Diseño de una propuesta didáctica y su contribución a la enseñanza y aprendizaje del tema "equilibrio químico", para alumnos que ingresan en la Universidad : tesis doctoral

Universidad de Santiago de Compostela Facultad de Ciencias de la Educación Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales Diseño de una propuesta didáctica y su contribución a la enseñanza y aprendizaje del tema Equilibrio Químico, para alumnos que ingresan en la Universidad TESIS DOCTORAL Adriana Leticia Rocha 2007 Dr. José Manuel Domínguez Castiñeiras, Profesor Titular de la Universidad de Santiago de Compostela Dr. Eugenio García – Rodeja Fernández, Profesor Emérito de la Universidad de Santiago de Compostela Hacen constar que el trabajo que se recoge en la Memoria titulada Diseño de una propuesta didáctica y su contribución a la enseñanza y aprendizaje del tema Equilibrio Químico, para alumnos que ingresan en la Universidad fue realizada bajo su dirección por la profesora Adriana Leticia Rocha y que autorizan la presentación como Tesis Doctoral para la obtención del grado de Doctor por parte del interesado Santiago, 3 de setiembre de 2007 Dr. José Manuel Domínguez Castiñeiras Dr. Eugenio García–Rodeja Fernández A mis padres, esposo e hijos Mi gratitud y cariño. En particular para Paula, Ana Julia y Matías, y en especial para Héctor, por su ayuda, ánimo y paciencia AGRADECIMIENTOS Quiero expresar mi más sincero reconocimiento a las personas que han colaborado en la realización de este trabajo. Sólo mencionaré aquí a algunas de ellas, pero estoy segura que todas las que no aparezcan por su nombre, se reconocerán en alguna parte de estos párrafos, porque saben lo importante que es para mi haber podido contar siempre, y en particular a lo largo de mi carrera profesional, con personas con las que comparto la pasión por la educación y la convicción de que el gran desafío está siempre en el trabajo en colaboración. Un especial agradecimiento a mis directores de Tesis. A Eugenio García - Rodeja Fernández, por los invalorables aportes surgidos de su conocimiento y profunda reflexión, sobre la Química y sobre su enseñanza. A José Manuel Domínguez Castiñeiras, por haber compartido conmigo su valiosa experiencia y conocimiento en el campo de la investigación en didáctica de las ciencias experimentales y por su constante apoyo y ánimo. Al profesor Norberto Scandroli, quien hizo posible el desarrollo de la propuesta en el aula atendiendo a las condiciones y requerimientos del trabajo de investigación, sin perder por ello el agradable clima de trabajo que genera habitualmente entre sus alumnos. A mis compañeras y amigas del Departamento de Profesorado en Física y Química de la Facultad de Ingeniería de la UNCPBA, por su continuo aliento, su apoyo y la disposición al intercambio de opiniones. En especial a Adriana, mi amiga de siempre, por estar dispuesta a dar todo en cualquier momento. A Cristina, por su generosa colaboración en las tareas docentes y de gestión que compartimos, permitiendo así mi dedicación a la concreción de esta tesis. A mis compañeros y amigos del Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales de la Universidad de Santiago de Compostela, gracias a quienes inicié el camino de la investigación en enseñanza. Gracias por confiar en mí, por todo lo que me han enseñado y por el cariño que compartimos. Al Dr. Antonio de Pro por sus sabios consejos y al Dr. Juan Manuel Martínez, por sus constructivas sugerencias. Mi agradecimiento a los estudiantes de primer año de la carrera Medicina Veterinaria, sin cuya colaboración no hubiera sido posible la realización de este trabajo. Introducción 1 INTRODUCCIÓN Esta Memoria de tesis se ha organizado en seis capítulos que se dedican a desarrollar lo realizado en relación con el Diseño de un propuesta didáctica para la introducción del tema Equilibrio Químico. En el Capítulo 1: Origen y contextualización del trabajo de investigación, se exponen los principales fundamentos del trabajo, relacionados con dos de las inquietudes centrales que lo guían, como son la formación de profesores de ciencias y la enseñanza y el aprendizaje en este campo. Además, se da contexto al mismo en el campo de la Enseñanza de la Química y en el Sistema Educativo Argentino. En el Capítulo 2 se fundamenta y describe el trabajo realizado en cada una de las etapas de planificación de una propuesta didáctica para la enseñanza del Equilibrio Químico y se presentan las estrategias didácticas que se elaboran a partir de dicho análisis, las cuales están basadas en la filosofía del Proyecto AcAb (García – Rodeja F. y otros, 1987 y 1994). En el Capítulo 3. Estrategias para la investigación de la propuesta, se hace en primer lugar una descripción del contexto en el que se ha de desarrollar la propuesta didáctica y de los actores involucrados en ello. A continuación se presentan los instrumentos de recogida de la información para el seguimiento de la propuesta como así también, para estudiar lo ocurrido con el aprendizaje de los estudiantes. Al final del capítulo aparecen descritas las estrategias de análisis de la información obtenida. El Capítulo 4, dedicado especialmente a presentar la discusión de los resultados obtenidos del seguimiento en aula de la propuesta (Objetivo 2), incorpora al inicio, la discusión sobre lo Introducción 2 realizado a partir de la prueba inicial, que permite conocer las ideas de los alumnos sobre conceptos y modelos relacionados con el equilibrio químico. En el Capítulo 5 se desarrolla el análisis de lo ocurrido con el aprendizaje conceptual, a partir de los resultados obtenidos de entrevistas a diez de los alumnos que participaron de la propuesta. En el Capítulo 6 se presentan algunas conclusiones que tienen en cuenta, de manera integrada, todo lo presentado en los dos capítulos anteriores. En la segunda parte de este capítulo aparecen las implicaciones para la enseñanza, elaboradas sobre la base de los resultados obtenidos, que incluyen recomendaciones para adecuar el diseño de la propuesta que se espera puedan resultar útiles para los docentes que trabajan el tema en diferentes contextos. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 3 CAPITULO 1 ORIGEN Y CONTEXTUALIZACIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN El trabajo que aquí se presenta “Diseño de una propuesta didáctica y su contribución a la enseñanza y aprendizaje del tema Equilibrio Químico para alumnos que ingresan en la Universidad” involucra contenidos que resultan centrales en el currículo de Química y conlleva una tarea relevante y de gran atractivo para la que suscribe, como es el diseño de una propuesta didáctica, que implica transferir el conocimiento que resulta de la investigación educativa a la realidad del aula con el objetivo de mejorar la calidad del proceso de enseñanza-aprendizaje. Es un estudio interpretativo en el que se diseña una propuesta didáctica para la enseñanza del equilibrio químico y se analiza el aprendizaje conceptual de un grupo de estudiantes que participan de su aplicación en aula. Además se extraen conclusiones, basadas en los resultados obtenidos en la investigación, de las que se derivan implicaciones didácticas para su rediseño. Se realiza la intervención con dicha propuesta didáctica en un aula universitaria constituida por un grupo de estudiantes de nivel básico, introductorio a la Universidad. Se espera que esto permita aportar contribuciones a la enseñanza del tema en el nivel educativo en cuestión, como además, para el nivel educativo previo al universitario. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 4 La tarea de diseño de la propuesta se fundamenta en el análisis del contenido desde los puntos de vista científico y didáctico, lo cual permite reconocer las principales características del aprendizaje de esta temática y prever algunas de las dificultades de aprendizaje a las que han de enfrentarse los estudiantes. Este análisis se complementa con el estudio de las conclusiones derivadas de otros trabajos de investigación sobre la enseñanza y el aprendizaje del Equilibrio Químico y con la opinión de algunos profesores de Química básica que ejercen su labor docente en el nivel universitario en Argentina. Se ha organizado este primer capítulo de la tesis en los siguientes apartados: 1.1. Origen del trabajo: Se expone el origen de la investigación partiendo de las inquietudes personales de la investigadora y de su experiencia como formadora de profesores, además se amplía y profundiza desde la perspectiva de los numerosos trabajos de investigación que se han ocupado de la enseñanza y el aprendizaje del equilibrio químico. 1.2. Problema de investigación: Se plantea el problema que da lugar al trabajo de investigación y se detallan algunas decisiones que se relacionan con la forma en que ha de llevarse adelante la misma. 1.3. La investigación educativa y su influencia en la práctica docente: Se describe la relevancia del presente trabajo en el marco general de la Didáctica de las Ciencias y de la Formación de Profesores, mediante una discusión acerca de la necesidad de realizar este tipo de estudios. 1.4. Postura frente al aprendizaje y la enseñanza: Se precisan algunos aspectos sobre la perspectiva del aprendizaje en la que se fundamenta este trabajo y de la concepción de enseñanza desde la que se aborda la problemática. 1.5. Algunas definiciones sobre la perspectiva de ciencia que guía este trabajo: Se abordan algunas cuestiones epistemológicas que sirven de marco referencial al diseño y desarrollo de la propuesta didáctica. 1.6. La enseñanza de la Química: encanto y complejidad: Se discuten las principales características del conocimiento químico y las implicaciones que tienen para la enseñanza. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 5 1.7. Equilibrio Químico en la enseñanza de la Química: Se reflejan los aspectos tratados en el apartado anterior en el Equilibrio Químico. En primer lugar se plantea el fuerte atractivo que el tema posee, vinculado a sus características y relevancia en el campo de la Química, para luego presentar una breve discusión acerca de las dificultades que conlleva su enseñanza y su aprendizaje. En la mencionada discusión se consideran las contribuciones de las opiniones de algunos docentes, como también las que surgen de investigaciones previas realizadas en relación con esta temática. 1.8. El Equilibrio Químico en el sistema educativo argentino: Se realiza una breve reseña del tratamiento del tema Equilibrio Químico en los textos de Química básica que permite mostrar aspectos interesantes de la forma en la que habitualmente se enseña este tema en el nivel de introducción a la Universidad en Argentina. A continuación, una descripción de la inserción del tópico en el contexto del sistema educativo argentino completa el marco requerido para la interpretación de los aspectos que han de abordarse en este trabajo 1.9. Objetivos de este trabajo: Se presentan los objetivos de esta tesis de doctorado. 1.10. Estructura del trabajo: A partir de los objetivos se elabora un esquema de la estructura de la Memoria de tesis que se presenta. 1.1 Origen del trabajo Las principales preocupaciones que impulsaron a la autora de esta tesis a trabajar sobre la problemática de la enseñanza y el aprendizaje del Equilibrio Químico surgen vinculadas a distintos aspectos de su quehacer profesional, en el contexto de reforma en que se encuentra, desde hace más de diez años, la educación en Argentina. Se describen a continuación algunos aspectos relevantes de esta situación. La reforma educativa del año 1994 supuso una reestructuración de los distintos niveles del sistema educativo argentino y una nueva organización de los contenidos, marcada por la relación entre los diferentes campos del conocimiento y por un mayor énfasis en la introducción de los contenidos del área de las Ciencias Naturales, desde edades tempranas en la formación de los Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 12 Si bien el aprendizaje en ciencias implica adquisición de conceptos, procedimientos y actitudes de una manera integrada, el presente estudio apunta a poner de relieve lo que ocurre con el aprendizaje conceptual. En los apartados siguientes de este capítulo se intenta justificar esta decisión, mostrando que, en relación con el aprendizaje del tema, podría pensarse que muchas dificultades tienen que ver con que los alumnos no han interpretado conceptualmente el equilibrio químico. En esta conclusión se basan nuestras decisiones a la hora de centrar la atención en la dimensión conceptual dada a la propuesta didáctica y a esta investigación en general. Una investigación didáctica no ha de limitarse exclusivamente al estudio de las condiciones iniciales y finales de la misma, el seguimiento de la intervención en el aula permite obtener datos relevantes para explorar la evolución misma del conocimiento. En este caso, los datos se analizan con el objeto de conocer en qué medida se ajusta la intervención a lo que se ha diseñado y en detectar los puntos de la intervención que puedan tener relación con los aspectos relevantes del aprendizaje. Cuando en este trabajo se plantea que se pretende estudiar la relación existente entre el aprendizaje de los alumnos y una forma determinada de enseñar, en este caso, Equilibrio Químico, se hace con el convencimiento de que las variaciones en el aprendizaje que se producen cuando se realizan cambios en la enseñanza, no puede considerarse simplemente una relación causa – efecto (Fenstermacher, 1989). Si se concibe al que aprende como responsable último del hecho de aprender y se tiene en cuenta, desde esta perspectiva de análisis, que la intencionalidad del comportamiento humano es uno de los rasgos distintivos de la investigación educativa, ello requiere adoptar una perspectiva de investigación cualitativa que tenga en cuenta esta situación y analice integradamente lo que ocurre con el aprendizaje, en la situación real en que se desarrolla la investigación. El problema objeto de estudio de la presente tesis doctoral es entonces ¿el trabajo en el aula con la propuesta didáctica especialmente diseñada sobre equilibrio químico, potencia el aprendizaje conceptual del tema?, ¿permite el desarrollo de estructuras conceptuales útiles para la interpretación del comportamiento de los sistemas en equilibrio que sean la base para superar las dificultades conceptuales que se sabe que existen en el aprendizaje de este tema? Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 13 1.3 La investigación educativa y su influencia en la práctica docente La verdadera problemática de la investigación en Didáctica de las Ciencias continúa siendo hoy la repercusión que tiene en el trabajo diario del profesor y en la mejora del aprendizaje de los estudiantes (Yager y Kahle, 1982; Gilbert y otros, 2002; Oliva, 2005). En dicha área de conocimiento se está prestando especial atención a impulsar una mayor y más eficiente relación entre la investigación y la práctica educativa en lo que a enseñanza de las ciencias se refiere, dado que la transferencia de los resultados de las investigaciones a la práctica educativa, es muy escasa. La investigación sobre una propuesta metodológica tiene sentido si es posible, a partir de ella, elaborar conclusiones que puedan resultar útiles para pensar alternativas aplicables en otros contextos. Como ya se mencionó, en lo que a Equilibrio Químico se refiere, aparecen en la literatura muchos estudios sobre dificultades conceptuales de estudiantes y docentes (que se discuten más adelante en este mismo capítulo), como también un importante número de trabajos que presentan diferentes maneras de abordar su enseñanza. Sin embargo, en varios de los casos, su efectividad en el aula no ha sido comprobada. Una de las propuestas (van Driel y otros, 1998) estudia cómo razonan los alumnos cuando se enfrentan por primera vez al aprendizaje del concepto de equilibrio químico, en el marco de una estrategia de enseñanza elaborada a partir de los resultados de un estudio piloto y que se sustenta en una postura de cambio conceptual. El estudio se realizó en Holanda con alumnos de 15 – 16 años, quienes previamente habían estudiado los conceptos de reacción química, sustancia y elemento, tratándolos a nivel macroscópico y microscópico. Algunos de los principales resultados que surgen de la citada investigación se discuten más adelante en diferentes secciones de este trabajo. Otro estudio interesante de señalar, utiliza los resultados existentes de las numerosas investigaciones en relación con la enseñanza y el aprendizaje de esta temática, para diseñar módulos de enseñanza del Equilibrio Químico con el objeto de trabajar con docentes de ciencias que realizan un curso de formación. Se trabaja el tema Equilibrio Químico a la vez que se aborda la problemática de su enseñanza con docentes de ciencias entre los que hay un grupo de docentes de física y química y otro de biología (Banerjee, 1991). Los resultados, obtenidos a partir de pruebas escritas realizadas antes y después de la instrucción muestran un importante Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 14 desarrollo del conocimiento y la interpretación del tema para ambos grupos, como también, de la capacidad de resolución de problemas. Además se pone de manifiesto una considerable reducción de algunas de las concepciones alternativas más frecuentes vinculadas con la predicción de las condiciones de equilibrio y con la relación velocidad – equilibrio químico. No obstante, un número elevado de docentes (30%) muestra concepciones alternativas aún después de la instrucción. Trabajos como éste permiten reflexionar acerca de la importancia de abordar la enseñanza y el aprendizaje sobre este tema y constituyen tentativas concretas de acercar los resultados de la investigación en enseñanza de las ciencias a las aulas de ciencias, a través de la formación de los docentes. Un aspecto central en una investigación como la que se presenta en esta memoria de tesis doctoral, es la elección de los instrumentos de toma de datos. Porlán (1987) encuentra, entre los trabajos que investigan propuestas en el aula, gran diversidad de estrategias: diarios de clase, entrevistas (estructuradas y semiestructuradas), cuestionarios, protocolos de análisis de tareas, observadores externos, procesos de triangulación. Si bien no existe la estrategia ideal para la investigación de propuestas metodológicas en el aula, es importante que haya coherencia entre la intencionalidad de la experiencia y los esfuerzos realizados para obtener la información. Esto es, dado que lo que se quiere investigar es qué ocurre con el aprendizaje conceptual cuando se desarrolla una propuesta de enseñanza, es necesario obtener datos tanto de la comprensión conceptual de los alumnos en el tema, como también disponer de datos acerca de lo ocurrido en clase, siempre teniendo en cuenta que la toma de información no debería entorpecer la concreción del objetivo principal de la acción educativa: que el alumno aprenda (Domínguez, 2000). 1.4 Postura frente al aprendizaje y la enseñanza Una breve reseña de algunos aspectos generales de la postura frente a la enseñanza y el aprendizaje que subyace al presente trabajo servirá para dejar planteadas las que se consideran características fundamentales en tal sentido. Actualmente existe un acuerdo generalizado de la comunidad científica en el campo de la Didáctica de las Ciencias en cuanto al aspecto constructivista del aprendizaje. El término constructivismo, aplicado a definir una forma en que se produce el aprendizaje, considera a los individuos como constructores activos del conocimiento Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 15 (Kelly 1955; Piaget, 1978). Cuando se habla en este trabajo de aprendizaje, se está pensando en la idea de aprendizaje significativo, entendido éste como un supraconcepto (Moreira, 1997) que subyace a la construcción del conocimiento humano y lo hace integrando positivamente pensamientos, sentimientos y acciones (Novak, 1988). Es el concepto central de la Teoría de Ausubel (1983) la cual, además de ser una teoría de aprendizaje, da directrices precisas que permiten decidir cómo implementar el trabajo de aula, que requiere atender tanto al contenido en cuestión como a la estructura cognitiva del que aprende. Desde esta perspectiva, el conocimiento no se transmite sin más, sino que se necesita el papel protagonista del que aprende. Si se acepta que los estudiantes hacen sus propias interpretaciones de la información recibida a través de sus sentidos, lo que aprenden no depende sólo de las características del medio de aprendizaje (un libro, un fenómeno físico,…), sino también, fundamentalmente, de las estructuras de conocimiento que tienen, de las estrategias cognoscitivas disponibles y de sus propios intereses y propósitos (Novak, 2002). En tal sentido, la estructura cognitiva de los estudiantes actúa como el marco teórico referencial que condiciona el posterior aprendizaje (componente cognitiva del aprendizaje); en tanto que la interacción con el docente y sus pares, son necesarios para que se produzca el aprendizaje en el aula, entendiendo que toda situación de enseñanza implica compartir significados. Se adopta esta postura frente al aprendizaje y la enseñanza, puesto que se la considera adecuada para un estudio de las características del que se lleva adelante en el presente trabajo, con énfasis en el aprendizaje conceptual. La estructura cognitiva incluye todos los conocimientos que posee un individuo, que se encuentran estructurados y organizados jerárquicamente en su mente. Los conocimientos son una serie de conceptos, ideas, proposiciones y símbolos, a los cuales el individuo les ha dado un significado tal que le sirven para actuar en el medio que lo rodea y poder interpretarlo. La organización jerárquica es tal que, ideas, proposiciones, conceptos más generales, incluyen a otros más específicos, diferenciados pero relacionados. Se aprende a través de conceptos que se van integrando en una estructura jerárquica y ese aprendizaje resulta significativo sólo cuando es posible relacionar “lo nuevo” con conceptos estables y bien diferenciados preexistentes en la mencionada estructura (Ausubel, 1983). La estructura cognitiva del estudiante juega un papel fundamental en el proceso de aprendizaje ya que la nueva información se relaciona con ella, Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 16 pero de manera no arbitraria y substancial. Esto es, cuando se lleva a cabo el aprendizaje, las nuevas ideas, conceptos y proposiciones, se relacionan con las que ya posee el individuo, pero no con cualquiera, sino con aquellas que ya poseen un significado y son claras para él. A esto se refiere la relación no arbitraria. Por otro lado, cuando se aprende significativamente, no se aprenden una serie de palabras precisas con el objetivo de ser usadas para expresar un concepto o una idea, sino que se incorpora a la estructura cognitiva sus significados; esto es, se da una relación substancial de la nueva información con la que el individuo ya posee. Según Ausubel (1983) se aprende, fundamentalmente, por sucesivas diferenciaciones progresivas y reconciliaciones integradoras de los conceptos. Si bien éste es uno de los aspectos más cuestionados de la Teoría del Aprendizaje Significativo resulta interesante analizarlo porque da idea de la complejidad que tiene un aprendizaje de este tipo, que conduce a la comprensión de la información a diferencia de un aprendizaje en el que sólo se busca adquirir información. El significado de un concepto está integrado por todas las proposiciones que vinculan a este concepto con otros y de las connotaciones asociadas con estos conceptos, derivadas de las experiencias y del contexto de aprendizaje en relación con los cuales fueron adquiridos (Figura 1.1). Figura 1.1. Cómo se adquieren significados (adaptado de Novak, 1998). Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 17 Un concepto que el alumno posee se modifica constantemente, adquiere un significado más preciso y en ese sentido se va diferenciando de otros con los que hasta ese momento permanecía indiferenciado. A ese proceso que forma parte del Aprendizaje Significativo se lo denomina diferenciación progresiva. A causa de sucesivas diferenciaciones de un concepto, puede ocurrir que se perciba una cierta regularidad entre él y otros, o que se reconcilie bajo un mismo principio conceptual con diversas situaciones que antes se concebían por separado. El proceso antes descrito, la reconciliación integradora, ocurre con modificación de las relaciones entre conceptos y cambio de la organización jerárquica preexistente. En relación con lo anterior, entender un concepto no implica un estado dicotómico en el sentido de que se entiende o no se entiende, sino un continuo. La riqueza del significado de un concepto crece con el número de relaciones válidas elaboradas que involucran al concepto. Por ejemplo, una persona le ha otorgado un significado a “oxidación” que le permite incluir en ella la oxidación de hierro expuesto al aire y una combustión. Dentro de la idea de oxidación, el sujeto es capaz de encontrar similitudes pero también diferencias entre las reacciones lo que le permite discriminar entre una y otra. Pero avanzar en la elaboración de la concepción de oxidación desde el punto de vista de la Química, le requerirá incluir además otros ejemplos de reacciones en las que no necesariamente una de las sustancias presentes es el oxígeno. La organización conceptual en relación con este tema deberá cambiar necesariamente, para llegar a incluir entre las reacciones de oxidación (reducción) no sólo las de formación de óxidos, sino todas aquellas en las que exista una modificación del estado de oxidación de los elementos que constituyen las sustancias involucradas. Desde una visión constructivista como ésta, resulta de gran importancia entonces, como ya se ha dicho, el conocimiento que poseen los alumnos, derivado de sus experiencias previas en la vida cotidiana, como así también de los conceptos considerados fundamentales para el aprendizaje en ese campo, que hayan desarrollado e integrado a sus estructuras de conocimiento. Para facilitar el aprendizaje significativo es necesario atender al contenido y a la estructura cognitiva. Buscar la mejor manera de relacionar explícitamente los aspectos más importantes del contenido con aquellos relevantes en la estructura cognitiva del alumno, requiere prestar Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 18 especial atención a los conceptos que pueden servir de anclaje del nuevo conocimiento y a cómo conseguir que resulten relevantes para el alumno. Es indispensable que el alumno posea conceptos claros, estables y específicamente relevantes en su estructura cognitiva, que le permitan dar significado al nuevo material de aprendizaje, pero además debe poder percibir su relación con el nuevo conocimiento. Se desprende de lo anterior que es necesario realizar un análisis conceptual del contenido para identificar conceptos, ideas y procedimientos sobre los cuales concentrar la enseñanza (Moreira, 1997). Pero el análisis de lo que ha de enseñarse debe hacerse siempre pensando en el alumno, esto es, la buena organización del contenido debe resultar además, psicológicamente factible de ser aprendida. Ello implica seleccionar, del contenido a enseñar, los conceptos y proposiciones de mayor poder explicativo, inclusividad, generalidad y relacionabilidad y atender a los procesos de diferenciación progresiva y reconciliación integradora, a la hora de pensar la secuencia en que ha de tratarse el contenido y las actividades de aprendizaje. En consecuencia, la enseñanza debería: ـ Prestar especial cuidado a la interacción entre la estructura conceptual del alumno y el material de aprendizaje para que la incorporación de la nueva información resulte no arbitraria. En un material educativo, los contenidos además de una buena organización lógica disciplinar han de ser psicológicamente adecuados para nuestros alumnos. Se deben tener en cuenta los aspectos específicamente relevantes de la estructura cognitiva del alumno y buscar la mejor manera de que los relacione con el contenido del material de aprendizaje. ـ Organizar la secuencia en que se ha de presentar el contenido teniendo en cuenta que el aprendizaje es más efectivo cuando la información que ha de ser aprendida se presenta de lo general a lo específico, y los conceptos se van diferenciando progresivamente en la medida que se amplía su significado en términos de detalle y especificidad. ـ Facilitar la reconciliación integradora. Explorar las relaciones existentes entre las ideas y llamar la atención sobre las diferencias y similitudes relevantes. Propiciar secuencias de actividades que incluyan la posibilidad de trabajo integrando los significados de ideas que antes se creían no relacionadas. ـ Facilitar la transferencia de lo aprendido al análisis de otras situaciones similares. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 19 La perspectiva de aprendizaje como la que se plantea, implica un alumno activo en la construcción del conocimiento, cuyas ideas deben ser necesariamente tenidas en cuenta a la hora de planificar la enseñanza. También requiere del propio alumno una actitud crítica hacia lo que sabe y una interacción personal intensa con el docente que le permita a éste conocer en cada momento los significados que están elaborando sus alumnos. Se hace necesario entonces pensar una enseñanza basada en materiales de aprendizaje que resulten potencialmente significativos y organizada teniendo en cuenta los principales procesos por los que se aprende. Es necesario aclarar aquí que, en la vida cotidiana de aula, se conciben los posibles aprendizajes en que se implican los estudiantes, como un continuo entre el aprendizaje significativo y el memorístico (Figura 1.2). En la interacción entre los materiales de aprendizaje y los conocimientos previos del estudiante sería de esperar que la nueva información sea incorporada a la estructura de conocimiento y que la modifique. Muchas veces ello no ocurre, los conocimientos previos permanecen inalterados. La resistencia a modificarse de algunas ideas previas ha sido ampliamente estudiada en el Figura 1.2. Continuo del aprendizaje (adaptado de Novak, 1988) Incorporación no arbitraria y sustancial del nuevo conocimiento en la estructura cognitiva Esfuerzos deliberados por relacionar el nuevo conocimiento con conceptos estables y bien diferenciados en la EC Compromiso afectivo por relacionar el nuevo conocimiento con el p revio APRENDIZAJE SIGNIFICATIVO APRENDIZAJE MEMORÍSTICO Producción creativa Gran parte del aprendizaje escolar ( - ) ( + ) Requiere: - EC bien organizada y relevante - Elevado nivel de compromiso con el aprendizaje Resulta de: - EC pobremente organizada y poco relevante - Poco o ningún compromiso con el aprendizaje Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 20 campo de las ciencias naturales, en el cual también se ha trabajado para elaborar interpretaciones acerca del origen de estas ideas, en cuanto concepciones alternativas a la científica, entre otras cuestiones. Los principales resultados obtenidos dentro de lo que se ha dado en llamar el movimiento de las concepciones alternativas en el campo de la investigación en Didáctica de las Ciencias, recopilados durante más de una década de trabajo, pueden sintetizarse en los puntos citados a continuación (Wandersee, Mintzes y Novak, 1994): - Los alumnos llegan a la instrucción formal en ciencias con un conjunto de concepciones alternativas en relación con los objetos y eventos naturales - Las concepciones alternativas que tienen los alumnos se repiten en diferentes edades, sexo y entorno cultural - Las concepciones alternativas resultan frecuentemente explicaciones paralelas a las ofrecidas a los mismos fenómenos por generaciones previas de filósofos y científicos - Las concepciones alternativas tienen diversos orígenes: experiencia personal por percepción directa (concepciones espontáneas) o en relación con la cultura, el lenguaje, la enseñanza (concepciones inducidas). - Los docentes tienen frecuentemente las mismas concepciones alternativas que los alumnos - El conocimiento previo de los alumnos interacciona con el presentado en la instrucción formal, dando como resultado una importante diversidad de aprendizajes no esperados Hay muchos estudios que muestran que el número y variedad de concepciones alternativas en temas científicos es muy importante, aún en estudiantes universitarios. Facilitar la adquisición por parte de los estudiantes de estructuras conceptuales válidas y poderosas es una tarea ardua, teniendo en cuenta que la construcción de significados es idiosincrásica e involucra, además de las estructuras conceptuales de los estudiantes, sus diversos modos de aprender y su predisposición emocional (Novak, 2002). En Química en particular, existen, en la mayoría de los tópicos, numerosos trabajos que analizan las ideas alternativas de los alumnos y sus características. Muchas de estas ideas pueden considerarse inducidas, esto es, adquiridas a través de la enseñanza y de los medios de comunicación, dado que en esta área del conocimiento los conceptos con que se trabaja poseen un alto nivel de abstracción (Gómez Crespo, 1996). Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 21 Novak (2002) propone interpretar esta situación de la existencia y persistencia de las ideas alternativas, en términos de LIPH (Limited or Inappropriate Propositional Hierarchies), esto es, estructuras conceptuales limitadas o inadecuadas que poseen los estudiantes, que son las responsables de estas ideas alternativas. Modificar esas estructuras requiere que el individuo elija aprender significativamente y reconstruya una parte importante de ellas, de manera consciente y deliberada, pero necesariamente implica también el reconocimiento por parte del alumno de que se trata de estructuras inadecuadas. Esto no ocurre fácilmente, aún realizando importantes y fundamentados esfuerzos en la instrucción. La realidad educativa muestra que muchas veces los alumnos recurren a una forma de aprendizaje repetitiva, memorística, resultado de la cual la nueva información no se integra en la estructura existente y por tanto, las concepciones alternativas que el alumno posee no influyen. En tal caso, el alumno puede responder a preguntas sobre el tema de manera correcta, pero no habrá ocurrido transformación de la estructura, el nuevo conocimiento se olvidará rápidamente y no podrá transferirse o aplicarse en otros contextos. 1.5 Definiciones sobre la perspectiva de ciencia que guía este trabajo Consideramos necesario hacer una descripción de lo que se entiende por ciencia y por conocimiento científico para luego aplicarlo al diseño de la propuesta didáctica. Entre las perspectivas actuales más relevantes, consensuadas en el campo de la Didáctica de las Ciencias, acerca de qué es la ciencia y cuál es la naturaleza del conocimiento científico, se puede destacar la importancia fundamental que se concede al papel que juegan las teorías, verdaderas piedras angulares de la ciencia, que representan las formas contrastadas de razonar sobre el mundo que nos rodea y son una síntesis de los objetivos y métodos de la Ciencia (Duschl,1997). Ellas guían la observación. La práctica científica es una actividad compleja socialmente construida (Latour, 1992; Hodson, 1994) y la resolución de problemas está en la base de la actividad científica (de Pro, 2003). Las cuatro dimensiones que se expresan a continuación podrían considerarse características de la visión actualmente vigente en el campo de la Didáctica de las Ciencias acerca de la idea de Ciencia (Sanmartí, 2002, pp.47). Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 28 Aquí es necesario llamar la atención porque muchos de los problemas de aprendizaje que se han detectado en Química tendrían relación con dificultades de comprensión conceptual que podrían ser el resultado de un trabajo poco integrado en los tres niveles de pensamiento a que se hace referencia aquí. Por ejemplo, algunas de dichas dificultades podrían asociarse a que en clase de Química se hace demasiado énfasis en el nivel simbólico (Gabel, 1999), se trabaja en clase casi exclusivamente en base a símbolos químicos, fórmulas químicas, ecuaciones químicas, que no conllevan, necesariamente para el alumno, otro tipo de conocimiento; dejando de lado el trabajo de integración de conceptos y modelos que permitan interpretar lo que esos símbolos representan. Específicamente, por ejemplo, algunas investigaciones relacionadas con la resolución de problemas en Química (Nakhleh y Mitchell, 1993; Nuremberg y Pickering, 1987), corroboran lo anterior, mostrando que muchos de los alumnos que son capaces de resolver problemas que sólo implican la aplicación de un algoritmo en su resolución, no pueden resolver otro tipo de problemas de índole conceptual porque poseen una limitada comprensión conceptual del tema. A modo de ejemplo: en un sistema como el formado por NO2 / N2O4, la decoloración del gas contenido en el recipiente de reacción que se observa al enfriar el sistema, es interpretada por un químico en términos de estados diferentes de equilibrio del sistema a cada temperatura, en cada uno de los cuales coexisten los dos óxidos, en una relación de concentraciones determinada, a esa temperatura. Para un alumno novato, el cambio de color podría estar representando, por ejemplo, que una sustancia (NO2: pardo) se transformó en otra diferente (N2O4: incoloro). El docente cuando desarrolla con sus alumnos una explicación de lo observado como la que se plantea en el ejemplo antes citado, está pensando simultáneamente en los tres niveles de representación propuestos por Johnstone aunque, en su discurso, sólo explicita información en cada uno de ellos alternativa y secuencialmente y, en general, no es consciente de la complejidad que conlleva para el estudiante procesar toda la información que se pone en juego. Tampoco tiene en cuenta que para sus alumnos, muchas de las explicaciones y representaciones no tienen anclaje directo en la percepción macroscópica de lo que están estudiando. Hasta aquí se plantea un esbozo de las que se consideran características fundamentales y dificultades más relevantes de la enseñanza de la Química desde el punto de vista de este Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 29 trabajo. Esto constituye la base de la posterior discusión sobre las características propias del tema Equilibrio Químico, las cuales ciertamente tienen gran influencia en el aprendizaje por lo que es necesario considerar sus implicaciones para pensar la enseñanza. Diferentes temas pueden y deben ser enseñados de diferente manera. Cada tema en particular tiene su propia complejidad y por ende requiere de un análisis particular. 1.7 Equilibrio Químico en la enseñanza de la Química Los aspectos mencionados antes acerca de la complejidad de la Química, se ven reflejados en el Equilibrio Químico. Además, su utilidad para la comprensión de una amplia gama de situaciones de interés en el campo de la Química lo constituye en uno de los temas representativos de esta ciencia y con un gran atractivo desde el punto de vista de la didáctica. Se trata también de uno de los temas de Química que mayores dificultades plantea para su enseñanza y aprendizaje, ello reflejado en el gran número de trabajos que se han escrito sobre esta problemática y en lo que certifican los autores que han realizado revisiones vinculadas con ello (van Driel y Gräber; 2002; Raviolo y Martínez A., 2003). La ciencia requiere de una enseñanza que se oriente a un aprendizaje de conceptos, más o menos complejos, que permitan a los alumnos interpretar y predecir los hechos, datos e información, junto con un aprendizaje de la habilidad de aplicar los conceptos y modelos teóricos que se comparten en el aula, a distintas situaciones y contextos. 1.7.1. Equilibrio Químico es uno de los contenidos de Química más interesantes Se trata de un tema que resulta muy relevante y representativo, en primer lugar por su interrelación con otros temas fundamentales en Química. Una adecuada comprensión de Equilibrio Químico resulta básica para el aprendizaje en Química, concebida ésta como una ciencia que estudia las relaciones entre la estructura de las sustancias que integran un sistema y sus propiedades físicas y químicas. La de equilibrio químico es una idea central a la hora de interpretar un amplio espectro de sistemas tales como los ácido – base, óxido – reducción, etc. (Camacho y Good, 1989; Bergquist y Heikkinen, 1990), como así en sistemas más complejos de interés biológico e industrial. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 30 La mayoría de los alumnos de Química que inician el estudio de este tema desconocen su relación con sistemas en equilibrio como los que nos interesan aquí; ni siquiera sospechan el gran número de sistemas en equilibrio dinámico con los que están continuamente en contacto, aún cuando sus vidas dependen de estos sistemas (Bergquist y Heikkinen, 1990). En general, sólo han trabajado con reacciones químicas totales, por lo que no conciben la existencia de este otro tipo de sistemas. Desde el punto de vista conceptual, se trata de uno de los temas de mayor riqueza si se tiene en cuenta el gran número de ideas que involucra. Esto lo hace un tema complejo, dado que su enseñanza requiere atender a la vez a muchos conceptos y sus relaciones (reacción química, ecuación química, reversibilidad y concentración), de forma tal que sean percibidos como una unidad e integrados de esta manera al conocimiento preexistente. Durante su desarrollo resulta imprescindible tener en cuenta entonces que el significado que los conceptos antes mencionados tienen para los alumnos influirá fuertemente en el aprendizaje. Se discute en profundidad este aspecto, en el Capítulo 2. La idea de equilibrio químico tiene a su vez un cierto nivel de abstracción en cuanto que no es perceptible ni abierta a la experiencia directa de los alumnos, lo cual la hace no susceptible de que estos, al iniciar su estudio, hayan desarrollado ideas previas al respecto. Sí poseen ideas sobre equilibrio provenientes del contexto cotidiano y del aprendizaje en Mecánica (Covaleda y otros, 2005). 1.7.2 Equilibrio Químico es considerado uno de los temas más difíciles de enseñar There seems to be no topic in freshman chemistry that presents more difficulties to students than chemical equilibrium. After trying for over 30 years to give clear answers to their questions I have como to have a great deal of sympathy with them, realisin that the subject is inherently a difficult one (Hildebrand,1946, p.589) (van Driel y Gräber, 2002) Este tema es considerado quizá uno de los más difíciles, tanto desde la óptica del alumno como desde el punto de vista la instrucción por parte del docente. Finley, Stewart y Yarroch (1982) Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 31 pasaron un cuestionario a docentes de Química, Física, Biología y Ciencias de la Tierra (100 docentes de cada una de las disciplinas) con el objetivo de conocer sus opiniones acerca de la importancia que los diferentes contenidos de cada una de estas disciplinas tiene para sus alumnos, como así también, cuales de ellos presentan mayores dificultades de aprendizaje. Específicamente los docentes de Química indicaron el Equilibrio Químico como el contenido que ofrecía más dificultad. En relación con esto, muchos de los trabajos de investigación que apuntan específicamente a la enseñanza y el aprendizaje del Equilibrio Químico (Jonhstone y otros, 1977; Gorodetsky y Gussarsky, 1986; Quílez Pardo y Soláz, 1995; Tyson, Treagust y Bucat, 1999) lo plantean también como uno de los temas más complejos desde el punto de vista didáctico y coinciden en cuáles son los puntos de mayor conflicto, como así también en las dificultades de aprendizaje que detectan, todo lo cual será analizado en el Capítulo 2. La perspectiva de algunos profesores universitarios de Química Básica Se pretende mostrar en este apartado lo que piensan algunos de los docentes de Química que desarrollan su labor docente en el nivel universitario básico en Argentina, acerca de la enseñanza y el aprendizaje del Equilibrio Químico. Se eligen docentes de este nivel educativo dado que son los que poseen mayor experiencia en la enseñanza del tema en cuestión, con alumnos de 17 y 18 años, dado que el tema Equilibrio Químico es uno de los que el alumno estudia por primera vez cuando ingresa en la Universidad. Para obtener la opinión de los citados docentes, se ha diseñado una encuesta (Cuadro 1.1) a la que han respondido doce de los que tienen a su cargo la enseñanza del tema Equilibrio químico en el nivel universitario básico en seis universidades nacionales argentinas (Universidades Nacionales: del Centro de la Provincia de Buenos Aires, del Litoral, de Cuyo, de Buenos Aires, Tecnológica (San Rafael) y de La Plata). Los docentes encuestados imparten docencia en los primeros cursos de Química de diversas carreras, tales como: Ingeniería Química, Licenciatura en Química, Ciencias Veterinarias, Profesorado en Física y Química, Ingeniería en Alimentos, Ingeniería Civil. Todas estas carreras incluyen Química General introductoria en la que el tema se desarrolla con diferentes objetivos en relación con los distintos perfiles. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 32 1. ¿Cuál es tu lugar habitual de trabajo como docente? ¿En qué cursos das clase? ¿Qué título tienes? 2. ¿Enseñas actualmente o enseñaste alguna vez Equilibrio Químico? 3. ¿Qué conceptos te parecen centrales para entender el tema? 4. ¿Utilizas un modelo molecular para las explicaciones en este tema? ¿Cómo? 5. ¿Lo consideras un tema difícil de enseñar?. 6. ¿Has detectado dificultades en el aprendizaje del tema por parte de los alumnos? ¿Cuáles? Cuadro 1.1. Encuesta a los docentes. Con las preguntas 3 y 4 se pretende poner de manifiesto la idea que tienen los docentes encuestados acerca de cuáles son los aspectos más importantes a tener en cuenta para la enseñanza del Equilibrio Químico, lo cual se vincula con la pregunta 5. La última pregunta pretende hacer explícito si los docentes son conscientes de las dificultades de los alumnos para el aprendizaje de este tema. Contrastar estas opiniones con las dificultades detectadas por los trabajos de investigación que tratan el tema, sobre los que se realiza una discusión detallada más adelante en este capítulo, provee mayor respaldo a la hora de pensar una propuesta didáctica como la de este trabajo de tesis. En la Tabla 1.1 aparecen los resultados de la encuesta, que se analizan a continuación. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 F Conceptos centrales para entender el tema. Reacción química X X X Ecuación química / Estequiometría X X X X X Reacciones químicas Reversibilidad / Reacciones Incompletas X X X X X 10 Concentración (actividad) X X X X X X 6 Proceso dinámico X X 2 Naturaleza corpuscular de la materia X 1 Leyes de los gases X X 1 Ley de acción de masas X 1 Keq X 1 Cinética X 1 Es difícil de enseñar SI X X X X X X X 7 Dificultades de aprendizaje detectadas Reversibilidad X X X 3 Compartimentalización del equilibrio. X X X X X 5 Equilibrio como algo estático X X X 3 Dificultades de utilización del Principio de Le Chatelier X X X X 4 Resolución mecánica de problemas X X X X 4 11 Usa Modelo Cinético Molecular SI X X X X 4 Tabla 1.1. Respuestas de los docentes encuestados Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 33 En las primeras filas aparecen los conceptos que los docentes citan como centrales para entender el tema. Entre ellos, los tres primeros, se relacionan de alguna manera con el concepto de reacción química, por lo que se los considera de forma conjunta. De los doce docentes encuestados, diez consideran, entre los conceptos centrales para el aprendizaje del tema Equilibrio Químico, el de reacción química y/o alguno de los que se incluyen en el estudio de reacciones químicas, como ecuación química y reversibilidad. El otro concepto que aparece citado en la mitad de las encuestas es concentración (dos de los docentes hablan de actividad, posiblemente debido a que desarrollan el tema también en los cursos superiores, en Fisicoquímica). Se indican también, la naturaleza corpuscular de la materia, las leyes de los gases, la ley de acción de masas, la constante de equilibrio y la cinética de reacción, pero todos, en una única oportunidad. Siete docentes consideran que Equilibrio Químico es un tema difícil de enseñar y once dicen haber detectado dificultades en el aprendizaje del tema por parte de los alumnos. Entre ellas citan como relevantes la compartimentalización del equilibrio, las dificultades de uso de Le Chatelier (4) y la resolución mecánica de problemas (4). Cinco docentes coinciden con los trabajos de investigación respecto de la compartimentalización del equilibrio: manifiestan que los alumnos ven el sistema que ha alcanzado el equilibrio como dos compartimentos separados y que no reconocen la coexistencia de todas las sustancias que intervienen en el mismo recipiente. Tres de ellos también mencionan que los alumnos consideran el equilibrio como algo estático. Cuatro docentes indican que sus alumnos tienen dificultades para utilizar el Principio de Le Chatelier. También los trabajos de investigación sobre el tema plantean frecuentemente dificultades con el uso de este principio, como se discute más adelante. Cuatro de ellos señalan además de su preocupación porque consideran que los alumnos aprenden a resolver de forma mecánica los problemas de Equilibrio Químico, dos de los cuales la consignan como la única dificultad que han detectado. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 34 En tal sentido llama la atención que sólo tres de los docentes parecen tener en cuenta explícitamente alguna dificultad relacionada con la adquisición de conceptos y/o modelos que se consideran anteriores al que nos ocupa. Todos ellos mencionan como dificultad de aprendizaje, el concepto de reversibilidad. Es interesante señalar que, entre quienes piensan que el Equilibrio Químico es un tema difícil de enseñar hay tres, cuyas opiniones se indican a continuación, que dicen que utilizan el modelo cinético - molecular en sus explicaciones y plantean que lo hacen, fundamentalmente, para conseguir una mayor claridad conceptual. Para que interpreten el dinamismo y que se trata de un solo recipiente (docente 1). Planteo problemas conceptuales en los que se usan representaciones con partículas. Los alumnos advierten la coexistencia, la desigualdad de las concentraciones de productos y reactivos y el dinamismo (docente 2). Para que no se confundan al analizar moles iniciales y finales y la relación con la estequiometría (docente 9). De ellos sólo el docente 2, considera que para aprender el tema Equilibrio Químico es central haber desarrollado (y continuar haciéndolo) una idea adecuada del modelo de cinético - molecular. Las opiniones de los docentes, respecto a que el tema Equilibrio Químico se considera difícil de enseñar y aprender, permiten confirmar lo que se planteaba al inicio del trabajo: los conceptos más importantes a tener en cuenta para la enseñanza del Equilibrio Químico son el de reacción química, con todo lo que este concepto involucra (ecuación química, reversibilidad, reacciones incompletas, estequiometría), y el concepto de concentración. Las dificultades para el aprendizaje que han detectado en sus alumnos parecen tener, en general, poca relación con la comprensión de los conceptos anteriores. Surgen claramente otros problemas que coinciden en gran medida con los que encuentran quienes han trabajado en investigación en el aprendizaje del Equilibrio: la compartimentalización y el uso del Principio de Le Chatelier resultan las dificultades más citadas junto con la resolución mecánica de problemas, que constituye en sí misma una problemática específica pero que también se puede considerar está condicionada por las demás dificultades mencionadas. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 35 1.7.3 Análisis de dificultades de aprendizaje a partir de investigaciones en el área Se plantean aquí, a partir de un conjunto importante y variado de trabajos de investigación, aquellas dificultades que se consideran más relacionadas con la enseñanza del Equilibrio Químico, sobre alumnos de 17 - 18 años, que reciben una primera introducción al tema. Las dificultades en el aprendizaje del Equilibrio Químico, aparecen como una constante en países muy diversos, tanto a nivel terciario (universitario) como a un nivel educativo inferior. Los trabajos con alumnos australianos (Hacking y Garnett, 1985), israelitas (Gorodetsky y Gussarsky, 1986), o españoles (Quílez P. y Solaz, 1995) han mostrado concepciones y dificultades similares. Por ello es posible, aún cuando las concepciones que los alumnos desarrollan son construcciones personales, aprovechar las similitudes en los resultados para recoger un amplio espectro de experiencias que permitan repensar la enseñanza del tema en cuestión. Diversos autores de trabajos de investigación sobre la enseñanza del Equilibrio Químico, como Jonhstone, Mac Donald y Webb (1977) y Gorodetsky y Gussarsky (1986) coinciden en que se trata de uno de los temas más complejos desde el punto de vista didáctico. Plantean entre los puntos de mayor conflicto a nivel conceptual que los alumnos tienen dificultad para reconocer e interpretar las características más importantes del Equilibrio Químico, como son el dinamismo y la composición constante y perciben el sistema que ha alcanzado el equilibrio como si estuviese formado por dos recipientes separados. Habitualmente en las investigaciones se ponen de manifiesto las confusiones en que incurren los alumnos cuando utilizan conceptos fundamentales y relacionados con este tema, como pueden ser las que se producen entre velocidad y extensión de la reacción y entre masa y concentración de las sustancias intervinientes. Se hace a continuación un análisis de las dificultades detectadas en los diferentes estudios realizados que se han considerado más relevantes para este trabajo y se incluye, en los casos en que ello es posible, la opinión de los autores de los trabajos sobre las causas a que pueden atribuirse cada una de ellas. La confusión masa - concentración (variable extensiva - variable intensiva) Como ya se mencionó, esta es una de las dificultades más extendida que se detectan y que se analizan en algunos estudios como el de Wheeler y Kass (1978) junto a la confusión velocidad - Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 36 extensión. Ambas aparecen, en el mencionado trabajo, como relacionadas con el nivel cognitivo de los alumnos y no con su rendimiento, por lo cual los mismos autores sugieren que los conceptos de masa, concentración, velocidad de reacción y extensión requieren consolidación para los alumnos. Discriminar los conceptos de masa y concentración implica la interpretación de las diferencias existentes entre dos tipos de variables (extensiva e intensiva) que hasta el momento en que el alumno inicia el estudio del Equilibrio Químico no es necesario distinguir explícitamente. Aún más, para referirse a cantidades de sustancia en un sistema, hasta ese momento en general sólo se usa el número de moles. Otro de los trabajos (Furió y Ortiz, 1983) que se ocupa de la dificultad en cuestión la detecta tanto en el tratamiento de sistemas homogéneos como heterogéneos trabajando con dos grupos de alumnos, uno integrado por alumnos del curso de orientación universitaria (aquellos que se preparan para ingresar a la universidad) y otro formado fundamentalmente por graduados recientes de la licenciatura en Química y alumnos del último año de esa carrera. Lo más notable que muestra el estudio es que esta dificultad es la única que persiste en una proporción importante de los alumnos (50% - 60%), aún en los últimos años de la formación universitaria. El sistema homogéneo elegido por los autores para detectar la confusión masa – concentración, es quizá el más utilizado por los docentes y por los textos para ejemplificar las características de los sistemas en equilibrio: la mezcla de N2, H2 y NH3 en equilibrio en un recipiente cerrado. Dada la composición de la mezcla en equilibrio -en moles de cada una de las sustancias presentes (1.3 moles de NH3, 0.1 moles de N2 y 0,3 moles de H2)- se propone calcular la constante de equilibrio del sistema y se dan opciones entre las que se incluyen: a) No es posible el cálculo c) Kc = 1.32 / 0.1 x 0.33 b) Kc = 0.1 x 0.33 / 1.32 d) No lo sé La opción c) resulta la más elegida por los integrantes de ambos grupos: el 77% de los alumnos de COU y el 55% de los licenciados, de los cuales, el resto elige la opción a), que es la correcta. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 37 Como puede apreciarse, el 77% de los alumnos utiliza los datos de número de moles de cada una de las especies presentes en el equilibrio, como si se tratase de la concentración de las mencionadas especies. Sólo podría realizarse el cálculo si se conociese el volumen ocupado por el sistema en equilibrio a la temperatura en cuestión. Este estudio plantea además para detectar la misma dificultad el siguiente sistema heterogéneo: NH4Cl(s ) HCl(g) + NH3 (g). En tal caso surge que, ante una pregunta de opción múltiple en la que pide proponer formas de variar la concentración de sólido (NH4Cl) presente en el sistema, la mayoría de los alumnos -más del 70% en ambos grupos (alumnos de COU y avanzados de licenciatura en Química)- eligen alguna de las opciones, esto es, no reconocen que la concentración de un sólido puro es constante. Utilizan las ideas de masa y de concentración, indistintamente. Con respecto a que los alumnos no reconocen que la concentración de un sólido o de un líquido puros es constante, -hay que tener en cuenta que el hecho de que la concentración o en su caso la actividad de una especie condensada, es independiente de la cantidad presentees un aspecto que no se incluye habitualmente en la instrucción cuando se estudia el tema concentración. La dificultad que se analiza aquí persiste aún después de la formación universitaria. Esto tendría relación con que lo más importante para el alumno en una reacción química, es la cantidad de producto obtenido y no la concentración de sustancias presentes (Furió y Ortiz, 1983). Para Gorodetsky y Gussarsky (1986), una representación microscópica, unida con la percepción de la naturaleza dinámica (del equilibrio químico), conduciría a la comprensión, en el caso de un sistema heterogéneo sólido - líquido, de que la importancia del sólido, está dada por su presencia en el sistema y no por la cantidad. 1.7.3.2 La confusión entre velocidad y extensión de la reacción Es una de las dificultades que aparece en casi todas las investigaciones. Ocurre que los alumnos parecen no distinguir entre la velocidad de una reacción y en qué extensión se produce y Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 44 2NO (g) + Cl2 (g) 2NOCl (g) + calor I: ¿Cuando agregamos más NO qué efecto tendrá en las velocidades de las reacciones? S: Crecerá la velocidad de la reacción directa. I: ¿Qué acerca de la acción inversa? S: Disminuirá ...disminuirá. I: Podrás explicarme que ... el incremento en la velocidad directa y la disminución en la velocidad inversa. S: Crecerá en la directa ... porque agregando más, queremos desplazar a la derecha y deshacerse de ese incremento. Disminuirá la inversa a causa de que queremos menos reactivo porque hemos agregado más. En la última intervención del alumno (S) parece estar intentando aplicar el Principio de Le Chatelier al cambio en las velocidades de reacción. Una vez más aparece la confusión entre velocidad y extensión de la reacción. Este breve recorrido por las principales dificultades asociadas con el aprendizaje del equilibrio químico que aparecen repetidamente en los trabajos de investigación sobre la enseñanza y el aprendizaje de este tema y las opiniones de docentes descritas en el apartado anterior dejan planteado un panorama sobre cuya base ha de llevarse adelante una parte importante del diseño objeto del presente trabajo. 1.8 El tema Equilibrio Químico en el Sistema Educativo argentino. El Sistema Educativo Argentino está siendo objeto de cambios continuos desde hace ya más de una década. De todas maneras, tradicionalmente y con muy raras excepciones, los estudiantes se encuentran con el estudio del tema Equilibrio Químico por primera vez, cuando ingresan a la Universidad. En este apartado se describe esta situación y se le da contexto. Finaliza esta descripción con un análisis de la forma en que tratan este tema algunos textos de Química básica universitaria, habitualmente usados en los primeros cursos. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 45 1.8.1. Equilibrio Químico en la formación universitaria En Argentina, cuando el alumno ingresa a la Universidad ha tenido contacto, en diferente medida, con una parte importante de los conceptos centrales de la Química, ha trabajado realizando cálculos estequiométricos y con un modelo de materia discontinuo; conoce los átomos, iones, moléculas, enlaces, reacciones químicas, pero no ha tenido, en general, instrucción formal en el tema Equilibrio Químico. Esta situación cambiando actualmente, lo cual puede verse reflejado en que los nuevos textos para ese nivel incluyen el tratamiento del Equilibrio Químico aún de forma muy descriptiva. Equilibrio Químico en la Carrera de Medicina Veterinaria de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires La carrera Medicina Veterinaria prepara a los profesionales técnica, práctica y científicamente, sobre una sólida base biológica, fisico – química y matemática, para un desempeño idóneo en Medicina Veterinaria y posteriores orientaciones relacionadas con la profesión y demandas del país. El tema Equilibrio Químico está incluido en una de las primeras asignaturas de la carrera Química Biológica, en la que los alumnos han de trabajar sobre los fundamentos de todos los temas químicos que se requieren como base de su futura formación profesional, dado que se trata de la única asignatura “química” de la carrera. El planteamiento de este tema en la planificación de la asignatura prevé el desarrollo de el Equilibrio aplicado a las transformaciones materiales y energéticas en un sistema cerrado: Uso del modelo de partículas. Equilibrio químico. Conceptos y principios que lo caracterizan: velocidad de reacción. Constante de Equilibrio. Principio de Le Chatelier. Factores que alteran el estado de equilibrio. Equilibrio de ionización del agua. Equilibrio ácido base. Concepto de pH. Soluciones reguladoras. Principales mecanismos reguladores de pH del organismo. Equilibrio redox. Agente oxidante y agente reductor. Potenciales de óxido reducción. Espontaneidad de las reacciones. Equilibrio de solubilidad. Solubilidad molar. Constante del producto de Solubilidad. Kps. Todos estos contenidos se desarrollan en tres clases teóricas de cuatro horas cada una, una clase de resolución de problemas de tres horas y una clase de laboratorio. Resulta importante ante esta situación, pensar una manera de abordar el tema que permita al alumno desarrollar un concepto de equilibrio químico que le resulte útil para trabajar con distintos tipo de sistemas, dado que esta es la única oportunidad que los estudiantes tienen, durante su carrera, de trabajar la Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 46 conceptualización del tema. Esto es, ha de conseguirse una formación básica en Química que incluya una fuerte componente conceptual que sea la base para el desarrollo de algunas cuestiones de la formación profesional específica. 1.8.2 Equilibrio Químico en el diseño curricular del nivel de educación preuniversitario En el Sistema Educativo Argentino, el nivel Polimodal (15 a 17 años) aparece a partir del año 1996, momento en que se inicia la implementación gradual y progresiva de la nueva estructura, a partir de la Ley Federal de Educación (MCE, 1994). La Escuela Primaria (6 a 12 años) y la Escuela Secundaria (13 a 17 años) cambian por Educación General Básica (EGB), obligatoria, de 9 años de duración (6 a 14 años) y educación Polimodal (15 a 17 años). Entre las orientaciones para el diseño curricular del nivel Polimodal, se propone la revalorización de temas del Área de Ciencias Naturales algo descuidados en el currículo de Enseñanza Secundaria (12 a 17 años), entre ellos el de Equilibrio Químico. Actualmente, la estructura del sistema se halla nuevamente en proceso de modificación, a partir de la Ley de Educación Nacional Nº 26206 (MCE, 2006), que, entre otras cuestiones, redefine la estructura del sistema al reemplazar la EGB y Polimodal por Educación Primaria y Secundaria, esta dividida a su vez en dos ciclos: Básico y Orientado. El último ciclo corresponde a la anterior educación Polimodal. En la Figura 1.6 se muestran comparativamente ambas formas de organización. De todas formas, aún hoy se hallan vigentes los Contenidos Básicos Comunes para Educación Polimodal y las modificaciones introducidas por la anterior Ley en relación con la flexibilidad y apertura del diseño y con una nueva organización de los contenidos que otorga un mayor énfasis puesto en la introducción de contenidos del área de las Ciencias Naturales, desde edades tempranas en la formación de los estudiantes. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 47 En el Bloque 3 de los Contenidos Básicos Comunes para Polimodal se propone trabajar: … contenidos referidos a la estructura de los materiales y sus propiedades y presenta un tratamiento de las transformaciones químicas a través de un enfoque introductorio de los conceptos de equilibrio y velocidad de reacción (Síntesis explicativa del Bloque 3: La materia, su estructura y sus cambios - CBC Polimodal (MCE, 1997). Más adelante, el mismo documento explica, para el eje transformaciones químicas: En este nivel se profundiza la visión de las reacciones químicas alcanzada en la EGB, presentándolas como procesos en los que se redistribuyen las uniones químicas o se transfieren partículas entre dos especies químicas, conservándose la masa total del sistema. Se estudia la naturaleza dinámica de los cambios químicos, analizando modelos visuales de los acontecimientos microscópicos que estos implican. Se presenta una descripción cuantitativa de los cambios introduciendo la noción de concentración y se estudia la velocidad de reacción como variación en el tiempo de la concentración de reactivos y productos. Asimismo se analiza el balance energético de una transformación en términos de la cantidad de calor liberado o absorbido por el proceso (MCE, 1997). La síntesis explicativa de este bloque también plantea la necesidad de la aplicación del concepto de equilibrio a la interpretación de sistemas tales como los ácido - base. Educación General Básica (6 a 14 años) EGB1 EGB 3 EGB 2 Educación Polimodal Educación Inicial Educación Superior Educación Primaria Básica Educación Secundaria Orientada Educación Inicial Educación Superior Educación Secundaria Básica Ley Federal de Educación Ley de Educación Nacional (15 a 17 años) (3 a 5 años) (45 días a 5 años) (6 a 11 años) (12 a 14 años) (15 a 17 años) Figura 1.6. Estructura del sistema educativo argentino. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 48 El estudio de las reacciones que ocurren en medios acuosos requiere conocer la dinámica de la disociación del agua. Se presenta este proceso como un equilibrio que puede describirse cuantitativamente a través de la ley de acción de masas, y a partir del cual pueden conceptualizarse las reacciones ácido - base (MCE, 1997). El diseño curricular realizado sobre esta base, para la orientación Ciencias Naturales, por la Provincia de Buenos Aires, propone, en relación con este mismo eje conceptual, como una de las expectativas de logro: Aplicar el concepto de equilibrio dinámico e interpretar los cambios producidos por los factores que modifican el estado de equilibrio en un sistema. Los últimos documentos curriculares elaborados por la provincia, para este nivel, corresponden al Programa de definición del Diseño curricular de nivel Polimodal y datan del año 2004. En ellos se refuerzan las definiciones en cuanto a fines y posibilidades del nivel y se redefinen algunas cargas horarias de las diferentes disciplinas básicas para fortalecer dicha formación en todas las modalidades. En este marco se plantea que en el espacio curricular Química ha de procurarse que los estudiantes consigan, entre otros logros: El aprendizaje de conceptos y la construcción de modelos; el desarrollo de destrezas cognitivas y de razonamiento científico; el desarrollo de destrezas experimentales y de resolución de problemas vinculados a la vida cotidiana. Específicamente referido a Equilibrio Químico, el documento plantea la introducción de la noción de equilibrio dinámico y su descripción cuantitativa... El uso del modelo de materia discreta ayuda a su comprensión. Y dice más adelante: Resulta de gran importancia la conceptualización del equilibrio ácido – base y su caso más específico referido a la disociación del agua. Junto a la introducción del pH como medida de acidez y a la posibilidad de regulación de la acidez (DGCE, 2003) Como puede apreciarse, el diseño curricular de Polimodal indica que debería conseguirse la introducción del concepto de equilibrio químico, en un contexto en el que se realce la importancia del análisis de los procesos a nivel microscópico. Todo esto orientado a lograr la aplicación del concepto de equilibrio dinámico para interpretar el comportamiento de sistemas específicos tales como los ácido - base. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 49 1.8.3. El tema Equilibrio Químico en algunos textos de Química básica Se ha incluido una breve reseña del tratamiento del tema en los textos de Química Básica, que permite mostrar algunos aspectos que se considera pueden ser indicativos de la forma en la que habitualmente se enseña Equilibrio Químico a nivel introductorio en Argentina. Los textos, como una de las fuentes importantes en las que se halla documentado el conocimiento científico que llega a las aulas, son un material cuyo análisis permite ampliar la visión existente acerca de la enseñanza de un tema particular. Es importante aclarar aquí que los libros destinados a educación secundaria y/o Polimodal están incorporando este tema en los últimos años, razón por la cual, el análisis que aquí se presenta se refiere a libros usados en las primeras asignaturas básicas de la Universidad. Los textos elegidos son cuatro (Cuadro 1.2). El criterio de selección seguido es que son los que dicen utilizar los docentes universitarios en asignaturas básicas de Química (Apartado 1.7.2). Se analiza primero en qué parte del texto aparecen algunos conceptos que se consideran relevantes para la introducción del equilibrio y donde se desarrolla el tema en cuestión. A continuación, se considera de qué manera se desarrollan esos conceptos relevantes, apuntando fundamentalmente a conocer si los mismos se integran luego y cómo en el tratamiento del tema Equilibrio Químico. Los conceptos relevantes que se han considerado son: reversibilidad de las reacciones químicas y equilibrio dinámico (asociado al análisis de sistemas físicos). Por último se analiza concretamente la secuencia de presentación del tema Equilibrio Químico y se tiene en cuenta si incluye referencias a las condiciones del sistema (temperatura constante y sistema cerrado). Algunas de las preguntas que guían esta indagación son: − ¿Dónde aparece tratado el concepto de reversibilidad de las reacciones químicas previo al desarrollo del tema Equilibrio Químico y cómo se trata? − ¿Dónde aparece el concepto de Equilibrio dinámico y cómo se lo trata? − ¿En qué capítulo del libro se introduce el tema Equilibrio Químico? − Durante el tratamiento del tema Equilibrio Químico: Título Autores Año Editorial Texto 1 Química General Whitten, Davis y Peck 1997 Mc Graw Hill Texto 2 Química Chang 2001 Mc Graw Hill Texto 3 Química: moléculas, materia y cambio Atkins y Jones 1998 Omega Texto 4 Química: La ciencia central Brown, Le May y Bursten 1998 Prentice Hall Cuadro 1.2. Textos de Química básica universitaria analizados Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 50 − ¿Qué secuencia se sigue para el desarrollo del tema? − ¿Aparece relacionado con lo tratado sobre equilibrio dinámico previamente? − ¿Aparece relación con lo planteado antes para reversibilidad de las reacciones? − ¿Aparecen menciones explícitas a las condiciones para que se alcance el equilibrio? − ¿Se utiliza el modelo de materia? Si bien este análisis apunta a mostrar el tratamiento del tema que hacen los libros de texto, se aprovecha también para profundizar en algunos puntos que sirven para pensar el desarrollo de la propuesta didáctica. A continuación se describe lo hallado para cada uno de los textos analizados. En la Tabla 1.2, se presenta un resumen comparativo de los cuatro textos. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 51 En el capítulo introductorio a Equilibrio Químico ¿Se hace referencia a ...? TEXTO Cómo se trata el concepto de RRv Dónde y cómo se trata el concepto ED CAPÍTULO en que introduce el tema EQ ¿Aparece relación con lo tratado previamente? SECUENCIA de tratamiento del EQ T constante Sistema cerrado Uso MCM 1 En caps. 4 y 17: reacción que no alcanza a completarse y ocurren reacciones en ambos sentidos (no se hace mención a la simultaneidad). El símbolo se usa indistinta-mente para representar reacción reversible ó equilibrio dinámico Equilibrio dinámico aparece mediante una interpretación molecular, en el Capítulo 13, cuando se presenta el concepto de presión de vapor. Capítulo 17 (después de Cinética) No se retoma la idea de ED desarrollada antes - RRv (en ambos sentidos) - A + B C + D: Equilibrio: v →= v ← - Ejemplo sistema en equilibrio con datos numéricos - K - Relación K – Q - Análisis comportamiento: Q→K - - Relación entre ∆G y K No (sólo en relación con K) No No 2 En Cap. 4: comportamiento del ácido acético en agua, para diferenciarlo de un ácido fuerte. La idea de RRv, se usa sin profundizar en el concepto. Se habla de reacción incompleta. Parece existir equivalencia entre reversible y equilibrio. No se habla de simultaneidad de los procesos directo e inverso. En el Capítulo 11 en el mismo texto, dentro del apartado Cambios de fase se describe macroscópica y microscópicamente, el sistema que alcanza el equilibrio l/v para el caso del agua, hasta llegar al concepto de p vapor. Capítulo 14 (después de Cinética) Se retoma el sistema evaporación / condens como ejemplo de ED al inicio del capítulo, pero luego no se lo usa para aplicarlo a los sistemas químicos - Equilibrio: no se observan cambios, a nivel molecular sigue habiendo “conversión” - Ejemplo sistema en equilibrio con datos - K y Uso de K - Relación entre cinética y EQ - Análisis comportamiento: Q→K - Le Chatelier – Uso Le Chatelier Si, sólo para el caso del sistema evap/cond de agua Si, sólo para el caso del sistema evap/cond de agua En descripción sistema evaporación/ condensación de agua 3 Al iniciar Capítulo 13, bajo el título “La reversibilidad de las reacciones químicas”. Se hace descripción molecular Aparece ED en Cap. 10, en el apartado Presión de vapor en que se usa el modelo de materia discontinua para introducir el concepto de equilibrio dinámico y cuando se estudia solubilidad. Capítulo 13 (antes de Cinética ) ED, antes analizado para equilibrios físicos, para iniciar el tema EQ. Se usa el ejemplo del agua para EQ heterogéneo - Ejemplos de capítulos anteriores de procesos físicos en ED -Ejemplo Proceso Haber– Interpretación “molecular” - K - Análisis comportamiento: Q→K. - Uso de K. - Le Chatelier – Uso para predicción No explícitamente. Si se da relevancia a la relación K= f(T) No Si 4 La idea de RRv aparece en Capítulo 4, asociada a la ionización del acético. Se habla aquí de RRv y de equilibrio químico, casi sin diferenciar En Apartado 11.5 bajo el subtítulo Explicación de la presión de vapor a nivel molecular Capítulo 15 (después de Cinética) ED no se lo retoma ni se lo relaciona en el capítulo en el que se trata equilibrio químico. - v directa = v inversa: se alcanza el estado de equilibrio. - K y Cálculo de K. - Predicción usando: Q→K. - Le Chatelier No No No Aclaraciones: ED: equilibrio dinámico; EQ: equilibrio químico; MCM: modelo cinético molecular; RRv: reacción reversible Tabla 1. 2. Tratamiento del tema Equilibrio Químico en diferentes libros de texto de Química básica universitaria. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 52 Texto 1 Trata el tema Equilibrio Químico en el Capítulo 17, después de Cinética Química (Capítulo 16), comenzando por enunciar algunos conceptos básicos como el de reacción reversible y su correspondiente representación mediante la ecuación genérica. El concepto de reacción reversible que se trabaja allí, es pobre. Por un lado, está asociado a la idea de reacción que no alcanza a completarse y por otro, a que ocurren reacciones en ambos sentidos, pero sin aclarar la vinculación entre ambas situaciones. Tampoco se hace mención a la simultaneidad de las dos reacciones opuestas. El símbolo se usa indistintamente para representar reacción reversible ó equilibrio dinámico. Las reacciones reversibles se pueden representar en términos generales como sigue, donde las letras mayúsculas representan fórmulas y las letras minúsculas representan los coeficientes estequiométricos en la ecuación ajustada. aA + bB cC + dD La doble flecha ( ) indica que la reacción reversible, es decir tanto la reacción directa como la inversa, ocurren simultáneamente. Cuando A y B reaccionan para formar C y D a la misma velocidad que C y D reaccionan para formar A y B, el sistema está en equilibrio (pp. 645). Cabe señalar que la misma idea de reacción reversible es usada previamente en el Capítulo 4 cuando se presenta el ejemplo de la ionización en solución acuosa del ácido acético. Una concepción similar de reacción reversible, con su correspondiente representación a través de una ecuación se utiliza en el Capítulo 10, cuando se trabaja el tema ácidos y bases. La introducción al Equilibrio Químico se continúa con la presentación de una ecuación genérica de una reacción reversible (que en realidad es una ecuación de un sistema en equilibrio por el tipo de doble flecha). Inmediatamente y relacionado con esta representación aparece el concepto de equilibrio químico, presentado en términos de dos reacciones (directa e inversa) que ocurren a la misma velocidad. C H 3COO H ( a q) H+ (aq) + CH3COO- (aq) (reversible) La doble flecha generalmente significa que la reacción ocurre en ambos sentidos y que la reacción directa no se completa (pp. 122). La ecuación de la ionización del ácido acético, CH3COOH , en agua es típica de los ácidos débiles: Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 53 Cuando A y B reaccionan para formar C y D a la misma velocidad que C y D reaccionan para formar A y B, el sistema está en equilibrio. Existe equilibrio químico cuando dos reacciones opuestas tienen lugar simultáneamente a la misma velocidad. Lo anterior se completa con una breve introducción de la interpretación del sistema de reacción: Cuando reaccionan las sustancias A y B, la velocidad de la reacción directa disminuye a medida que pasa el tiempo porque las concentraciones de A y B disminuyen. A + B C + D (1) A medida que las concentraciones de C y D aumentan, empiezan a formar A y B. C + D A + B (2) Al formarse más moléculas de C y D, pueden reaccionar más, y la velocidad de reacción entre C y D aumenta con el tiempo. Eventualmente, las dos reacciones tienen lugar con la misma velocidad, y el sistema está en equilibrio (Figura 17.1). (pp. 646) A + B C + D A continuación se estudian numéricamente los cambios de concentración con el tiempo de las especies que intervienen, para un sistema de reacción que evoluciona hacia el equilibrio, que se presenta a modo de ejemplo: Considera la reacción reversible del dióxido de azufre con oxígeno para formar trióxido de azufre a 1.500K. 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g) Supón que se inyectan 0,400 moles de SO2 (g) y 0,200 moles de O2 en un recipiente cerrado de un litro. (pp. 646). (Se dan datos experimentales). Con los datos numéricos de concentraciones de las sustancias que intervienen, se construyen las gráficas de concentración/tiempo para el sistema. Se establece entonces la idea de constante de equilibrio utilizando un sistema genérico de reacción reversible, para el que se supone un mecanismo de reacción en una sola etapa, para llegar a establecer la forma de la ecuación matemática de la constante de equilibrio. No se aclara que esto es válido sólo para el caso de mecanismos de reacción de primer orden en una sola etapa. Con dicha expresión, se calcula la constante para el sistema SO2 / SO3 presentado antes. Define Q y su relación con K. En adelante, se dedican varias páginas al estudio de los factores Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 60 El tema Equilibrio Químico, en el capítulo correspondiente, se inicia con el análisis de una reacción genérica, A → B, que ocurre a igual velocidad que B → A. Como ejemplo de lo planteado, se propone el caso de la reacción base del proceso Haber, que se utiliza en el apartado siguiente para ilustrar los cambios de concentración que se producen en el sistema hasta que alcanza el equilibrio y proponer una expresión genérica para la constante de equilibrio que luego la aplica al mencionado sistema y, a continuación, al sistema N2O4 (g) / NO2 para el cual, además, propone datos de concentraciones que permiten calcular la constante de equilibrio. No se mencionan, durante el tratamiento introductorio del Equilibrio Químico, las condiciones de sistema cerrado y temperatura constante. El esquema siguiente sintetiza la secuencia seguida en la introducción del equilibrio en este texto. En general en los libros de Química General introductoria a la Universidad, el capítulo correspondiente a Equilibrio Químico está en la segunda mitad del texto, aunque la noción de sistema en equilibrio dinámico ya aparece tratada unos capítulos anteriores, en el apartado en el que se desarrolla el concepto de presión de vapor. El tema se estructura de forma tal que, la secuencia conceptual propuesta se inicia con el análisis de un ejemplo de algún sistema químico representado por la correspondiente ecuación química, a partir del cual se discute, para llegar a proponer la expresión de la constante de equilibrio. A continuación se dan datos numéricos para calcular a partir de ellos relaciones de concentración de sustancias que intervienen, lo cual conduce en todos los casos a la constante de equilibrio. Inmediatamente se tratan las diferentes posibilidades de “perturbación” del sistema por cambios en el volumen, la presión, la concentración de las sustancias que intervienen, la temperatura. Estas situaciones se trabajan aplicando en algunos casos el Principio de Le Chatelier y, fundamentalmente, basando la discusión en el uso de la constante de equilibrio y del cociente de reacción. Velocidades de las reacciones directa e inversa i g uales , se alcanza el e q uilibrio K a partir de datos ex p erimentales Cálculo de K Predicción del sentido de reacción con: Q → K Le Chatelier Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 61 Comparando lo obtenido con lo que plantea un trabajo que analiza las formas en que abordan el tema docentes de alumnos entre 16 y 18 años, de dos países diferentes, Alemania y Australia, (Treagust y Gräber; 2001) se encuentran similitudes interesantes en relación con la secuencia seguida. Se encuentra en el citado trabajo que los tres docentes expertos involucrados en el estudio, coinciden en dar a la instrucción una orientación disciplinar y a pesar de que desarrollan formas de intervención en clase diferentes y usan distintos ejemplos, la organización del contenido para plantear el tema es muy similar: ـ Introducción de la idea de reacción que se da en los dos sentidos. ـ Introducción de la idea de que no todas las reacciones son “completas”. ـ Análisis cuantitativo de la reacción para mostrar que hay una relación constante entre concentraciones de productos y reactivos. ـ Interpretación de los datos para entender el significado de la constante de equilibrio. ـ Interpretación de los efectos sobre el sistema en equilibrio de los cambios en los parámetros (concentración, temperatura) y la introducción del Principio de Le Chatelier. La forma de introducción al tema que plantean los textos hace que adquiera gran relevancia la ecuación química y el aspecto cuantitativo del tema Equilibrio Químico. Parecería que se apunta más a la resolución de ejercicios que a la comprensión conceptual del tema. En relación con esto último, hay que resaltar que si bien todos los textos analizados presentan el estudio conceptual del comportamiento del sistema en equilibrio agua(l) / agua(v) sólo el Texto 3 aprovecha lo planteado sobre dicho sistema para introducir el análisis de los demás, en el capítulo referido a Equilibrio Químico. Otros dos textos sólo mencionan que se trata de un comportamiento similar y uno no hace referencia alguna al respecto. Otro aspecto que se considera relevante para la conceptualización del equilibrio son las condiciones necesarias para Figura 1.7. Estructura general del tema en los textos Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 62 que el sistema alcance el equilibrio. De los cuatro textos, en sólo uno de ellos (Texto 2) aparece una referencia explícita a ellas, mientras se introduce el tema Equilibrio Químico. El modelo microscópico es poco utilizado en la descripción del comportamiento de los sistemas en equilibrio. Sólo en los textos 3 y 4 se hace uso del modelo en tal sentido. En los otros dos, este tipo de interpretación aparece en el capítulo que estudia el sistema en equilibrio agua(l)/ agua(v) pero no se la usa para los sistemas que se estudian luego en el capítulo referido a Equilibrio Químico. Se puede ver además que los diferentes textos analizados coinciden en los ejemplos que presentan. Aparecen frecuentemente, además del tradicional análisis del Proceso Haber, los sistemas de dimerización del NO2 y la evaporación/condensación de agua. Todos ellos, pueden resultar ejemplos más o menos significativos, representativos y potencialmente útiles para la introducción del modelo científico, dependiendo del tratamiento que se dé a cada uno durante la enseñanza del tema. El concepto de reversibilidad que se trabaja en los Textos 1, 2 y 4 es ambiguo e incompleto y se le da poca relevancia. En la mayor parte del texto se habla de reacciones irreversibles. Se mencionan las reacciones reversibles cuando se pretende introducir la idea de ácidos débiles. Una apreciación similar reportan Bergquist y Heikkinen (1990) acerca de seis textos de Química General que han analizado. El Texto 3 hace una buena introducción al concepto de reversibilidad. Algo similar, en relación con lo anterior, reportan Pedrosa y Días (2000) quienes analizan, en el contexto español, tres textos para enseñaza secundaria de la Química y uno de Química Básica universitaria, para identificar aspectos del lenguaje que pudiesen considerarse relacionados con algunas de las principales concepciones alternativas que se sabe aparecen muy frecuentemente cuando se estudia el aprendizaje del Equilibrio Químico. Los citados autores encuentran que los textos describen ejemplos de equilibrio y rápidamente saltan a las ecuaciones químicas que los representan, a la vez que se provee muy poca información sobre esa nueva representación. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 63 1.9 Objetivos del presente trabajo Existen, como se ha mostrado, numerosos estudios que analizan las dificultades de aprendizaje y la enseñanza del equilibrio químico. Entre ellas, aparecen variadas e interesantes propuestas de enseñanza, pero no hay muchos estudios relacionados con la puesta en práctica de dichas propuestas, y el correspondiente análisis de los resultados obtenidos con su implementación (van Driel y Gräber, 2002). Este trabajo se desarrolla alrededor del diseño de una propuesta de enseñanza que permita la introducción del Equilibrio Químico de manera tal que el alumno comprenda conceptualmente el tema para que ello posibilite, posteriormente, la interpretación más profunda de los diferentes sistemas (ácido-base; redox; ionización). Las primeras decisiones metodológicas que fue necesario tomar en relación con el desarrollo de esta tesis tuvieron que ver con los límites impuestos por las poblaciones disponibles. En este sentido se necesitaba encontrar grupos de aprendizaje con los que trabajar sobre Equilibrio Químico en una aproximación de tipo conceptual. En el nivel preuniversitario, como ya se comentó, es muy difícil encontrar cursos en los que se trabaje este tema. De ahí, la elección de la carrera Medicina Veterinaria, como ámbito de desarrollo de la investigación. Se pretende que este trabajo permita hacer ajustes al diseño de una propuesta final, pensada para el nivel de una Química Básica Universitaria, que a su vez pueda adaptarse al trabajo del tema, en lo conceptual, en el nivel pre - universitario. Se trata de un estudio interpretativo en el que se evalúa el desarrollo de una propuesta para la enseñanza del Equilibrio Químico. Para ello se realiza una intervención con la misma en un aula universitaria constituida por estudiantes de nivel básico de introducción a la Universidad, de una carrera para no químicos. Ello hace que la situación de los alumnos y los objetivos de aprendizaje puedan resultar semejantes a los del nivel previo (15 a 17 años), al cual se espera también poder ajustar la propuesta didáctica que se presenta aquí. Más allá de la importancia que en si conlleva este trabajo, es más relevante aún si se tiene en cuenta que son pocos los trabajos que se ocupan del diseño y puesta en práctica de propuestas para ser desarrolladas en el nivel universitario básico. Parecería que los mismos alumnos, Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 64 aquellos que hasta hace unos pocos meses ocupaban el centro de atención en lo que se refiere a estudiar cómo aprenden ciencias, qué dificultades se les presentan en relación a la adquisición de conceptos, habilidades, etc., cuando inician sus estudios universitarios, ya poseen todas las capacidades y han superado todas las dificultades, de forma tal que parece innecesario preocuparse por ello. Los objetivos centrales de la presente tesis son: Objetivo 1 (O.1): Diseñar una propuesta para la introducción del Equilibrio Químico en un nivel básico universitario, haciendo énfasis en lo conceptual. Ello implica: O.1.1 Realizar el análisis científico del tema O.1.2 Realizar el análisis didáctico correspondiente O.1.3 Determinar el conocimiento a poner en juego en la instrucción O.1.4 Definir los objetivos de aprendizaje O.1.5 Elaborar las actividades de aprendizaje que formarán parte de la propuesta O.1.6 Elaborar directrices para la evaluación de los aprendizajes y de la propuesta Objetivo 2 (O.2): Analizar en qué medida la propuesta desarrollada en el aula responde a las directrices con los cuales fue planteada. Objetivo 3 (O.3): Analizar, para un grupo de alumnos universitarios ingresantes, que participan de la prueba piloto de aplicación de la propuesta didáctica especialmente diseñada, qué ocurre con la comprensión conceptual del Equilibrio Químico. Objetivo 4 (O.4): Elaborar implicaciones para la enseñanza, que apunten a adecuar el diseño de la propuesta, de forma tal que resulten útiles para el trabajo del tema a nivel universitario básico (carreras no químicas), como también para los docentes que se desempeñan en el nivel educativo previo al universitario. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 65 1.10 Estructura del trabajo El desarrollo de la tesis se pensó en función de lo que se conoce actualmente en el campo de la investigación didáctica, como también de una concepción de enseñanza y de aprendizaje de los conceptos científicos cuyos fundamentos principales tienen relación con las ideas de Ausubel, sobre el aprendizaje y sobre la manera de pensar la enseñanza teniendo en cuenta las recomendaciones que de ella surgen acerca de los materiales y de la importancia central de las ideas de los alumnos y de su disposición por aprender. Como se mencionaba en el Apartado 1.4, el concepto de aprendizaje significativo considerado un supraconcepto, permite integrar también, con la correspondiente postura de enseñanza y de aprendizaje, otras contribuciones, algunas de las cuales subyacen ya en el contenido de las ideas de Ausubel pero que se retoman con mayor relevancia por otros autores. La perspectiva se complementa con la idea de que, un estudiante que elige aprender significativamente, esto es, hacer el esfuerzo de incorporar el conocimiento nuevo, de manera no arbitraria y sustantiva (idea que ya está presente en la teoría de Ausubel), lo hace integrando positivamente pensamientos, sentimientos y acciones, lo cual conlleva un papel aún más relevante del dominio afectivo para el aprendizaje significativo (Novak, 1988). Por otra parte, se apunta a una postura en la que la situación de enseñanza es tal, que el docente, haciendo uso de una propuesta didáctica especialmente diseñada, presenta los significados compartidos por la comunidad científica a los estudiantes y estos devuelven los significados que han podido captar, de manera tal que el docente pueda saber qué es lo que los aprendices han “captado”. Se comparten significados en el aula. Lo que se pretende es diseñar una manera de introducir el tema Equilibrio Químico en la enseñanza, a nivel de una Química básica. Para ello se trabaja en un prueba piloto de desarrollo de una propuesta didáctica, con un grupo de alumnos universitarios y su docente. A partir de todo lo realizado previamente al desarrollo de la prueba y de los resultados obtenidos, se reelabora la propuesta didáctica y se plantean recomendaciones para la enseñanza del tema en cuestión. Es importante recordar que uno de los motivos de este trabajo, es conseguir elaborar un material que resulte útil a los docentes y tenga impacto en su práctica. Capítulo 1. Origen y contextualización del trabajo de investigación 66 Las etapas en las que se desarrolló el trabajo y su estructura, se resumen en el Cuadro 1.3: Capítulo 1 Origen y contextualización de la tesis. Análisis de los principales fundamentos del trabajo de investigación: a partir de otros trabajos de investigación, de la opinión de docentes, de lo que plantean los libros de texto. Capítulo 2 - Diseño de la propuesta didáctica: traba j o que estuvo g uiado por la filosofía del Proyecto AcAb O.1: Diseñar una propuesta para la enseñanza del Equilibrio Químico en un nivel básico universitario, haciendo énfasis en lo conceptual. - Diseño de los materiales didácticos Capítulo 3. Estrategias para la investigación de la propuesta ¿Dónde se lleva adelante el trabajo? Apartado 3.1.1 ¿Quien es el profesor? Apartado 3.1.2 ¿Quienes son los alumnos? Apartado 3.1.3 Instrumentos de recogida de la información - Construcción de la prueba inicial. - Elaboración de los instrumentos de seguimiento de la propuesta. Grillas para el análisis de materiales de trabajo de los alumnos y de la filmación del desarrollo de la intervención. - Construcción del protocolo de entrevista. Propuesta de la forma de análisis de las mismas Apartado 3.2 Análisis de los datos Apartado 3.3 Capítulo 4 - Inda g ación de las ideas de los alumnos sobre conceptos y modelos relacionados con el equilibrio químico: Prueba inicial. Análisis de los resultados para el g rupo como un todo y elaboración, a partir de ello, de al g unas consideraciones a tener en cuenta en la aplicación de la propuesta con el grupo. Apartado 4.1 - Al g unas consideraciones didácticas para la aplicación de la propuesta, trabajando con alumnos ingresantes. Apartado 4.2 O.2: Analizar en qué medida la propuesta desarrollada en el aula responde a las directrices con los cuales fue planteada. Evaluación de la implementación de la propuesta en el aula. A nálisis de los datos obtenidos a partir de la observación directa y de las hojas de los alumnos. Apartado 4.3 Capítulo 5 O.3: Analizar, para un g rupo de alumnos universitarios in g resantes, que participan de la prueba piloto de aplicación de la propuesta didáctica especialmente diseñada, qué ocurre con la comprensión conceptual del Equilibrio Químico - Análisis de los datos obtenidos a partir de la realización de diez entrevistas, sobre el conocimiento conceptual de los alumnos al finalizar el desarrollo de la propuesta. Capítulo 6 Elaboración de conclusiones teniendo en cuenta lo ocurrido con el aprendiza j e paralelamente al análisis de lo ocurrido con la implementación en el aula de la propuesta. Apartado 6.1 O.4: Elaborar implicaciones para la enseñanza, que apunten a adecuar el diseño de la propuesta, y resulten útiles para el nivel universitario básico ( carreras no químicas ) , como también para docentes del nivel secundario. Elaboración de recomendaciones para los docentes, referidas al traba j o con la propuesta didáctica especialmente diseñada en el nivel previo al universitario. Apartado 6.2 Cuadro 1.3. Etapas de trabajo y su presentación en la Memoria de tesis Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 67 CAPITULO 2 DISEÑO Y PLANIFICACION DE LA PROPUESTA DIDÁCTICA Una de las principales diferencias de las prácticas educativas desde una perspectiva constructivista y una tradicional, es la forma de interpretar el currículum. Desde esta última, es habitual concebir el currículo, como una secuencia fija, muchas veces guiada por el libro de texto, con temas y actividades de enseñanza, con objetivos educativos que son implícitos y que conllevan una visión del conocimiento como la verdad que debe ser aprendida. Desde una concepción constructivista, se concibe el currículo como el punto de encuentro entre los modelos teóricos acerca de cómo se aprende y de la naturaleza del objeto de conocimiento, con la puesta en práctica de estrategias y la elaboración y utilización de materiales concretos. Consecuentemente, desde esta perspectiva, es necesario hacer explícitas las concepciones acerca de las anteriores cuestiones, como así también sobre sus interrelaciones. En un modelo de aprendizaje en el cual los alumnos no son receptores pasivos del conocimiento sino sujetos que construyen y reconstruyen sus propios conocimientos, que generan sus propios significados, basados en sus conocimientos, habilidades y experiencias. la enseñanza de la Química deberá tener como objetivo que los estudiantes integren sus conocimientos personales con el conocimiento químico nuevo. Sobre esta base, el currículo se debería elaborar a partir de Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 68 las principales ideas conceptuales y habilidades a enseñar, las cuales están fuertemente influenciadas por el reconocimiento de la diversidad entre los alumnos. No escapan al análisis, la necesidad de una variedad de recursos para lograr el aprendizaje. Pero una de las características fundamentales que desde el punto de vista de la elaboración y el desarrollo curricular distingue a ambas perspectivas es que, desde la constructivista el énfasis se pone en lograr que los alumnos adquieran determinadas capacidades, por encima de lograr cubrir un material (Novak, 1998, p.124) o de terminar un programa, como defiende la tradicional. Se ha adoptado en el presente trabajo, un modelo para la planificación de la enseñanza (Sánchez y Valcárcel, 1993; Domínguez, 2000) que se considera adecuado desde la perspectiva que se toma como punto de referencia para el diseño de la propuesta de enseñanza. Ésta se desarrolla a partir de dos tareas que se consideran fundamentales para la toma de cualquier decisión acerca de qué y cómo enseñar el contenido correspondiente a un campo determinado de las ciencias: el análisis científico y el análisis didáctico del contenido de enseñanza. En la Figura 2.1 se muestra un esquema del proceso de planificación, que se inicia con el análisis científico, el cual requiere un profundo conocimiento del contenido a enseñar, tanto desde el punto de vista conceptual como de la epistemología de la ciencia. Su objetivo es doble ya que no sólo sirve de base a la estructuración de los contenidos de la unidad didáctica que se desea planificar, sino que también es una herramienta muy valiosa para que el docente trabaje en su propia actualización, a través de la reflexión que ha de hacer sobre el tema en cuestión. A partir del análisis científico es posible identificar los contenidos relevantes y organizarlos. Una manera de estructurar el contenido conceptual, es elaborar un esquema que permita mostrar no sólo los conceptos más importantes, sino también las relaciones entre ellos. También ha de decidirse, cuáles son los contenidos procedimentales más importantes y cuáles las actitudes asociadas. Todo ello representa el conocimiento que se pretende llevar al aula. Desde el punto de vista didáctico propiamente dicho, el análisis no ha de ser menos profundo e implica considerar muchos factores que inciden sobre la enseñanza y el aprendizaje, como son: los hábitos de trabajo de los alumnos, el número de ellos, las competencias profesionales del profesor, a la vez que se tienen en cuenta las capacidades cognitivas de los alumnos. Dichas Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 69 capacidades están relacionadas con los conocimientos previos del alumno acerca del tema, como también con sus posibilidades de razonamiento y habilidades intelectuales. Figura 2.1. Esquema del proceso de planificación Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 76 igual previamente usado en las ecuaciones químicas (Laidler, 1995). La idea de que cuando un sistema está en equilibrio, tienen lugar dos reacciones que ocurren a igual velocidad en direcciones opuestas, no es original de van’t Hoff, sino que había sido aceptada antes por Clausius, como una interpretación de lo que ocurre en el caso de la vaporización por él estudiada. Esta perspectiva, permitió deducir, a partir de las velocidades de las reacciones directa e inversa, la hasta entonces aceptada ley fenomenológica de Gulberg y Waage. A través de la consolidación de la cinética química y la termodinámica, van’t Hoff dio a la ley de acción de masas una base más lógica que la que tenía (Lindauer, 1962). Entre 1873 y 1878, el norteamericano Josiah Williard Gibbs llega a conclusiones similares a las de van’t Hoff pero sobre la base de conceptos termodinámicos muy abstractos, los potenciales termodinámicos. Su mayor dificultad fue quizá, no ser capaz de hacer entendibles sus ideas, por lo que su trabajo fue poco apreciado en ese momento. En su segundo trabajo publicado en 1873 aparece una contribución muy importante que consiste en la introducción de una función de estado: la energía libre de Gibbs, que es identificada por: G = H - T.S. En este trabajo Gibbs planteó que la función G tiene especial significado porque la condición para el equilibrio a temperatura y presión constantes es dG = 0 (Laidler, 1995). Esto es, la condición para que un proceso ocurra espontáneamente es que el valor de G debe decrecer, hasta finalmente alcanzar el valor mínimo en el equilibrio. Este relato de algunos de los sucesos históricamente más significativos en relación con cómo fueron surgiendo algunas ideas fundamentales incluidas en el estudio del Equilibrio Químico muestra a la vez cómo la física y la química estaban, hace un siglo, definiendo sus campos de acción y sus interrelaciones. Sobre ello, Bensaude - Vincent y Stengers (1998) expresan: La cinética con la colisión de reacción, propone una conexión con la física que acentúa el realismo de los átomos y de las moléculas, y les atribuye, más allá de los fenómenos observables, la responsabilidad tanto de las propiedades de los cuerpos químicos como de las modalidades de las transformaciones químicas. Por el contrario, la termodinámica química acentúa la dimensión positivista de la química, Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 77 y la aleja de toda representación intuitiva del fenómeno químico y de sus causas, para hacer de ella una función abstracta de los parámetros manipulables. La indecisión entre estas dos perspectivas no es, además, exclusiva de la química, también está presente en la física de la época. Por este motivo podemos decir que en los umbrales del nuevo siglo la física y la química ya no son ciencias mutuamente extrañas, sino dos ciencias en la encrucijada, que se enfrentan al problema de su futuro, es decir, de su identidad.(pp. 187) Un siglo después, una preocupación genuina con relación a cómo conseguir mejores resultados en la enseñanza de este y otros temas importantes de estudio, nos mueve a un análisis como el que se realiza aquí, con el convencimiento de que permitirá tomar mejores decisiones en la selección y secuenciación del contenido como así también en la elección de la forma de abordar este tema. Parece importante recalcar, en relación con esto último, que la cinética aporta una alternativa de interpretación más intuitiva que la proveniente de la Termodinámica que tiene como concepto principal la entropía. Pero no podemos dejar de reconocer que una concepción de equilibrio químico no podrá considerarse acabada hasta que el alumno no haya incorporado a ella, los conceptos y leyes que, desde la Termodinámica, dan sustento teórico a este tema. Este breve desarrollo, desde una perspectiva histórica, de cómo aparece en la ciencia la idea de equilibrio químico permite apreciar que la complejidad del tema puede considerarse producto de la interacción de los diferentes campos de la ciencia que contribuyeron a la construcción del conocimiento que se tiene hoy acerca de cómo se comportan los sistemas cuando alcanzan el equilibrio. Además puede ayudar a entender mejor la naturaleza de algunas dificultades muy características que se presentan en el aprendizaje del tema. Entre los aspectos que se pueden señalar de la discusión anterior hay dos que se considera interesante destacar antes de continuar con el desarrollo del análisis científico objeto de estudio en esta sección: Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 78 - El trabajo con reacciones irreversibles y la necesidad que involucra el estudio de la idea de equilibrio químico de poner el interés en el análisis de lo que ocurre en el transcurso de la reacción química, más que en los estados inicial y final - El estudio del sistema cerrado de evaporación/condensación de agua por parte de Clausius y la conceptualización en términos cinéticos que se muestra más asequible, que las reacciones químicas, como sistema en el cual analizar la idea de equilibrio dinámico. 