Herramientas Metodológicas Para Aprender Ciencias Naturales

Diego Petrucci: Herramientas metodológicas para aprender ciencias naturales.El perfil conceptual toma como base la idea de que las personas pueden exhibirdiferentes formas de ver y representar la realidad y, como contrapartida, que laconstrucción de nuevas ideas puede ocurrir independientemente de las ideas previas.(Amaral y Mortimer, 2001, p. 15, traducción nuestra).En este contexto, los docentes tienen la misión de enseñar las visionescientíficas del mundo pero también de enseñar los criterios para decidir en qué contextos esconveniente utilizarlas (Pozo y Gómez Crespo, 1998). Por estos motivos no se debe pretenderque los estudiantes abandonen sus propias visiones del mundo (sus ideas previas), sino que seenriquezcan a partir de construir otra: la científica.Si el saber ciencias naturales ofrece la capacidad mirar al mundo desde cadauna de sus teorías, el entorno cotidiano puede ser visto desde las perspectivas científicas. Poreso, al enseñar ciencias naturales es posible tomar ejemplos de la vida cotidiana pararelacionar las cuestiones abstractas que se van enseñando con cuestiones más familiares paralos estudiantes. No sólo es posible, sino que es recomendable, porque facilita el aprendizaje,pues permite vincular los conceptos con representaciones familiares para ellos y ademásporque resulta placentero y motivador. Para comenzar a recorrer este camino, es apropiadoexplicitar algunas cuestiones metodológicas, de modo de ir consensuando con los estudiantesun lenguaje en común.METODOLOGÍA CIENTÍFICAMuchos textos y cursos continúan presentando una visión perimida de lametodología científica, como proceso de descubrimiento de leyes que existen en la naturaleza,pero están escondidas. Pozo y Gómez Crespo (1998) indican que, según esta visión, "elconocimiento científico se basa en la aplicación rigurosa del ‘método científico’ que debecomenzar por la observación de los hechos, de la cual deben extraerse las leyes o principios"(Pozo y Gómez Crespo, 1998, p. 24). Esta imagen se suele completar, mediante la enunciaciónde pasos. Un ejemplo de esta visión deformada de Método Científico se encuentra enWikipedia (2013) (¡que incluye la inducción1!): 1. Observación; 2. Inducción; 3. Hipótesis; 4.Experimentación; 5. Demostración o refutación y 6. Tesis o teoría. Según esta visión, elconocimiento científico surge de la aplicación rigurosa de un método que parte de laobservación de hechos para descubrir leyes. Pareciera que el conocimiento científico secompone de leyes imparciales obtenidas mediante la aplicación rigurosa de un métodoafirmado sobre los hechos, que constituyen una base empírica irrefutable. Desde estaperspectiva la ciencia es objetiva, neutral e independiente de factores histórico-sociológicos;con una evolución lineal y acumulativa que progresa hacia el descubrimiento de las teoríasverdaderas. No hay posibilidad de cuestionarlo o modificarlo, el conocimiento es así, la cienciasólo lo descubre. Esta imagen está por detrás de la metáfora (como la utilizada al inicio deEinstein e Infeld (1986)) según la cual la naturaleza es un misterioso libro y que el trabajo delos científicos es aprender a descifrarlo, para dar con sus leyes. En este marco, a la historia dela ciencia se le imponen los patrones del presente, se evalúa la ciencia de otras épocas a la luzy con referencia al conocimiento y a los valores actuales. Además, el conocimiento científicosería la única forma válida de conocimiento, pues ha sido obtenido por un método puramenteracional y por ello se desvalorizan otras visiones, entre ellas el conocimiento previo de losestudiantes.Revista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología— Volumen 5, Número 2, Junio 2014. Página 4—

