Un estudio sobre el papel de las analogías en la construcción del modelo cinético-molecular de la materia

429 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3), 429–444 UN ESTUDIO SOBRE EL PAPEL DE LAS ANALOGÍAS EN LA CONSTRUCCIÓN DEL MODELO CINÉTICO-MOLECULAR DE LA MATERIA Oliva, J.M.1; Aragón, M.M.2; Bonat, M.3 y Mateo, J.4 1 Centro de Profesorado de Cádiz 2 IES Drago. Cádiz 3 IES Mar de Cádiz. El Puerto de Santa María (Cádiz) 4 IES La Pedrera Blanca. Chiclana de la Frontera (Cádiz) Resumen. En este trabajo se propone, en primer lugar, un marco teórico para analizar el papel de las analogías en la construcción de modelos sobre fenómenos científi cos por parte de los alumnos. Tomando como base dicho marco, se fundamenta, en segundo lugar, un diseño didáctico concreto encaminado a facilitar la construcción del modelo cinético-molecular de la materia a través de analogías, en alumnos de educación secundaria obligatoria. Finalmente, se evalúa el diseño didáctico empleado comparando los resultados fi nales alcanzados en pruebas de interpretación y predicción de fenómenos en un grupo experimental y en otro de control. Los resultados obtenidos parecen indicar que las analogías jugaron un papel relevante en la comprensión de los alumnos que fueron enseñados a través de dicho recurso. Éstos aportaron, fi nalmente, modelos explicativos más acordes con el modelo científi co que los alumnos que fueron enseñados según un diseño semejante pero sin analogías, si bien las diferencias encontradas fueron pequeñas. Palabras clave. Analogías, diseño didáctico, evolución cognitiva, modelos mentales, modelo cinético-molecular. Summary. In order to analyze the role of the analogies on the model construction about scientifi c phenomena in the students, a theoretical framework is fi rstly proposed. From this framework, a concrete didactic design is also proposed with regard to facilitating the construction of a kinetic-molecular model of matter through analogies, in students of compulsory secondary education. Finally, the didactic design used is evaluated, comparing the fi nal results in the interpretation and prediction of phenomena between an experimental group and a control one. The post-test results indicate that the analogies used played a relevant role in the learning process of the pupils who were taught through the mentioned resource. They provided, fi nally, explanatory models more in agreement with the scientifi c model than the pupils who were taught according to a similar design but without analogies, although the differences found were small. Keywords. Analogies, cognitive development, didactic design, mental models, kinetic-molecular model. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA Durante las dos últimas décadas se han realizado notables esfuerzos para esclarecer cuáles son las difi cultades que tienen los alumnos en el aprendizaje de nociones relativas al modelo cinético-molecular. Muchas de esas difi cultades parecen descansar sobre la existencia de concepciones implícitas que se adaptan mejor a sus experiencias cotidianas que los modelos científi cos que se pretende enseñar. Concretamente, como bien ha sintetizado Benarroch (2000, 2001), estas difi cultades consisten en: a) Una propensión a imaginar la materia en términos macroscópicos, en vez de hacerlo a partir de su carácter discontinuo o molecular. b) Una tendencia a trasladar las propiedades macroscópicas de un sistema hacia las microscópicas. c) Una resistencia a considerar los gases como sistemas materiales. INTRODUCCIÓN INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 430 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) d) La conceptualización, en el mejor de los casos, de un modelo corpúscular estático. Con objeto de superar este tipo de difi cultades, y de acuerdo con algunas interpretaciones que se han hecho de los modelos de cambio conceptual, muchos autores han sugerido el uso del confl icto conceptual con la experiencia como instrumento para desencadenar una «sustitución» de las ideas intuitivas por las ideas científi cas que se pretenden enseñar. Sin embargo, por diversas razones, las propuestas didácticas concretas desarrolladas en este sentido no han funcionado todo lo bien que se esperaba (Dreyfus et al., 1990; Furió et al., 1994; Oliva, 1999). Por ello, parece lógico pensar en otras formas alternativas de conceptualizar el aprendizaje y otras maneras de dirigir la enseñanza en general y de estos temas en particular (Oliva, 1999). En este sentido, no podemos olvidar el interés despertado últimamente por el aprendizaje a través de analogías, no sólo desde el ámbito de investigación en psicología (ver la revisión realizada por González-Labra, 1997), sino también desde de la didáctica de las ciencias (Duit, 1991; Dagher, 1995). Por este motivo, nos ha parecido interesante analizar el papel de las analogías en el aprendizaje de estos temas y en la superación