Habilidades de pensamiento científico

En el proceso de enseñanza-aprendizaje de la ciencia se debe proveer un contexto específico, en el cual el objetivo es desarrollar el pensamiento tanto en su forma crítica como científica; si se hace énfasis en aprender a pensar entonces se promueve la formación integral de los alumnos (^{Zohar, 2006}). Para desarrollar estas formas de pensamiento es necesario que los alumnos adquieran una serie de habilidades, que diversos autores (^{Zohar, 2004}; ^{Resnick, 1989}) han denominado pensamiento de orden superior.

^{Zimmerman (2006)} señala que tanto el pensamiento científico como crítico se alcanzan con el desarrollo de habilidades de pensamiento científico; las cuales se deben ir fomentando a lo largo de la formación de los estudiantes. Estas habilidades tienen en común los siguientes aspectos: el análisis, la aplicación, síntesis y resolución de problemas. (^{Zohar, 2006})

Las habilidades de pensamiento científico que se encuentran reportadas en la literatura, son: la formulación de preguntas, interpretación de la información, diseño de experimentos, argumentación, modelaje y uso de modelos, la indagación, resolución de problemas.

Para que los estudiantes desarrollen las habilidades de pensamiento científico es de suma importancia que los docentes las reconozcan, las identifiquen en ellos mismos y puedan desarrollar estrategias de enseñanza-aprendizaje, así como herramientas de evaluación necesarias para una retroalimentación entre los docentes y los estudiantes (^{Zimmerman, 2006}; ^{Zohar, 2004}; ^{Resnick, 1989}; ^{Zohar y Schwartzer, 2005}; ^{Orduña y Padilla (en proceso)}). También es importante el valor formativo que tales habilidades tienen en los alumnos, las cuales aunque se denominen "científicas" no son exclusivas de las clases de ciencias, por el contrario son habilidades que funcionan y son parte de la formación integral de cada individuo.

En este trabajo, entendemos a las habilidades de pensamiento científico como un conjunto de herramientas cognitivas que le permiten al alumno un acercamiento a los tópicos de la ciencia, pero también le permiten alcanzar una cultura científica relacionada con su contexto cotidiano (^{Zohar, 2006}; ^{Zimmerman, 2006}).

Para el caso del presente trabajo de investigación se considera la habilidad de argumentación como núcleo central, dada su importancia en la comprensión de los fenómenos químicos; sin embargo, se evalúa el uso de modelos como una segunda habilidad que aparecerá dentro del aula conforme vayan adoptando la argumentación como eje central de la clase. A continuación, presentaremos una breve introducción a los modelos y la argumentación, como parte del marco teórico que sustenta esta investigación.

Modelos y modelaje

Los modelos son el resultado de la comprensión de una parte de la realidad cuyo proceso representacional se denomina modelaje (^{Chamizo, 2013}). Los modelos son de utilidad ya que ayudan a definir las partes fundamentales de un proceso y nos permiten transmitirlo a los demás, lo que implica argumentar sobre la utilidad o funcionalidad del modelo. (^{Chamizo, 2013})

La acción del modelaje y el uso de modelos son habilidades de pensamiento científico, debido a que se toman las partes fundamentales de un proceso, fenómeno y/o suceso para dar alguna explicación; el modelaje implica conocer e identificar para trasmitir una información.

Las ventajas que ofrece el uso de modelos es que permite al estudiante entender el papel de la representación en el proceso de investigación científica y transferir esta habilidad para mejorar la comprensión de conceptos específicos, así como entender que los modelos varían su capacidad de aproximación, explicación y predicción de fenómenos del mundo (^{Schwarz et al., 2005}).

Por otra parte el modelaje presenta dos grandes ejes: el primero es que aprender a modelar está relacionado con la comprensión de conceptos desde un punto de vista histórico y el segundo que representa el poder predecir y explicar fenómenos asociados a la comprensión disciplinar (^{Krell et al., 2015}).

En la enseñanza de la Química el uso de modelos es fundamental para la comprensión del nivel submicroscópico, sin embargo no se toma en cuenta que el alumnado ha aprendido y ha "usado" los modelos, sin que se les haga énfasis en: cómo se generan, cómo se realiza un modelo y cómo se usa un modelo; muchas de las respuestas que generan cuando "usan" modelos están asociadas a sus creencias, adoptan modelos que se les han impuesto (sin que los razonen) y que les ayudan a acreditar la clase de ciencias, pero no le encuentran una utilidad práctica, ni sentido en su concepciones personales de diversos fenómenos. (^{Gilbert y Treagust, 2009}; ^{Erduran y Duschl, 2004}; ^{Caamaño, 2003} y ^{Chamizo 2010}).

