Aportaciones de las analogías al desarrollo de pensamiento modelizador de los alumnos en química

Contribution of analogies to develop modeling thought of chemistry students

José María Oliva¹ y María del Mar Aragón²

¹ Departamento de Didáctica. Área de Didáctica de las Ciencias Experimentales. Universidad de Cádiz, España. Correo electrónico: josemaria.oliva@uca.es

Abstract

First, in this work the importance of models and modeling processes in teaching and learning science, in general, is discussed. Second, it is also analyzed the contribution of analogies to the modeling thought of students in relation to chemical change. Cases and examples are presented that expect to illustrate the usefulness of this resource in the comprehension of the taught models, in the management and use of the learned models and in the development of a better fitted view of the nature and role of models in science.

Keywords: Analogies; Chemical Education; Modelling; Models In Chemistry; Modelling Thought.

Introducción

Los modelos ocupan un lugar sustancial en el currículo de ciencias, en general, y de química, en particular (Caamaño, 2007). De hecho, éste suele estructurarse adoptando los modelos como claves del repertorio de finalidades y contenidos de la enseñanza; y en coherencia con ello, se considera importante que los alumnos aprendan modelos, sepan cómo aplicarlos y desarrollen las competencias necesarias para ser capaces de (re)construirlos.

Junto a ellos se encuentran las analogías, recurso frecuente del lenguaje y de la intuición al que solemos apelar en distintos contextos de nuestras vidas, cuando queremos comunicar ideas o resolver problemas y carecemos de conocimientos sobre un tema, lo que nos lleva a usar ciertos giros en el lenguaje, como metáforas, alegorías, o frases del tipo "es similar a"o "es una especie de". Multitud de expresiones del lenguaje, de refranes, de proverbios e, incluso, de anuncios publicitarios hacen uso de ellas porque conectan fácilmente con el saber popular y la forma de conocer de las personas.

Entre las múltiples definiciones encontradas sobre lo que son analogías (Fernández, Martín y Moreno, 2005), nos quedaremos con dos que nos parecen complementarias y que aluden a facetas fundamentales del significado que le atribuimos en este artículo:

"Entendemos por analogía aquellos aspectos del discurso explicativo del profesor en los que se usa una situación familiar para explicar un fenómeno poco familiar" (Dagher y Cossman, 1992).

"...se refiere a comparaciones de estructuras entre dos dominios" (Duit, 1991).

La primera definición pone el énfasis en su papel como recurso didáctico para las clases de ciencias, ya que, en efecto, éstas son utilizadas con cierta frecuencia por el profesor y los libros de texto. Mientras tanto la segunda se centra en la naturaleza de la comparación, que consiste en la similitud entre estructuras, esto es de relaciones concepto-concepto o concepto-atributo, y no meramente de semejanza entre los conceptos y atributos que intervienen en ella.

Hoy día son muchos los trabajos que conectan el ámbito de los modelos con el de las analogías, y prueba de ello es la concurrencia de ambos temas en este mismo número de la revista. Así, el uso de analogías aparece ligado normalmente en la literatura al aprendizaje en el ámbito conceptual, por ejemplo, como ayuda en la compresión y desarrollo de las nociones abstractas que manejan los modelos o como recurso dirigido a cambiar las ideas intuitivas ya existentes por las ideas basadas en los modelos de la ciencia escolar (Posner et al., 1982; Brown y Clement, 1989; Treagust et al., 1992; Lawson, 1993; Brown, 1994; Clement, 1993; Duit, 1991, 1996; Dagher, 1994; Ceacero, González-Labra y Muñoz-Trillo, 2002). No obstante, últimamente se detecta un desplazamiento en el interés por las analogías desde razones de este tipo hacia otras comprometidas con una formación más integral del alumno (Oliva, 2004). Como señala Dagher (1994), sobrevalorar la contribución de las analogías en el aprendizaje de conceptos podría llevarnos a subestimar su aportación en el desarrollo de la creatividad y de la imaginación, en la construcción de un pensamiento más integral e interconectado, o en la mejora de la autoestima y otros factores motivacionales.

En este sentido, muchas de las capacidades que exige la tarea de modelización, podrían ser desarrolladas a partir de un uso apropiado de las analogías en la clase de ciencias. Ésta es la hipótesis central que orienta gran parte del trabajo que desarrollamos en la actualidad, el cual se dirige a analizar, fundamentar, ejemplificar y contrastar la contribución del aprendizaje por analogía al pensamiento modelizador de los alumnos en química. O dicho de otro modo, se dirige a mostrar el interés de las analogías no sólo como instrumento de transposición didáctica de las ideas que manejan los modelos de la ciencia escolar, sino también de los procedimientos, actitudes y valores relacionados con la actividad científica de modelización (Oliva y Aragón, en prensa).

