El razonamiento causal secuencial en los equilibrios ácido-base múltiples : propuestas didácticas en el ámbito universitario

ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2), 223-242 223 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA EL RAZONAMIENTO CAUSAL SECUENCIAL EN LOS EQUILIBRIOS ÁCIDO-BASE MÚLTIPLES: PROPUESTAS DIDÁCTICAS EN EL ÁMBITO UNIVERSITARIO JIMÉNEZ LISO, M. RUT,1 DE MANUEL TORRES, ESTEBAN2 y SALINAS LÓPEZ, FRANCISCO3 1Departamento de Didáctica de la Matemática y de las Ciencias Experimentales. Universidad de Almería 2Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales. Universidad de Granada 3Departamento de Química Analítica. Universidad de Extremadura. Badajoz Resumen. La principal dificultad que encuentran los estudiantes al acercarse a los equilibrios ácido-base múltiples es que precisan controlar varios equilibrios de forma simultánea. Una anticipación en la presentación a los estudiantes de educación secundaria de estos equilibrios induce a la utilización del razonamiento causal secuencial, por el cual se consideran los procesos no como equilibrios sino como compartimentos estanco (sin simultaneidad) y cada proceso como consecuencia del anterior y como causa del siguiente. En el presente artículo, por un lado, diagnosticamos las concepciones alternativas relacionadas con los equilibrios ácido-base múltiples (estudiantes universitarios, licenciados-opositores a la educación secundaria y libros universitarios; y por el otro, se centra en una propuesta de mejora del aprendizaje utilizando para ello la resolución de problemas y el ordenador como recurso auxiliar en esta resolución. Previamente analizamos los enunciados de los problemas que se plantean en algunos libros universitarios como punto de partida a nuestra propuesta didáctica, la cual se centra en que los estudiantes expliciten todos los equilibrios presentes en los procesos ácido-base múltiples como parte de una heurística para la resolución de los problemas y utilicen el ordenador para salvar las dificultades matemáticas primando el análisis del proceso químico. Palabras clave. Ácido-base, razonamiento secuencial, concepciones alternativas, universitarios, propuestas didácticas. Summary. The need to control several equilibria simultaneously is the main difficulty met by students when they approach multiple acid-base equilibria. Presenting beforehand these equilibria to secondary school students encourages the use of causal sequential reasoning that takes processes not as equilibria but isolated, without simultaneity, each process being the cause of the former and causing the following. In this article, on the one hand we diagnose the alternative conceptions related to multiple acid-base equilibria. On the other hand we propose to improve learning by using problem solving and the computer as an auxiliary resource. We previously analyse the wording of the problems presented in some university textbooks as starting point to our didactic proposal, which asks the students to explain all the equilibria in multiple acid-base processes as part of a heuristic for problem solving and to use the computer to solve mathematical difficulties, giving priority to the analysis of the chemical process. Keywrods. Acid-base, sequential reasoning, alternative conceptions, university students, teaching strategies. INTRODUCCIÓN El «razonamiento causal secuencial» es descrito por Viennot (1979) y por Driver y otros (1989) en relación con las concepciones de los alumnos sobre los circuitos eléctricos sencillos. Estos autores destacan un tipo de respuestas (antes y después) que constituye un modelo de circuito en el que cada elemento influye sobre lo que está INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 224 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) detrás de él, pero no sobre lo que está antes. Este modelo utilizado habitualmente por los alumnos es denominado como modelo dependiente del tiempo o como modelo secuencial (para denotar la influencia de factores, tanto espaciales como temporales). Para los estudiantes (y para la gente en general) una causa produce una cadena de efectos con una secuencia temporal; por ejemplo, los estudiantes tienden a pensar que una fuerza (causa) produce un movimiento (efecto) y les resulta difícil apreciar las interacciones recíprocas (tercera ley de Newton) porque supone abandonar el modo de pensamiento secuencial en su dirección «preferida» (Driver et al., 1989). Estas preferencias por una «dirección» parecen ser el origen de que le otorguen el carácter de irreversible a los equilibrios químicos. A este respecto, Andersson (1990) destaca que los alumnos utilizan razonamientos de «causalismos simples» al interpretar los procesos de cambio químico. Otra de las posibles causas de la utilización del pensamiento lineal es señalada por Sanmartí (1996), quien, al insistir en que en las clases de ciencias se incide poco en el aprendizaje del lenguaje en general y de los conectores en particular, señala que en las descripciones de clase se abusa del «entonces... y entonces... y entonces...» que refuerzan el pensamiento lineal, dificultando que los estudiantes accedan al pensamiento multicausal y complejo. Las investigaciones sobre las estrategias del procesamiento de la información, concretamente los estudios de Pask (1976, 1988) y Pask y Scott (1972, 1973) destacan dos estrategias de aprendizaje fundamentales: la holística y la secuencial. Entre las características descritas para la estrategia secuencial del procesamiento de la información destacan el procesamiento lineal y secuencial centrándose en un solo tópico, con aprendizaje local, reproductivo, desarrollando hipótesis simples y produciendo una comprensión fragmentada de manera que las relaciones entre los ejemplos y las aplicaciones a la vida real se secuencian y ralentizan, mientras que el aprendizaje holístico permite considerar varios tópicos al mismo tiempo, ya que el aprendizaje es global, produciéndose generalizaciones, desarrollando hipótesis complejas, integrando la teoría y la vida real, etc. (Ford, 2000). En el presente artículo nos centraremos en la utilización del razonamiento causal secuencial en los procesos de equilibrios ácido-base múltiples. En un trabajo anterior (Jiménez-Liso et al., 2001), pusimos de manifiesto que, al estudiar los procesos ácido-base en los que intervenían ácidos fuertes con bases débiles o viceversa, es frecuente justificar que el pH de la disolución final es diferente de 7 porque primero se forma la sal y, posteriormente, ésta se hidroliza. Este modo de justificar el fenómeno ignora que desde un principio se dan todos los equilibrios posibles de todas las especies que intervienen en el proceso, inmediatamente y simultáneamente. No tener esto en cuenta significa caer en un razonamiento causal secuencial, que consiste en suponer que los equilibrios ocurren sucesivamente y cada etapa es efecto de una causa y, a su vez, causa de la siguiente etapa: Reacción ácido-base → neutralización → hidrólisis → pH ≠ 7. Antes de describir el estudio exploratorio sobre la utilización, por los estudiantes universitarios, de este tipo de razonamiento en los equilibrios ácido-base múltiples, comenzaremos con una breve revisión de los trabajos previos que hay sobre este tema. ANTECEDENTES Las concepciones alternativas sobre los procesos ácidobase han sido indagadas por numerosos autores. Algunos se centran en las dificultades de los estudiantes de educación secundaria para clasificar las sustancias como ácidas, como neutras o como básicas (Cros, 1986, 1988; Zoller, 1990; Ross y Munby, 1991; Nakhleh y Krajcik, 1994; Vidyapati y Seethramappa, 1995; Toplis, 1998). La utilización de términos como neutralización (Schmidt, 1991) o hidrólisis (Jiménez-Liso, 2000) con varios significados puede ser el origen de algunas concepciones alternativas como la identificación de neutralización con cualquier proceso ácido-base y la extrapolación de que, cuando un ácido reacciona con una base, el producto final siempre es neutro. Algunos autores han detectado que la mayoría de los estudiantes, incluso los universitarios, no beberían disoluciones ácidas (Cros, 1986, 1988; Jiménez-Liso et al., 2000) porque consideran que son fuertes, poderosas y dañinas (Toplis, 1998) para el organismo y destacan que los valores bajos del pH se deben a la presencia de ácidos fuertes o a la elevada concentración de los ácidos presentes (Fortman, 1994; Jiménez-Liso, 2000). Los indicadores ácido-base también constituyen un contenido clave en la enseñanza de los procesos ácido-base. Baber (1996), Cobb (1998) y VanCleave (1998) describen el uso de un indicador fabricado a partir de un producto casero como es el jugo de la lombarda y las ventajas de la aplicación de esta actividad para alumnos de educación secundaria. Kanda y otros (1995) proponen una actividad para preparar bolas camaleónicas