La naturaleza de la ciencia en acción: Prácticas sociales científicas y metaconocimiento en la clase y el laboratorio

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2 La naturaleza de la ciencia en acción: Prácticas sociales científicas y metaconocimiento en la clase y el laboratorio María Pilar Jiménez Aleixandre y Beatriz Crujeiras Pérez Universidade de Santiago de Compostela marilarj.aleixandre@usc.es y beatriz.crujeiras@rai.usc.es Categoría B: Indagación, contextualización y modelización. Introducción: aprender sobre la ciencia en la perspectiva sociocultural La necesidad de que la enseñanza y el aprendizaje de las ciencias contemplen aprender sobre la ciencia además de aprender contenidos científicos de distinto tipo suscita un amplio consenso (Duschl y Jiménez Aleixandre, 2012). En este trabajo se enmarca este aprendizaje en la participación en las prácticas sociales de la comunidad científica (marco teórico) y en el desarrollo de las competencias científicas (marco curricular). Esta propuesta está fundamentada en la perspectiva sociocultural, que considera la ciencia como un conocimiento social (Longino, 1990), en cuya construcción los valores y las interacciones sociales juegan un importante papel. En el trabajo se examinan distintas respuestas que se han dado a la cuestión de cómo diseñar una enseñanza de las ciencias que promueva un aprendizaje sobre la ciencia, el desarrollo de una imagen adecuada sobre la naturaleza del trabajo científico. Nuestra propuesta pone énfasis a) en la necesidad de que el alumnado tome parte en las prácticas sociales propias de la comunidad científica; y b) en que las tareas y actividades en el aula y laboratorio incluyan una reflexión explícita sobre las dimensiones de metaconocimiento de estas prácticas, por ejemplo su naturaleza, papel y criterios de evaluación. En el trabajo completo, en primer lugar se analizan las perspectivas teóricas que fundamentan la propuesta, se abordan algunas cuestiones sobre las que hay debate y se presentan resultados de su puesta en práctica en el aula. Las controversias sociocientíficas (CTS) ofrecen un contexto especialmente adecuado para abordar el aprendizaje sobre la ciencia (Kolstø, 2001). En este resumen se sintetizan estos puntos, agrupando los dos primeros. Qué cree el alumnado sobre la ciencia? o En qué prácticas sociales participa? En las últimas décadas, una parte del esfuerzo investigador se ha centrado en diseñar instrumentos, cuestionarios para conocer las ideas del alumnado sobre la naturaleza de la ciencia, o sus epistemologías personales y su evolución, así como actividades de enseñanza que contribuyesen a acercarlas a las consensuadas. Habiendo acuerdo en aspectos como la inexistencia de un método científico 'universal' (Lederman et al., 2002), el estudio mediante cuestionarios ha recibido críticas de dos tipos: Críticas metodológicas: autores como Kelly, Chen y Crawford (1998) y Elby y Hammer (2001) sugieren que los cuestionarios no son un método adecuado para examinar algo tan complejo como las ideas del alumnado sobre la ciencia. Podemos señalar que, igual que los estudiantes pueden definir correctamente movimiento o fotosíntesis, y tener problemas para aplicar estas ideas a contextos nuevos, podrían mostrar un conocimiento proposicional adecuado sobre la ciencia, sin que ello suponga que sean capaces de aplicarlo en la práctica. Críticas a la caracterización de una epistemología sofisticada: Elby y Hammer 1

3 (2001) cuestionan algunas ideas que se tenían por consensuadas sobre el aprendizaje de la naturaleza de la ciencia, como las propuestas por Lederman et al. Por ejemplo que la ciencia es provisional, compleja, que se basa en desarrollar ideas independientes (no en seguir a una autoridad), o que sus conocimientos deben ser justificados. Elby y Hammer proponen abordar esta cuestión más en términos de si las ideas del alumnado son productivas (si ayudan a aprender), de que si son 'correctas'. Por una parte, mantienen que algunas ideas ingenuas pueden ser productivas, y por otra, que algunas generalizaciones sobre la naturaleza del conocimiento no son útiles en determinados contextos, (por ejemplo considerar provisional la idea de una Tierra plana). A pesar de estas críticas, autores como Niaz (2009), continúan proponiendo listas de elementos consensuados. En otras palabras, hay posiciones distintas sobre esta cuestión. Kelly, McDonald y Wickman (2012) proponen abordar el aprendizaje de la naturaleza de la ciencia desde el punto de vista de las prácticas sociales de la comunidad científica. Es decir, diseñar una enseñanza que favorezca la participación en prácticas como representar datos o tomar parte en discursos específicos. Nuestro trabajo se sitúa en esta perspectiva. Desempeño de las prácticas y metaconocimiento sobre ellas Nuestra propuesta conecta la participación en las prácticas sociales de la comunidad científica con el desarrollo de las competencias