Introducción

En la actualidad existe consenso sobre la necesidad de promover una educación científica coherente con el proceso de construcción del conocimiento científico (e.g. ^{Duschl y Grandy, 2013}; ^{Kelly, 2008}; ^{Osborne, 2014}). Uno de los enfoques adecuados para tal fin es el aprendizaje a través de la participación en las prácticas científicas (^{NRC, 2012}), el cual ayuda a los estudiantes a comprender cómo se construye el conocimiento científico, además de proporcionarles una visión de la gran variedad de métodos utilizados para investigar, modelar y explicar el mundo. Lo relevante de este enfoque es la construcción significativa del conocimiento científico más que la reproducción de procedimientos científicos (^{Berland et al., 2016}).

La planificación y puesta en práctica de investigaciones es una de las prácticas científicas de construcción de conocimiento (^{NGSS, 2013}). Esta práctica requiere que el alumnado formule la pregunta a investigar, prediga resultados y planifique las acciones a llevar a cabo para obtener los mejores datos que permitan resolver la cuestión a investigar.

La parte de planificación se considera como una de las prácticas más difíciles para el alumnado (^{Jones, Gott y Jarman, 2000}; ^{Toplis, 2007}), ya que implica numerosas operaciones. Uno de los principales problemas está relacionado con la operación de control de variables, ya que requiere poner en juego varias destrezas, por ejemplo, la capacidad para diseñar experimentos en distintas condiciones con respecto a una única variable (^{Chen y Klar, 1999}), así como el diseñar experimentos en los que se modifica la variable equivocada o se modifica más de una variable (^{Siler y Klahr, 2012}).

Aún así la práctica de planificación y puesta en práctica de investigaciones proporciona grandes oportunidades al alumnado para construir conocimiento científico de forma significativa. Para ello es necesario proporcionales andamiaje durante el proceso, especialmente cuando no tienen experiencia en la realización de actividades de este tipo.

La noción de andamiaje se enmarca en la perspectiva sociocultural de aprendizaje y se refiere al proceso en el que una persona con más conocimiento ayuda a otra a resolver una tarea que no sería capaz de resolver por sí mismo (^{Wood, Bruner y Ross, 1976}). Se basa en el concepto de zona de desarrollo próximo, que refleja la distancia entre el nivel de desarrollo actual del aprendiz (estudiante), determinada por las actividades que pueden realizar sin ayuda, y el nivel de desarrollo potencial, determinado por la resolución de tareas bajo la supervisión de una persona más capacitada (el profesor) (^{Vygotsky, 1978}).

En la literatura existen numerosos estudios sobre procesos de andamiaje y estrategias utilizadas para tal fin, tanto teóricos como empíricos. La mayoría de contribuciones se dedican a caracterizar los elementos principales que intervienen en los procesos de andamiaje (e.g ^{Hogan y Pressley, 1997}) o en las variantes existentes (^{Hannafin, Land and Oliver, 1999}), así como también a examinar la influencia de varias estrategias de apoyo proporcionadas al alumnado durante el proceso de resolución de una tarea (e.g. ^{Belland, Burdo y Gu, 2015}; ^{Van de Pol, Volman y Beishuizen, 2010}). Este amplio cuerpo de conocimiento sobre andamiaje incluye estrategias y recursos variados, entre los que se encuentran las herramientas digitales (e.g. ^{Kyza, Constantinou y Spanoudis., 2011}; ^{Reiser, 2004}; ^{Zhang and Quintana, 2012}), las pistas discursivas (^{Van de Pol et al., 2010}), o el apoyo insertado en el enunciado de la tarea (^{Chang y Chang, 2013}; ^{Zangori, Forbes y Schwarz, 2015}).

En este trabajo se utiliza el apoyo insertado en el enunciado de la tarea como guía para la planificación de la investigación científica. Este tipo de apoyo está motivado por un estudio previo (^{Crujeiras-Pérez y Jiménez-Aleixandre, 2017}), realizado durante dos años consecutivos con el mismo grupo de estudiantes de educación secundaria, en el cual el docente proporcionó el andamiaje a través de pistas discursivas. Este apoyo resultó insuficiente para conseguir planificar investigaciones adecuadas, especialmente en lo relacionado con el diseño del procedimiento a seguir y con la selección de los materiales e instrumental necesario para realizar la investigación.

El objetivo de la investigación realizada en este trabajo es examinar el potencial del andamiaje utilizado en una tarea de indagación para guiar al alumnado en la práctica de la planificación de investigaciones a través de los desempeños del alumnado.

Metodología

El estudio se enmarca en la investigación cualitativa (^{Denzin y Lincoln, 2000}), en particular en el análisis del contenido (^{Schreirer, 2012}), en el que se pretende describir el significado de los datos a través de la evaluación sucesiva de partes de la información hasta elaborar una serie de categorías dentro de un marco de codificación.

Resultados

Los resultados correspondientes a los desempeños del alumnado en la planificación de la investigación en los distintos cursos se representan en la Tabla 1, en porcentaje para poder establecer comparaciones entre los grupos analizados.

