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Representaciones mentales, lenguajes y códigos en la enseñanza de ciencias naturales. Un ejemplo para el aprendizaje de concepto de reacción química a partir del concepto de mezcla

Representaciones mentales, lenguajes y códigos en la enseñanza de ciencias naturales. Un ejemplo para el aprendizaje de concepto de "reacción química" a partir del concepto de "mezcla
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  ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1), 107-121107 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA REPRESENTACIONES MENTALES, LENGUAJESY CÓDIGOS EN LA ENSEÑANZA DE CIENCIASNATURALES. UN EJEMPLO PARA EL APRENDIZAJEDEL CONCEPTO DE  REACCIÓN QUÍMICA A PARTIR DEL CONCEPTO DE  MEZCLA GALAGOVSKY, LYDIA R. 1,2 , RODRÍGUEZ, MARÍA ALEJANDRA 2 , STAMATI, NORA 2 y MORALES, LAURA F. 21 Centro de Formación e Investigación en Enseñanza de las CienciasFacultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos AiresCiudad Universitaria, Pabellón II. 1428 Buenos Aires. Argentina 2 Universidad Nacional de General San Martín, Peatonal 52. 3568 (1560) Provincia de Buenos Aires. Argentinalyga@qo.fcen.uba.ar Resumen. Las propuestas formuladas por Johnstone acerca del uso de tres niveles de representaciones mentales para quien enseñaquímica y de un modelo sencillo de aprendizaje basado en la importancia de los aprendizajes previos son el marco teórico del presentetrabajo. Nuestro objetivo se centró en indagar la adquisición del aprendizaje del concepto de reacción química  a partir del concepto de mezcla , sobre dos grupos de alumnos diferentes, de 16-17 años. El trabajo nos permitió revisar críticamente el marco teórico, tomar conciencia de la diversidad de lenguajes que utilizamos durante la enseñanza y de la importancia de explicitar los códigos de cadalenguaje para mejorar la comunicación entre docentes y alumnos. Palabras clave.  Memoria, lenguajes, representaciones mentales, reacción química, mezcla. Summary.  Johnstone’s suggestions concerning three levels for mental representations of the chemical thinking and a simple learningmodel based on the importance of the knowledge already achieved are the theoretical frame for the present work. Our aim was toinvestigate the acquisition of the concept of chemical reaction starting with the already known concept of mix, with two groups of students of 16-17 years old. The work done allowed us both to do a critical review of the theoretical frame and to be aware of thediversity of languages we use to teach. This last point showed us the importance of making explicit the codes within each language usedin order to enhance communication between professors and students. Keywords. Memory, languages, mental representation, chemical reaction, mix. INTRODUCCIÓN Las investigaciones y propuestas hechas por el profesor Johnstone (1982, 1991, 1997, 1999) concernientes a la en-señanza de las ciencias y, en particular, de la química, ba-sadas en teorías de funcionamiento de la memoria, brin-dan una plataforma teórica muy interesante para elaborar y poner a prueba hipótesis relacionadas con procesos deenseñanza y aprendizaje de temas de química en el aula.En el presente artículo mostramos una indagación de tipocualitativo que nos permitió, por un lado, confirmar la afir-mación de Johnstone que dice: «Lo que realmente sabe-mos y entendemos controla lo que aprendemos.»; y, por otro lado, reformular la propuesta de este autor acerca delos tres niveles de pensamiento que se requieren para sa- ber química (Johnstone, 1991).  INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 108ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) EL MARCO TEÓRICO La memoria perceptiva y los aprendizajes previos con-dicionan lo que aprendemos La mayoría de los conceptos que nos son familiares tienenalgo de tangible, algo que puede ser reconocido por nues-tros sentidos. El aprendizaje de este tipo de conceptos nosresulta más sencillo que el de conceptos abstractos.Johnstone (1991) plantea que la mayoría de los conceptosque se utilizan en química no tienen un medio sencillo ydirecto de ser percibidos por vía sensible. Cuando habla-mos de elemento  o compuesto , no tenemos una forma in-mediata de hacer percibir estas ideas a los estudiantes.Ejemplos de elementos pueden ser polvos amarillos, gasesincoloros o líquidos marrones, pero éstos también puedenser ejemplos de compuestos o de mezclas. ¿Cuáles son sus puntos en común, cuáles son sus