El aprendizaje con analogías y el pensamiento modelizador de los alumnos en química

Los modelos juegan un papel esencial en la ciencia, en el currículo de ciencias y en el aprendizaje de los alumnos. De una parte, han sido claves en la evolución histórica del pensamiento científico, así como en la estructura de las teorías actuales y en los métodos de investigación (Gilbert, 1993; Halloun, 1996; Gilbert, Boulter y Rutherford, 1998; Nersessian, 1999). De hecho, para la mayor parte de autores los modelos son instrumentos mediadores entre la realidad y la teoría (Morrison y Morgan, 1999; Halloun, 2007; Silva, 2007; Portides, 2007), pudiéndose considerar, junto a las hipótesis y a los fenómenos que explica, la base de las teorías científicas (Giere, 1990). Desde el punto de vista educativo, los modelos tienen también un papel primordial en la enseñanza de las ciencias (Halloun, 2004; 2007), mediatizados por un proceso de transposición didáctica (Archer, Arcà y Sanmartí, 2007) que conduce a lo que algunos autores denominan modelos enseñados o "teaching models" (Gilbert, Boulter y Rutherford, 1998; Treagust, Chittleborough y Mamiala; 2004; Coll, France y Taylor, 2005), representaciones didácticas de los modelos (Galagovsky y Adúriz-Bravo, 2001), modelos pedagógicos (Islas y Pesa, 2003), modelos curriculares (Justi, 2006) o modelos didácticos (Viau et al., 2008). En este marco, determinados recursos como las maquetas, los símiles, las analogías, las simulaciones, las paradojas, los experimentos mentales, etc., actúan como mediadores entre los modelos y la comprensión previa de los alumnos acerca del mundo, y son lo que Gilbert, Boulter y Rutherford (1998) denominan "modelos para la enseñanza" (ver igualmente Justi, 2006).

Tanto para el científico como, sobre todo, para el alumno, modelizar resulta un proceso complejo que exige toda una gama de competencias (Lopes y Costa, 2007). Además de conocimiento sobre el dominio específico, demanda numerosas estrategias, destrezas y determinados compromisos epistemológicos (Grosslight et al., 1991; Van Driel y Verloop, 1999; Harrison y Treagust, 2000a,b; Justi y Gilbert, 2002; Portides, 2007). Así, de una parte, comporta una serie de procesos y de habilidades que están en estrecha relación con los componentes del ciclo de investigación. Desde esta perspectiva, Justi y Gilbert (2002) han propuesto un modelo para el hecho de modelar integrado por una serie de etapas que operan de un modo cíclico y recurrente: decidir el propósito de la labor de modelización; seleccionar la fuente del modelo; producir un modelo mental; decidir el modo de representación (material, visual, verbal, matemático); conducir experimentos mentales y reales; revisar el modelo; y finalmente dar el proceso de modelización por completado, asumiendo los logros y limitaciones del mismo o rechazando el modelo mental elaborado volviendo al punto de partida.

Según todo esto, un aspecto importante de la enseñanza de la química debería ser enseñar a los alumnos las competencias necesarias para el acto de modelización (Harrison y Treagust, 2000b; Izquierdo y Adúriz-Bravo, 2005), dado que éstas pueden ser desarrolladas mediante el proceso de enseñanza (Nersessian, 1999). Y ello implicaría no sólo hacer que los alumnos aprendan modelos, sino que desarrollen también las estrategias, habilidades, actitudes y compromisos epistemológicos necesarios para aplicar y evaluar modelos, o incluso para poder (re)construirlos. En contraste con esta necesidad, casi nunca se suele dedicar espacio en la escuela a enseñar a los alumnos cómo construir modelos (Justi y Gilbert, 2002), y son pocos los trabajos que ofrecen pautas para la evaluación de la modelización en ciencias (Oversby, 1999).

Desde el punto de vista del alumno como sujeto participante, es posible otorgarle distintos grados de implicación en la elaboración de un modelo en la escuela. Así, por ejemplo, Halloun (2007) distingue cuando se ha de construir un modelo nuevo, o si solamente se exige el desarrollo y aplicación de un modelo ya construido para resolver problemas racionales y empíricos y para desarrollar conocimiento. Por su parte, Justi y Gilbert (2002) proponen una clasificación más fina, estableciendo además una jerarquía en orden de menor a mayor complejidad de acuerdo al esquema propuesto en la tabla 1.

La competencia del estudiante ante cualquiera de estas tareas requeriría disponer de las capacidades que se necesitan para realizar las anteriores, de ahí la complejidad creciente de dicha gradación que puede considerarse en cierta forma como un itinerario de progresión en la tarea de modelización.

En definitiva, el razonamiento basado en modelos exige una gama de competencias deseables, y asimismo requiere un proceso de aprendizaje y de práctica dentro de la cultura de clase (Treagust, Chittleborough y Mamiala, 2004). Como señala Halloun (2007), el esquema de modelización (modeling schemata) demanda toda una serie de herramientas y reglas cognitivas que posibiliten desarrollar y aplicar modelos ya conocidos, o construir y corroborar modelos nuevos.