utilizando extractos de plantas y ofrecen una tabla de los colores que muestran diferentes plantas a distintos valores del pH. Uzelmeier y Breyer (1998) muestran a los alumnos universitarios las diferencias entre los indicadores ácido-base que cambian de color si se le añade ácidos o bases, frente a los colorantes alimenticios que no cambian de color por la adición de esas sustancias. De esta forma llaman la atención sobre el peligro de identificar algunos colores con sustancias ácidas o básicas sin tener en cuenta los cambios químicos en el caso de los indicadores ácido-base. Por otro lado, el razonamiento causal secuencial descrito en la introducción del presente artículo puede ser el origen de algunas concepciones alternativas como la que señalan De la Guardia y otros (1985), quienes encontraron que los alumnos de los niveles universitario y medio asignaban el valor 7 al pH del punto de equivalencia en cualquier valoración ácido-base; incluso el 30% de los estudiantes de 5º curso de la licenciatura en químicas, especialidad en química analítica, daba eso por sentado. Estos autores rastrearon en libros de educación secundaria y bachillerato ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) 225 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA encontrando en ellos formulaciones equívocas o ejemplos simplistas que pudieran, al generalizarse por los alumnos, dar lugar a las concepciones alternativas observadas. Este rastreo les reveló la presencia de abundantes ejemplos de valoraciones de un ácido fuerte con una base fuerte y, tal vez, esto podría inducir a los alumnos a generalizar que, en el punto de equivalencia, el valor del pH siempre es 7. A continuación, expondremos los objetivos de nuestro trabajo que, en una primera fase, se centran en el diagnóstico de concepciones alternativas relacionadas con los procesos ácido-base múltiples y, en una segunda etapa, se plantea una propuesta de mejora de la resolución de problemas relacionados con el tema. OBJETIVOS Y PLANTEAMIENTO DEL TRABAJO En este artículo queremos conseguir fundamentalmente dos objetivos: uno relacionado con la indagación de las concepciones alternativas que manejan los estudiantes universitarios y los licenciados, sobre los equilibrios ácido-base, y otro relacionado con una propuesta de modificación de los problemas que se plantean en estos niveles para facilitar el aprendizaje de los equilibrios ácido-base múltiples y evitar la inducción de las concepciones alternativas diagnosticadas. Por todo ello, expondremos los resultados de un estudio exploratorio sobre las concepciones de un grupo numeroso (N = 450) de alumnos universitarios de la licenciatura de químicas, de una muestra de licenciados que aspiran a acceder al cuerpo de profesores de educación secundaria (opositores) y los contenidos que aparecen en los libros de los niveles universitario y medio. Los resultados ponen de manifiesto que una de las causas del razonamiento causal secuencial, antes descrito, puede ser el estudio prematuro de los equilibrios múltiples en los niveles medios. Al «adelantar acontecimientos», el docente tiene que recurrir a «estrategias didácticas» (equilibrios por etapas) que ocasionan el razonamiento causal Figura 1 Equilibrios ácido-base múltiples D iagnóstico 4 50 alumnos universitarios 2 0 libros actuales 15 libros antiguos 50 exámenes f uturos docentes d e secundaria Resultados R azonamiento causal secuencial Unos equilibrios son más importantes que otros Propuestas R etrasar, el estudio de los equilibrios múltiples hasta la universidad, R esolución de problemas Situación actual: análisis Protocolo Propuestas de enseñanza para la universidad Problemas cotidianos y temática diversa M étodo H eurístico O rdenador como recurso auxiliar INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 226 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) secuencial, para que los alumnos interpreten de una forma más sencilla los equilibrios múltiples que, por su dificultad, deberían ser estudiados en los niveles universitarios. Otra de las posibles causas del pensamiento lineal en los equilibrios múltiples puede ser la deficiente utilización de la resolución de problemas sobre este tema. Esta actividad puede ofrecer una buena ocasión para que los alumnos utilicen y controlen las variables que intervienen en los procesos ácido-base de varios equilibrios. Con el objetivo de mejorar la enseñanza de los procesos ácido-base múltiples, indagaremos si es necesario modificar los problemas que se suelen plantear en los niveles universitarios. Para ello, presentaremos un análisis de los problemas propuestos y del proceso de resolución que desarrollan varios libros universitarios sobre los equilibrios ácido-base, con el fin de constatar si reducen el número de equilibrios presentes en un proceso ácido-base, induciendo la idea de que unos son más importantes que otros e, incluso, que algunos son innecesarios. Las aproximaciones que realizan en su desarrollo suponen un alejamiento de la realidad: al eliminar equilibrios químicos, porque no interesan para la resolución, se concede más importancia al proceso matemático (obtención de un resultado numérico) que a una interpretación química y, con el paso del tiempo, se termina por no considerar este aspecto. Por último, expondremos una propuesta concreta de utilización de los problemas y de su resolución con el fin de mejorar el aprendizaje de los equilibrios múltiples de los estudiantes universitarios. De esta forma, mostraremos algunos problemas heurísticos (requieren una estrategia previamente planificada, según la clasificación de Perales, 2000) y otros creativos (aquéllos que pueden resolverse de diferentes formas sin estrategia predeterminada), con temática diversa, de forma que no centremos la atención exclusivamente sobre el cálculo del pH o de la concentración de iones H3O+, sino que insistamos por igual en todas las especies presentes en el proceso. Esta insistencia, unida a la de utilizar todos los equilibrios posibles, ayudará a una mayor comprensión del problema «químico» relegando a un segundo plano el «problema matemático». Como veremos, nuestra propuesta se centra en dar una mayor importancia a los conceptos químicos mediante la explicitación de todos los equilibrios presentes en el proceso, la deducción de las ecuaciones que permitan al alumno calcular las concentraciones de todas las especies y restar importancia al cálculo matemático, utilizando el ordenador como instrumento auxiliar (Jonassen, 1999) que permita resolver las ecuaciones. Por último, tras conseguir de esta forma los resultados numéricos, provocaremos una discusión o análisis cualitativo de todo el problema para volver a llamar la atención del alumno sobre el proceso químico y no limitarnos a obtener un resultado numérico. En la figura 1 mostramos el planteamiento del artículo, destacando (en el recuadro punteado) la fase de diagnóstico relacionada con las concepciones sobre los equilibrios múltiples (alumnos, libros y profesores) así como la relativa a los problemas que se proponen en los libros y a su resolución. Las propuestas están fundamentadas en los resultados de esa fase (retraso de los equilibrios hasta los niveles universitarios y propuestas de mejora de los problemas que se planteen sobre equilibrios múltiples y su resolución). EL RAZONAMIENTO CAUSAL SECUENCIAL EN LOS EQUILIBRIOS MÚLTIPLES: FASE DE DIAGNÓSTICO Como hemos indicado en la introducción, vamos a exponer la indagación de las concepciones alternativas que hemos abordado en nuestra investigación, señalando la metodología empleada (pruebas, protocolos de análisis de contenidos en textos escritos, etc.), las muestras diagnosticadas (alumnos universitarios, licenciados, libros, etc.), los resultados obtenidos y su análisis, la cual nos permitirá fundamentar nuestra propuesta de enseñanza de los contenidos implicados y facilitar su aprendizaje en los niveles universitarios. Concepciones de los estudiantes universitarios sobre los equilibrios ácido-base múltiples Para la indagación de las concepciones de los estudiantes universitarios sobre los contenidos relacionados con los procesos ácido-base, diseñamos una prueba semiabierta (Jiménez-Liso, 2000) de opciones múltiples en la que se solicitaba a los alumnos que justificaran su elección para comprobar la seguridad en sus respuestas y para que pudieran explicitar alguna idea que no estuviera recogida en las diferentes opciones. La prueba fue aplicada a una muestra de 450 estudiantes universitarios de los cinco cursos de la licenciatura de ciencias químicas en varias universidades españolas durante el curso 1997-98. En dicha prueba incluimos varios ítems relacionados con las teorías ácido-base y sus límites de aplicación, la neutralización, la hidrólisis, la operación de conservación de la cantidad de sustancia en las valoraciones, etc. De la prueba, y para el propósito de este trabajo, destacaremos tres ítems: en uno de ellos se indagaba sobre la utilización de todos los equilibrios (incluido el del indicador) y en los otros dos ítems se buscaba constatar si los alumnos consideran la existencia de los equilibrios entre todas las especies químicas que intervienen en una valoración o en un proceso estequiométrico. Además, en estos dos ítems se indagaba si los estudiantes razonaban secuencialmente el proceso, es decir, si consideraban una secuencia de pasos para los equilibrios (reacción ácido-base → neutralización → hidrólisis → pH≠7). A continuación mostramos los dos ítems utilizados: Eq-1. Si se van añadiendo n moles de NaOH (en disolución acuosa) a n moles de CH3COOH (también en disolución acuosa) sucede lo siguiente: a) Se forman n moles de NaCH3COO(ac) y posteriormente se produce una hidrólisis, el pH será mayor que 7. b) Al no haber exceso de moles del ácido ni de la base, se obtiene una disolución cuyo pH es 7. c) En la disolución se cumplirá: [CH3COO-] = [Na+] y [H3O+] = [OH]; el pH será 7. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) 227 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA d) En la disolución habrá un número de moles de CH3COO-, H3O+, OHtal que el pH será mayor que 7. e) Otras respuestas. Justifique la respuesta. Eq-2. Cuando se añade, gota a gota, una disolución en agua de H2SO4 a una disolución acuosa de NH3, en el punto de equivalencia: a) El equilibrio entre las especies químicas, que se da desde el principio, origina un pH final menor que 7. b) El pH será menor que 7 porque el viraje del indicador se produce por un exceso de ácido. c) El pH será igual a 7, si bien, posteriormente la hidrólisis del NH4 + hará descender el pH. d) El pH será igual a 7 porque se ha añadido un número de equivalentes de ácido igual al de los que se pusieron de la base. e) Otras respuestas. Justifique la respuesta. En la tabla I mostramos los porcentajes de alumnos que eligen cada opción de estos ítems (Jiménez-Liso et al., 2000). Las opciones elegidas por cada alumno fueron sometidas a un tratamiento estadístico sencillo que se detalla ampliamente en Jiménez-Liso (2000). Las respuestas abiertas para las justificaciones han sido agrupadas por similitud, categorizadas y jerarquizadas por la frecuencia de alumnos que las utilizan con el objetivo de poder analizarlas y compararlas con los resultados cuantitativos. Tabla I Porcentajes de alumnos que eligen cada opción. Opción Ítem a b c d Otras En blanco Eq-1 44 8 13 22* 5 7 Eq-2 12* 17 20 25 6 20 * Los porcentajes marcados con el asterisco corresponden a los alumnos que aciertan cada ítem. Los resultados del ítem Eq-1 ponen de manifiesto que la mayoría de los estudiantes se decanta por el razonamiento causal secuencial descrito en la opción a. En el ítem Eq-2, las respuestas mayoritarias se reparten entre el proceso secuencial (20%) y el que se centra en la estequiometría (25%). En las dos opciones se plantea que en el punto de equivalencia, se produce la neutralización (pH = 7); sin embargo, una opción se centra exclusivamente en el proceso estequiométrico (en este valor del pH) y la otra opción manifiesta la continuación del proceso (hidrólisis posterior que hace variar el pH). Las justificaciones de los estudiantes, al responder a estos dos ítems, confirman lo indicado en el estudio cuantitativo de las opciones múltiples. Citamos, como ejemplo, algunas frases textuales representativas por la frecuencia con que se repiten: «Se produce una reacción de neutralización primero y, por posterior formación del acetato sódico, se hidroliza el CH3COOliberando OHal medio, siendo pH > 7.» (alumno de 5º curso) «Al ser reacción de neutralización se produce CH3COONa y H2O y, como el acetato proviene de ácido débil, sufre hidrólisis.» (5º curso) «Se produce la valoración del AcH → AcNa, y como el AcH es ácido débil → base conjugada fuerte → se hidroliza → pH > 7.» (3r. curso) y lo mismo para las justificaciones al ítem Eq-2: «Justo en el punto de equivalencia, el pH = 7, posteriormente al hidrolizarse NH4 + + H2O → NH4OH + H+.» (4º curso) «En un principio el, pH = 7 en el punto de equivalencia, pero al pasar un tiempo desciende por la hidrólisis del NH4 + (3r. curso). Después de analizar todas las respuestas abiertas (JiménezLiso, 2000), creemos que una de las causas de este razonamiento tan arraigado y persistente puede estar en la utilización del término neutralización para cualquier proceso ácido-base, como así se pone de manifiesto en las siguientes justificaciones: «En el punto de equivalencia se habrá neutralizado todo NH3 y su pH = 7.» (5º curso) «Neutralizamos la reacción, porque añadimos un ácido a una base. Eqác = eqbase.» (4º curso) «Porque el punto de equivalencia es justo cuando en toda la base se ha neutralizado el ácido.» (4º curso) «Se neutralizan.» (2º curso) «El ácido y la base se neutralizarían.» (1r. curso). Este aspecto ha sido ampliamente desarrollado en un trabajo previo (JiménezLiso y De Manuel, 2002). Con respecto a las justificaciones de la opción correcta, en algunos casos se expresa el razonamiento secuencial descrito anteriormente. Resulta curioso que un pequeño porcentaje de alumnos rechace la opción que se ofrece en el ítem Eq-1 que hace referencia al equilibrio por etapas y elijan la opción correcta. Esto parece manifestar que consideran que los equilibrios transcurren de forma simultánea y no secuencial, aunque no expresen todos los equilibrios que tienen lugar sino los que dan OHcomo producto de la reacción y, por tanto, como argumento de por qué la disolución final es básica. El resto de las justificaciones a la opción correcta hace referencia a las fuerzas relativas del ácido y de la base presentes en los distintos procesos. El tercer ítem que hemos destacado en párrafos anteriores tiene como objetivo fundamental contrastar si los estudiantes ponen en juego todos los equilibrios que intervienen en un proceso múltiple (incluido el equilibrio del indicador). En él se ofrecían diversas opciones: desde la que no tiene en cuenta ni el intervalo de viraje ni el equilibrio del indicador hasta la opción correcta en la que se consideran ambos factores. El ítem «Ind» quedó redactado de la siguiente forma: Ind. En una valoración de un ácido, mediante una base que se añade desde la bureta, se emplea un indicador que en su forma ácida tiene un color y en su forma básica tiene un color diferente. Durante la valoración, el pH va aumentando y sucede lo siguiente: a) En todo el proceso existen las dos formas del indicador; pero dentro de un intervalo de pH, con la vista, apreciamos un color que es mezcla de los dos. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 228 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) b) Al principio, todo el indicador se encuentra en su forma ácida y al llegar a un valor del pH cambia totalmente a la forma básica y vira. c) Existe un intervalo de pH en el que están presentes las formas ácida y básica del indicador; fuera de este intervalo, sólo existe una de las dos formas. d) En todo el proceso existen las dos formas del indicador, y para un determinado valor del pH se produce un cambio total del color e) Otras respuestas. Justifique la respuesta. Los resultados de este ítem indican que sólo un 8% de los estudiantes universitarios diagnosticados eligió la opción correcta, mientras que la opción en la que no se tiene en cuenta ni el intervalo de viraje ni que las dos formas del indicador coexisten siempre en equilibrio es elegida por el 39% de ellos. Un 28% eligió la opción c (con intervalo - sin equilibrio) y un 14% optó por la respuesta d (sin intervalo - con equilibrio). Las justificaciones de los estudiantes confirman estos resultados. A modo de resumen señalaremos que las principales concepciones diagnosticadas relacionadas con los procesos ácido-base son la utilización del razonamiento causal secuencial en los procesos múltiples y la consideración de dichos equilibrios como compartimentos estanco que no se desarrollan simultáneamente; y la ausencia de algunos equilibrios, por ejemplo, el del indicador, lo que manifiesta que se concede mayor importancia a unos equilibrios que a otros. Análisis de los contenidos sobre equilibrios ácido-base múltiples en los libros actuales y antiguos (1868-1955) de los niveles universitario y medio En este apartado queremos dar a conocer el análisis de una muestra de libros universitarios y de educación secundaria actuales y otra de comienzos del siglo XX con el objetivo de indagar el tratamiento que conceden a los procesos ácido-base múltiples y observar su desarrollo a lo largo del siglo XX. La razón principal de explorar estos libros es examinar las posibles relaciones entre los conceptos que se exponen en los textos y las concepciones que manifiestan los alumnos que los utilizan. El instrumento diseñado para el análisis de los textos es un protocolo en