Argumentación

La argumentación ha sido estudiada desde la antigua Grecia y ha sido comprendida como "el estudio de las razones dadas y utilizadas por las personas para justificar sus creencias y valores, y para influenciar el pensamiento y la acción de otros" (^{Encyclopedia of Rhetoric, 2006}). Sin embargo, de lo que más se habla es del argumento "como el producto de consideraciones diseñadas para apoyar una conclusión...[..] y que puede ser el proceso de hacer y el producto de" (Oxford Dictionary of Philosohy, 2016). Justo en el sentido de proceso de construcción es la definición que dan ^{Toulmin et al. (1979)} en su libro "Introduction to reasoning" en donde definen a la argumentación como todo el proceso de "hacer afirmaciones, retarlas, darles sustento y producir razones, criticar esas razones, rebatir críticas y así sucesivamente" (p.14) es decir es visto como un ciclo en donde el proceso de generar argumentos se va fortaleciendo dado que, dicen, el argumento es "una serie de afirmaciones o premisas y razones interligadas entre sí y que establecen el contenido y la fuerza de la postura desde la cual una persona está argumentando" (p.14). Es decir, la argumentación es el proceso de pensamiento racional basado en la evidencia que utiliza diferentes teorías que lo soporten, reflejado como un argumento que, en ciencia, debe convencer a una comunidad. ^{Kuhn (1993)} sugiere que "pensar como argumento" es una actividad desarrollada por todos los individuos y que está basada en las creencias que las personas tienen, lo que las lleva a generar conclusiones que no siempre están basadas en la evidencia. En su estudio, ^{Kuhn (1993)}, menciona que el pensamiento científico debe ser un objetivo en la enseñanza, ya que una vez adquirido nunca se pierde. En este sentido construye la idea de "Ciencia como argumento" en donde es importante enseñar a los estudiantes a generar argumentos basados en evidencia y no en creencias personales. De esta forma se considera a la argumentación como una habilidad de pensamiento superior que debe desarrollarse en los alumnos en el marco de la expresión de sus ideas y creencias (^{Heng et al; 2014}; ^{Xie, et al., 2012}; ^{Yun, et al., 2015}; ^{Crowell y Kuhn, 2014}; ^{Jiménez-Alexaindre, 2007}).

La argumentación es parte de la Naturaleza de la Ciencia (NdC), ya que engloba características del conocimiento científico y su desarrollo tales como: la discusión, la confrontación de hipótesis y su aceptación o refutación con evidencias experimentales, que permiten darle sustento a modelos creados, y sirve para discutir con las ideas de los pares sobre un mismo fenómeno (^{Sampson y Clark, 2009}).

La argumentación es un pilar de la educación científica y permite el acceso a la llamada alfabetización científica, debido a que la participación de los estudiantes en prácticas argumentativas les ayuda a entender cómo se genera el conocimiento científico, su justificación y la evaluación del mismo, así como su aplicabilidad para resolver problemas (^{Heng et al; 2014}).

Para que los alumnos conozcan, practiquen y desarrollen la argumentación, primero deben ser los docentes quienes comprendan el ejercicio de esta habilidad, ya que es parte integral de su formación y en general de la formación de cualquier individuo; sin embargo, ésta habilidad, no está considerada dentro de la formación de los docentes de ciencia, ya que se da por hecho, lo que dificulta su implementación en las prácticas cotidianas (^{Xie, et al., 2012}).

Los docentes deben fomentar la argumentación como herramienta para justificar premisas aún sin contenido conceptual; debe establecer relaciones entre Naturaleza de la Ciencia y argumentación. Así mismo, el ejercicio constante de la argumentación permite a los alumnos el desarrollo de otras habilidades como el uso de modelos, generación de hipótesis y el hacer preguntas. Es importante que en el aula se fomente la argumentación dialógica a través del cuestionamiento; las discusiones tienen un papel fundamental para concretar los contenidos conceptuales, que serán necesario para la comprensión de otros tópicos curriculares.

