas con las grabaciones de situaciones de clase prestaron apoyo a las producidas por el cuestionario, permitiéndonos realizar la triangulación metodológica. De acuerdo con Guba (1983) y Guerrero (1991), la triangulación metodológica es un criterio de cientificidad en las investigaciones naturalistas. MUESTRA Cuestionario La cuestión número 1 fue aplicada en seis institutos, dos en Málaga capital y cuatro de su provincia. La muestra estaba constituida por 175 alumnos distribuidos de la siguiente forma: 61 de 2º de BUP, 70 de 3º de BUP y 44 de COU. La cuestión número 2 fue completada por alumnos de tres institutos, dos de la capital y uno de su provincia. Fueron encuestados 43 estudiantes de 2º de BUP y 32 de COU. La cuestión número 3 fue pasada en cuatro institutos. La muestra estaba formada por 31 alumnos de 2º de BUP, 28 de 3º y 32 de COU. Los estudiantes de 2º y 3º de BUP cursaban la asignatura de Física y Química, los de COU tenían la opción química. En 2º de BUP aún no se había comenzado el estudio de la química. En 3º y COU se pasó el cuestionario entre uno a dos meses después de haber terminado el tema de enlace químico. No se realizó selección ni de alumnos ni de clases dentro de los institutos. Secuencia de enseñanza El currículo español presenta el tema de enlace químico en los niveles, aún vigentes, de 2º de BUP, 3º de BUP y COU, y en los nuevos niveles de 3º y 4º de ESO (14 y 15 años) y 1º y 2º de bachillerato (16 y 17 años), en período de implantación. Se enseña este tema en cada uno de los cursos pero con diferentes grados de profundidad siguiendo un modelo en espiral. Los libros de texto básicos presentan el siguiente contenido genérico para el enlace covalente: presentación de la teoría de Lewis, exposición de las propiedades de bajo punto de fusión y no conductividad de la corriente eléctrica. Para el enlace iónico se presenta la teoría de Lewis, nociones de red cristalina, y se exponen las propiedades de: punto de fusión elevado y conductividad eléctrica tanto en estado fundido como disuelto en agua. Son muy pocos los libros de este nivel que introducen las fuerzas intermoleculares (de Van der Waals o enlace de hidrógeno). En los textos de nivel intermedio se exponen además nociones sobre el enlace covalente coordinado. Se presentan las mismas propiedades físicas expuestas en el año anterior pero ahora son interpretadas y justificadas. Algunos textos introducen nociones de la teoría de los enlaces de valencia. Con el enlace iónico, algunos comienzan a presentar el ciclo de Born-Haber, número de coordinación, e interpretan las propiedades físicas de punto de fusión elevado y conductividad eléctrica de los compuestos tanto fundidos como disueltos en agua. Prácticamente todos los textos de este nivel presentan las fuerzas de Van der Waals y, algunos, los enlaces de hidrógeno. En el nivel superior se suele exponer, además de lo dado anteriormente, la teoría de enlace de valencia o de orbitales moleculares, orbitales híbridos, geometría molecular, polaridad de los enlaces y se justifican las propiedades físicas de punto de fusión, punto de ebullición y solubilidad haciendo uso de las fuerzas intermoleculares. Casi todos los textos de este nivel presentan la energía reticular y el ciclo de Born-Haber. Se justifican, además de las propiedades físicas expuestas en otros años, la dureza y la fragilidad. Todos los textos exponen las fuerzas intermoleculares de Van der Waals y el enlace de hidrógeno. Grabaciones de clase Grabamos quince horas relacionadas con el enlace químico en dos grupos de 3º de BUP. Como material impreso de trabajo en clase se utilizaron los programasguías de Cendejas y otros (1988) basados en las líneas didácticas desarrolladas por Gil y Martínez-Torregrosa (1987). Básicamente la enseñanza consistía en extraer concepciones alternativas acerca de la materia y su estructura, y ofrecer oportunidades de discusión en pequeños grupos de 5 ó 6 individuos en los que tenían total libertad para exponer sus ideas y reconducir las discusiones hacia posiciones científicas. Los alumnos debían planificar, escribir sus resultados y explicar esas ideas al resto de la clase; el profesor actuaba como moderador, animador y director de las tareas y debates. El profesorinvestigador siguió una metodología típica de investigación en la acción durante todo el curso académico (Elliott, 1984; McDonald, 