el que se analizan los mismos contenidos que los indagados en los alumnos universitarios (las definiciones de ácidos y bases, los límites de aplicación de las teorías, los conceptos de neutralización e hidrólisis, la relación entre el pH y la cantidad de sustancia, el equilibrio y el intervalo de viraje del indicador, varios aspectos relacionados con las valoraciones y con las disoluciones reguladoras, etc.). De este modo, se puede realizar un estudio comparativo y analizar su influencia sobre las concepciones alternativas de los alumnos. Los libros actuales seleccionados (15 universitarios y 5 de educación secundaria) constituyen una muestra representativa de los textos más utilizados por los alumnos de la licenciatura de química de algunas universidades españolas y de los más vendidos para el segundo curso de bachillerato (17-18 años), editados después de la reforma educativa española. Un criterio utilizado para su selección ha sido que presentaran de forma amplia los contenidos relacionados con los procesos ácido-base, por ello abundan textos de química general, de química inorgánica y de química analítica en la muestra de libros analizada. El protocolo también ha sido aplicado a una muestra de 15 libros editados con fechas comprendidas entre 1868 y 1944. De éstos, 9 son textos universitarios de diferentes materias y 6 libros de los niveles superiores de secundaria. Las muestras de libros actuales y antiguos son diferentes: entre los libros antiguos hay uno de química física y otro de prácticas de laboratorio mientras que no hay ningún texto de esas características en la muestra de libros actuales. En ésta no aparece ningún libro que no contenga un capítulo dedicado a los contenidos sobre los procesos ácido-base. A pesar de ello procede la comparación porque la información sobre estos contenidos que recibe un alumno universitario actual proviene de los libros de química general, inorgánica y analítica, mientras que un alumno de comienzos de siglo recibía la información sobre los procesos ácido-base de una gama más amplia de textos y de asignaturas. El protocolo, las muestras de libros analizados y los resultados referentes a todos los contenidos analizados han sido desarrollados en trabajos previos (Jiménez-Liso, 2000; Jiménez-Liso et al., 2001). A continuación presentamos los contenidos relacionados con los equilibrios ácido-base múltiples. En primer lugar destacaremos que sólo en dos libros universitarios actuales se incluyen todos los equilibrios que intervienen en una valoración (o en una reacción estequiométrica) y en el 60% de los textos se indica que primero se forma la sal y, posteriormente, se produce la hidrólisis (razonamiento causal secuencial). Todos los libros de educación secundaria actuales analizados y el 19% de los libros históricos (todos los que explican el proceso que transcurre en una valoración) muestran el citado razonamiento causal secuencial. En más de la mitad de los textos universitarios actuales (67%) no se expresa la idea de que las formas ácida y básica del indicador coexisten siempre en equilibrio. En dos de ellos aparece la siguiente idea: «[...] si se conoce el pH al que cambia de una forma a otra [...] se puede determinar si una disolución tiene un pH mayor o menor que ese valor». Tampoco se expresa con claridad que existe un intervalo de viraje del indicador en el que el color que se aprecia es mezcla de los dos, sino que se suelen utilizar algunos términos como cambio «súbito [...] brusco [...] dramático [...] el indicador cambia de color a una cierta concentración del ácido, es decir, a un valor del pH. El cambio no es bastante preciso, tiene lugar en un margen amplio». Hay que destacar que los aspectos relacionados con los indicadores aparecen de forma correcta en el 80% de los libros de 2º de bachillerato; sin embargo, no se explicita en ninguno de ellos que, en el intervalo de viraje, el color que se aprecia es una mezcla de los dos colores. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) 229 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA Los libros antiguos muestran resultados similares, aunque con la diferencia de que más de la mitad de ellos (57%) no menciona los indicadores. En el resto se pone de relieve la ausencia del equilibrio y el intervalo de viraje, como describe uno de ellos: «Los indicadores están constituidos por sustancias que reaccionan con la solución valorada, solamente cuando ha reaccionado toda la sustancia que se analiza o trata de determinar. Así: la fenolftaleina de la acidimetría reacciona con los álcalis, pero solamente cuando no hay ácido en presencia pues entonces éste lo hace con el álcali y la fenolftaleína queda inalterada; pero en el momento en que el ácido desaparece, la fenolftaleína tiene color rojo, que caracteriza, por consiguiente, la terminación de la reacción estudiada.» Como hemos expuesto en un trabajo previo (Jiménez-Liso et al., 2001), todos los conceptos que se indagan en el protocolo aparecen en la mayoría de los textos de educación secundaria y se tratan de forma muy similar a como se presentan en los libros del nivel superior. El estudio de los procesos ácido-base se concentra en pocos cursos, entre 2º de bachillerato y los primeros cursos de universidad fundamentalmente, lo que puede ocasionar dos inconvenientes: en primer lugar, los resultados señalan que se están repitiendo en varios cursos los mismos contenidos, lo que es una pérdida de tiempo si esos conceptos se tratan de igual forma; y, en segundo lugar, se tiende a adelantar el estudio de algunos conceptos que, por su dificultad, deberían ser incluidos en cursos superiores. Por ejemplo, todos los libros de 2º de bachillerato analizados incorporan al capítulo de «reacciones de transferencia de protones» las valoraciones de ácidos débiles con bases fuertes o viceversa (equilibrios múltiples). Teniendo en cuenta que los equilibrios químicos no se estudian hasta el capítulo inmediatamente anterior al de ácidos y bases, se exige a los alumnos que acaban de conocer la existencia de los equilibrios que controlen todos los presentes en este complejo proceso. Además, y lo que es bastante perjudicial, para que el alumno no tenga que realizar el esfuerzo de controlar todas esas variables, se propone una «estrategia didáctica» que consiste en considerar los equilibrios como reacciones sucesivas (primero se forma la sal y luego ésta se hidroliza). Esta estrategia didáctica provoca que los alumnos de educación secundaria utilicen un razonamiento causal secuencial que cala muy «hondo» en los alumnos y que se evitaría si se suprimieran, del currículo de bachillerato, los procesos ácido-base en los que participan más de un equilibrio y si se pospusieran estos procesos para niveles superiores. Desde un punto de vista didáctico, sería interesante marcar diferencias en cuanto a los contenidos que aparecen en los libros de educación secundaria y los que aparecen en los universitarios (se puede tomar, como ejemplo, el tratamiento que realizan los libros antiguos), reservando para este nivel los contenidos en los que se ha demostrado la dificultad de aprendizaje para los estudiantes (incluso de los niveles superiores). De este modo, en educación secundaria se tratarían sólo las valoraciones de ácido fuerte con base fuerte y se reservarían las que requieren equilibrios múltiples para los niveles universitarios. Concepciones alternativas de los licenciados (futuros docentes de educación secundaria) sobre los equilibrios ácido-base múltiples El protocolo diseñado para el análisis de contenidos puede ser aplicado a cualquier texto escrito, por lo que hemos analizado una muestra aleatoria de 50 exámenes de licenciados que aspiran al cuerpo de profesores de educación secundaria (especialidad física y química) por lo que ignoramos cuáles de ellos ejercen actualmente como profesores (De Manuel et al., 2000). Dichos exámenes corresponden a la prueba escrita de un tribunal en el que fue seleccionado por azar el tema de ácidos y bases (núm. 55 del temario oficial según marca el BOE de 21 de septiembre de 1993) en el que se recogen los siguiente epígrafes que tienen que desarrollar los aspirantes: Ácidos y bases. Teorías. Medidas del pH. Indicadores. Procedimientos para la realización experimental de una curva de valoración ácido-base. Hidrólisis. Soluciones amortiguadoras. Lluvia ácida y contaminación). Los contenidos que se analizan con el protocolo de los textos están incluidos en estos epígrafes, por lo que dicho protocolo puede ser utilizado para el análisis de los exámenes escritos. Los exámenes constituyen una buena oportunidad para analizar las concepciones de los licenciados porque en ellos van a desarrollar lo más ampliamente posible el tema, ya que, si superan esta prueba, pueden obtener una plaza permanente de profesores de educación secundaria (¡para toda la vida!). Además los aspirantes suelen ser recién