La enseñanza del concepto de campo eléctrico basada en un modelo de aprendizaje como investigación orientada

INNOVACIONES DIDÁCTICAS ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2), 319-334 319 LA ENSEÑANZA DEL CONCEPTO DE CAMPO ELÉCTRICO BASADA EN UN MODELO DE APRENDIZAJE COMO INVESTIGACIÓN ORIENTADA FURIÓ C.1 y GUISASOLA J.2 1Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales. Universidad de Valencia 2Departamento de Física Aplicada I. Universidad del País Vasco SUMMARY This work is grounded on a constructivistic conception of the learning of Sciences, more particularly on the model known as teaching-learning as oriented research. In accordance with this theoretical basis we have developed an empirical research framed within the teaching of Electrostatics in Higher Education. The designs developed have enabled us to assess the learning achieved by the students. According to our findings we could say that the materials developed and the way we have worked with them have contributed to a more significant learning and favoured a more positive attitude toward the teaching of the subject. (Benseghir y Closset, 1996; Furió y Guisasola, 1998a). Así mismo, los trabajos que tratan sobre las dificultades de aprendizaje del concepto de campo muestran que los estudiantes presentan fijaciones funcionales derivadas de informaciones recibidas a lo largo de la instrucción. Es decir, los razonamientos de la mayoría de los estudiantes se caracterizan por emplear una única estrategia que consiste, por lo general, en la aplicación de una «receta» que va de la teoría a la situación problemática (Viennot y Rainson, 1992; Rainsson et al., 1994). Por otra parte, cuando los estudiantes interpretan las interacciones electrostáticas, utilizan preferentemente el perfil conceptual coulombiano (Furió y Guisasola, 1998b). Cuando se pregunta al profesorado en activo cuáles pueden ser las causas del fracaso generalizado en el aprendizaje significativo del concepto de campo eléctrico, la mayoría de las explicaciones atribuyen el fracaso a las carencias de los estudiantes (Furió y Guisasola, 1997), lo que sin duda constituye una de las ideas claves INTRODUCCIÓN Este trabajo parte de reconocer una preocupación en el profesorado de bachillerato por los resultados de la enseñanza que se imparte en el área de electricidad en general y de la electrostática en particular. A pesar de los esfuerzos y del tiempo que se invierten en este campo de la física, los resultados que se obtienen son poco satisfactorios, como lo muestra el alto índice de fracaso escolar que se produce y la bibliografía sobre dificultades de aprendizaje (Carmichael et al., 1990). Los estudios que tratan sobre las dificultades de aprendizaje en electricidad están enfocados principalmente hacia los circuitos de corriente continua (Duit, 1993) sin relacionarlas con los conceptos de electrostática. Sin embargo, el concepto de diferencia de potencial, que es uno de los que presenta mayores dificultades de aprendizaje en el estudio elemental de los circuitos eléctricos (Eylon y Ganiel, 1990; Steinberg, 1992), está directamente relacionado con los conceptos de campo y potencial eléctricos que se enseñan en electrostática INNOVACIONES DIDÁCTICAS 320 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) en el «pensamiento espontáneo» de los profesores (Hewson y Hewson1988). Sin embargo, resulta, como mínimo, sorprendente que el fracaso en el aprendizaje significativo de un concepto se atribuya casi exclusivamente a estas deficiencias. Como profesores, también podemos preguntarnos: ¿qué tipo de enseñanza impartimos para que la mayoría de los estudiantes sea incapaz de aprender de forma significativa el concepto de campo eléctrico? No podemos olvidar que una de las variables que más influye en el aprendizaje de conceptos es la forma de enseñarlos. A la hora de analizar la enseñanza habitual, es necesario tener en cuenta que la introducción de un concepto responde a un proceso de discusión y reelaboración a partir de una problemática concreta (Lakatos, 1970; Kuhn, 1970, Jiménez y Otero, 1990; Solbes y Vilches, 1997; McComas, 1998). En este sentido, una de las principales características de la naturaleza de la ciencia es el papel protagonista de los problemas como motor del desarrollo de las teorías, que permiten pasar a otras nuevas de mayor poder explicativo de los fenómenos considerados (Laudan, 1984). Frente a esta concepción de la ciencia, las programaciones de electricidad en los libros de texto y las utilizadas por los profesores en la enseñanza habitual, frecuentemente, presentan una visión aproblemática y acumulativa lineal (Strube, 1988; Stocklmayer y Treagust, 1994; Guisasola, 1997) que no tiene en cuenta la diferentes formulaciones y los saltos cualitativos que se dieron en el desarrollo de las teorías como, por ejemplo, el pasar directamente de una visión newtoniana de la electricidad (Coulomb) a una visión energética (campo eléctrico) sin explicar la necesidad de este cambio cualitativo (Solbes y Martín, 1991; Furió y Guisasola, 1997). La no-consideración de la introducción de un nuevo concepto, como hipótesis, que tiene su fundamento en el cuerpo teórico, lleva a que la mayoría del profesorado no tenga en cuenta el cambio ontológico que se produce al pasar de una visión coulombiana a otra de campo eléctrico en la forma de concebir la interacción eléctrica (Furió y Guisasola, 1998b). La carencia de esta nueva visión ontológica lleva a considerar la teoría de campo como una forma muy «abstracta» de justificar las interacciones eléctricas y, en consecuencia, a no enfatizar la necesidad de su introducción en la propia enseñanza. Si, a todo lo anterior, añadimos que la mayor parte de estas enseñanzas se basan en la transmisión verbal de los conocimientos que no familiariza a los estudiantes con las principales características de la metodología científica (como, p.e., el tratamiento cualitativo de las situaciones problemáticas, la emisión de hipótesis o el diseño y realización de experimentos para contrastar las hipótesis emitidas...), podemos explicar las grandes dificultades que tienen los estudiantes en el aprendizaje de la teoría del campo