Por nuestra parte, como señalábamos en un estudio anterior (Oliva y Aragón, en prensa), hablamos de pensamiento modelizador para referirnos al conjunto de competencias necesarias para llevar a cabo la tarea de modelar en su dimensión más amplia. No sólo se trataría de que los alumnos aprendiesen modelos, sino de que, llegado el caso, dispusiesen de las habilidades y actitudes necesarias para elaborar modelos nuevos (Justi y Gilbert, 2002; Justi, 2006). En este sentido, un valor importante de las analogías radica en su potencial para desarrollar estrategias, habilidades y visiones epistemológicas de interés para la ciencia y para los procesos de modelización (Oliva, 2004). Por esta razón, y porque hoy día uno de los principales fines de la enseñanza de las ciencias es el desarrollo de herramientas y capacidades necesarias para el proceso de modelización (Gilbert, 1993; Harrison y Treagust, 2000a), las analogías resultan un recurso interesante como mediador en el desarrollo de esas competencias.

El papel de las analogías en este ámbito ha sido descrito y fundamentado detenidamente en Oliva y Aragón (en prensa). Con dicho propósito, recurrimos a la jerarquía propuesta en la tabla 1 para interpretar en qué consiste el acto de modelar (Justi y Gilbert, 2002). En este trabajo retomaremos dicho análisis, ilustrándolo mediante ejemplos concretos extraídos de una propuesta didáctica que hemos elaborado sobre la enseñanza del cambio químico para alumnos de educación secundaria (9º grado), y que en la actualidad es objeto de investigación mediante su aplicación sistemática con alumnos de ese nivel.

El hecho de elegir la noción de cambio químico como blanco de estudio responde a varios motivos. En primer lugar, dicha noción constituye uno de los núcleos estructurantes de la enseñanza de la química tanto a nivel de la educación secundaria como universitaria (Garritz, 1998; Reyes y Garritz, 2006). En segundo lugar, supone un ámbito de aprendizaje que presenta un importante grado de complejidad (Chamizo, Nieto y Sosa, 2002; Gómez Crespo, Pozo y Gutiérrez, 2002), por cuanto su comprensión exige un estudio complementario y paralelo a distintos niveles de modelización: macroscópico, submiscroscópico y simbólico (Johnstone, 1982; Solsona, Izquierdo y de Jong, 2003). Finalmente, los alumnos disponen, ya antes de empezar, de modelos explicativos espontáneos desarrollados para visualizar la materia y sus cambios (Trinidad-Velasco y Garritz, 2003), normalmente basados en explicaciones descriptivas macroscópicas (Andersson, 1990), o en el mejor de los casos de carácter discontinuo submicroscópico, pero en los que se proyectan propiedades y atributos del mundo macroscópico sobre el nivel atómico-molecular (Gómez Crespo y Pozo, 2004).

Aprender modelos de la química a través de las analogías que introduce el profesor

Un primer contacto con la actividad de modelar en química es la que lleva a cabo el alumno cuando aprende los modelos enseñados que forman parte del currículo. En este sentido, el lenguaje de los modelos y las imágenes que se utilizan para representarlos están repletos de procesos analógicos, por cuanto analógicos son los procesos de transferencia de significados que están en su origen (Van Driel y Verloop, 1999; Gilbert, Boulter y Rutherford, 1998, Harrison y Treagust, 2000a; Raviolo y Garritz, 2007). Por ejemplo, el establecimiento de la teoría cinética de los gases supuso una analogía entre las moléculas y el comportamiento de "esferas rígidas", mientras que la formulación de las primeras clasificaciones periódicas encontró fundamento en la comparación realizada por New-lands entre las propiedades de los elementos químicos y la secuencia y repetición de notas musicales. También en el marco escolar dicha relación modelo-analogía es patente. Así, cuando utilizamos en las clases de ciencias un modelo molecular de bolas, globos inflados para ilustrar la forma de distintos orbitales, o simplemente una celdilla unidad para representar el cloruro sódico, usamos esos recursos como análogos de la realidad que se quiere representar (Oliva et al., 2003). Logramos con ello estimular el pensamiento analógico de los alumnos y que éstos imaginen lo que nunca han visto en función de lo que ya conocen y/o pueden ver y tocar (Justi y Gilbert, 2006). Estimamos, pues, que cuando se insta a que los alumnos interioricen las analogías que se les presentan, no sólo se está dando ocasión de comprender mejor los objetos representados, sino que también se está contribuyendo a desarrollar en ellos procedimientos, actitudes y compromisos epistemológicos análogos a los que exigen los propios procesos de aprendizaje de modelos.

En el caso particular de la representación analógica de las sustancias y de los cambios químicos se han propuesto diferentes análogos procedentes de la vida cotidiana para representar las unidades atómicas, como grapas y anillos (IPS, 1973), tuercas y tornillos (Fernández-González, 1979), o clips (Balocchi et al., 2005ab, 2006), entre otros muchos. En nuestra propuesta se recurre también a una cierta variedad de análogos para representar los sistemas con los que se trabaja. Así, para representar los átomos se emplean piezas del lego, fichas circulares de colores, frutas o bolas de plastilina; para visualizar moléculas se usan piezas del lego encajadas, fruteros o bolas de plastilina adheridas, y para representar el cambio químico se recurre a la reorganización de las unidades componentes de estos sistemas.

