Los suelos en la enseñanza de la teoría ácido-base de Lewis : una estrategia didáctica de aprendizaje por investigación

INVESTIGACIÓN Y EXPERIENCIAS DIDÁCTICAS LOS SUELOS EN LA ENSEÑANZA DE LA TEORÍA ÁCIDO-BASE DE LEWIS. UNA ESTRATEGIA DIDÁCTICA DE APRENDIZAJE POR INVESTIGACI~N SALCEDO TORRES L.E.' y GARCÍA GARCÍA J.J.2 l Departamento de Química. Facultad de Ciencia y Tecnología. Universidad Pedagógica Nacional. Bogotá, Colombia. Departamento de Enseñanza de las Ciencias y las Artes. Facultad de Educación. Universidad de Antioquía. Medellín, Colombia. SUMMARY This article describes and analyses the results obtained in a didactical experimental strategy, structured in the Teaching and Learning model which is based on research. The students are involved in situations, where problems related with the soil are used in order to help the significative construction of the acid and base's concepts related to the Lewis' Theory in order to increase the students mental ability for analysing and synthesizing and also to develop their attitudes towards science. La didáctica tradicional basada en la transmisión de contenidos no ha sido eficaz para el aprendizaje de las ciencias, ya que los alumnos, además de demostrar bajos niveles de aprovechamiento escolar (Aliberas, 1989), no construyen actitudes positivas hacia las ciencias (Gil, 1985) y presentan serias deficiencias en el desarrollo de sus capacidades de análisis y síntesis (Segura, 1989). Como un aporte a la solución de estas dificultades, hemos experimentado una estrategia didáctica basada en el modelo de aprendizaje por investigación (Salcedo y García 1995), tendente a lograr la construcción significativa de los conocimientos pertenecientes a la teoría ácido-base, incrementar las capacidades de análisis y síntesis y favorecer la construcción de actitudes positivas hacia las ciencias por parte de los alumnos. La estrategia didáctica contempla cuatro fases: planeación, evaluación, transición y ejecución. HIPÓTESIS Y VARIABLES ESTUDIADAS La hipótesis de partida de este trabajo supone que la implementación de una estrategia didáctica basada en el modelo de aprendizaje por investigación que utiliza el suelo como generador de situaciones problemáticas posibilita en los estudiantes la construcción significativa de los conocimientos pertenecientes a la teoría ácidobase de Lewis, el desarrollo de las capacidades de análisis y síntesis y contribuye al mejoramiento de las actitudes hacia las ciencias por parte de los alumnos. Las variables estudiadas son: 1. Construcción significativa de los conocimientos pertenecientes a la teoría ácido-base de Lewis. 1.1. Estructuración conceptual de la teoría ácido-base de Lewis. 1.2. Establecimiento de relaciones válidas significativas y complejas entre los conceptos que conforman la teoría ácido-base. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1997, 15 (l), 59-71 1.3. Discriminabilidad entre las unidades conceptuales pertenecientes a la teoría ácido-base. 2. Desarrollo de las capacidades cognitivas de análisis y síntesis. 3. Desarrollo de actitudes positivas hacia las ciencias. El grupo experimental está constituido por 28 estudiantes del grado undécimo de educación media vocacional, que pertenecen al programa de química industrial del Instituto Nacional de Educación Media Diversificada INEM, localizado en el sector de Kennedy en la ciudad de Santafé de Bogotá. La estrategia didáctica se concreta en una secuencia estructurada de situaciones problemáticas enmarcadas dentro del estudio de suelos que de una u otra manera están relacionadas con la teoría ácido-base y que constituyen el hilo conductor del trabajo de los alumnos bajo la orientación del profesor. En ella se incluyen, en primer lugar, reflexiones que conducen a evidenciar y aclarar los conocimientos teóricos que poseen los alumnos acerca de la naturaleza eléctrica de la materia y algunos fenómenos cotidianos relacionados con la producción de electricidad, con el fin de que éstos sirvan de organizadores previos a la introducción del concepto de potencial de hidrógeno. En segundo lugar, se establece una diferenciación