Ideas sobre los gases en alumnos de 10 a 15 años

INVESTIGACION DIDACTICAS 1 IDEAS SOBRE LOS GASES EN ' ALUMNOS DE 10 A 15 ANOS FllHlO MAS, C. y HERNANDEZ PEHEZ, d. 1.C.E:. Universidad de Valencia. SUMMARY This paper shows some ideas the sl~idents have on specific perceptive aspects of gases, such as their materiality : or thc volume' they take, together with the analysis of their answers to their interna1 structure. The results foiind are similar to those obtained from other context. 1t is confirmed that students maintain an urisrorelic vision of ¡he substantiality of gases, th6ugh some features of the particulate theory (accepted at present üs for their interna¡ structure) equally appear. - , Cualquier metodología de ensefianza de las ciencias que materia de estudio, que contrasta con la ubicación arpretenda conseguir un aprendizaje significativo debe bitraria o tradicional...)) necesariamente panir de las ideas. fonce~ciones 0 Pre- ~h~~~ bien, aquellas ideas o concepcione~ que caracque Posee en de aborterizan la estructura cognoscitiva del alumno, no re predar los problemas referentes a una temhtica concreta. wntan de forma inconexa o companimentada, sino que En este sentido Ausubel (1978) al tratar de las conseun tejido o cuerpo de conocimientos de parcuencias generales para la educacion* de la~ etapas de tida con los cuales interpretan el mundo exterior (Cadesarrollo mental en el nifio, iadica que: rrascosa y Gil 1982) y al que podemos denominar pa- «Conocer el plan que sigue el desariollo intelectual hace radigma conceptuai discente. Ásí pues, la labor bhiica factible, por primera vez, la ubicaci6n científica de la del profesor principia por conocer este paradigma conENSEÑANZA IIE LAS CIENCIAS. 1983, pp. 83-91 83 INVESTIGACION Y EXPERIENCIAS DIDACTICAS ceptual del alumno para entender sus posibles errores conceptuales y situar en este marco su propuesta de acción metodológica; y con mayor razón, si desea utilizar una metodología de descubrimiento guiado que sea coherente con la psicología educativa y con la metología científica. Puede suceder que el esquema conceptual del alumno sea compatible con los nuevos conocimientos científicos que se deseen impartir o redescubrir en la clase, en este caso, aquellas ideas podrán ser explotadas y podrán actuar como principio organizador de futuras profundizaciones. En caso contrario, una actitud positiva del profesor consistiría en valorar aquellas ideas equivocadas y presentar el conflicto cognoscitivo mediante el oportuno debate o interposición de actividades que demuestren al alumno su incoherencia conceptual (Hewson, 1981). Cuando se inicia el estudio del comportamiento químico de la materia en el Bachillerato, es de sumo interés conocer las ideas que poseen los alumnos sobre los gases, con el fin de tener un punto de partida para la construcción del currículum de Química y, sobre todo, para el estudio de la teoría atómico-rn~lecular de la materia. En consecuencia, en este trabajo se planteó la indagación sobre el grado de asunción de nuestra'c~nce~ción actual de gas en dos vertientes. Una de ellas se refena a qué pensaban los alumnos sobre lo que era un gas y una segunda, perteneciente al mundo no perceptivo, destinada a extraer el pensamiento del alumnado sobre cómo es un gas, es decir, cuál es su estructura interna. 