Representaciones mentales, lenguages y códigos en la enseñanza de las ciencias naturales : un ejemplo para el aprendizaje del concepto de reacción química a partir del concepto de mezcla

ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1), 107-121 107 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA REPRESENTACIONES MENTALES, LENGUAJES Y CÓDIGOS EN LA ENSEÑANZA DE CIENCIAS NATURALES. UN EJEMPLO PARA EL APRENDIZAJE DEL CONCEPTO DE REACCIÓN QUÍMICA A PARTIR DEL CONCEPTO DE MEZCLA GALAGOVSKY, LYDIA R.1,2, RODRÍGUEZ, MARÍA ALEJANDRA2, STAMATI, NORA2 y MORALES, LAURA F. 2 1Centro de Formación e Investigación en Enseñanza de las Ciencias Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires Ciudad Universitaria, Pabellón II. 1428 Buenos Aires. Argentina 2 Universidad Nacional de General San Martín, Peatonal 52. 3568 (1560) Provincia de Buenos Aires. Argentina [email protected] Resumen. Las propuestas formuladas por Johnstone acerca del uso de tres niveles de representaciones mentales para quien enseña química y de un modelo sencillo de aprendizaje basado en la importancia de los aprendizajes previos son el marco teórico del presente trabajo. Nuestro objetivo se centró en indagar la adquisición del aprendizaje del concepto de reacción química a partir del concepto de mezcla, sobre dos grupos de alumnos diferentes, de 16-17 años. El trabajo nos permitió revisar críticamente el marco teórico, tomar conciencia de la diversidad de lenguajes que utilizamos durante la enseñanza y de la importancia de explicitar los códigos de cada lenguaje para mejorar la comunicación entre docentes y alumnos. Palabras clave. Memoria, lenguajes, representaciones mentales, reacción química, mezcla. Summary. Johnstone’s suggestions concerning three levels for mental representations of the chemical thinking and a simple learning model based on the importance of the knowledge already achieved are the theoretical frame for the present work. Our aim was to investigate the acquisition of the concept of chemical reaction starting with the already known concept of mix, with two groups of students of 16-17 years old. The work done allowed us both to do a critical review of the theoretical frame and to be aware of the diversity of languages we use to teach. This last point showed us the importance of making explicit the codes within each language used in order to enhance communication between professors and students. Keywords. Memory, languages, mental representation, chemical reaction, mix. INTRODUCCIÓN Las investigaciones y propuestas hechas por el profesor Johnstone (1982, 1991, 1997, 1999) concernientes a la enseñanza de las ciencias y, en particular, de la química, basadas en teorías de funcionamiento de la memoria, brindan una plataforma teórica muy interesante para elaborar y poner a prueba hipótesis relacionadas con procesos de enseñanza y aprendizaje de temas de química en el aula. En el presente artículo mostramos una indagación de tipo cualitativo que nos permitió, por un lado, confirmar la afirmación de Johnstone que dice: «Lo que realmente sabemos y entendemos controla lo que aprendemos.»; y, por otro lado, reformular la propuesta de este autor acerca de los tres niveles de pensamiento que se requieren para saber química (Johnstone, 1991). INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 108 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) EL MARCO TEÓRICO La memoria perceptiva y los aprendizajes previos condicionan lo que aprendemos La mayoría de los conceptos que nos son familiares tienen algo de tangible, algo que puede ser reconocido por nuestros sentidos. El aprendizaje de este tipo de conceptos nos resulta más sencillo que el de conceptos abstractos. Johnstone (1991) plantea que la mayoría de los conceptos que se utilizan en química no tienen un medio sencillo y directo de ser percibidos por vía sensible. Cuando hablamos de elemento o compuesto, no tenemos una forma inmediata de hacer percibir estas ideas a los estudiantes. Ejemplos de elementos pueden ser polvos amarillos, gases incoloros o líquidos marrones, pero éstos también pueden ser ejemplos de compuestos o de mezclas. ¿Cuáles son sus puntos en común, cuáles son sus rasgos diferenciales? Para un experto, estos aspectos son evidentes, pero ¿son tan sencillos de comprender para un alumno que comienza a aprender química? Conceptos tales como electrón, unión química, fotones, moléculas, etc. son ideas que están más allá de nuestros sentidos, y los alumnos no tienen experiencia previa que les facilite dar un significado preciso a estas palabras. Las investigaciones sobre educación en química revelan que, aunque demuestran cierta habilidad en aprobar los exámenes, los estudiantes evidencian errores conceptuales