Diego Petrucci: Herramientas metodológicas para aprender ciencias naturales.Esta idea «método científico» está muy alejada de la concepción actual de losespecialistas (Adúriz Bravo 2008; Pozo y Gómez Crespo, 1998; Petrucci y Bergero, 2010). Es un«sentido común epistemológico» -algo así como una idea previa sobre la ciencia- que combinaelementos del empirismo-inductivismo del siglo XIX con aspectos del positivismo lógico deprincipios del siglo XX (Lombardi, 1998; Adúriz Bravo, 2008). Esta concepción adolece demuchas deficiencias: La observación nunca es imparcial, sino que depende del marco teórico delobservador. Chalmers (1990) le dedica un capítulo entero a la afirmación «laobservación depende de la teoría». Por su parte, Kuhn (2004) argumenta en estemismo sentido, ejemplificando con la formación de científicos:Las demostraciones conocidas de un cambio en la forma visual resultan muysugestivas como prototipos elementales para esas transformaciones del mundocientífico. Lo que antes de la revolución eran patos en el mundo del científico,se convierte en conejos después. Al mirar el contorno de un mapa, elestudiante ve líneas sobre un papel, mientras que el cartógrafo ve unafotografía de un terreno. Al examinar una fotografía de cámara de burbujas, elestudiante ve líneas interrumpidas que se confunden, mientras que el físico unregistro de sucesos subnucleares que le son familiares. Sólo después de ciertonúmero de esas transformaciones de la visión, el estudiante se convierte enhabitante del mundo de los científicos, ve lo que ven los científicos y respondeen la misma forma que ellos. (Khun, 2004, pp. 176-177).Por lo tanto, mal podría comenzar una investigación por la observación, sin definirpreviamente el marco teórico a utilizar. Justamente los marcos teóricos son los grandes ausentes de esta concepción. Elconocimiento científico se estructura en teorías que modelizan la realidad. Estasteorías son construcciones que explican un conjunto de fenómenos (el movimiento delos cuerpos, la evolución de las especies). Este punto se ampliará más adelante. También están ausentes en esta concepción las preguntas, los problemas y losintereses de los investigadores. El conocimiento científico es provisorio y está sujeto a revisión. Este es uno de losvalores fundamentales que caracteriza a la ciencia y la hace diferente de otras formasde conocimiento. La Mecánica de Newton orientó nuestra imagen del Universodurante 200 años, hasta que la Relatividad y la Cuántica vinieron a modificarla. Nadiesabe cuánto durarán estas teorías vigentes actualmente. En esta concepción está ausente la comunidad científica. Las investigaciones sonrealizadas por personas condicionadas por factores históricos, sociales y culturales.El apartado se inició afirmando que muchos cursos y textos comienzanpresentando una versión ingenua de método científico. Sin embargo, el tema no vuelve atocarse durante el resto del curso o libro. Como si la metodología no interviniera durante elaprendizaje de ciencias naturales. Hay aspectos metodológicos -muy alejados de esta visiónque son muy importantes para la formación en ciencias naturales. Las ideas que caracterizan laconcepción de metodología científica aquí propuesta son: Es un proceso abierto, cuyas fases se determinan en función del área de aplicación, delas problemáticas a investigar, del tipo de estudio y de sus objetivos, del contextoRevista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología— Volumen 5, Número 2, Junio 2014. Página 5—

Diego Petrucci: Herramientas metodológicas para aprender ciencias naturales. histórico y los intereses de los investigadores o la comunidad, de los recursosdisponibles, etc.Es un proceso en el cual los científicos, provistos de un conjunto de herramientasdonde cada una tiene una utilidad específica, deciden cuándo emplearlas sin restringirun único orden de uso. Las estrategias resultantes son variadas y complejas.Esta visión es coherente con una noción actualizada del conocimientocientífico: Se construye a través de un proceso de elaboración de teorías y modelos que intentandar sentido a un campo de referencia, es decir un área de conocimiento, un conjuntode fenómenos (Tiberghien, 1994). Tiene un carácter dinámico, provisorio y depende del contexto histórico.Esta visión sobre la ciencia y su metodología no sólo resulta relevante parafavorecer el aprendizaje de conocimientos, como se argumentará en el siguiente apartado,sino que promueve en los estudiantes una valoración de la ciencia más positiva, coincidentecon el enfoque CTSA (Fourez, 1997).Herramientas metodológicas útiles para aprender ciencias naturalesAlgunas HM resultan útiles para el aprendizaje de ciencias naturales, puesfacilitan el camino al hacer explícitos los procedimientos. A continuación, se presentan lasherramientas que establecen una estructura ayuda a los estudiantes a comprender losconceptos, a desarrollar formas de razonar, de resolver problemas y de tomar decisiones. Porello, se considera importante enseñarlas explícitamente de modo de lograr una buenacomunicación con los estudiantes.Teoría y observaciónLa palabra teoría tiene varias acepciones. Coloquialmente se usa comoespeculación o conjetura, como cuando Mafalda dijo de Guille: «Tiene la teoría de quepeinarse con peine pincha las ideas». Es una idea que guía la acción. En ciencias naturales esalgo más elaborado, aunque sigue siendo una conjetura, una idea que guía a la acción. Sellama teoría a un cuerpo de conocimientos que explica un campo o dominio del Universo.Incluye un sistema conceptual con coherencia lógica interna y un conjunto de procedimientosasociado. Algunos autores piensan que las leyes forman el núcleo de un sistema teórico,también llamado programa de investigación (Lakatos, 1983) o paradigma (Kuhn, 2004) del cualforman parte además hipótesis auxiliares, procedimientos, normas, campo de aplicación y parael segundo autor, valores.Los procesos de elaboración y evaluación de teorías son complejos y productode controversias entre los especialistas. Lo mismo ocurre con la pugna entre dos teoríasrivales. Son cuestiones que forman parte de un interesante debate que tiene lugar en lacomunidad filosófica. Una introducción a estas cuestiones puede encontrarse en textos deFilosofía de las ciencias como Chalmers (1990) o Newton-Smith (1987). Aquí sólo se presentaresumidamente una visión necesariamente parcial. Las teorías científicas surgen en un ciertocontexto social y cultural y luego se desarrollan, evolucionan. Cambian al contexto y elcontexto las cambia. Por supuesto también hay modificaciones que se dan por cuestionesinternas. Cuando una nueva teoría es propuesta, la comunidad científica la examina, laRevista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología— Volumen 5, Número 2, Junio 2014. Página 6—