Dentro del aula hay que hacer diferencias entre dos tipos de argumentación: la cotidiana y la científica. En términos generales, la argumentación se lleva a cabo cuando el punto de vista individual no es aceptado por los demás (^{Xie, et al., 2012}), pero se vuelve una argumentación científica cuando se hace énfasis en las relaciones del punto de vista con una base teórica y evidencias presentadas, lo cual es una forma de acercar a los alumnos a la construcción el conocimiento científico (^{Yun, et al., 2015}).

La argumentación representa ventajas para los alumnos, ya que no sólo considera aspectos de la ciencia, sino que su ejercicio continuo permite el desarrollo de distintas habilidades, como lo son:

El ejercicio de la argumentación no es fácil de implementar en el aula; sin embargo, existen herramientas que permiten hacerlo de manera más simple. En este sentido la propuesta de Stephen ^{Toulmin (1979)} ha sido una de las más utilizadas para este fin (^{Erduran et al. 2004}), debido a que presenta un esquema "sencillo" que guía al individuo para la construcción de un argumento.

Toulmin hace hincapié en que para generar una conclusión (C), se parte de evidencias o datos (D) que permiten llegar a dicha conclusión. Sin embargo, para que C tenga un mayor valor argumentativo debe estar sustentada en una serie de conocimientos previos, los cuales son las garantías (G) del argumento. Si la garantía, a su vez, está respaldada (R) por una teoría, ley o conocimiento científicamente aceptado, el argumento adquiere mayor relevancia. Además, si el individuo conoce los alcances o limitaciones de su conclusión, entonces conoce las condiciones en las cuales su argumento es válido y las condiciones en las cuales el argumento no tiene validez, con lo cual crea el contraargumento (CA). Esta explicación de la propuesta de Toulmin se presenta en la figura 1 la cual se conoce como Patrón de Argumentación de Toulmin o TAP por sus siglas en inglés (^{Toulmin's Argumentation Pattern, 1979}).

Figura 1 Propuesta de Toulmin para la construcción de un argumento 

Es por ello que el mejor argumento es aquel en donde el individuo conoce muy bien su postura y se centra en fortalecer sus debilidades (contraargumento), entendiéndose éste punto como el máximo desarrollo de la habilidad de argumentación (^{Kuhn et al., 2013}).

Además, para la visualización didáctica, los argumentos construidos por los estudiantes dentro del aula presentan dos ejes fundamentales: El epistémico, que hace referencia a las creencias y valores que los individuos presentan con sus pares; y el conductual que hace referencia a la aceptación de los valores sociales con respecto a ciertos tópicos (^{Kuhn et al., 2013}). Si bien el aspecto disciplinar no aparece en estos dos ejes, no significa que queda fuera totalmente, está implícito dentro del ambiente del aula. Si el docente no es capaz de argumentar y convencer a sus alumnos de tomar los conceptos disciplinares para la construcción de sus argumentos, entonces éstos tendrán una carga alta de creencias y no habrán integrado el nuevo conocimiento (^{Crowell y Kuhn, 2014}; ^{Kuhn, 2010}).

Así mismo, dado que las habilidades de pensamiento científico son diversas y variadas, es importante tener en cuenta, al momento de planificar las sesiones, otras habilidades que se emplearan y hacer énfasis en los alumnos en que puede presentarse más de una habilidad en el ejercicio diario, tal como es el uso de modelos, planteamiento y planeación de experimentos, recopilación de evidencias y análisis de evidencias (^{Mendoça y Justi, 2014}).

Dada la importancia de la argumentación en el desarrollo del pensamiento crítico y en la formación científica de los estudiantes, en esta investigación se propuso analizar si se podría lograr una mejora en la habilidad al enseñarse de manera explícita durante un periodo escolar, específicamente en la asignatura de Química en uno de los bachilleratos de la UNAM.

De igual forma, se pretende evaluar el impacto que tendrá la argumentación en otra habilidad de pensamiento científico como el uso de modelos, la cual está marcada dentro de los programas de química a nivel bachillerato.

Por ello nuestra pregunta de investigación es:

¿Cuál es el nivel de argumentación y uso de modelos que pueden alcanzar los estudiantes cuando de manera explícita la argumentación se fomenta a lo largo del curso de Química en la educación media superior?