rasgos diferenciales? Paraun experto, estos aspectos son evidentes, pero ¿son tan sen-cillos de comprender para un alumno que comienza a apren-der química?Conceptos tales como electrón, unión química, fotones,molécula s, etc. son ideas que están más allá de nuestrossentidos, y los alumnos no tienen experiencia previa queles facilite dar un significado preciso a estas palabras.Las investigaciones sobre educación en química revelanque, aunque demuestran cierta habilidad en aprobar losexámenes, los estudiantes evidencian errores conceptua-les difíciles de superar (Ben Zvi, 1992; Taber, 1998).Para poder hacer inferencias acerca de posibles explica-ciones sobre esta distancia entre lo que se enseña y lo querealmente aprenden los alumnos, Johnstone (1997, 1999) propone utilizar el modelo de aprendizaje que se muestraen la figura 1 partiendo de las siguientes premisas: a)  Las percepciones que registramos a través de los senti-dos no son objetivas, están filtradas e interpretadas en for-ma idiosincrática. b)  Lo que ya sabemos, lo que está guardado en nuestro banco de memoria a largo plazo (MLP) (Mayer, 1985), eslo que controla la significación que damos a las nuevasinformaciones sensoriales que recibimos, es decir, condi-ciona nuestro filtro perceptivo. c)  Nuestra memoria de trabajo (MT) es esa parte de nues-tra actividad mental que, conscientemente, presta atencióna una situación dada y piensa sobre ella. Es la que se fijaen la percepción que ha entrado y trata de otorgarle unsentido. d)  Dar sentido a algo es colocarlo, ubicarlo, agregarlo aalgo ya conocido o a algo en que se cree. e)  La MT tiene dos funciones: una es sostener momentá-neamente la información en el foco de la atención –en lamemoria de corto plazo– y la otra es darle un formato a esainformación para guardarla, utilizarla o decidir descartar-la. Esta memoria de trabajo tiene una capacidad limitada,saturándose si la cantidad de información recibida es dema-siada o si su procesamiento es demasiado complicado.  f) Una información que satura o sobrepasa la capacidad deMT de un sujeto no podrá ser procesada por él.Cuando un alumno se encuentra por primera vez con con-ceptos de química, sus sentidos ya no le permiten aprender mediante la percepción directa. Los conceptos de la quí-mica son entes abstractos, mediados por interpretacionessimbólicas. Los docentes intentamos hacer dibujos, analo-gías, experiencias de laboratorio, además de dar definicio-nes, reglas, leyes y teorías, pero, aun así, estas accionesacaban provocando bases conceptuales erróneas o forzan- Figura 1 Modelo de aprendizaje propuesto por Johnstone (1997) en que se muestra cómo los aprendizajes anteriores condicionan los nuevos. Memoria de trabajoCircuito de retroalimentación del filtro perceptivoEventosObservacionesInstrucciones    F   i   l   t  r  o  p  e  r  c  e  p   t  u  a   l Interpretar Acomodar Comparar Guardar Preparar Guardar Algunas veces muyrelacionadaAlgunas vecesfragmentadaRecuperar Memoria de largo plazo   Filtroperceptual  ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1)109 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA do a aprendizajes memorísticos, fragmentados e, incluso,sin sentido. Niveles de representación mental para los fenómenosnaturales Johnstone (1982, 1991) propuso para las ciencias natura-les, y para la química en particular, los niveles macroscópico, submicroscópico y  simbólico  de pensa-miento, relacionados en el triángulo que se muestra en lafigura 2.El nivel macroscópico   corresponde a las representacionesmentales adquiridas a partir de la experiencia sensorial di-recta. Este nivel se construye mediante la información pro-veniente de nuestros sentidos, basada en propiedadesorganolépticas, visuales, auditivas y táctiles. Todos lossistemas materiales que manipulamos podemoscaracterizarlos mediante descripciones sensoriales queaportan información a este nivel. Un vaso con un líquido,un vaso vacío o un vaso con un polvo se perciben de esaforma. Suponer o interpretar que el líquido puede estar puroo ser una solución, que el vaso vacío está lleno con unasolución gaseosa (aire) o que el polvo es una mezcla im- perceptible con una composición dada, no son percepcio-nes directamente inferidas del nivel macroscópico.El nivel  submicroscópico , según Johnstone, hace referen-cia a las representaciones abstractas, modelos que tiene ensu mente un experto en química asociados a esquemas de partículas. Ejemplos de este nivel son las imágenes deesferitas que solemos