licenciados que, por tanto, tienen bastante actualizados sus conocimientos sobre el tema. Ambos factores hay que tenerlos en cuenta porque manifiestan interés y motivación elevados para expresar de la mejor forma posible sus conocimientos sobre este tema y, por tanto, las concepciones alternativas que se expliciten responderán a ideas persistentes y a las inducidas por sus estudios de preparación a estas pruebas selectivas. El análisis del segundo epígrafe del tema 55 (Procedimiento para la realización experimental de una curva de valoración ácido-base) muestra que el 64% de los opositores sólo considera una valoración entre un ácido y una base fuertes cuyo punto de equivalencia coincide con un valor del pH = 7. El 14% comenta explícitamente que, en las valoraciones, el punto de equivalencia coincide con un pH = 7. Sólo el 12% tiene en cuenta la valoración de un ácido débil con una base fuerte o viceversa y tan sólo dos opositores (4%) se refieren a todas las posibilidades. Casi todos éstos indican que, en el punto de equivalencia, primero se forma la sal y la hidrólisis posterior de ésta produce un pH ≠ 7 (razonamiento causal secuencial en el que una etapa es causa de la posterior sin considerar que todos los equilibrios tienen lugar desde el principio). Como sucede en los alumnos universitarios, los opositores no aplican correctamente dos conceptos relacionados con los indicadores: son pocos (32%) los que tienen en cuenta su equilibrio y más de la mitad (52%) no considera que, en el intervalo de viraje, el color que se aprecia es mezcla de los dos, como se manifiesta en muchas de sus frases: INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 230 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) Gráfica 1 – «Se trata de especies que no intervienen de ninguna forma en la reacción que transcurre [...] se encuentra de forma paralela, es decir, no afecta ni a la velocidad de reacción ni a la formación de unas u otras especies, únicamente tiene como misión indicar el cambio de pH.» – «Al añadir la base al ácido, éste no irá cambiando progresivamente sino que, cuando la disolución deje de ser ácida, justo en ese momento, cambiará de color el indicador.» – «Cambio de color brusco en el intervalo de pH.» – «Justo en el momento en que el indicador cambia de la forma coloreada que tenían a la no coloreada ⇒ PE.» – «En la zona de viraje hay un cambio brusco de pH.» Como indicamos en párrafos anteriores, algunos opositores no describen ni el equilibrio ni el intervalo de viraje aplicando casi textualmente la definición expresada por Monzón en 1917. Por ejemplo: «[...] el fundamento es que cuando se valora un ácido con una base se produce un salto brusco en el pH; cuando se neutraliza todo el ácido ya no hay H3O+ para neutralizar los OH-, entonces se desplaza el equilibrio de disociación del indicador produciéndose el cambio en la coloración». Las gráficas 1 y 2 ofrecen un resumen de la fase de diagnóstico. Los tres estudios realizados (alumnos, libros y licenciados) revelan algunas dificultades en el aprendizaje de estos contenidos que pueden solventarse mediante estrategias de enseñanza que incidan directamente sobre las concepciones más destacadas: la ausencia de algunos equilibrios (por ejemplo, el del indicador) en las valoraciones (y en los procesos de equilibrios múltiples), con lo que se le está concediendo más importancia a unos equilibrios frente a otros que son despreciados, y el tratamiento de los equilibrios múltiples como si fueran una secuencia de pasos sucesivos que no transcurre desde el principio ni de forma simultánea. Como hemos dicho en párrafos anteriores, el origen de ambas concepciones alternativas puede encontrarse en la presentación anticipada de los equilibrios múltiples de la educación secundaria y la necesidad de muchos docentes y autores de libros de tener que recurrir al razonamiento causal secuencial para facilitar su comprensión. Por todo ello, se debería retrasar la presentación a los estudiantes de los equilibrios múltiples hasta que se haya logrado el aprendizaje de los contenidos relacionados con los equilibrios «simples». Además de este retraso en la presentación de los equilibrios múltiples hasta los niveles universitarios, sería necesario mejorar su enseñanza. Para ello, la resolución de problemas ofrece una buena ocasión para que los alumnos utilicen y controlen las variables que intervienen en los procesos ácido-base de varios equilibrios. Sin embargo, antes de utilizar los problemas de equilibrios múltiples debemos analizar si los que se están empleando ayudan a mejorar el aprendizaje de estos contenidos o lo dificultan. Un buen tratamiento de la resolución de problemas puede facilitar el aprendizaje de los equilibrios múltiples, ya que el planteamiento de problemas semánticamente ricos, donde se incida en la resolución de todas las variables posibles, permitiría evitar que se consideren como compartimentos estanco y se comenzaría a desarrollar la simultaneidad de dichos equilibrios. Con este objetivo, a continuación, vamos a mostrar el análisis de los problemas y de los procesos de resolución que proponen algunos libros universitarios. Los resultados mostrarán la conveniencia de modificar los enunciados y la mejora del proceso de resolución, pues de esos dos factores surgen las posibles soluciones al problema del razonamiento causal secuencial en los equilibrios ácido-base múltiples. 0 10 20 30 40 50 60 Alumnos Libros actuales Libros antiguos Opositores Razonamiento causal secuencial 0 10 20 30 40 50 60 70 Indicadores ácido-base A Gráfica 2 Con equilibrio e intervalo Sin equilibrio Sin intervalo Alumnos Lib. actuales Lib. antiguos Opositores ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) 231 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS SOBRE LOS EQUILIBRIOS ÁCIDO-BASE Antecedentes sobre la resolución de problemas La definición del término problema abarca muchos significados, desde el sentido estrictamente etimológico de lanzar hacia adelante hasta el significado matemático, que sería una proposición dirigida a averiguar el modo de obtener un resultado cuando ciertos datos son conocidos. Como indica Perales (2000), la didáctica de las ciencias actual tiende a englobar bajo este término toda actividad (ya sea en el aula o en la vida cotidiana) que implica incertidumbre. A diferencia de lo que sucede con los problemas cotidianos en el campo educativo, el planteamiento y la resolución de los problemas son intencionados y con ellos se pretende facilitar el aprendizaje de determinados conceptos y procedimientos. Según este mismo autor, los problemas se pueden clasificar en función del procedimiento seguido para su resolución en: problemas de aplicación directa («ejercicios»); problemas algorítmicos (implican el seguimiento de una secuencia de operaciones cerradas); problemas heurísticos (requieren una estrategia previamente planificada) y problemas creativos (aquéllos que pueden resolverse de diferentes formas sin estrategia predeterminada). Los problemas de química suelen ser de temática menos rica que los de física, pero más interconectada, ya que hay conceptos centrales como los de mol, estequiometría, etc. que están presentes en casi todas las parcelas de la química (Fernández González, 2000). También suelen ser problemas cerrados (solución única) y cuantitativos (requieren procedimientos gráficos o de cálculo matemático para su resolución). La resolución de un problema de química requiere que el alumno utilice la información teórica y los procedimientos necesarios así como que posea una actitud favorable hacia la tarea. Por tanto, los objetivos que pueden perseguirse con el uso de la resolución de problemas en la enseñanza están relacionados con el aumento de la capacidad de resolver problemas y con la toma de decisiones, sobre todo en la vida cotidiana, potenciándose la comunicación con otros individuos si la resolución se lleva a cabo de forma colectiva y el aprendizaje de habilidades tanto sensomotoras como cognitivas además de una mejora de las actitudes hacia la ciencia y el conocimiento científico (Perales, 2000). Los investigadores en didáctica de las ciencias están concediendo una especial importancia al tópico de la resolución de problemas (Hobden, 1998; Sherwood et al., 1998). A pesar de ello, los ejemplos relacionados con el ámbito de la química siguen siendo escasos; podemos citar a Kempa (1986), quien propone un mapa conceptual relacionado con los conceptos de ácidos y de bases para relacionarlo con la información que ofrece el problema y para buscar las causas de la incapacidad que muestran muchos estudiantes a la hora de resolverlos. También encontramos aplicaciones a fin de mejorar el proceso de resolución de algunos conceptos fundamentales de química en un nivel medio (Fernández González, 2000). Centrándonos en los problemas de química, queremos citar a Niaz (1988, 1989, 