El agua en nuestro entorno

Para esta actividad, se hicieron tres evaluaciones: en la primera se consideraron los modelos realizados por los alumnos; en la segunda se consideraron los argumentos; y la tercera se realizó conjuntando el modelo y los argumentos. Los modelos y argumentos que se presentan giran en torno a la pregunta ¿Por qué crees que el agua puede encontrarse en tres diferentes estados de agregación?

Con respecto a los modelos se encontró que un 42% de los alumnos presentó un modelo macroscópico, mientras que un 37% presenta modelos microscópicos, y un 21% un modelo híbrido. Resulta importante recalcar que hubo un bajo porcentaje de modelos híbridos, a pesar de que, según la literatura, son los que frecuentemente presentan los estudiantes (^{Vosniadou, 1994}).

En la figura 3 se pueden observar tres ejemplos de cada uno de los modelos realizados por los estudiantes (a, macroscópico; b, híbrido; c, sub-microscópico). En el modelo macroscópico se observa que los alumnos tienden a dibujar sólo el fenómeno (lo que observan). En el modelo híbrido se observa una base macroscópica y un esfuerzo por representar las partículas y sus características. Aunque el dibujo presenta connotación del fenómeno a nivel macroscópico, se observan características no congruentes con éste como la evaporación del agua a nivel de partículas, el agua sólida y líquida. En el modelo submicroscópico se observan partículas y aunque se visualizan dificultades para retirar por completo los contornos de los sólidos (hielos y cacerola) ya no son significativos para el modelo.

Figura 3 Ejemplos de modelos macroscópico, híbrido y submicróscópico realizados por los estudiantes 

De acuerdo al modelo presentado, la evaluación con la rúbrica general, varios de ellos están posicionados con un puntaje de 2, 3 o 4. Sin embargo, cuando se analizan sus respuestas a los diversos cuestionamientos se encuentran los siguientes casos:

Modelo macroscópico: del 42 % de alumnos que realizó un modelo macroscópico sólo un 5% logró fundamentar su respuesta con los conceptos teóricos, lo que los posiciona dentro de la categoría 2-TR-a con 5 puntos; mientras que un 32% de los alumnos presenta un modelo con una justificación fenomenológica, de tal manera que están en la categoría 2-TR con 4 puntos respectivamente, y sólo un 5% de ellos no pudo justificar sus respuestas, lo que los posicionan en el nivel 1-RM con 2 puntos. El tipo de "argumentos" que expresaron los estudiantes para este caso son: "por su composición", "por las diferentes temperaturas y propiedades"

Modelo híbrido: Del 21% de alumnos que mostró un modelo híbrido, un 5% no presenta justificación alguna, el 16% restante explica con base en sus conocimientos empíricos y ninguno de ellos logra responder con conceptos teóricos adecuados. Lo cual posiciona a los alumnos en los niveles 1-RH con 3 puntos y el resto en el nivel 2-TR con 5 puntos. Se encontró que los estudiantes dan explicaciones teleológicas (^{Talanquer, 2013}) como: "Por su composición química ya que sus propiedades la hacen tener esa habilidad y el movimiento de sus partículas", aunque también apelan a sus conocimientos empíricos "Porque es un elemento que varía dependiendo de la temperatura en la que esté"

Modelos microscópicos: Del 37% de alumnos que representó a nivel sub-microscópico, un 16% de ellos logra explicar utilizando los conceptos adquiridos en clase (2-TR), otro 16% justifica sus respuestas empleando conocimiento cotidiano (2-TE) ("porque ve el agua convertirse en humo al calentarla y tiene cubitos de hielo en el refrigerador") y sólo un 5% no logra justificar su modelo (1-RS), lo que hace que sean catalogados en las categorías 2-TR con 8 puntos, 2-TR con 7 puntos y en la categoría 1-RS con 4 puntos respectivamente. En este sentido algunos argumentos dados por los estudiantes son: "tiene disponibilidad al cambio a diferentes factores como la temperatura o presión" (2-TR), "el aumento y disminución de la temperatura en cada situación. Porque las partículas tienen movimiento"

Cabe resaltar que los alumnos tuvieron problemas al relacionar modelos con las respuestas que dieron a los diversos cuestionamientos realizados sobre el tópico estudiado. Desafortunadamente se encontró que si no se les daba la instrucción explícita de que tenían que usar la TAP, simplemente no la utilizaban.

