Enseñanza y aprendizaje de la modelización

OTROS TRABATOS ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE DE LA MODELIZACION MARTINAND, J.L. Lirespt, Université Paris 7 Versió castellana de Francisco Carbonell Gisbert. I.B. «Fco. Figueras Pacheco)), Alicante SUMMARY A general outline of a research program on the teaching/learning of modelization, being carried out at the moment, is presented. Particular reference is made to the difficulties of learning modelization considering the different types of activities, rhythm, etc. which are suitable to help such learning. As an instance, both relationships force-energy and the atomic model were chosen. 1. PRESENTACION GENERAL 1.1. Importancia del uso de modelos de esta realidad: Para el dominio de la realidad natural, técnica, eco- - más allá de los objetos y propiedades familiares, nómica o social contemporánea, el uso'de los modelos de los procesos fácilmente accesibles y modificables, reviste una importancia fundamental. Son en efecto es preciso imaginar lo oculto, y reemplazar las repremedios de una aprehensión de dos aspectos mayores sentaciones primeras por variables, parámetros, relaENSERANZA DE LAS CIENCIAS, 1986, 4 (l), 45-50 45 OTROSTRABAJOS ciones entre variables. Las nuevas representaciones adquieren entonces un carácter relaciona1 e hipotético. - más a116 de las situaciones simples, es preciso desenredar madejas complejas y así mismo identificar y manipular buenos sistemas describiéndolos con variables de estado y de interacción, relaciones internas entre estas variables, valores de tensiones exteriores. Las nuevas representaciones adquieren entonces un carácter sistemático. Este doble carácter sistemático e hipotético es constitutivo de las modelos que construyen las ciencias y que los alumnos deben pues apropiarse, (L. Von Bertalanffy, J.1. Lemoigne, H. Simon, B. Walliser.) 1.2. Dificultades del aprendizaje de la modelización Las ciencias físicas son evidentemente y desde hace tiempo grandes constructoras y manipuladoras de modelos; los pasos, las actitudes de modelización juegan un papel mayor, apoyándose a la vez en la teoría y la experimentación. Podríamos pues esperar a ver conceder a la modelización una gran importancia en las actividades escolares en el colegio y en el instituto. Es sin duda el caso sobre el plan de las intenciones proclamadas pero en la realidad de las clases y de los manuales, es la imposición de un punto de vista y de un modo de descripción que domina: punto material, vector fuerza, rayos luminosos, átomo, etc ..., no son presentados como modelos, es decir representaciones constuidas, «calculables», más o menos «simplificadas», ni incluso representaciones, sino como la realidad directamente visible. En estas condiciones, es fácil comprender los fracasos en los nifios a quienes les cuesta mucho trabajo unir los modelos presentados a las situaciones reales del laboratorio o de la vida fuera de la escuela (de aquí un cierto rechazo), y que no llegan a hacer funcionar éstos como construcciones hipotéticas y heurísticas, sino como dogmas definitivos y cerrados. 1.3. Hacia una enseñanza de la modelización No se trata de concluir de estas dificultades la supresión de toda ensefianza fisica antes del Instituto. Pero es importante reflexionar más profundamente en la modelización para transformar los contenidos de la ensefianza: ~Qué se hace modelizando? ¿Qué es lo que esto aporta? ¿Cómo funciona esto en el pensamiento científico?. Es preciso también conocer mejor cómo los niños se las arreglan cuando modelizan espontáneamente o buscan apropiarse un modelo (problemas de ((lectura» de la realidad segiin un punto de vista, de descripción de ésta, de construcción de representaciones, de manipulación de simbolismos, de confrontación con la realidad). Se trata por último de preguntarse qué tipos de actividades espedficas es posible proponer en clase; ¿con qué medios? ¿Qué sugCstiones de progresiones, de rit46 mos de aprendizaje, pueden ser propuestos a los maestros para organizar la enseñanza? Un tal programa de trabajo supone conjugar un análisis epistemológico del problema, la preparación, la conducción y evaluación de ensayos didácticos en clase, la observación precisa de marchas individuales o en pequefios grupos. 