2. EMISION DE HIPOTESIS El cuerpo teórico de la psicología educativa que'aceptamos previamente en nuestro trabajo, es el conjunto de hipótesis emitidas por prestigiosos epistemólogos e historiadores de la ciencia (Piaget, 1975) (Holton, 1973). según las cuales se reconoce la existeccia de cierto paralelismo entre el desarrollo cognoscitivo en el alumno y el modo de producción de los conocimientos científicos (Kuhn, 1970). Delitro de este contexto teórico, nuestras suposiciones parten de admitir que los alumnos de edades comprendidas entre 12 y 15 aiios que corresponden al período de las operaciones formales en sentido piagetiano, aún teniendo asumido un atomismo inicial lo que supone haber asimilado jerárquicamente la conservación de la sustancia, del peso y del volumen, como lo demuestran los experimentos realizados sobre todo en sólidos y líquidos, con nifios ginebrinos (Piaget e Inhelder, 1971) no responden como atomistas cuando se plantean problemas similares con los gases. Más en concreto, nuestra hipótesis implica que, desde el punto de vista perceptivo, muchos alumnos tienen la idea de los gases como algo casi inmateI rial, con poca sustancialidad, etc. .. al igual que suce1 dio en la comunidad científica en la denominada preI historia próxima de la Quimica como ciencia moderna I (Taton, 1958) (Davy, 1976) y que, en consecuencia, los , alumnos están más próximos a las ideas aristottlicoescolásticas respecto a los gases, cuanto más se aproximan en edad a la transición entre la etapa de las operaciones formales y la de las operaciones concretas (1 1 I _ o 12 aiios). En resumen y de forma análoga a lo que sucede con el razonamiento espontáneo de los niiios respecto a la mecánica, cuyo esquema conceptual tiene una componente aristotélico-escolástica en su forma de ver el mundo, como ha sido demostrado por diferentes autores de diversos oaíses (Viennot 1979) (Helm 1980) (Carrascosa, Gil y ~onzáiez 1982). así éi el campo de la química y concretamente en su concepción de los gases como materia, opinamos que se puede extrapolar aquella visión al comportamiento químico de la materia. Sin embargo, esta idea casi-inmaterial de los gases no implica que no contengan aspectos del modelo cinético que corresponden a una visión científica actual de los gases. 3. DISEÑO EXPERIMENTAL Con el fin de comprobar la hipótesis anterior se encuestó a diferentes grupos de edades comprendidas entre 11 y 15 aiios como se indica a continuación. 3.1 Alumnos Encuestados Se inició el trabajo realizando algunas encuestas y entrevistas previas a alumnos de la edad más baja (10 u 11 aiios) con dos objetivos. El primero de ellos consis-- tía en ver si se obtenían respuestas inteligibles para nosotros cuando se contestaba directamente a la cuestión de la naturaleza material de un gas. Estas entrevistas nos orientaron hacia el segundo objetivo que consistía en la planificación de nuestro cuestionario de preguntas. Antes de lanzarnos a una exploración extensiva del pensamiento escolar se pensó en un pretest inicial y para ello se eligieron como muestras de población escolar, que no pueden ser consideradas como representativas, a 10 grupos de alumnos desde 5" de EGB hasta 2" de BUP con edades promedio de 10 a 15 afios. con el fin de utilizar como variable independiente la edad de aquellos: La distribución y la cantidad de alumnos encuestados se mencionan a continuación: Curso 5" EGB 6" EGB 7" EGU U" EGH IUBUP 2" BUP Edad/Ailos (10-1 1) (1 1-11) (12-13) (13-14) (14-15) (15-16) Numero 3 6 34 65 60 7 3 70 U4 ENSENANZA DE LAS ClENClAS INVESTIGACION Y EXPERIENCIAS DIDACTICAS 3.2. Mate,rial suministrado 4. PRESENTACION Y ANALISIS 'DE LOS 1 Como interesaba contrastar. por una parte. si los aiumRESULTADOS ENCONTRADOS / nos no una jdea sustancial dd gas; y por Otra, A se presentan ]as respuestas dadas por ' de gas se un 'Onlos alumnos encuestados a cada una de las