entre los procesos de conducción eléctrica y conducción electroquímica y los conceptos ácido-base. Una vez reconstruidas, confrontadas y aclaradas las concepciones de los alumnos con respecto a las temáticas ya señaladas, se procede a la articulación del concepto de pH y los fenómenos ácido-base al estudio del suelo como fenómeno natural. Esta parte del proceso se desarrolla a través de preguntas a manera de problemas teórico-descriptivos en donde los alumnos evidencian, confrontan y aclaran sus concepciones acerca de la naturaleza y composición del suelo. Luego de este ciclo de problemas, se inicia un ciclo de carácter práctico en el cual los alumnos diseñan procesos experimentales para resolver problemas ligados a las relaciones que se encuentran entre la composición del suelo y las características de pH que presenta. La estructura de problemas trabajada es la que vemos en el cuadro. Para la ejecución de las actividades programadas se forman pequeños grupos de trabajo, los cuales, con la orientación del profesor y apoyados en la lectura y discusión de documentos adecuados, buscan las soluciones más apropiadas a los problemas planteados. Las actividades programadas y las que surgen en el desarrollo de cada uno de los procesos investigativos se consignan en un programa guía de actividades. Una vez terminada la fase de ejecución de la estrategia didactica, se procede a evaluar la eficacia de la misma en términos de los cambios que se producen en cada una de las variables estudiadas. 1 1. ¿Qué es la electricidad? 1 10. ¿Qué condiciona el tipo de especies químicas existentes en el siiclo? 1 TIPO DE PROBLEMA - 72 10s rayos PROBLEMAS TEÓRICOS 11. ¿Cómo se relacionan las especies químicas existentes en el suelo y el I o~ oue éste oresenta? PROBLEMAS PRÁCTICOS - 1 3. i.Cómo funciona una bombilla? 1 12. ¡.Qué especies químicas se relacionan con la acidez del suelo? 1 5. ¿Cómo funciona una pila? 4. ¿Pueden los compuestos químicos producir electricidad? 14. ¿Puede cambiar el pH del suelo con la presencia o ausencia de ciertas especies químicas en él? I 13. ¿Qué especies químicas se relacionan con la basicidad del suelo? 8. ¿Qué es el suelo? 6. ¿Tiene el hidrógeno un potencial eléctrico? 7. ¿Qué es un ácido? 17. ¿Qué propiedades de las especies químicas relacionadas con la acidez o la basicidad del suelo podrían hacer a estas especies químicas más ácidas o básicas? 15. ¿Cuál es el mecanismo que le permite a ciertas especies químicas controlar la acidez o basicidad en el suelo? - 16. ¿Qué propiedades de las especies químicas les permiten aceptar o donar iones hidronio (H30+) ? 60 ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1997, 15 (1) 9. ¿Cuáles son las especies químicas que se encuentran en el suelo? 18. ¿Existen otras especies químicas diferentes a las encontradas en el suelo que se puedan clasificar como ácidos o bases? Para el estudio de la estructuración conceptual que presentan los alumnos con respecto a la teoría ácido base de Lewis, se aplica, a los estudiantes al inicio y al final de la ejecución de la estrategia, una prueba acerca del manejo conceptual de la teoría ácido-base de Lewis (Anexo 1) cuyos resultados se trabajan con la técnica de redes Galois. Las redes Galois son estructuras algebraicas puras, por medio de las cuales se puede obtener una representación de las estructuras de conocimiento (Andor, Joo y Mero, 1985). Un nodo en una red está conformado por un grupo cerrado de conceptos llamado noción, el cual presenta una conexión con el grupo cerrado de individuos que maneja dichos conceptos; así, el análisis de las redes permite visualizar: - la estructuración conceptual que presenta el grupo de alumnos acerca de la teoría, identificando los grupos cerrados de conceptos construidos por ellos; - las relaciones de unión e inclusión establecidas entre estos grupos; - los conceptos irreconciliables que no se encuentran jamás juntos dentro de un grupo cerrado de conceptos; - los conceptos más fecundos para generar el mayor número de caminos hacia la construcción total de la teoría; - los caminos más cortos presentes en la estructura