1984). Nuestro objetivo con las grabaciones fue recoger un conjunto de formulaciones de los alumnos, analizar cuáles eran las concepciones subyacentes, con qué otros conceptos se relacionaban, cómo evolucionaban estas concepciones en contextos de aprendizaje, qué obstáculos encontraban los alumnos para asimilar los conceptos, etc. Por estos motivos, no tenía objeto realizar grabaciones de clases expositivas donde el alumno rara vez manifiestaba sus concepcio-nes o lo hacía con timidez. Por el contrario, debían ser ricas en interacciones entre los alumnos y de éstos con el profesor. COMENTARIO DE LOS RESULTADOS EN RELACIÓN CON LAS SUSTANCIAS MOLECULARES Hemos clasificado los dibujos obtenidos de la cuestión 1 (Anexo) en la red semántica de la figura 1 siguiendo las INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 232 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) indicaciones de Bliss y otros (1983). Las llaves en la figura indican que puede realizarse una selección con todos los términos que siguen a su derecha. Las líneas verticales presentan términos que son mutuamente excluyentes. Las categorías principales se encuentran a la izquierda y las subcategorías a la derecha. Los términos, llaves y líneas utilizados en las redes semánticas fueron sugeridos por los datos obtenidos. La mitad de los alumnos de 2º de BUP representaron los átomos, en fase gaseosa, por círculos localizados a una cierta distancia unos de otros. E incluso algunos colocaron flechas en todas las direcciones para indicar un movimiento desordenado de las partículas. Esta proporción coincide con la obtenida en estudiantes ingleses de la misma edad (Brook et al., 1984) a pesar de ser diferente la cuestión y el contexto en que se suscitó. Casi un 20% de los alumnos de este nivel dibujó los átomos juntos unos a otros sin dejar espacio entre ellos, presentando una visión continua de la materia. Esta proporción coincide con la obtenida por Furió y Hernández (1983) en alumnos valencianos del mismo nivel. Estos valores coincidentes son prueba de la existencia de estas concepciones, su distribución y estabilidad en la población escolarizada de estas edades. Casi el 80% de los alumnos de 3º de BUP de la muestra estudiada y el 93% de los de COU son capaces de representar correctamente los átomos de oxígeno. La influencia de la idea de que la materia es continua en los gases cae drásticamente en estos dos últimos niveles. 1. ¿Por qué se unen los átomos para formar moléculas? Algunos alumnos de 2º (15%) y 3º de BUP (9%) opinan que los átomos de oxígeno son estables y, por tanto, no se unen para formar moléculas (Fig. 1). Para ellos, la causa de esta estabilidad es la inmovilidad de los átomos. Casi la mitad de los alumnos de 2º de BUP encuestados opinan que estos hipotéticos átomos no son estables. Las razones son tan variadas que hemos llegado a computar hasta once tipos de respuestas entre los tres niveles. El Figura 1 Red semántica construida a partir de las respuestas de los alumnos en relación con la estructura interna de los gases y la estabilidad de los átomos individuales (cuestión 1). Las cifras se refieren a las frecuencias relativas en 2º de BUP, 3º de BUP y COU respectivamente. En negrita las respuestas correctas. - Átomos distantes (47, 80, 93) - Átomos juntos (18, 7, 0) - Moléculas (0, 10, 2) - Dibujan - Un átomo (10, 1, 5) - Otros (0, 1, 0) - NS/NC (25, 1, 0) Cuestión número 1 - Sí (15, 9, 0) - Se unen (23, 72, 86) - Estabilidad - No (44, 88, 98) - Los átomos - Se mueven (8, 5, 2) - Otros (13, 11,10) - NS/NC (41, 3, 2) INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) 233 argumento más utilizado fue la necesidad de unirse los átomos inestables para formar moléculas más estables, casi siempre de dos átomos; su proporción varió de un 23% en 2º de BUP pasando por un 72% en 3º hasta llegar al 86% en COU (Fig. 1). Del análisis de estos datos se desprende que el sistema educativo consigue transmitir una imagen molecular del oxígeno a través del currículo. Sin embargo, tal como se pondrá de manifiesto con la cuestión número 2 y las grabaciones de situaciones de clase, la transmisión de la imagen molecular no lleva consigo un buen conocimiento de la naturaleza del enlace químico ni de las fuerzas intermoleculares. Otro argumento, mucho menos utilizado para justificar la inestabilidad de los átomos, introduce