preguntas, m junto de seis preguntas (tres destinadas a cómo perciadjuntandose para una mejor visualización global un bian el gas y otras tres destinadas a su concepción resdiagrama de barras en el que figuran el total de las conde' modelo)' todas de Opción testaciones incorrectas (T0T.EQUI.) frente al curso de tiple, incluida la respuesta «no lo sé» para evitar la aleacada grupo. Junto a los porcentajes totales de cantes- , toriedad en las confestaciones. Las preguntas se encontaciones equivocadas se aporta la desviación estandard trarán en el siguiente apartado. s de la muestra según el tratamiento estadístico ordiLos objetivos específicos perseguidos en cada una de nario (Garret 1971), que viene dada por la expresión: 1 las cuestiones eran Los siguientes: II Cuestión 1.- Dilucidar si concebían los gases como sustancias que pesan o por el contrario, se aceptaba la idea consistente en suponer que el gas no pesaba, con lo que se estaría, segun nuestra opinión, más próximo a las donde p indica el porcentaje total de desaciertos y N, ideas aristotélicas. el número de alumnos encuestados. Cuestión 2.- Analizar si los alumnos, coherentemente con los planteamientos aristotéiicos, suponen que el peso es una propiedad accidental que depende del estado físico de la sustancia, o, por el contrario, interpretan correctamente la conservación del peso en una transformación de agua en vapor, en un recinto hermético. Cuestión 3.- esc cubrir si el alumno dispone claramente de la idea que, en una vaporización, el gas obtenido ocupa todo el volumen del recipiente que contenia al liquido inicial vaporizado. Análogamente se confeccionaron tres preguntas que cubrían sendos objetivos específicos y relativos al modelo de gas y cuyas contestaciones nos permitirían analizar: Cuestióii 4.- ¿Estructura atomista -partículaso continua para los gases? En la mayor parte de los casos se ha procedido también el análisis de las respuestas incorrectas mayoritarias que proporcionarán una idea de los errores más frecuentes del alumnado. La tabla 1 recog;:los resultados encontrados a la primera cuestión, mientras la fig. 1 corresponde al'diagrama de barras de estos mismos resultados. De su observacibn se comprueba que la mayor parte de los niños de 10 y 11 aiios (65%) consideran que los gases no pesan, disminuyendo esta tendencia cuando se llega a la etapa de transición entre las operaciones concretas y las formales piagetianas. Sin embargo, apenas hay diferencias significativas a partir de 8' EGB. Caben aquí varias interpretaciones, entre las cuales podemos citar: o bien estos niiios de edades más bajas no atribuyen apenas materialidad a los gases si consideramos aue el. peso es, para ellos, una medida de la cantidad de sustancia (en estas edades se confunde el peso con Cuestión 5.- Admiten los alumnos la existencia de huela o bien la carencia peso es sinónimo de li- 'OS en de gas' por contrario' s~ jdea se gereza relativa, en el sentido de elevarse por encima del acelxa más a un modelo ((ComPaCto)) de partículas. agua, ya que van a su lugar la concepCuestión 6.