eléctrico. De acuerdo con todo lo anterior, el propósito del trabajo que aquí presentamos es exponer el tratamiento realizado para superar las dificultades de enseñanzaaprendizaje en la introducción del concepto de campo eléctrico. Hemos establecido como hipótesis que es posible transformar la enseñanza habitual de la electricidad en el bachillerato en otra basada en el modelo de aprendizaje como investigación orientada (Furió y Gil, 1978; Furió, 1994a; Gil, 1994; Gil et al., 1999) que, al aplicarlo a grupos aleatorios de estudiantes, favorezca un aprendizaje más significativo de los conceptos y un mayor interés hacia el aprendizaje de la electricidad. Para ello, hemos desarrollado un hilo conductor con su secuenciación de contenidos y su correspondiente programa de actividades; así mismo, se ha aplicado este programa a dos grupos de estudiantes de diferentes centros y se ha evaluado el aprendizaje logrado. El modelo de enseñanza-aprendizaje como investigación en el que hemos fundamentado nuestras estrategias de enseñanza ha sido ampliamente recogido en Enseñanza de las Ciencias. Sin embargo, nos ha parecido oportuno realizar una breve exposición del modelo para no dejar sin fundamentación teórica las estrategias didácticas que luego se desarrollarán en el aula (Moreira, 1994). Éste será el objetivo de la primera parte del siguiente apartado. ESTRATEGIAS DIDÁCTICAS EN EL APRENDIZAJE DE LAS CIENCIAS COMO INVESTIGACIÓN ORIENTADA Y SECUENCIACIÓN DE CONTENIDOS Las dificultades puestas de manifiesto por la línea de investigación de las concepciones alternativas de los estudiantes, que tan prolífica está resultando desde hace más de dos décadas (Wandersee et al., 1994), han servido y están sirviendo para plantear la necesidad de nuevas estrategias de enseñanza que sustituyan una enseñanza transmisiva de los conceptos científicos ya construidos –muy poco eficaz– por una nueva enseñanza que tenga éxito en la aproximación de los esquemas conceptuales de los estudiantes hacia las concepciones científicas que actualmente se aceptan como correctas. Esto ha dado lugar a propuestas que –al margen de pequeñas diferencias– coinciden básicamente en asumir una concepción del aprendizaje como construcción activa de nuevo conocimiento por parte del propio aprendiz que, necesariamente, ha de partir de su conocimiento anterior. Estas concepciones constructivistas de la enseñanza han conducido al diseño de diversos modelos de instrucción que tienen en común el promover el cambio conceptual (Pozo, 1989). Así mismo, recientes investigaciones (Whittaker, 1983; White y Gunstone, 1989; Gil, 1993; Viennot, 1996; Duschl y Hamilton, 1998) indican que, si el aprendizaje por construcción de conocimientos se basa en la existencia de cierto isomorfismo entre este aprendizaje del alumno a partir de sus preconcepciones y la investigación como construcción de conocimientos científicos por la comunidad científica, a partir del paradigma teórico vigente, será necesario extender este paralelismo también hacia sus aspectos metodológico y sociológico. INNOVACIONES DIDÁCTICAS ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) 321 Las consideraciones anteriores implican que sólo haciendo que los estudiantes practiquen –ayudados por el profesor– aspectos esenciales de la metodología científica, como imaginar soluciones a problemas en forma de hipótesis, diseñar experimentos de contrastación de las hipótesis, etc., podrán superar su metodología de la superficialidad y, consecuentemente, construir conocimientos. Estas consideraciones han originado la necesidad de incorporar de forma no autónoma el mencionado cambio metodológico dentro de las estrategias de cambio conceptual. Esta idea de aproximar el aprendizaje de las ciencias a un trabajo científico es una vieja intuición. En el movimiento de renovación de enseñanza de las ciencias en los años cincuenta y sesenta ya se hablaba de learning by inquiry (Schwab, 1962). No obstante, las propuestas que aquí sugerimos difieren de aquellos intentos en que la indagación no se limita a aprender cómo comprobar enunciados y en que no se concibe a los estudiantes como investigadores autónomos que trabajan haciendo ciencia. En nuestra propuesta se utiliza la metáfora de los estudiantes como «investigadores noveles» que trabajan en equipos cooperativos replicando investigaciones ya realizadas, dirigidos por el profesor como experto conocedor de las investigaciones. Sería un proceso de formación en investigación análogo a la formación inicial de futuros investigadores y, por ello, el modelo de aprendizaje se denomina de investigación orientada. Así pues, la estructura de la clase se dividirá en pequeños grupos de trabajo en cuyo desarrollo se obtienen unos primeros resultados mediante el esfuerzo cooperativo de aquéllos y que, como tales equipos de investigación, interaccionan entre ellos y con la comunidad científica representada por el profesor (y por los libros de texto), que matizará, cuestionará y reformulará los resultados parciales obtenidos por los propios equipos. Por otra parte, estas estrategias tratan de mejorar las actitudes de los estudiantes hacia la ciencia y su aprendizaje, integrando al estudiante en un proceso que quiere abordar la solución de un problema a través de la búsqueda de soluciones –siempre hipotéticas– que servirán para explicar mejor el mundo natural (Gil et al., 1991; Gil y Carrascosa, 1994; McDermott, 1996; Anderson et al., 1996; Duschl, 1998). Las estrategias didácticas del plan de instrucción deben ser coherentes con la familiarización de los estudiantes con las características de la actividad científica Aunque las recientes aportaciones de la filosofía de la ciencia indican que no se puede hablar de «un método científico» como conjunto de normas procedimentales a seguir para llegar con éxito a la solución de los problemas científicos, sí es posible hacer un análisis (nunca exhaustivo) que permita extraer las características esenciales del trabajo científico y así poder perfilar mejor el objetivo de cambio epistemológico perseguido en el aprendizaje de las ciencias como investigación (McComas, 1998). A partir de dicho análisis se pueden extraer estrategias