para construir por completo la teoría desde un vacío conceptual inicial. La prueba aplicada incluye opciones de respuesta desde los puntos de vista de Arrhenius, Bronsted Lowry y Lewis, con el fin de determinar cuál teoría es la más frecuentemente utilizada por los alumnos para explicar los fenómenos ácido-base y el cambio generado una vez finalizada la fase de ejecución de la estrategia. Comprende once ítems que indagan respectivamente acerca de la manera cómo explican los alumnos los fenómenos ácido-base usando los siguientes conceptos: 1. Electronegatividad 2. Neutralización 3. Atracción electrostática 4. Hidrólisis ácida 5. Hidrólisis básica 6. Número de oxidación (enun anión) 7. Radio iónico (en un anión) 8. Dispersión de carga 9. Cationes como ácidos 10. Radio iónico (en un catión) 1 1. Número de oxidación (en un catión) Cada uno de los conceptos se representa en la red Galois, por su correspondiente número. Para estudiar la discriminabilidad conceptual se diseña un test que enfrenta pares de unidades conceptuales pertenecientes a la teoría ácido-base de Lewis , con el fin de que los alumnos establezcan el nivel de discriminabilidad entre ellos (Anexo 2). Los resultados generados se analizan con ayuda de la técnica de medición del cambio (Linn, 1990). Para establecer las relaciones válidas, significativas y complejas entre los conceptos pertenecientes a la teoría ácido-base de Lewis, se analizan y comparan los mapas conceptuales construidos por los estudiantes antes y después de la ejecución de la estrategia. Este análisis permite a su vez estudiar las capacidades cognitivas de análisis y síntesis de los estudiantes, estableciendo el número de relaciones cruzadas. La razón por la cual se utilizan los mapas conceptuales para indagar acerca del desarrollo de las capacidades de análisis y síntesis obedece a que la presencia de relaciones cruzadas en un mapa conceptual requiere y, a la vez, implica la generación de procesos mentales de análisis y síntesis, que proveen de un carácter global a la estructura de conocimiento representada en el mapa y además designan nuevos atributos de identificación para las unidades conceptuales relacionadas de esta forma (Salcedo y García, 1995). Para estudiar el desarrollo de actitudes positivas hacia las ciencias, se aplica a los estudiantes, antes y después de la ejecución de la estrategia didáctica, el test CAME (Cognición-Acción-Metodología) sobre actitudes hacia las ciencias. Sobre la construcción significativa de los conocimientos Estructuración conceptual de la teoría ácido-base de Lewis La red Galois preestrategia (Fig. 1) muestra que la unión entre los dos grupos cerrados de conceptos 2, 3, 6 y 3,4,6 es igual al grupo de todos los conceptos V; lo que permite inferir que el manejo conceptual que poseen los alumnos acerca de la teoría ácido-base de Lewis se reduce a los conceptos de neutralización (2), atracción electrostática (3), hidrólisis ácida (4) y número de oxidación (reconocido en un anión) (6). En la red Galois postestrategia (Fig. 2), se observa que la unión entre los grupos cerrados de conceptos 1, 10 y 3, 11 es igual al grupo de todos los conceptos V. El análisis de esta situación nos permite inferir que, para los alumnos a los cuales se ha aplicado la estrategia, el manejo de los conceptos de electronegatividad (l), atracción electrostática (3), radio iónico (7) y número de oxidación (6) (reconocidas en aniones estas últimas dos propiedades), para la explicación de los fenómenos ácido-base, se constituye en un manejo más completo de la teoría ácido-base de Lewis. Es interesante anotar que los conceptos de número de oxidación 6 y 11 y atracción electrostática 3 se encuentran antes y después de la aplicación de la estrategia didáctica como conceptos claves, sobre los cuales se puede reconstruir toda la teoría ácido-base de Lewis. En ambas redes Galois se puede observar que los conceptos de electronegatividad 1 y número de oxidación 6 y 11, (propiedad reconocida tanto en aniones como cationes) ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1997, 15 (1) Figura 1 Red Galois preestrategia. Estructuración