2.1.2. Análisis del contenido científico No resulta posible decidir acerca de cómo presentar un tema a los alumnos sin antes hacer un análisis de la estructura conceptual del mismo y de cuáles son los fenómenos más importantes que involucra. Equilibrio Químico es un tema conceptualmente muy amplio que incluye gran número de ideas y conceptos vinculados. Además, en su estudio confluyen, como se discutió antes, conocimientos provenientes de diferentes campos del saber científico, otorgándole características especiales. Para visualizar la estructura conceptual del tema, que se considera adecuada en relación con el objetivo de este trabajo, se presenta la Figura 2.2. Figura 2.2 Estructura conceptual de Equilibrio Químico Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 79 En la Figura 2.2, se muestran los principales conceptos que conforman el estudio del Equilibrio Químico y sus relaciones. La idea de un sistema cerrado (masa constante), en el que tiene lugar un cambio que en un determinado tiempo alcanza el equilibrio es central en cuanto punto de partida del desarrollo del tema. A la derecha, aparecen los conceptos relacionados con el enfoque cinético, esto es, una aproximación al tema que involucra los conceptos incluidos en la interpretación del equilibrio como el estado alcanzado por un sistema cerrado a temperatura constante, en el cual ocurren dos procesos opuestos simultáneos a la misma velocidad. A la izquierda de la figura se muestran conceptos correspondientes al tratamiento del tema desde la Termodinámica química clásica, que completan las que se consideran nociones básicas fundamentales en relación con el mismo en una Química básica. Analizando el lado izquierdo de la Figura 2.2: el estado del sistema, determinado por su temperatura (T), presión (P) y composición, posee una energía interna (U) y una entropía (S). Tanto U como S, P, V y T, son funciones de estado del mismo. Cualquier cambio en el sistema conlleva cambios energéticos. La definición de la entalpía (H), función de estado, como H = U + P.V, permite, para el estudio de una reacción química, identificar el calor de reacción a presión y temperatura constantes con la variación de entalpía: ∆rH = Qr. Dado que estas condiciones (P y T constantes) son las habituales en el estudio de las transformaciones químicas, la variación de entalpía que usualmente se presenta en tablas y gráficos está medida en dichas condiciones. La función de estado G (energía libre de Gibbs): G = H –T S, permite predecir la espontaneidad de una reacción (cuando ∆G<0) y las condiciones de equilibrio (∆G= 0), a P y T constantes, sin necesidad de hacer referencia al entorno del sistema. A medida que el sistema se encuentra en estados más cercanos al de equilibrio, ∆G se hace menos negativo y llega a ser cero cuando la composición del sistema, a determinada temperatura, es la de equilibrio. Así, el sistema se halla en un estado de G mínimo. Analizando ahora el lado derecho de la Figura 2.2: El cambio de composición, reacción química, se realiza de forma reversible. Las velocidades a las que ocurren los procesos directo e inverso que implica el cambio reversible, son v1 y v2. El estado de equilibrio se alcanza entonces cuando en el sistema cerrado a temperatura constante, están ocurriendo los dos procesos opuestos Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 80 simultáneamente (cambio reversible), a la misma velocidad. La velocidad (v) de cada uno de los procesos está dada por el cambio de concentración de las sustancias que forman el sistema, en el tiempo. Este cambio ocurre además, según una relación estequiométrica de las sustancias en ese sistema. El estado de equilibrio queda completamente caracterizado por la constante de equilibrio (K) que corresponde a una relación de las concentraciones o presiones parciales de las sustancias que forman el sistema. Se hace referencia a concentraciones o presiones parciales y no a actividades, dado que se considera que para iniciar el estudio del Equilibrio Químico es suficiente trabajar con sistemas ideales (gases ideales y disoluciones diluidas) para simplificar su tratamiento. Sea el sistema que ha alcanzado el equilibrio: aA + bB cC+ dD, K = cCc . cDd / cAa . cBb En la parte inferior de la Figura 2.2, aparece la constante de equilibrio para un sistema determinado, cuyo valor, a una temperatura dada, sólo puede justificarse desde la Termodinámica y calcularse a partir de ∆G= ∆G0 + RT lnK = 0 (en el equilibrio), una de las ecuaciones más relevantes en ese campo. De esta manera resulta posible conocer cómo influye un cambio de temperatura sobre el valor de K: ln K = RT ∆H R ∆S00 − 2 0 RT ∆H dT dlnK = (ecuación de van’t Hoff) (R: constante universal de los gases) El presente análisis del contenido ha estado centrado hasta aquí en lo conceptual, pero necesariamente ha de incorporar una delimitación del contenido procedimental, característico y relevante, que tenga en cuenta que el objeto de conocimiento que se ha de poner en juego, es una porción del campo de las Ciencias Naturales. En tal sentido, los procedimientos en cuestión han de estar referidos a lo que implica hacer Ciencia, esto es, a la manera especial de comprender el mundo que es la Ciencia y, en particular, es necesario rescatar aquellos relacionados con la naturaleza del Equilibrio Químico. Apuntar concretamente a la amplia variedad de procedimientos que involucra el desarrollo de un tema tan complejo como lo es Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 81 Equilibrio Químico, lleva a que los procedimientos que aparecen con más fuerza en relación con lo que se ha planteado hasta aquí desde lo conceptual, están asociados a habilidades de razonamiento e interpretación utilizando modelos. Si se acepta que la práctica científica es una actividad compleja socialmente construida, la enseñanza de las ciencias ha de apuntar además, al aprendizaje de destrezas de razonamiento y argumentación (Duschl, 1995). El análisis de la relevancia de los contenidos procedimentales desde la perspectiva científica está muy ligado a la problemática didáctica de la selección, tanto de los contenidos conceptuales como procedimentales. Ambas cuestiones están fuertemente relacionadas entre sí e influenciadas por las capacidades cognitivas y por lo que saben y saben hacer los alumnos, como así también, por los requerimientos del perfil de formación. En el apartado siguiente se trabaja sobre estos aspectos de manera interrelacionada, para llegar a caracterizar completamente el objeto de conocimiento a llevar al aula y los condicionantes a los que necesariamente se ha de atender en dicho proceso. 2.2 Problemática didáctica. Equilibrio químico en el aula. Se amplía aquí la discusión sobre las particularidades propias del tema y se incluyen las que se consideran características fundamentales de los alumnos (alumnos de cursos de Introducción a la Química en la Universidad en una carrera de no físicos y no químicos y alumnos de Polimodal) para de esta manera obtener como resultado un contenido adecuado al aula, además de ciertas conclusiones que fundamenten la toma de decisión de cómo enseñarlo. Como se dijo al inicio de este capítulo, el análisis desde el punto de vista didáctico estará centrado en la capacidad cognitiva de los alumnos en cuestión, expresada a través de los conocimientos previos del alumno sobre el tema y de sus destrezas de razonamiento y habilidades intelectuales y en las necesidades formativas propias de la propuesta educativa (nivel educativo y tipo de formación). Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 82 2.2.1 El conocimiento conceptual A partir del análisis del contenido científico desde el punto de vista conceptual realizado anteriormente, se rescata como característica fundamental del estudio del equilibrio químico, la interacción de los diferentes campos de la ciencia que contribuyeron a la construcción del conocimiento actual. El equilibrio químico se fundamenta en relación con conceptos y principios termodinámicos, pero puede resultar difícil conseguir una conceptualización adecuada del tema, si se comienza presentándolo relacionado solamente con la entalpía y con la energía libre, ya que se trata de un campo de la ciencia en el que los alumnos, en los niveles más básicos de instrucción en ciencias, aún no han iniciado su estudio y cuya comprensión resulta difícil incluso para muchos docentes (Johnstone, 1977b). Es importante tener en cuenta que, en este caso, se trata de alumnos que hacen su primer acercamiento al tema Equilibrio Químico y cuyo pensamiento posee unas características psicológicas tales que podrían considerarse incluidos en el estadio evolutivo formal inicial (Shayer y Adey, 1984), lo cual determina un nivel de comprensión de la ciencia, que además, no es independiente del contenido. Muchas investigaciones han mostrado que aún alumnos con un nivel de desarrollo cognitivo adecuado, tienen dificultades para aprender un concepto o modelo científico determinado, dado que es necesario considerar además la influencia del conocimiento previo en relación con el tema. Puede conseguirse una conceptualización inicial en relación con el equilibrio químico, a partir de un enfoque que permita interpretar microscópicamente algunos de los conceptos involucrados, en una aproximación que deje abierto el camino para integrar el aspecto termodinámico, más que pretender que ello ocurra proponiendo a los alumnos interpretar las condiciones de equilibrio químico en términos de funciones de estado (potenciales químicos) que se relacionan con la energía libre (G). Tomando como base estas consideraciones, se reorienta este trabajo de análisis de los conceptos y las relaciones tal como se muestran en la Figura 2.3. Se propone trabajar en este estudio piloto realizando una aproximación desde la visión cinética del equilibrio dinámico, la cual, a su vez, se abordaría genéricamente para un cambio reversible, que en particular puede ser una reacción química. Se deja para más adelante la discusión de cómo integrar los conceptos termodinámicos al tratamiento del equilibrio químico, dado que ello requiere de un Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 83 profundo análisis de las dificultades propias de cómo se van integrando al conocimiento existente estos otros conceptos. Desde una visión constructivista del aprendizaje como la que se ha desarrollado aquí, cuando se piensa la enseñanza de un tema, resulta de gran importancia no sólo el conocimiento del alumno derivado de sus experiencias anteriores en relación con el tema a tratar, sino también, los conceptos considerados fundamentales para el aprendizaje en ese campo (Domínguez, 1999). Es importante distinguir entre aquellos conocimientos previos idiosincrásicos que el alumno posee sobre un tema en particular y los que se consideran requisitos previos para el aprendizaje. Todo este conocimiento es lo que se denomina aquí, ideas previas. En este sentido, el tema Equilibrio Químico es uno de los que implica el uso de mayor número de conceptos relacionados involucrados en su desarrollo (sistema cerrado, reversibilidad, reacción química) los cuales influirán en el aprendizaje del mismo, a la vez que se seguirán desarrollando Figura 2.3 Estructura conceptual (modificada) Equilibrio Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 84 y ampliando su significado. Por ello resulta fundamental tener en cuenta el significado que estos conceptos tienen para los estudiantes. Se considera que las ideas de los alumnos poseen diferentes características dependiendo, en parte, de cuál sea su origen. Así, algunas pueden considerarse elaboradas predominantemente a partir de la experiencia sensorial (concepciones espontáneas), mientras que otras resultan más asociadas al contexto social (concepciones inducidas) esto es, la familia, la escuela, los medios de comunicación. Las primeras son ideas que construimos durante el trabajo de dar sentido a lo que ocurre a nuestro alrededor, son muy útiles por su efectividad y su capacidad de predicción. Se elaboran en base a un pensamiento causa - efecto aplicado a lo que ocurre en el mundo natural, todo lo cual las transforma en ideas muy estables y difíciles de reemplazar por otras. Las concepciones inducidas pueden considerarse tanto de origen escolar como cultural en general. Con respecto al ámbito escolar, es muy importante tener en cuenta que es también una fuente de ideas alternativas, las cuales pueden resultar un escollo para posteriores aprendizajes. Se piensa en este trabajo en un alumno que no posee ideas previas sobre equilibrio químico pero sí sobre el concepto de equilibrio –elaborado en el contexto de la Mecánica y utilizado en el contexto cotidianoque pueden influir en el aprendizaje del tema que nos ocupa. No sería de esperar que las mayores dificultades en el aprendizaje de este tema estuviesen relacionadas con las experiencias informales previas de quienes aprenden. Equilibrio químico es uno de los conceptos sobre el que el alumno carece de ideas, por lo que para poder comprenderlo, quizá se vea obligado a activar alguna concepción útil para dar significado a la nueva idea. Puede ser que el alumno, que se halla ante un dominio en el que no posee ideas específicas disponibles, active una idea correspondiente a otro dominio que le sirva para comprender la nueva. Este podría ser el caso de la comprensión en el tema Equilibrio Químico. Si bien los alumnos no tienen ideas acerca de este tema, previas a la instrucción, sí poseen una concepción de equilibrio que han elaborado en el contexto de la Mecánica y que podría influir en el primer acercamiento del alumno al tema. Además, Equilibrio Químico es un tema complejo, que involucra en su desarrollo muchos conceptos interrelacionados, tales como sistema cerrado, reversibilidad, reacción química, sobre Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 85 los cuales el estudiante posee ideas que necesariamente influirán en el aprendizaje, a la vez que se seguirán desarrollando y ampliando su significado Se discute a continuación, acerca de las ideas que se consideran fundamentales en el aprendizaje de este tema, en relación con las posibles dificultades que conllevan y que aparecen con más frecuencia en la enseñanza. Equilibrio Muy probablemente, la idea de equilibrio que los alumnos poseen, proveniente de la Mecánica, influye en el significado que elaboran para el concepto de Equilibrio Químico. Maskill y Cachapuz (1989), en un estudio mediante WAT mostraron que, previo a la instrucción en el tema Equilibrio Químico, la mayoría de los términos que los alumnos asociaron a equilibrio, revelaban un significado estático para dicho término. Posteriormente a la instrucción, este significado se mantiene pero se incorporan un importante número de respuestas que le otorgan carácter dinámico. En el significado que los alumnos dan al término equilibrio, después de haber estudiado el tema, parecen coexistir dos dimensiones contradictorias: la estática y la dinámica. En un estudio más reciente, con alumnos universitarios de Física I (Covaleda y otros, 2005), se ha identificado una variedad importante de significados que los alumnos otorgan al concepto de equilibrio. Se puede apreciar, por la diversidad de términos con que lo asocian, que el concepto de equilibrio que han desarrollado está ligado a aprendizajes anteriores, en contextos diversos. Aparece una cierta equivalencia del concepto de equilibrio con reposo o con movimiento de velocidad constante y de la idea de conservación del estado (nada se altera, todo queda igual). Sistema cerrado Desde el punto de vista termodinámico, sistema es la porción de universo que se escoge para su estudio, que consiste en cantidades definidas de sustancias específicas (Glasstone, 1978, pp. 18) y que para su completa definición es necesario fijar las variables de estado: composición, presión y temperatur (dado que el volumen resulta dependiente de las dos anteriores). Cuando se trabaja habitualmente en Química básica, se lo hace desde una visión centrada en los hechos y en las propiedades observables de las sustancias, en lugar de hacerlo desde una perspectiva Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 92 El modelo cinético molecular Como se ha mencionado, la descripción del sistema que ha alcanzado el equilibrio puede conseguirse a partir de la interpretación molecular, la cual resulta más adecuada para el nivel educativo al que nos referimos aquí. Utilizando el modelo cinético molecular, se puede lograr una interpretación del sistema y del cambio reversible (dos procesos opuestos simultáneos) que en él ocurre, a determinada temperatura. Se trata de un sistema que ha alcanzado un punto tal que, los procesos opuestos ocurren a la misma velocidad, por lo que, macroscópicamente, no se observan cambios en él. La comprensión de la naturaleza dinámica del sistema implica la necesidad de que el alumno conciba la materia desde el punto de vista microscópico como formada por partículas que poseen energía y que son las responsables no sólo de las propiedades de las sustancias, sino también de las transformaciones de las mismas. Para esto, resulta imprescindible que el alumno haya construido un modelo dinámico de cómo está constituida la materia que le permita interpretar los sistemas químicos en equilibrio (Pozo y otros, 1991). El alumno debería haber desarrollado o, en todo caso, continuar desarrollando durante el estudio del Equilibrio Químico, un modelo de materia que contemple los puntos antes enunciados, de manera que le sea posible utilizarlo como soporte teórico. Los modelos sobre la estructura de la materia han sido presentados habitualmente a los estudiantes como versiones finales del conocimiento sobre la misma. Así, por ejemplo, determinados modelos químicos se presentan como copias de las moléculas reales en vez de presentarlos como representaciones (Grosslight y otros, 1991). Se puede pensar en la existencia de tres niveles de comprensión (Carr, 1984): en el primero los alumnos consideran los modelos como copias de la realidad. En un segundo nivel se considera que los modelos han sido producidos para un propósito específico con algunos aspectos de la realidad omitidos, suprimidos o mejorados. Al igual que en el primer nivel se hace más énfasis en la realidad que en las ideas que representa el modelo. En el tercer nivel se considera el modelo como construido para desarrollar ideas, más que como una copia de la realidad y los estudiantes juegan un papel activo en el uso de los modelos. Pocos alumnos demuestran una comprensión de estas características. Muchas de sus concepciones sobre modelos, como representaciones de la realidad, persisten incluso después de una instrucción explícita. Es necesario dedicarle más atención a su enseñanza y aprendizaje (Domínguez, 2000). Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 93 2.2.2 Los procedimientos A continuación, se tienen en cuenta las capacidades cognitivas de los alumnos en relación con los procedimientos que han de ponerse en juego en el desarrollo de la propuesta didáctica. Desde una visión como la planteada hasta aquí, se espera que el alumno que aprende ciencias no sólo interprete, comprenda las leyes, principios y teorías científicas principales, sino también que adquiera una serie de habilidades, destrezas y actitudes que en conjunto, contribuyan a su desarrollo integral (Rocha y otros, 2000a). Aprender ciencias no sólo implica la construcción de nuevos significados, sino también adquirir la capacidad de razonar y argumentar sobre problemas de Ciencias (Domínguez, 2000). Los procedimientos que aparecen asociados al trabajo conceptual que se pretende desarrollar en el marco de la propuesta son, fundamentalmente, las habilidades de uso de modelos para la interpretación y el establecimiento de predicciones a partir de él. Dada la complejidad que implica trabajar simplemente con el uso de modelos científicos para elaborar explicaciones, cabe preguntarse ¿qué requerimientos cognitivos tienen los procedimientos que están más relacionados con lo que se plantea estudiar en este tema y con los nuevos conocimientos que se pretende que el alumno construya? Las aportaciones de Piaget acerca de la forma en la que se da la génesis del conocimiento en un individuo, resultan fundamentales. Sus estudios han dado lugar a la elaboración de una epistemología con base empírica que sustenta la idea de los estadios de desarrollo evolutivo de aplicación en la enseñanza de las ciencias. El sujeto que aprende lo hace a través de sus estructuras cognitivas, la efectividad de este aprendizaje estará condicionada por el nivel su desarrollo, es decir, por la disponibilidad de esas estructuras en un determinado momento de su vida. Se considera adecuado el uso, en esta instancia del trabajo de diseño curricular, de la taxonomía elaborada por Shayer y Adey (1984), sobre la base de los estudios antes mencionados. Esta adecuación de la demanda cognitiva de la materia al nivel de los estudiantes es un punto de partida. Las operaciones formales si bien está claro que son una condición que facilita el aprendizaje, no son la condición suficiente para tener acceso al conocimiento científico. En éste no sólo influye la estructura lógica de los problemas a resolver, sino también el contenido (Ausubel, Novak y Hannesian, 1983). Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 94 Al analizar el pensamiento de los alumnos en relación con el uso de modelos aparece, para el nivel formal inicial, en la taxonomía de Shayer y Adey antes citada: El modelo se considera como algo verdadero, no hipotético, por tanto, en este nivel no suele darse la comparación crítica de modelos formales alternativos. El estudiante en un estadio de pensamiento formal inicial, considera los modelos como algo verdadero, por lo cual será necesario insistir continuamente en el aspecto funcional del mismo. Además, se sabe que los alumnos no utilizan espontáneamente el modelo corpuscular y cuando se les propone su uso, lo hacen más fácilmente en los casos en que la representación corresponde directamente con rasgos macroscópicos. Por ejemplo, la evaporación con el alejamiento de las partículas (Llorens Molina, 1991). Otro rasgo del modelo, la agitación térmica de las partículas, es fácilmente aceptada por los alumnos, también aparentemente ligada a lo macroscópico y no porque hayan elaborado un modelo corpuscular dinámico. En relación con ello, los estudiantes son capaces de aplicar un modelo para razonar sobre lo real; pero debería trabajarse sobre un sólo modelo, en el que se establezcan claramente las relaciones 1:1 entre variables. Por ejemplo: movimiento con energía cinética, temperatura con energía cinética de las moléculas y disminución de volumen con disminución de la distancia entre partículas (Domínguez, 2000). El profesor ha de ser quien va a proporcionar el modelo a los alumnos y les enseñará a trabajar con él, demostrando su utilidad. Será necesario mostrar el interés que el modelo cinético molecular tiene como “herramienta” que permite interpretar o predecir el comportamiento del sistema, haciendo continuamente explícito el carácter hipotético del mismo. La investigación ha mostrado que aún si los estudiantes poseen un nivel de desarrollo cognitivo adecuado para esperar que realicen aprendizajes de conceptos o modelos científicos, dicho aprendizaje no ocurre. Esto se relaciona con la otra gran dificultad a la que se ha hecho referencia: el conocimiento previo del que aprende. 2.3. Formulación de objetivos de aprendizaje Las conclusiones de los apartados anteriores son la base de la selección de los objetivos de aprendizaje. La pregunta central en este punto del diseño es ¿cuáles son los aprendizajes que Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 95 se quieren fomentar en el alumno? Para responderla hace falta tener en cuenta que es necesario atender al contenido científico a trabajar en el aula pero fundamentalmente es el análisis didáctico el que guía la selección de objetivos adecuados al contenido y al alumno. El desarrollo de la comprensión por parte de una persona, ocurre a medida que esta incorpora nuevos elementos de conocimiento y los relaciona con el conocimiento que ya posee. Un modelo de aprendizaje según el cual los alumnos construyen cada uno su propio conocimiento supone que durante la instrucción estos generan sus propios significados, basados en sus conocimientos, habilidades, experiencias, lo cual implica que cada uno de ellos es un receptor diferente. No obstante, se trabaja sobre la base de que las estructuras de conocimiento elaboradas serán similares. En relación con lo anterior, es muy importante tener en cuenta que los objetivos no pueden formularse en términos de resultados esperables idénticos para todos los alumnos. Sería ir en contra de la esencia de la construcción de conocimiento concebida como un proceso en el que cada uno obtiene sus propios “resultados particulares”. Del análisis realizado en este trabajo, muchos de los problemas para el aprendizaje del equilibrio químico parecen tener que ver con que los alumnos no han interpretado conceptualmente el tema. Fundamentalmente esta conclusión es la que guía las decisiones centrales e iniciales del diseño de la propuesta didáctica que se describe en el punto siguiente. Se trata de una propuesta sustentada en una postura constructivista marcada por la interacción entre las ideas de los alumnos y las intenciones educativas del docente, para la cual el énfasis está puesto en favorecer la construcción de significados por el alumno. Respecto del razonamiento sobre hechos y fenómenos, los estudiantes han de dar significado a sus observaciones, en términos de equilibrios dinámicos e interpretar el comportamiento del sistema, por ejemplo, ante un cambio de la temperatura. Es necesario hacer surgir en ellos la necesidad de dar alguna explicación de lo que ocurre dentro del sistema, utilizando los conceptos y modelos que se van incorporando. Los objetivos se han formulado en términos de capacidades que se espera que los estudiantes alcancen, como consecuencia de los aprendizajes que realicen. Estos son: Capítulo 2. Planificación de la propuesta didáctica 96 1. Construir un significado de sistema en equilibrio dinámico que incluya: - componentes del comportamiento del sistema desde el punto de vista cinético (macroscópico y microscópico) y - la constante de equilibrio como propia del sistema a cada temperatura. 2. Interpretar la constante de equilibrio del sistema como función de la temperatura y en términos de la relación de concentraciones. 3. Interpretar el comportamiento del sistema en equilibrio ante un aumento / disminución de temperatura y ante otros cambios en el sistema. Como puede observarse, la propuesta didáctica que se diseña, apunta a la conceptualización del sistema en equilibrio dinámico, sin que se pretenda aún trabajar sobre el comportamiento de los sistemas frente a perturbaciones. 2.4 Propuesta didáctica Una comprensión acabada del equilibrio químico, como ya se comentara, requerirá del trabajo integrado de conceptos y modelos provenientes de diferentes campos del saber. En la Figura 2.6 se hace una representación de cómo una situación a estudiar, perteneciente al nivel de los objetos y eventos y que, en primer lugar se interpreta desde la Química en términos de: sistema químico, especies químicas con un nombre determinado y con propiedades características (nivel de registro empírico) puede estudiarse desde lugares diferentes, apuntando a distintos objetivos, utilizando los modelos, conceptos y procedimientos propios de diferentes áreas del conocimiento fisicoquímico. A partir del modelo cinético macroscópico (Cinética Química) es posible justificar la ausencia de evolución del sistema, a través de la comparación de las velocidades de las reacciones directa e inversa, lo cual se traduce en que no cambian las propiedades observables. El modelo cinético microscópico (Teoría de las colisiones): los choques eficaces, las partículas cambian de naturaleza (se rompen unos enlaces y se forman nuevos), permite interpretar que una reacción química se produjo a escala macroscópica (Sánchez Piso, 2007). Pero además, este modelo microscópico, en su expresión más simple, podría resultar útil para que los alumnos aceptasen que necesariamente han de ocurrir dos procesos opuestos continua y simultáneamente. Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 97 Figura 2.6. El estudio de los sistemas en equilibrio químico y la integración de conocimientos provenientes de diferentes campos, involucrados en los diferentes abordajes (adaptado de Kermen, 2005) TERMODINÁMICA CINÉTICA Modelo termodinámico Modelo cinético macroscópico Modelo cinético microscópico Reacciones químicas. ∆G, ∆S, ∆H K, Q Comparación de K y Q Reacciones químicas. Ecuación química Igualdad de las velocidades de reacciones directa e inversa Iones, átomos, moléculas en movimiento Choques eficaces Sistema químico, Especies químicas, Transformaciones registro empírico L E C H A T E L I E R Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 98 Otro de los posibles abordajes lo constituye el modelo termodinámico (Termodinámica de los procesos irreversibles), el cual permite justificar el estado de equilibrio. Esta vía de análisis del sistema en equilibrio no resulta demasiado adecuada para la interpretación conceptual, pero es la que completa la interpretación del comportamiento del sistema. De esta visión, cuando se analiza lo que rescatan, por ejemplo, los libros de texto de Química básica universitaria, puede apreciarse que muchas veces los elementos centrales de la discusión son la ecuación química que representa las dos reacciones (directa e inversa) y el criterio de evolución, elaborado en términos de la relación entre el cociente de reacción del sistema y la constante de equilibrio. Se pretende en este trabajo, hacer una introducción del Equilibrio Químico, de tipo cualitativa, mediante un tratamiento cinético, que apunte a que el alumno construya un concepto de sistema químico en equilibrio dinámico (AcAb Equilibrio Químico. Primera Parte) que pueda complementarse luego con el trabajo sobre diversos sistemas, para analizar su comportamiento frente a cambios y que incorpore, aspectos del abordaje termodinámico. Consecuentemente con la discusión realizada en los apartados anteriores y teniendo en cuenta los objetivos de aprendizaje, para la enseñanza del Equilibrio Químico que se han expresado, es necesario el uso del modelo molecular, asociado al discurso explicativo, que permita reinterpretar desde un punto de vista microscópico, lo que ocurre en el sistema desde la perspectiva macroscópica. De este modo la propuesta debería: • Incluir el punto de vista cinético que permita una adecuada conceptualización pero que deje abierto el camino para integrar luego el aspecto termodinámico. • Posibilitar que los alumnos perciban el comportamiento microscópico del sistema. • Fomentar la descripción del sistema que ha alcanzado un estado de equilibrio dinámico como un sistema cerrado en el que dos procesos inversos ocurren simultánea y continuamente a la misma velocidad, por lo que la composición permanece constante. • Poner énfasis en el tratamiento de la reversibilidad de los cambios químicos. • Proponer el desarrollo del análisis, basado en todo lo anterior, del desplazamiento del equilibrio al variar la temperatura • Iniciar la discusión sobre el comportamiento del sistema ante perturbaciones, que permita continuar construyendo un concepto de sistema en equilibrio. Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 99 • Hacer explícita la esencia de la Keq, como propia del sistema a una temperatura dada. • Presentar la constante de equilibrio como relación entre magnitudes intensivas. 2.4.1. Aspectos metodológicos de la propuesta La secuencia de actividades sobre la que se organiza la propuesta se ha realizado teniendo en cuenta que lo que se busca fundamentalmente es que los alumnos puedan incorporar en su estructura conceptual, una parte de los aspectos de la idea de equilibrio químico antes mencionados. Se pretende capacitarles para que apliquen ese conocimiento conceptual a la resolución de situaciones concretas de equilibrio químico. La metodología didáctica de la propuesta que se presenta en este trabajo de tesis doctoral, está inspirada en la correspondiente al Proyecto Actividades Abiertas (García - Rodeja y otros, 1987 y 1994) que consiste fundamentalmente en desarrollar la enseñanza a partir de una realidad significativa para el alumno, el cual va elaborando sus interpretaciones, en gran parte aceptando los modelos que se le proponen, hasta llegar a aplicarlas a situaciones diversas. El aprendizaje mediante Actividades Abiertas está en la línea del aprendizaje significativo, que implica que el material nuevo, objeto de aprendizaje, sea asimilado e integrado en la estructura cognitiva existente en el alumno. Las prácticas rutinarias y descontextualizadas de los problemas reales se sustituyen por secuencias de actividades que constituyen unidades de aprendizaje que se denominan AcAb (Actividades Abiertas). En relación con ello, el aprendizaje se mueve entre dos límites: el redescubrimiento significativo y el aprendizaje significativo por recepción, dependiendo de la naturaleza de los conceptos y modelos objeto de la instrucción (García- Rodeja y otros, 1988). Las Actividades Abiertas le dan oportunidad al alumno de hacer explícitas sus ideas y ser consciente de ellas y potencian lo cualitativo frente a lo cuantitativo, lo cual las constituye en un tipo de material adecuado para los objetivos del presente trabajo. Las AcAb parten de realidades concretas, de hechos físicos y químicos, y se abren a otras realidades (científicas, culturales y sociales) y a los conceptos y métodos de las ciencias objeto de aprendizaje. Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 100 Desde esta perspectiva, las AcAb se relacionan con los dominios: afectivo, cognitivo y psicomotor, pues se pretende que los alumnos desarrollen -además de conceptos, estrategias y destrezas relacionadas con el aprendizaje de las cienciasactitudes científicas y actitudes positivas hacia la ciencia y su aprendizaje. Las etapas que involucra la realización de una AcAb comienzan con la elección de la realidad a estudiar y la identificación de sus propiedades características a través de la observación, de la búsqueda de datos e interpretación de los mismos que culminan luego en la sistematización de dichas propiedades tratando de buscar los modelos que expliquen el comportamiento del sistema y a potenciarlos mediante la generalización a otros sistemas similares y su utilización para interpretar. Las AcAb son abiertas en extensión: porque se abren en un sentido interdisciplinar tanto a la sociedad, la industria y la naturaleza como a otras disciplinas; como así también, abiertas a distintos niveles educativos: según el nivel de conceptualización que se utilice, una misma Actividad Abierta puede adaptarse a diferentes niveles de enseñanza. Se propone en el presente trabajo, partir de un hecho conocido y significativo para el alumno: la evaporación del agua; un sistema sencillo de un solo componente que se habrá de interpretar utilizando el modelo cinético molecular, con la pretensión de que el alumno elabore una idea de sistema en equilibrio que pueda aplicar luego a situaciones más complejas, tanto en sus aspectos macroscópicos como microscópicos (Rocha y otros, 1997). En resumen, se propone el análisis del comportamiento macroscópico de sistemas en equilibrio dinámico y su interpretación mediante un modelo cinético (macro y microscópico). Se pretende, desarrollar una parte importante de los aspectos relacionados con la idea de Equilibrio Químico aprovechando en toda su potencialidad el análisis de un sistema sencillo, apuntando a que los alumnos puedan percibir en él, los aspectos relevantes de la idea de sistema en equilibrio anteriormente señalados. Quizá resulte posible que la idea de sistema en equilibrio dinámico que elaboren, resulte un poco menos ligada a las de reacción y ecuación química que poseen. Estas últimas son señaladas por muchos de los trabajos de investigación, como las responsables de varias de las dificultades de aprendizaje del tema. Lo anterior sin desconocer, que las citadas ideas son centrales en el estudio del Equilibrio Químico. Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 101 La propuesta didáctica parte de un hecho físico familiar para los estudiantes y se abre a otras realidades y a los conceptos, modelos y métodos de la ciencia que se consideran objeto de aprendizaje. 