1.4. Elección de los campos: fuerza-energia, modelo atómico A todas las disciplinas científicas y tecnológicas les concierne a priori la modelización y la tarea de mejorar la ensefianza y el aprendizaje se impone a todas. Entre ellas las ciencias físicas, y particularmente la mecánica (cuerpos rígidos y medios continuos), han sido sin duda las primeras en la historia en poner en evidencia, de forma explícita, la modelización y a dominarla. Aunque encontremos ahora los mismos problemas tanto en termodinámica, química, biológica y ciencias sociales, parece pues juicioso dirigir el esfuerzo de la investigación didáctica a propósito de la modelización sobre las ciencias físicas. Tanto por las analogías y convergencias, como por las diferencias de cuestiones que plantean a este respecto (magnitudes y relaciones entre magnitudes, papel del espacio real y representativo, modos de simbolización) dos campos parecen particularmente interesantes para este estudio: - la mecánica-energética, con la esquematización de fuerzas y el concepto de energía, - la estructura de la materia y la reacción química con los modelos atómicos. Con la introducción de las ciencias físicas en la ensefianza secundaria elemental (1 1-14 afios) y en la escuela primaria, las necesidades y posibilidades de conceptualización y de modelización aparecen muy pronto (Martinand, 1984; Mehuet, 1982). Pero teniendo en cuenta los programas actuales y las investigaciones anteriores, es razonable interesarse por las clases que van desde 4' (13-14 años) al final de la secundaria. Más precisamente, se trata de estudiar según la orientación presentada arriba, los períodos de primera aproximación sistemática: - la fuerza y la energía, desde 3" (14-15 afios) al final (18 afios). - el modelo atómico, en 4O, 3" y 2". 1.5. Objetivo de la investigación: conocimiento de los alumnos y proposiciones curriculares En cada uno de estos campos, y teniendo en cuenta el hecho que la confrontación entre los dos campos debería permitir enriquecer y generalizar los resultados obtenidos, se trata para nosotros: ENSERANZA DE LAS CIENCIAS OTROSTRABAJOS - de hacer el balance del problema de la modelización en la ensefianza (estudio de programas y manuales), - de preparar, conducir y observar secuencias de ensefianza-aprendizaje con algunos alumnos, - de preparar y evaluar, con ensefiantes, actividades de clase. El objetivo de este trabajo es la puesta a punto de ayudas didácticas o de materiales para la formación de maestros (en particular: descripción y análisis de actividades sobre la modelización), propuestas ((curriculares)) (sugerencias de modificaciones de contenidos de programas, teniendo en cuenta la perspectiva a largo plazo que requiere el aprendizaje de la modelización). Presentaremos ahora la situación del tema en cada uno de los dos campos elegidos y el plan de investigación. 2. LA MODELIZA~ION EN LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA 2.1. Situación actual del tema propuesto La ensefianza de nociones relativas a la estructura de la materia y su papel en la modelización de fenómenos físico-químicos es, después de los años 60, el objeto de programas de ensefianza, de innovaciones y de investigaciones en Francia y en el extranjero. Un primer análisis de ensefianzas realizadas en este campo pone en evidencia su diversidad en los siguientes aspectos: - la complejidad del modelo propuesto - papel que le es atribuido. En ciertos casos es utilizado para explicar y prever los resultados experimentales, en otros, funciona más bien como una imagen, es poco utilizado de forma operatoria. - estrategias didácticas propuestas: elaboración por los alumnos mismos de un modelo (proyecto danés «Ask Nature)) por ejemplo) o al contrario transmisión por enseñanza (proyecto escocés) «Science for the 70's)) por ejemplo). Estudios