conceptual de la teoría ácido base de Lewis. Tabla 1 Redes Galois preestrategia y postestrategia: características relevantes de los grupos cerrados y sus relaciones. son incluidos por la mayoría de los individuos como parte de los grupos cerrados de conceptos que conforman la estructuración conceptual de la teoría ácido-base de Lewis. En contraste con lo anterior, se observa que los conceptos de hidrólisis ácida (4) e hidrólisis básica (5) no se encuentran reunidos en ningún grupo cerrado de conceptos presente en la redes ni antes ni después de la aplicación de la estrategia, por ello se les considera irreconciliables en esta estructuración conceptual de la teoría ácido-base de Lewis; de otra parte no es muy común encontrar los conceptos de atracción electrostática (3) y radio iónico (propiedad reconocida en un anión) (7), como parte de los grupos cerrados de csneeptos tanto en la red preestrategia como en la red postestrategia. ENSENANZA DE LAS CIEIVCIAS, 1997, 15 (1) Número de nociones 38 67 Puntaje total 101 167 Grupos que unidos generan V [2,3,61 U [3, 111 [l, 101 U [3, 111 Caracteres relevantes Red preestrategia Red postestrategia Conceptos no reconciliables 4-5 4-5 Conceptos no utilizados 8-9 Máximo número de conceptos Por grupo 5 6 Grupo cerrado de mayor frecuencia [MI [1,6] Conceptos con los caminos más cortos aV 3-4 3-10-2-4 Figura 2 Red Galois postestrategia. Estructuración conceptual de la teoría ácido-base de Lewis. Otro aspecto a notar es que los conceptos de dispersión de carga (8) y de cationes como ácidos (9) no se encuentran en grupos cerrados de conceptos en la preestrategia, pero están presentes en la red postestrategia. En la primera red, los conceptos que ofrecen caminos más cortos para la estructuración conceptual de la teoría ácido-base de Lewis son atracción electrostática (3) e hidrólisis ácida (4); mientras que en la segunda, además de este par de conceptos, también se encuentran los conceptos de neutralización (2) y número de oxidación (reconocida esta propiedad en un catión) (11) como aquellos conceptos que ofrecen los caminos más cortos para la estructuración conceptual de la teoría ácido-base de Lewis. La información aquí consignada se encuentra compilada en la tabla 1. La comparación de las redes preestrategia y postestrategia permite establecer la comprensión a un nivel mayor de complejidad en la estructuración conceptual de la teoría ácido-base de Lewis luego de la aplicación de la estrategia. ácido-base de Lewis muestran que inicialmente la mayoría de los estudiantes utiliza la teoría de Bronsted-Lowry (81%) para explicar los fenómenos ácido-base, y un porcentaje menor hace uso de la teoría de Svante Arrhenius (19%); ello muestra que, antes de la estrategia, ninguno de los estudiantes explica los fenómenos ácido-base desde la teoría de Lewis. Los resultados de la postprueba muestran: un descenso significativo en el porcentaje de estudiantes que utiliza la teoría de Svante Arrhenius para explicar los fenómenos ácido-base (4%); una continuidad en el alto porcentaje de estudiantes que utilizan la teoría de BronstedLowry aunque ahora es ligeramente menor (76%); y finalmente, el registro de un porcentaje significativo de estudiantes que utiliza la teoría de Lewis para explicar los fenómenos ácido-base (22%) (Fig. 3). Sobre la discriminabilidad conceptual entre los conceptos pertinentes a la teoría ácido-base de Lewis Los resultados antes de la estrategia muestran que la Sobre la teoría utilizada por 10s alumnos para explicar mayoría de 10s estudiantes se encuentra en un nivel los fenómenos ácido-base medio de discriminabilidad conceptual (92%), y un pequeño porcentaje de estudiantes se encuentra en un Los resultados de la preprueba para determinar el manenivel bajo de discriminabilidad conceptual (8%). Una jo conceptual de 10s conocimientos referidos a la teoría vez aplicada la estrategia, 10s resultados muestran que: ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1997, 15 (1) 63 1 Figura 3 Distribución porcentual del grupo experimental de acuerdo con la teoría ácido-base usada. A: Arrhenius; B: Bronsted-Lowry; L: Lewis. PREESTRATEGIA O POSTESTRATEGIA a) aún la mayoría de los estudiantes se encuentra en un nivel medio de discriminabilidad conceptual (79%); b) disminuye el número de estudiantes que presenta niveles bajos de discriminabilidad conceptual (4%) y, c) lo que es más importante, un buen número de alumnos presenta niveles altos de discriminación conceptual (17%) (Fig. 4). -El uso de la teoría de Bronsted-Lowry para explicar los fenómenos ácido-base se correlaciona con un nivel medio de discriminación conceptual. - El uso de la teoría de Lewis para explicar los fenbmenos ácido-base se correlaciona con un nivel alto de discriminación conceptual. Figura 4 Distribución porcentual del grupo experimental de acuerdo con el nivel de discriminabilidad. bajo medio alto preestrategia postestrategia Se encuentra una correlación entre los niveles de discriminabilidad conceptual y el manejo de las tres teorías El análisis de los resultados sobre discriminabilidad ácido-base: conceptual a través de la técnica de medición del cambio (Linn, 1990) muestra que el cambio operado es del 34% - El uso de la teoría de Svante Arrhenius para explicar (Tabla 11), presentando cambios positivos en todos los los fenómenos ácido-base se correlaciona con un bajo pares conceptuales excepto en el de electronegatividadnivel de discriminabilidad conceptual. polaridad. Tabla 11 Discriminabilidad conceptual por pares de unidades conceptuales pertinentes a la teoría ácido-base de Lewis. D: Diferentes R: Relacionados 1: Idénticos ENSENANZA DE LAS CIENCIAS. 1987, 15 (1) ~ Hidrólisis Hidratación 100% 1 64,2% D 17,8% R 17,8% 1 Electronegatividad Polaridad 23% D 54% R 23% 1 32,1% D 533% R 17,1% 1 Basicidad POH 3,8% D 30,8% R 66,4% 1 373% D 62,5% R No RedoxCarga nuclear 65,3% D 27% R 7,7 % 1 67,8% D 32,2% R Acidez pH 34,6% R 65,4% 1 32,1% D 67,9% R Par conceptual Preestrategia Postestrategia Neutralización Coordinación 39,6% D 60,4% R 14,2% D 3g,2% R 42,8% 1 INVESTIGACIÓN Y EXPERIENCIAS DIDÁCTICAS Tabla 111 Resumen de características. Mapas conceptuales sobre la teoría-ácido base. Preestrategia. Tabla IV Resumen de características. Mapas conceptuales sobre la teoría ácido-base. Postestrategia. Grupo de pares conceptuales 1 2 3 4 5 Sobre la construcción de relaciones válidas, significativas y complejas entre los conceptos pertinentes a la teoría ácido-base de Lewis Jerarquía 8 9 11 8 1 O Grupo de pares conceptuales 1 En cuanto a los parámetros establecidos por Novack (1984) al comparar los puntajes promedio de los mapas conceptuales construidos por los alumnos antes y después de la aplicación de la estrategia, se encuentra un puntaje promedio de 71,6 y 98,6 puntos respectivamente; lo que evidencia un mayor nivel de complejidad de los mismos después de la estrategia (Tablas 111 Y IV). Sobre el desarrollo de las capacidades cognoscitivas de análisis y síntesis El análisis de los mapas conceptuales construidos por los estudiantes antes y después de la aplicación de la estrategia establece que el promedio de relaciones cruzadas por cada mapa conceptual construido por los grupos de alumnos antes de la aplicación de la estrategia didáctica es de 0,33,y varía a 2,O después de ella (Tablas 111 y IV), Relaciones cruzadas O 1 1 O O Conceptos 14 3 1 22 13 24 Relaciones cruzadas O Jerarquía 7 lo que indica una relación de 1 a 6 entre el número de relaciones cruzadas construidas por los alumnos antes y después de la aplicación de la estrategia didáctica y, por tanto, un significativo avance en el desarrollo de las capacidades de análisis y síntesis en los estudiantes, de acuerdo con el presupuesto teórico de que los tipos de relaciones establecidas por los individuos entre los conceptos son generadoras y están acompañadas de determinados procesos cognitivos, en este caso las capacidades de análisis y síntesis. Relaciones 18 35 26 14 20 Sobre el desarrollo de actitudes hacia las ciencias Conceptos 23 El análisis de los resultados arrojados por la aplicación del test CAME sobre actitudes hacia las ciencias antes y después de la aplicación de la estrategia permite inferir que se produce un cambio positivo