Como se representa en la Tabla 1, los desempeños son diferentes tanto a nivel de los distintos cursos como de las distintas operaciones implicadas en la planificación. En algunas operaciones como el procedimiento, materiales e instrumental y fiabilidad, no se identifican desempeños adecuados, ya que todos los estudiantes se sitúan entre los niveles b y c.

A continuación se discuten los desempeños de los distintos grupos de estudiantes relativos a las operaciones implicadas en la planificación.

En relación a la dimensión procedimiento, como se ha indicado anteriormente, no existe ningún alumno en ninguno de los cursos cuyos desempeños se sitúen en el nivel a, el más adecuado, ya que ninguno elabora un procedimiento lo suficientemente ordenado y detallado que permita investigar la causa de la aparición del precipitado grumoso en la leche. Los mejores desempeños se identifican en 3º de ESO, en el cual el 76% del alumnado propone un procedimiento organizado pero no lo suficientemente detallado para permitir investigar la cuestión. Un ejemplo es la propuesta de A35: "1. coger 3 vasos de precipitados y echarle la misma cantidad de leche a los tres. 2. Ponerlos a una temperatura de 4ºC en la nevera. 3. A cada vaso ponerles una etiqueta, uno con NaOH, otro con H ₂ O ₂ y otro con vinagre. 4. Echarles a cada uno un producto diferente pero la misma cantidad. 5. Esperar dos horas. 6. El que tenga leche sólida (grumos) será el producto". Esta propuesta de procedimiento está ordenada pero no lo suficientemente detallada ya que no indica el volumen de leche y reactivos que va a utilizar. En 4º curso sucede algo similar aunque el porcentaje de alumnado en la categoría b es inferior (56%). En 2º de ESO la mayoría de los estudiantes (el 64%) se sitúan en el nivel más bajo (c) ya que proponen procedimientos que no guardan relación con la cuestión a investigar o son demasiado generales. Un ejemplo es el propuesto por A16 quien señala: "Primero iría al laboratorio y analizaría el producto, pienso que haciendo una filtración, es decir, separar los líquidos de los grumos e intentar analizar el líquido y los grumos". Como se observa en esta respuesta, su procedimiento, además de incompleto, no es compatible con la cuestión a investigar. Esta respuesta podría estar motivada por el hecho de que los días previos a la realización de la tarea se abordó en el aula la separación de sustancias.

En cuanto a la dimensión materiales e instrumental, tampoco se identifican desempeños en el nivel más elevado, repartiéndose entre el intermedio y el bajo. Los porcentajes mayoritarios se identifican en el nivel intermedio para todos los cursos, siendo más elevados en 4º de ESO que en el resto. Un ejemplo es el propuesto por A47: " Probar vertiendo en el vaso de precipitados la leche y con una pipeta probar a echar el vinagre (medido) en el vaso y por último introducirlo en la nevera. Si el resultado no fue el esperado probaremos subiendo o bajando la cantidad, temperatura y el tiempo y si no probaremos con otros productos (hidróxido de sodio). con las etiquetas, las ponemos en el vaso de precipitados para identificar el producto". En esta propuesta el alumno incorpora todos los materiales a utilizar y algún instrumental de laboratorio al que se refiere utilizando la terminología correcta como el vaso de precipitados o la pipeta. Situamos esta respuesta en el nivel intermedio porque no tiene en cuenta todo el material e instrumental que necesita para la investigación ya que no tiene en cuenta, por ejemplo, el uso de las probetas para medir el volumen de leche o la medida de la temperatura con el termómetro para asegurarse que la temperatura de las muestras es de 4ºC.

En relación a la dimensión criterio de identificación, la mayoría de los estudiantes de todos los cursos se sitúan en el nivel más elevado representando el 82, 88 y 81% del alumnado en 2º, 3º y 4º curso respectivamente. Estos resultados sugieren que las preguntas 1 y 2 " ¿qué problema se produjo? y ¿por qué ocurrió el problema? utilizadas como andamiaje, son útiles para establecer el criterio de identificación ya que el 80% del alumnado participante en el estudio considera la formación del precipitado grumoso como criterio en sus diseños.

En cuanto al control de variables, los resultados son bastante diferentes en los cursos, especialmente en 2º de ESO, en el cual solamente el 7% del alumnado propone el control de las tres variables que intervienen en la investigación (volumen de leche y reactivos, tiempo y temperatura) y el 50% de los mismos no tienen en cuenta el control de variables. En los otros cursos el porcentaje de alumnado que se sitúa en el nivel superior es mucho más elevado, representando el 41 y 50% en 3º y 4º de ESO respectivamente. Un ejemplo de respuesta para este nivel superior es la proporcionada por A35 (3º ESO) discutida en la dimensión procedimiento. En esta respuesta la alumna tiene en cuenta la variable volumen (echar la misma cantidad de leche en los vasos y la misma cantidad de reactivo), la temperatura (poner los vasos en la nevera a 4ºC) y el tiempo (esperar dos horas).