1993 entre numerosas investigaciones) por investigar sobre las estrategias de resolución de estos problemas en función del nivel de desarrollo cognitivo y la demanda-M (Pascual-Leone, 1978, 1987), destacando que los estudiantes encuentran más dificultad en la resolución si aumenta la demanda-M de los problemas planteados. Las aportaciones de Niaz (basadas en el análisis dimensional neopiagetiano de Pascual-Leone) permiten evaluar la demanda-M (exigencia, dificultad cognitiva) de los problemas de química. Centrándonos en los problemas sobre ácidos y bases, Anamuah-Mensah (1986) estudia la estrategia de resolución de 47 alumnos de educación secundaria ante el cálculo de la concentración de ácido clorhídrico, mediante la valoración con hidróxido de sodio, así como la predicción que realizan los alumnos ante lo que sucedería si se cambiara a una estequiometría 2:1, si en vez de HCl(ac) utilizaran H2SO4(ac) o como valorante Na2CO3(ac). Según el autor, los alumnos usan básicamente dos estrategias: una basada en las fórmulas del tipo V M = V’ M’ o moles = Molaridad Volumen, que es la más frecuente entre los alumnos diagnosticados (79%); y otra estrategia basada en la proporcionalidad de volúmenes y molaridades. Este último proceso de resolución es utilizado por aquellos alumnos que no suelen recordar las fórmulas, pero que saben utilizar relaciones de proporcionalidad directas. Las dificultades en torno a estos problemas que detecta el autor tienen su origen en la combinación de pasos (escribir balance de masa, estequiometría, cálculo de moles, etc.). El autor anima a los profesores a que propongan estrategias de resolución alternativas a las fórmulas y los algoritmos que, aunque para muchos alumnos resultan más fáciles de utilizar, sin embargo, para otros sería preferible hacerlo usando relaciones entre variables que recordando fórmulas memorizadas. Boujaoude (1993) estudia los errores sistemáticos de los estudiantes de dicho nivel a la hora de resolver los problemas de equilibrios cinéticos y químicos y concluye que dichos estudiantes no comprenden la relación entre los resultados experimentales y el grado de la reacción, centrándose más en la búsqueda de una solución matemática que en una interpretación química. Por otro lado, Huddle y Pillay (1996), analizando las respuestas de los alumnos en un examen de química general, comprueban que no manejan adecuadamente estos conceptos y consideran que la causa puede ser su alto nivel de abstracción que no se adecua al nivel de desarrollo cognitivo de los alumnos, pues muchos no han alcanzado el nivel de las operaciones formales. Mason y Crawley (1994, 1997) comparan el proceso de resolución de expertos (profesores universitarios) y novatos (estudiantes) de algunos problemas algorítmicos y otros conceptuales. Estos autores comentan que los problemas algorítmicos requieren mayor tiempo y mayor número de transiciones que los problemas conceptuales, y que los novatos resuelven los problemas algorítmicos correctamente un mayor número de veces que los expertos. Las diferencias entre los procesos de resolución que muestran los solucionadores expertos y novatos también han sido estudiadas por Kumar (1993) y Kumar y otros (1994). INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 238 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) añadidos, lo que centraría la atención del alumno en el análisis de dicha gráfica. 6) Continuando con el proceso de resolución podemos proponer a los alumnos el análisis de la resolución que se plantea desde una metodología que reduzca los equilibrios según interese para resolver el problema matemático, es decir, analizar la resolución que proponen algunos libros en los que se insiste en obtener el resultado numérico mediante aproximaciones sucesivas. Con esta actividad se pretende que el alumno compare las dos opciones a la hora de resolver estos problemas y, también, insistir en las consecuencias que puede tener en su aprendizaje si se conforma con las aproximaciones, ya que supone un alejamiento de la realidad que sucede: al eliminar equilibrios químicos porque no interesan para el proceso de resolución, se concede más importancia a unos que a otros y con el paso del tiempo terminamos por no considerarlos. 7) Hasta ahora nos hemos centrado en el proceso de resolución; sin embargo, un aspecto importante que todavía no hemos introducido es que el docente tiene que proponer problemas de temática diversa, de forma que no se plantee el cálculo de una incógnita (pH o [H3O+]), sino solicitar que se determine la concentración de todas las especies. En la tabla V, mostramos algunos problemas que pueden resolverse siguiendo la secuencia propuesta anteriormente. También se exponen los objetivos que surgen de dar respuesta a las dificultades de aprendizaje detectadas en la fase de diagnóstico del presente artículo. 8) Hasta el momento hemos presentado pocas actividades relacionadas con los indicadores ácido-base. Dada esta escasez, queremos plantear dos prácticas diseñadas como problemas experimentales que tengan como objetivos favorecer la comprensión de algunos contenidos relacionados con los indicadores en los que hemos detectado algunas dificultades, tales como no considerar el equilibrio del indicador, presente en todo el proceso, ni el intervalo de viraje, donde el color que se aprecia es la mezcla de los colores de las dos formas del indicador. Los objetivos a cubrir por estas prácticas pueden ser muy diversos como, por ejemplo, la adquisición de habilidades manipulativas, que se centran en los contenidos procedimentales; la vivencia de fenómenos que favorecen la comprensión de contenidos conceptuales; así como el incremento de la motivación y de una actitud positiva hacia la ciencia. Sin embargo, las actividades que se proponen en el laboratorio no siempre desarrollan estos objetivos sino que, como algunos autores señalan (Hodson, 1994; Yager y Penick, 1987), el diseño tradicional de experiencias corresponde a tareas rutinarias, en las que los alumnos no realizan actividades creativas sino que, más bien, únicamente siguen las indicaciones de una receta. Por ello, el trabajo práctico debe estar muy bien diseñado para conseguir no sólo que el alumno se acerque y conozca una parte fundamental en el trabajo de los científicos, como es el trabajo en el laboratorio, sino que también adopte una actitud positiva hacia la ciencia y desarrolle habilidades tanto de tipo manual (operativas) como intelectual (resolución de situaciones problemáticas), ya que la gran inversión de tiempo, energías y recursos que se necesitan para su montaje deben ser justificados. Al proyectar las prácticas como problemas se puede emplear en el laboratorio el mismo método heurístico utilizado para la resolución de problemas cuantitativos y cualitativos que hemos comentado ampliamente en párrafos anteriores. La única diferencia es que en la etapa de ejecución se requiere el diseño de un montaje experimental y, por tanto, el manejo de habilidades procedimentales. A modo de ejemplo, algunos de los problemas sugeridos en la tabla V pueden y deben ser resueltos utilizando el laboratorio como medio. A continuación mostraremos diferentes formas de plantear una práctica de laboratorio sobre los indicadores. Los docentes deben elegir la forma (cerrada, semiabierta o abierta) que prefieran para lograr los objetivos que se propongan con la actividad. Con la siguiente práctica no se observa un cambio brusco del indicador, sino que cambian los colores gradualmente, por lo que se facilita el aprendizaje del concepto intervalo de viraje. En primer lugar, describimos la práctica de una forma tradicional (Rendle, Vokins y Davis, 1972): Intervalo de pH de los indicadores Se necesita material para valoraciones, disolución tampón universal, disolución de hidróxido de sodio (0,1 M) e indicadores (metilnaranja, timolftaleina, fenolftaleína, etc.). Método: Prepare el color ácido mezclando 50 cm3 de agua pura en un erlenmeyer con 2,5 cm3 de ácido clorhídrico 2 M y añadiendo exactamente 5 gotas de un indicador. Prepare el color básico de la misma forma pero usando hidróxido de sodio 2 M. Diluya a 25 cm3 una alícuota de la disolución reguladora con 10 cm3 de agua pura y añada exactamente 5 gotas de un indicador. Añada a la mezcla del tampón el hidróxido de sodio (0,1 M) hasta que el primer indicador comience a cambiar desde su color ácido. Anote la lectura de la bureta. Con el objeto de realizar una buena comparación, las disoluciones coloreadas deben ser diluidas con agua pura lo necesario para tener aproximadamente el mismo volumen que la mezcla a valorar. Utilice la siguiente relación para calcular el intervalo de pH en el que el indicador cambia de color: pH = 3,1 + 0,237 V, donde V = cm3 de NaOH(ac) 0,1M añadido hasta un máximo de 35 cm3. Esta relación ha sido tomada de la valoración de una alícuota de 25 cm3 de la disolución