El hecho de adoptar más de una analogía para representar un mismo objeto constituye un factor que suele contribuir a un mejor aprendizaje en los alumnos, propiciando que el modelo mental que se construya sea próximo al modelo deseable desde el punto de vista de la ciencia escolar (Duit, 1991; Dagher, 1994; Heywood y Parker, 1997). Cada uno de los análogos empleados serviría para resaltar y acotar las facetas relevantes del modelo que se pretende ilustrar aun cuando, ni siquiera, los alumnos sean conscientes de ello.

Por ejemplo, una analogía esencial en la propuesta didáctica que hemos confeccionado consiste en la comparación del proceso de cambio a nivel atómico con el reordenamiento de piezas en el juego del lego (figura 1). Se trata de mostrar con ella la posibilidad de cambiar la estructura de una construcción al reorganizar las unidades que lo forman, de forma análoga a cómo los átomos se separan y se unen de nuevo, aunque de distinta forma, durante una reacción química.

Al objeto de promover una actitud participativa de los alumnos en la gestación de la analogía, y tras un breve texto escrito a través del que se presenta la comparación, se pide a éstos que expresen qué entienden a partir de la misma, valiéndose para ello de un mapa conceptual (figura 2). Se trata de que los alumnos expresen relaciones en uno y otro dominio, a la vez que correlacionan elementos de ambos dominios entre sí.

A partir de aquí, un segundo nivel de modelización científica se verificaría cuando los alumnos son puestos en disposición de aplicar los modelos que ya han aprendido. Se puede esperar de ellos que utilicen un modelo para explicar fenómenos y realizar predicciones o que manejen los modelos aprendidos para extraer nuevas conclusiones, relacionar ideas hasta el momento aparentemente desconectadas o resolver problemas. Se trataría, pues, de saber aplicar aquellos modelos que los alumnos ya han aprendido.

Aprender a usar modelos aplicando las analogías aprendidas

Con vistas al aprendizaje de las habilidades que demanda los procesos de modelización, las analogías pueden resultar también útiles si se plantean como ocasión para que los alumnos realicen predicciones sobre un determinado fenómeno o lo interpreten a un nivel figurativo, a modo de primera aproximación. De hecho, puede ser interesante la formulación y evaluación de predicciones, como forma de comprobar la utilidad de la analogía que se maneja. Dicha tarea puede conllevar el uso de diseños experimentales de comprobación o simplemente experimentos mentales (Justi, 2006; Justi y Gilbert, 2002, 2006). De esta forma, la analogía puede servir de soporte sobre el que construir significados y conclusiones, mediante la representación que proporciona al alumno el modelo mental análogo. La figura 3 muestra una actividad específica planteada desde esta perspectiva al objeto de abordar la conservación de la masa en una reacción química. Se continúa con la analogía del lego y se introduce otra similar, esta vez con fichas del juego del "tangram", mostrando cómo un cambio o reorganización en el modo en el que están unidas las piezas no debe implicar cambios en la masa total del sistema. Ello sirve como forma de explicar la conservación de la masa en los procesos químicos.

Otra forma de comprobar la plausibilidad de los modelos es mediante la realización de experimentos mentales y simulaciones, que también forman parte del repertorio de recursos empleados a menudo por los científicos. En este sentido, analogías, experimentos mentales y simulaciones, aun siendo recursos distintos, mantienen numerosos vínculos y relaciones comunes, componiendo todos ellos ingredientes fundamentales de los procesos de modelización científica (Nersessian, 1992, 1999). Los experimentos mentales son experimentos dirigidos mentalmente, sin necesidad de que se ejecuten, con el objetivo de extraer conclusiones acerca de una situación o fenómeno dado (Nersessian, 1999; Gilbert y Reiner, 2000). Ejemplos de razonamientos de este tipo los encontramos en "el diablillo de Maxwell", "el gato de Schrödinger" o en algunos de los razonamientos empleados por Galileo. Comparten con las analogías el uso de elementos gráficos y visuales, siendo frecuente que ambos recursos se acompañen de dibujos e ilustraciones (Reiner y Gilbert, 2000). También tienen en común el hecho de que cualquier analogía demande la actividad imaginativa del sujeto e incluso que éste dirija mentalmente algún tipo de experimento. Así mismo, en ocasiones, los experimentos mentales se acompañan de fantasías alegóricas próximas al razonamiento analógico. Por su parte, las simulaciones constituyen modelos dinámicos a través de los que se recrea de un modo analógico cierto suceso o fenómeno. Mientras los experimentos mentales se realizan sólo de manera imaginaria, las simulaciones se ejecutan de un modo físico, recreándose no necesariamente en tiempo real.