procedimentales utilizadas por los científicos que permitan fundamentar teóricamente una enseñanza que favorezca la construcción de conocimientos científicos (Gil et al., 1999). Así pues, la tarea a realizar en clase se prepara antes de la interacción educativa por el profesor o grupo de profesores en forma de programas de investigación orientada, es decir, en forma de actividades que tratan de desarrollar el currículo (Furió y Gil, 1978; Gil y Martínez-Torregrosa, 1987; Millar y Driver, 1987; Guisasola y De la Iglesia, 1997). Una secuenciación de contenidos que tenga presente las dificultades epistemológicas en la construcción del concepto de campo eléctrico La elaboración del hilo conductor para el desarrollo de los contenidos de la electrostática en la etapa de bachillerato ha tenido en cuenta tanto la evolución histórica de los grandes problemas habidos como las soluciones dadas a los mismos y que, a finales del siglo XIX, dieron lugar al cuerpo teórico del electromagnetismo maxwelliano. En una enseñanza como la aquí expuesta cobra especial interés el conocimiento por parte del profesor de estas dificultades epistemológicas que tuvo que superar la comunidad científica hasta llegar a la construcción del concepto de campo electromagnético. En efecto, la epistemología de la física, más preocupada por la historia de los problemas que por la de sus resultados (Fillon, 1991; Furió et al., 1998), se convierte así en herramienta imprescindible y eficaz a la hora de que el profesor pueda planificar una secuencia coherente de situaciones problemáticas de interés a proponer en clase para la (re)construcción de los conocimientos electromagnéticos. A modo de síntesis epistemológica general (Heilbron, 1982; Whittaker, 1987; Taton, 1985), se puede afirmar que los principales problemas cuya solución supuso un avance significativo en la construcción de la electricidad como ciencia fueron los siguientes: a) La búsqueda de explicación de los fenómenos triboeléctricos (electrización de los cuerpos por frotamiento) condujo a la hipótesis general de que la materia es eléctrica (es decir, posee cargas) aunque aparentemente se presente como neutra (igual cantidad de cargas positivas y negativas). La representación mental de la «propiedad eléctrica» (que manifiestan los cuerpos frotados), como una especie de «halo» (Gilbert, 1600), fue superada por otra imagen mecanicista, donde la carga era considerada como un (dos) fluido(s) especial(es) que poseían todos los cuerpos (Franklin, 1747). b) La profundización en el estudio cuantitativo de las interacciones que se ejercen entre las cargas eléctricas y su fundamentación analógica en la mecánica newtoniana permitió consolidar aquella hipótesis general y definir operativamente el concepto de carga eléctrica (Coulomb, 1785). c) Finalmente, el problema de la transmisión de la interacción eléctrica a través de un medio, junto al de la unifica- INNOVACIONES DIDÁCTICAS 322 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) ción de las diferentes electricidades y del magnetismo, mostró las insuficiencias del modelo anterior y permitió un salto cualitativo importante, que condujo a la introducción de la teoría del campo de fuerzas electromagnéticas (Faraday, 1846) y, posteriormente, a la síntesis representada por la ecuaciones de Maxwell (Maxwell, 1864). Sin embargo, una visión reduccionista de la naturaleza de la ciencia más preocupada por los resultados de la investigación científica que por sus problemas y métodos, que está ampliamente asumida entre el profesorado (Orlandi, 1991), se olvida de la existencia de estas barreras epistemológicas que se han superado en el devenir histórico para poder avanzar en los conocimientos. Con ello, probablemente, se dejan de lado dificultades que también pueden darse en los estudiantes (Astolfi, 1994). Por ejemplo, el programa de investigación que unificó las explicaciones de las diferentes interacciones eléctricas y magnéticas conocidas (Berkson, 1981), supuso un cambio ontológico radical respecto a la manera coulombiana de concebir la carga y la interacción eléctrica y, paralelamente, la investigación didáctica ha mostrado la resistencia que los actuales estudiantes de bachillerato y universidad tienen a la hora de diferenciar fuerza eléctrica en un modelo coulombiano e intensidad de campo eléctrico en la teoría de campos (Rainson, 1995; Furió y Guisasola, 1998b). Por otra parte, también se olvida el contexto de investigación en el que surge un problema científico, entendido como marco referencial que pone en evidencia un problema epistemológico. De ahí que sea frecuente, desafortunadamente, observar en los libros de texto distorsiones en los significados atribuidos a conceptos por no tener en cuenta ni los contextos de indagación en los que originalmente se construyeron ni su evolución en los cambios contextuales teóricos que suceden en la historia. En el caso de la introducción del concepto de campo eléctrico se olvida enfatizar el salto cualitativo que supuso pasar de una visión ontológica de la interacción eléctrica confinada en la materia electrizada, sin tener en cuenta el medio, a otra más compleja donde se sigue admitiendo que la interacción existe entre los cuerpos cargados pero cuya existencia se imagina que va más allá de los límites de los mismos. En efecto, este cambio que se inicia con Faraday logra complementar la visión cosmológica newtoniana (donde la materia y el espacio se consideran entidades separadas, absolutas e independientes), que había servido de marco filosófico en la definición coulombiana de interacción eléctrica, con la visión cosmológica de tradición cartesiana donde la materia y el espacio se presentan como inseparables (Furió y Guisasola, 1997). El esfuerzo de imaginación puesto de manifiesto al visualizar la interacción eléctrica en el medio (apoyada en la incipiente filosofía kantiana de fines del XVIII, superadora del empirismo y del racionalismo) facilitó la construcción de una teoría que pudiera explicar de manera unitaria las interacciones electromagnéticas (Thuillier, 1989), teoría que se concretó en la introducción del concepto estructurante de campo de fuerzas. Solamente desde este punto de vista