- Finalmente se trato de analizar en aué Eración aristotklica (Gil, 1981). Para nosotros ambas inS - - - - - do se aceptaba el movimiento ca6tico de las partículas terpretaciones son la misma, pues según Aristbteles de un gas, según nuestro modelo cinético. (1973) las definiciones de ligereza y pesadez implican Las tendencias naturales del movimiento de los cuerpos 3.3. Administración del cuestionario hacia los dos «extremos» contrarios respectivamente. En el momento de pasarles este pretest se encontraba presente uno de los autores del trabajo, comprobando la inexistencia de dificultades en la contestación al mismo. Este test se pasó en horas de clase ordinaria y sin previo aviso con el fin de no condicionar las respuestas, no dando tiempo límite a las contestaciones para una mayor tranquilidad del alumnado. Por otra parte, conviene indicar que los alumnos de 2" de BUP no habían iniciado el estudio de la Química, en cambio, los alumnos de 8" de EGB habían ya tratado el estudio de los gases en clase, aunque hacía bastante tiempo. Asunto este último que habrii que tener en cuenta al analizar los resultados encontrados. Así pues, estas propiedades (ligereza y pésadez), siempre relativas, son potencialidades innatas en la materia de manera que «cuanto más ligero es un cuerpo más forma -más cualidadmenos materia tiene - menos cantidad-)), como puede leerse en el capítulo 4" del libro IV de la Física de aquel autor. Esta interpretación es coherente con los resultados encontrados a la pregunta 2' (tabla 11 y fig. 2). donde los niíios de 10 a 11 anos siguen contestando aproximadamente en el mismo porcentaje (57%) que en una transformación de líquido en gas, el primero debe pesar más que el segundo. Sin embargo, no sucede lo mismo con los alumnos de edades superiores a 12 aiios, ENSENANZA DE LAS CIENCIAS 85 INVESTIGACION Y EXPERIENCIAS DIDACTICAS que opinan en porcentajes elevados que el liquido pesará más que el gas. Lo que si parece conluyente es que lo que ocurre con el peso en esta transformación (vaporización) en recipiente cerrado, no está claro para la mayoría del alumnado, contrariamente a los resultados encontrados por Piaget e Inhelder (1971) al entrevistar a nifios sobre la conservación del peso en el experimento de la disolución del azíicar en agua. Mención a parte merece la interpretación de la respuesta dada por un número minoritario de alumnos -el 7%- en el sentido de considerar mayor el peso del gas que el del líquido (respuesta 2b). suponemos que piensan ' en la adición material que supondría la calefacción del liquido, lo que correspondería a una concepción del calor como sustancia; se distribuyen casi aleatoriamente), siendo mayoritaria la opción por la existencia de huecos entre las partículas del gas, no obstante hay casi un 40% de alumnos que o bien no son atomistas, en el sentido de seguir pensando en un modelo continuo para los gases (cerca de un 25%), o bien, lo son pero con la particularidad de admitir un modelo estático al igual que sugería Dalton en sus escritos (Nash, 1970). En efecto, según Nash, en un artículo manuscrito de Dal:on titulado «On heatn (sobre el calor), fechado en 23 de mayo de 1806, al explicar la difusión entre gases, atribuye a cada partícula (átomo + celdilla de calórico) un tamaiío diferente y en consecuencia que en un mismo volumen de gas, fuera oxígeno o nitrógeno, no debía existir el mismo número de particulas, ya que estas ocupaban todo el volumen sin posibilidad de existencia de Respecto a la 3a pregunta relativa a conocer si los alumhuecos. nos admiten que el gas ocupa todo el volumen del recipiente que lo contiene (tabla 111 y fig. 3), no se encuentran diferencias significativas entre los alumnos de diferentes edades, si bien es de destacar que la mayor parte de los alumnos errados se inclinan por la conservación del volumen -como era de esperar-, lo que unido a su concepción de que el gas no pesa (debido a que se eleva), como se ha indicado en los comentarios a las preguntas la y 2', les lleva a contestar la respuesta 3b. En conclusión, puede anotarse que cuatro de cada diez alumnos, por término medio, no tienen claro