difíciles de superar (Ben Zvi, 1992; Taber, 1998). Para poder hacer inferencias acerca de posibles explicaciones sobre esta distancia entre lo que se enseña y lo que realmente aprenden los alumnos, Johnstone (1997, 1999) propone utilizar el modelo de aprendizaje que se muestra en la figura 1 partiendo de las siguientes premisas: a) Las percepciones que registramos a través de los sentidos no son objetivas, están filtradas e interpretadas en forma idiosincrática. b) Lo que ya sabemos, lo que está guardado en nuestro banco de memoria a largo plazo (MLP) (Mayer, 1985), es lo que controla la significación que damos a las nuevas informaciones sensoriales que recibimos, es decir, condiciona nuestro filtro perceptivo. c) Nuestra memoria de trabajo (MT) es esa parte de nuestra actividad mental que, conscientemente, presta atención a una situación dada y piensa sobre ella. Es la que se fija en la percepción que ha entrado y trata de otorgarle un sentido. d) Dar sentido a algo es colocarlo, ubicarlo, agregarlo a algo ya conocido o a algo en que se cree. e) La MT tiene dos funciones: una es sostener momentáneamente la información en el foco de la atención –en la memoria de corto plazo– y la otra es darle un formato a esa información para guardarla, utilizarla o decidir descartarla. Esta memoria de trabajo tiene una capacidad limitada, saturándose si la cantidad de información recibida es demasiada o si su procesamiento es demasiado complicado. f) Una información que satura o sobrepasa la capacidad de MT de un sujeto no podrá ser procesada por él. Cuando un alumno se encuentra por primera vez con conceptos de química, sus sentidos ya no le permiten aprender mediante la percepción directa. Los conceptos de la química son entes abstractos, mediados por interpretaciones simbólicas. Los docentes intentamos hacer dibujos, analogías, experiencias de laboratorio, además de dar definiciones, reglas, leyes y teorías, pero, aun así, estas acciones acaban provocando bases conceptuales erróneas o forzanFigura 1 Modelo de aprendizaje propuesto por Johnstone (1997) en que se muestra cómo los aprendizajes anteriores condicionan los nuevos. Memoria de trabajo Circuito de retroalimentación del filtro perceptivo Eventos Observaciones Instrucciones Filtro perceptual Interpretar Acomodar Comparar Guardar Preparar Guardar Algunas veces muy relacionada Algunas veces fragmentada Recuperar Memoria de largo plazo Filtro perceptual ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) 109 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA do a aprendizajes memorísticos, fragmentados e, incluso, sin sentido. Niveles de representación mental para los fenómenos naturales Johnstone (1982, 1991) propuso para las ciencias naturales, y para la química en particular, los niveles macroscópico, submicroscópico y simbólico de pensamiento, relacionados en el triángulo que se muestra en la figura 2. El nivel macroscópico corresponde a las representaciones mentales adquiridas a partir de la experiencia sensorial directa. Este nivel se construye mediante la información proveniente de nuestros sentidos, basada en propiedades organolépticas, visuales, auditivas y táctiles. Todos los sistemas materiales que manipulamos podemos caracterizarlos mediante descripciones sensoriales que aportan información a este nivel. Un vaso con un líquido, un vaso vacío o un vaso con un polvo se perciben de esa forma. Suponer o interpretar que el líquido puede estar puro o ser una solución, que el vaso vacío está lleno con una solución gaseosa (aire) o que el polvo es una mezcla imperceptible con una composición dada, no son percepciones directamente inferidas del nivel macroscópico. El nivel submicroscópico, según Johnstone, hace referencia a las representaciones abstractas, modelos que tiene en su mente un experto en química asociados a esquemas de partículas. Ejemplos de este nivel son las imágenes de esferitas que solemos utilizar para describir el estado sólido de una sustancia pura, o sus cambios de estado, o sus transformaciones químicas, que se corresponden con una representación mental de lo que sucede según el modelo particulado de la materia. El tercer nivel, el simbólico, involucraría formas de expresar conceptos químicos mediante fórmulas, ecuaciones químicas, expresiones matemáticas, gráficos, definiciones, etc. Según este triángulo, un experto en química que piensa en la reacción entre el nitrato de plata y el cloruro de sodio, ambos en solución acuosa, estaría manejando simultáneamente los tres niveles de pensamiento. Por ejemplo: En el nivel macroscópico, el experto sabe que al combinar ambos líquidos incoloros y transparentes se produce un precipitado blanco. Simultáneamente, puede pensar en el nivel submicroscópico