2.4.2 La secuencia didáctica y el material de trabajo - Aprender implica construir el conocimiento a través de la experiencia con el ambiente físico y a través de la interacción social. - Los resultados del aprendizaje dependen, entre otros, del conocimiento previo, actitudes y metas del que aprende. - Aprender ciencia no consiste simplemente en añadir algo a los conceptos existentes, sino que debe incluir una reorganización radical. - Aprender no es pasivo. Los individuos son seres decididos que fijan sus propias metas y controlan su propio aprendizaje. - Relacionar el nuevo conocimiento con el conocimiento previo es un proceso continuo y activo que incluye la generación, comprobación y reestructuración de ideas e hipótesis. - Los significados, una vez construidos, pueden ser aceptados o rechazados. - Algunos significados que los estudiantes construyen son similares, son compartidos. Las anteriores son algunas de las premisas más relevantes que podrían definir una visión constructivista del aprendizaje. Desde una perspectiva como esta se han derivado determinadas secuencias de enseñanza (Ollerenshaw y Ritchie, 1997; Driver y Bell, 1986), esto es, propuestas de conjuntos de decisiones respecto de la organización de los materiales y de las actividades que tienen que realizar los alumnos, con el fin de conseguir un aprendizaje adecuado. En todas, se parte de la identificación de las ideas de los alumnos y se dan oportunidades para que los estudiantes las conozcan y las pongan en juego. Posteriormente se trabaja en su modificación, de forma tal de conseguir un enriquecimiento de las ideas y por último, se ha de apuntar a la reflexión acerca de lo aprendido y de las características del aprendizaje realizado, que lleve a la toma de conciencia por parte de los alumnos acerca de lo que saben. Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 108 Actividad 2. Evaporación del agua en un recipiente cerrado (a2) El sistema de evaporación / condensación de agua aparece en muchos textos, como un ejemplo de sistema en equilibrio dinámico, para explicar el concepto de presión de vapor utilizando el modelo cinético molecular y plantear su dependencia con la temperatura. En este caso se propone su utilización para desarrollar una parte importante de los aspectos relacionados con la idea de equilibrio dinámico, de manera que el alumno elabore un modelo de sistema en equilibrio dinámico, que resulte luego aplicable para iniciar el estudio del equilibrio en los sistemas químicos. Esta segunda actividad consta de cuatro partes, cada una de las cuales tiene su propia intención educativa. Descripción de la actividad y de su desarrollo Actividad 2. Parte 1. Descripción e interpretación del sistema (a2-1) Se propone plantear a los alumnos el análisis de la evaporación en el sistema cerrado, de la misma forma en que se trabajó con el sistema abierto. Esta propuesta enfrenta una vez más a los estudiantes con la necesidad de exponer lo que creen que observarían e intentar interpretarlo utilizando un modelo de materia (observación autónoma). Esto puede llevarlos a decidir que en el sistema ocurre evaporación hasta un cierto momento después de que el sistema se ha cerrado, y luego aparentemente el proceso se detiene. Es posible que surjan diversas interpretaciones que intenten explicar por qué ocurre esto. La intervención del docente puede ayudar a los alumnos, proponiéndoles que elaboren una explicación, utilizando el modelo cinético molecular. ¿Cómo puede explicarse que la evaporación se detenga si las moléculas, en el modelo que estamos utilizando, están en continuo movimiento? Con la reflexión acerca del aspecto energético de las partículas que forman parte de ese sistema (teoría cinético - molecular), puede lograrse una interpretación más adecuada de la observación (observación dirigida). La explicación que se intenta que compartan consiste en postular que continuamente hay moléculas que están escapando del líquido y pasando a la fase gaseosa, mientras que a su vez, Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 109 también continuamente, hay moléculas del gas que chocan contra la superficie del líquido y quedan retenidas en él. Esto es, están ocurriendo dos procesos opuestos y simultáneos, la evaporación y la condensación. Si el número de moléculas por segundo, que pasan de la fase líquida al gas, es igual al número de moléculas por segundo, que pasan del gas al líquido, ambos procesos ocurren a igual velocidad y por tanto no se observan cambios aparentes en el sistema (explicación argumentativa). Se trabaja hasta aquí la idea de que el hecho de que las propiedades observables del sistema no varíen, puede interpretarse, a nivel molecular, como que está ocurriendo un cambio de características tales que involucra dos procesos opuestos (evaporación y condensación) que suceden continua y simultáneamente a igual velocidad. Es importante a esta altura de la intervención, aclarar que esta situación ocurre, a temperatura constante, en un sistema cerrado, esto es, en un sistema en el que no hay variación de la masa. El sistema cerrado ha alcanzado el equilibrio. Un equilibrio cuyas principales características pueden parecer incluso contradictorias: macroscópicamente no hay cambio pero a nivel microscópico la actividad molecular le otorga carácter dinámico. Se puede discutir entonces la reversibilidad (simultaneidad de los procesos de evaporación y condensación). Esto permite a su vez, ampliar la explicación dada a la situación anterior, en el caso del sistema abierto. En tal tipo de sistema, el espacio existente sobre la superficie del líquido es ilimitado, por tanto existe una muy baja probabilidad de que las moléculas de la fase gaseosa choquen contra la superficie del líquido, más aún, éstas se difunden en el aire y por tanto, la velocidad de condensación es muchísimo menor que la de evaporación, razón por la cual, el líquido termina por evaporarse completamente. A esta altura de la intervención, el docente introduce la ecuación H2O(l) H2O(g) como otra forma de representación. Sobre esta representación y la del sistema en el que sólo ocurre evaporación, se pide a los alumnos que hablen acerca de lo que cada una representa (PTAD). Actividad 2. Parte 2. Presión de vapor (a2-2). En la segunda parte de esta actividad (a2-2) se pretende trabajar el concepto de presión de vapor. Es el docente quien introduce esta idea, pero lo hace a partir de las ideas de los alumnos Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 110 acerca del sistema que ha alcanzado el equilibrio, esto es, aquel en el que el vapor condensa a la misma velocidad que el líquido evapora. El número de moléculas por segundo, que pasan de la fase líquida al gas, es igual al número de moléculas por segundo, que pasan del gas al líquido, ambos procesos ocurren a igual velocidad y por tanto no se observan cambios aparentes en el sistema. Se trata de un equilibrio dinámico, esto es, el sistema está continuamente en actividad. Ello hace posible que el sistema responda ante cambios que se produzcan en alguna/s de sus condiciones, lo cual se trabaja más adelante. Se pueden incorporar aquí como material para apoyar la discusión tablas de presión de vapor de agua en función de la temperatura, para analizar la variación de la presión de vapor con la temperatura. Lo analizado se utilizará luego para la concreción de la a2-3, en la que se pretende que los alumnos interpreten el efecto que tiene el aumento de temperatura sobre el sistema, en términos del modelo cinético molecular. Puede ser este un buen momento para presentar al alumnado determinadas Actividades de Generalización (Domínguez y Pro, 2006), mediante las que se pretende que se transfiera el conocimiento adquirido hasta aquí, al estudio de nuevas situaciones problemáticas (Actividad 2. Partes 3 y 4). De ésta manera, se pone de manifiesto la utilidad del conocimiento en la explicación e interpretación de otros fenómenos. Actividad 2. Parte 3. Cambios en la temperatura del sistema (a2-3) El docente podría proponer entonces pensar, en relación con el sistema en estudio: ¿Que ocurre en el sistema que ha alcanzado el equilibrio a una temperatura dada, si se aumenta la temperatura? El objetivo es que los alumnos comiencen a utilizar la idea de equilibrio dinámico que están elaborando para predecir el comportamiento del sistema ante determinado tipo de perturbaciones en él. Pero además, permite seguir desarrollando y profundizando diferentes aspectos de la concepción de sistema en equilibrio e introducir la idea de una constante característica del sistema a determinada temperatura. Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 111 Los alumnos podrán predecir qué creen que ocurrirá e intentar interpretar sus predicciones utilizando explicaciones a nivel molecular. Lo que ocurre puede interpretarse como que, al principio, el aumento de energía se traduce en mayor número de moléculas por segundo, de la fase líquida, con energía suficiente para pasar a formar parte de la fase gaseosa (mayor velocidad de evaporación) y también, mayor energía cinética media de las moléculas que integran la fase gaseosa. En esta situación, a medida que aumenta la concentración de las moléculas en la fase gaseosa, también se hacen más probables los choques de éstas con la superficie del líquido, aumenta así también la velocidad de condensación hasta que finalmente se hace nuevamente la velocidad de evaporación igual a la de condensación. Se ha alcanzado el equilibrio. Cabría preguntarse aquí qué ha ocurrido con la presión de vapor. A temperatura constante, la presión de vapor para el sistema en equilibrio H2O(l)/H2O(g) es una constante característica de dicho sistema. pv = ngas/Vgas = K (ngas: número de moles de gas y Vgas: volumen). Al cambiar la temperatura cambia la presión de vapor (acerca de ello se tiene información que proviene de las tablas antes analizadas); “cambia la constante que caracteriza a ese sistema”. Esta última idea habrá que retomarla para ampliar su significado en varias oportunidades. Actividad 2. Parte 4.otros cambios en el sistema (a2-4) Otra pregunta para que los alumnos aplicasen el conocimiento y revisasen sus ideas, podría ser: ¿Qué ocurriría si, en el sistema, a temperatura constante, el volumen del recipiente ocupado por el gas, se reduce a la mitad? Deberían ser capaces de elaborar explicaciones en las que contemplen que: Al principio hay mayor número de moléculas en el gas por unidad de volumen, por lo cual la presión de vapor tendrá un valor mayor al correspondiente al equilibrio. Pero también es mayor el número de choques entre las moléculas y con la superficie del líquido entonces habrá más condensación, hasta llegar un momento en el que se restablece nuevamente el equilibrio. El sistema recupera el estado de equilibrio, esto es, el estado en que ambos procesos, evaporación y condensación, ocurren a igual velocidad y la pv (pv = fc (ngas/V)) recupera el valor correspondiente a esa Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 112 temperatura. El sistema ha “reaccionado” ante una perturbación y retornado al estado de equilibrio. ¿Qué ocurriría si, en el sistema, a una temperatura determinada, se coloca inicialmente una masa de agua líquida diferente? Puede también proponérsele a los alumnos discutir lo que ocurre a una temperatura determinada, si trabajamos con dos recipientes iguales, en los que se ha colocado inicialmente una masa de agua líquida diferente en cada uno de ellos. La aplicación de la idea de que, alcanzado el equilibrio a una temperatura determinada, la presión de vapor será siempre la misma, lleva a concluir que el número de moles de gas por unidad de volumen permanece constante a temperatura constante, independientemente de la masa de agua líquida o gaseosa presentes en el sistema. Es interesante destacar aquí que el sistema alcanza el mismo estado de equilibrio, caracterizado por la presión de vapor, sin importar las condiciones iniciales. El análisis de esta situación se puede retomar más adelante después de discutir, en la Actividad 4, el rol de la presencia de una fase condensada en un equilibrio. Otra actividad de generalización que podría proponerse: ¿Cómo explicaría que un charco se seque más rápidamente cuando hay viento? Puede discutirse aquí, por ejemplo, una situación que supone un sistema abierto como el planteado o similar, en el que se considera que el agua de la superficie forma, con el vapor con el que se halla en contacto, un sistema cerrado que alcanza el equilibrio, cuyo comportamiento puede modificarse si se abre el sistema eliminando más rápidamente el agua vapor, por ejemplo, por acción del viento. Una situación similar se plantea más adelante vinculada a la producción de cal en un horno. Ambas situaciones, además de constituir aperturas interesantes en relación con las cuales proponer a los alumnos aplicar el conocimiento elaborado, permiten discutir la idea de sistema cerrado. A continuación se resumen algunos de los aspectos conceptuales que es posible trabajar a partir del análisis del sistema propuesto en esta Actividad 2. Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 113 Hasta aquí se trabaja con un sistema sencillo de evaporación/condensación de agua, con el objeto de que el alumno pudiese iniciar así la construcción de una noción de sistema en equilibrio dinámico. Ahora se propone, para continuar con la construcción del significado de sistema en equilibrio dinámico, trabajar con un sistema homogéneo formado por NO2/N2O4. Actividad 3. Sistema en el que ocurre dimerización del NO2 (a3) Esta tercera Actividad consta de tres partes. Lo que se pretende fundamentalmente en esta actividad, es que los alumnos: − Reflexionen acerca de las observaciones que realizan, utilizando el conocimiento teórico disponible (equilibrio dinámico, relación entre estructura y propiedades) que les lleve a reelaborar sus ideas sobre sistema en equilibrio dinámico y aplicarlas a un sistema químico. − Trabajen integradamente los tres niveles (macro, micro y simbólico) de representación e interpretación aprovechando dicho trabajo para aclarar algunos conceptos que se considera que les resultan dificultosos como el concepto de concentración. − Interpreten el concepto de constante de equilibrio, a una determinada temperatura, como una relación de concentraciones de las sustancias intervinientes Se trata de un sistema que probablemente no resulte tan familiar al alumno pero que puede resultar significativo en cuanto es un sistema sencillo de representar químicamente y de describir molecularmente. Además, es uno de los que frecuentemente aparece como ejemplo en la d Evaporación del agua en un recipiente cerrado, a temperatura ambiente D Sistema cerrado D Macroscópicamente no se observan cambios en el sistema D Evaporación y condensación simultáneas a igual velocidad (modelo) D pv = f (T) ; pv ≠ f (masa agua) D Coexistencia de las dos fases en el recipiente. D Interpretación de la información dada por H2O(l) H2O(g) Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 114 bibliografía para la enseñanza del tema. A esto hay que agregarle que este sistema presenta algunas dificultades para su interpretación a partir de la observación (colores / desplazamiento del equilibrio), que resulta interesante discutir, como se hace más adelante, para al menos, tener en cuenta a la hora de presentarlo a los alumnos En las observaciones que se realizan, se estima la concentración de NO2 y de N2O4 presentes, por la coloración más o menos marrón rojiza del sistema. Si bien esto permite ver lo que ocurre, cómo se modifica el equilibrio, por ejemplo al variar la temperatura, no siempre la modificación del color responde sólo al desplazamiento del equilibrio. Por ejemplo, si lo que se pretende mostrar es, como lo proponen algunos textos, el desplazamiento del equilibrio ante un cambio de presión provocado por una variación de volumen del sistema gaseoso. Tenemos el sistema NO2/N2O4 que ha alcanzado el equilibrio a temperatura ambiente, contenido en una jeringa y observamos entonces que tiene un color pardo. Apretamos el émbolo para aumentar la presión del sistema gaseoso. ¿Qué esperamos ver? La respuesta más inmediata es que si aumenta la presión, el sistema se desplaza en el sentido de una mayor producción de N2O4, que se traduce en la disminución de la concentración de NO2. Podría pensarse que deberíamos ver que el sistema se aclara. Pero en realidad el sistema se oscurece. El aumento de la presión se consiguió en el sistema a raíz de efectuar una disminución del volumen en el que se halla contenido el gas lo cual hace que crezca la concentración de ambos gases, NO2 y N2O4, y ello enmascara el efecto del aumento en la concentración del óxido incoloro debido al desplazamiento del equilibrio. Esta opción no es aconsejable para ser discutida con los alumnos a esta altura del desarrollo del tema, a pesar de que este sistema químico se usa mucho en los libros de texto y por los profesores porque se lo considera un sistema sencillo y atractivo desde el punto de vista del cambio en la coloración y su relación con el equilibrio. En este mismo sentido, Quílez (2004) ha indicado un importante listado de libros de texto que presentan interpretaciones erróneas relacionadas con los cambios de color que pueden realmente apreciarse para este sistema cuando se lo somete a diferentes perturbaciones. Descripción de la actividad y de su desarrollo Actividad N°3. Parte 1. Descripción del sistema en equilibrio en que ocurre la dimerización (a3-1) Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 115 El docente propone trabajar con el sistema NO2/N2O4 el cual, explica, está formado por la mezcla de los óxidos mencionados. En el estado gaseoso, el NO2 existe siempre como una mezcla en equilibrio con el N2O4. Describe algunas propiedades de ambos óxidos, entre ellas el color - NO2: color café rojizo; N2O4: es incolorode manera tal de ayudar a los alumnos con las observaciones que realizarán. Hay que tener en cuenta que en todo momento, las observaciones que se quieren interpretar deben estar muy bien orientadas. Aquí, el docente presenta el sistema a los alumnos. Para interpretar lo que está ocurriendo en el recipiente en cuestión en términos microscópicos, los orienta primero a representarlo con la ecuación química correspondiente y analizar, desde el punto de vista de la estructura, las propiedades de las sustancias (Observación dirigida). Los alumnos pueden caracterizar desde el punto de vista estructural las sustancias que forman el sistema y discutir acerca del aspecto energético de la dimerización. A continuación les propone utilizar la idea de sistema en equilibrio dinámico elaborada previamente para completar la interpretación del mismo en términos de rotura y formación de enlaces nuevos (Explicación argumentativa). Se establece una relación entre el nivel explicativo macroscópico -descripción del sistema y sus cambios- y el nivel explicativo microscópico -uso de modelos para a interpretación de las propiedades y cambios del sistema. Es importante también a esta altura insistir en analizar la representación del sistema mediante la ecuación química. Para el alumno, en general, la ecuación química representa la relación de cantidades según la cual ocurre la reacción y no una representación de cómo ocurre el cambio. El objetivo es, claramente, discutir ampliamente el significado de dicha ecuación que muestra que la información que puede obtenerse de ella tiene relación con cómo ocurre el proceso y no con las cantidades de sustancia involucradas. Actividad 3 Parte 2.. Comportamiento del sistema a diferentes temperaturas (a3-2) Trabajando sobre el mismo sistema, se propone predecir y luego observar lo que ocurre con la coloración del sistema a tres temperaturas diferentes. El recipiente conteniendo el sistema NO2/N2O4, inicialmente a temperatura ambiente, se introduce en agua caliente y en hielo sucesivamente. Los alumnos tienen que interpretar una Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 116 vez más sus observaciones, utilizando el modelo cinético molecular. Se insiste en la representación molecular del sistema a diferentes temperaturas. La elaboración de representaciones moleculares ayuda a que el alumno interprete sus observaciones y puede resultar útil también para que reinterprete la información que obtiene de la ecuación química correspondiente. Durante la actividad anterior, se trabaja en el análisis del comportamiento del sistema evaporacióncondensación de agua a diferentes temperaturas y se establece la presión de vapor como constante para el sistema en estudio, a una temperatura determinada. Actividad 3. Parte 3. Introducción de la constante de equilibrio (a3-3). Se puede proponer a los alumnos pensar en lo que observaron cuando se trabajó con el sistema a cada una de las tres temperaturas y cómo lo representaron molecularmente. Una relación de concentraciones de cada uno de los óxidos presentes en el sistema resulta ser constante a cada temperatura. Se introduce así la idea de constante de equilibrio. Se puede retomar aquí la idea de que, a temperatura constante, el sistema permanece macroscópicamente invariable, lo cual se aprecia en este caso a través del color del sistema gaseoso. Para ello, hay que tener en cuenta las consideraciones que se hacen al inicio de la descripción de esta actividad. Actividad 4. Producción de cal viva a partir de caliza en un sistema abierto y en un sistema cerrado (a4) El análisis de los aspectos antes discutidos sobre el Equilibrio Químico se realiza ahora, trabajando con un sistema heterogéneo como el que se plantea a continuación en la hoja del alumno (Figura 2.7). f Descomposición del CaCO3 en un horno de cal Descomposición del CaCO3 en un sistema cerrado CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) Capítulo 2. Diseño y planificación de la propuesta didáctica 117 Se ha elegido este sistema porque involucra uno de los procesos químicos que el alumno reconoce con más facilidad como reversible. Es conocido el hecho de que el carbonato de calcio, componente principal de la piedra caliza, se descompone formando CaO sólido y CO2 gaseoso en un proceso que puede representarse por: CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) Este proceso es el que ocurre habitualmente en un horno de cal. La cal viva, por su parte, se carbonata fácilmente en presencia de CO2 (del aire), en un proceso que queda representado por la ecuación: CaO (s) + CO2 (g) CaCO3 (s) La realización de la Actividad se divide en dos partes. En la primera se trabaja en aplicar el conocimiento desarrollado hasta el momento en relación con la idea de sistema en equilibrio dinámico, a un sistema heterogéneo y en la segunda se propone aprovechar la discusión sobre el comportamiento del sistema para profundizar en el concepto de concentración, a partir del trabajo sobre la constante de equilibrio del sistema. Descripción de la actividad y de su desarrollo Actividad 4. Parte 1. Descripción comparativa de los dos sistemas Se propone a los alumnos que describan los sistemas en los que podría estar ocurriendo un proceso como el representado por las dos ecuaciones dadas, consignando las principales diferencias entre ellos. Lo que se pretende a esta altura del desarrollo de la AcAb Equilibrio Químico, es que el modelo de equilibrio dinámico elaborado se utilice para interpretar el comportamiento de diferentes sistemas más o menos sencillos. En este caso, un sistema heterogéneo, con las complicaciones que ello puede traer aparejadas. Actividad 4. Parte 2. Análisis de la influencia de la fase condensada Se propone discutir, en relación con el sistema en el que se ha alcanzado el equilibrio, la incidencia que, sobre el estado de equilibrio tiene la presencia de cada una de las especies que conforman el sistema. CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) Capítulo 3. Metodología de Investigación 124 Un trabajo reciente (Leach y Scout, 2002) plantea la necesidad de que las investigaciones sobre la efectividad de propuestas didácticas se centren no sólo en el análisis del tratamiento del contenido científico y en la secuencia de actividades de enseñanza sino que profundicen también en el análisis del rol del docente mientras se desarrolla la instrucción, esto es, que presten más atención a la puesta en escena de las actividades de enseñanza por parte del docente. Es necesario hacer explícita la diferencia existente entre el rol del docente según se pensó en el diseño y el que éste desempeña durante la aplicación de la propuesta en el aula. Se necesita identificar los aspectos de las actividades de enseñanza y de su puesta en escena que realmente promueven el aprendizaje de los alumnos y considerar cómo esto puede ser transmitido a otros docentes que no estuvieron involucrados en la investigación. La recolección de datos para el análisis del aprendizaje se hace fundamentalmente a través de entrevistas a diez estudiantes de los que participan de la propuesta, realizadas en los días siguientes a las dos clases teóricas. Esto podría parecer contradictorio con la idea del aprendizaje significativo, si con dicha evaluación inmediata de los aprendizajes se intentase decidir si la propuesta didáctica es efectiva o no. Pero dado que la intención en esta tesis es analizar, para un grupo de alumnos universitarios ingresantes, que participan de la prueba piloto de aplicación de la propuesta didáctica especialmente diseñada, qué ocurre con la comprensión conceptual del Equilibrio Químico (Objetivo 3), interesa, en principio, estudiar las principales características del conocimiento que los alumnos van incorporando a sus estructuras conceptuales, en relación con lo ocurrido en la instrucción. Todo lo anterior, para pensar como rediseñar los materiales y trabajarlos con los docentes para que estos a su vez los pongan en práctica en las aulas. Se utiliza aquí una estrategia de investigación que se considera adecuada a los objetivos de la tesis, pero que además se adapta en todo sentido a las posibilidades de trabajo que se tienen, en función de la organización del curso en el que se hace el estudio. En tal sentido, en el Apartado 3.1, La muestra, se detallan algunas características relevantes del contexto académico y de la muestra experimental de estudiantes con los que se ha implementado la propuesta didáctica, y las del profesor que la lleva adelante en el aula. Capítulo 3. Metodología de Investigación 125 En la segunda parte del Capítulo (Apartado 3.2: Instrumentos de recolección de información) se presentan los instrumentos para el seguimiento del desarrollo de la propuesta didáctica en el aula y para la evaluación del aprendizaje conceptual. El seguimiento de la propuesta (Apartado 3.2.2), para conocer lo que ocurrió en su desarrollo, se concreta con la observación directa como herramienta central. Las manifestaciones escritas de los alumnos, contenidas en los materiales de trabajo, resultado del trabajo en pequeño grupo y en grupo de clase, son también datos válidos para este fin. Como se ha planteado, para la evaluación de lo que ocurre con el aprendizaje conceptual, se realizan entrevistas, al final de las clases en las que se desarrolla la AcAb (Apartado 3.2.3). Ello permite conocer en parte, la estructuración conceptual del contenido y vincular algunas características relevantes, con dificultades detectadas en el aprendizaje del Equilibrio Químico. Además los estudiantes han realizado la prueba previa (Apartado 3.2.1), que como ya se comentó, sirve para conocer sus ideas respecto a algunos conceptos y modelos importantes para el aprendizaje del Equilibrio Químico. Estos datos sirven también para analizar cómo podrían influir, en el aprendizaje conceptual del equilibrio químico, las ideas de reacción química y el uso del modelo microscópico. 3.1. La muestra En este apartado se caracteriza el contexto académico y el curso en el que se desarrolla la propuesta didáctica diseñada; esto es, el correspondiente a la asignatura Química Biológica del primer año de la carrera Medicina Veterinaria en la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (Apartado 3.1.1). Además se describen las principales características del docente a cargo de la intervención (Apartado 3.1.2) y del grupo de alumnos que constituyen la muestra experimental (Apartado 3.1.3). 3.1.1. Contextualización del trabajo El grupo de alumnos con el que se lleva adelante la propuesta didáctica en el aula está integrado por 80 estudiantes que cursan la asignatura Química Biológica, en el primer cuatrimestre de la Capítulo 3. Metodología de Investigación 126 carrera. Para el ingreso a Medicina Veterinaria los alumnos deben realizar un curso previo de nivelación, de aproximadamente dos meses de duración en el que se desarrollan contenidos básicos de Matemática, Física, Química y Biología, denominado Introducción a las Ciencias Básicas. Una breve síntesis del contenido de Química que se desarrolla durante este curso se muestra en el Cuadro 3.1. Al inicio de dicho curso se toma a los alumnos una prueba de diagnóstico en cada una de las cuatro disciplinas antes citadas (prueba diagnóstico). La carrera Medicina Veterinaria se halla estructurada sobre la base de asignaturas, en su mayoría cuatrimestrales. Durante el primer cuatrimestre, se cursan: Biología celular, Química Biológica y Anatomía. Química Biológica, la asignatura en la que se llevó adelante la intervención, incluye en su programación clases teóricas, clases de problemas y trabajos de laboratorio. Las clases teóricas, dos semanales de tres horas cada una, están a cargo de dos docentes diferentes y se desarrollan según el detalle que se muestra en el Cuadro 3.2. Como puede apreciarse, la introducción al tema Equilibrio Químico se hace al inicio de la asignatura, en dos clases teóricas de tres horas cada una (Clase 2 y Clase 3); a continuación de las cuales se lleva a cabo una clase de resolución de problemas, de tres horas. Este es el tiempo concedido habitualmente en la planificación de la asignatura Química Biológica de la Carrera de Medicina Veterinaria, a la introducción del tema en cuestión. Contenidos Introducción a las Ciencias Básicas. Química - Teoría Cinético Molecular de la materia. Modelo de Partículas - Estructura Atómica- Tabla Periódica. - Uniones Químicas. - Compuestos Químicos: a) Compuestos inorgánicos. b) Compuestos del Carbono. - Relaciones cuantitativas en los cambios físicos y químicos de la materia: Fórmulas y composición. Composición centesimal. Fórmula mínima y Fórmula molecular. - Soluciones. Formas de expresar la concentración de una solución. Gramos de soluto en cien g ramos de solvente. Gramos de soluto en cien gramos de solución. Gramos de soluto en cien ml de solución. Molaridad. Molalidad. Normalidad. Fracción molar. Partes por millón (ppm). - Estequiometría en reacciones completas. Rendimiento de reacción. Factor limitante. Reactivo en exceso. - Transformaciones energéticas asociadas a los cambios de la materia. - Reacciones y Energía. Termoquímica. Cuadro 3.1. Contenidos conceptuales del bloque Química - Curso Introducción a las Ciencias Básicas Capítulo 3. Metodología de Investigación 127 Ello se completa luego con: Equilibrio de ionización del agua y Equilibrios redox y de solubilidad, que se desarrollan más adelante, con carácter eminentemente práctico, esto es, dedicado a la resolución de ejercicios. Este es el único lugar de la carrera en el que se trabaja sobre el Clase 1 Características químicas de los sistemas biológicos. El agua como participante activo en los medios biológicos. Estructura molecular. Fuerzas de interacción molecular Clase 2 Introducción al Equilibrio químico: Conceptos. Keq. Principio de Le Chatelier. Factores que alteran el estado de equilibrio. Clase 3 Introducción al Equilibrio químico: continuación Clase 4 Química del carbono. Características de los compuestos orgánicos. Hidrocarburos. Compuestos orgánicos oxigenados: alcoholes, aldehídos. Reacciones características. Clase 5 Isomería: Clasificación. Isomería plana: de cadena, de función y de posición. Isomería espacial: geométrica y óptica. Compuestos Mixtos. Compuestos Polifuncionales. Polímeros: naturales y sintéticos. Polímeros de adición. Polímeros de condensación Clase 6 Hidratos de carbono: estructura y clasificación. Monosacáridos. Aldosas y cetosas. Pentosas. Hexosas. Estructuras abierta, furanósica y piranósica: Estructuras de Fisher y Haworth. Glucosa, Galactosa, Fructosa. Poder reductor. Derivados nitrogenados. Esteres fosfóricos. Unión glucosídica. Disacáridos: reductores y no reductores. Lactosa. Sacarosa. Maltosa. Celobiosa. Polisacáridos: almidón, glucógeno, celulosa. Heteropolisacáridos. Importancia biológica de los sacáridos. Clase 7 Lípidos: Características. Clasificación. Carácter anfipático. Lípidos de importancia biológica: Acidos grasos: saturados y no saturados. Triacilglicéridos. Grasas y aceites. Hidrólisis, en medio ácido y en medio alcalino. Jabones. Aceites hidrogenados. Oxidación. Fosfolípidos. Esfingolípidos. Cerebrósidos. Esteroides. Terpenos. Estructura e importancia biológica. Lípidos saponificables y no saponificables. Clase 8 Proteínas: Características. Aminoácidos. Clasificación. Aminoácidos esenciales. Reacciones características: transaminación, oxidación. Punto isoeléctrico. Unión peptídica. Péptidos de importancia biológica. Glutatión. Hormonas peptídicas: Oxitocina. Vasopresina Clase 9 Estructuras proteicas: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Conformación nativa. Desnaturalización. Hidrólisis. Clasificación de las Proteínas según estructura. Proteínas simples y con j u g adas. Clasificación de las proteínas se g ún función. Proteínas fibrosas: Colá g enos. Queratinas. Elastinas. Proteínas globulares: Hemoglobina: estructura y fc. Insulina: importancia y fc. Albúminas. Globulinas. Proteínas como anticuerpos. Histonas Clase 10 Enzimas. Definición y clasificación. Poder catalítico. Centro activo, centro alostérico y regulación. Sustrato. Complejo enzima-sustrato. Cinética enzimática. Constante de Michaelis- Menten (Km): su significado. Inhibición competitiva y no competitiva Clase 11 Equilibrio de ionización del agua. Equilibrio ácido - base. Concepto de pH. Soluciones reguladoras. Principales mecanismos reguladores del pH del organismo. Clase 12 Equilibrio redox. Agente oxidante y agente reductor. Potenciales de óxido – reducción. Espontaneidad de las reacciones. Equilibrio de solubilidad. Solubilidad molar. Kps. Clase 13 Nucleótidos y polinucleótidos: Bases nitrogenadas (purinas y pirimidinas). Nucleósidos: mono, di y trifosfatos: Nucleótidos: AMP, ADP, ATP. Segundos mensajeros (AMPc, GMPc, calcio). Nucleótidos como Coenzimas. Importancia biológica. Ácidos nucleicos. Ácido ribonucleico (ARN): estructura, tipos: ribosomal, mensajero, de transferencia. Acido desoxirribonucleico (ADN): estructura primaria. Estructura de Watson y Crick: Estructura secundaria. Conformación espacial. Pares de bases complementarias. Importancia biológica Clase 14 Bioenergética: Producción de energía en los sistemas vivos. Breve introducción al metabolismo: catabolismo y anabolismo. Flujo de la energía en los seres vivos. Sistema ATPADP y transferencia de energía. Espontaneidad de las reacciones. Cuadro 3.2 Programa de clases teóricas de la asignatura Química Biológica Capítulo 3. Metodología de Investigación 128 aprendizaje del tema Equilibrio Químico, el cual resulta básico para el desarrollo de muchos otros a lo largo de la carrera. Para el presente trabajo, el tiempo destinado al desarrollo de la propuesta objeto de estudio corresponde a las seis horas de las clases teóricas. Aparte se desarrolla una clase de resolución de problemas, de tres horas, realizada de la manera que es habitual para esta y otras asignaturas del primer año de la carrera, esto es, los alumnos resuelven los problemas en pequeños grupos de 2 ó 3 alumnos y consultan dudas con los docentes. La guía de problemas utilizada se muestra en el Anexo 1. Si bien la guía contiene, en esta oportunidad, algunos problemas de tipo conceptual (incluidos por el docente responsable, especialmente en este curso, en vinculación con el desarrollo teórico realizado), la mayoría son ejercicios de aplicación. Debemos destacar que, desde el interés que supone para la investigación, a esta clase sólo se ha podido tener acceso como observador y, en consecuencia, no se dispone registros de audio y video. Los anteriores son datos del contexto en que se prueba la propuesta, importantes a la hora de analizar tanto su desarrollo como el aprendizaje. 