concepciones de la mecánica macroscópica en el mundo microscópico. Los gases son considerados inestables comparados con los sólidos porque sus átomos o moléculas están en continuo movimiento y, por tanto, no se encuentran quietos o «estables»: «No serán estables porque es un gas.» (Alumno 2º de BUP). Los estudiantes de 3º de BUP y COU con esta opinión son capaces de exponer de forma más elaborada los argumentos que sus compañeros de 2º de BUP: «No son estables, pues los átomos en los gases están en movimiento y éste aumenta o disminuye si se le cambian las condiciones ambientales sufriendo modificaciones de volumen y velocidad. Esto demuestra que no son estables.» (Alumno de 3º de BUP). «No serán estables porque es un gas y los gases nunca están estables sino que están siempre en continuo movimiento.» (Alumno de COU). La incidencia de este esquema disminuye del 13% en 2º de BUP al 2% en COU. Algunos estudiantes aún no han asumido la idea de conservación de las partículas y espontáneamente la contradicen para explicar fenómenos corrientes: «No son estables porque, si se calienta, aumenta el número de átomos pudiendo llegar a estallar.» (el recipiente) (Alumno de 3º de BUP). Los restantes argumentos para explicar la inestabilidad del conjunto de átomos de oxígeno son demasiado individuales para ser descritos aquí. 2. Naturaleza del enlace covalente Desarrollamos la cuestión 2 (Anexo) para profundizar en las concepciones de los alumnos sobre la naturaleza de la unión entre átomos. Su perfil difiere del de la primera cuestión en que no requiere representar mediante dibujos la información, y su contexto es más abstracto (Tabla III). En la figura 2 se muestra la red semántica construida a partir de las respuestas de los alumnos. Casi la cuarta parte en 2º de BUP no contestó o no supo qué contestar. Ningún alumno de este nivel utilizó el término enlace químico, lo que no les impidió pasar a explicar como podían estar unidos los átomos entre sí. La idea más popular, que alcanza la tercera parte de los alumnos de 2º de BUP, es la que propone la unión debido a la atracción entre las diferentes cargas situadas en los átomos. Una opinión menos difundida es aquélla que afirma que los átomos tienen un campo de atracción sobre otros átomos. La naturaleza de este campo de atracción no fue descrita. Las restantes explicaciones (la dependencia del estado de agregación, fuerzas magnéticas, intercambios de partículas o uso de enganches) fueron poco comunes (Fig. 2). Esta última explicación es similar a la utilizada por el poeta y filósofo romano Lucrecio en el año 55 aC. Según éste, cuando ciertos átomos colisionan, «no se separan más, quedando entrelazados en estrecha unión y permaneciendo así debido al trabado que producen sus propias formas» (traducción nuestra, p. 210, en Bailar, et al.,1989). En COU tres estudiantes de cada cuatro mencionaron el enlace covalente. Éstos no sintieron la necesidad de explicar la naturaleza de este enlace; hecho también puesto en evidencia en grabaciones de situaciones de clase que trataremos a continuación. Las explicaciones intuitivas utilizadas por los alumnos de nivel más bajo desaparecen al llegar a COU. Los textos suelen abordar la unión entre átomos de parecida polaridad haciendo uso de la compartición de electrones (De Posada, 1993b). Este concepto no parece ser asumido por los alumnos, ya que no lo utilizan en sus explicaciones algún tiempo después de haber sido estudiado. Las dificultades se remontan al momento en el que son aprendidos; en la transcripción siguiente se aprecian algunos problemas de conceptualización. El profesor intentó que las ideas de los alumnos fueran evolucionando desde posiciones convencionales hasta otras más elaboradas. (112) A1: La pregunta del cuaderno dice: «¿Cómo están unidos los átomos formando moléculas?» Hemos puesto que mediante enlace. (113) P.: ¿En qué consiste el enlace? (114) A1: Un enlace es la unión de dos o más sustancias, que comparten sus partículas, una la cede y la otra la acepta o la comparte entre sí. (115) P.: ¿Qué es lo que comparten? (116) A1: Electrones. (117) P.: Veamos lo que opina el grupo 2. (118) A2: Por enlace químico. El alumno A1 es repetidor. Aunque de forma inconexa, recuerda algunas ideas sobre el tema impartido el año anterior (3). Los términos son mal utilizados, aparentemente de forma consciente (5). El profesor pretende averiguar qué es lo que entienden exactamente los alumnos por enlace y, por ello, requiere que sean más explícitas sus respuestas (6, 8, 10, 12, 15). (119) P.: Es fácil enmascarar lo que ocurre poniendo una determinada palabra en su lugar. Por ejemplo, si yo no sé exactamente lo que ocurre diré que es un enlace químico. Alguien que conozca el tema creerá que lo entiendo bien. Vamos a intentar explicarlo en profundidad. ¿Qué es eso del enlace químico? ¿En qué consiste? ¿Cómo lo entiendes tú? (120) A3: Cada átomo tiene una forma de enlazarse entre ellos y a esto se le llama enlace químico. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 234 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) (121) P.: Aún no queda claro cómo se enlazan. Vamos a ver si se aclara más. (122) A2: Una manera de que dos átomos se puedan unir. (123) P.: ¿Qué opina el grupo 3? (124) A3: La atracción de protones y electrones por tener diferente carga. (125) A4: Al tener diferente carga el núcleo del átomo. (126) P.: ¿Qué propone el grupo 4? (127) A5: Lo que no entendemos es cómo se puede formar ese enlace. Si la corteza de un átomo tiene los electrones negativos y la otra corteza tiene también los electrones negativos, entonces no se podría formar el enlace. (128) P.: Buena pregunta. Al principio todo parecía estar explicado por la existencia del enlace químico (1, 7). Si se quita a los alumnos la posibilidad de utilizar esta palabra (8) y tienen que buscar explicación a las uniones entre los átomos, tendrán que usar sus propias concepciones (9, 13). Hasta este momento no se habían planteado realmente la naturaleza del enlace, sólo utilizaban una palabra para enmascararla. (129) A4: Cada átomo tiene un núcleo con carga positiva y electrones en la corteza con carga negativa; entonces, los electrones de un átomo se irían con los protones del otro átomo. (130) P.: ¿A qué te refieres cuando dices que se irían? (131) A4: Al ser de distinta carga, positiva el núcleo y negativa los electrones, se atraen. (132) P.: ¿Es lo mismo decir que se atraen que se irían? (133) A4: No. (134) A5: (Pide permiso para ir a la pizarra y dibuja) Éstos son dos átomos. Entonces, si la corteza, la última parte del átomo es negativa y el otro también es igual, en vez de unirse lo que hacen es repelerse. (135) P.: Dibuja unas flechas para indicarlo. (136) A2: Un átomo puede estar cargado positivamente y, a la vez, seguir siendo un átomo. (137) A1: Tenemos una nueva definición para el enlace. Dos átomos en los cuales se ceden, aceptan o comparten entre sí los electrones de su última capa, para tener un total de ocho electrones en su última capa cada uno. (138) A3: ¿Por qué se comparten, por qué ceden? (139) A1: Como vimos antes en la fabricación de la tabla, la última capa de todos los átomos tiene ocho electrones. (140) P.: El cloro tiene siete, el sodio uno y los gases nobles ocho, excepto el helio que tiene dos. (141) A1: Por eso realizan enlace. (142) A6: Si los metales tienen pocos electrones en su última capa y se unen a otros elementos con muchos en su última capa, pueden saltar electrones para ganar estabilidad. (143) P.: Según el grupo cinco, los átomos se combinarán y el enlace químico será un reajuste de electrones, un toma y un da, para que los átomos tengan la estructura electrónica parecida a la de un gas noble; es decir, ocho electrones en la última capa. (144) A6: ¿Por qué ocho electrones? El hecho de aplicar concepciones de la electrostática al átomo parece llevar a A5 a un callejón sin salida (25), que es aprovechado por A1 para retomar la dirección de la discusión hacia posiciones más convencionales (26), eludiendo el razonamiento divergente al que quiere someterlo el profesor. Pretende para ello aplicar reglas relativamente sencillas sin preocuparse demasiado del por qué (26). En cambio, A6 no parece dispuesto a aceptar acríticamente esas reglas (33). Todo parece indicar que el alumno A1 realiza aprendizaje rutinario, rehuye construir relaciones entre conceptos, informaciones e ideas, intentando aprender hechos de forma rutinaria, aislados unos de otros (Novak, 1988; Cavallo y Schafer, 1994; Cavallo, 1996). Los libros de texto, y presumiblemente las explicaciones de los profesores en clase, promueven en gran medida este tipo de actitud en los alumnos (De Posada, 1994). 