Diego Petrucci: Herramientas metodológicas para aprender ciencias naturales.cuestiona, la prueba, la revisa y eventualmente, la usa. Algunas pruebas suelen llamarseexperimentos cruciales, pues orientan sobre la validez de una teoría. Pero nunca sondefinitivos, siempre puede hallarse una justificación al fracaso del experimento. Por ejemplo: La órbita de Urano difería notablemente de la prevista por la Mecánica Newtoniana, loque constituía una dificultad para la teoría. Era descabellado desechar la teoría, puesno se contaba con una mejor. Se buscó una explicación desde del marco teórico: ladiferencia podía deberse a la gravedad de algún planeta aún no descubierto, queestaría perturbando su trayectoria. Inspeccionando la región del cielo donde loscálculos indicaban que debía estar ese nuevo planeta, en 1846 se descubrió aNeptuno, lo que resultó un fuerte respaldo a la teoría de Newton. Es un ejemplo depredicción exitosa. Con un error de una magnitud menor, la Mecánica Newtoniana predecía unmovimiento del perihelio de Mercurio distinto del observado. Confiados en el éxito deldescubrimiento de Neptuno, unos 30 años más tarde se postuló un nuevo planetaentre Mercurio y el Sol que explicaría el movimiento anómalo del perihelio. Se propusollamarlo Vulcano, e incluso ¡fue observado! Actualmente se cree que se observaronmanchas solares, confundiéndolas con Vulcano en su tránsito por el Sol (un ejemplo decómo la teoría y los intereses del observador pueden afectar una observación). A pesarde que la teoría de Newton no lograba explicar esta anomalía, siguió vigente. Unateoría no es abandonada por más evidencia empírica que haya en su contra, si no hayuna teoría mejor que la sustituya. Unos cuarenta años después, la teoría General de la Relatividad predecía un cambio enla posición de las estrellas cercanas al Sol, algo impensable desde la visión newtonianadel Universo. El mismo fue observado por Eddington durante un eclipse en 1919, unrotundo éxito de la Relatividad. A veces una nueva teoría explica un fenómeno ya conocido desde mucho antes. Laanomalía en el movimiento del perihelio de Mercurio fue explicada con precisión porla Teoría General de la Relatividad.La Mecánica de Newton ha sido muy importante en física. Consta de tres leyeso axiomas, definiciones, principios y procedimientos. Con la aparición de la Relatividad y laCuántica, la teoría de Newton ya no fue considerada válida. El espacio, el tiempo y la materiano son como lo proponía esa teoría. Sin embargo, se sigue enseñando una versión actual deesa teoría, por su valor cultural e intelectual, pero también porque constituye un valiosoinstrumento de cálculo en las escalas espacial y temporal en que nos manejamoscotidianamente, el mesocosmos. Otras teorías importantes en física son la Relatividad General,la Relatividad Especial, la Mecánica Cuántica, la Teoría Cuántica de Campos, la Termodinámica,la Mecánica Estadística, el Electromagnetismo y quizá la Teoría de Cuerdas (unos especialistasdicen que están construcción y otros cuestionan que sea una teoría). Entre la química y la físicase encuentra a la Teoría Atómica. En biología fue muy importante la Teoría de la Evolución,cuya versión actual -que incluye a la genética- se llama Teoría Sintética. La Geología cuenta conla Tectónica de Placas. Entre la física y la astronomía está la teoría sobre la creación delUniverso, el Big Bang.Buena parte del conocimiento científico actual se encuentra dentro de estosmarcos teóricos. La aparición de cada uno de ellos significó un paso muy importante para laRevista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología— Volumen 5, Número 2, Junio 2014. Página 7—