La figura 4a muestra un ejemplo de tarea planteada en nuestra propuesta desde esta perspectiva, mientras que la figura 4b presenta una instantánea con alumnos trabajando en la resolución de la misma. Como vemos, éstos debían de simular la reacción de descomposición del agua mediante fichas que representan los átomos, primero mentalmente y, más tarde, en formato real mediante un modelo analógico. Los fundamentos y los códigos de representación habían sido ya introducidos en actividades anteriores por lo que aquí únicamente se trataba de aplicarlos para visualizar la reacción química planteada.

En suma, comprobar la fertilidad de las analogías como herramienta para predecir o entender nuevos fenómenos, puede ser clave para valorar la lógica y la racionalidad del pensamiento científico y la importancia de los modelos en la construcción de las ciencias. En efecto, trabajar con analogías implica una labor semejante al uso y construcción de modelos, por cuanto implica la búsqueda de conexiones entre ojetos, atributos y relaciones entre ellos. Supone, por tanto, una cierta sistematicidad de pensamiento, un argumentar razones a favor y en contra, como hemos visto, y con ello también una forma diferente de ver el mundo, orientada desde criterios lógicos que van más allá del pensamiento implícito de sentido común. La comprobación de las bondades de esta forma de pensar creemos que puede resultar estimulante en la valoración de la ciencia como forma de acceso al conocimiento sobre el mundo y, a la larga, como forma de desarrollar posiciones críticas que desemboquen en procesos de revisión y de cambio conceptual.

Un nivel superior de contacto con la tarea de modelar consiste en acercarse a los modelos que ya se conocen con un espíritu crítico. Se trataría de analizarlos, revisarlos y, caso de que fuese necesario, cambiarlos por otros de validez más contrastada.

Las analogías, como también ocurre con los modelos científicos y los modelos enseñados, tienen sus virtudes y utilidades pero también sus limitaciones (García-Monteiro y Justi, 2000). El hecho de diferenciar los rasgos útiles de una analogía y sus límites de aplicación resulta un ejercicio de extraordinario valor para el desarrollo de destrezas y habilidades necesarias para la evaluación de datos a favor y en contra de los modelos y teorías y como una forma de desarrollar una imagen más ajustada de lo que es la ciencia (Dagher, 1994; Dagher, 1995; Benzvi y Gemut, 1998; Oliva, 2004; Justi y Gilbert, 2006; Justi, 2006). Ello, evidentemente exige el uso de estrategias y destrezas metacognitivas (Coll, France y Taylor, 2005), de ahí la oportunidad que supone este tipo de ocasiones para desarrollar esos mismos procesos y habilidades.

Se comprende de todo ello el interés de numerosos autores por fomentar el análisis de los límites de las analogías que se emplean. Así, el modelo TWA (Teaching With Analogies) de Glyn (1991) dedica una fase específica de la construcción de la analogía al estudio de las limitaciones de ésta, mientras que autores como Heywood y Parker (1997) contemplan la reflexión del alumno sobre los fallos de las analogías como una forma interesante de implicar a los alumnos en su proceso de aprendizaje. De esta forma visto, el hecho de que una analogía falle no debiera considerarse como un problema, sino como una oportunidad especial de implicar cognitivamente al alumno en el proceso de transferencia analógica (Heywood, 2004).

Asimismo, y como ya se sugirió antes, la toma de conciencia y la aceptación de las limitaciones que tienen las analogías podrían ser de utilidad para comprender las limitaciones y el carácter aproximativo de los modelos científicos. Se superaría con ello los problemas a los que autores como Benzvi y Gemut (1998) aluden, cuando reconocen que los alumnos suelen aprender los modelos y teorías científicas como descripciones o leyes absolutas de la realidad, ayudando a la vez en el proceso de humanización de la ciencia (Dagher, 1995a). Con ello, indirectamente, se estará proporcionando una imagen menos dogmática de la ciencia y también contribuyendo al desarrollo de mentes más abiertas y dispuestas al cambio de las ideas preexistentes.

Obrando de esta manera, estaremos desarrollando el juicio crítico de los alumnos y su capacidad para interpretar de forma autónoma el sentido y la validez de cada analogía. Dichas habilidades y actitudes serán, sin duda, fundamentales en el manejo de los modelos aprendidos en la escuela, así como en el reconocimiento de sus limitaciones y en la necesidad de operar cambios sobre ellos.

Èsta es la razón por la que, a lo largo de la propuesta, sea frecuente el que los alumnos establezcan semejanzas y diferencias entre el objeto y el análogo de cada comparación. Por ejemplo, se cuestiona acerca de las diferencias entre las piezas del lego y los átomos (figura 5), como también entre las moléculas y fruteros utilizados para introducir la noción de fórmula química como representación de la composición molecular de las sustancias. A modo de ejemplo mostramos la comparación encontrada en el portafolio por una de las alumnas participantes:

"Los legos son indivisibles, tienen diferente forma y color y forman diferentes figuras ya que se pueden montar y desmontar. Los átomos permiten formar nuevas sustancias. Se diferencia por su masa y tamaño y no son indivisibles".