del 5% en las actitudes hacia las ciencias en los estudiantes; este pequeño aumento puede estar relacionado con la naturaleza misma de la variable (actitudes), que requiere un mayor tiempo de intervención pedagógica para generar cambios más apreciables en la misma (Fig. 5). Relaciones 30 ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1997, 15 (1) 65 mientos, entendiendo esta última como la combinación Figura 5 de tres factores, a saber: el establecimiento de relaciones Distribución porcentual del grupo experimental de acuerdo con el válidas, significativas y complejas entre 10s Conceptos, nivel de actitudes hacia las ciencias. el mejoramiento de los niveles de discriminabilidad entre los mismos y la complejización de la estructuración conceptual de las teorías a las cuales dichos conceptos pertenecen. -La implementación de los procesos de investigación en el aula mediante los cuales se evidencia el carácter innovador de las ideas, la flexibilidad en su desarrollo, al igual que sus posibilidades de argumentación y contrastación, genera una visión racionalista moderada y propia del realismo no representativo acerca del conocimiento científico, lo que favorece un cambio positivo en los componentes de acción y metodológico en las actitudes hacia las ciencias. - La aplicación de una estrategia didáctica basada en la resolución de problemas, que ponga en acción el pensabajo medio alto miento explicativo y predictivo de los estudiantes y que les proporcione la oportunidad de establecer relaciones preestrategia postestrategia nuevas entre los conceptos y los fenómenos, influye significativamente en el desarrollo de sus capacidades cognitivas de análisis y síntesis. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Esta experiencia investigativa nos permite hacer algunas afirmaciones de carácter didáctico que, a nuestro juicio, pueden ser de relevancia: -Es posible enseñar y aprender química haciendo uso de sistemas naturales como campos de problematización, desde los cuales se seleccionan situaciones que sirven de matriz a una estructura programática curricular basada en un grupo de problemas con carácter secuencia1 y cuya resolución se realiza a través del proceso de investigación en el aula; el desarrollo y concretización de esta matriz generará la construcción de programas-guía de actividades innovadoras. -La utilización de los procesos investigativos en el aula como estrategia didáctica, que también permiten al individuo pensar sobre los fenómenos posibilitándole así la discusión y contextualización crítica de los conceptos, favorece su construcción significativa de los conociEl carácter siempre inacabado de nuestras tareas investigativas nos obliga a proponer a manera de recomendación el llevar a cabo dos nuevos trabajos de investigación que surgen a partir de éste, cuyos temas centrales podrían ser los siguientes: - Indagación acerca de la estructuración conceptual que poseen los estudiantes de ciencias y los maestros en ejercicio sobre las grandes teorías en ciencias, con la ayuda de la técnica de las redes Galois. Este trabajo resultaría muy útil con el fin de establecer la rutas críticas (caminos más cortos) seguidas por los individuos para estructurar las teorías científicas y poder utilizarlas en la programación de los contenidos académicos a fin de aproximar la estructura conceptual de los individuos a la estructuración lógica que poseen las teorías científicas. - Establecimiento de las posibles relaciones que pueden existir entre la técnica del mapa conceptual y la técnica de redes Galois, pues ambos son instrumentos que se utilizan para visualizar estructuras de conocimiento. ANDOR, C.S., J00, A. y MERO, L. (1985). Galois latticces: a CHALMERS, A. (1989). ¿Qué es esa cosa llanlada ciencia? possible representation of Knowledge Structures. Evaluation Madrid: Siglo XXI. in Education, 9(2), pp. 658-663. CANAL, P. y ROLAND, R. (1987). Investigando la realidad AUSUBEL, D. (1978). Psicología cognitiva, un punto de vista próxima, un modelo didáctico alternativo. Ensefianza de las cognoscitivo. 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