llevados a cabo por Piaget y sus colaboradores (Piaget-Bliss) (Piaget-Inhelder 1962) describen diferentes estados de elaboración de un modelo particular de la materia por nifios de 10 a 13 años. Este modelo ((espontáneo)) posee un carácter operatorio limitado (disoluciones). Ciertas investigaciones Good et al 1979; Godstein, 1978) establecen una relación entre el acceso al estado formal en el sentido piagetiano del término y la utilización fructífera de un modelo particular en química. Ciertos trabajos (Bensaude y otros, 1984) muestran la importancia de la elección del vocabulario durante tal ensefianza, ciertas palabras son utilizadas por los alumnos con preferencia a otras. De manera general, los estudios llevados a cabo en este campo permiten delimitar los obstáculos encontrados durante la ensefíanza de tales modelos. Una de las dificultades así encontrada puede ser formulada en términos de rechazo de la existencia del vacío (Mehuet, 1982) o de representación continua de la materia (Pfunt, 1981). Otra dificultad puede ser formulada en términos de rechazo de la noción de interacción entre partículas (Mehuet, 1982) o de transmisión a las partículas de las propiedades macroscópicas (Driver, 1984, Sere, 1984). 2.2. Plan de investigación 2.2.1. Objetivo .general de los trabajos l En los programas francesesactuales, la representación de tales modelos está claramente excluida en las clases de 6O y 5 O. Las primeras nociones sobre la estructura de la materia son introducidas a propósito de los metales y de las soluciones iónicas. Esto conduce pues a presentar el átomo como constituido de un núcleo y de electrones. La discontinuidad de la materia no está considerada como objetivo de un aprendizaje específico. Es más bien presentada en los programas y obras escolares, como una evidencia. Su aceptación por los alumnos no es casi puesta en duda. Uno de los objetivos de nuestro trabajo consiste pues en observar la adquisición de esta noción de discontinuidad por los alumnos de los colegios e institutos franceses, en el cuadro de los programas actuales. Esto nos permitirá precisar la amplitud de las necesidades para un aprendizaje específico de esta noción y proponer elementos para la construcción de tal aprendizaje, si éste se comprobara necesario. 2.2.2. Programa de los trabajos Primer año (1985): Estudio de los razonamientos de los alumnos de colegio e instituto a propuesta de la estructura de la materia. Las nociones abordadas estarán limitadas a la divisibilidad de la materia por los métodos físicos simples y a la existencia del vacío. Primer y segundo trimestre 1985: - .Elección de las situaciones experimentales soporte de cuestionarios - Elaboración de cuestionarios - Recogida de datos: entrevistas individuales- ; cuestionarios escritos. I l Tercer y cuarto trimestre 1985 - Primer trimestre 1986 ~ - Análisis de los datos: dos direcciones principales del análisis. ¿Hay una cierta homogeneidad de respuestas para un 1 ENSERANZA DE LAS CIENCIAS OTROS TRABAJOS niño dado y así pues niños más bien ((continuistas)) y fiantes en los encuentros de perfeccionamiento; esniíios más bien «discontinuistas» con relación a las sito nos permite precisar cuáles son los saberes y los tuaciones experimentales propuestas? « saber-hacer)) que permiten iniciar una ensefian- ¿Entre las situaciones experimentales propuestas, alza de la mecánica. Las situaciones estudiadas son gunas conducen más que otras a interpretaciones en térsimples, en el sentido que ponen en juego un peminos de discontinuidad? quefio número de objetos de la vida corriente, pero utilizados a la vez de forma inhabitual (báscu- - Elabóración de secuencias de ensefianza la pesa personas, bastL a, pared, etc.. .). Esta elaboración se basará en los resultados obtenidos Otros estudios llevados a cabo en este terreno: precedentemente, particularmente a lo que concierne a) fuerza a la elección de situaciones experimentales de referencia y la elección del método. Este podrá comportar faExisten numerosas investigaciones llevadas a cabo con ses de