de las concepciones alternativas, sobre todo teniendo en cuenta el escaso eco que las analogías parecen haber tenido en nuestro país como objeto de investigación (Aragón, Bonat, Oliva y Mateo, 1999). Concretamente, la fi nalidad del estudio era comprobar la repercusión del uso de analogías en la asimilación del modelo corpuscular de la materia. Con tal fi n diseñamos y aplicamos una unidad didáctica dedicada al estudio del modelo cinético-molecular y los estados de la materia, adoptando el uso de analogías como núcleo estructurante y vertebrador de los contenidos tratados. Se trataba de evaluar la propuesta, analizando los modelos explicativos fi nales utilizados por los alumnos al interpretar y predecir fenómenos físicos. MODELOS EN LOS ALUMNOS Y MODELOS EN LAS CIENCIAS Hoy día, el estudio de las analogías se encuentra muy cercano al ámbito de investigación sobre modelos (Oliva, Aragón, Mateo y Bonat, 2001). Por ello, en este trabajo la idea de modelo juega un papel central como unidad de conocimiento utilizado para comprender un fenómeno o resolver una situación dada. Se utiliza con distintas acepciones y signifi cados entre los que existen algunas conexiones importantes, pero también diferencias notables que conviene tener presente. A la hora de establecer diferenciaciones utilizaremos como marco teórico una adaptación del esquema de aprendizaje a través de modelos propuesto por Clement (2000). Según este autor, el aprendizaje consistiría en la evolución cognitiva a través de distintos modelos intermedios que tomarían como referente el modelo consensuado por los expertos o, lo que es lo mismo, el modelo aceptado por la comunidad científi ca. Esta continuidad entre las concepciones y modelos iniciales de los alumnos y el modelo objeto del aprendizaje sería posible, según Clement (2000), gracias a la existencia simultánea en los alumnos de modelos y concepciones iniciales útiles que pueden servir de anclaje de los nuevos modelos generados. Sobre este supuesto básico hemos incorporado dos ideas adicionales, confi gurando así nuestra propia perspectiva de aprendizaje a través de modelos que se expone en la fi gura 1. Figura 1 Adaptación del esquema de Clement (2000). Preconcepciones Modelos y concepciones alternativas Modelos y concepciones útiles Destrezas y razonamientos naturales Modelo intermedio MM1 Modelo intermedio MM2 Modelo objeto MMn Proceso de aprendizaje ALUMNO Representación didáctica del modelo (RDM) Modelo científi co (MC) Proceso de enseñanza OBJETO DE ENSEÑANZA INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 431 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) Nuestra primera aportación al esquema de Clement consiste en discernir entre conocimiento interno y externo al alumno (Marín, 2003) o, lo que es lo mismo, entre conocimiento del estudiante y conocimiento o contenido a enseñar. La segunda se refi ere a la necesidad de diferenciar entre contenido científi co y contenido escolar, considerando éste último como resultado de la transposición didáctica del primero y verdadero referente externo del aprendizaje. Con vistas a tener en cuenta estas matizaciones, el esquema de la fi gura 1 integra algunas de las ideas aportadas por Greca y Moreira (2000) sobre diferencias entre modelos mentales y modelos conceptuales. Así mismo incorpora la ya clásica distinción entre conocimiento científi co y conocimiento escolar (AAVV, 1994), que en este caso se traduce en la distinción entre modelos científi cos (MC) y las representaciones didácticas de esos modelos (RDM) (Galagovsky y Adúriz-Bravo, 2001). En el recuadro de la izquierda, etiquetado con la palabra alumno, los modelos que aparecen son modelos mentales (MM) (Johnson-Laird, 1983; Holland et al., 1986; Pozo, 1989; Gutiérrez y Ogborn, 1992; Vosniadou, 1994; Greca y Moreira, 1998, 2000). Éstos son idiosincrásicos, personales e internos, y consisten en las representaciones que generamos los individuos durante el funcionamiento cognitivo cuando tratamos de comprender, explicar o predecir el comportamiento de los sistemas con que interaccionamos (Johnson-Laird, 1983; Grosslight, Under, Jay y Smith, 1991; Vosniadou, 1994; Greca y Moreira, 1998; Reiner y Gilbert, 2000; Solsona, Izquierdo y Gutiérrez, 2000). En el recuadro de la derecha, los modelos que se incluyen son de tipo conceptual, al tratarse de conocimientos de tipo explícito y externo a los individuos, resultado del consenso alcanzado por las comunidades de científi cos o de educadores y divulgadores encargados de hacer llegar esa ciencia a los escolares o al público en general. De una parte, los modelos científi cos (MC) juegan un papel importante en la estructura y evolución de la ciencia y son parte integral del pensamiento y funcionamiento científi co. Se trata de elementos básicos a la hora de fundamentar, adecuar, fl exibilizar y evaluar las explicaciones científi cas (Halloun, 1996; Gilbert, Boulter y Rutherford, 