utilizar para describir el estado sóli-do de una sustancia pura, o sus cambios de estado, o sustransformaciones químicas, que se corresponden con unarepresentación mental de lo que sucede según el modelo particulado de la materia.El tercer nivel, el  simbólico  ,  involucraría formas deexpresar conceptos químicos mediante fórmulas,ecuaciones químicas, expresiones matemáticas, gráficos,definiciones, etc.Según este triángulo, un experto en química que piensa enla reacción entre el nitrato de plata y el cloruro de sodio,ambos en solución acuosa, estaría manejando simultánea-mente los tres niveles de pensamiento. Por ejemplo:En el nivel macroscópico ,   el experto sabe que al combinar ambos líquidos incoloros y transparentes se produce un precipitado blanco. Simultáneamente, puede pensar en el nivel submicroscópico  y describir la reacción mediante unesquema de partículas como esferitas, en el que se repre-sentan reactivos, productos y, eventualmente, el solvente.Estos esquemas de partículas utilizan formas y colores queotro experto –otro profesor– podría identificar fácilmente porque puede reconstruir mentalmente el sistema apropia-do. El alumno, en cambio, puede creer que así se «ven»los átomos, incluso con esos colores.Finalmente, en el nivel simbólico  podríamos relatar lo ocu-rrido con palabras, o mediante fórmulas, por ejemplo, es-cribiendo: AgNO 3 + NaCl →  AgCl + NaNO 3 o bienAg 1+ (aq) + NO 31-  (aq) + Na 1+ (aq) + Cl 1- (aq)  →  AgCl (s) + NaNO 3 (aq) Un docente que está explicando este fenómeno químico asus alumnos está pensando en los tres nivelesrepresentacionales propuestos por Johnstone, simultánea-mente, aunque en su discurso sólo explicita informaciónen cada uno de ellos alternativa y secuencialmente. El do-cente, en general, no es consciente de la demanda real quedebe soportar la memoria de trabajo de los alumnos, para procesar la información que está recibiendo, ni de que paraellos los dibujos y explicaciones no tienen anclaje directoen la percepción macroscópica del fenómeno.Las investigaciones de otros autores reforzarían los pro- blemas planteados por Johnstone, en el sentido de que losalumnos no manejan simultáneamente los nivelesrepresentacionales indicados, al intentar explicar un fenó-meno químico. Boujaude (1991) estudió la comprensiónde la combustión y Gabriela y otros (1990) estudiaron lacomprensión de reacciones químicas y procesos espontá-neos y encontraron que los estudiantes tienden a explicar fenómenos químicos usando, fundamentalmente, un crite-rio visual relacionado con las propiedades macroscópicas.Asimismo, la comprensión de los estudiantes acerca de lasfórmulas químicas y de las ecuaciones está muy relaciona-da con la conceptualización que hayan hecho sobre las partículas. Numerosos estudios (Ben Zvi, Eylon ySiberstein, 1982; Yarroch, 1985; Maloney y Friedel, 1991;Friedel y Maloney, 1992) indican que los estudiantes dequímica de nivel secundario no asocian las fórmulas quí-micas con una apropiada representación de nivel particulado, muestran dificultad en relacionar el subíndicede las fórmulas químicas con el número apropiado de áto-mos en dibujos que representaban las partículas o cuandose les pedía que las dibujaran ellos. Yarroch demostró quelos estudiantes no distinguen entre los coeficientes que preceden a las fórmulas y los subíndices que indicanatomicidad. Niaz y Lawson (1985) también encontraronque, incluso entre los estudiantes que eligieron química Figura 2 Niveles representacionales en química, según Johnstone (1982). NivelmacroscópicoNivelsimbólicoNivelsubmicroscópico  INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA 110ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1) como asignatura complementaria, se ponía de manifiestola dificultad para ajustar ecuaciones.Todos estos autores coinciden en que las ideas sobre ladiscontinuidad de la materia, sobre que sus partículas es-tán en movimiento y que una colección de esas partículastiene propiedades diferentes de las de una sola de dichas partículas, no son ideas intuitivas. Estas y otras ideasrelativas a las propiedades de la materia son muyabstractas y, consecuentemente, difíciles de entender  para los alumnos. OBJETIVOS DE LA INDAGACIÓN El objetivo de nuestra investigación fue el de poner a pruebala aplicabilidad del triángulo de Johnstone durante el pro-ceso de aprendizaje de química, centrándonos en la cons-trucción del concepto de reacción química. Las preguntas que guiaron la investigación fueron:1) ¿Cuáles