inducción del modelo por los alumnos, fases de estudiantes que han obtenido el bachillerato. Se cenpresentación de un modelo a partir de representaciotraron sobre los obstáculos encontrados por estos esnes convenientemente elegidas y fases de generalizatudiantes en la comprensión de distintas situaciones exción, ensanchamiento del campo de referencia experiperimentales que ponen en juego la relación entre fuermental. La aplicación en las clases estará precedida de za y movimiento. ensayos «en laboratorios)) con pequeños grupos de El estudio más importante llevado a cabo en Francia alumnos. sobre este tema es el de Viennot (1979). El razonamienSegundo trimestre 1986: to espontáneo en dinámica elemental. Existe una revisión crítica de las investigaciones europeas y anglosa- - Aplicación y observación de estas secuencias de enjonas sobre este tema, hecha por Mc Dermott, en las sefianza' Se observará las actividades actas del Taller Internacional de la Investigación en Diles, las producciones verbales y escritas de los alumdáctica de la Fisica (McDermott 1984). nos en las diferentes fases indicadas anteriormente. Por el contrario no existen investigaciones sobre una Tercer y cuarto trimestre: primera aproximación del concepto de fuerza por los - Análisis de datos recogidos en el curso de las sealumnos de 15-16 afios. Y sobre todo todas estas incuencias de ensefianza. vestigaciones están concebidas en una perspectiva restringida a la dinámica. 3. FUERZA-ENERGIA b) energía Contrariamente a la situación de las investigaciones so3.1. Situación del tema bre el tema de la mecánica, existe poco trabajo de investigación didáctica a propósito del concepto de enerLa investigación que ProPonemos empezar se apoya sogía que pueda conducir a modificaciones de la bre dos tipos de trabajos anteriores del laboratorio. 1Una práctica de la f~rmación de 10s enseaantes en Ciertos autores se interesan por las representaciones que el transcurso de encuentros de reciclaje efectuase hacen los alumnos de la energia: J. Agraba (1982-83) dos en la Universidad de París Y en la Academia en los alumnos de los cursos medios de la escuela elede Creteil. Estos encuentros (stages) han sido ocamental, D.M. Watts y J. Solomon en los alumnos de sión, por una parte para hacer un análisis en Procolegio y de Instituto, R. Duit (1981) en los estudianfundidad del campo conceptual concernido, tetes al principio de 10s est~dios universitarios. niendo en cuenta los límites impuestos por el programa desde 30 al curso terminal y por otra parOtros autores presentan algunas Se~~enciaS de ensefiante, para poner a punto situaciones experimentales za, más o menos amplias, sobre el tema energía, a ~artir susceptibles de preguntas para los ensefiantes y los de actividades experimentales: &abra (1 982-83) Y Genalumnos, y para las cuales es posible proponer diling Y Temme (1982)s Para alumnos de cursos medios, ferentes tipos de análisis con objeto de compararHulin (1982) Para alumnos de instituto. los (análisis evidentes de tipo causal, análisis en términos de interacciones, análisis en términos de 3.2Plan de investigación fuerza y energía) y de trabajar de manera perti3.2.1. Objetivo generBl nente sobre la noción de sistema. Es en 3O, para alumnos de 15-16 años, cuando se in2Por Otra parte, una reciente tesis de tercer cido traducen a la vez los conceptos de fuerza y con- (Khraibani9 1984) propone dar cuenta de las 'Onceptos fundamentales sobre los que se basan muchas ductas de los alumnos ante la ensefianza en situaensefianzas posteriores. ciones experimentales del mismo tipo que aquellas sobre las cuales hacemos trabajar a los enseSon dos conceptos difíciles de aprender para los que 48 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS OTROS TRABAJOS se plantea de forma aguda el problema de su representación al mismo tiempo que el de la representación de los objetos sobre los cuales actúan. El paso de la percepción inmediata de un objeto a la representación de éste no es jamás tarea fácil; depende en efecto del dominio de la