Otro ejemplo de ocasión dirigida en nuestra propuesta a que los alumnos evalúen los límites de una analogía, al mismo tiempo que realizan una nueva simulación, la encontramos en el uso de bolas de plastilina que chocan para representar una reacción química (figura 1c). La figura 6 muestra con cierto detalle la base de la comparación. Un ejemplo de divergencia entre ambos sistemas lo tenemos en la diferente naturaleza de las fuerzas de unión, que en el caso de las bolitas de plastilina es debida a la adhesión de la plastilina y a la acción del imán, mientras que en el otro está originada por las interacciones entre átomos que dan lugar al enlace químico.¹ Otra diferencia la encontramos en la desigual procedencia del movimiento de agitación, en el primer caso provocado desde el exterior mientras que en el segundo resulta intrínseco a los componentes del sistema.

Siguiendo con la escala de progresión que estamos manejando, encontramos la posibilidad de que sean los propios alumnos los que tengan que reconstruir, con cierta autonomía, versiones simplificadas de los modelos de la ciencia escolar. Dicha actividad comporta una compleja labor creativa de análisis y simplificación de la realidad percibida, mediante la formulación de hipótesis sobre las que luego se indaga mediante la búsqueda de datos y hechos que las pongan a prueba.

Aprender a reconstruir modelos ya existentes mediante la participación guiada en la creación de analogías

Además de emplearse como instrumento para la revisión o crítica de los modelos asumidos por la comunidad científica, Nersessian ha fundamentado el papel de las analogías y del razonamiento analógico en los procesos de inspiración creativa que preceden a los procesos de cambio conceptual (Nersessian, 1992, 1999). Hemos de esperar que el trabajo con analogías constituya una forma de desarrollar en los alumnos procesos creativos de transformación o evolución de sus ideas, a través del desarrollo de su pensamiento abstracto y de las dotes imaginativas que se requieren para la construcción o, si se quiere, reconstrucción, de nuevos conocimientos.

Es claro que esta forma de concebir la labor de modelización requiere disponer de un conjunto de habilidades y destrezas que habría que desarrollar previa y paralelamente en los alumnos. Desde nuestro punto de vista, las analogías pueden ser útiles también para tales propósitos cuando se conciben como procesos en los que los alumnos aportan opiniones, toman decisiones y, en definitiva, contribuyen de forma explícita a su construcción.

Por su carácter eminentemente procesual, el pensamiento analógico conlleva la aplicación y desarrollo de mecanismos muy próximos a los que requiere la actividad de modelización científica (Oliva, 2004). En efecto, el aprendizaje mediante analogías conlleva actividades como analizar, comparar, relacionar, sintetizar, diferenciar, etc., todas ellas claves dentro del repertorio habitual de destrezas del curriculum de ciencias, y muy vinculadas con la modelización en ciencias. Consecuentemente con esto, y frente a la manera clásica que concibe el trabajo con analogías como mera presentación de éstas mediante métodos transmisivos, distintos autores han realizado propuestas alternativas en la que los alumnos pasan a jugar un papel importante en su proceso de elaboración. Se ha llegado a plantear, de esta manera, la posibilidad de que la analogía surja de la exploración interactiva entre el alumno y el profesor, concibiéndola como el resultado de un proceso de construcción negociada en el que los alumnos participan y son también sus protagonistas (Cachapuz, 1989; Brown y Clement, 1989; Dagher, 1995a; Oliva, 2001; Yerrick et al., 2003).

Una de las formas de plantear actividades de reconstrucción de analogías, propiciando que los alumnos aporten ideas y tomen decisiones de forma guiada por el profesor, es mediante la propuesta de algún de símil o de una metáfora que los alumnos han de completar. Hemos de aclarar que símiles y metáforas son, por así decirlo, maneras implícitas de plan-tear analogías. Si se expresan explícitamente todos los elementos de la comparación, estamos ante una analogía propiamente dicha, por ejemplo: "el electrón es al núcleo del átomo lo que un planeta es al Sol" (Gilbert, 1989; Dagher, 1995b). Pero si no se explicitan todos los elementos, estamos ante un símil o una metáfora (Gilbert, 1989; Duit, 1991). La diferencia entre estos últimos es bastante sutil, mientras en los símiles la relación que se efectúa es únicamente de comparación: "los electrones son como planetas"; en las metáforas se llega a establecer una identificación aunque sólo sea en un sentido figurado: "los electrones son los planetas del átomo" (Gilbert, 1989).

Un ejemplo de actividad de este tipo se propone al principio del desarrollo de la propuesta didáctica, cuando iniciamos a los alumnos en la diferenciación entre cambio químico y cambio físico a un nivel fenomenológico. Concretamente se plantea la actividad que recoge la figura 7, en la que los alumnos deben de (re)construir una analogía entre el proceso que siguen los químicos para identificar unos y otros cambios, y la labor de un detective para identificar personas en una investigación policial. Del mismo modo que en este último han de utilizarse las características personales de posibles sospechosos disponibles en un banco de datos, que se contrastan con las presentes en el escenario de la investigación, en el caso de los químicos se comparan las propiedades características de las sustancias que intervienen en un fenómeno con las que aparecen tabuladas en bases de datos, para ver si las sustancias son las mismas antes y después. Como puede comprobarse, la analogía sugerida no se presenta directamente sino que son los alumnos los que han de completarla valiéndose de un mapa conceptual. Para facilitar la labor del alumno, el mapa conceptual correspondiente al objeto (identificación de sustancias en el cambio químico) y al análogo (identificación de personas en una investigación policial) se plantearon con una estructura común.