que un gas ocupa todo el volumen del recipiente que lo contiene. Finalmente en la tabla IV se ofrecen los resultados globales de estas tres cuestiones, habiéndose tabulado el porcentaje de alumnos por curso que se han equivocado en todas o en alguna pregunta de las planteadas, así como la desviación estandard encontrada en cada una de ellas. En cuanto a las respuestas dadas por los alumnos a la 4' pregunta (tabla V y fig. 4), puede observarse que la mayor parte de los alumnos se inclinan por una estructura atomista del gas, no obstante, no debe despreciarse que, por término medio, 3 de cada 10 alumnos conciben a los gases con una estructura continua. De este análisis se exceptúan los alumnos de 5' de EGB donde puede darse en hipótesis una aleatoriedad en las contestaciones. Parecen observarse anomaiías en 6' y 8' de EGB, ya que sus porcentajes de equivocados son los más bajos. Ello puede explicarse, pues constatamos que en estos cursos, los profesores nos indicaron que habian tratado los gases en el currículum del curso. Esto prueba, una vez más, que a medida que transcurre el tiempo el alumnado vuelve a sus preconceptos anteriores, como se comprueba tanto en 7' de EGB como en lo y 2' de BUP que no habían incidido en estas materias. Los resultados encontrados sobre la aceptación o no del movimiento caótico de las partículas del gas (pregunta 6a), se ofrecen en la tabla VI1 y la figura 6. Al igual que sucedía en la cuestión anterior, los alumnos se decantan claramente hacia el modelo caótico de las partículas del gas, independientemente de la edad de los mismos, pues aproximadamente siete de cada diez admiten este movimiento al azar (contestación 6c). Finalmente en la tabla VI11 se han computado los porcentajes de todas o alguna respuesta equivocadas a las tres preguntas relativas a las ideas de los alumnos sobre el modelo cinético de los gases, al igual que se hizo con las tres primeras. preguntas. 5. CONCLUSIONES Aun aceptando con cautela los resultados encontrados, dado que sería necesario ampliar la muestra de población escolar y al mismo tiempo, diseiíar nuevos experimentos que intentaran verificar más rigurosamente la hipótesis emitida, se puede concluir que la mayor parte de los alumnos que inician los estudios de la Quimica en la ensefianza media tienen asumidas ideas divergentes sobre los gases, pues, mientras conservan raíces aristotélico-escolásticas en la concepción del gas como materia, sin embargo, tienen asimilados aspectos del modelo cinético actual de los gases, si bien aparecen tambikn ideas estáticas sobre las particulas gaseosas. Estas preconcepciones de los alumnos son de gran interés para el profesor de Química que desea desarrollar una metodología activa de descubrimiento guiado coherente con la metodología científica, pues, entendemos que la mayor parte de los esquemas conceptuales de nuestros alumnos en Química (ideas sobre las reacciones químicas, concepto de molécula, etc ... ) Son ignorados por el profesorado. Tampoco se observa en la 5' pregunta (tabla VI y fig. Este trabajo forma parte de una investigación más ex5) grandes diferencias entre los alumnos de 12 y 15 años tensa cuyo obje:ivo esencial es ofrecer una aproxima- (se han exceptuado las respuestas de 5' EGB ya que ción a la teoría atómico-molecular para alumnos que i - INVESTIGACION Y EXPERIENCIAS DIDACTICAS inician los estudios de Química en el Bachillerato, por convergió con la química neumática a principios del el camino que históricamente ha sido m& fácil, como siglo XIX: el estudio de las reacciones químicas entre es el conocimiento de los gases. Ello no significa ressólidos y líquidos. tar importancia a la segunda Unea de investigaci6n que S I 9 1 1 J J 3 \.. 