son los niveles representacionales de la quími-ca más accesibles para los alumnos?2) ¿Cuáles son las dificultades u obstáculos epistemológicosque entorpecen la movilidad entre los nivelesrepresentacionales?3) ¿Son los niveles representacionales de Johnstone (1982)aplicables a una investigación sobre aprendizaje, o son sóloaplicables como sugerencias para la enseñanza?4) ¿Qué tipo de acciones didácticas favorecerían la movi-lidad entre niveles representacionales?Dado que nos centrarnos en el aprendizaje del concepto reacción química  en alumnos de 16-17 años que ven quí-mica por primera vez en la escuela, y dada la complejidadde este concepto (Solsona et al., 1998, 2001), los objetivosespecíficos de este trabajo fueron:1) Detectar las representaciones mentales de los alumnosacerca de la experiencia de producir una reacción químicaexclusivamente a partir del calentamiento de una mezcla(caso azufre y limaduras de hierro).2) Analizar la validez de la aplicación de los tres nivelesde representación de Johnstone en alumnos que debenaprender el concepto de reacción química  por primera vez. DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA Metodología La indagación fue de tipo cualitativo, según un paradigmainterpretativo con diseño descriptivo. Este diseño nos per-mitió recoger información, identificar dificultades, reali-zar comparaciones y evaluaciones y proponer posibles cam- bios en la práctica pedagógica del campo de la química en particular. En este sentido, la muestra de alumnos selec-cionada no se considerará representativa del universo dealumnos que cursan química en el nivel seleccionado. Deningún modo pretendemos llegar a abstracciones genera-les de carácter universal, ya que concebimos la realidadeducativa como múltiple e intangible; por lo tanto, la in-vestigación en este campo tenderá a diverger y no podrádeterminarse una única verdad, ni será posible la predic-ción ni el control (Colás Bravo y Buendía Eisman, 1994).La propia docente de las clases recogió los datos, basadosen la observación con registro simultáneo y posterior delos hechos ocurridos en clase, y las respuestas a los cues-tionarios. Todas las actividades realizadas por los alumnosadmitieron la discusión grupal, pero las producciones es-critas fueron siempre individuales. El análisis de las res- puestas de los alumnos permitió categorizarlas e indicar sus porcentajes, aunque ello no revistió en sí mismo uninterés cuantitativo. Muestra El estudio se realizó con dos grupos de alumnos (Rodríguez,2001): el primero, denominado  grupo A , formado por 20alumnas que cursaban 4º año de bachillerato; el segundogrupo, denominado  grupo B , estaba conformado por 48alumnos varones que cursaban el tercer año de escuela téc-nica con orientación electromecánica 1 . Para ambos gruposéste era su primer curso de química y asistían a tres clasessemanales de química de 40 minutos cada una. En el mo-mento de iniciar la enseñanza del tema de reacciones quí-micas , habían desarrollado idéntica secuencia de conteni-dos: materia, estados y cambios de estado; modelo cinético-molecular; fenómenos físicos y químicos; mezclaheterogénea y homogénea; métodos de separación y frac-cionamiento; sustancias simples y compuestas; estructuraatómica: configuración electrónica; iones; tabla periódica; propiedades periódicas: electronegatividad y electro- positividad; enlaces químicos: iónico, covalente, metáli-co; estructuras de Lewis; nomenclatura y fórmulas deóxidos. Actividades • Actividad 1 Cada grupo de cuatro alumnos recibió dos vidrios de reloj,uno con azufre en polvo y otro con limaduras de hierro,una varilla de vidrio, un imán, un mortero con pilón y uncuestionario (Cuadro I) cuya respuesta debía ser indivi-dual. • Actividad 2 Una vez respondidas las preguntas 1 a 5, los alumnos reci- bían un material adicional: un mechero, un trípode, unatela metálica, una gradilla, un tubo de ensayo, una pinzade madera, un vaso de precipitados con agua, una espátu-la. Luego, se les solicitó que contestaran las preguntas6 a 8 (Cuadro I), siempre con discusión grupal pero conrespuestas individuales.  ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 2003, 21 (1)111 INVESTIGACIÓN DIDÁCTICA Cuadro I Cuestionario de la actividad 1 1) Si se colocan el azufre y el hierro en el mismo vidrio dereloj. ¿Qué se obtiene?2) ¿Cómo de podría esquematizar lo obtenido?3) ¿Podrían separarse nuevamente el azufre del hierro?