La figura 8 muestra otra secuencia de actividades extraídas de nuestra propuesta didáctica, a través de la cual se intenta inducir en los alumnos la idea de fórmula química y su valor para representar la composición molecular de una sustancia y a la propia sustancia. Como puede apreciarse, la analogía entre moléculas y fruteros es presentada a través de una metáfora visual. No obstante, la correlación de tópicos procedentes de ambos no se hace explícita, sino que han de ser los alumnos los que la (re)construyan. Si bien la analogía sugerida es cerrada —solo parece preverse una sola interpretación— se deja espacio para que, a través de la discusión y el debate, los alumnos la completen y la utilicen para entender la composición molecular de las sustancias puras y el significado de la fórmula en una sustancia molecular.

En este caso, como puede verse, el formato utilizado es bien diferente, dado que en él no nos valemos de mapas conceptuales sino de cuestiones problemáticas. Se demanda primero el uso de lenguaje simbólico propuesto por los alumnos para representar la composición de fruteros. Se solicita después posibles semejanzas y diferencias entre moléculas y fruteros. Finalmente se induce a escoger "la fórmula" de un solo frutero como representante del conjunto de varios, cuando éstos son iguales, del mismo modo —y ésta sería la conclusión a trazar— que una sustancia pura es representada mediante la fórmula química de una sola de las moléculas que la compone.

Puede observarse tanto en la figura 7 como en la 8, que las analogías implicadas son presentadas sólo de forma implícita, de modo que son los alumnos los que han de desarrollarlas identificando los elementos específicos y las relaciones y correspondencias que sirven para sustentarlas.

De cualquier modo, independientemente del grado de apertura de la tarea en la que se ven inmersos los alumnos, el simple hecho de que éstos debatan y discutan acerca de los modelos que generan en estos contextos de aprendizaje guia de la noción de fórmula química.

dos por el profesor, posee ya en sí mismo un importante valor. En efecto, un aspecto de los modelos que también los alumnos deberían aprender se refiere al modo en el que éstos son expresados, debatidos y probados por la comunidad científica hasta que llegan a ser aceptados. Éste es un aspecto que representa bien la dimensión social de la ciencia y que debería ser objeto de estudio y reflexión también desde la enseñanza y aprendizaje de la ciencia. En este sentido, se han de valorar las prácticas educativas que proporcionan una oportunidad a los alumnos de participar en un tipo de discusión semejante a la que lleva a cabo la comunidad científica a la hora de seleccionar y consensuar sus modelos, aprendiendo más acerca de la naturaleza de la ciencia, al experimentar in situ un aspecto crucial como es la dimensión social del proceso de modelización científica (Coll, France y Taylor, 2005).

Aprender a crear modelos nuevos mediante la elaboración de analogías personales

La elaboración de modelos nuevos, en temas fronteras de la ciencia, constituye una labor que compete al científico, y no al alumno. Escapa, por tanto de las pretensiones que para la educación científica pueda tener dicha finalidad en etapas anteriores a la universidad. No obstante, ello no impide que, desde el ámbito escolar, se intente contribuir a la preparación del alumno en esta dirección con vistas al futuro. Con tal fin resulta esencial desarrollar capacidades como la racionalidad, el pensamiento hipotético-deductivo, el espíritu crítico, la creatividad, etc., en línea con lo apuntado en epígrafes anteriores. Estas capacidades cobran para el científico una dimensión aún mayor, pero han de entenderse como la culminación de competencias que se han ido desarrollando a lo largo de su formación científica en los estudios de grado y, finalmente, en los de postgrado.

Históricamente, si analizamos la producción de figuras como Kepler, Newton, Maxwell, Kekulé, Böhr o Mendeleiev, entre otros, comprobaremos cómo la construcción de modelos analógicos ha jugado un papel central tanto en los momentos de creación científica como en la comunicación del conocimiento ya creado (Nersessian, 1999, 2002; Oliva y Acevedo, 2004; Acevedo, 2004; Justi y Gilbert, 2006; etc.). En el caso particular de la química, además de algunos ejemplos ya citados como el de Newlands o el de Rutherford, podemos referirnos a la similitud encontrada por Mayer entre la energía adquirida por los cuerpos al caer por gravedad y la que los gases adquieren por compresión, al paralelismo apreciado por Van't Hoff entre las partículas de soluto de una disolución y las de un gas ideal, o a la analogía imaginada en sueños por Kekulé entre la estructura cíclica del benceno y serpientes que se muerden la cola.