1 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS I ARISTOTELES. 1973. Obras. Física. (Aguilar S.A., Madrid). HEWSON, P.W., 1981. A conceptual change approach to learning AUSUBEL. D.P., 1978, Psicijlogia educativa. Un punto de virta cogscience. Eur. J. Sci. Educ., Vol. 3. pp. 383-396. I nitivo. (Trillas, Mtxico). HOLTON. G., 1973. 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C) Pesaran igual d) No lo se '70 RESPUESTAS CU RSO 1 No RESP. 1 I I I I No RESP. 36 34 65 60 73 70 88 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS % RESPUESTAS 2c 28.6 29.4 15.4 25.0 42.5 - 44.3 TOT. EQUI. S 69.5 7.7 67.6 8 .O 40.0 6.1 5.0 2.8 9.6 3.4 17.1 4.5 1 a) 30.6 32.4 60.0 95.0 90.4 82.9 2d 5.7 O O 1.7 6.8 12.8 TOT EQUI. S 71.4 7.6 70.6 7.8 84.6 4.4 75.0 5.6 57.5 5.8 55.7 5.9 1 b) 63.9 67.6 40.0 3.3 8.2 14.3 1 c) 5.5 O O 1.7 1.4 2.8 TABLA IV 3. Supongamos que calentamos en un cazo tapado un poco de agua hasta que se convierte toda en vapor (gas). iCuAl crees que sera el volumen ocupado por el vapor? a) el mismo que el del liquido volumen del liquido b) el mismo pero ocupado la parte alta --- -- ----* - ---- El c) todo el recipiente .u, / (a&; :y@; d) no lo se - '3'0 RESPUESTAS . . ,.... .. . ! ! ; i INVESTIGACION Y EXPERIENCIAS DIDACTICAS i t I TABLA 111 8 . - I 1 1 CURSO 5 6" 7" 3d 16.7 2.9 1.5 3.3 O 4.2 CURSO 5 O 6' N" RESP. 36 34 65 TOT EQUI. S 61.1 8.1 64.7 8.2 47.7 6.2 41.7 6.4 33.9 5.6 37.1 5.8 No RESP. I 3a 8.3 2.9 1.5 U" 1 : I U 1.7 O O 2" % RESP. EQ. 3b 36.1 58.8 44.6 70 S 36 100 34 1 100 3c 38.9 35.3 52.3 36.7 32.9 32.9 - - 58.3 67.1 62.9 TABLA V S. Una de las propicdades mas conocidas de 10s gases es su compresion (que consisic ~II poder reducir cl bolun~cn quc ocupa a1 presionar sobre el, como se puede comprobar con una jrringuilIa). 'Cual de esfas situaciones crees que SC produce? a) Las partiiulas exisrentes reducen su ramaho b) tos gases son como esponjas (rodo conlinuo) que al apretar se comprimen c) Las particulas que 10 t'orman dejan espacio5 l~bres cthuecos~ que al aprerar SC reduccn .. <.,::: d) No lo se 4. Consideras que 10s gases estan formados por trozos continut>\ (r.crri;cl p c. un ovillo de Iana) o piensas que 10s gases IO forrnan rnuchos lrozos pequefios (como p.e. la arena). a) Algo continuo b) T rozos pequcttos C) No to SC. CURSO +ki CURSO 5" bo 7" 8" I" 2O No RESP. % RESPUESTAS I NU RESP. 35 34 65 50 7 3 70 5a ENSE~~ANZA DE LAS CIENCIAS % RESPUESTAS 4a 36.1 17.6 33.8 20 O 34.2 22.9 4b 44.4 73.6 58.5 4c 19.4 5.8 7.7 75.0 5.0 61.6 1 4.1 68.6 8.5 I 4d 55.6 26.4 41.5 TOT EQU I. 'r 8.3 7.5 6.1 25.0 38.4 3 1.4 5.6 5.7 5.5 A 6' Tu sabes que los gasa se mueven, pues en una habitacion al deciapar un perfume, se hude en toda ella. Ahora, jc6m0 crees que se mueven los gases? a) como si Fuera un muelle lii!!? b) todas las particulas se mueven conjuntamente pasando cada vez por un sitio distinto de la habitación: C) cada partícula se mueve constantemente hacia cualquier direccion: P/ d) no lo se 5O 60 70 810 20 Fiq 6 .- .. TABLA Vlll INVESTIGACION Y EXPERIENCIAS DIDACTICAS TABLA VI1 % RESPUESTAS N" KESP. 33.3 2.9 14.7 ENSENANZA DE LAS CIENCIAS CURSO So 6" 7 " 8 O 1" 2" L 6c 63.9 79.4 4.6 1 13.8 78.5 O 10.0 / 63.3 73 70 y.91 1 :i:: No KESP. 36 34 65 60 73 70 3.1 / 21.6 5.1 6.7 36.7 6.2 2.7 18.8 4.2 1 27.1 4.6 1 5.3 6d 2.8 TOT. EQU l. S 36.1 8.0 VO RESP. EQ. (TOD. o ALG.) (cuest. 4'. 5' y 6') 80.6 67.6 73.8 63.3 71.2 61.4 O 20.6 6.9 7 (. A L E 5 U I v " t' - A C S 6.6 1 8.0 5.4 6.2 5.3 5.8 r 106 - - - - ~50. - ! I o - N E S -