I.1.Fundamentos de la propuesta de enseñanza

El estudio de la química requiere la interrelación de tres niveles de conocimiento acerca de la materia: el nivel macroscópico, el submicroscópico y el simbólico. Desde los primeros cursos de la educación secundaria, los alumnos deben progresar paralelamente en un conocimiento fenomenológico acerca de las propiedades y cambios de la materia -esencialmente descriptivo y observacional- junto a un conocimiento explicativo -en este caso interpretativo y basado en modelos sobre entidades no visibles como los átomos, moléculas, enlaces,…, lo que requiere el empleo de representaciones diversas como las fórmulas y ecuaciones químicas, partículas y redes cristalinas, diagramas de estado,..., que configuran el lenguaje simbólico propio de la química. El paso de un nivel a otro, y la necesaria relación que debe establecerse entre ellos, no es fácilmente percibida y comprendida por quienes aprenden, como se ha puesto de manifiesto en diferentes trabajos (Gabel, 1999; Valcárcel y otros, 2000; Caamaño, 2003; Sánchez y Valcárcel, 2003; entre otros).

Una dificultad añadida, sobre todo para los estudiantes más jóvenes, es la presentación en un tiempo demasiado breve de las diferentes teorías científicas escolares que habitualmente se presentan acerca de la materia en el nivel submicroscópico: la teoría cinética–corpuscular, la atómica, la atómico-molecular y la del enlace químico. Cada teoría establece relaciones de correspondencia entre los objetos (sólido, sustancia pura, mezcla...) y fenómenos (cambio de estado, dilatación, reacción química…) del nivel macro y los modelos idealizados que incluyen la existencia de entidades desconocidas (partículas, átomos, moléculas, enlaces...) en el nivel submicroscópico, lo que permite explicar y predecir el comportamiento fenomenológico. Sin duda, los aprendizajes que realicen los alumnos sobre estos contenidos son determinantes para poder adoptar una visión científica de la materia. Dicha visión requiere no sólo conocer los presupuestos de las diferentes teoría sino el desarrollo de estrategias de razonamiento que hagan posible el establecimiento de relaciones entre los tres niveles de conocimiento (macro, submicro y simbólico). Básicamente, dichas estrategias son de dos tipos: de razonamiento causal y de razonamiento analógico, siendo este último imprescindible para un aprendizaje comprensivo de las teorías y modelos acerca de la materia.

La investigación didáctica en química ha evidenciado que los resultados de aprendizaje sobre la estructura y composición de la materia, a pesar de su enseñanza reiterada a lo largo de la educación secundaria, no son nada satisfactorios (Hierrezuelo y Montero, 1991; Llorens, 1991; Pozo y otros, 1991; Garnett y Hackling, 1995; Pozo y Gómez, 1998; Caamaño, 2003; Valcarcel y otros, 2005). Así, en general, los alumnos presentan:

a) errores conceptuales frecuentes en la descripción macroscópica de la materia acerca de conceptos claves (estado de agregación, sustancia pura, compuesto químico, elemento químico, cambio de estado, cambio químico);

b) escasa comprensión de las entidades conceptuales y de las relaciones que definen las diferentes teorías acerca de la composición y estructura de la materia (partícula, átomo, ion, molécula, electrón, enlace químico, sólido covalente, sólido cristalino, enlace iónico, energía reticula...), así como de las representaciones que se hacen de las mismas en el nivel simbólico;

c) escasa capacidad para dar explicaciones a las propiedades características de la materia (nivel macroscópico) desde las teorías científicas escolares presentadas (nivel submicroscópico).

Editorial Oxford. Física y Química. 3º ESO, pg. 5

Dado que el aprendizaje de estos contenidos tiene un origen exclusivamente escolar, debe concluirse que las propuestas de enseñanza sobre las teorías escolares acerca de la materia resultan infructuosas para transmitir y generar en los alumnos el conocimiento químico deseable. La comprensión y utilización de las teorías sobre la estructura de la materia requiere que los alumnos participen más activamente en su reconstrucción y encuentren sentido a estos conocimientos. Para ello, desde hace más de dos décadas, se viene reclamando un mayor uso de actividades centradas en el uso de analogías al entender que pueden ofrecer las oportunidades necesarias, mediante el razonamiento analógico, para que los alumnos comprendan y encuentren sentido a las teorías escolares sobre la estructura de la materia (Duit, 1991; Dagher, 1995). Las analogías favorecen la visualización de conceptos teóricos y abstractos (sustancia pura, elemento químico, átomos, moléculas, enlace...) y activan las estrategias de razonamiento analógico, imprescindibles para comprender y dotar de sentido estos contenidos; también resultan claves para comprender mejor la naturaleza de la Ciencia (Lawson, 1993; Wong, 1993; Glynn, 1995).