Diego Petrucci: Herramientas metodológicas para aprender ciencias naturales.humanidad, redundando en un aumento de conocimiento en su campo de aplicación y unimportante crecimiento de la cantidad y calidad de las investigaciones en el tema. Una teoríabrinda una base sólida sobre la cual realizar las pesquisas. Cada teoría implica ver el mundo deun modo particular, porque guía respecto a qué observar, qué instrumentos utilizar, cuálesprocedimientos son adecuados, qué problemas plantear, etc.La coherencia entre teorías es valorada. Es uno de los aspectos que se apreciaal evaluar dos teorías rivales. Entre dos modelos atómicos, la compatibilidad con elelectromagnetismo es una ventaja. Los conceptos sólo tienen sentido dentro de cada marcoteórico. La masa no tiene el mismo significado en mecánica clásica que en relatividad.Igualmente, la energía tiene un significado en mecánica, otro distinto en termodinámica, enquímica, en ecología, etc. La idea de concepto transversal o integrador, tan atractiva para ladidáctica, es problemática desde la filosofía de las ciencias. Sin embargo, hay conocimientoque se ha ido desarrollando entre disciplinas (como la físicoquímica) algunos de los cuales sehan convertido en disciplinas en sí mismas (como la bioquímica). En los últimos años losestudios interdisciplinarios se han multiplicado enormemente (epidemiología matemática,sistemas complejos aplicados a los campos más diversos, etc.) cobrando cada vez mayorimportancia.El surgimiento de la teoría sobre la electricidad como fluido, de Franklin, ilustralas afirmaciones anteriores sobre observación, teoría y metodología científica. En la primeramitad del S. XVIII, antes del establecimiento de este marco teórico dominante, había diversasopiniones sobre la naturaleza de la electricidad, todas basadas en la filosofía mecánicocorpuscular que guiaba las investigaciones (Kuhn, 2004). Distintos experimentos yobservaciones (necesariamente parciales) estipulaban diversos problemas nuevos. La falta deun paradigma hacía que todos los hechos fueran igualmente importantes. Por este motivo, nohabía razones que orientaran la búsqueda de nueva información. Las agrupaciones de hechoseran incompletas e incluían elementos equivocados, por las razones equivocadas. Esto ocurríaporque “ no es extraño que, en las primeras etapas del desarrollo de cualquier ciencia,diferentes hombres, ante la misma gama de fenómenos -pero, habitualmente, no los mismosfenómenos particulares- los describan y lo interpreten de modos diferentes” (Kuhn, 2004, p.43). Estas diferencias desaparecen con el establecimiento de un marco teórico. Incluso lateoría define los problemas a resolver y sugiere qué experimentos vale la pena llevar a cabo.Los científicos dejan de discutir sobre los fundamentos y comienzan a investigarsistemáticamente sobre cuestiones precisas, aún no dilucidadas. Las actividades tienen unadirección definida y la efectividad de las investigaciones aumenta considerablemente. Además,sobrevienen nuevos desarrollos tecnológicos, algunos de uso cotidiano y otros específicospara desarrollar nuevas investigaciones (Kuhn, 2004).Mientras una teoría está vigente, es discutida, cuestionada, repensada,revisada, reinterpretada, una y otra vez. A veces son reformuladas, como ocurriera con losformalismos de Lagrange o de Hamilton en el marco Newtoniano. El universo que conciben esel mismo. La Teoría de Newton sufrió cambios desde la publicación de los PhilosophiæNaturalis Principia Mathematica en 1687. En su versión original, la teoría utilizaba unamatemática llamada Teoría de Proporciones, que se venía utilizando desde la antigüedad.Actualmente se utiliza la notación algebraica, el cálculo infinitesimal, vectores y la gravedad sedescribe utilizando la noción de campo. Si bien Newton ya había desarrollado el cálculoinfinitesimal y seguramente lo había utilizado para resolver varias cuestiones presentes en losRevista Electrónica Iberoamericana de Educación en Ciencias y Tecnología— Volumen 5, Número 2, Junio 2014. Página 8—

Diego Petrucci: Herramientas metodológicas para aprender ciencias naturales.Principia, no podía utilizar una herramienta de cálculo recién creada por él para argumentar sunueva teoría, por eso debió encontrar demostraciones utilizando el viejo método. Debido aque la versión actual -la que se enseña en las escuelas- difiere de la original, es preferiblellamarla Mecánica clásica contemporánea. En resumen, las teorías cambian, evolucionan.Estas son las teorías científicas. Tradicionalmente, algunas conjeturas sonllamadas teorías, utilizando el significado más coloquial del término: teoría de los orbitalesmoleculares, teoría cinética de los gases. Esta es una dificultad extra desde el punto de vista dela enseñanza, pues contribuye a l

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