1998). Harrison y Treagust (2000a) señalan que modelizar es la esencia de pensar y trabajar científi camente, y Gilbert (1993) afi rma que la ciencia y sus modelos son inseparables, porque los modelos son los productos de la ciencia y, a la vez, sus métodos y herramientas de trabajo. De otra parte, desde el punto de vista educativo juegan también un papel primordial en la enseñanza de las ciencias, mediatizados por un proceso de transposición didáctica que conduce a las representaciones didácticas de esos modelos (RDM) (Galagovsky y Adúriz-Bravo, 2001). En sus distintas versiones, esas representaciones se utilizan para organizar la comprensión del alumno y como base para delimitar un conocimiento escolar deseable que sirve como punto de referencia externo (Justi y Gilbert, 2000). En ocasiones, esas representaciones se proporcionan directamente en formato declarativo mediante una versión simplifi cada y adaptada a la edad del modelo científi co. En otras, se presentan utilizando recursos e instrumentos retóricos que ayuden a su interiorización, por ejemplo, mediante dibujos, maquetas, modelos mecánicos, metáforas, analogías, simulaciones, paradojas, experimentos mentales, etc. Como se sugiere en la fi gura 1, la elaboración y evolución de los modelos mentales en el alumno no es el producto de un proceso de transmisión de signifi cados, sino consecuencia de la evolución cognitiva que resulta de la interacción entre los modelos mentales del alumno y las representaciones didácticas de los modelos científi cos (Gutiérrez y Ogborn, 1992; Gutiérrez, 1996; Vosniadou, 1994). En dicha evolución, cada uno de los modelos que se van generando van dejando una huella que no termina por desaparecer a medida que va pasando al estadio siguiente, sino que se mantiene latente dentro del repertorio de modelos que puede utilizar la persona en cada momento. El cambio conceptual, visto de esta forma, se trataría más de la elección de una opción u otra dentro del repertorio de modelos alternativos de que se dispone, que de la sustitución de un modelo por otro (Hewson y Hewson, 1992; Linder, 1993; Maloney y Siegler, 1993; Oliva, 1999; Pozo et al., 1991; Taber, 2001). Es aquí donde situamos las analogías, como recursos que permiten al alumno construir conocimientos en un dominio dado a partir de su comprensión sobre otro que resulta para él mejor conocido y más familiar. ENSEÑANZA-APRENDIZAJE POR ANALOGÍA Y CONSTRUCCIÓN DE MODELOS Junto a los modelos mentales y conceptuales, todavía podríamos distinguir, dentro de los primeros, una tercera acepción de la noción de modelo, que resulta básica al hablar de la analogía como recurso didáctico. Se trata de la idea de modelo que introduce Duit (1991) como conjunto de elementos comunes que se aprecian entre los dos sistemas o fenómenos que se comparan durante la construcción de una analogía. A este tercer tipo de modelo lo denominaremos modelo subyacente a la analogía o simplemente modelo de la analogía (MA). En nuestro esquema, el papel de las analogías podría encajar de la forma que se indica en la fi gura 2. A la hora de trazar una analogía, un primer paso sería elegir el análogo o situación de anclaje que se utiliza de referencia a la hora de verifi car una transferencia de signifi cados hacia la situación o noción objeto que se quiere representar. Se supone que el análogo elegido es bien conocido por el alumno, al menos en aquellas facetas que se pretende utilizar con vistas a ilustrar el objeto. Al evocar la analogía, partimos, pues, de un modelo mental previo que tendrá el alumno sobre la situación objeto (MMi-1), un modelo mental de la situación análoga (MMi’) y un conjunto de herramientas y representaciones didácticas (RDM) destinadas a estimular el razonamiento analógico en los alumnos. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 432 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) En realidad, todo instrumento dirigido a inducir cualquiera de estos elementos podría ser considerado en sí mismo de naturaleza analógica, por cuanto analógicos son los procesos de transferencia de signifi cados que están en su origen (Van Driel y Verloop, 1999; Gilbert, Boulter y Rutherford, 1998; Harrison y Treagust, 2000a). Así, por ejemplo, cuando utilizamos en las clases de ciencias un modelo molecular de bolas, una maqueta a escala para explicar el sistema solar o globos infl ados para ilustrar la forma de distintos orbitales, usamos esos recursos como estímulos para desarrollar el pensamiento analógico de los alumnos. En este marco, el modelo de la analogía es el fruto de la comparación entre el modelo objeto y el modelo análogo o, lo que es lo mismo, se trata del mensaje que lleva la analogía desde la intencionalidad didáctica con la que se propone. Como señala González-Labra (1997), se trata de un modelo de segundo orden, al tratarse de un proceso que opera ya a partir de otros modelos. La analogía sólo conducirá