y describir la reacción mediante un esquema de partículas como esferitas, en el que se representan reactivos, productos y, eventualmente, el solvente. Estos esquemas de partículas utilizan formas y colores que otro experto –otro profesor– podría identificar fácilmente porque puede reconstruir mentalmente el sistema apropiado. El alumno, en cambio, puede creer que así se «ven» los átomos, incluso con esos colores. Finalmente, en el nivel simbólico podríamos relatar lo ocurrido con palabras, o mediante fórmulas, por ejemplo, escribiendo: AgNO3 + NaCl → AgCl + NaNO3 o bien Ag1+(aq) + NO3 1- (aq) + Na1+(aq) + Cl1-(aq) → AgCl (s) + NaNO3 (aq) Un docente que está explicando este fenómeno químico a sus alumnos está pensando en los tres niveles representacionales propuestos por Johnstone, simultáneamente, aunque en su discurso sólo explicita información en cada uno de ellos alternativa y secuencialmente. El docente, en general, no es consciente de la demanda real que debe soportar la memoria de trabajo de los alumnos, para procesar la información que está recibiendo, ni de que para ellos los dibujos y explicaciones no tienen anclaje directo en la percepción macroscópica del fenómeno. Las investigaciones de otros autores reforzarían los problemas planteados por Johnstone, en el sentido de que los alumnos no manejan simultáneamente los niveles representacionales indicados, al intentar explicar un fenómeno químico. Boujaude (1991) estudió la comprensión de la combustión y Gabriela y otros (1990) estudiaron la comprensión de reacciones químicas y procesos espontáneos y encontraron que los estudiantes tienden a explicar fenómenos químicos usando, fundamentalmente, un criterio visual relacionado con las propiedades macroscópicas. Asimismo, la comprensión de los estudiantes acerca de las fórmulas químicas y de las ecuaciones está muy relacionada con la conceptualización que hayan hecho sobre las partículas. Numerosos estudios (Ben Zvi, Eylon y Siberstein, 1982; Yarroch, 1985; Maloney y Friedel, 1991; Friedel y Maloney, 1992) indican que los estudiantes de química de nivel secundario no asocian las fórmulas químicas con una apropiada representación de nivel particulado, muestran dificultad en relacionar el subíndice de las fórmulas químicas con el número apropiado de átomos en dibujos que representaban las partículas o cuando se les pedía que las dibujaran ellos. Yarroch demostró que los estudiantes no distinguen entre los coeficientes que preceden a las fórmulas y los subíndices que indican atomicidad. Niaz y Lawson (1985) también encontraron que, incluso entre los estudiantes que eligieron química Figura 2 Niveles representacionales en química, según Johnstone (1982). Nivel macroscópico Nivel simbólico Nivel submicroscópico INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 110 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) como asignatura complementaria, se ponía de manifiesto la dificultad para ajustar ecuaciones. Todos estos autores coinciden en que las ideas sobre la discontinuidad de la materia, sobre que sus partículas están en movimiento y que una colección de esas partículas tiene propiedades diferentes de las de una sola de dichas partículas, no son ideas intuitivas. Estas y otras ideas relativas a las propiedades de la materia son muy abstractas y, consecuentemente, difíciles de entender para los alumnos. OBJETIVOS DE LA INDAGACIÓN El objetivo de nuestra investigación fue el de poner a prueba la aplicabilidad del triángulo de Johnstone durante el proceso de aprendizaje de química, centrándonos en la construcción del concepto de reacción química. Las preguntas que guiaron la investigación fueron: 1) ¿Cuáles son los niveles representacionales de la química más accesibles para los alumnos? 2) ¿Cuáles son las dificultades u obstáculos epistemológicos que entorpecen la movilidad entre los niveles representacionales? 3) ¿Son los niveles representacionales de Johnstone (1982) aplicables a una investigación sobre aprendizaje, o son sólo aplicables como sugerencias para la enseñanza? 4) ¿Qué tipo de acciones didácticas favorecerían la movilidad entre niveles representacionales? Dado que nos centrarnos en el aprendizaje del concepto reacción química en alumnos de 16-17 años que ven química por primera vez en la escuela, y dada la complejidad de este concepto (Solsona et al., 1998, 2001), los objetivos específicos de este trabajo fueron: 1) Detectar las representaciones mentales de los alumnos acerca de la experiencia de producir una reacción química exclusivamente a partir del calentamiento de una mezcla (caso azufre y limaduras de hierro). 