se puede comprender la necesidad de introducir el campo eléctrico para solucionar los problemas no resueltos por la teoría newtoniana de acción a distancia. Todo lo anterior sirve para fundamentar una secuenciación de contenidos de un curso introductorio de electrostática estructurado en dos partes (Guisasola, 1996) y que se presenta a continuación: Programa para la iniciación al estudio de la electricidad en 1r. curso de bachillerato (16-17 años) Introducción ¿Por qué es útil el estudio de la electricidad y cómo sabemos que la materia es eléctrica? ¿Por qué puede ser útil comenzar el estudio de la electricidad a partir del comportamiento de las cargas en reposo? Primera parte: Nuevas fuerzas invisibles de extraordinario poder 1) Naturaleza eléctrica de la materia 2) Estudio cuantitativo de las fuerzas entre cargas eléctricas en reposo 3) Nuevos interrogantes que plantean los conocimientos eléctricos alcanzados. Segunda parte: Hacia una interpretación general de las interacciones eléctricas, el campo eléctrico. 4) El campo eléctrico. ¿Por qué es necesario introducir el campo E como nueva magnitud? 5) Problemas prácticos que puede resolver el concepto de campo eléctrico 6) Una interpretación energética del campo eléctrico 7) Nuevos interrogantes que plantean los conocimientos alcanzados y que darán lugar a nuevos estudios. Debido a la necesaria brevedad de este artículo no es posible reproducir todas las actividades realizadas ni analizar todos los resultados obtenidos en este programa. Por ello, vamos a partir de la hipótesis según la cual los estudiantes que han participado en este curso han adquirido los conocimientos y habilidades necesarios para aprender significativamente la primera parte del programa (Guisasola, 1999) y limitaremos el contenido de este artículo a analizar los logros del aprendizaje del concepto de campo eléctrico (Pregunta 4 del programa). ¿QUÉ SUPONE TENER UN APRENDIZAJE SIGNIFICATIVO DEL CONCEPTO DE CAMPO ELÉCTRICO? Averiguar el nivel de aprendizaje que tienen los estudiantes respecto del concepto de campo eléctrico requiere explicitar, en primer lugar, de manera sintética, cuáles son los conocimientos conceptuales (ideas y relaciones INNOVACIONES DIDÁCTICAS ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) 323 Cuadro I Esquema interpretativo de campo eléctrico de las interacciones entre cargas en reposo. Referente macroscópico Explicación según la teoría de campo 1) Las fuerzas eléctricas no se transmiten simultáneamente. 1) Las interacciones entre cargas consisten en una acción paso a paso a través del medio con una velocidad igual a la de la luz. 2) No hay interacciones eléctricas en el interior 2 y 3) En los conductores en equilibrio electrostático, la carga se de un conductor. sitúa en la superficie, de forma que el campo, en su interior, es cero, no produciéndose ninguna interacción en su interior. 3) La interacción eléctrica resultante es nula Así pues, se puede interpretar que la fuerza ejercida por un cuerpo en el interior de una «jaula de Faraday». cargado sobre una «carga prueba cercana» es debida a la existencia de una «perturbación» creada por el cuerpo cargado (campo eléctrico). Este campo eléctrico es independiente de la «carga prueba utilizada». entre ellas) y procedimentales básicos que, a juicio de un currículo estándar, conformarían un esquema interpretativo de este concepto en el marco referencial indicado en el apartado anterior y, en segundo lugar, seleccionar aquellos objetivos que, traducidos en preguntas, permitan averiguar cómo piensan los estudiantes. En este último dominio conviene tener muy presente las dificultades de aprendizaje que se van a presentar así como la ausencia de los prerequisitos conceptuales y procedimentales necesarios para la construcción de un esquema interpretativo de la teoría de campo. En el cuadro I se han esquematizado los aspectos esenciales de cómo se interpretan las interacciones entre cargas en reposo, bien dentro del mismo conductor o entre dos conductores, de acuerdo con la teoría de campo eléctrico. A partir de este esquema interpretativo se ha diseñado una red de objetivos y posibles dificultades de aprendizaje del campo eléctrico que pueden presentarse a los estudiantes (Cuadro II). Así mismo, y de acuerdo con las características de la naturaleza de la ciencia indicadas anteriormente, tenemos en cuenta que el aprendizaje del cuerpo de conocimientos indicado supone mucho más que aprender un conjunto de conceptos; «hacer ciencia» en el aula supoCuadro II Relación de objetivos y dificultades de aprendizaje en la interpretación de las interacciones eléctricas de acuerdo con la teoría de campo eléctrico. Relación de objetivos Dificultades de aprendizaje 1) La interacción eléctrica es una interacción entre cargas, siendo el campo eléctrico el vehículo de esa interacción. 2) Ontológica: Comprensión cualitativa del campo eléctrico. Pensar que la perturbación en un punto del espacio sólo existe cuando está «visible» allí la carga testigo. 3) Conceptual: Confusión entre la intensidad de campo y la fuerza eléctrica. 4) Procedimental: Caer en el puro operativismo. No tener en cuenta el carácter vectorial de E. 5) Caer en un operativismo del concepto de flujo y en dar un sentido «real» a las líneas de campo. 6) Fijación funcional del modelo de «acción a distancia». 7) Explicaciones simples basadas en evidencias de «sentido común». 1) Comprender las limitaciones del modelo coulombiano para interpretar las interacciones eléctricas. 2) Comprender el papel que juega el campo eléctrico como nueva interpretación de la interacción eléctrica. 3) Entender que la magnitud «intensidad de campo» sólo depende de la distancia y de la carga creadora del campo. 4) Aplicar el modelo en el cálculo de la «intensidad de campo» para una carga puntual y distribuciones de carga puntuales. 5) Comprender la representación gráfica del campo eléctrico a través de las líneas de campo y aplicarlo al estudio cuantitativo del campo eléctrico, definiendo el concepto de flujo eléctrico. 6) Explicar con el nuevo modelo: a) la propagación de la interacción eléctrica; b) el fenómeno de «la jaula de Faraday». 