Son variados los motivos por los que los científicos utilizan las analogías; por ejemplo, para favorecer y desarrollar su propio pensamiento, generar nuevos conceptos y conocimientos, establecer una nueva teoría, o simplemente comunicar ideas novedosas sobre la base de conocimientos y asentados y admitidos por la comunidad científica. En general, el uso de analogías es parte sustancial del razonamiento científico para intentar explicar lo desconocido a partir de lo que ya se conoce.

Desde nuestro punto de vista, la elaboración de analogías por parte de los alumnos podría contribuir especialmente en esta dirección cuando se conciben, como lo hace Wong (1993a,b), Cosgrove (1995) o Kaufman, Patel y Magder (1996), en términos de analogías personales que los propios alumnos generan, aplican y evalúan para interpretar fenómenos naturales. No se trataría ahora de reconstruir analogías previamente pensadas por el profesor o elaboradas en interacción con él, sino de generar autónomamente las suyas propias, en un contexto de clase en el que se estimula la discusión y el debate, activando asimismo el pensamiento crítico, la creatividad y la imaginación (Lawson, 1993). Si en los casos expuestos en el apartado anterior los alumnos deben reconstruir analogías incompletas ya previstas por el profesor, en estos otros los alumnos exponen las suyas propias sin que tengan por qué guardar correspondencia con las que tenga en mente el profesor. De ahí que consideremos que, en esta ocasión, los alumnos van a poner en juego estrategias de modelización próximas en su forma, aunque no en su contenido, a las que requieren los procesos de modelización científica en el conocimiento frontera. No obstante, es claro que no toda analogía generada por los alumnos puede considerarse igualmente adecuada, de ahí la necesidad de disponer de formas de evaluar su pertinencia y utilidad y de ahí, también, la importancia del profesor como guía de dicho proceso en línea con lo apuntado con anterioridad.

En la propuesta didáctica que hemos elaborado, también se ofrece algunas ocasiones para que los alumnos inventen sus propias analogías. De este modo, y a través de un diálogo mediado por el profesor en el que intervinieron todos los alumnos, se plantea que los estudiantes propongan objetos que puedan transformarse en otros del mismo modo que las moléculas de los reactivos se transforman en otras moléculas durante el cambio químico. Algunos alumnos, guiados por determinadas preguntas hechas por el profesor, son capaces de proponer analogías y de producir una transferencia de conocimientos desde el análogo al objeto de estudio. Algunos de los análogos que suelen citar los alumnos son el caso de un sofá cama, los cochecitos de los bebés, las cunas que se convierten en camas o los sillones del tren cama. Como puede apreciarse, los conocimientos cotidianos con los que cuentan los alumnos suponen la piedra angular que hace posible las comparaciones, lo que viene a demostrar, una vez más, que no todo el conocimiento intuitivo constituye una rémora para el aprendizaje, sino todo lo contrario.

Conclusiones e implicaciones para la enseñanza y para la investigación

A raíz de todo lo expuesto, estimamos que las analogías constituyen una herramienta importante no sólo para el aprendizaje de conceptos, sino también para el desarrollo de las capacidades necesarias para los procesos de modelización científica. Tanto asimilar, usar o evaluar los modelos enseñados, como también ser capaz de elaborar modelos, exige disponer de una serie de estrategias, destrezas y visiones epistemológicas que se han de cimentar y estimular desde la infancia en el contexto escolar. Especial mención merecen aquellas capacidades que son necesarias para reconstruir modelos o incluso generar modelos nuevos. Dichas capacidades suelen exigir destrezas complejas de índole superior que habitualmente se etiquetan bajo el término de "imaginación" o de "creatividad". En este sentido, las analogías podrían constituir una herramienta de interés para fomentar las competencias y valores que se requieren para ello.

En el ámbito particular del cambio químico, las analogías desarrolladas por el profesor y/o por los propios alumnos a instancias de éste, permiten trabajar en el aula mecanismos de razonamiento semejantes a los implicados en los procesos de modelización científica. Tanto el aprendizaje y el trabajo a partir de analogías planificadas con el profesor, como la revisión y cuestionamiento de las analogías conocidas o la (re) construcción de otras nuevas, incluyen procesos y actitudes similares a las que exigen los procesos de modelización científica, según los niveles establecidos por Justi y Gilbert (2002) (ver figura 1).

No obstante, está aún por ver si, en efecto, la propuesta didáctica es capaz de implicar a los alumnos a movilizar las estrategias y actitudes adecuadas en la realización de estas actividades; y si ello tiene algún tipo de repercusión sobre las competencias de modelización de los alumnos. Precisamente, la aplicación de la propuesta con grupos de escolares nos ha permitido obtener datos que estamos analizando en la actualidad al objeto de extraer conclusiones al respecto.

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Nota

¹ En el fondo, como sabemos, en ambos casos la naturaleza de las uniones es de tipo electromagnético. No obstante, estimamos que, tal vez, sea prematuro en este nivel adelantar tal circunstancia, dado el diferente estatus ontológico de las interacciones en ambos casos, aun siendo de igual naturaleza desde el punto de vista físico actual.