En términos generales de la evaluación se obtuvo que sólo el 15% de los alumnos obtuvo un desempeño por debajo de la media del grupo (1-RS; 1-RH, 1-RM). Los resultados muestran que los alumnos son capaces de usar un modelo y explicar los fenómenos en función de conceptos teóricos y empíricos; aunque los resultados son indicativos de un buen desempeño, sólo un 16% logró el máximo puntaje a obtenerse en esta actividad (2-TR). La mayoría de los alumnos se queda en un modelo híbrido o sub-microscópico, pero no logran usarlo para crear a un argumento de manera adecuada.

¿Calidad del agua?

Esta actividad fue experimental, entregaron un informe que fue evaluado y se encontró que el 52.5% de los argumentos planteados por alumnos se encuentran en el nivel 1E, el cual es el nivel más bajo; el 21.1 % de los argumentos se encuentran en el nivel 1T, lo que indica que consideraron elementos teóricos básicos, pero nada más. Otro 21.1 % se encuentra en el nivel 2-TE es decir logran conectar los conceptos teóricos con sus concepciones empíricas; finalmente, sólo un 5.3% de los estudiantes alcanza un nivel 2-TR (d-e) lo que significa que relaciona (aunque de forma equivocada) los conceptos teóricos con modelos macroscópicos e híbridos.

En la figura 4 se muestra un ejemplo de uso del TAP, sin embargo, éste no fue lo común ya que los estudiantes entregaron principalmente descripciones fenomenológicas sin presentar un argumento o discutir su postura bajo la óptica de un modelo. Los modelos empleados por los alumnos son completamente fenomenológicos.

Figura 4 Informe experimental 3 

El informe presentado en la figura 4 es una rejilla de argumentación. En ella se muestra que el uso es el adecuado, aunque no logran ligarlo con sus observaciones y modelos, ya que sólo se enfoca en responder la pregunta de investigación. Cabe recalcar que el argumento construido se posiciona en un nivel 2-TRE.

Como se mencionó anteriormente, se realizaron dos evaluaciones individuales en diferentes momentos del curso. En cada una de ellas se plantearon tres preguntas. En la primera evaluación dos de las preguntas estaban asociadas a cuestiones no científicas; sin embargo, los estudiantes debían tomar una postura apelando a sus creencias o conocimientos vistos en clase. En la segunda evaluación las tres preguntas estaban ligadas a conceptos científicos y demostrar sus habilidades de argumentación. En la gráfica 1a se puede observar cómo en la primera evaluación los estudiantes alcanzan niveles realmente bajos, (1-E), sólo un 8.3% alcanza un máximo en 2-TR empleando un modelo hibrido, logran enlazar de mejor manera su argumento con sus conocimientos científicos dejando de lado sus creencias. Esto implica que los alumnos no logran comprender que en cualquier disciplina deben dar razones que sean congruentes con sus argumentos, varios de los alumnos apelan a su conocimiento científico, pero sólo si son exigidos. Por ejemplo en la figura 5 se muestra que el alumno toma postura en cuanto a un tema como la "sal milagrosa", apela a las propiedades de los materiales, pero en su rejilla hay una incongruencia ya que los sustentos de su argumento y su conclusión no están relacionados, es decir toma postura, pero no es capaz de argumentar a favor o en contra.

Figura 5 Postura de un alumno en evaluación 1 

Por otro lado, varios estudiantes no utilizan la rejilla de argumentación, sino que justificaron sus respuestas escribiendo los párrafos correspondientes. Si bien la rejilla es una herramienta que pueden emplear como guía para la construcción de sus argumentos, también tenían la libertad de justificar de esta manera. El escribir un párrafo muestra que los alumnos no lograron entender los componentes básicos de un argumento, ya que todos están construidos en función de creencias sin asociar conocimiento científico, así mismo omitían partes fundamentales de los argumentos como lo son las garantías y el contraargumento.

Para la evaluación 2, (gráfica 1b) se obtuvieron "mejoras" en niveles de argumentación. Los alumnos se mantienen en niveles bajos de argumentación y de uso de modelos, sin embargo, un 9.1% alcanzó un nivel superior comparado con el grupo.

Gráfica 1 Niveles de argumentación y/o modelaje en las evaluaciones 

Se aplicaron preguntas de argumentación y, en las respuestas más desarrolladas, los alumnos apelaron al modelo de la molécula del agua para explicar sus características físico-químicas. En la mayoría de los casos, los alumnos apelaron a fenómenos macroscópicos para explicar o dar respuesta a los cuestionamientos.