7) Aplicaciones ciencia-técnica-sociedad. INNOVACIONES DIDÁCTICAS 324 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) ne un proceso de culturización en una comunidad que tiene sus propias vías de conocer, hablar y valorar. Así pues, el aprendizaje de los contenidos conceptuales mencionados llevará consigo cambios ontológicos en los estudiantes cuando interactúan con el material y el grupo, así como cambios en el discurso de los individuos y del grupo (Roth, 1996). DISEÑOS EXPERIMENTALES En este apartado se mostrará cómo se han desarrollado los objetivos y contenidos del programa en las clases experimentales y qué resultados se ha obtenido comparándolos con muestras de grupos de control en un diseño postest. Plan de instrucción empleado con el grupo experimental Para la instrucción de los estudiantes de los grupos experimentales se ha seguido una enseñanza como investigación de acuerdo con lo que se ha descrito anteriormente, y mediante un programa de actividades que desarrolla el programa de introducción a la electricidad en el bachillerato diseñado siguiendo las orientaciones del modelo (Guisasola, 1996). El desarrollo en el aula fue realizado por dos profesores externos a la investigación pero expertos en la aplicación de programa de actividades. En este sentido la clase se organizó en pequeños grupos de 4 o 5 estudiantes que debaten y realizan las actividades propuestas mediante puestas en común de toda la clase bajo la dirección y orientación del profesor. En una clase, el número de estudiantes era de 30 (siete grupos de trabajo) y en la otra, de 28 (siete grupos de trabajo). Los estudiantes han seguido durante todo el curso la misma metodología de trabajo, por lo que no representaba para ellos ninguna novedad en la forma de trabajar la unidad «Introducción a la Electricidad». Esta unidad se desarrolló durante un período de cinco semanas (20 horas) dentro de un programa habitual de física y química consensuado en el seminario y similar en contenidos al estándar de otros institutos de la zona. Por otra parte, aunque los profesores que realizaron la aplicación en el aula tenían experiencia en la utilización de las estrategias de enseñanza-aprendizaje como investigación y pertenecían a un mismo equipo docente que venía trabajando con esta metodología, fueron tutorizados por uno de los autores de este trabajo con el fin de familiarizarles con los objetivos y contenidos del programa y con las dificultades de aprendizaje para conseguirlos. La tutoría consistió en 6 sesiones de 2,30 horas con el fin de discutir las actividades y evaluar el material didáctico. Se empezó con una sesión preliminar donde se presentaron los objetivos del trabajo y se dio a los profesores el material para su lectura y crítica. En las dos sesiones siguientes se realizó una discusión crítica de la primera parte del programa, analizándose el hilo conductor y clarificándose aspectos del cuerpo teórico y de las estrategias metodológicas. Se discutieron los objetivos de cada actividad así como la forma de evaluación de los objetivos generales, introduciéndose las modificaciones que se consideraban oportunas. Las sesiones tercera y cuarta se dedicaron a realizar el mismo trabajo que en las anteriores pero con la segunda parte del programa. Las dos últimas sesiones se realizaron a lo largo de la puesta en práctica del programa, en las que se trataron las dificultades en el aula y las valoraciones de los profesores sobre el desarrollo de la clase. Pruebas para evaluar el resultado del aprendizaje De acuerdo con el modelo de enseñanza-aprendizaje expuesto, en los diseños realizados se trataba de analizar los procesos de aprendizaje tanto a lo largo de la instrucción como en situaciones concretas donde los estudiantes «hacen ciencia». En este sentido, parece claro que los posibles aspectos positivos del aprendizaje de la electrostática como investigación orientada no pueden mostrarse únicamente a través del mejor aprendizaje de los contenidos conceptuales. Así mismo, dada la interdependencia entre los objetivos de tipo conceptual y metodológico del aprendizaje que se han expuesto anteriormente, consideramos que otra forma distinta de mostrar la plausibidad y las posibilidades del modelo es poner a prueba, al mismo tiempo, las mejoras que se logran también en los contenidos de tipo metodológico, como por ejemplo, en las formas de razonamiento empleadas. Para ello se han diseñado dos tipos de pruebas. La primera prueba consiste en proponer una situación problemática a interpretar por los alumnos en el desarrollo de la clase experimental, dentro de su actividad de trabajo en grupo. Al finalizar la discusión, cada grupo de estudiantes debía presentar un informe explicando sus conclusiones y justificándolas. Estos registros nos van a permitir analizar las formas de razonamiento empleadas por los estudiantes al enfrentarse a la situación problemática. Para complementar esta aproximación cualitativa a la forma de razonar de los estudiantes del grupo experimental, se procedió a grabar la discusión realizada por los estudiantes en dos grupos de cada clase. En este sentido, hemos tenido en cuenta que el lenguaje no es un mero medio para expresar los conceptos sino que «da forma» a lo que el individuo conoce y que ciertos cambios en el discurso, al describir y explicar sus experiencias relacionadas con la ciencia, pueden suponer un avance en el aprendizaje (Roschelle, 1996). Así pues, las discusiones han sido literalmente transcritas a un protocolo y el análisis del mismo se ha realizado tomando como referentes las categorías de respuesta que se encontraron en un trabajo anterior sobre dificultades de aprendizaje del concepto de campo eléctrico (Furió y Guisasola, 1998b). A lo largo del análisis, las categorías previas fueron matizadas de acuerdo con los resultados obtenidos (De Jong, 1995). En definitiva, se ha intentado que los resultados de esta aproximación cualitativa al razonamiento de los estudiantes sean lo más fiables INNOVACIONES DIDÁCTICAS ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) 325 posibles (Ericsson y Simon, 1984). Las situaciones problemáticas planteadas se encuentran en el apéndice I. La segunda prueba ha consistido en un cuestionario de 4 