2) Analizar la validez de la aplicación de los tres niveles de representación de Johnstone en alumnos que deben aprender el concepto de reacción química por primera vez. DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA Metodología La indagación fue de tipo cualitativo, según un paradigma interpretativo con diseño descriptivo. Este diseño nos permitió recoger información, identificar dificultades, realizar comparaciones y evaluaciones y proponer posibles cambios en la práctica pedagógica del campo de la química en particular. En este sentido, la muestra de alumnos seleccionada no se considerará representativa del universo de alumnos que cursan química en el nivel seleccionado. De ningún modo pretendemos llegar a abstracciones generales de carácter universal, ya que concebimos la realidad educativa como múltiple e intangible; por lo tanto, la investigación en este campo tenderá a diverger y no podrá determinarse una única verdad, ni será posible la predicción ni el control (Colás Bravo y Buendía Eisman, 1994). La propia docente de las clases recogió los datos, basados en la observación con registro simultáneo y posterior de los hechos ocurridos en clase, y las respuestas a los cuestionarios. Todas las actividades realizadas por los alumnos admitieron la discusión grupal, pero las producciones escritas fueron siempre individuales. El análisis de las respuestas de los alumnos permitió categorizarlas e indicar sus porcentajes, aunque ello no revistió en sí mismo un interés cuantitativo. Muestra El estudio se realizó con dos grupos de alumnos (Rodríguez, 2001): el primero, denominado grupo A, formado por 20 alumnas que cursaban 4º año de bachillerato; el segundo grupo, denominado grupo B, estaba conformado por 48 alumnos varones que cursaban el tercer año de escuela técnica con orientación electromecánica1. Para ambos grupos éste era su primer curso de química y asistían a tres clases semanales de química de 40 minutos cada una. En el momento de iniciar la enseñanza del tema de reacciones químicas, habían desarrollado idéntica secuencia de contenidos: materia, estados y cambios de estado; modelo cinéticomolecular; fenómenos físicos y químicos; mezcla heterogénea y homogénea; métodos de separación y fraccionamiento; sustancias simples y compuestas; estructura atómica: configuración electrónica; iones; tabla periódica; propiedades periódicas: electronegatividad y electropositividad; enlaces químicos: iónico, covalente, metálico; estructuras de Lewis; nomenclatura y fórmulas de óxidos. Actividades • Actividad 1 Cada grupo de cuatro alumnos recibió dos vidrios de reloj, uno con azufre en polvo y otro con limaduras de hierro, una varilla de vidrio, un imán, un mortero con pilón y un cuestionario (Cuadro I) cuya respuesta debía ser individual. • Actividad 2 Una vez respondidas las preguntas 1 a 5, los alumnos recibían un material adicional: un mechero, un trípode, una tela metálica, una gradilla, un tubo de ensayo, una pinza de madera, un vaso de precipitados con agua, una espátula. Luego, se les solicitó que contestaran las preguntas 6 a 8 (Cuadro I), siempre con discusión grupal pero con respuestas individuales. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) 111 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA Cuadro I Cuestionario de la actividad 1 1) Si se colocan el azufre y el hierro en el mismo vidrio de reloj. ¿Qué se obtiene? 2) ¿Cómo de podría esquematizar lo obtenido? 3) ¿Podrían separarse nuevamente el azufre del hierro? ¿Cómo? 4) En caso de responder afirmativamente a la pregunta anterior, ¿por qué? 5) ¿Es posible producir una reacción química entre el azufre y el hierro? ¿Por qué? Cuestionario de la actividad 2 Teniendo en cuenta el siguiente material: un mechero, un trípode, una tela metálica, una gradilla, un tubo de ensayo, una pinza de madera, un vaso de precipitados y una espátula; y empleándolo según consideres más apropiado, responde por escrito: 6) ¿Cómo puede procederse para verificar lo respondido en la pregunta anterior? (Pregunta 5) 7) Caracterice y fundamente el fenómeno producido. 8) Realice un esquema que muestre el fenómeno producido al calentar una mezcla de azufre y hierro. Objetivos de las actividades Nuestra expectativa era que la mayoría de los alumnos recordaría que la mezcla de polvo de azufre y limaduras de hierro tiene la posibilidad de separarse mediante el uso de un imán, ya que esto había sido enseñado unas diez clases antes, al tratar el tema de sistemas heterogéneos de mezclas sólidas. Responder a los cuestionarios tenía tres objetivos principales: 1) Para las preguntas 1 a 4: indagar los conocimientos previos y las representaciones mentales de los alumnos respecto a qué es una mezcla heterogénea y cómo representarla a nivel submicroscópico. 2) Para la pregunta 5: indagar sobre obstáculos epistemológicos en la adquisición del concepto de cambio químico. 