al conocimiento deseado si el modelo que construye el alumno responde a las expectativas previstas. De ahí que gran parte de las difi cultades que surgen en el proceso de aprendizaje mediante analogías –por ejemplo, cuando el alumno aprende el análogo pero no transfi ere signifi cados, cuando interpreta la analogía según puntos de vistas inesperados o cuando llevan la analogía demasiado lejos– se podrían interpretar asumiendo que el alumno no ha llegado a construir una representación del modelo que hay de fondo en la analogía o, al menos, que ha construido otro modelo diferente al que el profesor tenía previsto y hubiera deseado. Veamos a continuación un caso aclaratorio, para lo que recurriremos a una analogía que suele referirse al introducir el modelo atómico de Rutherford en clases de secundaria obligatoria y en mucho libros de texto de ese nivel; se trata de la analogía del átomo como sistema solar (MMi’). En este caso, es probable que el alumno disponga ya de una idea de átomo como «esfera sólida», si es que ha estudiado el modelo de Dalton, o como «pudin de pasas» si ha abordado el modelo de Thomson. Cualquiera de estas representaciones mentales podría en principio actuar como modelo de partida (MMi-1), pretendiéndose que el alumno construya un modelo más avanzado de átomo. Éste podría consistir en un núcleo central y electrones que giran alrededor inmersos en un espacio vacío (MMi), para cuyo aprendizaje el profesor podría utilizar una serie de recursos, como presentar la idea de forma esquemática, ofrecer un dibujo aclaratorio y sugerir el símil del átomo como sistema planetario (RDM). Todo ello a pesar de que, como profesores, tenemos en mente un modelo de átomo más complejo como distribución de cargas (MC). Pues bien, en este contexto, el modelo de la analogía correspondería a aquello que tienen en común los modelos MMi y MMi’; es decir, la idea de un cuerpo fi jo central, con objetos alrededor dando vueltas atraídos por el cuerpo fi jo y, entre ambos, espacio vacío. Éste sería el mensaje que intenta ilustrar la analogía y es lo que Duit (1991) delimita como modelo de la analogía (MA). Figura 2 El papel del razonamiento analógico en la evolución de los modelos mentales de los alumnos. Representaciones didácticas del modelo (RDM) Modelo científi co (MC) Analogías, símiles, metáforas, simulaciones, etc. OBJETO DE ENSEÑANZA Preconcepciones Modelos y concepciones en un dominio Modelos y concepciones útiles en otros dominios Modelo objeto MM i-1 Modelo objeto MM i Aprendizaje por analogía ALUMNO Modelo de la analogía (MA i) Modelo en el dominio análogo MM i’ INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 433 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) Figura 3 Aprendizaje mediante analogías múltiples consecutivas. Preconcepciones Modelos y concepciones en un dominio Modelos y concepciones en otros dominios Modelo objeto MM1 MA1 Modelo objeto MM2 Modelo objeto MM3 Modelo en el dominio análogo MM1’ Modelo en el dominio análogo MM2’ { MA2MA3 Modelo en el dominio análogo MM3’ La construcción del modelo de la analogía es una tarea compleja que no se verifi ca de una forma lineal y unidireccional, sino a través de un proceso interactivo entre el objeto y el análogo en el que tanto el signifi cado que se otorga a la analogía como al modelo que hay detrás se van viendo modifi cados de una forma paulatina (Oliva et al., 2001). Debido a esta complejidad, surge la conveniencia de recurrir a más de una analogía para ayudar a que el modelo mental que se construya sea próximo al modelo deseable desde el punto de vista de la ciencia escolar (Duit, 1991; Thagard, 1992; Dagher, 1994; Heywood y Parker, 1997; Harrison y Treagust, 2000a, 2000b). Esta multiplicidad en el uso de analogías debería entenderse en un doble sentido. De un lado, como recurso que permite resaltar y acotar las facetas relevantes del modelo que se pretende ilustrar mediante la comparación entre el objeto y los análogos. De otro, como instrumento que favorece la evolución entre distintos modelos Mi, M2… Mn si se usa de un modo encadenado a través de diversas analogías sucesivas. Cada una de ellas iría aportando distintos rasgos adicionales al modelo mental del alumno o también modifi cando aquéllos que resulten inadecuados (Fig. 3). Como ha mostrado Dagher (1994), las analogías pueden tener también una función relevante en el proceso de cambio o evolución conceptual a través de la consecución de pequeños cambios consecutivos que, más tarde, podrían ayudar a precipitar cambios sustanciales en el razonamiento de los alumnos. Una vez delimitado el modelo cognitivo de alumno por el que nos decantamos a la hora de contemplar el aprendizaje por analogía, queda aún por defi nir el enfoque que adoptamos en el trabajo a la hora de diseñar y planifi car nuestra intervención en el aula. A ello dedicaremos espacio en el siguiente apartado, en el que describiremos un diseño de