Aunque los resultados obtenidos no son del todo satisfactorios, ya que el porcentaje de alumnado en el nivel superior no es demasiado elevado, pensamos que la información de apoyo insertada en el enunciado de la tarea ["Debes realizar varios pasos, es decir, realizando primero unas pruebas y luego otras, cambiando o manteniendo constantes diferentes aspectos (cantidades de productos, temperaturas, tiempos, o lo que consideres)], puede haber sido útil para guiar a los estudiantes de 3º y 4º de ESO en la necesidad de controlar variables, ya que sin esta información probablemente ninguno hubiese tenido en cuenta esta dimensión en sus diseños. Aún así, este tipo de apoyo no es suficiente para el alumnado de 2º de ESO.

Por último, la dimensión fiabilidad, es para la que peores resultados se identifican en todos los cursos, ya que ningún estudiante propone un número determinado de repeticiones de los experimentos que componen la investigación y muy pocos son los que consideran la necesidad de repetir las pruebas para que la investigación sea fiable, representando menos del 20% del alumnado en cada curso. Un ejemplo de respuesta correspondiente a este nivel intermedio es la proporcionada por A40: " Cuando pase el tiempo sacar [el vaso de precipitados de la nevera] y mirar si se produjo esa reacción, si eso fuese así terminaría la investigación. En caso de que no sucediese repetiría el mismo proceso con el resto de botellas". Como se reproduce en la respuesta del alumno, aunque considera la repetición, lo entiende como reproducir el mismo experimento con otro reactivo, no con el mismo para comprobar que el resultado sea fiable. Esta idea se observa en todas las respuestas codificadas en el nivel b. En base a los resultados obtenidos pensamos que el andamiaje utilizado, es decir, la pregunta tal y como se ha formulado no permite obtener las respuestas esperadas.

En general, aunque los resultados no son del todo satisfactorios, especialmente en 2º de ESO, el alumnado es ordenado y tiene en cuenta numerosos aspectos importantes para el diseño de la investigación propuesta. No obstante, los estudiantes deberían explicar con mayor detalle los pasos a seguir para resolver la cuestión, controlar todas las variables y tener en cuenta la repetición de las pruebas para obtener datos fiables.

Discusión y conclusiones

El propósito de este trabajo consiste en examinar el potencial del andamiaje utilizado en una tarea de indagación a través de los desempeños del alumnado relativos a la planificación de una investigación, ambientada en el contexto de la industria láctea, en la que se debe identificar la causa de un problema de precipitación de las proteínas de la leche en uno de los tanques de almacenamiento.

A nivel general los desempeños del alumnado apuntan a dificultades para planificar la investigación, en particular, en relación a la propuesta de un procedimiento detallado que permita investigar la cuestión así como a la selección de todo el material e instrumental necesario y al control de variables y criterios de fiabilidad de la investigación. Estos resultados podrían relacionarse con la falta de conocimiento del alumnado sobre naturaleza de la ciencia y sobre cómo se construye el conocimiento científico, cuestión poco trabajada en las aulas.

A raíz de estos resultados se puede concluir que el andamiaje insertado en el guion de la tarea no es efectivo y/o suficiente para conseguir producciones adecuadas, a diferencia de lo identificado en otros estudios (^{Chang y Chang, 2013}; ^{Zangori et al., 2015}), lo cual podría deberse a la distinta naturaleza de los estudios, siendo el nuestro menos centrado en contenido y más en destrezas.

Por tanto nuestros resultados sugieren la necesidad de diseñar otras estrategias de apoyo más efectivas poder guiar al alumnado de forma más satisfactoria, por ejemplo dirigidas a comprender la necesidad de elaborar procedimientos detallados. Una forma de abordar estas cuestiones podría ser a través de la evaluación de distintos procedimientos prediseñados seguidos de una reflexión sobre cómo mejorar la calidad de los mismos para resolver la cuestión objeto de estudio.

Cabe señalar que este alumnado era la primera vez que realizaba una actividad de este estilo por ello que no podemos inferir que los resultados se deban exclusivamente a la baja potencialidad del andamiaje proporcionado. Hay que tener en cuenta también las dificultades asociadas a este proceso identificadas en la literatura como la tendencia del alumnado a elaborar procedimientos poco detallados (^{Crujeiras-Pérez y Cambeiro, 2017}; ^{García-Carmona, Criado y Cruz-Guzmán, 2017}), o a las dificultades para controlar las variables en los experimentos (^{Chen y Klahr, 1999}).

Con todo, esta investigación permite identificar las operaciones en las que se necesita profundizar en mayor medida a la hora de planificar una investigación en el aula de secundaria, así como identificar aquéllas cuestiones que deben guiarse de una forma determinada en función del curso para el que se proponga la tarea de investigación. En definitiva, este estudio de carácter transversal, permite obtener una imagen de cómo se enfrenta el alumnado de distintas edades al diseño de una investigación científica.