Journal Chemical Eucation, vol.70, nº1, pg. 649

El uso de analogías resulta coherente con una concepción del aprendizaje científico entendido como un proceso gradual y evolutivo que conlleva la modificación y reconstrucción de los modelos mentales de los estudiantes (Sanmartí, 2009). Las teorías científicas escolares sobre la materia postulan la existencia de entidades (partículas, átomos, moléculas, enlaces, redes, agregados,..) que deben ser vistas por los estudiantes como algo valioso para explicar y predecir sus propiedades y cambios. En torno a estas entidades abstractas se modeliza la realidad en una dimensión no perceptible, submicroscópica, pero que debe ser imaginada y reconstruida progresivamente con cada nueva teoría, integrando las diferentes entidades que incluye, para que esta dimensión de la realidad tenga sentido. El uso de analogías favorece la comprensión del proceso de modelización, así como la existencia de diferentes teorías y modelos para una misma entidad, un hecho clave para comprender la naturaleza de la ciencia. Por tanto, las primeras ideas que construyan los estudiantes acerca de estas entidades creemos que tienen una especial relevancia para dotar de sentido al aprendizaje científico.

Por ello, aunque las analogías puedan utilizarse en diferentes tópicos sobre la estructura y composición de la materia, nos parece deseable que los alumnos comiencen a utilizar las analogías en el estudio de los estados de agregación de la materia y la teoría cinético-molecular pues es la puerta de entrada a la dimensión submicroscópica de la materia y a los procesos de modelización.

Sin embargo, investigaciones precedentes están mostrando que la solución mediante analogías al problema de la construcción de modelos científicos no es fácil, pues comporta riesgos y dificultades (Coll y otros, 2005). Así, los alumnos pueden aprender el modelo en vez del concepto que se pretende ilustrar, pueden carecer de conciencia de los límites entre el modelo y la realidad que éste intenta representar, pueden interpretar de forma inadecuada la analogía cuando algunos atributos no guardan relación con el tópico, etc. La literatura disponible parece indicar que el grado de interacción entre el alumno y la analogía constituye un elemento clave en su eficacia del aprendizaje, y que tanto las dificultades como las posibles soluciones dependen en gran parte del modo en el que los profesores usen las analogías en sus clases. Por ello, resulta necesario tener respuestas a dos preguntas claves: ¿Qué cualidades debe tener una analogía para que sea utilizada por los profesores? ¿Cómo debe utilizar el profesor las analogías para que favorezca el aprendizaje de los alumnos?

Debe entenderse, en relación con la primera cuestión, que una analogía es un proceso en el que se compara y relaciona una situación familiar conocida (análogo) con otra nueva o desconocida (tópico). Esta comparación parece actuar como un puente que facilita la conexión entre el conocimiento adquirido previamente y lo que se pretende aprender (Reigeluth, 1983). En una investigación más amplia, González (2002) define las analogías desde un punto de vista estructural y diferencia los elementos (componentes, atributos y nexos) que caracterizan al análogo y al tópico, así como las relaciones que deben establecerse para activar el razonamiento. La siguiente figura muestra la estructura de la analogía resultante de dicha investigación:

El razonamiento analógico conlleva el establecimiento de una trama o relación entre el análogo y el tópico. La comparación puede hacerse entre cada elemento (componentes, atributos y nexos) pero no todas son pertinentes para establecer la trama analógica deseable; así, puede resultar inadecuada o insuficiente cuando sólo se atiende a los atributos, siendo necesario atender a los nexos, es decir, a la relación entre componentes y atributos, y decidir qué relaciones son relevantes en la analogía que se está utilizando (González, 2002). Pero, cuando no se tiene un conocimiento suficiente sobre el tópico, no resulta fácil saber cuándo se debe parar al establecer la relación, produciéndose una transferencia inapropiada de conocimiento (Gentner, 1983). Por ello, en torno a un objeto de estudio, no todas las analogías tienen la misma utilidad didáctica.