enseñanza concreto elaborado y aplicado con vistas a favorecer en los alumnos la construcción de un modelo cinético-molecular para la materia a través de analogías. EL USO DE ANALOGÍAS COMO NÚCLEO VERTEBRADOR DE UNA UNIDAD DIDÁCTICA SOBRE EL MODELO CINÉTICO-MOLECULAR DE LA MATERIA La experiencia de enseñanza que desarrollamos estuvo dirigida a estudiantes de 3º de enseñanza secundaria obligatoria y se prolongó a lo largo de ocho sesiones de clase, de una hora de duración cada una. Los alumnos procedían de dos institutos públicos de ámbito rural. La motivación y el interés de estos alumnos por el aprendizaje eran bastante bajos, y ello se refl ejaba en rendimientos académicos bajos por lo general y altos índices de absentismo escolar. Además, el estatus socieconómico de los alumnos implicados era por lo general de nivel mediobajo. Nos encontrábamos, pues, con el reto de enseñar a un alumnado «poco brillante» y escasamente motivado y dispuesto para el estudio. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 434 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) Tabla I Análisis de contenidos para la unidad. El diseño y desarrollo de la unidad didáctica se efectuó de acuerdo con la propuesta realizada por Sánchez-Blanco y Valcárcel (1993). Por problemas de espacio, no podemos ofrecer un análisis completo de todo el proceso seguido. No obstante, sí nos parece conveniente aportar algunas pistas para que el lector adquiera una primera idea de la unidad didáctica elaborada y aplicada, y le sirva también para contextualizar los datos que más tarde se ofrecen. Por ejemplo, como parte del proceso de análisis científi co realizado, nos parece interesante aportar el resultado del análisis de contenidos, el cual se recoge en la tabla I. Igualmente, como parte del análisis didáctico, aportamos algunos comentarios acerca de los conocimientos de partida de los alumnos que intervinieron. Éstos, en sus cursos anteriores, no habían abordado nociones sobre estructura y propiedades de la materia ni sobre química. Sólo habían estudiado contenidos correspondientes a las ciencias naturales y algunas nociones de física. Por tanto, se trataba de la primera vez que estudiaban nociones relativas al modelo cinético-molecular de la materia, al menos dentro del currículo académico. Si bien, por razones que se señalan más adelante, no se utilizó ninguna prueba previa propiamente dicha para analizar el nivel de partida, los prolegómenos de la unidad nos dieron la oportunidad de comprobar in situ cuál era el modelo de materia que mantenía el conjunto de participantes. En efecto, a través de algunas preguntas preliminares planteadas en clase, pudimos comprobar cómo globalmente todos ellos mantenían una visión macroscópica de la materia, basada en un nivel descriptivo de los fenómenos que se les planteaba, sin alusiones signifi cativas a un modelo microscópico basado en moléculas y huecos o espacio vacío. Este dato resulta bastante lógico si se tiene en cuenta que la idea de discontinuidad de la materia, en términos atomistas, no es una noción que se adquiera fruto del desarrollo espontáneo de las personas sin una intervención didáctica intencionada (Benarroch, 2000). Por otra parte, concuerda bastante bien con el dato que obtuvimos en un trabajo anterior con alumnos algo mayores, concretamente procedentes del extinto curso de 2º de BUP (Oliva e Iglesias, 1989). En dicho estudio pudimos apreciar cómo los alumnos suelen hacer muy escaso uso de un modelo de partículas a la hora de interpretar o predecir fenómenos relativos al comportamiento físico de la materia. Consecuencia de una refl exión conjunta del análisis científi co y del análisis didáctico efectuado, surgieron los objetivos perseguidos en la unidad. Éstos fueron los siguientes: a) Contemplar una visión explicativa de la materia basada en un nivel microscópico o molecular. b) Conocer y comprender los postulados básicos del modelo cinético molecular de la materia. c) Interpretar, según la teoría cinético molecular, las propiedades de las sustancias en diferentes estados de agregación y fenómenos como las mezclas, separaciones y cambios de estado. d) Predecir fenómenos y propiedades empleando el modelo cinético molecular. e) Valorar el sentido, la utilidad y las limitaciones de los modelos en la ciencia. El referente externo del modelo a construir consistía en una versión cualitativa del modelo cinético-molecular. En dicha versión, las moléculas eran representadas unas veces mediante círculos o esferas, y otras mediante análogos extraídos de la vida diaria: lentejas, palomitas, pelotas de tenis, etc. La tabla II recoge de forma escueta el nivel de conceptualización alcanzado en los contenidos tratados. Durante el diseño y la aplicación de la unidad didáctica que elaboramos, el uso de analogías se convirtió en un recurso central dentro del repertorio empleado. Por ejemplo, actuó como núcleo vertebrador de la estructura de