ítems que recoge los objetivos de aprendizaje del cuadro III y algunos de los cuales habían sido utilizados en un trabajo anterior para encontrar posibles dificultades de aprendizaje del concepto de campo eléctrico (Furió y Guisasola, 1998b) y cuyo contenido se puede ver en el apéndice II. Los diseños presentados hasta ahora tratan de evaluar la mejora del aprendizaje en los aspectos conceptuales y metodológicos, tanto en su estado final (segunda prueba) como a lo largo del proceso de aprendizaje (primera prueba). Sin embargo, otro de los aspectos en los que incide el modelo de aprendizaje como investigación es el actitudinal, tratando de favorecer que los estudiantes no sólo aprendan más, sino mejor. Con este fin se ha elaborado un cuestionario de tipo actitudinal que consta de tres partes. En la primera, los estudiantes valorarán el interés y dificultad de los contenidos desarrollados a través de 5 proposiciones. La segunda parte se destina a valorar la adecuación del método y las actividades mediante otras 5 proposiciones. La última parte de este cuestionario tiene por objeto la valoración de la satisfacción por asistir a estas clases así como el clima de cooperación que se respiraba en las mismas. El alumno debe elegir en una escala que va de 0 a 10 según su acuerdo o desacuerdo con las sentencias del cuestionario. Los cuestionarios aquí expuestos han sido analizados por los autores de este trabajo y otros dos expertos a partir de protocolos de corrección cuyos criterios y objetivos han sido previamente discutidos, de forma que la coincidencia en las interpretaciones ha sido practicamente total. Así mismo el análisis de las explicaciones escritas y de las grabaciones en casete de los grupos de las clases experimentales nos han ayudado a profundizar en el conocimiento del aprendizaje realizado por los estudiantes. Muestras elegidas y administración de los cuestionarios Como muestras experimentales se han tomado dos grupos de estudiantes que cursaban la asignatura de física y química de 1º de bachillerato (17 años) en sendos centros de bachillerato (instituto de Hondarribia y liceo Pasaia) de dos localidades próximas a San Sebastián. Ambos centros tienen financiación pública y el alumnado se puede considerar de clase media y media baja. Por otra parte, y con la finalidad de extremar las condiciones desfavorables del experimento, se han seleccionado dos grupos de control (64 estudiantes en total) que realizaban el mismo curso en sendos colegios privados de reconocido prestigio de San Sebastián. Este último alumnado se puede considerar de clase media y media-alta. La enseñanza en estos colegios privados viene caracterizada por la hegemonía de la transmisión verbal de los conocimientos elaborados en las clases. Éstas han sido impartidas por profesores con una larga experiencia docente. Así mismo, el programa desarrollado incluía los mismos contenidos conceptuales que el del grupo experimental y se dedicó aproximadamente el mismo tiempo a la impartición de la electricidad. Sin embargo, los materiales didácticos utilizados fueron diferentes, en el grupo de control, se utilizó el libro de texto habitual y, en el grupo experimental, el programa de actividades. Los cuestionarios han sido administrados a las muestras de la población de control y experimental después de haberse impartido el tema en cuestión con la pretensión de comprobar el aprendizaje logrado. El cuestionario para medir las actitudes de los estudiantes se pasó solamente a los grupos de las clases experimentales, ya que el tipo de preguntas no respondía a la dinámica de clase seguida por los estudiantes de los grupos de control. Así mismo, el cuestionario actitudinal fue contestado por los estudiantes experimentales en el último mes del curso de forma que pudieran hacerlo conociendo suficientemente la metodología de trabajo y poniéndonos en las condiciones más desfavorables para la contrastación de la hipótesis. Es bien sabido en la investigación que al final del curso es cuando el nivel de las actitudes de los estudiantes hacia la enseñanza-aprendizaje de las ciencias es mínimo. Lo contrario ocurre respecto a las expectativas y actitud al comienzo del curso académico. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS A la hora de intentar valorar el conocimiento explicativo y declarativo de los estudiantes, así como las actitudes hacia aspectos determinados del proceso de enseñanzaaprendizaje de la física y química, se han utilizado metodologías cuantitativas y cualitativas. Así, para el análisis de las formas de razonamiento (contenidos procedimentales y explicativos) de los estudiantes ante situaciones problemáticas, se ha utilizado un diseño cualitativo. Se han utilizado también metodologías cuantitativas para comparar los aprendizajes logrados en los grupos experimentales y de control. Finalmente se presenta el análisis y resultados de las actitudes de los estudiantes hacia aspectos del proceso de enseñanzaaprendizaje. Resultados del análisis de las pruebas escritas y de las transcripciones grabadas sobre las interpretaciones a diferentes situaciones problemáticas Pasaremos a continuación a exponer los resultados de las situaciones problemáticas (Apéndice I). Debido a la necesaria brevedad de este artículo, sólo expondremos los resultados obtenidos en las respuestas dadas por los estudiantes a la primera cuestión problemática. En relación con el análisis de las respuestas escritas de los grupos de trabajo en las clases experimentales a la situación problemática 1, tres de cada cuatro grupos de trabajo interpretaron correctamente la situación, en co- INNOVACIONES DIDÁCTICAS 326 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) herencia con el modelo teórico estudiado. En las respuestas correctas, el razonamiento empleado para interpretar la situación coincide básicamente con los criterios de corrección acordados por los autores del trabajo y los dos asesores externos. Un ejemplo de razonamiento considerado correcto es el siguiente: a) Al acercar la pajita cargada negativamente a las superficies neutras (que son consideradas como un solo cuerpo o superficie) se produce un fenómeno de inducción cuyo mecanismo consiste en