científicas. Consideramos que el desarrollo de las tres competencias científicas (o dimensiones de la competencia científica), conlleva la participación en prácticas científicas, respectivamente: Identificar cuestiones científicas que pueden ser investigadas por la ciencia, y cómo llevar a cabo estas investigaciones, conlleva la participación en la práctica de indagación científica (inquiry). Explicar fenómenos físicos o naturales por medio de modelos científicos, corresponde a la práctica de modelizar, o construir y revisar modelos. Usar pruebas científicas, corresponde a la práctica de evaluar conocimiento basándose en pruebas (argumentación). En otras palabras, nos centramos en las prácticas llevadas a cabo por el alumnado, lo que para ellos cuenta como prueba, justificación, modelo, indagación o comunicación en la práctica, más que en un conocimiento proposicional (Crujeiras y Jiménez, 2012a, b). En el trabajo se discuten ejemplos de su puesta en práctica en el aula. Abordar la naturaleza de la ciencia participando en las prácticas científicas El trabajo de aspectos relacionados con la naturaleza de la ciencia a través de la participación en las prácticas científicas permite a los estudiantes desarrollar una visión más realista de cómo se construye el conocimiento científico. En la literatura existen trabajos que examinan el desarrollo de estos aspectos en un contexto de indagación, tanto en el laboratorio como en el aula. Se han estudiado dos perspectivas para abordar la naturaleza de la ciencia junto con la indagación (Schwartz, Lederman & Crawford, 2004): a) explícita, en la cual se integran los aspectos sobre la naturaleza de la ciencia una vez llevado a cabo el proceso de indagación y se hace reflexionar a los estudiantes sobre el mismo; b) implícita, en la cual se aborda directamente la naturaleza de la ciencia a través de las actividades de indagación. La integración de forma explícita en los procesos de indagación ha sido estudiada con más frecuencia que la de forma implícita. Por ejemplo Yacoubian y Boujaoude (2010), analizaron el efecto de las reflexiones de los estudiantes sobre la naturaleza de la ciencia después de haber realizado una serie de actividades de indagación en el laboratorio. Estos autores encontraron que utilizado esta técnica los estudiantes tenían una percepción más clara sobre la naturaleza de la ciencia que si solamente se dedicaban a realizar actividades de indagación. 2

4 García-Carmona (2012) describe la realización de una actividad de investigación sobre conductores y aislantes con y sin integración de aspectos relacionados con la naturaleza de la ciencia. Este autor también propone integrar estos aspectos una vez realizada la experiencia de laboratorio, a través de una serie de cuestiones y posterior puesta en común de las ideas y reflexión conjunta sobre las mismas. Nuestra propuesta se encuadra en la integración de la naturaleza de la ciencia en los procesos de indagación de forma principalmente implícita, ya que consideramos que abordarlos en el contexto de una actividad determinada permite a los estudiantes comprender cómo se construye el conocimiento científico desde su propia práctica. Esto permite evaluar sus perspectivas sobre la naturaleza de la ciencia a través de sus acciones. Consideramos que éstas aportan información más relevante a la investigación en este ámbito que las respuestas a cuestionarios o entrevistas, ya que no es lo mismo que un alumno defina qué es una hipótesis o ponga un ejemplo de hipótesis, a que la formule para resolver un problema determinado un contexto de laboratorio donde además de formularla tendrá que contrastarla. Es necesario subrayar que esta forma de trabajo requiere gran implicación del profesor, utilizando estrategias encaminadas al trabajo de estos aspectos, por ejemplo preguntas sobre la naturaleza de la ciencia contextualizadas dentro de la actividad que se esté llevando a cabo o ejemplos relacionados con la misma. En otras palabras, en algunas fases también se utiliza la reflexión explícita. A continuación proponemos dos actividades de indagación como ejemplos que permiten abordar la naturaleza de la ciencia desde la perspectiva implícita y analizamos la influencia que tienen las estrategias utilizadas por los profesores en los resultados obtenidos en la puesta en práctica de ambas actividades. Por qué se oscurecen las manzanas? La actividad Por qué se oscurecen las manzanas? consiste en la planificación y puesta en práctica de un diseño experimental para averiguar por qué se oscurecen las manzanas cuando se cortan y proponer una solución para conseguir que éstas se mantengan en perfecto estado (Crujeiras & Jiménez, 2012a). Con esta tarea pueden abordarse muchos aspectos sobre la naturaleza del conocimiento científico, por ejemplo: 1) El conocimiento científico se construye a partir de problemas: Se presenta a los estudiantes una situación problema sobre la que tienen que reflexionar y resolver: una empresa quería vender bolsas de fruta cortada pero se encontró con el problema de que al cortarla, las manzanas se oscurecían. Que se podría hacer para conseguir que la fruta se mantenga en perfecto estado? 