3) Para las preguntas 6-8: indagar la facilidad o dificultad en reconocer conceptualmente la diferencia entre una mezcla y una reacción química, y los niveles representacionales de Johnstone –macroscópico, submicroscópico y simbólico– disponibles para diferenciar, expresar y simbolizar dichos cambios. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS PARA LA ACTIVIDAD 1 Respuestas a las preguntas 1-4 para el grupo A A continuación desglosaremos el análisis de las respuestas de las alumnas a cada pregunta del cuestionario de la actividad 1. Pregunta 1: Si colocan el azufre y el hierro en el mismo vidrio de reloj, ¿qué se obtiene? Todas las alumnas respondieron que el sistema era heterogéneo porque presentaba fases. La respuesta evidenciaba que las alumnas poseían conocimiento sobre sistemas heterogéneos. Este tema había sido trabajado en las clases anteriores desde varios ejemplos, incluido el de la mezcla de hierro y azufre. Pregunta 2: ¿Cómo podrían esquematizar lo obtenido? El 33% de las alumnas realizó un esquema donde se mostraba un color amarillo difuso, esparcido y puntitos o rayitas negras dispersadas en la masa de color amarillo. Este dibujo mostró claramente que las alumnas representaron lo percibido por sus sentidos: las características del nivel macroscópico de la mezcla en cuestión. Un 55% de las alumnas empleó en sus esquemas un símbolo gráfico para el azufre y otro para el hierro: triángulos y rayitas, o círculos y cruces, etc.; no agregaron color ni explicación alguna para los símbolos utilizados. Entendemos que este tipo de dibujos se refieren a la representación de un nivel submicroscópico –según Johnstone– del sistema, eligiendo un código de dos formas diferentes para mostrar las partículas que no se ven a simple vista. Un 12% de las alumnas realizó esquemas donde se superponían rasgos de los dibujos anteriores: utilizando dos formas diferentes para simbolizar las partículas de azufre y de hierro pero, además, al azufre lo pintaron de amarillo y las partículas de hierro fueron bien remarcadas en color oscuro. Este tipo de representación no se corresponde exactamente con ninguno de los niveles propuestos por Johnstone. Son los trabajos de Driver (1981, 1992) los que dan mejor cuenta de esta tendencia según la cual muchos alumnos aceptan el modelo particulado de la materia, pero en sus representaciones mentales adjudican a las partículas propiedades observables, características del nivel macroscópico2. La existencia de este nuevo nivel representacional indicaría que, si bien el triángulo de Johnstone debería tenerse en cuenta al enseñar conceptos químicos –ya que el experto tiene movilidad mental entre los niveles macroscópicos, submicroscópico y simbólico–, debe reconocerse que los novatos, durante el proceso de aprendizaje de dichos conceptos, atravesarían por un nivel representacional intermedio, erróneo, entre el macroscópico y el submicroscópico. Este nuevo nivel, al que hemos denominado nivel de representación semiparticulado (Fig. 3), daría cuenta de una correspondencia entre la forma de representar aspectos perceptivos de un fenómeno y los conocidos trabajos so- INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 112 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) bre ideas alternativas adquiridas durante la instrucción de los alumnos (Driver, 1992). Esta categorización aquí presentada se verá confirmada en el análisis de las respuestas a la pregunta 8. Pregunta 3: ¿Podrían separarse nuevamente el azufre del hierro? ¿Cómo? Todas las alumnas respondieron «por medio del imán», poniendo de manifiesto lo que habían aprendido cuando estudiaron sistemas heterogéneos. Pregunta 4: En caso de responder afirmativamente a la pregunta anterior, ¿por qué? Las respuestas obtenidas y sus porcentajes se muestran en la tabla I. Se observa que todas las respuestas fueron correctas y, además, un 22% distinguió entre el concepto de mezcla y el concepto de cambio químico, que habían sido enseñados como introducción a la asignatura, en referencia al cambio físico3. Con las respuestas obtenidas en las primeras cuatro preguntas inferimos que las alumnas conocían el concepto de mezcla. Sin embargo, mientras en las respuestas 1, 3 y 4 que requerían un lenguaje de tipo verbal, el éxito fue de un 100%, en la respuesta 2, que demandó la realización de un esquema, sólo un 55% de las alumnas se expresó mediante el nivel representacional submicroscópico esperado. Este resultado nos sugiere fuertemente que el término esquematizar no tiene el mismo significado para expertos y novatos. Para la docente, esquematizar era sinónimo de «dibujar el sistema estudiado utilizando exclusivamente códigos donde se distinguieran las partículas, que