que las cargas positivas de las superficies se ven atraídas hacia la pajita cargada negativamente y las cargas negativas se ven repelidas debido a la existencia de campo eléctrico (7 grupos) o de fuerzas de acción a distancia (2 grupos). b)De esta forma se produce una redistribución de cargas, produciéndose un traslado de cargas positivas hacia la derecha y negativas hacia la izquierda debido a que las superficies son metálicas y las cargas se pueden mover. Ya que en el programa de la asignatura, la parte de química y, en concreto, la estructura atómica de la materia se impartía después de la física, no se demuestra formalmente que las únicas cargas que se mueven en un metal son las negativas, ya que implicaría hablar de efectos electromagnéticos (efecto Hall) que no son adecuados a este nivel. Por tanto, en los criterios de evaluación de las explicaciones, hemos considerado como «correctas» aquéllas que hablaban tanto de cargas positivas como negativas en movimiento a través del metal, no haciendo de ello un criterio fundamental de la evaluación. c) Al separar ambas superficies quedarán cargadas y de signo contrario. La de la derecha, con carga de signo positivo, y la de la izquierda, con signo negativo. Esto es, al alejar la pajita de las dos superficies, quedan cargadas permanentemente. Algunos ejemplos que ilustran los razonamientos descritos son los siguientes: 1) Ejemplo de respuesta clasificada como correcta y que utiliza el modelo de acción a distancia para describir la inducción eléctrica (INB Hondarribia) «Al acercar la pajita (cargada negativamente) a las superficies de aluminio (neutras), las cargas positivas de las placas son atraídas por las negativas de la pajita, por inducción. Así la mayor parte de la carga positiva se va a la placa B, mientras que la mayor parte de la negativa se va a la pla-ca A. Al separar las placas, la placa A se queda cargada negativamente y la placa B, positivamente.» 2) Ejemplo de respuesta clasificada como correcta y que utiliza el modelo de campo eléctrico para describir la inducción eléctrica (Liceo Pasaia) Al acercar la pajita de plástico cargada negativamente a dos superficies de aluminio en contacto, hacen una sola masa, como si las dos superficies de aluminio fueran una solamente. Entonces, al acercar la pajita, por inducción, las cargas positivas del aluminio se acercan al lado de la pajita, porque son atraídas por el campo eléctrico generado por las cargas negativas de la pajita, y las cargas negativas de las superficies de aluminio son repelidas por el campo eléctrico generado por las cargas negativas de la pajita de plástico y desplazándose al lado opuesto del que se encuentra la pajita; así, la masa de aluminio tiene dos partes cargadas con distinto signo. Al separarlas, la superficie más alejada de la pajita queda cargada negativamente y la superficie de aluminio más cercana queda cargada positivamente. Respecto de las respuestas incorrectas, 3 de los grupos de trabajo razonan la situación planteada como una electrización por contacto aunque utilicen la palabra inducción; la secuencia del razonamiento siempre implica un «trasvase de cargas» de la pajita a la superficie de aluminio. Veamos algunos ejemplos de respuestas que siguen los razonamientos indicados: 1) Ejemplo de respuesta clasificada como incorrecta respecto al marco teórico actual (INB Hondarribia) «Al acercar la pajita cargada negativamente a la supeficie de aluminio de la derecha, quedará ésta cargada negativamente por inducción debido a que las cargas negativas de la pajita pasan a la superficie de aluminio, ya que el aire (aunque malo) es conductor. En cuanto a la pajita, quedará con carga positiva, ya que ha cedido cargas negativas a la superficie de aluminio.» 2) Ejemplo de respuesta clasificada como incorrecta respecto al marco teórico actual (Liceo Pasaia) «Al estar la pajita cargada negativamente, se produce un fenómeno de inducción; de esta forma algunas cargas negativas de la pajita pasarán a la superficie de alumnio que está más próxima. Entonces, la carga negativa se repartirá por las dos superficies de alumnio, quedando ambas cargadas negativamente.» Existen otros tipos de respuesta que en realidad contestan ambiguamente a la cuestión planteada, ya que no especifican el mecanismo por el cual se produce el proceso, indicando solamente que, al acercar la pajita cargada negativamente, la superficie más cercana queda «cargada por inducción.» Ejemplo de respuesta que no explicita el mecanismo de la inducción (Liceo Pasaia) «Al acercar la pajita cargada a la superficie de alumnio ésta queda cargada por inducción. Después la superficie de la derecha cede parte de su carga a la otra superficie de alumnio. Así, ambas superficies quedan cargadas pero de signo contrario.» A continuación se procedió al análisis de las transcripciones de las grabaciones realizadas a dos grupos de trabajo de cada una de las clases experimentales para esta primera cuestión. Veamos el análisis de los comentarios de uno de los grupos que razona de forma correcta: • Protocolo 1. Seguimiento de la discusión de un grupo de alumnos sobre el fenómeno de inducción eléctrica en dos superficies de aluminio producido por una pajita de plástico cargada 1Ana: –Al acercar la pajita cargada negativamente a la superficie 2 de la derecha, ésta se electriza por inducción. Las cargas se 3 reordenan por la atracción entre ellas. No sé si estará bien 4 dicho porque el campo eléctrico generado por cargas negativas... 5 atrae a las positivas. INNOVACIONES DIDÁCTICAS ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) 327 6Itziar: –Las cargas se reordenan debido a la atracción entre 7 el campo eléctrico y las cargas del aluminio y lo mejor es, 8 a cada paso, hacer un dibujo; así se explica mejor... por lo 9 que quedan las cargas positivas en la parte derecha, en la 10 parte cercana a la pajita, y luego, en la otra, en la izquierda, 11 quedarán las negativas. Eso pasa por la inducción. 12 Ana: –Claro. 13 Paula: –A ver, debido a la atracción entre el campo 14 eléctrico y las cargas de distinto signo del aluminio... por 15 lo tanto, no sé. 16 Ana: –Por lo tanto, las cargas positivas se van hacia el lado 17 de la pajita... las cargas positivas se van hacia el lado donde 18 se encuentra la pajita cargada negativamente. 