En cuanto al segundo interrogante (¿cómo debe utilizar el profesor las analogías para que favorezca el aprendizaje de los alumnos?), aunque existe un interés creciente en nuestro contexto educativo como prueban algunos trabajos (Aragón y otros, 2005; Adúriz-Bravo y otros, 2005; Fernández y Elórtegui, 2005; Oliva, 2006), todavía son escasas las investigaciones sobre propuestas didácticas concretas que sean llevadas al aula. Incluso, en el contexto internacional, nos encontramos en un estadio incipiente pues la discusión se sitúa en la adecuación teórica de las estrategias de modelización atendiendo a fundamentos psicológicos, epistemológicos o didácticos, al carecer de resultados empíricos suficientes (Zook y Di Vesta, 1991; Oliva y otros, 2001, 2003; Thiele y Treagust, 1995; Glynn y otros, 1995; Galagovsky y Adúriz-Bravo, 2001; González, 2002; Coll y otros, 2005; Izquierdo y Adúriz-Bravo, 2005). Este trabajo pretende aportar alguna respuesta al interrogante planteado.

El diseño de la propuesta de enseñanza sobre los estados de agregación de la materia y, más concretamente, las actividades del programa guía donde los alumnos trabajan con analogías, se fundamenta en dos estrategias didácticas: Aprendizaje con Analogías, o modelo ACA (González, 2002) y Modelo Didáctico Analógico o modelo MDA (Galagovsky y Aduriz-Bravo, 2001), que se describen a continuación.

El modelo ACA (aprendizaje con analogías) contempla tres etapas para diseñar la propuesta de enseñanza:

A. Diseño del análogo
El paso inicial es el diseño del análogo, lo que significa tener en cuenta cada uno de los requisitos siguientes:

i) Diseño de un análogo atractivo e idóneo a la edad madurativa, conocimiento e intereses de los alumnos.

ii) Reconocer el grado de semejanza que pueden establecer los alumnos entre el análogo y el tópico. Explorar la trama o relación analógica que puede resultar de la comparación entre ambos.

iii) Analizar las dificultades que pueden surgir en el proceso de enseñanza-aprendizaje para que tenga lugar el razonamiento analógico apropiado. Es decir, las dificultades que pueden surgir al establecer las comparaciones entre la información relevante del análogo y del tópico, comparaciones que van a garantizar la idoneidad de la analogía.

B. Proceso de enseñanza-aprendizaje de la analogía con los alumnos.
El siguiente paso es el diseño de la intervención en el aula. Para ello, se propone trabajar la analogía del siguiente modo:

1. Introducir el tópico. Presentar a los alumnos el tópico, con sus características más relevantes. Esto debe permitir a los alumnos disponer de una representación mental del tópico.

2. Identificar las características relevantes del análogo. Orientar a los alumnos a la búsqueda, identificación y recuperación de la memoria (recordar lo que conocen) de un análogo familiar. Ayudar a la representación mental de un análogo que forme parte de sus experiencias cotidianas, resaltando sus características.

3. Establecer las comparaciones entre el análogo y el tópico. El análogo debe ser convincente, esto es, que presente una relación analógica plausible con el tópico y, por lo tanto, un análogo del que se tiene total seguridad de su similitud con el tópico.

4. Identificar las limitaciones de la analogía. Se propone hacer ver al alumno los campos de validez de las comparaciones establecidas, destacando casos límite para los que no es factible la extrapolación de la analogía. Se pueden explicitar las limitaciones de la analogía en un intento de garantizar que no se transfiera conocimiento irrelevante entre el análogo y el tópico.

C. Evaluación de la analogía.
Por último, es muy importante reflexionar sobre la influencia que puede tener en el aprendizaje del alumno diferentes aspectos relacionados con el contexto en el que se presenta y utiliza la analogía durante la secuencia de enseñanza. En este sentido, González (2002) identifica las siguientes variables contextuales: localización de la analogía en la secuencia (¿fase inicial, desarrollo o final?), forma de presentación (¿verbal, pictórica o mixta?), orientación analógica (¿...se asemeja a, …es similar a, ..?), posición del análogo respecto al tópico (¿antes, durante o después?), nivel de abstracción del análogo y tópico (¿concreto-concreto, concreto-abstracto, abstracto-abstracto?), tipo de relación analógica (¿estructural, funcional, estructural-funcional?), nivel de enriquecimiento de la analogía (¿relación simple entre análogo y tópico, relación enriquecida, relación enriquecida con limitaciones?) y multiplicidad de la analogía (¿uno o varios análogos?). Estas variables contextuales pueden tanto limitar el razonamiento analógico de los alumnos como posibilitar diversas formas de utilización en el aula. No debe olvidarse que por muy alta que sea la semejanza entre el análogo y el tópico, nunca será total y siempre existirán limitaciones en la analogía que pueden llevar al alumno a transferir conocimiento no deseable desde el análogo al tópico. Por ello, si no se atiende a las variables del contexto, es probable que los alumnos adquieran conclusiones erróneas sobre el tópico científico.
En definitiva, con la evaluación de la analogía es posible evitar la transferencia de conocimiento no deseable desde el análogo hacia el tópico y optimizar el proceso enseñanza-aprendizaje basado en analogías