2) Para resolver un problema es necesario: 2.1) utilizar el conocimiento previamente adquirido: es necesario utilizar el conocimiento sobre los procesos enzimáticos y las reacciones químicas. 2.2) identificar las variables que intervienen en el problema: el ph y la presencia de oxígeno. 2.3) emitir una o varias hipótesis que deben ser contrastadas o refutadas: Disminuyendo el ph se inhibe la reacción. 3) Para contrastar o refutar las hipótesis es necesario elaborar un diseño experimental: establecer cuantas muestras van a utilizar, las cantidades y qué tipo de pruebas van a realizar para poder contrastar o refutar la hipótesis. 4) Para obtener resultados fiables y reproducibles es necesario controlar las variables que intervienen en el proceso: utilizar una muestra control sin tratar, la misma cantidad de muestra (manzana) en los distintas pruebas y aplicar los distintos tratamientos propuestos durante el mismo tiempo a los trozos de manzana. 5) La subjetividad en la interpretación de los resultados: cada grupo puede interpretar os mismos resultados de forma distinta y llegar a una solución diferente para evitar que se oscurezcan las manzanas. 6) La necesidad de comunicación entre los miembros de la comunidad para interpretar 3

5 los resultados obtenidos y elaborar una conclusión adecuada para resolver el problema: una vez ejecutado el diseño e interpretado los resultados, deben ponerse en común para llegar a una solución al problema. Esta actividad ha sido llevada a cabo en cursos de formación de profesorado (Crujeiras y Jiménez, 2012a). Los participantes en el estudio llevaron a cabo la resolución de la actividad sin que los profesores que impartían los cursos hiciesen referencia de forma explícita a aspectos relacionados con la naturaleza de la ciencia. Del análisis de las acciones de los participantes durante la ejecución de la actividad se infiere que la visión que muestran sobre la naturaleza del conocimiento científico difiere de la esperada, ya que no emiten hipótesis para resolver el problema, ni elaboran un diseño experimental que permita contrastar dichas hipótesis, simplemente intentan resolverlo probando todas las opciones que se plantean sin un orden y justificación claros, es decir por ensayo-error. Qué pasta de dientes es menos efectiva para la prevención de la caries? La actividad Qué pasta de dientes es menos efectiva para la prevención de la caries? consiste en la planificación y puesta en práctica de un diseño experimental para evaluar el efecto de dos pastas de dientes en la prevención de la caries, utilizando conchas para simular los dientes y ácido clorhídrico para simular el ambiente ácido de la boca (Crujeiras & Jiménez, 2012b). Los aspectos sobre la naturaleza del conocimiento científico que se trabajan son similares a los trabajados en la tarea sobre las manzanas. 1) El conocimiento científico se construye a partir de problemas: se realizó una campaña de prevención de la caries en las escuelas en la que se repartieron dos tipos de pastas de dientes, resultando que una era menos efectiva que la otra. 2) Para resolver un problema es necesario: 2.1) utilizar el conocimiento previamente adquirido: reacciones químicas y velocidad de reacción; 2.2) identificar las variables que intervienen en el problema: identificar la masa de concha y volumen de ácido como variables que intervienen en el proceso, así como el criterio para comparar las pastas de dientes: la efectividad en términos de velocidad de reacción. 2.3) emitir una o varias hipótesis que deben ser contrastadas o refutadas: la pasta que tarde menos en inflar el globo utilizado para medir el desprendimiento de gas es la menos efectiva. 3) El diseño experimental adecuado para contrastar o refutar las hipótesis debe incluir: el número de muestras a utilizar, las cantidades de concha y de ácido y el método elegido para comparar las pastas. 4) Para obtener resultados fiables y reproducibles es necesario controlar las variables que intervienen en el proceso: la masa de las conchas, el volumen del ácido clorhídrico y el criterio de medida del tiempo (velocidad de reacción). 5) La subjetividad en la interpretación de los resultados: cada grupo puede interpretar os mismos resultados de forma distinta, en función de la hipótesis de partida. 6) La necesidad de comunicación entre los miembros de la comunidad para interpretar los resultados obtenidos y elaborar una conclusión adecuada para resolver el problema: puesta en común de los resultados obtenidos por cada grupo y elaborar una conclusión argumentada como solución al problema (cual es la pasta de dientes menos efectiva en la prevención de la caries). 7) En los experimentos científicos puede haber variables no controladas que afecten a los resultados: el tamaño y forma de los globos que van a utilizar para medir la producción de gas (criterio para comparar las pastas de dientes). Esta actividad ha sido llevada a cabo en 3º de ESO. En su realización los profesores además de hacer hincapié en la necesidad de tener en cuenta los aspectos requeridos por la actividad, han trabajado otros aspectos de la naturaleza de la ciencia como: Conectar el experimento realizado con la realidad de un laboratorio, 4