3. Fuerzas intermoleculares Más de la mitad de los alumnos de 2º de BUP no contestaron o no supieron qué contestar a la pregunta de cómo se encuentran relacionadas las moléculas de flúor entre sí (2a. parte de la cuestión 2); les resultó mucho más complicada que la primera parte (Fig. 2). Algunos estudiantes de 2º de BUP opinan que el campo de atracción de los átomos sigue activo y actúa sobre otros átomos en las inmediaciones. Otros lo explican con la atracción entre las moléculas debido a las diferentes cargas situadas en ellas. Un pequeño grupo afirma que no se unen unas moléculas con otras y no entra en más detalles. En COU un estudiante de cada cuatro asegura que existen fuerzas de Van der Waals. La mitad de los alumnos encuestados de este último nivel proponen enlaces, la mitad afirma que covalentes, entre las moléculas y, finalmente, uno de cada seis afirma que no se unen unas moléculas a otras. Las fuerzas intermoleculares son menos utilizadas por los alumnos en sus explicaciones que el enlace covalente a pesar de estar incluidas en el currículo. Algunas razones para justificar este hecho serán comentadas en la parte final de este trabajo. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) 235 Figura 2 Red semántica construida a partir de las explicaciones de los alumnos respecto a cómo pueden estar unidos los átomos en una molécula y qué tipo de atracción tienen éstas entre sí (cuestión 2). Los valores de la primera columna se refieren a la frecuencia relativa en la muestra de 2º de BUP y los de la segunda columna a los de COU. En negrita las respuestas correctas. - Diferentes cargas (35, 0) - Campo de atracción (16, 0) - Depende estado de agr. ( 5, 0) - Sólo dibujan (9, 8) ¿Cómo pueden estar - Enlace covalente (0, 75) unidos los átomos? - Enlace (no aclara) (0, 17) - Magnetismo - Otros - Enganches - Intercambios de partículas (7, 0) Cuestión 2 - NS/NC (28, 0) - Campo atracción molec. (14, 0) - No se unen (7, 17) - Cargas (12, 0) - Sólo dibujan átomos juntos (5,0) ¿Cómo se unen - Fuerzas de Van der W. (0, 25) las moléculas? - Enlace covalente (0, 25) - Enlace (no aclara) (0, 25) - Enganches - Otros - Intercambio de partículas - Vibración (7, 0) - NS/NC (55, 8) COMENTARIOS DE LOS RESULTADOS CON RELACIÓN A LAS SUSTANCIAS IÓNICAS Hemos seleccionado un fragmento representativo de grabación que pone de manifiesto las dificultades de los alumnos para asimilar la naturaleza de las sustancias iónicas, en especial el concepto de ion. Los estudiantes realizaron, en el laboratorio, el día anterior, la mezcla de disoluciones de cloruro potásico y nitrato de plata. Como se recordará, se produce un precipitado blanco de cloruro de plata y queda en disolución incolora el nitrato potásico. Los aspectos descriptivos del proceso eran bien conocidos por los alumnos y los conceptos teóricos habían sido presentados con anterioridad, lo que se pretendía era aplicar el concepto de ion en las explicaciones para dar sentido a la reacción. (38p) P.: ¿Quién reacciona con quién? (39p) A6.: El potasio con la plata. (40p) P.: ¿Qué opina el grupo cuatro? INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 242 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABRAHAM, M.R. et al. (1992). Understanding and misunderstandings of eighth graders of five chemistry concepts found in textbooks. Journal of Research in Science Teaching, 29, pp. 105-120. ALLINGUER, N.L. et al. (1979). Química orgánica. Barcelona: Reverté. APU (Assessment of Performance Unit) (1984). Science report for teachers: 5. Science at age 15. Hertfordshire. The Garden City Press Limited. 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[Artículo recibido en octubre de 1996 y aceptado en septiembre de 1998.] INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1999, 17 (2) 245 ANEXO CUESTIÓN NÚMERO 1 Supón por un momento que tienes una botella llena de átomos de oxígeno gas (en el recipiente no hay ni una sola molécula). Haz un dibujo a escala atómica de dichos átomos. Justifica si serán estables o no. ¿Qué les pueden ocurrir? CUESTIÓN NÚMERO 2 La molécula de F es diatómica (está formada por dos átomos de flúor). Indica cómo pueden estar unidos ambos átomos. ¿Y esta molécula a otras de flúor? CUESTIÓN NÚMERO 3 Representa diez partículas desde el punto de vista atómico de cada una de las siguientes sustancias en condiciones ambientales ordinarias: KCl N2 HCl Ca Justifica cada uno de tus dibujos.