exploración considerado (no se representa un automóvil de la misma manera según el concepto de fuerza o energía). Lo que es más, al mismo tiempo que una nueva representación de los objetos, es necesario elaborar una representación de lo que sucede entre ellos. Es la primera vez, en la enseñanza de la física, que los alumnos abordan una magnitud utilizada para describir las interacciones entre sistemas. A este propósito, surgen tres dificultades principales: - Elaborar una nueva representación de los objetos que no borre la representación de los objetos surgida de una simple percepción sensorial o de su utilización familiar pero que, aunque se apoye en esta última, difiere fundamentalmente. - Reunir de forma arbitraria un conjunto de objetos y concebirlo como un sistema caracterizado por el conjunto de variables necesarias para describirlo completamente en el dominio considerado. Autorizarse así a operar una petición de la naturaleza de una forma que difiere de la percepción habitual no tiene riada de actividad banal y espontánea. - Concebir una magnitud que describe algo que no existe más que entre sistemas (la fuerza) o una magnitud que no existe más que en los sistemas, pero que puede transferirse de un sistema a otro (la energía). Abordar tales magnitudes no corresponde a un modo de pensamiento familiar a los alumnos de 15-16 años puesto que desde su más tierna edad, han sido entrenados a considerar las cualidades y los usos de los objetos que los rodean más bien que a juzgar las relaciones que hay entre ellos. 3.2.2. Programa de los trabajos Nuestro proyecto consiste en proponer una enseñanza en 3 que tenga en cuenta lo que, en las diferentes operaciones específicas referidas a los conceptos de fuerza y energía, puede ser presentado con provecho a los alumnos. Nuestras proposiciones estarán acompañadas de sugerencias de secuencias didácticas para las que procederemos a una evaluación sobre la ((factibilidad)) en clase y sobre las experiencias de los alumnos. - Primer aiio: Puesta a punto de secuencias didácticas y evaluación de estas secuencias desde el punto de vista de las progresiones que permiten para la enseñanza. Al lado del análisis de algunas pruebas pasadas colectivamente en clase, se procede a algunos estudios de casos individuaENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS les. Se señala notablemene los alumnos que hayan adquirido un cierto dominio del concepto de fuerza o de energía. Se trata de comprender lo que haya podido facilitar este dominio, en comparación con los alumnos que no hayan sacado provecho de la misma manera de enseñar. Se facilita al máximo los intercambios entre los alumnos que son en algunos casos registrados y analizados. Procedemos nosotros mismos a entrevistas con estos dos tipos de alumnos. - Segundo año: A partir de los análisis efectuados en el curso del primer año, se podrá hacer propuestas de enseñanza que sean experimentadas y evaluadas en una clase (o más si las colaboraciones y los medios lo permiten). Para la evaluación serán tomadas en cuenta de una parte las condiciones de factibilidad de tal ensefianza, de otra parte una estimación de las adquisiciones de los alumnos en las condiciones ideales donde intentaremos situarnos. Se apuntarán las adquisiciones internas en el dominio de los conocimientos indicados y las transferencias ~osibles en otros dominios. 4. COORDINACIÓN DE LOS TRABAJOS Los programas de los trabajos en los dos dominios, si hacen aparecer el paralelismo de las dos investigaciones, no hacen destacar las posibilidades ofrecidas para fecundaciones mutuas. Insistiremos ahora sobre dos momentos: Refl'exibn epistemológica general del laboratorio sobre las nociones de sistema y de modelo, en relaciones con otras investigaciones del laboratorio sobre la simulación con microordenadores, y el papel de la simbolización en la resolución de problemas, así como con los trabajos del Grupo de Investigaciones Coordinadas CNRS (matemáticos, físicos, psicólogos) ((Didáctica y adquisición de conocimientos científicos)). Análisis