la unidad y, también, como instrumento dirigido a «enganchar» a los alumnos motivándoles y ayudándoles a construir modelos abstractos a partir de nociones próximas a la vida diaria. El enfoque didáctico seguido al trabajar con analogías podría encuadrase dentro de un marco más amplio fundamentado y descrito en otro lugar (Oliva et al., 2001) basado, a su vez, en trabajos de autores como Dagher (1995), Duit (1991), Glyn (1991), Harrison y Treagust (2000a), etc. En realidad, dicho marco sólo fue aplicado parcialmente en el desarrollo de la unidad didáctica, ya que, de hecho, fue gestándose durante el diseño de la misma, en paralelo con el desarrollo de la investigación. Consecuencia del proceso de evaluación realizado, que más adelante detallaremos, ha sido el diseño de una segunda generación de materiales en los que las bases Conceptos Procedimientos Actitudes – Discontinuidad de los sistemas materiales. – Principios del modelo cinético molecular. – Cambios de estado. – Constitución de las mezclas. – Interpretación de experiencias. – Elaboración y aplicación de modelos. – Representación simbólica. – Desarrollo del razonamiento analógico. – Valoración de la utilidad de los modelos científi cos en la interpretación y predicción de hechos. – Reconocimiento de sus limitaciones. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 435 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) de dicho marco de trabajo se han visto notablemente reforzadas. El enfoque adoptado se podría concretar a través de los siguientes puntos: – La presentación de la situación objeto de estudio, es decir, de los fenómenos que se pretendían estudiar y de la versión didáctica del modelo científi co que los explicaba. Pensábamos que, en esta fase, el alumno necesitaría disponer de una referencia que diera sentido al contenido objeto de estudio, así como también explicitar las ideas previas que se mantenían al respecto. – La introducción de una analogía, o de varias, que presentasen un modelo común con el objeto. – El estudio de las semejanzas existente entre el objeto y el análogo, a través del trazado de relaciones entre los elementos de uno y otro. – El establecimiento de diferencias que pusiesen de manifi esto las limitaciones de las analogías. Además de aclarar cuál es la validez de la analogía, creíamos que la búsqueda de caracteres diferenciadores nos ayudaría a esclarecer las características del modelo. – La aplicación de la analogía en actividades de interpretación y predicción de fenómenos, con la pretensión de afi anzar el modelo y los conceptos asociados. Se esperaba con ello favorecer la transferencia de conocimientos entre campos distintos, así como evaluar la utilidad de la analogía y validar el modelo construido. – La profundización en el modelo mediante actividades de síntesis de conclusiones y el planteamiento de actividades destinadas a introducir cambios sobre aquellas concepciones alternativas que se habían detectado al principio. La superación de estas ideas, pensábamos que resultaría ahora más fácil una vez que el alumno dispone ya, en su estructura de conocimientos, de un modelo coherente en el que enmarcar las nuevas ideas. Para más detalles acerca de la secuencia seguida y de los tipos de actividades con las que trabajamos, puede consultarse la tabla III así como los dos ejemplos de actividades que se muestran en el anexo. La tabla III se ha elaborado aprovechando el formato utilizado por Sánchez-Blanco, Pro y Valcárcel (1997) a la hora de sintetizar la estructura y secuencia de una unidad didáctica. Desde el punto de vista de la metodología empleada en la intervención, adoptamos una metodología didáctica que propiciaba un entorno activo y participativo para los alumnos, partiendo de sus concepciones iniciales y tomando como modelo un aprendizaje de tipo signifi cativo. Las actividades se realizaron normalmente con los alumnos distribuidos en pequeños grupos dejando un espacio de tiempo al fi nal para una puesta en común. En cuanto al proceso de evaluación seguido se analizaron, entre otras cosas, aspectos como el nivel fi nal de utilización del modelo cinético-molecular en tareas de interpretación y predicción de fenómenos, el grado de comprensión de algunas de las analogías más representativas incluidas en la secuencia y las actitudes y opiniones de los alumnos acerca de las actividades que habían desarrollado en clase, con especial atención a aquéllas que hacían referencia al trabajo con analogías. Tabla II Nivel de conceptualización adoptado como referente en las representaciones didácticas del modelo cinético-molecular. Sistema Constitución La materia en general La materia está formada por moléculas y espacio vacío. Entre las moléculas existen fuerzas atractivas y repulsivas. Si las fuerzas atractivas son pequeñas, éstas se alejarán debido a su movimiento. Si dos moléculas se acercan mucho, debido a las fuerzas repulsivas se repelerán. Gaseoso