El modelo MDA (modelo didáctico analógico) centra la atención en el proceso de enseñanza-aprendizaje y comprende cuatro momentos:

• Momento anecdótico: la analogía se presenta en forma de juego, o de problema, con consignas que los estudiantes deberán resolver. Cada estudiante, o pequeño grupo, encuentra una forma particular, idiosincrásica de resolver las consignas. En la puesta en común, el rol docente no es señalar respuestas correctas sino garantizar la comunicación entre las diversas propuestas de los estudiantes.

• Momento de conceptualización sobre la analogía: es la búsqueda de consensos sobre cuáles fueron los conceptos fundamentales trabajados en la resolución del problema analógico. Se negocian significaciones, se introduce vocabulario preciso, se elabora conjuntamente un listado de elementos de la información analógica que, luego, tendrán su correspondencia con la información científica destino. Se arma una primera columna de la tabla de correlación conceptual (TCC).

• Momento de correlación conceptual: los estudiantes deben procesar la información científica encontrándole significado y comprensión por comparación con los significados ya aprendidos para la información analógica. Ellos completan la TCC.

• Momento de metacognición: cada estudiante toma conciencia sobre los conceptos conectores que construyó, los conceptos erróneos que descartó y las nuevas relaciones aprendidas. Se discuten los alcances y las limitaciones de la analogía.

Para diseñar la propuesta de enseñanza sobre los estados de agregación de la materia se han seguido las tres etapas del modelo ACA pero, con la finalidad de que el alumno vaya progresando en autonomía durante el proceso de razonamiento analógico, también se ha utilizado el modelo MDA al diseñar el proceso de enseñanza-aprendizaje (etapa B); así, primero siguiendo el modelo ACA, se presentan las analogías para los estados sólido, líquido y gas, y segundo, se utiliza el modelo MDA para los cambios de estado de la materia. En cualquier caso, las estrategias didácticas utilizadas para el tratamiento de todas las analogías que incluye la propuesta de enseñanza son coherentes con un enfoque constructivista del aprendizaje del alumno pues debe activar sus conocimientos iniciales, compartir y negociar significados con otros alumnos y el profesor, aplicar los nuevos conocimientos y revisar lo aprendido.

Resaltar que, durante el diseño de la secuencia de enseñanza, se han tenido muy en cuenta las variables contextuales señaladas por González (2002) pues, como ya se ha dicho, pueden condicionar la utilidad del razonamiento analógico de los alumnos para comprender el tópico científico (modelo cinético particular) y las relaciones entre los tres niveles de la materia (macro, micro y simbólico). Concretamente, las decisiones sobre las variables contextuales han sido:

• las analogías se localizan durante la fase de desarrollo de la secuencia de enseñanza;

• el formato de presentación de las analogías es pictórico-verbal para los estados de agregación;

• las analogías se presentan simultáneamente al tópico para los estados de agregación, y el grado de razonamiento analógico en el análisis de la analogía va en aumento a medida que se aborda cada uno de dichos estados. Para explicar los cambios de estado es el alumno el que, con la mediación del profesor, construye la analogía;

• el nivel de abstracción para todas las analogías es concreto (análogo) – abstracto (tópico);

• la relación analógica promovida, también en todos los casos, ha sido estructural – funcional, es decir, con una alta semejanza entre análogo y tópico tanto en su estructura (componentes, atributos, nexos) como en su semántica (masa, tamaño, distancia, orden, movimiento, etc.);

• el nivel de enriquecimiento ha sido alto, dado que la comparación entre análogo y tópico ha precisado tanto semejanzas (explicaciones) como diferencias (limitaciones);

• por último, también la multiplicidad ha sido alta, dado que se han utilizado cuatro análogos (batallón militar, celebración de una fiesta, partido de fútbol y clase de educación física) para un solo tópico (modelo cinético – particular).