de las actividades didácticas de modelización propuestas en los programas y manuales. Confrontación (convergencias y divergencias) entre la modelización necesaria en la construcción de las magnitudes fuerza y energía y la modelización atómica de la estructura de la materia. El conjunto de esta investigación se inscribe pues en el marco de las investigaciones curriculares apoyadas a la vez sobre las reflexiones fundamentales (epistemología y pedagogia del modelo), observaciones detalladas de procesos de enseñanza, aprendizaje, ensayos (concepción y evaluación) de propuestas curriculares. Ello debe pues desembocar en un mejor conocimiento de las dificultades y posibilidades de los alumnos a propósito de la modelización de los conceptos fuerza y energía y de la estructura atómica, así como sobre materiales e indicaciones didácticas (propuestas de programas y de actividades en clase, materiales y documentos, y medios de evaluación). OTROS TRABAJOS REFERENCMS BIBLIOGRAFICAS AGABRA, J., 1982-83, Aster, No 19-20, INRP. MAC DERMOTT, L., 1984, Revue critique de la recherhe BENSAUDB, B. et autres 1984, Résultats d'une enquete sur dans le domaine de la mécanique, Recherche en didactiquelques vocables d'orientation scientifique, Signes et disque de la physique, (Ed. du CNRS: Paris). cours dans l'éducation scientifque, sixitmes journées inMARTINAND, J.L., 1984, La construction de la notion ternationales sur l'éducation scientifique, A. Giordan et d'énergie, Compte-rendu du stage INRP de ST PRIX, J.L. Martinand Editeurs, 441448. 1982, ASTER No 20. DRIVER, R., 1984, An approach to documenting the unMEHEUT, M., 1982, Combustion et réaction chimique dans derstanding of 15 years old british children about the parun enseignement destiné 6 des ékves de sWme (1 1 - 12 an~) ticulate theory of matter, Recherches en Didactique de la - Thtse de 3k cycle. Université Paris 7. physique: Les Actes du Premier Atelier Znternational, EdiPFUNDT, 1981, The final link in the division process tions du CNRS, 339-346. or the first building block? Pre-instruccional conceptions DUIT, R., 1981, Students'notion about the energy concept about the structure of substances, Chimica Didactica 7 - before and after physics instruction. Ptoblems concer75-94. ning students'representation of physics and chemistry PIAGET, J., BLISS, J., Les changements d'état de la paraknowledge, Ludwigsburg. fine d'une bougie (non publié). GENZLING, J.C., et TEMME, F., 1982, Construction du PIAGET, J., INHELDER, B., 1962, Le développment des concept d'énergie a l'école élémentaire, Ecole Normale quantités physiques, Chap. V et VI, Delachaux Niestlé, d'Instituteur, Colmar. Paris, 99-1 30. GODSTEIN, M., HOWE, A., 1978, Application of piageSERE, M.G., 1984, Apport d'un modele particulaire a la tian theory to introductory chemistry instruction, Jourcompréhension des actions exercées par les gaz, par des nal of Chemical Education, 55. élkves de 6tme (no publicado). GOOD, R., KROMHOUT, R.A., MELLON, E.K., 1979, SIMON, H., 1974, La science dessystemes, science de I'artiPiaget's work and chemical education, Journal of Chificiel, Epi S.A. Editeurs, Paris. mica1 Education, 56, 426430. SOLOMON, J., Pupils'background ideas about energy. DoHULIN, M., 1982, Présentation de séquences pédagogiques cumento interno. Chelsea College, London s.d. sur l'énergie. Recherche sur 1'Enseignement de la Notion VIENNOT, L., 1979, La raisonnement spontané en dynad'Energie, INRP. mique élémentaire (Paris: Hermann). KHRAIBANI, S., 1984, Thtse de 3k cycle, Université Paris WALLISER, B., 1977, Systemes et modeles, introduction cri7. Registres d'interprétation des éltves et des professeurs tique 6 l'analyse des systemes, Editions du Seuil, Paris. de collkge dans le domaine de la mécanique. WATTS, D.M., 1982, Does sciences education meet the needs LE MOIGNE, J.L., 1984, La théorie du systeme général. of today's school-leavers? A case study of the concept of Théorie de la modélisation, PUF, Paris, 2eme éd. energy. School teacher fellows Summer Conference. 50 ENSERANZA DE LAS CIENCIAS