¿Cómo?4) En caso de responder afirmativamente a la pregunta ante-rior, ¿por qué?5) ¿Es posible producir una reacción química entre el azufrey el hierro? ¿Por qué? Cuestionario de la actividad 2 Teniendo en cuenta el siguiente material: un mechero, untrípode, una tela metálica, una gradilla, un tubo de ensayo,una pinza de madera, un vaso de precipitados y una espátu-la; y empleándolo según consideres más apropiado, respon-de por escrito:6) ¿Cómo puede procederse para verificar lo respondido enla pregunta anterior? (Pregunta 5)7) Caracterice y fundamente el fenómeno producido.8) Realice un esquema que muestre el fenómeno producidoal calentar una mezcla de azufre y hierro. Objetivos de las actividades  Nuestra expectativa era que la mayoría de los alumnos re-cordaría que la mezcla de polvo de azufre y limaduras dehierro tiene la posibilidad de separarse mediante el uso deun imán, ya que esto había sido enseñado unas diez clasesantes, al tratar el tema de sistemas heterogéneos de mez-clas sólidas.Responder a los cuestionarios tenía tres objetivos princi- pales:1) Para las preguntas 1 a 4: indagar los conocimientos pre-vios y las representaciones mentales de los alumnos res- pecto a qué es una mezcla heterogénea y cómo represen-tarla a nivel submicroscópico.2) Para la pregunta 5: indagar sobre obstáculosepistemológicos en la adquisición del concepto de cambioquímico. 3) Para las preguntas 6-8: indagar la facilidad o dificultaden reconocer conceptualmente la diferencia entre una mez-cla y una reacción química, y los niveles representacionalesde Johnstone –macroscópico, submicroscópico y simbóli-co– disponibles para diferenciar, expresar y simbolizar di-chos cambios. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS PARA LAACTIVIDAD 1 Respuestas a las preguntas 1-4 para el grupo A A continuación desglosaremos el análisis de las respuestasde las alumnas a cada pregunta del cuestionario de la acti-vidad 1 . Pregunta 1:  Si colocan el azufre y el hierro en el mismovidrio de reloj, ¿qué se obtiene?Todas las alumnas respondieron que el sistema era hetero-géneo porque presentaba fases. La respuesta evidenciabaque las alumnas poseían conocimiento sobre sistemasheterogéneos. Este tema había sido trabajado en las clasesanteriores desde varios ejemplos, incluido el de la mezclade hierro y azufre.  Pregunta 2:  ¿Cómo podrían esquematizar lo obtenido?El 33% de las alumnas realizó un esquema donde se mos-traba un color amarillo difuso, esparcido y puntitos o rayitasnegras dispersadas en la masa de color amarillo. Este di- bujo mostró claramente que las alumnas representaron lo percibido por sus sentidos: las características del nivel macroscópico  de la mezcla en cuestión.Un 55% de las alumnas empleó en sus esquemas un sím- bolo gráfico para el azufre y otro para el hierro: triángulosy rayitas  , o círculos y cruces, etc.; no agregaron color niexplicación alguna para los símbolos utilizados. Entende-mos que este tipo de dibujos se refieren a la representaciónde un nivel submicroscópico  –según Johnstone– del siste-ma, eligiendo un código de dos formas diferentes paramostrar las partículas que no se ven a simple vista.Un 12% de las alumnas realizó esquemas donde se super- ponían rasgos de los dibujos anteriores: utilizando dos for-mas diferentes para simbolizar las partículas de azufre yde hierro pero, además, al azufre lo pintaron de amarillo ylas partículas de hierro fueron bien remarcadas en color oscuro. Este tipo de representación no se corresponde exac-tamente con ninguno de los niveles propuestos por Johnstone. Son los trabajos de Driver (1981, 1992) los quedan mejor cuenta de esta tendencia según la cual muchosalumnos aceptan el modelo particulado de la materia, peroen sus representaciones mentales adjudican a las partícu-las propiedades observables, características del nivelmacroscópico 2 .La existencia de este nuevo nivel representacional indica-ría que, si bien el triángulo de Johnstone debería tenerseen cuenta al enseñar conceptos químicos –ya que el exper-to tiene movilidad mental entre los niveles macroscópicos,submicroscópico y simbólico–, debe reconocerse que losnovatos, durante el proceso de aprendizaje de dichos con-ceptos, atravesarían por un nivel representacional interme-dio, erróneo, entre el macroscópico y el submicroscópico.Este nuevo nivel, al que hemos denominado nivel de re- presentación semiparticulado  (Fig. 3), daría cuenta de unacorrespondencia entre la forma de representar aspectos perceptivos de un fenómeno y los conocidos trabajos so-
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