Las moléculas están muy separadas, unas diez veces más que en el estado líquido, y se mueven desplazándose aleatoriamente de un lugar a otro pudiéndose separar indefi nidamente. Líquido Las moléculas están desordenadas y las distancias son aproximadamente iguales que en estado sólido. Pueden desplazarse de un lugar a otro, pero no pueden separarse indefi nidamente. Sólido Las moléculas tienen movimiento vibratorio y las distancias entre moléculas son del orden del diámetro molecular. En los llamados sólidos cristalinos, las moléculas están dispuestas de forma ordenada. Mezcla Sustancias diferentes tienen moléculas distintas. En una mezcla existen dos tipos de sustancias o, lo que es lo mismo, dos tipos de moléculas. En las llamadas disoluciones, las moléculas están mezcladas uniformemente; en las heterogéneas, no. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 436 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) Tabla III Resumen de la secuencia didáctica. Fases de la secuencia de actividades Cuestiones centrales Actividades e intenciones de las actividades Planteamiento inicial – Los científi cos explican el comportamiento de los sistemas materiales – La materia es discontinua, está constituida por pequeñas partículas (moléculas, átomos, iones) – El aspecto macroscópico no es comparable con la estructura interna de la materia – Establecer comparaciones entre la observación de cerca o de lejos de sistemas discontinuos como un bote de lentejas o una red de pesca – Los sistemas análogos presentados corresponden a sistemas familiares para el alumno. De esta forma se acerca el modelo científi co al modo de pensamiento de los alumnos – Es importante hacer ver que el aspecto continuo de un sistema no tiene por qué responder a su estructura interna – Además, se pretende poner de manifi esto las ideas previas de los alumnos sobre el tema Desarrollo del modelo cinéticomolecular – Establecimiento de los principios en los que se basa el modelo cinético-molecular – Presentación de sistemas con estructura análoga a la de la materia – Constitución de los sólidos, líquidos y gases. – Las distancias intermoleculares y su relación con las interacciones entre las moléculas – El movimiento continuo de las partículas que constituyen la materia y su relación con la temperatura – Comparar la disposición de los alumnos en la clase con la estructura de la materia – Representar en un dibujo, con monedas, los estados de agregación de la materia – Representar sistemas materiales concretos en diferentes estados de agregación, visualizando las moléculas mediante diferentes bolas – El establecimiento de semejanzas y diferencias entre el objeto y los análogos permitirá una mayor profundización en el modelo – Antes de elaborar una imagen abstracta de la estructura de la materia, representando las moléculas mediante bolas, es preferible conocer cómo se comportan otros sistemas semejantes Aplicación Interpretación de propiedades y fenómenos a partir del modelo cinético molecular de la materia Mecanismos mediante los que se producen los cambios de estado – Comparar el agua hirviendo con un palomitero haciendo palomitas de maíz y con pelotas sobre una cama elástica – Representar, mediante bolas en una caja, agua a diferentes temperaturas y los cambios correspondientes – Representar, mediante el modelo de bolas, sistemas que cambian de estado – La idea que se pretende resaltar es la necesidad de aportar energía para cambiar del estado sólido al líquido y del líquido al gaseoso – De nuevo, antes de hacer una representación formal, se pretende ofrecer situaciones semejantes al objeto de estudio, pero concretas y familiares, que favorezcan el proceso de abstracción Estructura de la mezclas homogéneas y heterogéneas – Representar, mediante tuercas, tornillos, cerillas, lentejas... la estructura de sistemas constituidos por mezclas heterogéneas y homogéneas – Representar, mediante el modelo de bolas, diferentes sistemas constituidos por mezclas – Interpretar fenómenos empleando la teoría cinético-molecular – En este caso, se pretende poner de manifi esto cómo las diferencias entre los sistemas homogéneos y heterogéneos tienen su origen en la diferente estructuración de las partículas que los constituyen Revisión Ofrecer una panorámica global de los conceptos desarrollados en el tema – Recordar las actividades realizadas – Realizar ejercicios de síntesis (tablas y mapas conceptuales) INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 437 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) PROPÓSITOS Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN Aunque, como ya hemos indicado, el ámbito de evaluación contemplado era más general, en este estudio nos limitamos a contrastar el grado de madurez alcanzado por los modelos mentales de los alumnos que fueron enseñados utilizando analogías como hilo conductor. Dejamos, para futuros trabajos, la evaluación de los otros