reguladora universal utilizando como valorante hidróxido sódico 0,1M. Sin embargo, no es preciso conocer una ecuación determinada sino que se puede utilizar como alternativa el pehachímetro (o incluso que los alumnos calculen la relación entre el volumen y el pH según distintas disoluciones reguladoras). Esta tarea puede ser transformada en un problema experimental semiabierto con el siguiente enunciado: «Utilice una disolución reguladora y varios indicadores para poner de manifiesto que el color que se aprecia en el intervalo de viraje es una mezcla de los colores de las dos formas del indicador.» Por último, podemos plantear el problema abierto con el siguiente enunciado: ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) 239 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA «Todos los indicadores poseen un intervalo de viraje donde el color que se observa es la mezcla de los colores de las dos formas del indicador. Diseñe un experimento que ponga de manifiesto esta afirmación.» Para terminar esta propuesta de actividades queremos insistir en la necesidad de que los alumnos indaguen de forma experimental que el equilibrio entre las especies del indicador ocurre durante todo el proceso. Para ello, se pueden utilizar medidas espectrofotométricas, de forma que se pueda observar que, para valores fuera del intervalo de viraje de un indicador están presentes las dos formas. Al igual que en la práctica anterior, se pueden plantear tres enunciados diferentes según se quiera un experimento cerrado, semiabierto o abierto: – Cerrado: Tome los siguientes indicadores: fenolftaleína y verde de bromocresol. Mida utilizando un espectrofotómetro a dos unidades del comienzo del intervalo de viraje, en el centro del intervalo de viraje y dos unidades posteriores a dicho intervalo. – Semiabierto: Medidas espectrofotométricas de varios indicadores a varios valores del pH. – Abierto: Diseñe una experiencia para reconocer las dos formas del indicador durante todo el proceso. IMPLICACIONES PARA LA ENSEÑANZA UNIVERSITARIA El diagnóstico de las concepciones alternativas pone de manifiesto algunas deficiencias de la enseñanza universitaria actual que, como destacan Perales (1998), Gil y Vilches (1999) o Campanario (2002), comienza con la formación didáctica inicial y permanente del profesorado universitario de ciencias. Una de las ideas que más se destaca en la investigación es que, en la formación inicial del profesorado, se debe incidir en el conocimiento didáctico del contenido, dotando al profesorado de una carga profesional elevada (como profesores de ciencias y no como profesionales en ciencias), de forma que los contenidos estén estrechamente ligados a la didáctica de las ciencias experimentales sin que esta formación del profesorado sea sumativa (contenidos de ciencias con una coletilla final de aplicación didáctica) sino que debe ser de forma globalizada, no fragmentada (Mellado, 2000). Como nuestra tarea investigadora no sólo es detectar problemas sino también realizar propuestas de mejora, las concepciones alternativas descritas permiten fundamentar propuestas de enseñanza que faciliten el aprendizaje de los contenidos implicados. La generación de conflictos sobre contenidos concretos al nivel universitario evita caer en una formación didáctica general de la que huyen los docentes universitarios de ciencias, creando conexiones a través de la utilidad para sus clases, al mismo tiempo que permite la reflexión sobre su conocimiento didáctico declarado y su práctica docente. Con respecto a los equilibrios ácido-base múltiples, las propuestas deben tratar de salvar las principales dificultades de los estudiantes, incluidos los universitarios, quienes no consideran la simultaneidad de todos los procesos que transcurren y conceden más importancia a unos equilibrios y eliminan otros porque no son necesarios para obtener un resultado numérico a la hora de resolver los cálculos que se suelen pedir en los problemas de equilibrios múltiples. El planteamiento y la resolución mediante excesivas aproximaciones de algunos problemas, por tanto, puede inducir al razonamiento causal secuencial, no considerar todos los equilibrios, el escaso control de variables o, por el contrario, puede convertirse en una excelente ocasión para facilitar el aprendizaje de los contenidos relacionados con los equilibrios múltiples, entre ellos la simultaneidad que los caracteriza, que todos transcurren desde el principio del proceso, la presencia de todas las especies posibles en los diferentes equilibrios, etc. Por ello, nuestra propuesta se centra en plantear problemas de temática diversa y ofrecer un método heurístico para su resolución con el objetivo de que los estudiantes utilicen todas las variables puestas en juego en estos procesos y no reduzcan los problemas a la obtención de un resultado numérico que se obtiene por múltiples aproximaciones matemáticas. Por todo ello, el planteamiento y las estrategias de resolución de problemas que proponemos es una llamada de atención al estudiante, –y al profesorado universitario de ciencias químicas– sobre la importancia de evaluar de forma cualitativa el problema químico (las especies, los equilibrios, las concentraciones de las especies, las relaciones que se establecen, etc.) y reducir los aspectos matemáticos con ayuda del ordenador. Esta investigación no sólo plantea una mejora en el aprendizaje de los equilibrios múltiples al nivel universitario, sino que también permite aprovechar la ocasión para hacer un llamamiento a favor de la mejora de la formación del profesorado (también del universitario). De este modo, las diferencias entre los contenidos sobre ácidos y bases en los niveles secundario y universitario deben ser marcadas para evitar las consecuencias nefastas (porque perduran) de adelantar contenidos que, por su dificultad, deben reservarse a niveles educativos superiores: el hecho de introducir los equilibrios múltiples en bachillerato (justo después de la introducción de los contenidos relacionados con los equilibrios «simples») conlleva la utilización del razonamiento causal descrito para resolver los problemas y poder obtener un resultado numérico satisfactorio y una explicación química convincente. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 240 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) NOTA 1 En párrafos anteriores citamos algunos ejemplos de las investigaciones neopiagetianas de Niaz sobre la demanda-M de los problemas de química. Este autor se centra en los problemas estequiométricos y de equilibrios. Asumimos que, si los problemas de equilibrios poseen una elevada demanda-M, ésta se verá aumentada al tratar con equilibrios múltiples porque aumentan las variables (el número de equilibrios, el número de especies que es preciso controlar de forma simultánea). El problema de los equilibrios múltiples tiende a resolverse utilizando el razonamiento causal secuencial antes descrito porque resulta una estrategia de enseñanza y de aprendizaje mucho más económica (de menor demanda). REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANAMUAH-MENSAH, J. (1986). Cognitive strategies used by chemistry students to solve volumetric analysis problems. Journal of Research in Science Teaching, 23(9), pp. 759-769. ANDERSSON, B. (1990). Pupils’ conceptions of matter and its transformations (age 12-16). Studies in Science Education, 18, pp. 54-85. BABER, J. (1996). Of cabbages and Chemistry. Lawrence Hall of Science. Berkeley. BLONDEL, F.M. y SCHWOB, M. (1996). Expertise pédagogique et modélisation de l’élève dans un environnement de résolution de problèmes de chimie. Tecnologies nouvelles et éducation. Documents et travaux de recherche en éducation. INRP. BOUJAODE, S. (1993). «Students’ systematic errors when solving kinetic and chemical equilibrium problems.» Comunicación presentada en el Annual Meeting of the National Association for Research in Science Teaching. Atlanta. CAMPANARIO. J.M. (2002). Asalto al castillo: ¿A qué esperamos para abordar en serio la formación didáctica de los profesores universitarios de ciencias? Enseñanza de las Ciencias, 20(2), pp. 315-325. COBB, V. (1998). Cobb’s red cabbage indicator. Chemecology, 27(2), pp. 15. CROS, D. et al. (1986). Conceptions of first year university students of the constitution of matter and the notions of acids and bases. European Journal of Science Education, 8(3), pp. 305-313. CROS, D. et al. (1988). Conceptions of second year university students of some fundamental notions in Chemistry. International Journal of Science Education, 10(3), pp. 331336. DE LA GUARDIA, M., SALVADOR, A., LÓPEZ, J. y CARRIÓN, J.L. (1985). Errores conceptuales en la concepción de los equilibrios ácido-base. Enseñanza de las Ciencias, núm. extra, p. 61. DE MANUEL, E., JIMÉNEZ-LISO, M.R. y SALINAS, F. (2000). Las concepciones sobre ácidos y bases de los opositores al cuerpo de profesores