no pueden ser observadas a simple vista»; pero para el 45% de las alumnas, esquematizar remitió a dibujar aspectos macroscópicos de la experiencia observada. Una conclusión importante, que se desprende de estos resultados, es el hecho de que las interpretaciones a nivel submicroscópico de fenómenos macroscópicos no son intuitivas para los alumnos. Desde nuestra perspectiva, proponemos que el nivel submicroscópico es, en sí mismo, un nivel simbólico. En la figura 4 mostramos esta perspectiva que modifica la recomendación de Johnstone respecto de la existencia de tres niveles representacionales para la química (Fig. 2) proponiendo la existencia de sólo dos niveles representacionales –el macroscópico y el simbólico– y la consideración de que el nivel submicroscópico de Johnstone es, en realidad, un caso especial de nivel simbólico que interpreta explicaciones mediante esquemas de partículas, expresándose a través de un lenguaje gráfico que utiliza códigos específicos. Esta perspectiva puede aclararse con un ejemplo como el que sigue. Para explicar cambios de estado de la materia, los docentes recurrimos a dibujos de esferitas para representar las Figura 3 Nivel de interpretación semiparticulado detectado durante el aprendizaje erróneo de conceptos químicos. Tabla I Respuestas de las alumnas del grupo A a la pregunta 4. Respuesta Porcentaje El hierro tiene propiedades ferromagnéticas. 22 % El hierro tiene propiedades ferromagnéticas y el azufre no. 56 % El hierro es atraído por el imán porque tiene propiedades ferromagnéticas, el azufre no, y no hubo cambio químico. 22 % NIVEL SUBMISCROSCÓPICO Requiere conocimientos sobre entidades no perceptuales para hacer una interpretación particular de la materia. Se expresa mediante un lenguaje gráfico que utiliza códigos específicos NIVEL SEMIPARTICULADO Durante el aprendizaje de química existe una tendencia a otorgar rasgos perceptibles a entidades –conceptos– no perceptibles NIVEL MACROSCÓPICO Requiere, simplemente, el registro de datos perceptibles por los sentidos. Se expresa mediante lenguaje visual y verbal ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) 113 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA Tabla II Respuestas de las alumnas del grupo A a la pregunta 5. Respuestas Porcentaje No es posible porque, al acercar el imán, 44 % el hierro vuelve a su estado original. Cada sustancia conserva sus propiedades y se diferencian sus partículas a simple vista. No se puede producir un cambio de sustancia. 22 % No, porque lo que hicimos fue un cambio físico. 17 % Sí, porque el azufre es un no-metal y el hierro 17 % es un metal. Pueden formar un enlace iónico. En este caso no sería porque no hubo cambio químico. partículas involucradas en los procesos de fusión y ebullición. La separación entre esferitas nos permite mostrar cómo varían las distancias intermoleculares en cada uno de los estados. Cada esferita equivaldría, por ejemplo, a una molécula de agua. En otro momento, para explicar la formación de moléculas, podemos dibujar esferitas como equivalentes a diferentes átomos y no ya a una molécula como en el caso anterior. Finalmente, en un tercer momento, haciendo esquemas sobre solubilidad de una red cristalina iónica, podremos dibujar esferitas para mostrar la disposición de cationes y aniones en dicha red; en este caso, las esferitas equivaldrían a iones. En este ejemplo mostramos que, generalmente, los docentes usamos esferitas para esquematizar especies químicas diversas, con un código diferente cada vez. Los docentes, como expertos, entendemos perfectamente la equivalencia de las esferitas en cada caso; sin embargo, es probable que los alumnos no comprendan fácilmente estos cambios de códigos. Respuestas a las preguntas 1-4 del grupo B El análisis de las respuestas es el siguiente: Formatos sintácticos Nivel macroscópico Nivel simbólico QUÍMICA Esquema con partículas Lenguaje gráfico Códigos Lenguajes sus contenidos se expresan en diferentes utilizan son un tipo especial de representaciones dentro del se describe a es un tipo de utilizan Figura 4 Reconsideración del triángulo de Johnstone (Fig. 2): el nivel submicroscópico se considera ahora como un caso especial de representaciones mediante esquemas de partículas y se incluye en el nivel simbólico. Figura 5 El 91 % de los alumnos del grupo B respondió a la pregunta 2 desde el nivel submicroscópico (Johnstone), utilizando tres tipos de códigos. Figura 5a Figura 5b Figura 5c INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 114 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) Las respuestas indicaron que, para este grupo de alumnos, existe mayor consenso en el significado de representación a nivel de esquemas de partículas para la consigna «esquematizar». El hecho de que estos alumnos mostraran una gran variedad de códigos para expresarse refuerza nuestra crítica al triángulo de la figura 2 y la necesidad de incluir este nivel submicroscópico como un lenguaje gráfico particular, dentro del nivel simbólico, según mostramos en la figura 4. Pregunta 3: ¿Podría separar el azufre del hierro? ¿Cómo? Los alumnos unánimemente contestaron: «por medio del imán». Entendemos que con esta respuesta estarían ratificando su conocimiento desde el nivel perceptual macroscópico. Pregunta 4: En caso de responder afirmativamente a la pregunta anterior, ¿por qué? Todos respondieron: «Porque el hierro tiene propiedades ferromagnéticas». Se observaron coincidencias en las respuestas de tipo verbal entre los alumnos de ambos grupos, en tanto que la mayor diferencia se encontró al solicitar expresiones mediante lenguaje gráfico, tal como mostramos en la figura 5. SUGERENCIAS DIDÁCTICAS A PARTIR DE CONCLUSIONES PARCIALES Los análisis expresados hasta aquí permiten elaborar las siguientes propuestas didácticas. • Los alumnos tienden a expresarse con más seguridad y con menos errores mediante el lenguaje verbal, probablemente debido a que este tipo de lenguaje es el más usado en clase, en sus variantes oral y escrita (en explicaciones, apuntes y textos). La tendencia a expresarse con un lenguaje verbal correcto puede ocultar aprendizajes exclusivamente memorísticos. Debemos tener en cuenta que los docentes, como expertos en la disciplina, articulamos permanentemente descripciones a nivel macroscópico (tales como experiencias de laboratorio), expresadas mediante lenguaje verbal y visual, con explicaciones que las interpretan en un nivel simbólico. Tales explicaciones utilizan variados lenguajes además del verbal, por ejemplo, el lenguaje gráfico (para representar esquemas de partículas o bien variables en coordenadas de reacción o en ejes cartesianos, etc.). Otro tipo de lenguaje es aquél que utiliza fórmulas, ya sean éstas matemáticas o químicas; podríamos denominarlo lenguaje formal. Así, las explicaciones del experto utilizan complementariamente distintos lenguajes, como se muestra en la figura 6. Los lenguajes están caracterizados por utilizar códigos y formatos sintácticos convencionales y consensuados. Es importante estimular a los alumnos para que se expresen también mediante otros tipos de lenguajes, además del Pregunta 1: Si colocan el azufre y el hierro en el mismo vidrio de reloj, ¿qué se obtiene? Las respuestas fueron 100% correctas y, al igual que en el grupo A, apelaban al concepto de fase (un 78%); un 22% hizo referencia a que «cada sustancia conserva sus propiedades». Pregunta 2: ¿Cómo podría esquematizar lo obtenido? A diferencia del grupo A, ningún alumno de este grupo utilizó el nivel macroscópico para esquematizar el sistema. Un 9% utilizó el nivel que hemos denominado semiparticulado (Fig. 3). El 91% de los alumnos se inclinó por realizar esquemas de partículas (considerados antes como nivel submicroscópico, según Johnstone), utilizando códigos diferentes, según se muestra en la figura 5. El 47% de ellos empleó códigos geométricos dibujando círculos para el azufre y cruces para el hierro (Fig. 5a). Un 11% dibujó una A encerrada en un círculo para indicar partículas de azufre, y una H encerrada en un círculo para indicar partículas de hierro. Es decir, eligieron un código que se corresponde con la primera letra del nombre de cada sustancia para identificar cada partícula de la misma (Fig. 5b). El 33% restante prefirió utilizar los símbolos de los elementos químicos, encerrándolos en un círculo (Fig. 5c). Figura 6 Niveles de interpretación y lenguajes utilizados complementariamente por un experto en química. Nivel simbólico Experiencias de laboratorio Eventos con materiales concretos Un experto en química Lenguajes Códigos Formatos sintácticos Nivel macroscópico Lenguaje gráfico Lenguaje formal Lenguaje verbal Lenguaje visual se expesa mediante describe, por ejemplo, articula permanentemente interpretaciones Pueden ser utilizan utiliza ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) 115 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA verbal. Si el cruce de expresiones en lenguajes diferentes muestra incoherencias éstas pueden estar evidenciando errores en el aprendizaje. • Los alumnos suelen otorgar propiedades macroscópicas a las partículas de nivel atómico o molecular (Fig. 3), tal como pintar de amarillo las partículas del elemento azufre. Esta tendencia se hace más evidente al solicitar representaciones de tipo esquemático que al solicitar explicaciones mediante lenguaje verbal. Los alumnos menos familiarizados con los diferentes niveles representacionales de la química parecen más expuestos a cometer este tipo de errores. Para superar esta tendencia es importante estimular a los alumnos a expresar sus representaciones mentales en diferentes tipos de lenguajes simbólicos, recreando consensos en cuanto a los códigos a utilizar. • Los alumnos suelen memorizar aprendizajes en compartimentos estancos, caracterizados por lenguajes independientes y excluyentes. Para superar esta tendencia debemos estimular la toma de conciencia acerca de la naturaleza macroscópica de las experiencias químicas y sus múltiples interpretaciones y explicaciones a nivel simbólico, que pueden ser expresadas mediante una amplia variedad de lenguajes con códigos particulares (Fig. 6). ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA ACTIVIDAD 2 Respuestas a las preguntas 5-8 del grupo A Como mencionamos más arriba, las respuestas a las preguntas 1 a 4 confirmaron que las alumnas habían aprendido el concepto de mezcla y reconocían perfectamente el caso «hierro y azufre» como una mezcla sólida separable. Estos prerrequisitos conceptuales podrían funcionar como conceptos inclusores (Galagovsky, 1999; Galagovsky y Muñoz, 2002) para procesar la nueva información referida a una reacción química entre el hierro y el azufre. Las preguntas 5 y subsiguientes intentaron generar conflicto cognitivo (Galagovsky, 1993) sobre dicho concepto de mezcla, ya consolidado en la estructura cognitiva de las alumnas4. Pregunta 5: Es posible producir una reacción química entre el azufre y el hierro? ¿Por qué? El 83% de las respuestas obtenidas fue negativo. Las explicaciones dadas se resumen en la tabla II. Sólo un 17 % de las alumnas relacionó la pregunta con conocimientos teóricos anteriores sobre enlace químico y emitió hipótesis sobre la posibilidad de ocurrencia de un fenómeno químico, sin mencionar condición alguna para que ello ocurriera. La posibilidad de imaginar una nueva variable, como la energía térmica, que diera origen a una transformación química pareció ser contraintuitiva. Luego de recibir el material adicional (cuadro I), las respuestas a las preguntas 6 a 8 fueron: Pregunta 6: ¿Cómo procederían para verificar lo respondido en la actividad anterior? Dos subgrupos advirtieron la posibilidad de utilizar el mechero y probaron calentar el sistema de hierro y azufre, siendo uno de ellos el que había apelado a sus conocimientos sobre enlaces químicos en la respuesta a la pregunta 5. Estos dos grupos verificaron que el hierro con propiedades magnéticas había desaparecido del sistema luego del calentamiento. Dos grupos que habían asegurado la imposibilidad de producir una reacción química como respuesta a la pregunta anterior insistieron en triturar más finamente la mezcla de azufre y hierro en el mortero. Luego, una y otra vez, pasaban el imán verificando que el hierro era atraído. En virtud de esto contestaron en los respectivos informes: «Trituramos la mezcla en el mortero pero no se produjo reacción química.» Ante este posible final de la actividad 2, la docente sugirió a ambos grupos que tuvieran en cuenta todos los nuevos materiales de que disponían: «Fíjense, tal vez alguno de ellos les permite intentar alguna otra cosa con la mezcla». Sólo a partir de dicha indicación procedieron al calentamiento. Luego de la experiencia, la pregunta 6 fue contestada correctamente por todas las alumnas, quienes reconocieron el cambio químico porque el nuevo sistema material «fue resistente a la separación del hierro con el imán». Las preguntas 7 y 8 apuntaban a indagar cómo las alumnas fundamentaban sus respuestas, utilizando el lenguaje verbal y la esquematización mediante otros lenguajes. Pregunta 7: Caracterice y fundamente el fenómeno producido. El 94% de las alumnas contestó la pregunta 7 caracterizando el fenómeno como una reacción química por la «producción de una nueva sustancia». Así, contestaron correctamente desde el lenguaje verbal, fundamentando sus respuestas en el cambio percibido desde el nivel macroscópico. Pregunta 8: Realizar un esquema que muestre el fenómeno producido al calentar una mezcla de azufre y hierro. Nuevamente, para este grupo de alumnas, se repitió la categorización que mostramos en el análisis a la respuesta de la pregunta 2. La mitad del grupo A dibujó tres etapas (Fig. 7a): una primera etapa con un tubo de ensayo, sostenido por la pinza de madera, con un sombreado que representa la «nueva sustancia formada». Debajo del tubo hay un mechero encendido. La siguiente etapa muestra el mismo tubo de ensayo, con idéntico sombreado, inmerso en un vaso de precipitados con agua, y la última etapa muestra el mismo tubo de ensayos con igual sombreado, quebrado. Estos esquemas se relacionan con la secuencia experimental; nuevamente, la representación «esquemática» fue interpreta-