3.1.2. Quién es el profesor El docente que ha de desarrollar la propuesta en el aula es Profesor en Química y Magister en Metodología y Epistemología de las Ciencias. Desempeña su labor docente e investigadora en la Universidad desde hace 25 años, donde se inició como auxiliar y continuó su carrera como Profesor, siempre en los primeros cursos de Química de la carrera Medicina Veterinaria. También ha dado clases de Química en la educación secundaria y en carreras de formación docente en el nivel terciario no universitario. Participa en el Grupo de Investigación en Didáctica de las Ciencias Experimentales, en cuyo marco se desarrolla la presente tesis. La realización de una breve entrevista permite obtener datos que se consideran relevantes para identificar tanto su manera de concebir la enseñanza, desde su amplia experiencia en tal sentido, como su percepción acerca del aprendizaje del tema que en particular nos ocupa. Capítulo 3. Metodología de Investigación 129 Ante la pregunta ¿Cómo crees que se aprende mejor ciencia?, el docente se explaya alrededor de su idea considerando central que lo que ha de enseñarse tenga, para el alumno, relación con su realidad: que el alumno lo pueda relacionar con cosas que sabe. A la vez remarca la importancia que tiene para el docente conocer las ideas de sus alumnos previas al tema. También se refiere a la relevancia que considera adquiere, en este tipo de carreras, la vinculación de lo que se aprende con los intereses de la carrera y de aprender razonando, entendiendo de qué se trata y para que sirve. Dice pretender que sus alumnos disfruten aprendiendo y aclara: que obtengan “frutos”. Cuando explica a qué se refiere plantea una doble acepción para su afirmación. Por un lado se propone que sus alumnos adquieran herramientas que les permitan avanzar, razonar, aplicar un modelo elaborado a otras situaciones. Por otro, que estén cómodos, que se sientan a gusto para preguntar, discutir. La concepción de evaluación con la cual se trabaja en el contexto de esta investigación, es la habitual en todas las asignaturas del ciclo básico universitario y que se traduce en realizar algunos exámenes parciales escritos (dos ó tres) y uno final, que puede ser oral o escrito, a través de los que se certifica si se ha alcanzado o no la aprobación de una asignatura. En ese marco, el docente muestra su interés por diferenciar lo que él considera que debe ser una buena prueba de evaluación cuando dice: la evaluación ha de apuntar al uso del conocimiento para interpretar. Plantea claramente la importancia de evaluar lo que considera que es importante que el alumno aprenda, y según ha dicho unos párrafos antes, cree que el estudiante ha de aprender a razonar, a emplear modelos, entre otros. Refuerza esta idea al mencionar un rasgo interesante que considera ha de tener la evaluación: ha de ser coherente con cómo se trabaja en clase. Consultado sobre el tema Equilibrio Químico, el profesor considera que hay diversos temas de la formación en Medicina Veterinaria en los que resulta muy importante haber desarrollado una idea sencilla y clara sobre lo que se entiende por sistema en equilibrio dinámico. Es un concepto clave, básico para entender los equilibrios que luego ven en las fisiologías. Equilibrios de líquidos corporales, mantenimiento de pH, entre otros, comprensión del funcionamiento de un buffer. Capítulo 3. Metodología de Investigación 130 Cuando se le pregunta acerca de los conceptos que le parecen centrales para el aprendizaje del equilibrio químico, menciona el concepto de concentración, las leyes de los gases, las reacciones exo y endotérmicas y el modelo de materia. En particular, considera que el uso del modelo de materia mejora la visualización de las características del sistema en equilibrio dinámico, que tienen que ver con confusiones tales como: reacción directa seguida de reacción inversa; coeficientes estequiométricos que indican moléculas en el recipiente... Dice más adelante, refiriéndose también a las dificultades: Cuando los alumnos analizan las perturbaciones, ven el comportamiento en términos de cantidad y no de concentración y eso los lleva a pensar que la constante varía. Podría interpretarse esto como que percibe la necesidad de profundizar en el concepto de concentración que poseen los alumnos y que es consciente de la influencia que tiene la idea de reacción química asociada casi exclusivamente a las cantidades de reactivos y productos. Se trata de un profesional con amplia experiencia en enseñanza de la Química en el nivel universitario básico, que ha reflexionado sobre su quehacer docente y sobre la que considera mejor forma de potenciar el aprendizaje, como así también acerca de las dificultades que ello conlleva en cada tema en particular. Para él, aprender ciencia, no implica sólo asimilar contenidos, sino también, aprender a aplicar esos contenidos en situaciones diversas. 3.1.3. Características del grupo de estudiantes con el que se desarrolla la propuesta Los estudiantes del grupo experimental son 80 personas, de una edad promedio entre 18 y 19 años y de las cuales 29 son mujeres. A este grupo se lo denomina, de aquí en adelante, grupo de clase. En general, este tipo de carreras de corte profesional son más elegidas por los hombres y reúne a personas de muy diversas procedencias. Los estudiantes que forman parte de este trabajo provienen, en un número muy importante, de localidades de la provincia de Buenos Aires y de otras cuatro pertenecientes a tres provincias del sur argentino. La carrera de Medicina Veterinaria se cursa en la sede de Tandil, de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, que tiene otras sedes en las ciudades de Azul, Necochea y Olavarría. Teniendo en cuenta que se trata de un grupo de alumnos que en su mayoría están dando sus Capítulo 3. Metodología de Investigación 131 primeros pasos en la Universidad, es interesante analizar su procedencia y formación previa en la educación secundaria recibida. Una tabla conteniendo estos datos, alumno por alumno, se incluye en el Anexo 3. En el mapa de la Figura 3.1 se han identificado los lugares de procedencia de los 80 alumnos que se hallan presentes en las clases. Como puede apreciarse, la mayoría provienen de localidades de la Provincia de Buenos Aires, distantes de la ciudad de Tandil (sede de la carrera), algunas hasta más de 500 km. Hay seis alumnos que provienen de otras tres provincias, situadas al Sur (Neuquen, Santa Cruz y Río Negro). Esto habla de la diversidad de situaciones, en relación con la procedencia y la formación inicial de los estudiantes que conforman el grupo. En este sentido, es importante resaltar que en Argentina hay una gran diversidad de títulos de educación secundaria, aún dentro de una misma provincia. Figura 3.1. Lugares de procedencia de los alumnos, en el mapa de Argentina. (Fuente: Google Maps). Capítulo 3. Metodología de Investigación 132 Puede hacerse una diferenciación entre: Títulos con fuerte formación en matemática, física y química (por ejemplo: Bachiller con orientación en ciencias exactas y naturales); Títulos con orientación acorde a la especialidad profesional de la carrera universitaria, como por ejemplo, en este caso, Bachiller con orientación agropecuaria ó Técnico agropecuario especializado en ganadería y otros títulos, que no se encuadran en ninguna de las categorías anteriores, como por ejemplo, Bachiller con orientación en ciencias sociales y Bachiller mercantil. Los títulos secundarios diferentes que poseen el 50% de los estudiantes del grupo participante de este estudio, pertenecen a esta última categoría, mientras que un 25% tiene títulos con una orientación acorde a la especialidad profesional de la carrera universitaria y el restante 25% ha obtenido títulos secundarios con orientación a matemática y ciencias naturales. El 75% de los estudiantes de este grupo han iniciado su trayectoria como alumnos universitarios, inmediatamente después de culminar sus estudios secundarios. Los restantes han iniciado otras carreras y abandonado o han pasado algún tiempo en otra actividad y retomado nuevamente los estudios superiores. En general, la experiencia que poseen hasta el momento en la universidad, se reduce a haber cursado los dos meses del Curso de Introducción a las Ciencias Básicas. No están habituados a la forma de trabajo que intenta ponerse en juego para la introducción del tema Equilibrio Químico y no es posible realizar una fase previa para que se familiaricen con la metodología que se les propone, ya que el tema se desarrolla al inicio de la asignatura Química Biológica que, como se dijo, corresponde al primer cuatrimestre de la carrera. Se trata de un grupo de trabajo incidental, en el que se estudia una situación natural y típica en la enseñanza: trabajar en el aula con un grupo numeroso de estudiantes que están habituados a diverso tipo de propuestas de enseñanza, diferentes a la que se ha de implementar. 3.2. Instrumentos de recolección de los datos En este apartado se detallan los instrumentos y la estrategia con que se realiza la recolección de los datos. 3.2.1 Prueba previa La prueba previa realizada a una parte del grupo de clase tiene por objeto detectar algunas ideas que se consideran relevantes para el aprendizaje en este tema, como así también, saber en qué Capítulo 3. Metodología de Investigación 133 medida los alumnos se hallan familiarizados con el uso del modelo cinético - molecular, para elaborar explicaciones. La prueba se toma, por razones de organización de las actividades académicas de la institución universitaria, a los futuros alumnos de la Asignatura Química Biológica, cuando se hallan finalizando el Curso de Introducción a las Ciencias Básicas. En este curso están organizados por comisiones de trabajo con diferentes docentes en distintos días y horarios, por lo que la prueba se pasa en los dos grupos en los que se obtiene autorización para ello. Las pruebas que se analizan son las que corresponden al grupo de alumnos que luego cursa Química Biológica. La importancia que tienen las ideas de los estudiantes sobre los conceptos relacionados con el tema que se ha de abordar, es fundamental desde la perspectiva de aprendizaje conceptual que se adopta en este trabajo. En particular en el estudio del equilibrio químico, que se ha analizado en el Apartado 2.2.1, la conceptualización del tema conlleva el uso interrelacionado de conceptos tales como: reacción química y reversibilidad. También se plantea el uso del modelo cinético molecular para interpretar el comportamiento de los sistemas en equilibrio dinámico. Por ello, se realiza una caracterización inicial del grupo de alumnos, en la que se apunta a tener alguna información previa de cuáles son los conocimientos que poseen, de los conceptos que se consideran relevantes y básicos para la interpretación del equilibrio químico y sobre qué uso hacen del modelo cinético - molecular. Se utiliza para ello una prueba de lápiz y papel cuyo objetivo es doble: - Conocer las ideas de los alumnos sobre conceptos y modelos relevantes antes de la puesta en aula de la propuesta. - Aprovechar ese conocimiento para realizar algunas adaptaciones a la propuesta en relación con el grupo de alumnos con el que se ha de llevar adelante. Estas adaptaciones se describen en el Apartado 4.2. La prueba comprende tres ítems, dado que fue necesario adaptar la extensión al tiempo de que pudo disponerse dentro de las clases pautadas para el curso previo a la asignatura Química Biológica. Los alumnos que resolvieron la prueba se consideran representativos del grupo total en cuanto la elección es circunstancial, y se tienen indicios claros, a partir de otros trabajos de investigación, de cuáles podrían ser los resultados esperados. Capítulo 3. Metodología de Investigación 140 del registro descriptivo de las mismas, que se complementa con los datos surgidos de las hojas de los alumnos. Las herramientas utilizadas se describen a continuación y un mayor detalle del procedimiento seguido, como así también las preguntas base que se pretenden responder con este análisis, aparecen en el Capítulo 4: Resultados de la aplicación de la propuesta, en el Apartado 4.3.1: Análisis del desarrollo de las clases. La estrategia de recolección de datos para evaluar el desarrollo de la propuesta didáctica, se describe a continuación incluyendo como instrumentos la observación directa y los materiales elaborados por los alumnos. Observación directa del desarrollo de las clases Determinar para qué observar, qué es lo que ha de observarse y cómo hacerlo, es un requisito previo esencial, del trabajo de recolección de datos por este medio. La función que tiene en este caso la observación es eminentemente descriptiva, sobre los hechos que componen las clases teóricas durante las cuales se desarrolla la unidad didáctica diseñada. Se trata de orientar la atención, por un lado, sobre el tratamiento del contenido en clase. Esto es, sobre las proposiciones puestas en juego en el aula cuando se desarrolla la unidad didáctica. También es relevante detectar las principales características que definen el papel del docente en estas clases, teniendo en cuenta las premisas más importantes de trabajo, conocidas previamente por él. Cuando la observación ha de responder preguntas, ha de ser deliberada y sistemática. Por tal razón es preciso determinar claramente el sistema de registro de datos a utilizar y la forma en que estos han de ser analizados. En este caso se trabaja sobre un sistema observacional abierto, sin categorías prefijadas, de tipo descriptivo – tecnológico. Las unidades de análisis son unidades naturales, fundamentalmente constituidas por lo que dice el profesor, que forman parte del registro descriptivo (Evertson y Green,1997. pp. 338 - 340). La investigadora actúa como observadora independiente. Realiza el registro tecnológico de lo ocurrido, con grabación de audio y video de la clase como un todo, haciendo hincapié en el registro del discurso del profesor, y complementando estas observaciones con sus propias notas Capítulo 3. Metodología de Investigación 141 sobre aspectos de interés. De esta manera se consiguen datos brutos que posteriormente se “procesan” para su análisis. Hojas de trabajo de los alumnos Estos materiales, además de constituir una herramienta didáctica incorporada en la clase, son utilizadas por el investigador como un instrumento para evaluar el desarrollo de la propuesta en el aula desde un punto de vista más cercano al del alumno. Las hojas contienen las manifestaciones escritas de los estudiantes, elaboradas en pequeño grupo, y las notas tomadas a partir de lo que el profesor dice. Permiten, por tanto, obtener información relevante a la hora de conocer lo que ocurrió en el aula con el desarrollo de la propuesta didáctica. Cabe recordar que estas hojas tienen una estructura tal que proponen volcar la información en tres columnas. En la primera aparece una pauta de actividades a realizar por el alumno. La segunda columna, en la que los alumnos anotan sus observaciones e interpretaciones, es de especial importancia pues sirve para evaluar el método en sí mismo y conocer las ideas de los alumnos (Domínguez C. y Pro B., 2006). En la tercera columna se propone consignar las intervenciones el docente. Lo que los alumnos expresan allí, en sus hojas de trabajo, permite rescatar con cuáles de las relaciones que se ponen en juego a lo largo de la intervención se han implicado realmente, lo cual estaría dando indicios más concretos del conocimiento compartido en el aula. Los alumnos trabajan en grupos de dos y registran sus observaciones e interpretaciones, así como la intervención del docente, en sus hojas. Se dispone así de 40 hojas de alumnos para el análisis. 3.2.3 Entrevistas Para el estudio de la comprensión conceptual lograda se utilizan entrevistas, realizadas al finalizar la instrucción, a través de las cuales se pretende identificar el significado que los estudiantes dan a los conceptos involucrados en el estudio del equilibrio químico, a través de las relaciones que establecen entre ellos y del análisis de cómo aplican las ideas construidas, para resolver situaciones sencillas. El aprendizaje conceptual en relación al tema Equilibrio Químico Capítulo 3. Metodología de Investigación 142 se estudia, luego de la instrucción, con un grupo de diez alumnos elegidos al azar, por sorteo, utilizando para ello el número de inscripción a la asignatura Química Biológica. Las entrevistas personales son una herramienta útil para conocer lo que alguien piensa acerca de un tema determinado. Para este trabajo interesa particularmente lograr una relación con el entrevistado intermedia entre un interrogatorio formal y una conversación de amigos con el propósito de conseguir que el alumno exprese con sus propias palabras las ideas (Spradley, 1979). Se ha de tener especial cuidado en lograr una adecuada relación con el entrevistado, para lo cual el entrevistador, además de explicar antes del inicio de la entrevista, el objetivo de ésta en el marco del trabajo de investigación en desarrollo, debe hacer, en diferentes momentos, repetidas explicaciones acerca de ello: “como te dije antes, estoy interesada en .....”, a la vez que rescata, siempre que resulta posible y adecuado, lo que el entrevistado dice, para reafirmar la importancia de su colaboración en el estudio: “estoy entendiendo lo que dices, es muy valioso para mi....”. Por otra parte, las preguntas no deben requerir respuestas demasiado extensas, más bien, breves descripciones. Cada entrevista incluye preguntas descriptivas, a partir de las cuales se pretende captar algunos elementos propios del lenguaje del entrevistado; preguntas estructurales que sirven para comprender lo que el entrevistado piensa sobre las situaciones que se le plantean y las preguntas de contraste que se utilizan cuando es necesario aclarar lo que el entrevistado está expresando. La duración de las entrevistas fue de entre 30 y 40 minutos. Como se ha dicho, el objetivo central de las entrevistas en este trabajo, es identificar las características que tiene la conceptualización que los alumnos han elaborado sobre equilibrio químico y el significado que dan a los conceptos involucrados en el estudio de sistemas en equilibrio dinámico, a través de las relaciones que establecen entre los términos y apuntando básicamente, a aquellos aspectos del tema en lo conceptual, que se consideran relacionados con las principales dificultades de aprendizaje. Se analizan los significados de reacción química, reversibilidad y, en particular, el de equilibrio dinámico, haciendo especial hincapié en recuperar aquellos aspectos que se han presentado antes como dificultosos, a partir de lo que encuentran las investigaciones que analizan el aprendizaje del tema Equilibrio químico, descrito antes en el apartado 1.7.3: Análisis de las dificultades de aprendizaje a partir de investigaciones previas. Entre esos aspectos pueden mencionarse: la confusión masa – concentración, la confusión entre Capítulo 3. Metodología de Investigación 143 velocidad y extensión de la reacción, la visión del sistema en equilibrio como formado por dos compartimentos separados entre los que la “reacción” va y viene (Compartimentalización y visión pendular del equilibrio) y la interpretación de la composición del sistema en equilibrio como determinada por la estequiometría de reacción. Para organizar la estructura del conocimiento sobre equilibrio químico, alrededor de la cual se habría de desarrollar cada entrevista, se preparó un mapa conceptual representativo de lo que deberían ser los conceptos y relaciones que se espera surjan en las entrevistas (Novak, 1998, pp. 102). Para un dominio de conocimiento como este, en el que el conocimiento involucrado está bien definido, el mapa ha de representar la estructura de conocimiento de los expertos con el grado de sofisticación dependiendo de la población a la que va dirigido. En este caso, el mapa base ó patrón (Figura 3.4) se elabora teniendo en cuenta, además del conocimiento conceptual Figura 3.4. Mapa conceptual base para el desarrollo de las entrevistas Capítulo 3. Metodología de Investigación 144 en relación con el contenido científico en cuestión, las características propias de los entrevistados y de la propuesta didáctica de la que participan. Las proposiciones del mapa base son muy similares a las que se ha considerado que habrían de ser puestas en juego en las clases y que aparecen más adelante, cuando se explica cómo se ha llevado adelante el análisis de las clases. Es necesario aclarar que el concepto doble flecha, en este mapa y en los que aparecen más adelante en los Capítulos 4 y 5, debe leerse como .. Las entrevistas apuntan además, a obtener datos de contexto acerca de, por ejemplo, la situación educativa de los alumnos, los temas de Química que han estudiado; cómo estudian; cómo les han enseñado Química, todos datos que presentan y ayudan a delimitar el contexto en el cual se desarrolla esta investigación que completen la información disponible sobre cada uno de los casos en estudio, se incluyen algunas preguntas descriptivas, cuyas respuestas se analizan en el Apartado 5.1: Caracterización del grupo de alumnos sobre los que se estudia lo que ocurre con el aprendizaje ¿Cómo se desarrollan las entrevistas? Entre 20 estudiantes sorteados, participan del estudio, aquellos que expresan su conformidad en hacerlo. Las tres primeras entrevistas, se consideran de prueba. A partir de ellas se consiguen ajustar el tipo de preguntas a realizar, algunas cuestiones de vocabulario y decidir qué sistemas químicos conviene plantear para el análisis, si los entrevistados, como ocurrió durante las citadas entrevistas de prueba, no proponen alguno. La primera parte de las entrevistas, fundamentalmente orientada a crear un clima distendido en el que se desarrolle la “conversación”, apunta a cuestiones tales como: ¿qué contenidos le han resultado más interesantes hasta ahora?, ¿cuáles le resultan nuevos?, entre otras; con el objetivo de obtener lo que se ha denominado, datos de contexto. Al finalizar la entrevista se incluyen una vez más preguntas descriptivas relativas a la enseñanza y al aprendizaje, fundamentalmente dirigidas a conocer cómo se plantean el estudio en una u otra materia. La parte central de cada entrevista, basada fundamentalmente en preguntas estructurales y de contraste se describe esquemáticamente en el Cuadro 3.3. Capítulo 3. Metodología de Investigación 145 Cuadro 3.3. Esquema de desarrollo de preguntas durante la entrevista 1. Presentación 2. Preguntas descriptivas en relación con su percepción acerca de la nueva situación que representa estudiar en la Universidad: - ¿Qué diferencias encontrás con la escuela secundaria? - ¿Qué contenidos de Química te han resultado nuevos? - ¿Qué contenidos de Química te parecen más interesantes? 3. Las preguntas que integran el núcleo central de cada entrevista se organiza según la siguiente idea: - Sobre un ejemplo de reacción química (generalmente propuesto por el entrevistador mediante una ecuación), se pide al entrevistado que hable, describa y represente microscópicamente, decida cómo trabajaría en el laboratorio. Se plantean, mediante la representación a través de las ecuaciones químicas correspondientes, sistemas en equilibrio y sistemas que no lo están. Preguntas descriptivas: - ¿Cómo procederías si tuvieses que conseguir en el laboratorio un sistema como este? (Refiriéndose al sistema representado por la ecuación) NH4Cl (s) NH3 (g) + HCl(g) - Quiero instalar una planta de producción de amoníaco. Vos sabés que el proceso es como este (señalando hacia la ecuación). ¿Qué requerirías para empezar a trabajar? - Sobre el mismo ejemplo u otro, de un sistema en equilibrio, las preguntas que siguen apuntan a obtener información acerca de su comportamiento cómo tal y frente a perturbaciones. Los ejemplos a analizar son propuestos en la medida en que la conversación va permitiendo incluirlos. Preguntas estructurales: - ¿Te animás a dibujar un recipiente en el que pudieses representar las moléculas.....? - ¿De qué otra manera podría alterar ese equilibrio? Preguntas de contraste: - ¿En qué consiste esa diferencia entre el sistema a una T y a otra? 4. Preguntas de cierre. Preguntas descriptivas relativas a la enseñanza y el aprendizaje, en su mayoría referidas a cómo el entrevistado se plantea el estudio de las diferentes asignaturas. - ¿Cómo te planteás el estudio a nivel universitario? - ¿Hay diferencias entre cómo estudiás una u otra materia? Capítulo 3. Metodología de Investigación 146 Con las preguntas estructurales se pretende encontrar elementos de las concepciones del entrevistado y conocer cómo organiza el conocimiento. Cuando el desarrollo de la entrevista lo requiere se introducen preguntas de contraste para explorar a qué se está refiriendo el alumno cuando utiliza cierta terminología. Por ejemplo: ¿Qué diferencia consideras que existe entre y ? Se trabajó con el esquema anterior, aplicado, en la mayoría de las entrevistas, al análisis de dos sistemas diferentes, uno homogéneo y el otro heterogéneo. Las entrevistas se desarrollan aproximadamente 30 días más tarde de la finalización del tema y se usan aquí para evaluar el conocimiento conceptual de los alumnos posteriormente a la instrucción, resultan la fuente de datos más importante de que se dispone acerca del aprendizaje conseguido por los alumnos luego del desarrollo de la propuesta especialmente diseñada. Todas las entrevistas fueron grabadas en audio. 3.3 Análisis de los datos 3.3.1. Análisis de los datos surgidos de la prueba previa El ítem 1 es diferente para las versiones A y B de la prueba, por lo que el análisis se realiza por separado. Las respuestas se categorizar en: - Macroscópicas (M): describen lo observable, lo que ocurre, usando terminología científica. - Microscópicas (mi): explicaciones que usan el modelo cinético molecular. Se identifican dentro de cada categoría, respuestas alternativas a las científicas (Malt y mialt). - Alternativas (Alt): respuestas que son expresión de lo observable, en lenguaje cotidiano. La forma del Item 2 es la misma para las dos versiones de la prueba por lo que el análisis de los resultados se realiza en forma conjunta. Aquí el objetivo es conocer qué componentes del significado de reacción química (correspondientes a las visiones macroscópica y microscópica) incluyen los estudiantes en sus descripciones de lo que representa para ellos una ecuación química. Capítulo 3. Metodología de Investigación 147 Las respuestas se categorizar en: - Respuestas que nombran el proceso que ocurre ó que mencionan a la/s sustancia/s que se está/n formando (N). - Respuestas que describen macroscópicamente lo que representa la ecuación. Dentro de esta categoría de respuesta se han diferenciado las descripciones que incluyen relaciones estequiométricas (ME) y las que no (M). - Respuestas que describen macroscópicamente, incluyendo términos microscópicos lo que representan las ecuaciones químicas. También se diferencian en esta categoría, las respuestas que tienen en cuenta relaciones estequiométricas (MmE) y las que no (Mm). - Respuestas que describen desde una visión microscópica el proceso representado por la ecuación química (ecuación como representación de cómo ocurre el cambio) (mi) Para la segunda ecuación han de considerarse además, las categorías de respuesta: - No tienen en cuenta la reversibilidad: (No). - Reversibilidad no implica simultaneidad (RNS). - Tienen en cuenta la reversibilidad (Si). El Ítem 3 requiere decidir por sí o por no y justificar adecuadamente, si las representaciones dadas pueden corresponder a recipientes hipotéticos en los que ha ocurrido reacción química. Las justificaciones se categorizar en: - Tipo m1: vinculan los niveles de representación macroscópico y microscópico. - Tipo m2: dicen que los átomos se unen distinto o que se forman moléculas distintas. - Tipo m3: mencionan el cambio en la estructura, de manera general. - Tipo m4: usan términos macroscópicos pero implican que el alumno ha hecho una representación microscópica de la situación. 3.3.2 Análisis de los datos correspondientes al seguimiento de la propuesta Se pretende, a partir de los datos que surgen de la observación de clases, complementados con los que se pueden extraer de las hojas de los alumnos: - Analizar cómo se llevó a cabo la implementación de la propuesta y cuál fue el rol del profesor. Capítulo 3. Metodología de Investigación 148 - Rescatar el conocimiento conceptual puesto en juego en las clases, convertido en proposiciones que permitan conocer la organización conceptual del conocimiento circulante, a partir de la organización conceptual del discurso del profesor. Los datos obtenidos se tratan y sistematizan, de acuerdo con los dos objetivos anteriores, de la siguiente manera: 1 – Elaboración de un registro descriptivo. Lo realiza el mismo investigador que hace el registro tecnológico y la observación directa. El registro descriptivo (Anexo 2) contiene la trascripción de las intervenciones del docente y de los alumnos cuando se desarrolla el trabajo de clase en gran grupo, el detalle de los momentos de discusión de los alumnos en pequeño grupo y comentarios acerca de la situación de enseñanza y de aprendizaje que el observador ha considerado relevantes. 2 - Traducción del registro descriptivo en términos de proposiciones. Sobre la base de los aspectos conceptuales considerados más relevantes para el trabajo del tema Equilibrio Químico con la propuesta didáctica, se elabora la Tabla 3.1 en la que se consignan las proposiciones que se espera que aparezcan como compartidas por la clase durante su desarrollo. A partir del registro elaborado previamente se vuelcan en ella las proposiciones que van apareciendo. Estas se modifican cuando es necesario y se agregan otras que no se han previsto, a medida que se realiza el vaciado de los datos. Para una mejor interpretación de cada una de las proposiciones del repertorio inicial, se dan algunas explicaciones sobre su contenido, en el Apartado 4.3.2: Análisis del contenido conceptual puesto en juego en el desarrollo de las clases, previo a la presentación del análisis de los datos. Del contenido de las hojas de los alumnos se obtiene la información para completar la descripción del desarrollo de la propuesta. En lo que se refiere al tratamiento del contenido conceptual que se halla registrado en ellas, se lo trata de forma similar a como se procede con los datos provenientes de las observaciones. Se lo consigna en tablas conteniendo Capítulo 3. Metodología de Investigación 149 proposiciones, especialmente preparadas a tal fin. Dichas proposiciones se explican con detalle más adelante en el Apartado 4.3.2. 3.3.3 Análisis de las entrevistas Para el análisis de las entrevistas se elabora una lista de proposiciones que contiene, inicialmente, las del mapa conceptual base, las cuales se agrupan en relación con las ideas de: sistema / reacción química; sistema en equilibrio dinámico; relaciones equilibrio dinámico - PROPOSICIONES Actividades 1 y 2 (a12) Actividad 3 Actividad 4 SISTEMA S1) Un sistema queda definido por determinadas sustancias intervinientes S2) En un sistema cerrado puede tener lugar un cambio reversible S3) Un cambio reversible puede ser una reacción química S4) El cambio reversible ocurre según la relación estequiométrica EQUILIBRIO E1) En un cambio reversible tienen lugar dos procesos simultáneos E2) Los dos procesos simultáneos pueden alcanzar v1=v2 E3) Un cambio reversible puede dar lugar a un equilibrio dinámico E4) El equilibrio dinámico se alcanza cuando v1=v2 E5) En el equilibrio dinámico coexisten todas las sustancias intervinientes E6) La relación estequiométrica no determina el número de moles de sustancias intervinientes, presentes E7) El equilibrio dinámico se alcanza en un sistema cerrado E8) El equilibrio dinámico se da cuando es constante la temperatura E9) El equilibrio dinámico está caracterizado por la constante de equilibrio EQUILIBRIO – CONSTANTE – CONCENTRACIÓN C1) La constante de equilibrio varía con la temperatura C2) La constante de equilibrio es una relación de concentraciones de sustancias intervinientes C3) La concentración de sustancias intervinientes es constante si se trata de la concentración de fase condensada. C4) La concentración de fase condensada no interviene en la constante de equilibrio C5) El equilibrio dinámico no varía al variar la masa de fase condensada presente REPRESENTACIÓN R) significa equilibrio dinámico OTROS v1=v2 : igualdad de velocidad de los procesos simultáneos; Vg: volumen ocupado por la fase gaseosa Tabla 3.1. Listado de proposiciones iniciales para el análisis del desarrollo de la propuesta Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 252 dicho mapa, se han diferenciado mediante el color de línea, las proposiciones que podrían considerarse conforman cada uno de los tres aspectos del significado de equilibrio dinámico, comentados al inicio del Apartado 5.2. La diferenciación se ha hecho de la siguiente forma: − Visión macro, externa al sistema: línea color rojo (E5, E6) − Visión interna al sistema (no observable): línea color verde (E1, E2, E4, S4) − Aspecto termodinámico: línea color azul (E9, C1, C2) Se puede ver que en la mayoría de los mapas surgidos de las entrevistas (Anexo 5) aparecen elementos de las dos visiones del sistema químico en equilibrio: sistema que permanece sin alterarse (nivel macroscópico) y sistema en continuo cambio (dinamismo, no observable). La constante de equilibrio aparece en cuatro de las diez entrevistas (N° 1, 3, 5 y 8), en las cuales surge claramente la dependencia con la temperatura. De las entrevistas en las que aparece la constante de equilibrio, sólo en la N° 1, parece hallarse integrada al significado de equilibrio dinámico, de manera directa. En otros dos casos (MC5, MC8), es a través de la temperatura que la constante se relaciona con equilibrio dinámico. En el MC3, parece completamente disociada del significado de equilibrio dinámico. Figura 5.1. Mapa base Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 253 Si se consideran los mapas correspondientes a las entrevistas más ricas desde el punto de vista conceptual, esto es: MC1, MC3, MC5, MC7 y MC8, que se pueden encontrar en el Anexo 5, se aprecia una coincidencia interesante entre los mapas MC3 y MC7, como se muestra en la Figura 5.2, y entre MC1 y MC5 (Figura 5.3). En la Figura 5.2 se presenta el MC3 sobre el cual se ha superpuesto (conceptos y códigos de enlace sobre fondo más oscuro) la parte del mapa MC7 que resulta común. Se puede apreciar que la porción que resulta común a ambos corresponde a las proposiciones vinculadas a la descripción del sistema y de la reacción química, como así también las referidas a la conceptualización del equilibrio. Si se comparan ahora MC1 y MC5 (tomando como base MC1) también puede apreciarse, en la Figura 5.3, que una parte muy importante de la estructura resulta coincidente, a excepción de las proposiciones E6 y E9. Figura 5.2. MC3 y coincidencias con MC7 Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 254 En MC3 y MC7, el significado de equilibrio parece adecuadamente integrado en una estructura, junto con los conceptos de cambio reversible y reacción química. En MC1 y MC5, la estructura conceptual, se diferencia de la anterior, fundamentalmente porque aparece edificada alrededor del concepto de equilibrio dinámico, sin considerar cuestiones vinculadas al sistema y la reacción química. La ocurrencia de los dos procesos simultáneos está asociada al concepto de equilibrio dinámico y no al de cambio reversible. Una parte de esta última estructura (Figura 5.4), se repite en seis de los casos (MC1, MC4, MC5, MC6, MC9 y MC10). Entre estas entrevistas aparecen varias de las más pobres desde el punto de vista del conocimiento conceptual puesto en juego. Parecería que esta podría ser la representación del conocimiento compartido, esto es, de los aspectos de lo trabajado en clase, que han resultado más relevantes a la mayoría de los estudiantes. Figura 5.3. MC1 y coincidencias con MC5 Figura 5.4. Porción de la estructura conceptual que resulta común a la mayoría de los mapas Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 255 El uso del modelo de materia en las entrevistas Se puede apreciar, a partir de las transcripciones las entrevistas N° 1, 3 y 5 (Anexo 4) que los estudiantes utilizan adecuadamente las representaciones moleculares del sistema en equilibrio dinámico (recipiente con moléculas de las distintas especies intervinientes diferenciadas por su forma, en un número tal que no se identifica con la estequiometría) para mostrar la composición del sistema en el equilibrio. Además, cuando deciden cómo hacer la representación, hablan en términos microscópicos. En la entrevista N° 4 este tipo de representación se utiliza mal, ya que se elabora como si en el recipiente tuviese que haber una cantidad en moles de cada una de las especies, dada por la estequiometría de reacción, pero además, el entrevistado habla en términos macroscópicos cuando realiza la representación. En otros dos casos (N° 6 y 7) si bien los entrevistados son capaces de interpretar adecuadamente representaciones moleculares que se les presentan, no pueden elaborar las propias para un sistema en equilibrio dado. En las entrevistas N° 8, 9 y 10 no se utiliza el modelo de materia. La entrevistada N° 10 dice no poder imaginarse una reacción ocurriendo a nivel molecular ya que sabe que se rompen enlaces y se forman nuevos pero no puedo entender por qué. Algo similar parece ocurrirle al estudiante N° 3. Esto estaría mostrando que los conocimientos que los estudiantes han adquirido previamente acerca del modelo de materia, no están conveniente integrados en su estructura. También es claro que no están habituados a utilizar modelos en sus explicaciones. La entrevistada N° 1 es la única que intenta usar el modelo cinético - molecular. Lo hace para justificar lo que ocurre si cambia la temperatura y si varía la presión en un sistema en equilibrio (si aumenta la presión, las reacciones se producen más rápido porque las moléculas están más juntas). No logra una interpretación adecuada en el primer caso, porque no tiene en cuenta, cuando inicia la explicación, que en el mismo recipiente están todas las moléculas de las diferentes especies. Cuando se da cuenta de ello, interrumpe su interpretación quizá porque no posee una idea clara de probabilidad, choques eficaces, etc. Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 256 Análisis de cuatro casos Los casos que se analizan aquí se han seleccionado teniendo en cuenta que son de las entrevistas más ricas desde el punto de vista del conocimiento conceptual que se pone en juego en ellas. Con el desarrollo de los cuatro casos se pretende ilustrar acerca de los principales resultados obtenidos y mostrar algunas particularidades del conocimiento puesto en juego por los estudiantes entrevistados. Caso 1. Entrevista a María (N° 1) María es una estudiante que está dando sus primeros pasos en la universidad durante el año lectivo en que se realiza esta investigación. Es Bachiller con orientación en Ciencias Sociales. En la prueba diagnóstico de Química, correspondiente al ingreso a la universidad, obtuvo calificación 7. Cuando se le pregunta en la entrevista si encuentra muchas diferencias entre la escuela secundaria y la universidad explica que, por ejemplo, no tuvo Química en su formación anterior. Sólo cursó una Físico - Química. Se trata de una asignatura en la que se ven contenidos básicos de Física y de Química, pero todo lo que ha visto en la Universidad hasta el momento, le ha resultado nuevo. En la prueba previa al desarrollo del tema Equilibrio Químico, de la que responde la versión B, muestra que puede utilizar el modelo de materia para explicar y que también es capaz de interpretar las representaciones moleculares que se le presentan y justificar adecuadamente, si pudo haber ocurrido o no una reacción química. Cuando tiene que describir la información que le brindan dos ecuaciones de sendos procesos químicos, nombra el proceso que estaría ocurriendo en el caso de la reacción irreversible y describe macroscópicamente cuando se trata de la representación de la reacción reversible, teniendo en cuenta la estequiometría en la descripción, pero no la reversibilidad. Durante la entrevista, los sistemas analizados son: El índice de similitud calculado para este caso es de 0.4 y el mapa incluye 10 de los 15 conceptos esperados (Figura 5.5). Los números cercanos a los conectores indican las intervenciones en la trascripción de la entrevista, de la que surgen las proposiciones. En el mapa N2 (g) + H2 (g) NH3 (g) NH4Cl ( s ) NH3 (g) + HCl (g) Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 257 aparecen componentes del significado de equilibrio correspondientes a la interpretación del mismo como un sistema que permanece (sistema cerrado, temperatura constante, coexistencia de sustancias intervinientes) y en el que ocurren dos procesos opuestos simultáneos (dinamismo). María interpreta el equilibrio químico desde una visión macroscópica, con algunos elementos de una visión dinámica, apoyada en el aspecto dinámico del modelo de materia, el cual todavía presenta para ella algunas dificultades que se comentan más adelante. Completa el significado que este concepto tiene para ella, la consideración de la constante como propia de ese estado del sistema, a una temperatura determinada. Como se ha dicho, es la única entrevista en la que puede rescatarse la proposición E9. María reconoce que la constante de equilibrio es característica del sistema a determinada temperatura. No obstante, no trabaja durante la entrevista con la expresión de K en función de las concentraciones, a pesar de que tiene oportunidad de hacerlo. En varias ocasiones menciona que el sistema en equilibrio tiende a mantenerse. Con ello parece referirse a que el sistema tiende a “mantener” una cierta relación de “cantidades” de las diferentes sustancias que lo integran, pero en ningún momento se refiere a que lo que se Fi g ura 5.5. Ma p a corres p ondiente a la entrevista N° 1 Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 258 mantiene es una determinada relación de las concentraciones de especies que intervienen. Continuamente hace referencia a cantidades de sustancia y muy probablemente es la idea de K la que tiene en su cabeza en esos momentos, pero no lo expresa en esos términos. Aparece aquí como asociada, una de las dificultades que surge en casi todas las entrevistas: el uso del concepto de masa reemplazando al de concentración, de manera indiferenciada. 15. E: ¿Te animás a dibujar un recipiente en el que pudieses representar las moléculas.........? A: Echo el N2 y el H2 y van a formar el NH3… (mientras dibuja) Lo que te decía es que si yo necesito producir más amoníaco voy a ir sacando amoníaco porque así se sigue produciendo para mantener el equilibrio. ........................................................................................................................................... 17. E: Me decís que primero tengo los dos gases: nitrógeno e hidrógeno.... obtengo amoníaco y voy a tener que irlo eliminando, ¿por qué? A: Porque si lo dejo ahí adentro, el sistema va a tender a mantenerse. Si lo dejo, va a tender también a formar hidrógeno y nitrógeno. Hay un equilibrio constante que se mantiene. Si yo sé que se acaba el amoníaco, el equilibrio va a desplazarse hacia la derecha para mantener ese equilibrio constante. El concepto de reacción química no aparece como tal en el mapa de la entrevista a María. La idea que estaría presente, se puede rescatar de expresiones que muestran que, reacción química, es la unión de reactivos para dar un producto. Además, si bien acepta que la relación estequiométrica da información sobre cómo ocurre el cambio, también surge la idea de que la estequiometría indica cuanto se forma o descompone en una reacción (ver Tabla 5.4), que ya aparecía en la prueba previa, cuando, al describir la información que conlleva para ella una ecuación química, se refiere a cuanto producto se forma a partir de determinada cantidad de reactivos. Parecería que María maneja un concepto de reacción química como desaparición de reactivos y aparición de productos, asociado a la ecuación y la estequiometría, que no aparece Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 259 como integrada en la estructura de conocimiento que surge de la entrevista, pero que necesariamente influye en el aprendizaje del equilibro. El mapa correspondiente a esta entrevista es uno de los que presenta una estructura edificada alrededor del concepto de equilibrio dinámico. Podría pensarse que, si bien el nuevo conocimiento esta integrado en sí mismo, formando una estructura, no se ha logrado todavía en este caso, que la estudiante se cuestione acerca de su idea de reacción química y la modifique en relación con el conocimiento nuevo adquirido. Cuando analiza en la entrevista, lo que ocurre en el sistema N2 (g) + H2 (g) NH3 (g), representa correctamente reconociendo que la relación estequiométrica da información acerca de cómo ocurre el proceso y no acerca de qué cantidad (en moles) de cada una de las sustancias intervinientes está presente en el equilibrio. En este caso representa molecularmente el sistema inicial y el sistema en el equilibrio, mostrando con ello aspectos tales como que las “cantidades en moles” de las diferentes sustancias que integran la mezcla gaseosa en el equilibrio, no están determinadas por la estequiometría. Para analizar la influencia de los cambios en el sistema, se basa fundamentalmente en que el equilibrio cambia sólo si cambia la temperatura; esto es, si se altera la constante de equilibrio. Pero cuando se le pregunta qué significa que se modifique la constante, dice, con algunas dudas, que cambia la producción. Intenta utilizar el modelo corpuscular de la materia, en particular el aspecto dinámico del mismo, para explicar el comportamiento del sistema cuando varía la temperatura. Nótese que intenta razonar de forma análoga a como se ha hecho en clase para analizar el caso del sistema evaporación/condensación de agua. E: Estoy tratando de relacionar con la temperatura y la constante... A: Aumenta la temperatura, aumenta la energía cinética, los choques y eso va a producir más reacciones... E: En un sistemita así como este como aplicarías lo de un aumento de temperatura? A: Y, aumentaría la energía cinética de las moléculas de nitrógeno e hidrógeno y formarían más amoníaco...Mmm...no me convence mucho. María es de los pocos estudiantes entrevistados que, en la prueba de lápiz y papel, previa a la instrucción, utiliza correctamente el modelo cinético - molecular en las explicaciones que se le pide realizar. En este caso le resulta más complejo usar el modelo y no logra una explicación Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 260 adecuada, no puede resolver completamente la situación, pero reconoce que existe algún problema en su manera de interpretar y lo manifiesta. Más adelante, cuando se refiere al sistema heterogéneo, analiza lo que ocurre cuando cambia la temperatura simplemente en términos de más formación de productos porque la reacción directa es endotérmica. Algo similar ocurre en todas las entrevistas en las que se trabaja sobre esto. Se puede apreciar también, que María no diferencia entre velocidad y extensión de la reacción. Presenta confusión entre ambos conceptos, a la hora de aplicarlos para interpretar el comportamiento del sistema de producción de amoníaco; es consciente de esta dificultad pero no la puede resolver. 21. E: ¿Qué implica que se altere la constante? A: Que va a cambiar esta producción. Ya no va a ser como antes, va a cambiar el equilibrio. 22. E: Qué es lo que cambia? A: No sé, según como sea la reacción, va a tener menos producción de nitrógeno o va a ser más lento o no se va a disociar tanto el amoníaco ... 23. E: Va a ser más lento ... A: Dejalo, desgrabá esa parte.... Parecería que María ha elaborado un significado de equilibrio dinámico integrando las tres visiones, pero aún no es capaz de interpretar el estado de equilibrio en términos de relación de concentraciones de especies intervinientes. Este es un caso en el que puede apreciarse que el modelo le sirve para representar “cantidades” presentes en un determinado momento en un sistema en equilibrio. Pero el modelo cinético - molecular, si bien ayuda a la interpretación del sistema, le resulta un escollo a la hora de imaginar su comportamiento frente a cambios. Quizá porque, además de que ello no resulta sencillo (y no fue debidamente aclarado), los estudiantes no han incorporado aún un modelo acabado, ni desarrollado la habilidad de aplicarlo adecuadamente. Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 261 Caso 2. Entrevista a Javier Javier es Bachiller con orientación agropecuaria y este es su primer año en la Facultad de Ciencias Veterinarias, pero previamente cursó algunas asignaturas de ciencias en la Universidad de Mar del Plata, aunque no las aprobó. Obtuvo calificación 6 en la prueba de diagnóstico de Química en el ingreso. En la prueba previa correspondiente a esta investigación, de la que responde la versión B, muestra que puede utilizar un modelo de materia algo rudimentario, para explicar y que también es capaz de interpretar las representaciones moleculares que se le presentan como posibles “recipientes en los que ocurre reacción química” y justificar adecuadamente, usando un modelo, si pudo haber ocurrido o no reacción química en cada caso. Cuando tiene que describir la información que le brindan las dos ecuaciones de sendos procesos químicos, sólo nombra los procesos que estarían ocurriendo y parece no tener en cuenta que uno de ellos es reversible. Cuando se le pregunta durante la entrevista acerca de cómo se plantea el estudio en la universidad, dice, en relación con Química, que necesita interpretar molecularmente lo que ocurre para entender y así aprender. Es distinto para todas las materias. Biología es para estudiar, leer y entender y Química es para entender. Me imagino haciendo ejercicios y entendiendo lo que pasa molecularmente y ya lo puedo tener... Química agarro el libro cuando hay una cosa que no entiendo pero con hacer los ejercicios ya me queda. Por ejemplo Sales me salió de haber hecho 500.000 sales y entender lo que pasaba molecularmente. Surge durante su exposición una idea curiosa que luego reaparece, cuando explica cómo entiende la reacción de formación de agua y que podría estar mostrando una concepción alternativa acerca del modelo, y en particular de la aplicación del modelo de materia para interpretar reacciones químicas. Una cosa que no se entiende en la secundaria es lo que pasa molecularmente. No sé si serán los profesores que no saben explicar o si seremos nosotros que no sabemos hacernos entender... nadie se imagina un átomo en el espacio entregando electrones y recibiendo electrones. Eso es lo difícil de entender de reacciones químicas y si no entendés eso arrastrás todo lo demás. Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 268 ecuación propuesta por la entrevistadora puede rescatarse la proposición: Un equilibrio dinámico es una reacción química. Todo lo anterior contribuye a pensar que en este caso, el equilibrio químico parece haber sido interpretado muy vinculado a la concepción de reacción química. Lorena parece superponer sus ideas anteriores sobre reacción química con el conocimiento nuevo sobre equilibrio químico, sin integrarlo convenientemente a la estructura conceptual. Además, Lorena no parece muy habituada a trabajar con representaciones microscópicas de sistemas químicos. De hecho cuando se le presentan, en la prueva previa, para decidir y justificar si puede tratarse de representaciones de un mismo sistema de reacción, no responde el ítem. Durante la entrevista, cuando representa microscópicamente el sistema heterogéneo planteado, reconoce que en el equilibrio estarán presentes las tres especies que intervienen, pero tiene dudas respecto de la composición de la mezcla. Caso 4. Entrevista a Federico Federico es otro estudiante cuya formación anterior en Química, igual que en el caso de Lorena, parece bastante deficiente. Ha obtenido calificación 1/10 en la primera instancia de la prueba diagnóstico de Química realizada al ingresar a la Universidad. Posee título de Técnico Agropecuario. En la prueba previa, de la que responde la versión B, puede elegir la respuesta microscópica correcta para la primera de las situaciones que se le propone explicar usando el modelo cinéticomolecular, pero cuando explica la segunda situación lo hace macroscópicamente. Responde correctamente sobre cuáles de las representaciones moleculares que se le presentan pueden corresponder a “recipientes en los que ocurre reacción química”, pero no lo justifica. No contesta el ítem en que se pide describir la información que le brindan dos ecuaciones de sendos procesos químicos. Cuando se le pregunta qué es lo que le ha resultado más difícil en Química, desde que inició la universidad, responde que Equilibrio Químico. Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 269 El mapa de la Figura 5.8, corresponde al contenido de la entrevista con Federico, posee un índice de similitud de 0.38 e incluye 10 conceptos de los 15 esperados. Los sistemas analizados son dos, el primero, uno a propuesta del estudiante, porque le resulta más sencillo, dado que es de los analizados en clase: Del mapa, puede apreciarse una visión macroscópica de sistema químico en equilibrio dinámico apoyada en la idea de que en el sistema cerrado, que ha alcanzado el equilibrio (E7), coexisten todas las sustancias intervinientes (E5). El equilibrio dinámico se alcanza cuando se dan los dos procesos opuestos simultáneos a la misma velocidad (E2 y E4). En este caso, al igual que en la entrevista a Javier, el entrevistado está pensando cómo ocurre el proceso en términos de moles, esto es, en términos macroscópicos, y no en términos moleculares: Un mol de pentacloruro de fósforo forma un mol de cloro y uno de tricloruro, y al revés. Simultáneamente, a la misma velocidad. Se rescata un significado de equilibrio químico, como una integración de una componente dinámica, que es la que permite explicar que en el interior de un sistema, aparentemente estático, están continuamente ocurriendo modificaciones ligadas a la ocurrencia de dos procesos opuestos a igual velocidad. En esta entrevista no se hace referencia a la constante de equilibrio. H2O(l) H2O(g) PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) Fi g ura 5.8. Ma p a corres p ondiente a la entrevista N° 7 ( MC7 ) Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 270 La idea de coexistencia de las especies en el recipiente está reforzada por la de que En el equilibrio los reactivos no desaparecen totalmente. Aquí, a diferencia del Caso 3, sí podría considerarse que esta afirmación tiene relación con que Federico piensa el sistema en términos de dos procesos opuestos que ocurren simultánea y continuamente y que son los responsables de que los reactivos no desaparezcan totalmente. Parece claro en este caso, que el estudiante ha integrado el significado de cambio reversible -como dos procesos simultáneos, que pueden ocurrir en un sistema de tipo químico-, el de reacción química y el de equilibrio dinámico; a través de la igualdad de velocidades de los procesos simultáneos. Además, esta es una de las tres entrevistas en que aparece la proposición: Una reacción química puede alcanzar el equilibrio dinámico, lo cual estaría mostrando que interpreta al equilibrio como un estado posible del sistema de reacción química. Es claro también que, para Federico, la relación estequiométrica no determina la composición (en moles) del sistema en el equilibrio. Aparece explícitamente, la idea de que la relación estequiométrica indica cuanto se forma o descompone (ver Tabla 5.4). Ante una representación mediante ecuación y un dibujo que representa un sistema molecularmente, interpreta que podrían corresponder al mismo sistema y justifica correctamente, pero no puede utilizar estas representaciones para explicar por él mismo. 5.3 Algunas conclusiones surgidas del análisis de los resultados Sobre el aprendizaje 1. Parecen predominar los aspectos ligados a la comprensión macroscópica del sistema en equilibrio. La proposición más representativa y frecuente de dicha concepción es: En el equilibrio dinámico coexisten todas las sustancias intervinientes. Los estudiantes conciben la mezcla en equilibrio como una sola, idea que es uno de los pilares básicos para la comprensión del comportamiento de los sistemas en equilibrio. La aceptación de esta idea, reduce la posibilidad de que los alumnos puedan pensar en términos de compartimentalización del sistema en equilibrio, dificultad muy frecuente en el aprendizaje de este tema, como se discutiera en el Capítulo 2. Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 271 2. En lo que respecta a la visión interna del sistema, la proposición más representativa parece ser: Dos procesos opuestos simultáneos ocurren en un equilibrio dinámico, que aparece en siete de las entrevistas analizadas. Esta proposición es la expresión del dinamismo del sistema, uno de los aspectos que se intenta destacar en el marco de la propuesta didáctica. El punto de vista denominado visión interna del sistema, aparece completo sólo en la entrevista N° 7 en la cual se vincula fuertemente a la idea de reversibilidad. En los demás casos, la idea de velocidades iguales no parece resultar relevante. 3. La visión interna, no surge, en las entrevistas, vinculada al uso del modelo de materia microscópico en las explicaciones. De hecho, sólo en dos entrevistas se apoya la afirmación: Dos procesos opuestos simultáneos ocurren en un cambio reversible (o en un equilibrio dinámico), en el uso de una representación molecular. 4. Surgen frecuentemente en las entrevistas, las condiciones que hacen que sea posible que el sistema alcance el equilibrio (sistema cerrado a temperatura constante). Los alumnos tienen en cuenta que para que sea posible el estudio del equilibrio dinámico, el sistema en cuestión debe ser un sistema cerrado, a temperatura constante. 5. La mayoría de las proposiciones tipo C resultan alternativas, lo cual implica que no han interpretado adecuadamente un aspecto central del equilibrio químico. 6. La mitad de los entrevistados hacen uso de una representación microscópica del sistema para describir su composición y se apoyan en el modelo para analizar la relación estequiométrica entre los componentes del sistema. Parece que a los alumnos les resulta útil trabajar en algún tipo de representación microscópica cuando se refieren a la composición del sistema y cómo esta cambia. 7. En la mayoría de las entrevistas aparecen elementos de las dos visiones: sistema que permanece sin alterarse (nivel macroscópico) y sistema en continuo cambio (dinamismo, no observable). La constante de equilibrio aparece en cinco de las diez entrevistas; en cuatro de las cuales surge claramente la dependencia con la temperatura. Sólo en la entrevista N° 1 se hace mención a que el equilibrio está caracterizado por la constante, esto es, se habría interpretado que la K es propia del sistema, a una temperatura determinada. 8. Una de las dificultades que surge en casi todas las entrevistas es el uso del concepto de masa reemplazando al de concentración, de manera indiferenciada. Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 272 9. En el momento de pensar qué ocurre con el sistema si cambia la masa de reactivo o si varía la temperatura, los estudiantes analizan en términos de que haya reactivo disponible o que la reacción directa sea endo o exotérmica. Trabajan con el sistema como si se tratase de analizar las dos reacciones por separado y lo piensan en términos de masas. 10. En varios de los casos, la idea de que en el equilibrio dinámico ocurren dos procesos simultáneos no se asocia a la reversibilidad de las reacciones. Parece que esta idea es aceptada porque se la vincula a la situación del sistema una vez alcanzado el equilibrio. Ello, debería ser tenido en cuenta durante la instrucción, para aprovecharlo de manera adecuada y conseguir que se de la posibilidad para que el estudiante amplíe su idea de reacción química. Sobre el instrumento de toma y análisis de datos 11. Las entrevistas resultan dispares en cuanto a su riqueza conceptual, en parte porque no se ha dado suficiente oportunidad a que los estudiantes se expresen en relación con algunos de los conceptos sobre los que se desea trabajar. En tal sentido, por ejemplo, aparecen poco las proposiciones que describen el sistema de reacción y el cambio (tipo S). 12. Las proposiciones más trabajadas son las tipo E, esto es, aquellas dedicadas a dar significado al concepto de equilibrio dinámico. Entre estas últimas las más frecuentes son las que tienen que ver con la interpretación de lo que ocurre en términos de dos procesos opuestos simultáneos que se dan en un recipiente de reacción en el que coexisten todas las sustancias intervinientes. 13. Hay ideas que aparecen en la mayoría de las entrevistas y otras que se presentan sólo en algunas de ellas, tal es el caso de las tipo C. Casi no se trabaja en las entrevistas, cuestiones relacionadas con la constante de equilibrio y cómo esta se concibe en términos de concentraciones de las sustancias intervinientes. 14. Los conceptos Keq y concentración aparecen muy poco en las entrevistas, como así también los de concentración y masa de sustancias intervinientes. Los dos últimos, porque no se da la oportunidad de que ello ocurra, dado que se trata de dos de los conceptos que ya durante el desarrollo de las clases no se trabajaron adecuadamente, por lo que la entrevistadora no insistió con ello en las entrevistas. Capítulo 5. Análisis de los resultados de aprendizaje 273 15. La idea de igualdad de velocidades (v1= v2), que está relacionada con aspectos relevantes desde el punto de vista de la propuesta didáctica, aparece poco en las entrevistas y ello podría atribuirse a que los estudiantes no consideran que se trata de un aspecto relevante sobre el cual “hablar”. 16. En las entrevistas los estudiantes hablan en términos de cantidades de sustancia, probablemente porque es muy fuerte la idea de reacción química vinculada a cuanto se forma o descompone, que han construido. Pero además, no se apuntó a que los estudiantes expresasen su idea acerca de la relación entre los conceptos de masa y de concentración. Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 275 CAPITULO 6 CONCLUSIONES E IMPLICACIONES PARA LA ENSEÑANZA En este capítulo se presenta la interpretación de lo ocurrido con el aprendizaje vinculándolo con las principales características de la puesta en aula de la propuesta didáctica sobre la enseñanza del Equilibrio Químico. Se analiza la relación entre el aprendizaje y desarrollo de las clases y se derivan las implicaciones que se considera pueden contribuir a la enseñanza del Equilibrio Químico y, de esta manera, completar y mejorar nuestra propuesta didáctica. El aporte que se realiza a partir de este trabajo apunta a dar respuesta, en parte, a las preguntas que se plantean al inicio de esta Memoria como algunas de las que han servido para orientar lo realizado. Entre ellas: ¿Qué origen tienen las principales dificultades que poseen los alumnos para el aprendizaje del equilibrio químico? y ¿Cómo debería pensarse la enseñanza integrada del tema Equilibrio Químico y de los conocimientos vinculados a él, en los niveles previos a la Universidad? Ambas preguntas tienen respuestas muy relacionadas entre sí, que en el presente capítulo se irán respondiendo, a partir de lo realizado como trabajo de tesis. Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 276 6.1 Conclusiones La vinculación entre enseñanza y aprendizaje El desafío alrededor del que se inicia este trabajo, es el diseño de una propuesta didáctica introductoria al Equilibrio Químico, a partir de la que los estudiantes puedan elaborar un concepto de sistema en equilibrio dinámico que les permita continuar avanzando en el aprendizaje de los demás aspectos del tema. Al comienzo de la presente memoria de tesis se señala la relevancia de este tipo de trabajos de diseño y análisis del aprendizaje, como así también, del papel de los estudiantes y del profesor en el proceso de enseñanza y de aprendizaje de las ciencias. Es necesario destacar además, que se trabaja con el convencimiento de que, la identificación de problemas en la enseñanza de las Ciencias y la búsqueda de soluciones, deben realizarse en el contexto del aula y requieren del trabajo conjunto de investigadores y docentes en ejercicio. El marco general de esta tesis, podría sintetizarse como una situación en la que los estudiantes del grupo de clase y, en particular los diez entrevistados, tienen experiencias anteriores muy diversas en relación con el aprendizaje de la Química y formaciones también dispares. Se trata además, de un contexto educativo en el que el tiempo dedicado al tratamiento del tema particular objeto de estudio, es bastante escaso. Tampoco se dispone de tiempo suficiente antes y después de la intervención para llevar a cabo indagaciones extensas sobre las ideas de los estudiantes, ni para desarrollar intervenciones previas que les permitan familiarizarse con la metodología de trabajo. La identificación de dificultades e ideas de los estudiantes se realiza entre la prueba previa y el desarrollo de las clases y de las entrevistas y, si bien no resulta suficientemente extensa, permite evaluar aspectos relevantes de la interacción entre el conocimiento conceptual puesto en juego en la propuesta, y el aprendizaje conceptual, según va siendo elaborado por los estudiantes. El docente es un profesor de Química que ha desarrollado este tema en el nivel de Química básica universitaria en la carrera Medicina Veterinaria durante los últimos quince años. Su experiencia en la enseñanza de este y otros temas centrales en Química como así también, su disposición para analizar y llevar adelante la propuesta diseñada especialmente, han sido fundamentales para el desarrollo del presente trabajo. Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 277 Luego de la implementación en el aula de la propuesta didáctica y del desarrollo de la estrategia de investigación, se han elaborado algunas conclusiones, que se presentan a continuación. Se intenta mostrar qué aspectos de la instrucción que se analiza, han resultado positivos desde el punto de vista del aprendizaje que promueven, y cuáles habría que ajustar o repensar. Lo macro y lo micro, en el significado de equilibrio dinámico En relación con el conocimiento y uso del modelo de materia, la prueba previa permite inferir que la mayoría de los estudiantes de este grupo no utilizan el modelo cinético - molecular o lo hacen de manera alternativa. Sus explicaciones son macroscópicas, a pesar de que se les pida explícitamente otro tipo de interpretación. Son muy pocos los que parecen activar un modelo, aunque algo incompleto, que utilizan para elaborar explicaciones microscópicas. Cuando se trabaja la composición del sistema en equilibrio desde el punto de vista molecular, una parte importante de los alumnos interpretan bien las representaciones, y otro grupo, también numeroso, no intenta dar respuesta a ninguno de los ejemplos del ítem correspondiente, revelando que no está habituado al uso de este tipo de representaciones. En el trabajo en clase, el desarrollo de la actividad de introducción muestra una vez más que es muy heterogéneo el conocimiento de los estudiantes sobre el modelo y que, en general, no están familiarizados con él. Prefieren las explicaciones macroscópicas de los fenómenos. Cuando durante las actividades iniciales se trabaja el modelo, muchos no registran en sus hojas la discusión en gran grupo y se quedan con su primer interpretación de lo que ocurre. La pregunta sería si es que consideran que la interpretación con el modelo no aporta nada relevante frente a lo que ellos piensan. Las hojas de los estudiantes muestran que muchos han podido, después de las primeras actividades, elaborar explicaciones que incluyen el movimiento de las partículas como uno de los elementos del modelo, el cual en la prueba previa había resultado casi inexistente. En las actividades de la propuesta, se trabaja integrando la descripción macroscópica de los fenómenos planteados, con la interpretación microscópica, pero sólo algunos alumnos parecen considerar relevante este tipo de trabajo e irlo incorporando como parte de su aprendizaje. Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 284 investigar, resultaron algo escasos, por la forma de organización de las actividades de la institución universitaria en la que se desarrolló esta investigación. En particular haciendo referencia a la estrategia de análisis de la información de las entrevistas, es importante destacar que los mapas cognitivos elaborados a partir de ellas son una poderosa herramienta de representación para mostrar la interrelaciones en la estructura conceptual, como así también para visualizar similitudes y diferencias entre las estructuras de conocimiento que uno y otro estudiante ponen en juego. Desde otro punto de vista, permiten ver además, en qué aspectos de los que se desea indagar, se ha centrado más una entrevista que otra. Es pertinente aclarar aquí que, si bien podría considerarse que elaborar un mapa para pensar una entrevista y utilizar el mismo mapa para analizar los resultados, puede tener el inconveniente de que se vea sólo lo que se quiere ver, sin atender a otras ideas o aspectos que pudiesen surgir, se ha tenido especial cuidado en reconocer la aparición de dichas ideas y tenerlas en cuenta, en la elaboración del mapa cognitivo, cuando ello fue posible, o bien, en el análisis de los casos. En relación con lo anterior, las entrevistas realizadas han mostrado su utilidad para poner en evidencia cómo los entrevistados piensan sobre determinados aspectos de los sistemas en estudio. Por ejemplo, cuando alguna de las estudiantes intenta utilizar el modelo de materia para explicar, pero lo hace de una manera no del todo apropiada, lo cual la lleva a decidir en forma inadecuada lo que ocurre con el comportamiento del sistema. Este aspecto no podría haber sido rescatado con un instrumento de lápiz y papel con el que se indagasen las concepciones de los alumnos al finalizar la instrucción. Conocer cómo razonan, muchas veces basados en premisas que no son las adecuadas, puede orientar a quien ha de pensar la enseñanza, para decidir cómo reorientar la propuesta de trabajo. 6.2 Implicaciones para la enseñanza Con lo realizado y discutido hasta aquí, se retoma la cuestión: ¿Cómo debería pensarse la enseñanza integrada del Equilibrio Químico y de los conocimientos vinculados a él, en los niveles previos a la Universidad?. Esta pregunta, una de las que aparecen en el Capítulo 1 como origen de esta investigación, es la que, junto con los resultados obtenidos en esta tesis, guían el desarrollo del presente apartado. Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 285 Cuando el alumno se enfrenta por primera vez con el aprendizaje del tema Equilibrio Químico, confluyen un número y tipo de dificultades muy relevantes, muchas de las cuales tienen relación con la formación previa, más allá de las que son propias del tema particular. La idea de equilibrio químico tiene elevado nivel de abstracción en cuanto que no es perceptible ni está relacionada con la experiencia directa de los alumnos. Además, su enseñanza, requiere considerar a la vez muchos conceptos y sus relaciones (reacción química, ecuación química, reversibilidad y concentración), de forma tal que sean percibidos como una unidad e integrados de esta manera al conocimiento conceptual previo. Si aceptamos que Equilibrio Químico es un tema tan complejo, parece central aceptar que es necesario que los estudiantes desarrollen una conceptualización adecuada del tema antes de pretender que resuelvan problemas, lo cual es una característica propia de la forma “habitual” de trabajar el tema. Si bien los profesores deberán hacer sus propias propuestas en función del contexto concreto en el que se desarrollan, este tipo de trabajo puede aportarles, además de la propuesta didáctica en sí, la posibilidad de repensar nuevos roles para ideas que hasta entonces consideraban no relevantes en la enseñanza de este tema o no relacionadas con el. Esta flexibilidad es una meta a conseguir por los que usan la filosofía del Proyecto AcAb anteriormente citado. A continuación se presenta el tríptico para la propuesta (Figura 6.1), que se ha completado al incluir en él información acerca de algunos aspectos que, desde el punto de vista de la enseñanza, surgen a partir del trabajo realizado. En la columna central, se han consignado las ideas que proponen los alumnos a medida que desarrollan las actividades y sobre las cuales es preciso hacer que reflexionen para que integren lo nuevo a sus propias estructuras. En la tercera columna aparece de forma resumida lo conceptual, las principales ideas que el docente puede ir trabajando para enlazar su discurso con las observaciones y el discurso explicativo de los alumnos. Además, se indican algunos aspectos integradores con otros contextos y disciplinas y posibles aperturas de cada parte de la propuesta (Domínguez C. y Pro B., 2006). Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 286 ACTIVIDAD c Evaporación de agua en un recipiente abierto, a T ambiente ALUMNO Evaporación ocurre a cualquier temperatura Las moléculas que se ubican en la superficie tienen uniones intermoleculares que se rompen más fácil, entonces son las que pasan al estado gaseoso. Interpretaciones alternativas???? PROFESOR D Evaporación (modelo molecular) D Energía de las moléculas → efecto refrigerante de la evaporación de un líquido sobre una superficie D Velocidad de evaporación = f (T) D Proceso endotérmico, ∆Hvap > 0 → elevado; estructura dipolar del agua, enlace de hidrógeno d Evaporación de agua en un recipiente cerrado, a T ambiente Evaporación y la condensación ocurren una a continuación de la otra (“ciclo”). Condensación se ve en las partes frías del vidrio. D Sistema cerrado. D Macroscópicamente no se observan cambios. D Si aceptamos el modelo cinético - molecular, no podemos pensar que quedó estático, o que los procesos ocurren como un ciclo, sino que hay evaporación y condensación simultáneas a igual velocidad (aplicación del modelo). D Coexisten las dos fases en el recipiente. D Presión de vapor (pv). ¿Que ocurre en el sistema que, a una dada T ha alcanzado el equilibrio, si se aumenta la T? Hay más evaporación Aumenta la pv D Aumenta velocidad de ambos procesos, pero vevap > v cond ⇒ aumenta la pv hasta que se alcanza un nuevo equilibrio y por tanto, una pv nueva D pv = f (T) D Tablas de pvapor ≠ f (T) → Relación con ∆H y K. D → ∆G, ∆H y ∆S Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 287 ¿Qué ocurriría si, en el sistema, a T constante, el volumen del recipiente, ocupado por el gas, se reduce a la mitad? Hay más condensación porque son más los choques con la superficie del líquido y con las paredes del recipiente. El sistema se desplaza.... D Mayor número de moléculas en el gas por unidad de volumen ⇒ presión del vapor mayor a la de equilibrio. D Mayor número de choques ⇒ más condensación. Pero siguen ocurriendo ambos procesos (evaporación y condensación, en esta etapa, a diferentes velocidades) D Cuando se restablece el equilibrio, evaporación y condensación, ocurren nuevamente a igual velocidad y la pv recupera el valor correspondiente a esa temperatura. D Diferenciación entre velocidad y extensión de la reacción Si la temperatura se mantiene constante y disminuyo la cantidad de agua líquida en el recipiente, ¿qué ocurre con la presión de vapor? En equilibrio a una T, la pv será siempre la misma D El número de moles de gas por unidad de volumen permanece constante, independientemente de la masa de agua líquida presente en el sistema. D pv ≠ f (masa agua) D El sistema alcanza el mismo estado de equilibrio, caracterizado por pv, independientemente de las condiciones iniciales D Presentación de H2O(l) H2O(g) e interpretación de su significado pv ¿Cómo explicaría que un charco se seque más rápido cuando hay viento? D → Sistema abierto en el que puede considerarse que, el agua de la superficie con el vapor con que está en contacto, pueden estudiarse como un sistema cerrado Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 288 e Dimerización del NO2 Se añade HNO3 (ac) sobre alambre de cobre y se recoge en un tubo, el gas formado. Formación de NO2 (gas pardo, tóxico y más denso que el aire) Ocurren la dimerización y la descomposición en forma simultánea y a igual velocidad. D Mezcla gaseosa en equilibrio: NO2 / N2O4. D NO2: color café rojizo; N2O4: es incoloro → estructuras moleculares y color D Aspecto energético de la dimerización - rotura y formación de enlaces nuevos → consideraciones termodinámicas D Significado microscópico de ecuación: la información que puede obtenerse de ella tiene relación con cómo ocurre el proceso y no con las cantidades de sustancia involucradas El sistema NO2(g)/N2O4(g), inicialmente a temperatura ambiente, se introduce en hielo y en agua caliente, sucesivamente. La reacción de dimerización es exotérmica, entonces esta se favorece al disminuir la temperatura, el sistema se aclara porque hay más producción de dímero (y lo contrario) La ecuación química no da información sobre la composición del sistema en el equilibrio. A T constante, el sistema permanece invariable macroscópicamente, lo cual se aprecia por el color que se mantiene D Representación molecular del sistema a diferentes temperaturas como ayuda a la interpretación de las observaciones. D Reinterpretación de la información que da la ecuación química. D Coloración del sistema en términos de determinada relación de concentraciones de los óxidos.. D La relación de concentraciones de los óxidos presentes en el sistema es constante a cada T. Idea de constante (K) como relación de concentraciones Otro sistema homogéneo (por ejemplo formación de amoníaco) Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 289 f Descomposición del CaCO3 en un horno de cal. CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) CaCO3 (componente principal de la piedra caliza)y CaO (cal viva: se carbonata fácilmente en presencia del CO2 del aire): sólidos blancos Describir comparativamente el sistema anterior y el de descomposición del CaCO3 en un sistema cerrado. CaCO3 (s) CaO (s) +CO2 (g) En CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) el CO2 que se forma se escapa En CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g), ocurren los dos procesos simultáneos, continuamente a la misma velocidad Discutir, la incidencia que, sobre el estado de equilibrio tiene la presencia de cada una de las especies presentes. A temperatura constante, la presión de vapor para el sistema en equilibrio H2O(l)/H2O(g) es una constante característica de dicho sistema. pv = K = ngas/Vgas D K resulta útil para discutir la idea de concentración (magnitud intensiva) que se comporta diferente a como lo hacen las magnitudes extensivas (por ejemplo la masa). D n/V es constante para los sólidos puros ⇒ Kp = pCO2 D Retomando el ejemplo del equilibrio: H2O(l) H2O(g) D ¿Por qué no influye el agua líquida? Para el agua líquida n/V es constante. Concentración de especies puras en fase condensada. ¿Cómo mejorar el rendimiento del proceso de elaboración de cal? Figura 6.1. AcAb Equilibrio Químico. Primera parte. Tríptico para el profesor Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 290 Entre las aperturas, pueden contarse aquellas que se dan hacia otros temas como las que apuntan a la profundización del estudio del Equilibrio Químico, por ejemplo, pensando en diferentes niveles u orientaciones educativas. Las aperturas se indican en el tríptico, mediante una flecha (→). Las Actividades 1 y 2 de la propuesta, están pensadas para que los estudiantes empiecen a desarrollar un significado de sistema en equilibrio dinámico, basado fundamentalmente, en consideraciones cinéticas macro y microscópicas. Un aspecto en el que se insiste durante el desarrollo de la Actividad 2, es: analizar los dos procesos que ocurren simultáneamente en términos de modelo cinético - molecular. El modelo permite justificar que necesariamente ocurren los dos procesos (evaporación y condensación) de manera simultánea. Esta idea se debería utilizar en todas las actividades, vinculada a la descripción del comportamiento del sistema en equilibrio dinámico. Ello permitiría, en el marco de las Actividades 3 y 4, aprovechar la conceptualización del sistema en equilibrio dinámico, para integrarla con las de reacción química y reversibilidad que poseen los alumnos y ampliar así sus significados. Parece que la idea de reversibilidad podría ser bien aceptada por los estudiantes si se la vincula a la situación del sistema una vez alcanzado el equilibrio. Ello ampliaría la idea de reacción química, a través del desarrollo del concepto de equilibrio dinámico, por parte del alumno. Como se ha mencionado antes, el modelo de partículas permite interpretar que el equilibrio se alcanza cuando se iguala el número de moléculas de agua que abandonan la fase líquida, con el número de moléculas de agua (gas) que chocan con la superficie del líquido. Este número de moléculas es proporcional a la presión de vapor y a n/V (concentración). También partiendo de la teoría cinético – molecular se puede interpretar, de forma relativamente sencilla, el aumento de la presión de vapor con el aumento de temperatura y la obtención del estado de equilibrio caracterizado por un dado valor de la presión de vapor a cada temperatura. Los aspectos energéticos son igualmente asequibles desde un modelo de materia. La de agua es una molécula dipolar cuya estructura condiciona el enlace de hidrógeno, el cual no sólo conduce a una unión molécula – molécula muy fuerte, sino que contribuye a una ordenación del Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 291 agua en la fase líquida que es distintiva comparada con la de otros líquidos moleculares y muy significativa en relación con el desorden de la fase gaseosa. Lo anterior puede justificarse termodinámicamente de manera bastante sencilla. En el proceso de evaporación de agua se consume mucha energía en la rotura de enlaces, lo cual se traduce en términos de un valor de ∆H positivo. No obstante el proceso es espontáneo (∆G), lo que se interpreta por el elevado aumento del desorden al evaporarse el agua (∆S), siendo: ∆G = ∆H –T ∆S. Es necesario señalar que el modelo cinético - molecular puede resultar muy útil para justificar el comportamiento del sistema aplicado al caso del agua -por ejemplo cuando aumenta la temperatura, y para dar significado a algunos otros conceptos, como el de K, concentración- y para elaborar un modelo de sistema en equilibrio dinámico, que después se utilice para analizar los sistemas más complejos. El sistema de evaporación - condensación de agua resulta significativo en cuanto es relativamente sencilla su interpretación microscópica, al igual que la justificación de algunos aspectos de su comportamiento, desde el punto de vista termodinámico. Esto conlleva que el mismo sistema pueda retomarse cuando se quiera introducir el estudio del equilibrio desde este otro punto de vista. Continuando con el análisis del mismo sistema, al disminuir el volumen ocupado por la fase gaseosa, se rompe el equilibrio y hay un tiempo en el que las velocidades de evaporación y condensación no son las mismas, lo cual lleva a que se reduzca la masa de agua gaseosa hasta que se restablece el equilibrio. Esto es, se igualan nuevamente las velocidades y vuelve la presión del gas al valor correspondiente a la pv, a la temperatura del sistema. Aquí puede mostrarse que, cuando se habla en términos de desplazamiento del equilibrio, se hace explícita la disminución de masa de agua en la fase gaseosa, antes mencionada, y ello se relaciona con la extensión del proceso. En este momento se aconseja introducir la ecuación que representa el proceso e interpretar su significado. Es interesante destacar aquí que, a temperatura constante, el sistema alcanza el mismo estado de equilibrio, caracterizado por la pv, sin importar las condiciones iniciales Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 292 Algunas partes de la propuesta se adecuan muy bien para trabajar en la diferenciación entre los conceptos de velocidad y extensión. Ello ayuda a profundizar en el concepto de sistema en equilibrio dinámico y aporta un significado más adecuado a expresiones tales como “cambia la extensión en la que se produce la reacción”, de forma tal que redunda en beneficios cuando se analiza el comportamiento del sistema frente a los cambios. Por ejemplo, en esta Actividad 2, cuando se analiza cómo se comporta el sistema ante un cambio del volumen ocupado por el gas, se puede aprovechar para introducir la diferenciación entre velocidad y extensión del proceso, aspecto que más adelante se puede retomar en la Actividad 3, cuando se analiza el comportamiento del sistema a diferentes temperaturas. En la Actividad 3, se propone introducir algunos aspectos distintivos que amplían la conceptualización de sistema en equilibrio dinámico. Entre ellos, inicialmente se puede trabajar en la interpretación microscópica de la coloración del sistema cuando ya no cambia. Ello permite postular la coexistencia de ambas especies (NO2 y N2O4) en el recipiente y aplicar el modelo de sistema en equilibrio dinámico, antes elaborado, como interpretación de lo observado. También puede destarse la interpretación de cómo ocurren la rotura y formación de enlaces en el sistema NO2 (g) / N2O4 (g) y realizar las consideraciones termodinámicas que ello conlleva. La ecuación química cobra aquí mayor sentido y , por lo tanto, es importante retomar la idea planteada en la actividad anterior e integrarla en la discusión sobre el significado de sistema en equilibrio dinámico, aplicada ahora a un sistema químico. Cuando posteriormente se trabaja con el sistema a diferentes temperaturas, se continúa ampliando el significado de ecuación química en lo que respecta a su vinculación con la composición del sistema en equilibrio. Aquí las representaciones moleculares del sistema a diferente temperatura son una ayuda para la interpretación de la composición, pero es necesario trabajar esto muy relacionado con la constante de equilibrio y, además, diferenciar entre los conceptos de masa y concentración. Trabajar con representaciones microscópicas de lo que ocurre en el recipiente de reacción, requiere tener en cuenta que los estudiantes pueden estar confundiendo términos macro y microscópicos. Cuando se realizan las representaciones de los recipientes conteniendo el sistema en equilibrio, a dos temperaturas diferentes, si bien ello sirve para que los alumnos Capítulo 6. Discusión de los resultados e implicaciones para la enseñanza 293 analicen la composición del sistema y su relación con la constante de equilibrio, es necesario diferenciar los conceptos que ello involucra, esto es, aprovechar estas representaciones para diferenciar los conceptos de masa y concentración. A partir de aquí se sigue trabajando en la elaboración de un significado de sistema en equilibrio dinámico que se pueda aplicar al estudio de diferentes sistemas químicos y que sirva para reinterpretar dichos sistemas, de forma tal que incluyan también los sistemas en equilibrio dinámico. Como ya se ha dicho, antes de abordar el sistema de la Actividad 4, resulta útil introducir otro sistema de reacción homogéneo, como por ejemplo el que corresponde a la formación de NH3 en el proceso Haber, que resulta habitual en el aprendizaje de este tema. Posteriormente a ello podría proponerse a los alumnos la elaboración de un mapa conceptual que permitiese mostrar en qué medida han podido integrar los principales conceptos trabajados. A continuación se trabaja con el sistema CO3Ca/CaO. Se está en condiciones de analizar el comportamiento del sistema en cuestión, si cambia la masa de carbonato presente o si se modifica el volumen del recipiente, atendiendo a todo lo desarrollado para los sistemas anteriores, volviendo a lo analizado para el sistema H2O(l) / H2O(g), para ampliar la interpretación de la constancia de la concentración de la fase condensada. A estas alturas de la instrucción, podría considerarse que el alumno ha tenido oportunidad de elaborar un significado de sistema en equilibrio dinámico. El aprendizaje en este tema involucra el trabajo con varios conceptos y modelos relacionados aprendidos previamente. Cobra una importancia central el conocimiento de la situación de los estudiantes en relación con el aprendizaje en Química, fundamentalmente en los temas vinculados, sobre los que muchas veces poseen concepciones alternativas muy arraigadas. Se considera necesario entonces que la discusión acerca de la enseñanza y el aprendizaje en este tema abarque no sólo lo que puede hacerse en relación con ello a la altura del currículo en que se ha de desarrollar, sino que se planteen algunas modificaciones en el trabajo previo, sobre ideas y modelos que son centrales en el aprendizaje en Química. En tal sentido, por un lado sería necesario apuntar a una enseñanza que se ocupe particularmente de desarrollar la Bibliografía 300 Furió, C. y Ortiz, E. 1983. Persistencia de los errores conceptuales en el estudio del equilibrio químico. Enseñanza de las Ciencias, 1 (1) 15-20. Gabel, D. 1999. Improving teaching and learning through Chemistry Education Research: a look to the future. Journal of Chemical Education. 76 (4), 548 – 554. Galagovsky, L. 2005. La enseñanza de la Química pre-universitaria. ¿Qué enseñar, cómo, cuánto, para quienes? Química Viva 1 (4). [email protected] García de Cajén, S.; Domínguez C., J. y García – Rodeja F., E , 2002. Razonamiento y argumentación en ciencias. Diferentes puntos de vista en el currículo oficial. Enseñanza de las Ciencias 20 (2),217 – 228. García – Rodeja, E; Domínguez C., J. y Lorenzo F. 1989. Las actividades Abiertas en el aula: un método de investigación didáctica. Enseñanza de las Ciencias. 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CO 2 (g) + H2 (g) CO (g) + H2O (g) 3) La fabricación industrial de amoníaco es un proceso exotérmico, cuya reacción se representa: N 2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) a) ¿En qué condiciones de temperatura conviene efectuar la reacción para obtener el máximo rendimiento? b) ¿Qué ocurre en el sistema si se aumenta la presión? 4) En un recipiente de un litro se introducen dos moles de NH3, que se disocia parcialmente según la siguiente ecuación: 2 NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g) En el equilibrio queda un mol de NH3 (g), ¿cuál es el valor de K? 5) Se mezclan inicialmente 0,84 moles de PCl5 y 0,18 moles de PCl3 en un recipiente de 1 litro. Cuando se alcanza el equilibrio quedan 0,72 moles de PCl5. a) ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio para la reacción que se presenta, a la temperatura de trabajo? PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) b) ¿Si a la misma temperatura se colocan en un recipiente de dos litros 3,6 moles de reactivo, cuánto habrá de cada sustancia en el equilibrio? Anexo 2 314 DESARROLLO DE LAS CLASES N° Cód Clase N° 2 (Algunos alumnos están ingresando al aula durante los 10 primeros minutos de la clase). P: Vamos a ir recordando lo que estuvimos analizando la clase anterior. Habíamos caracterizado el equilibrio dinámico…. (El profesor dibuja un recipiente cerrado conteniendo agua líquida) Escribe: H2O(l) H2O(g) y H2O(l) H2O(g) P: ¿Qué significaba esta doble flecha (refiriéndose a , que es distinta a una doble flecha )? P: ¿Esta otra qué me indica? VA: Que está en equilibrio………………………………………………………………………………… P: ............................................. ¿Qué significaba que están en equilibrio? VA: Que simultáneamente se estaban produciendo la evaporación y la condensación. P y AA: Bien,…simultáneamente están produciéndose,……coexisten…….……, que las velocidades.................y…… P: ¿Qué pasaba con las cantidades? (Mientras escribe en el pizarrón las principales ideas que van surgiendo) VA: ……………………………………………………………………………………………………………… 13 a2-1 P: Los moles de gas contenidos en un determinado volumen, lo llamábamos presión de vapor. La presión de vapor está dada por esa concentración gaseosa, ¿de qué depende esa concentración gaseosa? VA: de la temperatura. P: de la temperatura P: Para una determinada temperatura tenemos una presión de vapor, ¿a más temperatura cambiaba?. Si, a 50°C, por ejemplo, el equilibrio seguiría “produciéndose” pero aumentaría lo que se evapora, entonces, aumenta el número de moles de gas. Al aumentar la temperatura tendremos otra presión de vapor, otro estado del sistema. (El profesor explica sobre la representación del recipiente) 14 a2-2 a2-3 P: Si la temperatura se mantiene constante y aumento la cantidad de agua líquida en el recipiente, ¿qué ocurre con la presión de vapor? VA: Nada P: Nada… la cantidad de agua líquida no influye en la pv. P: Esto es muy importante, fíjense que si aumento la cantidad de agua la pv no varía. 15 a2-4 P: Quiere decir que esto (señalando la ecuación química) ¿qué me está diciendo del recipiente?, ¿qué representa?. VA: ………….................................................................................................................................................... P: ¿Me está diciendo algo de la cantidad de agua líquida? VA: No. P: No me dice nada de la masa de agua líquida o gaseosa presente. La información que me da la ecuación química es acerca del proceso (señala la representación del recipiente) simultáneo, a iguales velocidades, y no me está diciendo nada de la masa de líquido ni de la de gas existentes en el sistema en equilibrio. La ecuación me está indicando el proceso que ocurre. Cuando analicemos luego la reacción química en un rato, recordemos pensar qué estoy representando cuando escribo la ecuación... 16 a2-1 Anexo 2 315 P: ………….. recordemos, esto lo trabajamos ya hace algún tiempo, que la evaporación de agua es un proceso endotérmico, necesita energía … Vamos a analizar ahora qué sucede si modifico algunas condiciones de este sistema. P: Dijimos que si aumentamos la temperatura, tendré otra pv también constante a esa temperatura que cómo será con respecto a la anterior? Si la T2 es mayor que T1, dijimos que había más evaporación, que predominaba... siempre en equilibrio dinámico, tendremos una cantidad distinta de número de moles gaseosos en el mismo volumen, por tanto tendré otra pv2, qué ocurre a esa temperatura ¿cómo es con respecto a la anterior? VA: mayor P: ... mayor. Ahora analicemos acá (señalando la ecuación), si yo estoy entregando energía, aumenta el movimiento ……, estoy incorporando, en esta ecuación (señala el lado izquierdo en la ecuación) energía... Eso hace que se desplaza entonces hacia la derecha, que aumente la cantidad de agua gaseosa. Tengo otra pv, constante para esta temperatura. En este caso, como es una reacción endotérmica, el aumento de la temperatura hace que se desplace el equilibrio hacia acá (señala en la ecuación el lado derecho) P: ¿Está claro?, de lo contrario pregunten …. P: ¿Qué pasaría si la reacción fuese exotérmica? VA: El aumento de temperatura haría que el equilibrio se desplazara hacia la izquierda P: Bien ... Ese aumento de temperatura me haría desplazar en el otro sentido ….. (señala sobre la ecuación escrita en el pizarrón) P: Aquí no hablamos de reactivos y productos, sino lo que escribimos a la derecha o a la izquierda en la ecuación... porque como coexisten en el recipiente ... 17 a2-3 P: Ahora van a trabajar ustedes. ¿Qué pasaría si en ese mismo recipiente (señala dibujo del recipiente cerrado en el pizarrón) el volumen que ocupa el gas se disminuye a la mitad? Anoten todo lo que creen que puede pasar. Si pongo 20 moles de agua líquida.... es importante que quede claro que ya desde el momento en que hay unas pocas moléculas integrando la fase gaseosa, ya es posible que se de condensación. Al principio la velocidad de evaporación es mucho mayor que la de condensación pero esta aumenta hasta que, en el equilibrio son iguales. Ahora si volvamos al problema que estaba planteado antes (dibuja). Estoy perturbando el sistema. El volumen lo reduzco a la mitad. ¿Qué cambia?. Discutan unos minutos. (Los alumnos discuten en pequeños grupos. Se les pide que anoten las respuestas de cada uno) P: Anoten todo lo que han estado discutiendo para tener claro qué dificultades encuentran.... 18 a2-4 Anexo 2 316 P: Bien, en los grupos han surgido diferentes respuestas e inquietudes. P: Recordemos lo fundamental que hemos visto: a determinada temperatura tenemos una pv, esto es un número de moles determinado en determinado volumen. Si cambia la T, cambia la pv (escribe: T pv=fc(n/v)). P: Se nos proponía reducir el volumen, varios grupos dijeron que aumenta la presión, aumenta el número de choques al haber menos espacio, chocan más frecuentemente con las paredes y con la superficie del líquido ¿qué es lo que va a producir? Al tener menos espacio ... VA: ……………… más condensación. P: Más condensación. Este equilibrio lo perturbé. Se produce más condensación. ¿Qué ocurre? Muchas moléculas serán atrapadas por el líquido, por lo que disminuirá la masa de agua gaseosa pero n/v de agua en la fase gaseosa se mantendrá constante ya que no cambia la temperatura, entonces la presión de vapor no cambia. (Escribe en el pizarrón n1/v1 = n2/V2 ……….). Sólo la temperatura me hace cambiar la presión de vapor Es importante que noten que el cociente n/V sigue siendo el mismo. Esto es fundamental. El sistema en equilibrio tiene la posibilidad de reaccionar ante una perturbación, para retornar al estado anterior, a determinada temperatura. (Lo repite, escribiendo en el pizarrón). Una perturbación, hay un momento de cambios, donde aumenta la velocidad de condensación con respecto a la otra. Cuando se restablece el equilibrio vuelvo a tener las condiciones iniciales. Ahora vamos a otro sistema en equilibrio, una reacción química. Pero que quede claro entonces esto: una perturbación, a temperatura constante, es contrarrestada por...., el sistema responde para volver a.............................. P: Por ejemplo el pH en los organismos vivos... Hay sistemas en equilibrio dinámico que permiten que pueda acomodarse la perturbación. Todas estas características... (reitera algunas características de los sistemas en equilibrio dinámico aplicados al sistema de evaporación de agua). .................................................................................................................................................................. (Hace referencia a continuación a los sistemas buffer de los organismos vivos). 19 Cuadro A2.4. Registro del desarrollo de la segunda clase: Actividad 2 de la propuesta. Anexo 2 317 DESARROLLO DE LAS CLASES N° Cód ACTIVIDAD N° 3 P: Todo lo que hemos analizado hasta ahora en este sistema formado por agua (l) en equilibrio con agua (v) lo vamos a aplicar al estudio de otro sistema. Si pongo Cu con HNO3 se forma un gas, el dióxido de nitrógeno (escribe la fórmula NO2): que es de color pardo oscuro (hace la experiencia). Lentamente se produce en el sistema una dimerización (termina de escribir la ecuación) del NO2, pardo, a N2O4 que es incoloro. Esto que era oscuro, se aclara, el sistema se aclara un poco porque tengo una mezcla de los dos gases, están coexistiendo, por eso el color... Otro dato: la reacción directa es exotérmica y el sistema de reacción contiene una mezcla de ambos óxidos que coexisten, en equilibrio dinámico... Esto (señalando la doble flecha en la ecuación de dimerización) me indica que dos moléculas de NO2 forman una de N2O4 y simultáneamente, una molécula de N2O4 se descompone para dar dos moléculas de NO2. 20 a3-1 Teniendo en cuenta esta información predigan cómo resultará este sistema a T1 <Tambiente, y a T2 >T ambiente. Se animan a predecir qué puede pasar con el color del sistema? A temperatura ambiente tengo una mezcla y cambio la temperatura ............................................................................. (Los alumnos discuten en grupos) P: A alta temperatura, para dónde se desplaza el equilibrio? (Retoma el ejemplo del agua, señalando sobre la ecuación) Agrego energía, el sistema responde para oponerse a ese cambio .................................................................................................................................................................. 21 (Se realiza la experiencia a las tres temperaturas. Se discuten en gran grupo los tres casos y se re - interpretan las observaciones). P: Ahora quiero que dibujen, después de observar, lo que podría ser una representación molecular de lo que está ocurriendo a una temperatura T1 menor que la temperatura ambiente y a otra T2 mayor que la ambiente. Tengo un recipiente en el cual coloco una sustancia, el NO2 que se sabe que reacciona dando un dímero, el N2O4, que podríamos representarlos también de esta manera: El sistema está en equilibrio. ¿Cómo se lo imaginan, cómo podrían justificar lo que ocurre a las tres temperaturas?. (Discusión en pequeño grupo) P: A temperatura ambiente tengo una mezcla, a T1 tendré otra... Analicemos a una temperatura alta, ¿hacia dónde se desplaza el equilibrio?. Aquí, a diferencia de en el sistema del agua, la reacción directa es exotérmica, entonces si agrego energía, que se espera que suceda? (Dibujos en el pizarrón. En el pizarrón de al lado tiene todo el desarrollo realizado para el caso del agua) 22 a3-2 2 NO2 (g) N2O4 (g) NO2N2O4 Anexo 2 318 P: En algunos grupos veíamos que si agregábamos NO2 en el sistema a T1, primero predomina la velocidad de la reacción de dimerización y luego se volverá a restablecer el equilibrio. Cada una de estas representaciones (dibujos) es una foto instantánea.......... Se producen las dos reacciones..... P: Se va a formar el dímero hasta llegar a tener nuevamente constante una relación de concentraciones. En el caso anterior hablábamos de la presión de vapor, ahora, de la relación entre las concentraciones. Enseguida veremos, para este sistema como se expresa esta constante de concentraciones... dependiendo del sistema. P: Si agrego NO2, se va a desplazar el equilibrio hacia la derecha para mantener la relación constante. De qué va a depender esa constante?. Igual que en el caso del agua, la pv=fc (T), en este caso la constante variará también sólo con la temperatura. La relación entre las concentraciones para este sistema se expresa de la siguiente manera. El producto de la concentración de las sustancias de la derecha de la ecuación, sobre las de la izquierda, elevadas a los coeficientes correspondientes que coinciden con el coeficiente estequiométrico de cada especie. Keq es el producto de las concentración de lo que escribo a la derecha en la ecuación/producto de las concentraciones de lo que escribo a la izquierda en la ecuación. (Escribe en el pizarrón la expresión correspondiente al sistema de los óxidos de nitrógeno). P, VA: (Algunos alumnos dibujan en el pizarrón con ayuda de los demás y del profesor). 23 P: Supongamos que cada representa un mol de NO2 y cada , un mol de N2O4, y el volumen del recipiente de 1 litro P: Ustedes saben que la concentración es n/V . (Escribe en el pizarrón: K= [N2O4] / [NO2]2 = (nN2O4 / V ) . n2NO2 /V2= (nN2O4 /n2NO2) . V (Acá surgen dudas sobre el V ocupado por cada gas). (Se aplica esta expresión para calcular la constante del sistema representado en el dibujo) (Continúa la discusión ...............................................................) Representaciones de los alumnos en el pizarrón 24 a3-3 Cuadro A2.5. Registro del desarrollo de la segunda clase: Actividad 3 de la propuesta. K2= 3/9 K1= 5/4 Anexo 2 319 DESARROLLO DE LAS CLASES N° Cód ACTIVIDAD N° 4 P: En la hoja de clase les aparecen dos ecuaciones correspondientes a procesos que pueden resultar bastante conocidos para algunos. También lo trabajamos en el curso introductor. La descomposición del carbonato de calcio en un horno de cal, se forma cal viva y dióxido de carbono (escribe en el pizarrón) CaCO3(s) CO2(g) + CaO (s) y la descomposición del carbonato de calcio en un sistema cerrado CaCO3(s) CO2(g) + CaO (s) La representación (señalando la primera ecuación) corresponde a una reacción endotérmica en la que se forma cal viva y CO2(g). En unos minutos discutan y escriban en las hojas las diferencias y similitudes entre los dos sistemas representados, lo que está ocurriendo en cuanto a las características de uno y otro sistema. Expresen además, la constante para el segundo sistema. (Discusión grupal) P: En el primer caso la mayoría coincidió en que el recipiente está abierto (El docente dibuja en el pizarrón). P: En el segundo caso, muchos han reconocido que tiene que haber un recipiente cerrado en el que tengo carbonato que se empieza a descomponer y varios preguntaron si puede el gas reaccionar con la cal .................................................................................................................................................................. (El docente hizo referencia a la carbonatación de la ”bolsa de cal”). P: Muchos también dijeron que se están produciendo ambos procesos simultáneamente a la misma velocidad. 25 a4-1 (El docente escribe Keq= [CO2] . [CaO]/[CaCo3]) P: Aquí es necesario hacer una aclaración, recuerdan que cuando analizábamos, en el caso del agua, que la masa de agua líquida no influye en la presión de vapor, las concentraciones de CaO y CaCO3 son constantes, ya que el número de moles en un determinado volumen, para un sólido o un líquido puros es constante y por tanto tampoco influyen en el valor de la Keq para este sistema. P: El número de moles de óxido de calcio en un determinado volumen, esto es, la concentración del sólido puro, es la densidad..... Cuando aumento la masa de sólido puro también aumenta el volumen que ocupa por que la relación m/V es propia de esa sustancia. Por lo que la Keq es sólo función de la concentración de CO2 A una temperatura determinada entonces Keq = [CO2] es constante. .................................................................................................................................................................. (El docente deja planteado, para pensar: la relación entre [CO2] y la pCO2). .................................................................................................................................................................. 26 a4-2 Cuadro A2.6. Registro del desarrollo de la segunda clase: Actividad 4 de la propuesta. [Document text truncated for crawler view.]