6 desmitificando ideas propias de la cultura escolar, por ejemplo que las actividades de laboratorio solo implican manejo de material e instrumentos de medida Extrapolar esta actividad a la vida real, por ejemplo el trabajo en la industria de las pastas de dientes. Como consecuencia los estudiantes utilizan el conocimiento científico para tratar de resolver la actividad de laboratorio, plantean hipótesis, elaboran diseños experimentales que les van a permitir contrastar las hipótesis, entienden la necesidad de controlar las variables y las controlan a lo largo de toda la actividad, justifican las decisiones tomadas en la elaboración del diseño y comparten los resultados obtenidos entre los distintos grupos para tratar de llegar a una solución consensuada. Todas estas acciones nos permiten considerar que estos estudiantes están desarrollando una comprensión de la naturaleza del conocimiento científico ya que han participado en las prácticas sociales de la comunidad científica, como sugieren Kelly, McDonald y Wickman (2012). Conclusiones e implicaciones educativas Las actividades de indagación en el laboratorio son un instrumento apropiado para trabajar aspectos sobre la naturaleza de la ciencia y obtener información objetiva sobre la visión que los estudiantes tienen sobre ella. Esta información puede obtenerse fomentando la participación de los estudiantes en las prácticas científicas. Para ello es necesaria la implicación del profesor en el proceso de resolución de la actividad, utilizando estrategias que permitan abordar cuestiones sobre la naturaleza de la ciencia en las actividades de indagación. Agradecimientos Trabajo parte del proyecto EDU C02-01 financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. El trabajo de Beatriz Crujeiras Pérez financiado por una beca FPI del MICINN, código BES A los profesores y estudiantes que participaron en el estudio. Referencias Crujeiras Pérez, B., y Jiménez Aleixandre, M. P. (2012a). Competencia como aplicación de conocimientos científicos en el laboratorio: cómo evitar que se oscurezcan las manzanas? Alambique: Didáctica de las Ciencias Experimentales, 70, Crujeiras Pérez, B., y Jiménez Aleixandre, M. P. (2012b). Participar en las prácticas científicas: aprender sobre la ciencia diseñando experimentos. Alambique: Didáctica de las Ciencias Experimentales, 72, Duschl, R. A., & Jiménez-Aleixandre, M. P. (2012). Epistemic foundations for conceptual change. In S. M. Carver & J. Shrager (Eds.) The journey from child to scientist: Integrating cognitive development and the education sciences (pp ). Washington, DC: American Psychological Association. Elby, A., & Hammer, D. (2001). On the substance of a sophisticated epistemology. Science Education, 85, García Carmona, A. (2012). Cómo enseñar Naturaleza de la Ciencia (NDC) a través de experiencias escolares de investigación científica. Alambique: Didáctica de las ciencias experimentales, 72, Kelly, G. J., Chen, C., & Crawford, T. (1998). Methodological considerations for studying science-in-the-making in educational settings. Research in Science Education, 28(1), Kelly, G. J., McDonald, S., & Wickman, P. (2012). Science learning and epistemology. En B. Fraser & K. Tobin (Eds.) Second International Handbook of Science Education (pp ). Dordrecht: Springer. Kolstø, S. D. (2001). Scientific literacy for citizenship: Tools for dealing with with the 5

7 science dimension of controversial socioscientific issues. Science Education, 85, Lederman,N., Abd-El-Khalick, F., Bell, R., & Schwartz, R. (2002). Views of Nature of Science Questionnaire: Toward Valid and Meaningful Assessment of Learners Conceptions of Nature of Science. Journal of Research in Science Teaching,39(6), Longino, H. E. (1990). Science as social knowledge: Values and objectivity in scientific inquiry. Princeton: Princeton University Press. Niaz, M. (2008). What ideas-about-science should be taught in school science? A chemistry teachers perspective. Instructional Science, 36, Schartz, R. S., Lederman, N. G., & Crawford, B. A. (2004). Developing views of nature of science in an authentic context: an explicit apporach to bridging the gap between nature of science and scientific inquiry. Science Education, 88, Yacoubian, H., A., & Boujaoude, S. (2010). The effect of reflective discussions following inquiry-based laboratory activities on students views of Nature of Science. Journal of Research in Science Teaching, 47(10),