de secundaria. Alambique, 24, pp. 6676. DRIVER, R., GUESNE, E. y TIBERGHIEN, A. (1989). Ideas científicas en la infancia y la adolescencia. Madrid: MECMorata. FERNÁNDEZ GONZÁLEZ, M. (2000). Problemas de química, en Perales, F.J. La resolución de problemas en ciencias experimentales, pp. 140-169. Madrid: Síntesis. FORD, N. (2000). Cognitive styles and virtual environments. Journal of the American Society for Information Science, 51(6), pp. 543-557. FORTMAN, J.J. (1994). Pictorial analogies XI: concentrations and acidity of solutions. Journal of Chemical Education, 71(5), pp. 430-432. GIL, D. y VILCHES, A. (1999). Problemas de la educación científica en la enseñanza secundaria y la universidad: contra las evidencias. Revista Española de Física, 13(5), pp. 10-15. HOBDEN, P. (1998). The role of routine problem tasks in Science Teaching, en Fraser, B.J. y Tobin, K.G. International Handbook of Science Education, pp. 219-232. Dordercht: Kluwer A.P. HODSON, D. (1994). Hacia un enfoque más crítico del trabajo de laboratorio. Enseñanza de las Ciencias, 12(3), pp. 299-313. HUDDLE, P.A. y PILLAY, A.E. (1996). An in-depth study of misconceptions in stoichiometry and chemical equilibrium at South African University. Journal of Research in Science Teaching, 33(1), pp. 65-77. JIMÉNEZ-LISO, M.R. (2000). «Contenidos relacionados con los procesos ácido-base: diagnóstico y propuestas didácticas al nivel universitario». Tesis doctoral no publicada. Facultad de Ciencias de la Educación. Universidad de Granada. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) 241 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA JIMÉNEZ-LISO, M.R., DE MANUEL, E., GONZÁLEZ, F. y SALINAS, F. (2000). La utilización del concepto del pH en la publicidad y su relación con las ideas que manejan los alumnos: aplicaciones en el aula. Enseñanza de las Ciencias, 18(3), pp. 451-461. JIMÉNEZ-LISO, M.R., DE MANUEL, E. y SALINAS, F. (2001). Las concepciones sobre los ácidos y las bases: su tratamiento en los textos de los niveles universitario y medio, en Martín, M. y Morcillo, J.G. (eds.). (2001). Reflexiones sobre la Didáctica de las Ciencias Experimentales. Actas de los XIX Encuentros de Didáctica de las Ciencias Experimentales, pp. 454-462. Madrid: Nivola. JIMÉNEZ-LISO, M.R. y DE MANUEL, E. (2002). La neutralización ácido-base a debate. Enseñanza de las Ciencias, 20(3), pp. 451-464. JONASSEN, D.H. (1996). Computers in the classroom. Nueva Jersey: Prentice-Hall. KANDA, N. et al. (1995). Preparing «Chamaleon Balls» form natural plants: simple hadmade pH indicator and teaching material for chemical equilibrium. Journal of Chemical Education, 72(12), pp. 1131-1132. KEMPA, R.F. (1986). Resolución de problemas de química y estructura cognitiva. Enseñanza de las Ciencias, 4(2), pp. 99110. KUMAR, D.D. (1993). Assessment of Expert-Novice Chemistry problem solving using Hypercard: early findings. Journal of Science Education and Technology, 2(3), pp. 481-485. KUMAR, D.D. et al. (1994). A study of the effect of Hypercard and pen-paper performance assessment methods on expertnovice Chemistry problem solving. Journal of Science Education and Technology, 3(3), pp. 187-200. MASON, D.S. y CRAWLEY, F.E. (1994). «Differences between algorithmic and conceptual problem solving by nonscience majors in Introductory Chemistry.» Comunicación presentada en Annual Meeting of the National Association for Research in Science Teaching. Anaheim. MASON, D.S., SHELL, D.F. y CRAWLEY, F.E. (1997). Differences in problem solving by nonscience majors in Introductory Chemistry on paired algorithmic conceptual problems. Journal of Research in Science Teaching, 34(9), pp. 905-924. MELLADO, V. y GONZÁLEZ, T. (2000). La formación inicial del profesorado de ciencias, en Perales y Cañal (eds.). Didáctica de las Ciencias Experimentales, pp. 535-555. Alcoy: Marfil. NAKHLEH, M.B. y KRAJCIK, J.S. (1994). Influence of levels of information as presented by different technologies on students’ understandings of acid, base and pH concepts. Journal of Research in Science Teaching, 31(10), pp. 10771096. NIAZ, M. (1988). The information processing demand of Chemistry problems and its relation to Pascual-Leone’s functional M-capacity. International Journal of Science Education, 10(2), pp. 231-238. NIAZ, M. (1989). Dimensional Analysis: A Neo-Piagetian Evaluation of M-demand of Chemistry Problems. Research in Science and Technological Education, 7(2), pp.153-170. (ERIC Identifier: EJ403037) NIAZ, M. (1993). «Reasoning strategies of students in solving Chemistry problems as a function of developmental level, functional M-capacity and disembedding ability.» Comunicación presentada en Annual Meeting of the National Association for Research in Science Teaching (Atlanta, GA, April, 1993). (ERIC Identifier: ED360180). PASCUAL-LEONE, J. (1978). Compounds, confounds and models in developemental information processing: a reply to Trabasso and Foellinger. Journal of Experimental Child Psychology, 26, pp. 18-40. PASCUAL-LEONE, J. (1987). Organismic processes for NeoPiagetian theories: a dialectical causal account of cognitive development. International Journal of Psichology, 22, pp. 531570. PASK, G. (1976). Styles and strategies of learning. British Journal of Educational Psychology, 46, pp. 128-148. PASK, G. (1988). Learning strategies, teaching strategies, and conceptual or learning style, en Schmeck, R.R. (ed.). Learning strategies and learning styles, pp. 899. Nueva York: Plenum Press. PASK, G., y SCOTT, B.C.E. (1972). Learning strategies and individual competence. International Journal of Man-Machine Studies, 4, pp. 217-253. PASK, G. y SCOTT, B.C.E. (1973). CASTE: A system for exhibiting learning strategies and regulating uncertainty. International Journal of Man-Machine Studies, 5, pp. 17-52. PERALES, F.J. (1994). Enseñanza-aprendizaje de una heurística en la resolución de problemas en física: un estudio cuasi experimental. Revista Interuniversitaria de Formación del Profesorado, 21, pp. 201-209. PERALES, F.J. (1998). La formación del profesorado universitario en didáctica de las ciencias experimentales. Desde el inmovilismo a la búsqueda de alternativas. Revista de Educación de la Universidad de Granada, 11, pp. 345-354. PERALES, F.J. (2000). La resolución de problemas en ciencias experimentales. Madrid: Síntesis. POLYA, G. (1945). How to solve it. Princeton University Press. Nueva Jersey. Citado en Perales, F.J. (2000), p. 37. RENDLE, P., VOKINS, M. y DAVIS, P. (1972). Experimental Chemistry. Londres: Arnold. ROSS, B. y MUNBY, H. (1991). Concept mapping and misconceptions: a study of high-school students’ understandings of acids and bases. International Journal of Science Education, 13(1), pp. 11-23. SANMARTÍ, N. (1996). Para aprender ciencias hace falta aprender a hablar sobre las experiencias y sobre las ideas. Textos, 8, pp. 27-39. SCHMIDT, H.J. (1991). A label as a hidden persuader: chemists’ neutralization concept. International Journal of Science Education, 13(4), pp. 459-471. SHERWOOD, R.D., PETROSINO, A.J., LIN, X. et al. (1998). Problem-based macro contexts in Science Instruction: Design issues and applications, en Fraser, B.J. y Tobin, K.G. International Handbook of Science Education, pp. 349-362. Kluwer A.P. Dordercht. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 242 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (2) SIERRA, J.L. (2000). Informática y enseñanza de las ciencias, en Perales, F.J. y Cañal, P. La Didáctica de las ciencias experimentales: teoría y práctica de la enseñanza de las ciencias, pp. 339-359. Alcoy: Marfil. TOPLIS, R. (1998). Ideas about acids and alkalis. School Science Review, 80(291), pp. 67-70. UZELMEIER, C.E. y BREYER, A.C. (1998). Red shoe-blue shoe: an acid-base demonstration with a fashionable twist. Journal of Chemical Education, 72(2), pp. 183-184. VANCLEAVE, J. (1998). Hands-on science: Is it an acid or a base? These colorful tests tell all! Instructor (Primary), 107(6), pp. 97-98. VIDAL DE LABRA, J.A., ROMERO, F. y REQUENA, A. (1985). Enseñanza basada en ordenador: una experiencia en BUP. Enseñanza de las Ciencias, 2, pp. 100-107. VIDYAPATI, T.J. y SEETHRAMAPPA, J. (1995). Higher secondary school student’s concepts of acids and bases. School Science Review, 77(278), pp. 82-84. VIENNOT, L. (1979). Spontaneous Reasoning in Elementary Dynamics. European Journal of Science Education, 2, pp. 205-214. YAGER, R.E. y PENICK, J.E. (1987). Resolving the Crisis in Science Education: Understanding before Resolution. Science Education, 71(1), pp. 49-55. ZABALZA, M. (1985). Teoría y práctica del diseño curricular. Universidad de Santiago de Compostela. ZOLLER, U. (1990). Students’ misunderstandings and misconceptions in college freshman chemistry (General and Organic). Journal of Research in Science Teaching, 27(10), pp. 1053-1065. [Artículo recibido en noviembre de 2001 y aceptado en enero de 2003.]