19 Itziar: –Entonces, ahora, dibujamos las cargas en la superficie 20 de la derecha electrizada por inducción. 21 Paula: –¿Y añadimos cargas positivas? 22 Ana: –Esto está neutro todavía. 23 Paula: –No, no, ahora hay más cargas positivas aquí. 24 Ana: –No, lo que ocurre es que luego, al retirar la superficie 25 de la izquierda, sí queda con cargas positivas. 25 Paula: –Claro en contacto con la otra superficie. 26 Itziar: –Ahora, pongo el mismo número de cargas positivas 27 y negativas. 28 Itziar: –Ahora la superficie de la izquierda. Podemos 29 poner que, como está en contacto con el de la derecha, se 30 electriza por contacto de la siguiente manera: cuando la 31 otrase ha ordenado, nos habían quedado las cargas positivas 32 a la derecha y las negativa a la izquierda. Entonces, 33 tenemos el otro cuerpo, y debido al contacto... 34 Ana: –Las cargas negativas pasan de la superficie de la 35 derecha a la de la izquierda. Y la primera, al perder cargas 36 negativas, se carga positivamente. El protocolo 1 corresponde a la mitad de la discusión. Durante la misma, las estudiantes Ana e Itziar explican correctamente el fenómeno de inducción mediante la influencia del campo eléctrico generado por las cargas negativas de la pajita (líneas 1 a 5 de Ana y 6 a 11 de Itziar) entre la pajita y la superficie de la derecha. De la misma manera explican correctamente la carga de las superficies de aluminio (líneas 24, 25 y 34 a 36 de Ana; y 28 a 33 de Itziar). Sin embargo, las opiniones de Paula (líneas 13, 14, 15 y 23) indican que no entiende bien el razonamiento de sus compañeras. Esto queda ratificado en el protocolo 2 que indicamos a continuación. • Protocolo 2. Seguimiento de un razonamiento incorrecto discordante con el razonamiento general empleado por el grupo en el protocolo 1. 1Itziar: –Resumiendo, al acercar una pajita cargada nega2 tivamente a la superficie de la derecha, ésta se electriza por 3 inducción. Las cargas se reordenan debido a la atracción 4 entre el campo eléctrico de la pajita y las cargas del 5 aluminio; por lo tanto, las positivas se van hacia la derecha 6 y además podemos indicar que el número de cargas no 7 varía. 8Paula: –¡Ah!, bueno... pon: en la electrización por inducción 9 el número de cargas no varía, simplemente es una reordenación 10 de éstas. Yo creo que esto lo tenemos mal, pero bueno. Yo 11 creo que pasa algo en estos dos cuerpos al retirar la pajita. 11 Ana: –Pero no ves que ya tiene más cargas negativas 12 cuando la superficie de la izquierda se separa. 13 Paula: –Bueno, lo dejamos así. El protocolo 2 corresponde al final de la discusión cuando las estudiantes se encuentran realizando el informe por escrito del fenómeno analizado. Queda claro (líneas 8 a 11) que Paula no comparte las explicaciones de sus compañeras y parece inclinarse por algún tipo de «trasvase de cargas» entre el aluminio y la pajita. Sin embargo, al final accede. A continuación vamos a mostrar un ejemplo del razonamiento incorrecto que confirma el detectado en las pruebas escritas. Es el siguiente: • Protocolo 3. Seguimiento de la discusión de otro grupo de alumnos sobre el fenómeno de inducción eléctrica en dos superficies de aluminio producido por una pajita de plástico cargada 1Nerea: –Las superficies de aluminio tienen la misma 2 carga, o sea, están descargadas, son neutras. Entonces si 3 les añades la pajita de plástico, que está cargada, se van a 4 cargar y, como tienen la misma carga, se van a repeler y 5 se van a separar. Entonces, ¿cuál es el signo de la carga de 6 cada superficie? 7Maider: –La misma. 8Edurne: –Positiva o negativa, ¿qué carga es? 9Saioa: –Negativa, porque siempre se tiende a soltar electrones, 10 no protones. 11 Maider: –Además ya pone que tiene negativo. 12 Edurne: –Si la pajita es negativa... 13 Nerea: –No, la pajita se queda con positivo y estos dos con 14 negativo. 15 Maider: –Claro, ésta está negativa y pasas electrones a las 16 cajitas de aluminio, o sea, a las superficies de aluminio, y 17 la pajita se queda con positivo. El protocolo 3 corresponde al inicio de la discusión. Durante la discusión de las estudiantes, Nerea dice que hay una transferencia de cargas entre la pajita y las superficies de aluminio (líneas 1 a 6). Esta idea se concreta cuando las estudiantes intentan definir el signo de las superficies de aluminio (Saioa, líneas 9 y 10; Nerea líneas 13 y 14). Por último, Maider resume la idea de transferencia de cargas entre la pajita y las superficies de aluminio (líneas 15 a 17). • Protocolo 4. Continuación del protocolo 3 1Nerea: –Ponemos en la hoja de respuesta que la pajita está 2 cargada negativamente y carga las dos superficies por 3 inducción. 4Edurne: –¿Cómo, que ésta carga por inducción? 5Nerea: –Esta carga por inducción las superficies de aluminio 6 negativamente, quedándose ella con carga positiva. Los 7 electrones son los que más facilidad tienen para saltar. 8Maider: –De la pajita cargada negativamente. INNOVACIONES DIDÁCTICAS 334 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2001, 19 (2) ANEXO II Cuestionario para comparar el aprendizaje conceptual logrado en la introducción del concepto de campo eléctrico. 1) La figura muestra un bote metálico cargado negativamente. ¿Qué sucederá al introducir un péndulo cargado positivamente dentro del mismo? Véase figura. + - - - - - - - - - - - - - - 2) En el punto P del espacio próximo a Q (Fig. 1a) se ha representado el valor de la intensidad del campo E en dicho punto. ¿Cuál sería la representación que le correspondería a la intensidad del campo eléctrico en ese punto si se coloca allí una carga negativa muy pequeña (Fig. 1b)? Dibújala y explica tu contestación. 1a 1b P E P q 3) A una cierta distancia de una carga Q se coloca otra carga q. ¿Las fuerzas que se ejercen ambas cargas serán instantáneas? Explica la respuesta. 4) La figura representa las líneas de campo eléctrico correspondientes a un conductor esférico cargado cerca de un conductor esférico sin carga. a) Explica la forma de las líneas de campo. b) Ordena los puntos A,B y C de mayor a menor intensidad de campo, razonando cómo lo haces.