temas señalados. Con objeto de establecer una referencia externa que facilitase el balance fi nal que se pretendía realizar, recurrimos a un grupo de control integrado por alumnos que habían sido enseñados en el tema mediante una secuencia de contenidos y una dinámica de aula muy similares pero sin incluir analogías en su desarrollo. La modifi cación se efectuó con extremo cuidado para no introducir diferencias sustanciales en los contenidos tratados con respecto al otro grupo. En ambos casos, el número de sesiones dedicadas al desarrollo de estos contenidos fue el mismo, concretamente ocho como ya hemos dicho. Como instrumento de evaluación utilizamos un cuestionario destinado a investigar los modelos activados por los alumnos durante la interpretación y predicción de fenómenos físicos (estados de la materia, cambios de estado, difusión, etc.). El cuestionario estaba formado por seis tareas cuya estructura y contenido se sintetizan en la tabla IV. Un ejemplo de tarea se recoge en el anexo II. Este cuestionario se administró algunas semanas después de completar el tema objeto de análisis y tenía por fi nalidad evaluar: a) en qué medida los alumnos identifi carían diferencias sustanciales entre el espacio intermolecular existente en un líquido y en un gas; y b) si los alumnos otorgarían o no movimiento intrínseco a las moléculas, concretamente de un gas, logrando así explicar fenómenos como la difusión. Tabla IV Esquema del contenido de la prueba fi nal de interpretación de fenómenos mediante la TCM. Tarea Contenido tratado Contexto de la tarea Formato de la pregunta Pregunta formulada Respuesta esperada desde el punto de vista científi co 1Diferencias en el espacio intermolecular de un líquido y de un gas. Ebullición de agua en una olla a presión totalmente repleta. Predicción del fenómeno: opción múltiple. Justifi cación de la respuesta: abierta. ¿Es posible, en esas condiciones, el paso de todo el líquido al estado de vapor? Los gases ocupan más volumen que los líquidos, ya que sus moléculas se encuentran mucho más distantes entre sí. 2Movilidad de las moléculas, concretamente en un gas. El aroma que percibimos de un tarro de colonia. Predicción del fenómeno: opción múltiple. Justifi cación de la respuesta: abierta. ¿Cuándo te llega antes el olor?: ¿en verano o en invierno? La mayor temperatura del verano favorece el proceso de difusión del gas al moverse sus moléculas más rápidamente. 3Diferencias en el espacio intermolecular de un líquido y de un gas. Dos recipientes iguales: uno lleno de agua líquida y otro de vapor de agua. Explicación del fenómeno presentado: respuesta abierta. ¿Por qué el que está lleno de agua pesa más? El recipiente con agua líquida contiene mayor número de moléculas, ya que en ella el espacio intermolecular es mucho menor. 4Movilidad de las moléculas, concretamente en un gas. Expansión de un gas. Explicación del fenómeno presentado: respuesta abierta. ¿Por qué un gas tiende siempre a ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene? La movilidad intrínseca y la libertad de las moléculas posibilita su difusión a través del recipiente. 5Diferencias en el espacio intermolecular de un líquido y de un gas. Se intenta comprimir un poco de agua mediante una jeringa con la salida obstruida. Explicación del fenómeno presentado: respuesta abierta pero advirtiendo que tenían que usar el MCM. ¿Por qué no es posible comprimir apenas el agua y sí un poco de aire? En el agua líquida, el espacio intermolecular es pequeño, mientras en el aire es mucho mayor. 6Movilidad de las moléculas, concretamente en un gas. Difusión de un gas desde un recipiente a otro vacío conectados ambos mediante un tubo. Explicación del fenómeno presentado: respuesta abierta pero advirtiendo que tenían que usar el MCM. ¿Por qué el gas se reparte entre ambos recipientes? La movilidad intrínseca y la libertad de las moléculas posibilita su difusión de un recipiente a otro. INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 444 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (3) ANEXO I Tarea 3. Tenemos dos recipientes iguales. El recipiente A está lleno de agua liquida y el B de vapor de agua. Mediante la balanza observamos que el recipiente que contiene agua líquida (A) es más pesado que el que contiene vapor (B). ¿Cómo crees que es posible que volúmenes iguales de la misma sustancia tengan peso diferente? ANEXO II 1) Observa un bote de lentejas y una red. Compara las visiones de los dos sistemas según sea de cerca o de lejos. ¿Serían comparables las lentejas al conjunto de moléculas que constituyen las sustancias puras? ¿Puede compararse la red con la estructura de los sólidos? Indica las semejanzas y diferencias. 2 a) Imaginemos la clase como un recipiente y cada uno de vosotros como una molécula, ¿cómo representarías los estados de la materia? 2 b) ¿Qué diferencias existen entre vuestra representación y la constitución real de la materia?